微生物营养与吸收方式分析

（一）微生物的化学组成

微生物的化学组成与各成分含量基本反映了微生物生长繁殖所需求的营养物的种类与数量。因此，分析微生物细胞的化学组成与各成分含量，是了解微生物营养需求的基础，也是培养微生物时，设计与配制培养基乃至对生长繁殖过程进行调控的重要理论依据之一。

研究结果表明，微生物的化学组成与动植物细胞高度相似，反映了自然界生物细胞组成的共性。微生物由碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、钠、钙、镁、铁、锰、铜、钴、锌、钼等化学元素组成。其中碳、氢、氧、氮、磷、硫等6 种元素占了细胞干重的97%。微生物细胞中的这些元素主要以水、有机物和无机盐的形式存在。水分约占菌体湿重的70%～90%，含量最高。有机物主要由糖、蛋白质、核酸、脂、维生素以及它们的降解产物与代谢产物组成。无机物参与有机物组成，或单独存在于细胞原生质内，一般以无机盐的形式存在。

（二）微生物的营养要素及其功能

微生物的营养要素（也称营养因子）来自微生物生长所处的环境，按照它们在机体中的生理作用不同，可分为碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水等6 类。

1.碳源

凡可被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中碳架来源的营养物质通称为碳源（carbon source）。

纵观整个微生物界，微生物所能利用的碳源种类远远超过动植物。至今人类已发现的能被微生物利用的含碳有机物有700 多万种。可见，微生物的碳源谱极其宽广。

对于利用有机碳源的异养型微生物来说，其碳源往往同时又是能源。此时，可认为碳源是一种具有双功能的营养物质。种类较少的自养型微生物，则以CO2为主要碳源。

微生物能利用的碳源的种类及形式极其多样，既有简单的无机含碳化合物如CO2和碳酸盐等，也有复杂的天然有机化合物，如糖与糖的衍生物、醇类、有机酸、脂类、烃类、芳香族化合物以及各种含氮的有机化合物。其中糖类通常是许多微生物较易利用的碳源与能源物质；其次是醇类、有机酸类和脂类等。微生物对糖类的利用，单糖优于双糖和多糖，己糖胜于戊糖，葡萄糖、果糖胜于甘露糖、半乳糖；在多糖中，淀粉明显地优于纤维素或几丁质等多糖，同型多糖则优于琼脂等杂多糖和其他聚合物（如木质素）等。

微生物对碳源的利用因种不同而异，可利用的种类差异极为悬殊。有的微生物能广泛利用各种不同类型的含碳物质，如假单胞菌属的某些种可利用90 种以上不同的碳源。有的微生物却只能利用少数几种碳源，如某些甲基营养型细菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物。又如某些产甲烷古菌、自养型细菌仅可利用CO2为主要碳源或唯一碳源。

工业发酵生产中所供给的碳源，大多数来自植物体，如山芋粉、玉米粉、面粉、麸皮、米糠、糖蜜等，其成分以碳源为主，但也包含其他营养成分。

实验室中，常用于微生物培养基的碳源主要有葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、甘露醇、甘油和有机酸等。

2.氮源

能被微生物用来构成微生物细胞组成成分或代谢产物中氮素来源的营养物质通称为氮源（ni℃rogen source）。有机与无机含氮化合物及分子态氮，它们都可被相应的微生物用作氮源。

有机含氮化合物包括尿素、胺、酰胺、嘌呤、嘧啶、蛋白质及其降解产物—多肽与氨基酸等，它们均可被不同微生物所利用。其中蛋白质水解产物是许多微生物的良好氮源。仅有某些微生物可以利用嘌呤和嘧啶，如尿酸发酵梭菌和柱孢梭菌只能利用嘌呤与嘧啶为氮源、碳源和能源，而不利用葡萄糖、蛋白胨或氨基酸。

工业发酵中利用的有机含氮化合物，主要来源于动物、植物及微生物体，例如鱼粉、黄豆饼粉、花生饼粉、麸皮、玉米浆、酵母膏、酵母粉、发酵废液及废物中的菌体等。

大多数微生物能利用无机含氮化合物，如铵盐、硝酸盐和亚硝酸盐等，但仅有固氮微生物可利用分子态氮作氮源。

蛋白胨和肉汤中含有的肽、多种氨基酸和少量的铵盐及硝酸盐，一般能满足各类细菌生长的需要。因此，铵盐、硝酸盐、蛋白胨和肉汤等是实验室培养微生物常用的氮源。

3.能源

能为微生物的生命活动提供最初能量来源的物质称为能源（energy source）。微生物能利用的能源种类因种不同而异，主要是一些无机物、有机物或光。

能作为化能自养微生物能源的物质是一些还原态的无机物质，例如NH4+、NO2-、S、H2S、H2和Fe2+等，这些化能自养型的细菌包括硝化细菌、硫化细菌、氢细菌和铁细菌等。

许多营养物质具有一种以上的营养功能。例如，还原态无机营养物常是双功能的（如NH4+既是硝化细菌的能源，又是其氮源）。有机物常起着双功能或三功能的营养作用，例如以N、C、H、O 类元素组成的营养物质常是异养型微生物的能源、碳源兼氮源。而光是光合微生物所利用的单功能能源。

4.生长因子

为某些微生物生长所必需，其自身又不能合成，需要外源提供但需要量又很小的有机物质通称为生长因子（grow℃h fac℃or）。狭义的生长因子一般仅指维生素。广义的生长因子除了维生素外，还包括氨基酸类、嘌呤和嘧啶类以及脂肪酸和其他膜成分等。

生长因子虽是一种重要的营养要素，但它与碳源、氮源和能源不同，并非任何一种微生物都必须从外界吸收的。依各种微生物与生长因子的关系可分以下几类。

（1）生长因子自养型微生物

多数真菌、放线菌和不少细菌，如大肠杆菌等，都是不需要外界提供生长因子的自养型微生物。

（2）生长因子异养型微生物

它们需要多种生长因子，例如一般的乳酸菌都需要多种维生素。根瘤菌生长需要生物素，每mL 培养液中只需要0.006μg，就有显著的促进生长作用。(www.xing528.com)

（3）生长因子过量合成型微生物有些微生物在其代谢活动中，会分泌出大量的维生素等生长因子，因而可以作为维生素等的生产菌。例如生产维生素B2 的阿舒假囊酵母或棉阿舒囊霉，产维生素B12的谢氏丙酸杆菌及某些链霉菌等。

（4）营养缺陷型微生物

某些微生物的正常生长需要适量的一种或几种氨基酸、维生素、碱基（嘌呤或嘧啶）。凡是不能合成上述各类物质中的任何一种，而需外源供给才能正常生长的，称为营养缺陷型微生物，如前面提及的乳酸菌、根瘤菌也同属于营养缺陷型微生物。反之则称为野生营养型微生物，即凡是以葡萄糖或其他有机化合物为唯一碳源和能源、以无机氮为唯一氮源就能满足碳、氮营养需要的化能有机营养型微生物，称为野生营养型微生物。

通常由于对某些微生物生长所需的生长因子要求不了解，因此常在培养这些微生物的培养基里加入酵母膏、牛肉膏、玉米浆、肝浸液、麦芽汁或其他新鲜的动植物组织浸出液等物质以满足它们对生长因子的需要。

5.无机盐

根据微生物生长繁殖对无机盐（mineral sal℃s）需要量的大小，可分为大量元素和微量元素两大类。凡是生长所需浓度在10-3～10-4mol/L 范围内的元素，可称为大量元素，例如S、P、K、Na、Ca、Mg、Fe 等。凡所需浓度在10-6～10-8mol/L 范围内的元素，则称为微量元素，如Cu、Zn、Mn、Mo、Co、Ni、Sn、Se 等。Fe 实际上是介于大量元素与微量元素之间，故置于两处均可。

在配制微生物培养基时，对于大量元素，可以加入有关化学试剂，常用K2HPO4及MgSO4。因为它们可提供4 种需要量最大的元素。对于微量元素，由于水、化学试剂、玻璃器皿或其他天然成分的杂质中已含有可满足微生物生长需要的各种微量元素，因此在配制普通培养基时一般不再另行添加。但如果要配制研究营养代谢等的精细培养基，所用的玻璃器皿应是硬质的，试剂是高纯度的，此时就须根据需要加入必要的微量元素。

6.水

水在微生物机体中具有重要的功能，是维持微生物生命活动不可缺少的物质。

（1）水是微生物细胞的重要组成成分，它占微生物体湿重的70%～90%，水还供给微生物氧和氢两种元素。

（2）水使原生质保持溶胶状态，保证了代谢活动的正常进行；当含水量减少时，原生质由溶胶变为凝胶，生命活动大大减缓，如同细菌芽孢。如原生质失水过多，引起原生质胶体破坏，可导致菌体死亡。

（3）水是物质代谢的原料，如一些加水反应过程，没有水将不能进行。

（4）水作为一种溶剂，能起到胞内物质运输介质的作用，营养物质只有呈溶解状态才能被微生物吸收、利用，代谢产物的分泌也需要水的参与。

（5）水又是热的良好导体，因为水的比热高，故能有效地吸收代谢过程中放出的热并将其迅速散发，以免胞内温度骤然升高，故而水能有效地控制胞内温度的变化。

一般微生物只有在水活度适宜的环境中，才能进行正常的生命活动。但是菌体生长时期不同及环境条件发生改变，对aw的要求会有所不同。细菌芽孢形成时比生长繁殖时所需要的aw值高。例如魏氏梭状芽孢杆菌在芽孢发芽和生长时，要求aw值为0.96；而在芽孢形成时，要求aw值为0.993，若aw值降为0.97，几乎无芽孢形成。而霉菌生长时要求的aw值比孢子萌发时高。例如灰绿曲霉生长所需的aw值在0.85 以上，而孢子萌发时要求的aw最低值为

0.73～0.75。

如果微生物生长环境的aw值大于菌体生长的最适aw值，细胞就会吸水膨胀，甚至引起细胞破裂。反之，如果环境aw 值小于菌体生长的最适aw值，则细胞内的水分就会外渗，造成质壁分离，使细胞代谢活动受到抑制甚至引起死亡。人们为了抑制有害微生物生长，往往加入高

浓度食盐或蔗糖，降低环境中的aw值，使菌体不能正常生长，而达到长久保存食品的目的。

还应指出，有些微生物除需要上述物质外，还会有特殊的营养需要。例如，好氧性微生物生长时需要氧气，此时氧参与某些物质代谢中的加氧反应，也作为物质有氧分解的最终电子受体；有些厌氧微生物（如产甲烷古菌）生长时则需要CO2等。

（三）微生物营养物质的吸收方式

微生物没有专门的摄食器官，各种营养物质通过细胞膜的渗透和选择性吸收进入细胞。营养物质从微生物所处的周围环境通过细胞膜进入细胞的方式可分为四种类型，即简单扩散、促进扩散、主动运输和基团转位。

1.简单扩散

简单扩散（simple diffusion）是一种最为简单的营养物质吸收进入细胞的方式。在简单扩散中，营养物质在扩散通过细胞膜的过程中不消耗能量，也不发生化学变化。物质扩散的动力是物质在膜内外的浓度差，通过细胞膜中的含水小孔由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内扩散，这种扩散是非特异性的，但膜上小孔的大小和形状对被渗透扩散的营养物质的分子大小有一定的选择性。简单扩散不是微生物吸收营养物质的主要方式，以这种方式运输的物质主要是一些相对分子质量小与脂溶性的物质，如水、一些气体（如氧）、甘油和某些离子等。大肠杆菌就是以简单扩散方式吸收钠离子等。

2.促进扩散

它与简单扩散不同，营养物质经促进扩散进入细胞的运输过程中，需要借助位于膜上的一种载体蛋白的参与，并且每种载体蛋白只运输相应的物质。因此，促进扩散对被运输的物质具有高度的立体专一性，被传送的物质先在细胞膜外面与载体蛋白结合，然后在细胞内表面释放。载体蛋白能促进物质运输加快进行，但营养物质仍不能逆浓度梯度吸收。促进扩散的运输方式多见于真核微生物，例如酵母菌吸收某些物质和分泌代谢产物就是通过这种方式完成的。

3.主动运输

营养物质的主动运输过程需要消耗能量，并且可以逆浓度梯度运输。显然，它与上述促进扩散方式不同，重要的区别是；在促进扩散中载体蛋白分子构型改变不需要能量，它在被运输物质与载体分子之间通过相互作用使其构型变化，从而完成营养物质转运；但在主动运输中，载体分子构型变化以消耗能量为前提，因此主动运输是一个耗能过程。主动运输是一种广泛存在于微生物中的主要物质运输方式。微生物在生长与繁殖过程中所需要的多数营养物质如氨基酸等主要是通过主动运输的方式运输的。

4.基团转位

基团转位是一种既需要载体蛋白又需要消耗能量的物质运输方式。其与主动运输方式不同的是它有一个复杂的运输酶系统来完成物质的运输，同时底物在运输过程中发生化学结构变化。这种运输方式主要存在于厌氧细菌和兼性厌氧细菌中，主要用于糖的运输以及脂肪酸、核苷、碱基等物质的运输。下面以大肠杆菌吸收葡萄糖为例，说明底物的基团转位传送过程。在这个运输系统中通常是由三种不同的蛋白质组成，即酶Ⅰ，酶Ⅱ和一种低相对分子质量的热稳定性蛋白质（hea℃-s℃able carrier pro℃ein，HPr）。在这三种成分中酶I 和HPr 是非特异性的，都是可溶性的，HPr 能像高能磷酸载体一样起作用，而酶Ⅱ对糖有专一性，能被某种糖诱导产生。除酶Ⅱ位于细胞膜上外，其他都可游离存在于细胞质中。磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）是磷酸的供体。