微生物营养

微生物营养的丰富和转化，是未来人类营养链的重要一环。

一,微生物细胞的化学组成

分析微生物细胞的化学成分,发现微生物细胞与其他生物细胞的化学组成并没有本质上的差异.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.这些干物质是由碳,氢,氧,氮,磷,硫,钾,钙,镁,铁等主要化学元素组成,其中碳,氢,氧,氮是组成有机物质的四大元素,大约占干物质的90%～97%.其余的3%～10%是矿物质元素,这些矿质元素对微生物的生长也起着重要的作用.

二,微生物的营养物质及其生理功能

通过了解微生物的化学组成,可见微生物在新陈代谢活动中,必须吸收充足的水分以及构成细胞物质的碳源和氮以及钙,镁,钾,铁等多种多样的矿质无素和一些必须的生长辅助因子,才能正常地生长发育.

水分

水分是微生物细胞的主要组成成分,大约占鲜重的70%～90%.不同种类微生物细胞含水量不同.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.微生物细胞游离态的水同结合态的比例为4:1.

微生物细胞中的结合态水约束于原生质的胶体系统之中,成为细胞物质的组成成份,是微生物细胞生活的必要条件.游离水是细胞吸收营养物质和排出代谢产物的溶剂及生化反应的介质;一定量的水分又是维持细胞渗透压的必要条件.由于水的比热高又是热的良导体,能有效地调节细胞内的温度.微生物如果缺乏水分,则会影响代谢作用的进行.

碳源物质

凡是可以被微生物利用,构成细胞代谢产物碳素来源的物质,统称为碳源物质.碳源物质通过细胞内的一系列化学变化,被微生物用于合成各代谢产物.微生物对碳素化合物的需求是极为广泛的,根据碳素的来源不同,可将碳源物质分为无机碳源物质和有机碳源物质.糖类是较好的碳源,尤其是单糖(葡萄糖,果糖),双糖(蔗糖,麦芽糖,乳糖),绝大多数微生物都能利用.此外,简单的有机酸,氨基酸,醇,醛,酚等含碳化合物也能被许多微生物利用.所以我们在制作培养基时常加入葡萄糖,蔗糖作为碳源.淀粉,果胶,纤维素等,这些有机物质在细胞内分解代谢提供小分子碳架外,还产生能量供合成代谢需要的能量,所以部分碳源物质既是碳源物质,同时又是能源物质.

在微生物发酵工业中,常根据不同微生物的需要,利用各种农副产品如玉米粉,米糠,麦麸,马铃薯,甘薯以及各种野生植物的淀粉,作为微生物生产廉价的碳源.这类碳源往往包含了几种营养要素.

氮源物质

微生物细胞中大约含氮5%～13%,它是微生物细胞蛋白蛋和核酸的主要成分.氮素对微生物的生长发育有着重要的意义,微生物利用它在细胞内合成氨基酸和碱基,进而合成蛋白质,核酸等细胞成分,以及含氮的代谢产物.无机的氮源物质一般不提供能量,只有极少数的化能自养型细菌如硝化细菌可利用铵态氮和硝态氮在提供氮源的同时,通过氧化产生代谢能.

微生物营养上要求的氮素物质可以分为三个类型:

1.空气中分子态氮 只有少数具有固氮能力的微生物(如自生固氮菌,根瘤菌)能利用.

2.无机氮化合物 如铵态氮(NH4+),硝态氮(NO3-)和简单的有机氮化物(如尿素),绝大多数微生物可以利用.

3.有机氮化合物 大多数寄生性微生物和一部分腐生性微生物需以有机氮化合物(蛋白质,氨基酸)为必需的氮素营养..

在实验室和发酵工业生产中,我们常常以铵盐,硝酸盐,牛肉膏,蛋白胨,酵母膏,鱼粉,血粉,蚕蛹粉,豆饼粉,花生饼粉作为微生物的氮源.

无机元素

微生物细胞中的矿物元素约占干重的3%～10%左右,它是微生物细胞结构物质不可缺少的组成成分和微生物生长不可缺少的营养物质.许多无机矿物质元素构成酶的活性基团或酶的激活剂;并具有调节细胞的渗透压,调节酸碱度和氧化还原电位以及能量的转移等作用.微生物需要的无机矿质元素分为常量元素和微量元素.

常量矿质元素是磷,硫,钾,钠,钙,镁,铁等.磷,硫的需要量很大,磷是微生物细胞中许多含磷细胞成分,如核酸,核蛋白,磷脂,三磷酸腺苷(ATP),辅酶的重要元素.硫是细胞中含硫氨基酸及生物素,硫胺素等辅酶的重要组成成分.钾,钠,镁是细胞中某些酶的活性基团,并具有调节和控制细胞质的胶体状态,细胞质膜的通透性和细胞代谢活动的功能.

微量元素有钼,锌,锰,钴,铜,硼,碘,镍,溴,钒等,一般在培养基中含有0.1mg/L或更少就可以满足需要.

生长因子

生长因子是微生物维持正常生命活动所不可缺少的,微量的特殊有机营养物,这些物质在微生物自身不能合成,必须在培养基中加入.缺少这些生长因子就会影响各种酶的活性,新陈代谢就不能正常进行.

生长因子是指维生素,氨基酸,嘌呤,嘧啶等特殊有机营养物.而狭义的生长因子仅指维生素.这些微量营养物质被微生物吸收后,一般不被分解,而是直接参与或调节代谢反应.

在自然界中自养型细菌和大多数腐生细菌,霉菌都能自己合成许多生长辅助物质,不需要另外供给就能正常生长发育.

微生物需要的营养物质

营养物质应满足微生物的生长、繁殖和完成各种生理活动的需要。它们的作用可概括为形成结构（参与细胞组成）、提供能量和调节作用（构成酶的活性和物质运输系统）。

微生物的营养物质有六大类要素，即水、碳源、氮源、无机盐、生长因子和能源。

① 水

水是微生物的重要组成部分，在代谢中占有重要地位。水在细胞中有两种存在形式：结合水和游离水。结合水与溶质或其他分子结合在一起，很难加以利用。游离水（或称为非结合水）则可以被微生物利用。

② 碳源

碳在细胞的干物质中约占50%，所以微生物对碳的需求最大。凡是作为微生物细胞结构或代谢产物中碳架来源的营养物质，称为碳源。

作为微生物营养的碳源物质种类很多，从简单的无机物（CO2、碳酸盐）到复杂的有机含碳化合物（糖、糖的衍生物、脂类、醇类、有机酸、芳香化合物及各种含碳化合物等）。但不同微生物利用碳源的能力不同，假单孢菌属可利用90种以上的碳源，甲烷氧化菌仅利用两种有机物：甲烷和甲醇，某些纤维素分解菌只能利用纤维素。

大多数微生物是异养型，以有机化合物为碳源。能够利用的碳源种类很多，其中糖类是最好的碳源。

异养微生物将碳源在体内经一系列复杂的化学反应，最终用于构成细胞物质，或为机体提供生理活动所需的能量。所以，碳源往往也是能源物质。

自养菌以CO2、碳酸盐为唯一或主要的碳源。CO2是被彻底氧化的物质，其转化成细胞成分是一个还原过程。因此，这类微生物同时需要从光或其他无机物氧化获得能量。这类微生物的碳源和能源分别属于不同物质。

③ 氮源

凡是构成微生物细胞的物质或代谢产物中氮元素来源的营养物质，称为氮源。细胞干物质中氮的含量仅次于碳和氧。氮是组成核酸和蛋白质的重要元素，氮对微生物的生长发育有着重要作用。从分子态的N2到复杂的含氮化合物都能够被不同微生物所利用，而不同类型的微生物能够利用的氮源差异较大。

固氮微生物能利用分子态N2合成自己需要的氨基酸和蛋白质，也能利用无机氮和有机氮化物，但在这种情况下，它们便失去了固氮能力。此外，有些光合细菌、蓝藻和真菌也有固氮作用。

许多腐生细菌和动植物的病原菌不能固氮，一般利用铵盐或其他含氮盐作氮源。硝酸盐必须先还原为NH+4后，才能用于生物合成。以无机氮化物为唯一氮源的微生物都能利用铵盐，但它们并不都能利用硝酸盐。

有机氮源有蛋白胨、牛肉膏、酵母膏、玉米浆等，工业上能够用黄豆饼粉、花生饼粉和鱼粉等作为氮源。有机氮源中的氮往往是蛋白质或其降解产物。

氮源一般只提供合成细胞质和细胞中其他结构的原料，不作为能源。只有少数细菌，如硝化细菌利用铵盐、硝酸盐作氮源和能源。

④ 无机盐

无机盐也是微生物生长所不可缺少的营养物质。其主要功能是：① 构成细胞的组成成分；② 作为酶的组成成分；③ 维持酶的活性；④ 调节细胞的渗透压、氢离子浓度和氧化还原电位；⑤ 作为某些自氧菌的能源。

磷、硫、钾、钠、钙、镁等盐参与细胞结构组成，并与能量转移、细胞透性调节功能有关。微生物对它们的需求量较大（10-4～10-3 mol/L），称为“宏量元素”。没有它们，微生物就无法生长。铁、锰、铜、钴、锌、钼等盐一般是酶的辅因子，需求量不大（10-8～10-6 mol/L），所以，称为“微量元素”。不同微生物对以上各种元素的需求量各不相同。铁元素介于宏量和微量元素之间。

在配制培养基时，可通过添加有关化学试剂来补充宏量元素，其中首选是K2HPO4和MgSO4，它们可提供需要量很大的元素：K、P、S和Mg。微量元素在一些化学试剂、天然水和天然培养基组分中都以杂质等状态存在，在玻璃器皿等实验用品上也有少量存在，所以，不必另行加入。

⑤ 生长因子

一些异养型微生物在一般碳源、氮源和无机盐的培养基中培养不能生长或生长较差。当在培养基中加入某些组织（或细胞）提取液时，这些微生物就生长良好，说明这些组织或细胞中含有这些微生物生长所必须的营养因子，这些因子称为生长因子。

生长因子可定义为：某些微生物本身不能从普通的碳源、氮源合成，需要额外少量加入才能满足需要的有机物质，包括氨基酸、维生素、嘌呤、嘧啶及其衍生物，有时也包括一些脂肪酸及其他膜成分%A