第四章微生物的营养微生物同其他生物一样湖州精文档格式.docx
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无机物是指与有机物相结构或单独存在于细胞中的无机盐（inorganicsalt）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，所得的灰分物质是各种无机元素的氧化物，称为灰分（ashconstituent）。
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不可少的，一般可占细胞重量的70%-90%。
细胞湿重（wetweight）与干重（dryweight）之差为细胞含水量，常以百分率表示。
将细胞表面所吸附的水分除去后称量所得重量即为湿重，一般以单位培养液中所含细胞重量表示（g/L或mg/ml），但具体测量过程中，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：
高温烘干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。
二、微生物的营养要素
微生物生长所需要的元素主要以相应的有机物与无机物的形式提供的，也有小部分可以由分子态的气体物质提供。
营养物质按照它们在机体中的生理作用不同，可以将它们区分成碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水。
1.碳源
在微生物生长过程中能为微生物提供碳素来源的物质称为碳源。
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（如糖类、脂类、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。
但有些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。
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，但不同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。
目前在微生物工业发酵中所利用的碳源物质主要是单糖、糖蜜、淀粉、麸皮、米糠等。
为了节约粮食，人们已经开展了代粮发酵的科学研究，以自然界中广泛存在的纤维素作为碳源和能源物质来培养微生物。
不同种类微生物利用碳源物质的能力也有差别。
有的微生物能广泛利用各种类型的碳源物质，而有些微生物可利用的碳源物质则比较少，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。
微生物利用的碳源物质主要有糖类、有机酸、醇、脂类、烃、CO2及碳酸盐等。
对于为数众多的化能异养微生物来说，碳源是兼有能源功能营养物。
2.氮源
凡是能被用来构成菌体物质中或代谢产物中氮素来源的营养物质称为氮源。
氮对微生物的生长发育有重要的作用，它们主要用来合成细胞中的含氮物质，一般不作为能量。
只有少数细菌如硝化细菌能利用銨盐、硝酸盐作为氮源和能源。
能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。
常用的蛋白质类氮源包括蛋白胨、鱼粉、蚕蛹、黄豆饼粉、玉米浆、牛肉浸膏、酵母浸膏等。
微生物对这类氮源的利用具有选择性。
例如：
土霉素产生菌利用玉米浆比利用黄豆饼粉和花生饼粉的速度快，这是因为玉米浆中的氮源物质主要以较易吸收的蛋白质降解产物形式存在，而降解产物特别是氨基酸可能通过转氮作用直接被机体利用，而黄豆饼粉和花生饼粉中的氮主要以大分子蛋白质形式存在，需进一步降解成小分子的肽和氨基酸后才能被微生物吸收利用，因而对其利用的速度较慢。
因些玉米浆为速效氮源有利于菌体生长；
而黄豆饼粉和花生饼粉为迟效氮源，有利于代谢产物的形成，在发酵生产土霉素的过程中，往往将两者按一定比例制成混合氮源，以控制菌体生长时期与代谢产物形成时期的协调，达到提高土霉素产量的目的。
微生物吸收利用铵盐和硝酸盐的能力较强，NH4+被细胞吸收后可直接利用，因而（NH4）2SO4等铵盐一般被称速效氮源，它是微生物最常用的氮源，而NO3-被吸收后需进一步还原成NH4+后再被利用。
能够利用铵盐或硝酸盐作为氮源的微生物很多如：
大肠杆菌（Escherichiacoli）、产气肠杆菌（Enterobacteraerogenes）、枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas），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等为氮源培养微生物时，由于NH4+被吸收后，会导致培养基PH下降，因而将其称为生理酸性盐；
以硝酸盐为氮源培养微生物时，由于NO3-被吸收，会导致PH升高，因而称为生理碱性盐。
为避免培养基PH变化对微生物生长造成影响，需要在培养基中加入缓冲物质。
3．能源
能为微生物的生命活动提供最初能量来源营养物或辐射能。
化能异养微生物的能源就是碳源，葡萄糖便是常见的一种兼有碳源与能源功能的双功能营养物。
所有真菌、放线菌和大部分细菌是化能异养型微生物。
化能自养微生物的能源主要是无机物，这些微生物都是细菌、硝化细菌、硫细菌、氢细菌等。
光能自养和异养微生物的能源主要是太阳能，如蓝细菌、紫色非硫细菌等。
4．生长因子
通常指那些微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成的或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。
各种微生物需求的生长因子的种类和数量是不同的（见下表）。
微生物
生长因子
需要量（ml-1）
III型肺炎链球菌（Streptococcuspneumoniae）
胆碱
6ug
金黄色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）
硫胺素
0.5ng
白喉棒杆菌（Cornebacteriumdiphtherriae）
B-丙氨酸
1.5ug
破伤风梭状芽孢杆菌（Clostridiumtetani）
尿嘧啶
0-4ug
肠膜状串珠菌（Leuconostocmesenteroides）
吡哆醛
0.025ug
自养微生物和某些异养微生物如大肠杆菌不需要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，如鲁氏毛霉（Mucorrouxii）在厌氧条件下生长时需要维生素B1和生物素（维生素H），而在好氧条件时自身能合成这两种物质，不需外加这两种生长因子。
有时对某些微生物生长所需生长因子的本质还不了解，通常在培养时培养基中要加入酵母浸膏、牛肉浸膏及动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与它们在机体内的生理功能不同，可以将生长因子分为维生素、氨基酸及和嘌呤及嘧啶碱基三大类。
维生素首先发现的生长因子，它的主要作用是作为酶的辅基或辅酶参与新陈代谢；
如B1它就是脱氧酶的辅酶。
氨基酸也是许多微生物所需要的生长因子，这与它们缺乏合成氨基酸的能力有关，因此，必须在它们的生长培养基里补充这些氨基酸或者含有这些氨基酸的小肽物质，如Leuconostocmesenteroides生长机需要17种氨基酸才能生长。
嘌呤（或）嘧啶作为生长因子在微生物机体内的作用主要是作为酶的辅酶或辅基，以及用来合成核酸和辅酶。
5．无机盐
矿质元素也是微生物生长所不可缺少的营养物质，它们具有以下作用：
①参加微生物中氨基酸和酶的组成。
②调节微生物的原生质胶体状态，维持细胞的渗透与平衡。
③酶的激活剂。
根据微生物对矿质元素需要量大小可以把它分成大量元素和微量元素。
大量元素：
Na、K、Mg、Ca、S、P等。
微量元素是指那些在微生物生长过程中起重要作用，而机体对这些元素的需要量极其微小的元素，通常需要量在10-6--10-8mol/L：
锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。
它们一般参与酶的组成或使酶活化（见下表）。
元素
生理功能
锌
存在于乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、RNA与DNA聚合酶中
硒
存在于甘氨酸还原酶、甲酸脱氢酶中
铜
存在于谷氨酸变位酶中
锰
存在于过氧化物歧化酶、柠檬酸合成酶中
6．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①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；
②参与细胞内一系列化学反应；
③维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；
④因为水的比热高，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，大而有效地控制细胞内温度的变化；
⑤通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构，如微管、鞭毛的组装与解离。
微生物生长的环境中水的有效性常以水活度值aw表示，水活度值是指在一定的温度和压力条件下，溶液的蒸气压力与同样条件下纯水蒸气压力之比。
纯水aw为1，溶液中溶质越多，aw越小。
微生物一般在aw为0.69--0.99的条件下生长，aw过低时，微生物生长的迟缓期延长。
第二节微生物的营养类型
由于微生物种类繁多，其营养类型（nutritional）比较复杂，人们常在不同层次上和侧重点上对微生物营养类型进行划分。
划分依据
营养类型
特点
碳源
自养型
异养型
以CO2为唯一或主要碳源
以有机物为碳源
能源
光能营养型
化能营养型
以光为能源
以有机物氧化释放的化学能为能源
电子供体
无机营养型
有机营养型
以还原性无机物为电子供体
以有机物为电子供体
根据碳源、能源及电子供体性质的不同，可将绝大多数微生物分为光能无机自养型（photolithoautotrphy）、光能有机异养型（photoorganoheterotrphy）、化能无机自养型（chemolithoautotrphy）、化能有机自养型（chemoorganoheterotrophy）四种类型。
举例
光能自养型
H2、H2S、S、H2O
CO2
光能
蓝细菌、藻类
光能异养型
有机物
红螺细菌
化能自养型
H2、H2S、NH3、NO2-、Fe2+
化学能
（无机物氧化）
氢细菌、硫杆菌、硝化杆菌等
化能异养型
（有机物氧化）
全部真核微生物、绝大多数细菌
必须明确，无论那种分类方式，不同营养类型之间的界限并非绝对的，异养型微生物并非不能利用CO2，只是不能以CO2为唯一或主要碳源进行生长，而且在有机物存在的情况下也可将CO2同化为细胞物质。
同样，自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长。
另外，有些微生物在不同生长条件下生长时，其营养类型也会发生改变，例如紫色非硫细菌在没有有机物时可以同化CO2，为自养型微生物，而当有机物存在时，它又可以利用有机物进行生长，此时它为异养型微生物。
再如紫色非硫细菌在光照和厌氧条件下可利用光能生长，为光能营养型微生物，而在黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长，则为化能营养型微生物。
微生物类型的可变性无疑有利于提高微生物对环境条件的适应能力。
第三节营养物质进入细胞的方式
微生物没有专门摄取营养物质的器官，它们摄取营养是依靠整个细胞表面进行的。
目前认为：
各种营养物质的吸收是依靠于细胞质膜的作用，细胞质膜上面有许多小孔，各种营养物质是通过不同的吸收方式透过细胞膜的。
营养物质能否进入细胞取决于三个方面的因素：
①营养物质本身的性质（相对分子量、质量、溶解性、电负性等）；
②微生物所处的环境（温度、PH等）；
③微生物细胞的透过屏障（原生质膜、细胞壁、荚膜等）。
根据物质运输过程的特点，可将物质的运输方式分为自由扩散、促进扩散、主动运输、基团转移。
一、自由扩散
自由扩散也称单纯扩散。
原生质膜是一种半透性膜，营养物质通过原生质膜上的小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内进行扩散。
自由扩散是非特异性的，但原生质膜上的含水小孔的大小和形状对参与扩散的营养物质分子有一定的选择性。
它有以下特点：
①物质在扩散过程中没有发生任何反应；
②不消耗能量；
不能逆浓度运输；
③运输速率与膜内外物质的浓度差成正比。
自由扩散不是微生物细胞吸收营养物的主要方式，水是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分子，脂肪酸、乙醇、甘油、一些气体（O2、CO2）及某些氨基酸在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞。
二、促进扩散
与自由扩散一样，促进扩散也是一种被动的物质跨膜运输方式，在这个过程中①不消耗能量，②参与运输的物质本身的分子结构不发生变化，③不能进行逆浓度运输，④运输速率与膜内外物质的浓度差成正比。
⑤需要载体参与。
通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。
一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质的运输由一种以上的载体蛋白来完成。
三、主动运输
主动运输是广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式。
与上面两种运输相比它的一个重要特点是物质运输过程中需要消耗能量，而且可以进行逆浓度运输。
在主动运输过程中，运输物质所需要的能量来源因微生物不同而不同，好氧型微生物与兼性厌氧微生物直接利用呼吸能，厌氧微生物利用化学能，光合微生物利用光能。
主动运输与促进扩散类似之处在于物质运输过程中同样需要载体蛋白，载体蛋白通过构象变化而发迹与被运输物质之间的亲和力大小，使两者之间发生可逆性结合与分离，从而完成相应物质的跨膜运输，区别在于主动运输过程中的载体蛋白构象变化需要消耗能量。
四、基团移位
基团移位是另一种类型的主动运输，它与主动运输方式的不同之处在于它有一个复杂的运输系统来完成物质的运输，而物质在运输过程中发生化学变化。
基团转移主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细胞中，主要用于糖的运输，脂肪酸、核苷、碱基等也可以通过这种方式运输。
在研究大肠杆菌对葡萄糖和金黄色葡萄糖对乳糖的吸收过程中，发现这些糖进入细胞后以磷酸糖的形式存在于细胞质中，表明这些糖在运输过程中发生了磷酸化作用，其中的磷酸基团来源于胞内的磷酸烯醇式丙酮酸（PEP），因此也将基团转位称为磷酸烯醇式丙酮酸--磷酸糖转移酶运输系统（PTS），PTS通常由五种蛋白质组成，包括酶I、酶II、和一种低相对分子量的热稳定蛋白质（HPr）。
在糖的运输过程中，PEP上的磷酸基团逐步通过酶I、HPr的磷酸化与去磷酸化作用，最终在酶II的作用下转移到糖，生成磷酸糖放于细胞质中。
PEP-P+HPr→HPr-p+酶I→酶I+丙酮酸
酶I-P+HPr→酶III+酶I
HPr-P+酶III→酶III-P+HPr
糖+酶III-P→糖-P+酶III
四种运送营养方式的比较
比较项目
单纯扩散
促进扩散
主动运输
基团移位
特异载体蛋白
无
有
运送速度
慢
快
溶质运送方向
由浓至稀
由稀至浓
平衡时内外浓度
内外相等
内部高
运送分子
无特异性
特异性
能量消耗
不需要
需要
运送前后溶质分子
不变
改变
载体饱和效应
与溶质类似物
无竞争性
有竞争性
运送抑制剂
运送对象举例
水、甘油乙醇、O2、CO2
糖、SO42-、PO43-
氨基酸、乳糖等糖类，少量无机离子
葡萄糖、果糖、嘌呤、嘧啶等
第四节培养基
培养基是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。
无论是以微生物为材料的研究，还是利用微生物生产生物制品，都必须进行培养基配制，它是微生物学研究和微生物发酵生产的基础。
一、配制培养基的原则
1．目的明确
根据不同的微生物的营养要求配制针对强的培养基。
自养型微生物能从简单的无机物合成自身需要的糖类、脂类、蛋白质、核酸、维生素等复杂的有机物，因此培养自养型微生物的培养基完全可以由简单的无机物组成。
例如培养化能自养型的氧化硫杆菌的培养基组成为：
S10gMgSO4.7H2O0.5gNH4）2SO40.4gFeSO40.01g
KH2PO44gCaCl20.25gH2O1000ml
由于异养微生物合成能力较弱，不能以CO2作米唯一碳源，因此培养它们的培养基至少需要含有一种有机物质，例如培养大肠杆菌的一种培养基是由下列化学成分组成：
葡萄糖5gNH4H2PO41gNaCl5gMgSO4.7H2O0.2g
K2HPO41gH2O1000ml
有的异养型微生物生长还需要一种以上的有机物那么在培养基中就应该含用这些有机物质，以满足它的正常生长。
另外就微生物的主要类群来说，又有细菌、放线菌、酵母菌和霉菌之分，它们所需要的培养成分也不同，现将培养它们的培养基成分分别介绍如下：
细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）：
牛肉膏3g蛋白胨10gNaCl5gH2O1000ml
放线菌（高氏1号）
K2HPO40.5gNaCl0.5gMgSO4.7H2O0.5gKNO31g
FeSO40.01gH2O1000ml
酵母菌（麦芽汁培养基）
干麦芽粉加四倍水，在50℃--60℃保温糖化3-4小时，用碘液试验检查至糖化完全为止，调整糖液浓度为10。
巴林，煮沸后，沙布过滤，调PH为6.0。
霉菌（查氏合成培养基）
NaNO33gK2HPO41gKCl0.5gMgSO4.7H2O0.5g
FeSO40.01g蔗糖30gH2O1000ml
如果要分离或培养某种特殊类型的微生物，还需要采用特殊的培养基，对于某些需要另外添加生长因子才能生长的微生物，还需要在培养基内添加它们所需要的生长因子。
2．营养协调
注意各种营养物质的浓度与配比。
培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好，营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需，浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用，例如：
高浓度糖物质、无机盐、重金属离子等不仅不能维持和促进微生物的生长，反而起到抑制或杀菌作用。
另外培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（C/N）的影响较大。
碳氮比指培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值，有时也指培养基中还原糖与粗蛋白之比。
例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，培养基碳氮比为4/1时，菌体量繁殖，谷氨酸积累少；
当培养基碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。
再如，在抗生素发酵生产过程中，可以通过控制培养基中速效氮（或碳）源与迟效氮（或碳）源之间的比例来控制菌体生长与抗生素的合成协调。
3．控制PH、渗透压等条件
培养基的PH必须控制在一定的范围内，以满足不同类型微生物的生长繁殖或产生代谢产物。
各类微生物生长繁殖或产生代谢产物的最适PH条件各不相同，一般来讲，细胞生长的最适PH范围在PH7.0--8.0之间，放线菌在7.5--8.5
之间，酵母菌在3.8--6.0
之间，而霉菌则在4.0--5.8之间。
具体的第种微生物还有其特定的最适生长PH范围，但是对于某引起胡极端环境中的微生物来六，往往可以大大突破所属类群微生物PH范围的上限和下限。
在微生物生长繁殖和代谢过程中，由于营养物质被分解利用和代谢产物的形成与积累，会导致培养基PH发生变化，若不对培养基PH条件进行控制，往往导致微生物生长速度下降或代谢产物产量下降。
因此为了维持培养基PH的相对恒定，通常在培养基中加入PH缓冲剂，常用的缓冲剂是K2HPO4KH2PO4组成的混合物。
但K2HPO4/KH2PO4缓冲系统只能在一定的PH范围（PH6.4-7.2）内起调节作用。
有些微生物，如乳酸菌能大量产酸，此时只级在培养基加入难溶的碳酸盐（CaCO3）来进行调节，CaCO3难溶于水，不会使培养基PH过度升高，但它可以不断中和微生物产生的酸，同时释放出CO2，将培养基PH控制在一定范围内。
绝大多数微生物适宜在等渗溶液中生长，一般培养基的渗透压都是适合的，但培养嗜盐微生物（如嗜盐细菌）和嗜渗压微生物（如高渗酵母）时就要提高培养基的渗透压。
培养嗜盐微生物常加适量NaCl，海洋微生物的最适生长盐度约
3.5%。
培养嗜渗透微生物时要加接近饱和量的蔗糖。
4．经济节约
在配制培养基时应尽量利用廉价且易于获得的原料为培养基成分，特别在发酵工业中，培养基用量很大，利用低成本的原料更体现出其经济价值。
如在微生物单细胞蛋白的工业生产中，常常用利用糖蜜、豆制品工业废液等作为培养基的原料，另外大量的农副产吕如麸皮、米糠、玉米浆、酵母浸膏、酒糟、豆饼、花生饼等都是常用的发酵工业原料。
经济节约原则大致有：
以粗代精、以野代家、以废代好、以简代繁、以烃代粮、以纤代糖、以氮代朊和以国（产）代进（口）等方面。
二、培养基的类型及应用
培养基种类繁多，根据其成分、物理状态和用途可将培养分成多种类型。
1．按成分不同划分
（1）天然培养基含用化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物。
牛肉膏蛋白胨培养基和麦芽汁培养基就属于此类。
常用的天然有机营养物质包括牛肉膏、蛋白胨、酵母浸膏、豆芽汁、玉米粉、牛奶等。
天然培养基成本较低，除在实验室经常使用外，也适于用来进行工业大规模的微生物发酵生产。
（2）合成培养基是化学成分完全了解的物质配制而成的培养基。
高氏1号培养基和查氏培养基就属于此种类型。
配制合成培养基时重复性强但与天然培养基相比其成本较高，微生物在其中生长速度较慢，一般适用于在实验室用来进行有关微生物营养需求、代谢、分类鉴定、生物量测定、菌种选育及遗传分析等方面的研究工作。
2．根据物理状
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