（1）微生物需要的營養物質
營養物質應滿足微生物的生長、繁殖和完成各種生理活動的需要。它們的作用可概括為形成結構（參與細胞組成）、提供能量和調節作用（構成酶的活性和物質運輸係統）。
微生物的營養物質有六大類要素，即水、碳源、氮源、無機鹽、生長因子和能源。
① 水
水是微生物的重要組成部分，在代謝中占有重要地位。水在細胞中有兩種存在形式：結合水和遊離水。結合水與溶質或其他分子結合在一起，很難加以利用。遊離水（或稱為非結合水）則可以被微生物利用。
② 碳源
碳在細胞的幹物質中約占50%，所以微生物對碳的需求最大。凡是作為微生物細胞結構或代謝產物中碳架來源的營養物質，稱為碳源。
作為微生物營養的碳源物質種類很多，從簡單的無機物（CO2、碳酸鹽）到複雜的有機含碳化合物（糖、糖的衍生物、脂類、醇類、有機酸、芳香化合物及各種含碳化合物等）。但不同微生物利用碳源的能力不同，假單孢菌屬可利用90種以上的碳源，甲烷氧化菌僅利用兩種有機物：甲烷和甲醇，某些纖維素分解菌隻能利用纖維素。
大多數微生物是異養型，以有機化合物為碳源。能夠利用的碳源種類很多，其中糖類是最好的碳源。
異養微生物將碳源在體內經一係列複雜的化學反應，最終用於構成細胞物質，或為機體提供生理活動所需的能量。所以，碳源往往也是能源物質。
自養菌以CO2、碳酸鹽為唯一或主要的碳源。CO2是被徹底氧化的物質，其轉化成細胞成分是一個還原過程。因此，這類微生物同時需要從光或其他無機物氧化獲得能量。這類微生物的碳源和能源分別屬於不同物質。
③ 氮源
凡是構成微生物細胞的物質或代謝產物中氮元素來源的營養物質，稱為氮源。細胞幹物質中氮的含量僅次於碳和氧。氮是組成核酸和蛋白質的重要元素，氮對微生物的生長發育有著重要作用。從分子態的N2到複雜的含氮化合物都能夠被不同微生物所利用，而不同類型的微生物能夠利用的氮源差異較大。
固氮微生物能利用分子態N2合成自己需要的氨基酸和蛋白質，也能利用無機氮和有機氮化物，但在這種情況下，它們便失去了固氮能力。此外，有些光合細菌、藍藻和真菌也有固氮作用。
許多腐生細菌和動植物的病原菌不能固氮，一般利用銨鹽或其他含氮鹽作氮源。硝酸鹽必須先還原為NH+4後，才能用於生物合成。以無機氮化物為唯一氮源的微生物都能利用銨鹽，但它們並不都能利用硝酸鹽。
有機氮源有蛋白腖、牛肉膏、酵母膏、玉米漿等，工業上能夠用黃豆餅粉、花生餅粉和魚粉等作為氮源。有機氮源中的氮往往是蛋白質或其降解產物。
氮源一般隻提供合成細胞質和細胞中其他結構的原料，不作為能源。隻有少數細菌，如硝化細菌利用銨鹽、硝酸鹽作氮源和能源。
④ 無機鹽
無機鹽也是微生物生長所不可缺少的營養物質。其主要功能是：① 構成細胞的組成成分；② 作為酶的組成成分；③ 維持酶的活性；④ 調節細胞的滲透壓、氫離子濃度和氧化還原電位；⑤ 作為某些自氧菌的能源。
磷、硫、鉀、鈉、鈣、鎂等鹽參與細胞結構組成，並與能量轉移、細胞透性調節功能有關。微生物對它們的需求量較大（10-4～10-3 mol/L），稱為“宏量元素”。沒有它們，微生物就無法生長。鐵、錳、銅、鈷、鋅、鉬等鹽一般是酶的輔因子，需求量不大（10-8～10-6 mol/L），所以，稱為“微量元素”。不同微生物對以上各種元素的需求量各不相同。鐵元素介於宏量和微量元素之間。
在配製培養基時，可通過添加有關化學試劑來補充宏量元素，其中首選是K2HPO4和MgSO4，它們可提供需要量很大的元素：K、P、S和Mg。微量元素在一些化學試劑、天然水和天然培養基組分中都以雜質等狀態存在，在玻璃器皿等實驗用品上也有少量存在，所以，不必另行加入。
⑤ 生長因子
一些異養型微生物在一般碳源、氮源和無機鹽的培養基中培養不能生長或生長較差。當在培養基中加入某些組織（或細胞）提取液時，這些微生物就生長良好，說明這些組織或細胞中含有這些微生物生長所必須的營養因子，這些因子稱為生長因子。
生長因子可定義為：某些微生物本身不能從普通的碳源、氮源合成，需要額外少量加入才能滿足需要的有機物質，包括氨基酸、維生素、嘌呤、嘧啶及其衍生物，有時也包括一些脂肪酸及其他膜成分。
各種微生物所需的生長因子不同，有的需要多種，有的僅需要一種，有的則不需要。一種微生物所需的生長因子也會隨培養條件的變化而變化，如在培養基中是否有前體物質、通氣條件、pH和溫度等條件，都會影響微生物對生長因子的需求。
從自然界直接分離的任何微生物，在其發生營養缺陷突變前的菌株，均稱為該微生物的野生型。絕大多數野生型菌株隻需簡單的碳源和氮源等就能生長，不需要添加生長因子；經人工誘變後，常會喪失合成某種營養物質的能力，在這些菌株生長的培養基中，必須添加某種氨基酸、嘌呤、嘧啶或維生素等生長因子。
⑥ 能源
能源是指為微生物的生命活動提供最初能量來源的營養物或輻射能。
化能異養型微生物的能源即碳源；化能自養型微生物的能源都是還原態的無機物，如NH4+、NO2-、S、H2S、H2、Fe2+等，它們分別屬於硝化細菌、亞硝酸細菌、硫化細菌、硫細菌、氫細菌和鐵細菌等。
一種營養物常有一種以上營養要素的功能，即除單功能營養物外，還有雙功能，甚至三功能營養物。輻射能是單功能；還原態無機養分常是雙功能的（NH4+既是硝化細菌的能源，又是它的氮源）甚至是三功能的（能源、氮源和碳源）；有機物常有雙功能或三功能作用。
（2）配製培養基必須遵循的原則
微生物的培養基通常指人工配製的適合微生物生長繁殖，或積累代謝產物的營養基質。廣義上說，凡是支持微生物生長繁殖的介質或材料，均可作為微生物的培養基。一個適當的培養基配方，對發酵產品的產量和質量有著極大的影響。
針對不同微生物，不同的營養要求，可以有不同的培養基。但它們的配製必須遵循一定原則。
① 營養物質應滿足微生物的需要。不同營養類型的微生物對營養的需求差異很大，應根據菌種對各營養要素的不同要求進行配製。
② 營養物的濃度及配比應恰當。營養物濃度太低，不能滿足微生物生長的需要；濃度太高，又會抑製微生物生長。
糖和鹽濃度高有抑菌作用。
碳氮比（C∶N，以還原糖含量與粗蛋白含量的比值表示）：一般培養基為C∶N=100∶0.5～2。
在設計培養基配比時，還應考慮避免培養基中各成分之間的相互作用，如蛋白腖、酵母膏中含有磷酸鹽時，會與培養基中鈣或鎂離子在加熱時發生沉澱作用；在高溫下，還原糖也會與蛋白質或氨基酸相互作用而產生褐色物質。
③ 物理、化學條件適宜。pH：各種微生物均有其生長繁殖的最適pH，細菌為7.0～8.0，放線菌為7.5～8.5，酵母為3.8～6.0，黴菌為4.0～5.8。對於具體的微生物菌種，都有各自的特定的最適pH範圍，有時會大大突破上述界限。在微生物生長繁殖過程中，會產生能夠引起培養基的pH改變的代謝產物，尤其是不少微生物有很強的產酸能力，如不適當地加以調節，就會抑製甚至於殺死其自身。在設計培養基時，要考慮培養基的pH調節能力。一般應加入緩衝液或CaCO3，使培養基的pH穩定。
其他：培養基的其他理化指標，如水活度、滲透壓也會影響微生物的培養。在配製培養基時，通常不必測定這些指標，因為培養基中各種成分及其濃度等指標的優化，已間接地確定了培養基的水活度和滲透壓。此外，各種微生物培養基的氧化還原電位等也有不同的要求。
④ 培養目的：培養基的成分直接影響培養目標。在設計培養基時，必須考慮是要培養菌體，還是要積累菌體代謝產物；是實驗室培養，還是大規模發酵等問題。
用於培養菌體的種子培養基營養成分應豐富，氮源含量宜高，即碳氮比值應低；相反，用於大量積累代謝產物的發酵培養基，氮源應比種子培養基稍低；當然，若目的產物是含氮化合物時，有時還應該提高培養基的氮源含量。
在設計培養基時，還應該特別考慮到代謝產物是初級代謝產物，還是次級代謝產物。如果是次級代謝產物，還要考慮是否需加入特殊元素（如維生素B12中Co）或特殊的前體物質（如生產青黴素G時，應加入苯乙酸）。在設計培養基，尤其是大規模發酵生產用的培養基時，還應該重視培養基組分的來源和價格，應該優先選擇來源廣、價格低廉的培養基。
（3）幾種培養基的配製原則
① 種子培養基：適用於微生物菌體生長的培養基，目的是為下一步發酵提供數量較多，強壯而整齊的種子細胞。一般要求氮源、維生素豐富，原料要精。
② 發酵培養基：用於生產預定發酵產物的培養基，一般的發酵產物以碳源為主要元素。發酵培養基中的碳源含量往往高於種子培養基。如果產物的含氮量高，應增加氮源。在大規模生產時，原料應該價廉易得，還應有利於下遊的分離提取工作。
③ 繁殖和保藏培養基：主要用於菌種保藏，大部分是斜麵培養基。對營養缺陷型或結構類似物抗性菌株或抗生素抗性菌株來說，可適當加入特定的對應成分，提供壓力。
④ 基本培養基：又稱最低限度培養基，指能夠滿足某菌種的野生型菌株最低營養要求的合成培養基。不同微生物的基本培養基很不相同，有的極為簡單（大腸杆菌），有的極為複雜（乳酸菌、酵母或梭菌），需加生長因子和特殊營養。
⑤ 加富培養基：是在普通培養基中加入血、血清、動（植）物組織液或其他營養物（如生長因子）的一類營養豐富的培養基。主要用於某種或某類營養要求苛刻的異氧型微生物，或者用來選擇性培養（分離、富集）某種微生物。具有助長某種微生物的生長，抑製其他微生物生長的功能。廣義上講，保藏和鑒別培養基也屬於加富培養基。
⑥ 選擇性培養基：根據某種或某類微生物的特殊營養要求，或對某些物理、化學條件的抗性而設計的培養基。目的是利用這種培養基把某種或某類微生物從混雜的微生物群體中分離出來。一是根據某些微生物對碳源、氮源的需求而設計，二是根據某些微生物的物理和化學抗性而設計。如嗜酸、嗜堿、嗜鹽、抗性微生物富集等。
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