微生物的营养需求简介

营养物质是微生物构成菌体细胞的基本原料，也是获得能量以及维持其他代谢机能必需的物质基础。微生物吸收何种营养物质取决于微生物细胞的化学组成。

一、微生物细胞的化学组成

1.化学元素

构成微生物细胞的物质基础是各种化学元素。根据微生物生长时对各类化学元素需要量的大小，可将它们分为主要元素和微量元素，主要元素包括碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁等，碳、氢、氧、氮、磷、硫这六种主要元素可占细菌细胞干重的97%（见表5-1）。微量元素包括锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。

表5-1 微生物细胞中几种主要元素的含量（以干重计）单位：%

组成微生物细胞的各类化学元素的比例常因微生物种类的不同而不同，例如细菌、酵母菌和真菌的碳、氢、氧、氮、磷、硫六种元素的含量就有差别，而硫细菌、铁细菌和海洋细菌相对于其他细菌则含有较多的硫、铁和钠、氯等元素，硅藻需要硅酸来构建富含（SiO₂）_n的细胞壁。不仅如此，微生物细胞的化学元素组成也常随菌龄及培养条件的不同而在一定范围内发生变化，幼龄的或在氮源丰富的培养基上生长的细胞与老龄的或在氮源相对贫乏的培养基上生长的细胞相比，前者含氮量高，后者含氮量低。

2.化学成分及其分析

各种化学元素主要以有机物、无机物和水的形式存在于细胞中。有机物主要包括蛋白质、糖、脂、核酸、维生素以及它们的降解产物和一些代谢产物等物质。细胞有机物成分的分析通常采取两种方式：一种是用化学方法直接抽提细胞内的各种有机成分，然后加以定性和定量分析；另一种是先将细胞破碎，然后获得不同的亚显微结构，再分析这些结构的化学成分。无机物是指与有机物相结合或单独存在于细胞中的无机盐等物质。分析细胞无机成分时一般将干细胞在高温炉（550℃）中焚烧成灰，所得到的灰分物质是各种无机元素的氧化物，称为灰分。采用无机化学常规分析法可定性定量分析出灰分中各种无机元素的含量。

水是细胞维持正常生命活动所必不可少的，一般可占细胞质量的70%～90%。细胞湿重与干重之差为细胞含水量。将细胞外表面所吸附的水分除去后称量所得质量即为湿重，一般以单位培养液中所含细胞质量表示（g/L或mg/mL）。但在具体测量过程中，常由于细胞表面吸附水分除去程度的不同而导致测量结果有误差，聚集在一起的单细胞微生物表面吸附的水分难以除去，这些吸附的水分可占湿重的10%。采用高温（105℃）烘干、低温真空干燥和红外线快速烘干等方法将细胞干燥至恒重即为干重。值得注意的是，采用高温烘干法会导致细胞物质分解，而利用后两种方法所得结果较为可靠。

根据对各类微生物细胞物质成分的分析，发现微生物细胞的化学组成和其他生物相比较，没有本质上的差别。微生物细胞平均含水分80%左右，其余20%左右为干物质，在干物质中有蛋白质、核酸、碳水化合物、脂类和矿物质等。

二、微生物生长的营养物质及其生理功能

微生物所需的营养物质，主要包括碳源、氮源、无机盐、生长因子和水五大类。这些物质对微生物的生命活动主要有三方面的作用：供给微生物合成细胞物质的原料，合成代谢和生命活动所需的能量，调节新陈代谢。

1.碳源

凡是可以被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的物质统称为碳源。碳源通过机体内一系列复杂的化学变化被用来构成细胞物质或提供机体完成整个生理活动所需要的能量。因此，碳源通常也是机体生长的能源。碳源是合成菌体成分的原料，也是微生物获取能量的主要来源。整体上看来，微生物可以利用的碳源范围极广，从大类上说，可以分为有机碳源和无机碳源两大类，凡必须利用有机碳源的微生物就是异养微生物，凡能利用无机碳源的微生物就是自养微生物。糖类是最广泛利用的碳源。能作为微生物生长的碳源的种类极其广泛，既有简单的无机含碳化合物CO₂和碳酸盐等，也有复杂的天然的有机含碳化合物，它们是糖和糖的衍生物、脂类、醇类、有机酸、烃类、芳香族化合物以及各种含碳的化合物（见表5-2）。但是微生物不同，利用这些含碳化合物的能力也不相同。

微生物利用碳源物质具有选择性，糖类是一般微生物较容易利用的良好碳源和能源物质，但微生物对不同糖类物质的利用也有差别，例如在以葡萄糖和半乳糖为碳源的培养基中，大肠杆菌首先利用葡萄糖，然后利用半乳糖，前者称为大肠杆菌的速效碳源，后者称为迟效碳源。但不同种类的微生物对碳源的需要情况却差别很大。例如，假单胞菌属中的某些种可以利用多达90种以上的碳源物质，而一些甲基营养型微生物只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物作为碳源物质。碳源物质在细胞内经过一系列复杂的化学变化后成为微生物自身的细胞物质（如碳水化合物、脂、蛋白质等）和代谢产物，碳可占一般细菌细胞干重的一半。同时，绝大部分碳源物质在细胞内生化反应过程中还能为机体提供维持生命活动所需的能源，因此碳源物质通常也是能源物质。但是有些以CO₂作为唯一或主要碳源的微生物生长所需的能源则并非来自碳源物质。

表5-2 微生物利用的碳源物质

目前在微生物工业发酵中用于微生物生长的碳源主要是糖类物质，即单糖、饴糖、淀粉（玉米粉、甘薯粉、野生植物淀粉等）、麸皮、各种米糠等，为了解决工业发酵用粮与人们日常食用粮、动物饲料用粮的矛盾，广泛开展了以纤维素、石油、CO₂和H₂等作为碳源与能源来培养微生物的代粮发酵的科学研究。目前已能利用石油或石油产品作为碳源来生产氨基酸、维生素、辅酶、有机酸、核苷酸、抗生素与酶制剂等各种有用产品。

2.氮源

氮源物质为微生物提供氮素来源，这类物质主要用来合成细胞中的含氮物质，一般不作为能源，只有少数自养微生物能利用铵盐、硝酸盐同时作为氮源与能源。微生物细胞中含氮5%～15%，它是微生物细胞蛋白质和核酸的主要成分。因此，氮素对微生物的生长发育有着重要的意义。对于异养微生物来说，含C、H、O、N的化合物既是碳源又是氮源。在碳源物质缺乏的情况下，某些厌氧微生物在厌氧条件下可以利用某些氨基酸作为能源物质。能够被微生物利用的氮源物质包括蛋白质及其不同程度的降解产物（胨、肽、氨基酸等）、铵盐、硝酸盐、分子氮、嘌呤、嘧啶、脲、胺、酰胺、氰化物等（见表5-3）。

表5-3 微生物利用的氮源物质

实验室常用的无机氮源有碳酸铵、硝酸盐、硫酸铵、尿素、蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等。生产上常用的氮源有硝酸盐、铵盐、尿素、氨以及蛋白含量较高的鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼粉、玉米浆等，蛋白氮必须通过水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被利用，这种氮源称为迟效氮源。无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用，这种氮源称为速效氮源。速效氮源通常有利于生长，迟效氮源有利于代谢产物的形成。多数微生物可以利用无机含氮化合物作为氮源，也可以利用有机含氮化合物作为氮源。但有些微生物没有将无机氮合成为有机氮的能力，它们不能把尿素、铵盐等这些无机氮源自行合成为它们生长所需的氨基酸，而需要从外界吸收现成的氨基酸作为氮源才能生长，这类微生物称为氨基酸异养型微生物，也称营养缺陷型。

许多腐生型细菌、肠道菌、动植物致病菌等可利用铵盐或硝酸盐作为氮源，例如大肠杆菌、产气肠杆菌、枯草芽孢杆菌、铜绿假单胞菌等均可利用硫酸铵和硝酸铵作为氮源，放线菌可以利用硝酸钾作为氮源，霉菌可以利用硝酸钠作为氮源。以（NH₄）₂SO₄等铵盐为氮源培养微生物时，由于被吸收，会导致培养基pH下降，因而将其称为生理酸性盐；以硝酸盐（如KNO₃）为氮源培养微生物时，由于被吸收，会导致培养基pH升高，因而将其称为生理碱性盐。为避免培养基pH变化对微生物生长造成不利影响，需要在培养基中加入缓冲物质。无机氮源一般不用作能源，只有少数化能自养细菌能利用铵盐、硝酸盐作为机体生长的氮源与能源。某些微生物（如固氮菌）能利用空气中分子态的氮或利用无机氮化物如铵盐、硝酸盐合成有机氮化物。多数致病菌则必须供给蛋白胨、氨基酸等有机氮化物才能生长。(www.xing528.com)

3.无机盐

无机盐是微生物生长必不可少的一类营养物质，也是构成微生物细胞结构物质不可缺少的组成成分。许多无机矿物质元素的生理作用有参与酶的合成或酶的激活剂，并具有调节细胞的渗透压、控制细胞的氧化还原电位的作用和作为有些自养型微生物生长的能源物质等（见表5-4）。

表5-4 无机盐及其生理功能

微生物生长所需的无机盐一般有磷酸盐、硫酸盐、氯化物以及含有钠、钾、钙、镁、铁等金属元素的化合物。磷和硫需要量最大，磷在微生物生长与繁殖过程中起着重要的作用。它既是合成核酸、核蛋白、磷脂与其他含磷化合物的重要元素，也是许多酶与辅酶的重要元素。硫是胱氨酸、半胱氨酸、甲硫氨酸的组成元素之一，因而它也是构成蛋白质的主要元素之一。钠、钙、镁等是细胞中某些酶的激活剂。

根据微生物对矿物质元素需要量的不同，将其分为大量元素和微量元素。大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等，微生物生长所需浓度在10^-4～10^-3mol/L；微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co、Ni、Cu等，微生物生长所需浓度在10^-8～10^-6mol/L。微量元素一般参与酶的组成或使酶活化（见表5-5）。如果微生物在生长过程中缺乏微量元素，会导致细胞生理活性降低甚至停止生长。由于不同微生物对营养物质的需求不尽相同，微量元素这个概念也是相对的。微量元素通常混杂在天然有机营养物、无机化学试剂、自来水、蒸馏水、普通玻璃器皿中，如果没有特殊原因，在配制培养基时没有必要另外加入微量元素。值得注意的是，许多微量元素是重金属，如果它们过量，就会产生毒害作用，而且单独一种微量元素过量产生的毒害作用更大，因此有必要将培养基中微量元素的量控制在正常范围内，并注意各种微量元素之间保持恰当比例。

表5-5 微量元素与生理功能

4.生长因子

生长因子是一类对微生物正常代谢必不可少且不能用简单的碳源或氮源自行合成的有机物，主要包括维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（碱基）及其衍生物，此外还有甾醇、胺类、脂肪酸等。而狭义的生长因子仅指维生素，缺少这些生长因子会影响各种酶的活性，新陈代谢就不能正常进行，主要是B族维生素的化合物等。生长因子可以从酵母浸出液、血液或血清中获得。不同微生物需求的生长因子的种类和数量是不同的（见表5-6）。

表5-6 某些微生物生长所需的生长因子

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自养微生物和某些异养微生物（如大肠杆菌）甚至不需外源生长因子也能生长。不仅如此，同种微生物对生长因子的需求也会随着环境条件的变化而改变，例如鲁氏毛霉在厌氧条件下生长时需要维生素B₁与生物素，而在好氧条件下生长时自身能合成这两种物质，不需外加这两种生长因子。有时由于对某些微生物生长所需生长因子的本质还不了解，在培养它们时通常在培养基中加入酵母浸膏、牛肉浸膏及动植物组织液等天然物质以满足需要。

根据生长因子的化学结构和它们在机体中的生理功能的不同（见表5-7），可将生长因子分为维生素、氨基酸与嘌呤及嘧啶三大类。根据微生物与生长因子间的关系，可以将它们分为生长因子自养型微生物、生长因子异养型微生物和生长因子过量合成微生物。生长因子自养型微生物能够自行合成所需的生长因子，因此不需要从外界补充生长因子，多数真菌、放线菌和一些细菌属于这种类型。生长因子异养型微生物必须补充外源生长因子才能生长，如乳酸杆菌需要多种维生素、氨基酸和碱基；又如肠膜状明串珠菌需要补充10种维生素、19种氨基酸、3种嘌呤以及尿嘧啶。生长因子过量合成微生物能够合成大量维生素等，可用做维生素等的生产菌，如橄榄链霉菌、灰色链霉菌可用作维生素B₁₂的生产菌。

表5-7 几种生长因子的主要功能

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5.水

水是微生物生长所必不可少的。水在细胞中的生理功能主要有：起到溶剂与运输介质的作用，营养物质的吸收与代谢产物的分泌必须以水为介质才能完成；参与细胞内一系列化学反应；维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；因为水的比热容高，是热的良好导体，能有效地吸收代谢过程中产生的热并及时地将热迅速散发出体外，从而有效地控制细胞内温度的变化；保持充足的水分是细胞维持自身正常形态的重要因素；微生物通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构，如酶、微管、鞭毛及病毒颗粒的组装与解离。

水是微生物细胞主要的组成成分，它占鲜重的70%～90%。不同种类微生物细胞含水量不同（见表5-8）。同种微生物处于发育的不同时期或不同的环境其水分含量也有差异，幼龄菌含水量较多，衰老和休眠体含水量较少。微生物所含水分以游离水和结合水两种状态存在，两者的生理作用不同。结合水不具有一般水的特性，不能流动，不易蒸发，不冻结，不能作为溶剂，也不能渗透。游离水则与之相反，具有一般水的特性，能流动，容易从细胞中排出，并能作为溶剂，帮助水溶性物质进出细胞。

表5-8 各类微生物细胞中的含水量（以鲜重计）单位：%

微生物生长的环境中水的有效性常以水活度值（water activity，A_w）表示，水分活度值是指在一定的温度和压力条件下，溶液的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸汽压力之比，即：A_w＝p_w/p_0w，式中p_w代表溶液蒸汽压力，p_0w代表纯水蒸汽压力。纯水A_w为1.00，溶液中溶质越多，A_w越小。微生物一般在A_w为0.60～0.99的条件下生长，对某种微生物而言，A_w过低时，微生物生长的迟缓期延长，比生长速率和总生长量减少。微生物不同，其生长的最适A_w不同（见表5-9）。一般而言，细菌生长最适A_w较酵母菌和霉菌高，而嗜盐微生物生长最适A_w则较低。

表5-9 几类微生物生长最低A_w