微生物培養基質控與圖解

第二章  細菌的營養、代謝與培養基

第一節  細菌的營養類型與營養物質

一、細菌的營養類型

  細菌在生長繁殖過程中需要不斷從外界環境吸收各種營養物質，並將營養物質用於合成細胞以及為細胞的各種活動提供能量，同時排出代謝產物。根據細菌所需要的能源和碳源，將細菌分為以下四種營養類型。

    1．光能自養型（photoautotorph type）

    光能自養型微生物的能源來自光，它們利用光進行光合作用，以無機物作為供氫體以還原C0₂，合成細胞物質，藻類和大多數光合細菌都是光能自養微生物。

    2．光能異養型( photoheterotorph type)

    光能異養型微生物的能源來自光，但需以有機化合物作為供氫體以還原C0₂，合成細胞物質。例如屬於非硫紫色細菌的紅螺菌可利用簡單的有機酸作為供氫體。

    3．化能自養型( chemoautortohp type)

    化能自養型微生物的能源來自無機物氧化所產生的化學能，它們生長隻需要C0₂、無機鹽類和水。例如，歐洲亞硝化單胞菌通過將氨氧化成亞硝酸而獲得能量，並還原C0₂，以合成細胞物質。

    4．化能異養型( chemoheterotrohp type)

    化能異養型微生物的能源來自有機化合物氯化所產生的化學能，它們生長時需要有機化合物作為碳源。氮源可以是無機物，也可以是有機物。化能異養型微生物的種類和數量都很多，包括細菌、放線菌和全部真核微生物，各種致病菌及腸道微生物都屬於化能異養菌。

    二、細菌的營養物質

    細菌的營養物質主要有氮素化合物、碳素化合物、無機鹽、生長素和水等。下麵以細菌培養基為例敘述。

    1．氮素化合物

氮素主要被細菌作為合成含氮化合物的原料，一般不能作為能源。但亞硝化細菌可利用氨作為能源和氮源。某些氨基酸也可作為能源。從分子態氨到複雜的含氮化合物，諸如硝酸鹽、銨鹽、氰化物、尿素、胺、酰胺、嘌呤、嘧啶、氨基酸、肽、腖、脲和蛋白質等，都可作為細菌的營養物質。凡是固氮菌都能利用分子態氮NH₄⁺( N₂)合成有機氮化台物。很多細菌都可作為利用硝酸鹽( N0₃)銨鹽(NH₄⁺)。NH₄⁺直接摻入有機化合物中，利用較快。N0₃雖可被細菌攝取，但進入細胞後仍需要還原NH₄⁺才能被利用。

    有機氮化台物是細菌的重要氮源。單獨的氨基酸常可作為細菌的唯一氮源。嘌呤和嘧啶隻有某些細菌才能利用。培養基中常加入蛋白腖，蛋白腖可以作為氮源，也可以作為碳源。蛋白腖是由蛋白質經酶或酸堿分解而成，先分解成月示，後變成腖，由於蛋白質的來源和消化程度不同所製成的蛋白腖差異很大。胰蛋白腖含有各種遊離的氨基酸，最易被細菌所利用，是許多細菌優良的氮源。此外，蛋白腖在培養基中還具有緩衝作用，高溫下不凝固，遇酸不沉澱等優點。幹粉蛋白腖吸水性較強，應幹燥密封保存。肉浸粉（或肉浸液）含有可作為氮源和碳源的物質，加熱後大部分蛋白質凝固，儀有小部分氨基酸和其他含氨物質，如肌酸、黃嘌呤、尿酸及核苷酸等，刺激細菌生長。

    2．碳素化合物

    碳素既可作為各種細菌合成含碳化台物的碳源，也可被化能型細菌作為能源。從碳素起到複雜的有機化合物，都可作為細菌的營養物質。自養細菌可以C0₂作為合成細胞物質的唯一碳源。

    異養類細菌中，以有機碳化合物作為碳源和能源是化能型細菌。幾乎各種有機碳化合物都可作為它們的營養物質，即使是高度不活躍的碳氫化合物，如石蠟也不例外。但是，化能異養菌的主要碳源是單糖、多糖、有機酸、醇、芳香化合物以及羥類等。製備培養基所用的糖、醇種類很多。常用的糖類有單糖（如葡萄糖、阿拉伯膠等）、雙糖（如乳糖、蔗糖等）、多糖（如菊糖、澱粉等）；醇類有甘露醇、衛矛醇等。

    3．礦質元素

    按照細菌所需要礦質元素的多少，可將其分為主要元素和微量元素兩大類，主要元素有磷、硫、鎂、鉀、鈉、鈣等。

    磷在細菌代謝中非常重要，細菌從無機磷化合物中獲得磷後，迅速將其同化為有機的磷酸化合物，組成核酸和磷脂成分及高能磷酸化合物，培養基中磷的合適濃度為0.005~0.Ol克分子。

    硫在細菌生理作用上僅次於磷，細菌從硫酸根離子吸收硫，此時硫為正6價，進入細胞後還原為負2價，許多細菌也可利用硫代硫酸鹽( S₂0₃)作為唯一的能源。少數細菌不具有還原硫酸鹽的能力，需供給還原型硫化物（如H₂S和半胱氨酸）才能生長。

    鎂不參與細菌的任何細胞結構，隻是以離子狀態激活許多酶（如己糖激酶）的反應。其激活作用有時可被錳離子代替。鎂離子在控製核蛋白體的聚合中起主要作用。鎂的需要濃度為0. 0001~0.001克分子。

    鉀也不參與細菌的細胞結構，它是許多酶的激活劑，可促進碳水化台物的代謝。鉀也控製細胞質的膠態和細胞質膜的透性。

    鈉在細菌細胞中不如鉀那樣重要，可能與維持滲透壓有關。如果將嗜鹽細菌細胞放存食鹽的低滲溶液中就會崩潰。某種嗜鹽杆菌吸收穀氨酸，以證明特異性地需要Na⁺。一般嗜鹽細菌，如大多數海洋細菌、某些無色杆菌、假單胞菌和乳酸菌的生長，需要在含有2%~

5%氯化鈉的培養基中生長。  

鈣也不參與細菌的細胞結構，而是以離子狀態控製著細胞生理狀態，如降低細胞膜透性、調節酸度和對一些陽離子的毒性起拮抗作用。

    微量元素包括鐵、銅、鋅、錳、硼、鑽、鉬等。它們在培養基中，一般僅需含有萬分之一或更少即可，過量會引起毒害作用。微量元素與酶的活動密切有關，或是酶的活性基團成分，或是酶的激活劑。例如，鐵是細胞色素、細胞色素氧化酶和過氧化氫酶活性基的組成的激活劑。某些菌種的生長繁殖及致病與微量元素密切相關。例如，鐵是細胞色素、細胞色素氧化酶和過氧氫酶活性基的組成成分。白喉棒狀杆菌在含鐵為0. 14mg／L的培養基中毒素產量最高，當鐵的濃度達到0. 6mg/L時則完全不產毒。結核分枝杆菌有毒株具有分枝菌素( mycobactin)的載鐵體，它能與人體細胞競爭結合在鐵蛋白、乳鐵蛋白中的鐵，並帶入菌體內以供代謝之需；銅是多元酚氧化酶的活性基；鋅是乙醇脫氫酶或乳酸脫氫等的活性基，又是許多酶的激活劑。錳也是多種酶的激活劑；鉬參與硝酸還原酶和固氮酶的結構；鈷存在於B₁₂輔酶中。

    4．生長素

    生長素也稱生長因子。有些異養細菌不能在簡單的培養基中生長，是由於缺乏合成一種或多種有機化合物的能力，而這些有機化合物卻是組成細胞所必需的。因此，必須由外源供給這些物質，諸如維生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶，以及脂肪酸，甚至還有膜成分等生長因子。

    維生素的需要量一般都很低，濃度範圍1~ 50ng/ml之間，其中以B族維生素最為重要，因為它們是輔酶和酶輔基的成分，金黃色葡萄球菌生長需要供給完整的硫胺素(B₁)分子。

    氨基酸的需要量一般比維生素的需要量高，通常是20~ 50ug,/ml，因為氨基酸是組成蛋白質和酶的結構物質，腸膜明串珠菌( Leuconostoc,  mesenteroides)為需要氨基酸最多的菌類，必須南外源供應17種氨基酸才能生長。培養基中常加入的酵母浸粉，其主要成分是維生素B族和氨基酸。

    某些細菌，特別是乳酸菌，生長需要嘌呤和嘧啶以合成核苷酸，最大生長量所需要的濃度是10~20ug/ml。某些乳酸杆菌(Lactobacillus)和沒有細胞壁的支原體(Mycoplasmaspp.)生長需要較大量的核苷酸，約為200 - 2000ug/ml。支原體隻要有任何一種飽和或不飽和脂肪酸，就可滿足生長需要。微生物對長鏈脂肪酸所要求的濃度在1~ 60ug/ml之間。高濃度脂肪酸有毒害作用。長鏈脂肪酸進入微生物細胞後，可直接地或以轉化後摻人到組成膜的類脂中。

    有些微生物需要微量甾醇、膽堿和肌醇等，以組成細胞膜磷脂的成分。例如許多支原體生長需要甾醇。有些乳酸菌生長還要甲羥戊酸，這是組成甾醇和胡蘿卜素的原料。某些肺炎鏈球菌生長需要膽堿。酵母菌通常需要內消旋肌醇。微生物對膽堿、肌醇所需的濃度為10~20ug/ml。

    此外，少數細菌還需要一些特殊的生長因子。例如流感嗜血杆菌需要X和V兩種因子。前者可能是氯化高鐵血紅素，後者即輔酶1或輔酶II，均存在於血液中。有些細菌可直接利用雞卵或動物血清作為營養物質。

    5．水

    水是細菌體內外的溶媒，水組成細菌細胞質膠體，並直接參加代謝中的各種廈應。製備培養基需用不含雜質的蒸餾水。

    水是微生物原生質的組成部分，使原生質處於溶膠狀態，保證代謝活動的正常進行。水是細菌細胞重要的組成部分，占細胞總量的75%~90%。一切生命活動，如營養物質吸收、代謝活動、生長繁殖等都離不開水。

    通常將水分為四種：

    (l)軟化水。是指硬度降低至一定程度的水。在軟化過程中，僅硬度降低而總含鹽量不變。

    (2)脫鹽水（蒸餾水）。這種水質純，去除了強電解質，剩餘含鹽量在l~5mg/L之間。25℃時用電導儀測水的電阻率為0.1~1.0×l0⁶Ω．cm。

    (3)純水（去離子水）。製備過程是將普通自來水經沙過濾後，再經陽、陰離子交換樹脂和陽+陰混合樹脂交換處理。剩餘含鹽量在0.1mg/L以下。電阻率為1.0~1.0×l0⁶Ω．cmcm。蒸餾水和去離子水均適合於培養基的配製。

    (4)高純水（超純水）。將純水再次純化處理，剩餘含鹽量在0.1mg/L，以下。25℃時，水的電阻率在10×10⁶Ω．cm以上。用於配製組織細胞培養液，並需現配現用。

    營養物質進入細菌菌體的方式有被動擴散和主動轉運係統。營養物質從高濃度的一側向低濃度一側擴散的運轉方式為被動運轉。包括擴散、滲透和易化擴散。主動運轉是細菌吸收營養物質的主要方式。其特點是：①擴散方向逆濃度梯度或順濃度梯度但擴散速度快。②細胞膜上存在特殊的膜蛋白。③所需能量來源靠分子泵，能快速轉運鉀、鈉和氫離子。基因轉位常與代謝相結合，使細胞更為有效利用能量。