[科普中国]-微生物营养物质

简介

微生物营养物质是指能够满足微生物生长、繁殖及完成各种生理活动所需要的物质的统称。与其他生物一样，当微生物处于适宜的环境条件时，能够以其独特的方式不断地从外界吸收所需要的各种营养物质。有些微生物利用营养物质非常广泛，连塑料等高分子化合物和一些对其他生物有毒的物质也可以利用。有些微生物对营养要求较严格，需要给予补充，才能很好的生长。营养物质是微生物生命活动的物质基础，电是其生长繁殖的前提条件。2

微生物的营养物质及其功能微生物对营养的要求无论是在元素水平上还是在营养要素水平上，都与动物和植物十分接近，它们之间存在着“营养上的统一性”。在元素水平上需要20种左右，其中以碳、氢、氧、氮、磷、硫六种元素为主。在营养要素水平上则主要为碳源、氮源、能源、生长因子、矿质元素和水六大类。

碳源碳是微生物细胞需要量最大的元素，占细胞干重的50%。能提供微生物营养所需碳（元）素或碳架的营养物质称为碳源。能被微生物用作碳源的物质种类极其广泛。简单的无机含碳化合物（CO2、NaHCO3和CaCO3等）、比较复杂的有机物（烃类、醇、羧酸、脂肪酸、糖及其衍生物、杂环化合物、氨基酸和核苷酸等）、复杂的有机大分子（蛋白质、脂质和核酸等），乃至复杂的天然含碳物质（牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉、糖蜜、石油等）都可以被不同的微生物利用。甚至像二甲苯、酚等有毒的物质都可以被少数微生物用作碳源。

不同营养类型的微生物利用不同的碳源。异养微生物常利用某一类有机物中的一种或几种作为它们的碳源，其中糖类是微生物利用最广泛的碳源。其他微生物或是利用CO2或碳酸盐作为唯一的或主要的碳源，或是利用CO2及简单有机物作为主要碳源。不同微生物利用碳源的范围差异很大，有的微生物范围很广，有的则范围很窄。例如，洋葱伯克霍尔德氏菌可利用90多种不同类型的有机物作为碳源，而产甲烷菌绝大多数利用CO2作为碳源，有些也利用甲酸、甲醇和乙酸等作为碳源。

对于为数众多的化能异养微生物来说，碳源是兼有能源功能的双功能营养物。

能源能源是提供微生物生命活动所需能量的物质。绝大多数微生物的能源物质是化学物质（有机物和无机物），只有光合细菌利用光作为能源。对于绝大多数细菌和全部真核微生物来说，它们所利用的有机碳源在被微生物细胞分解代谢的过程中不仅提供微生物细胞的碳素和碳架，而且还提供微生物生命活动所需的能量。有的微生物所需的能源与碳源不同。如光能自养微生物的能源是光，而碳源为CO2；化能自养微生物的能源为NH4、NO2、S、H2和Fe等还原态无机化合物，而碳源是CO2。

氮源氮是微生物细胞需要量仅次于碳的元素，是构成蛋白质和核酸的主要元素，占细菌干重的12%～15%。能提供微生物所需氮素的营养物质称为氮源。能被微生物用作氮源的物质种类也很广泛。有分子态氮、氨、铵盐和硝酸盐等无机含氮化合物；尿素、氨基酸、嘌呤和嘧啶等有机氮化合物。多数微生物利用无机氮化物，如（NH4）2SO4和KNO3等作为氮源，但它们也可利用有机含氮化合物作为氮源，只有少数固氮微生物（固氮菌、根瘤菌和蓝细菌等）能利用分子态氮（N2）作为氮源。实验室中常用的氮源有牛肉膏、蛋白胨和酵母膏等。生产上常用的有鱼粉、玉米浆、饼粉（黄豆饼粉和花生饼粉）和蚕蛹粉等。

氮源的主要功能是提供细胞原生质和其他结构物质中的氮素，一般不作为能源使用。但化能自养细菌中的亚硝化细菌和硝化细菌能从NH3和NO2的氧化过程中获得能量，所以对于它们来说，NH3和NO2是兼有氮源和能源的双功能营养物质。对于异养微生物而言，含有C、H、O、N的有机物是具有碳源、能源和氮源的多功能营养物质。

矿质元素微生物除了需要碳源、能源和氮源之外，还需要磷、硫、镁、钙、钾、钠、铁、锌、钴、钼、铜、锰、镍和钨等元素。其中元素需要浓度在10-4～10-3 mol/L范围内的称大量元素；需要浓度在10-8～10-6 mol/L范围内的称微量元素。前者如磷、硫、镁、钙、钾、钠和铁等；后者如锌、钻、钼、铜、锰、镍和钨等。上述元素大多是以无机盐的形式提供的，故称无机盐或矿质元素。

无机盐的需要量虽远比C、N少，但微生物的生长代谢同样重要。它们的生理功能包括：① 是微生物细胞化学组成中的重要元素之一，如P和S分别为核酸与含硫氨基酸（半胱氨酸和甲硫氨酸）的重要组成元素：② 与酶的组成和活力有关，如Fe是细胞色素氧化酶的必要组分，Mg、Cu和Zn等是许多酶的激活剂：③ 调节和维持微生物的渗透压、氢离子浓度和氧化还原电位等生长条件，如Na和K有调节细胞渗透压的作用，由磷酸盐组成的缓冲剂能保持微生物生长过程中pH值的稳定：谷胱甘肽可降低氧化还原电位；④ 作为某些化能自养细菌的能源物质；⑤ 作为呼吸链末端的氢受体。

生长因子有些微生物的生长除了需要上述营养物之外，还必须补充微量的有机物质才能生长或者生长良好，这些微生物生长必不可少的微量有机物质称为生长因子。通常包括维生素、氨基酸、碱基、卟啉及其衍生物、固醇、胺类等。能提供生长因子的天然物质有酵母膏、蛋白胨、麦芽汁、玉米浆、动植物组织或细胞浸液以及微生物生长环境的提取液等。

生长因子的主要功能是提供微生物细胞重要化学物质（蛋白质、核酸和脂质）、辅助因子（辅酶和辅基）的组分和参与代谢。

多数真菌、放线菌和部分细菌在其生长过程中不需要从环境中获取任何生长因子。而有的微生物需要从环境中获取一种或几种生长因子才能维持正常生长，如乳酸细菌补充需要多种维生素、氨基酸和碱基。少数微生物可合成并大量分泌某些维生素，因此，可用作维生素生产菌，例如，利用阿舒假囊酵母和棉阿舒囊霉生产维生素B2。

水实际上水本身并不是营养物质，但水是微生物营养中不可缺少的一种物质。因为水是微生物细胞的主要化学成分；水是营养物质和代谢产物的良好溶剂，营养物质与代谢产物都是通过溶解于水中而进出细胞的；水是细胞中各种生物化学反应得以进行的介质，并参与许多生化反应：水还可维持各种生物大分子结构的稳定性；此外，水的比热高，汽化热高，是热的良好导体，能有效地吸收代谢过程中产生的热量并将热迅速散发出体外，这保证了细胞内的温度不会剧烈变化。3