微生物的六種營養要素

一、 微生物細胞的化學組成

1 ．化學元素（ chemical element ）

    構成微生物細胞的物質基礎是各種化學元素。根據微生物對各類化學元素需要量的大小 , 可將它們分為主要元素和微量元素 , 主要元素包括碳、氫、氧、氮、磷、硫、鉀、鎂、鈣、鐵等，碳、氫、氧、氮、磷、硫這六種主要元素可占細菌細胞幹重的 97% 。微量元素包括鋅、錳、氯、鉬、硒、鈷、銅、鎢、鎳、硼等。

    組成微生物細胞的各類化學元素的比例常因微生物種類的不同而各異。不僅如此，微生物細胞的化學元素組成也常隨菌齡及培養條件的不同而在一定範圍內發生變化，幼齡的比老齡的含氮量高，在氮源豐富的培養基生長的細胞比在氮源相對貧乏的培養基上生長的細胞含量高。

2. 化學成分及其分析

    各種化學元素主要以有機物、無機物和水的形式存在於細胞中。有機物主要包括蛋白質、糖、脂、核酸、維生素以及它們的降解產物和一些代謝產物等物質。對細胞有機物成分的分析通常采用兩種方式：一是用化學方法直接抽提細胞內的各種有機成分，然後加以定性和定量分析；二是先將細胞破碎，然後獲得不同的亞顯微結構，再分析這些結構的化學成分。無機物是指與有機物相結構或單獨存在於細胞中的無機鹽 (inorganic salt) 等物質。分析細胞無機成分時一般將幹細胞在高溫爐（ 550 ℃ ）中焚燒成灰，所得的灰分物質是各種無機元素的氧化物，稱為灰分 (ash constituent) 。采用無機化學常規分析法可定性定量分析出灰分中各種無機元素的含量。

    水是細胞維持正常生命活動所不可少的，一般可占細胞重量的 70%-90% 。細胞濕重 (wet weight) 與幹重 (dry weight) 之差為細胞含水量，常以百分率表示。將細胞表麵所吸附的水分除去後稱量所得重量即為濕重，一般以單位培養液中所含細胞重量表示（ g/L 或 mg/ml ），但具體測量過程中，常由於細胞表麵吸附水分除去程度的不同而導致測量結果有誤差，聚集在一起的單細胞微生物表麵吸附的水分難以除去，這些吸附的水分可占濕重的 10% 。采用高溫（ 105 ℃）烘幹、低溫真空幹燥和紅外線快速烘幹等方法將細胞幹燥至恒重即為幹重。值得注意的是：高溫烘幹會導致細胞物質分解，而利用後兩種方法所得結果較為可靠。

 

二、微生物的營養要素

    微生物生長所需要的元素主要以相應的有機物與無機物的形式提供的，也有小部分可以由分子態的氣體物質提供。營養物質按照它們在機體中的生理作用不同，可以將它們區分成碳源、氮源、能源、生長因子、無機鹽和水。

1.碳源 在微生物生長過程中能為微生物提供碳素來源的物質稱為碳源。碳源物質在細胞內經過一係列複雜的化學變化後成為微生物自身的細胞物質（如糖類、脂類、蛋白質等）和代謝產物，碳可占一般細菌細胞幹重的一半。同時絕大部分碳源物質在細胞內生化反應過程中還能為機體提供維持生命活動所需的能源，因此碳源物質通常也是能源物質。但有些 CO ₂ 作為唯一或主要碳源的微生物生長所需的能源則並非來自碳源物質。

    微生物利用碳源物質具有選擇性，糖類是一般微生物較容易利用的良好碳源和能源物質，但不同微生物對不同糖類物質的利用也有差別，例如在以葡萄糖和半乳糖為碳源的培養基中，大腸杆菌首先利用葡萄糖，然後利用半乳糖，前者稱為大腸杆菌的速效碳源，後者稱為遲效碳源。目前在微生物工業發酵中所利用的碳源物質主要是單糖、糖蜜、澱粉、麩皮、米糠等。為了節約糧食，人們已經開展了代糧發酵的科學研究，以自然界中廣泛存在的纖維素作為碳源和能源物質來培養微生物。

    不同種類微生物利用碳源物質的能力也有差別。有的微生物能廣泛利用各種類型的碳源物質，而有些微生物可利用的碳源物質則比較少，例如假單胞菌屬中的某些種可以利用多達 90 種以上的碳源物質，而一些甲基營養型微生物隻能利用甲醇或甲烷等一碳化合物作為碳源物質。微生物利用的碳源物質主要有糖類、有機酸、醇、脂類、烴、 CO ₂ 及碳酸鹽等。

    對於為數眾多的化能異養微生物來說，碳源是兼有能源功能營養物。

2. 氮源 凡是能被用來構成菌體物質中或代謝產物中氮素來源的營養物質稱為氮源。氮對微生物的生長發育有重要的作用，它們主要用來合成細胞中的含氮物質，一般不作為能量。隻有少數細菌如硝化細菌能利用銨鹽、硝酸鹽作為氮源和能源。能被微生物利用的氮源物質包括蛋白質及其不同程度的降解產物（腖、肽、氨基酸等）、銨鹽、硝酸鹽、分子氮、嘌呤、嘧啶、脲、胺、酰胺、氰化物等。

    常用的蛋白質類氮源包括蛋白腖、魚粉、蠶蛹、黃豆餅粉、玉米漿、牛肉浸膏、酵母浸膏等。微生物對這類氮源的利用具有選擇性。例如：土黴素產生菌利用玉米漿比利用黃豆餅粉和花生餅粉的速度快，這是因為玉米漿中的氮源物質主要以較易吸收的蛋白質降解產物形式存在，而降解產物特別是氨基酸可能通過轉氮作用直接被機體利用，而黃豆餅粉和花生餅粉中的氮主要以大分子蛋白質形式存在，需進一步降解成小分子的肽和氨基酸後才能被微生物吸收利用，因而對其利用的速度較慢。因些玉米漿為速效氮源有利於菌體生長；而黃豆餅粉和花生餅粉為遲效氮源，有利於代謝產物的形成，在發酵生產土黴素的過程中，往往將兩者按一定比例製成混合氮源，以控製菌體生長時期與代謝產物形成時期的協調，達到提高土黴素產量的目的。

    微生物吸收利用銨鹽和硝酸鹽的能力較強， NH ^{4 +} 被細胞吸收後可直接利用，因而（ NH ₄ ） ₂ SO ₄ 等銨鹽一般被稱速效氮源，它是微生物最常用的氮源，而 NO ^{3 -} 被吸收後需進一步還原成 NH ^{4 +} 後再被利用。能夠利用銨鹽或硝酸鹽作為氮源的微生物很多如：大腸杆菌（ Escherichia coli ）、產氣腸杆菌（ Enterobacter aerogenes ）、枯草芽孢杆菌（ Bacillus subtilis ）、銅綠假單胞菌（ Pseudomonas ），放線菌可以利用硝酸鉀作為氮源，黴菌可以利用硝酸鈉作為氮源。以（ NH ₄ ） ₂ SO ₄ 等為氮源培養微生物時，由於 NH ^{4 +} 被吸收後，會導致培養基 PH 下降，因而將其稱為生理酸性鹽；以硝酸鹽為氮源培養微生物時，由於 NO ^{3 -} 被吸收，會導致 PH 升高，因而稱為生理堿性鹽。為避免培養基 PH 變化對微生物生長造成影響，需要在培養基中加入緩衝物質。

3 ．能源 能為微生物的生命活動提供最初能量來源營養物或輻射能。化能異養微生物的能源就是碳源，葡萄糖便是常見的一種兼有碳源與能源功能的雙功能營養物。所有真菌、放線菌和大部分細菌是化能異養型微生物。化能自養微生物的能源主要是無機物，這些微生物都是細菌、硝化細菌、硫細菌、氫細菌等。光能自養和異養微生物的能源主要是太陽能，如藍細菌、紫色非硫細菌等。

4 ．生長因子 通常指那些微生物生長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滿足機體生長需要的有機化合物。各種微生物需求的生長因子的種類和數量是不同的（見下表）。

微 生 物	生長因子	需要量（ ml -1 ）
III 型肺炎鏈球菌（ Streptococcus pneumoniae ）	膽堿	6ug
金黃色葡萄球菌（ Staphylococcus aureus ）	硫胺素	0.5ng
白喉棒杆菌（ Cornebacterium diphtherriae ）	B- 丙氨酸	1.5ug
破傷風梭狀芽孢杆菌（ Clostridium tetani ）	尿嘧啶	0-4ug
腸膜狀串珠菌（ Leuconostoc mesenteroides ）	吡哆醛	0.025ug

    自養微生物和某些異養微生物如大腸杆菌不需要外源生長因子也能生長。不僅如此，同種微生物對生長因子的需求也會隨著環境條件的變化而改變，如魯氏毛黴（ Mucor rouxii ）在厭氧條件下生長時需要維生素 B1 和生物素（維生素 H ），而在好氧條件時自身能合成這兩種物質，不需外加這兩種生長因子。有時對某些微生物生長所需生長因子的本質還不了解，通常在培養時培養基中要加入酵母浸膏、牛肉浸膏及動物組織液等天然物質以滿足需要。根據生長因子的化學結構與它們在機體內的生理功能不同，可以將生長因子分為維生素、氨基酸及和嘌呤及嘧啶堿基三大類。維生素首先發現的生長因子，它的主要作用是作為酶的輔基或輔酶參與新陳代謝；如 B1 它就是脫氧酶的輔酶。氨基酸也是許多微生物所需要的生長因子，這與它們缺乏合成氨基酸的能力有關，因此，必須在它們的生長培養基裏補充這些氨基酸或者含有這些氨基酸的小肽物質，如 Leuconostoc mesenteroides 生長機需要 17 種氨基酸才能生長。嘌呤（或）嘧啶作為生長因子在微生物機體內的作用主要是作為酶的輔酶或輔基，以及用來合成核酸和輔酶。

5 ．無機鹽 礦質元素也是微生物生長所不可缺少的營養物質，它們具有以下作用： ① 參加微生物中氨基酸和酶的組成。 ② 調節微生物的原生質膠體狀態，維持細胞的滲透與平衡。 ③ 酶的激活劑。 根據微生物對礦質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長過程中起重要作用，而機體對這些元素的需要量極其微小的元素，通常需要量在 10 -6 --10 -8 mol/L ：鋅、錳、鈉、氯、鉬、硒、鈷、銅、鎢、鎳、硼等。它們一般參與酶的組成或使酶活化（見下表）。

元 素	生 理 功 能
鋅	存在於乙醇脫氫酶、乳酸脫氫酶、 RNA 與 DNA 聚合酶中
硒	存在於甘氨酸還原酶、甲酸脫氫酶中
銅	存在於穀氨酸變位酶中
錳	存在於過氧化物歧化酶、檸檬酸合成酶中

6 ．水 是微生物生長所必不可少的，水在細胞中的生理功能主要有 ①起到溶劑與運輸介質的作用，營養物質的吸收與代謝產物的分泌必須以水為介質才能完成；②參與細胞內一係列化學反應；③維持蛋白質、核酸等生物大分子穩定的天然構象；④因為水的比熱高，是熱的良好導體，能有效地吸收代謝過程中產生的熱並及時地將熱迅速散發出體外，大而有效地控製細胞內溫度的變化；⑤通過水合作用與脫水作用控製由多亞基組成的結構，如微管、鞭毛的組裝與解離。

    微生物生長的環境中水的有效性常以水活度值 a w 表示，水活度值是指在一定的溫度和壓力條件下，溶液的蒸氣壓力與同樣條件下純水蒸氣壓力之比。純水 a w 為 1 ，溶液中溶質越多， a w 越小。微生物一般在 a w 為 0.69--0.99 的條件下生長， a w 過低時，微生物生長的遲緩期延長。