《工业微生物学》 第三章微生物的营养和生长 新陈代谢是生命的基本特征之一。微生物同其它生物一样,不断地进行新陈代谢 通过代谢,微生物与外部环境进行物质和能量的交换,从环境中获得各种元素以合成细 胞物质,提供生命活动所需的能量及在新陈代谢中起调节作用。这些物质称为营养物质 ( nutrient)。而有机体摄取、利用营养物质的过程称为营养( nutrition 3.1微生物的营养 营养物质是生命活动的基础,没有营养,微生物的生命活动就会终止,所以说,营 养过程是微生物生命活动的重要特征。只有吸收营养物质,才能进一步代谢,实现微生 物的生长、发育和繁殖。熟悉微生物的营养知识是研究和利用微生物的必要基础,有了 营养理论,就能更自觉和有目的地选用和设计符合微生物生理需要、有利于发酵生产的 培养基 3.1.1微生物的营养类型 生物界存在两种典型的营养类型:(1)以高等植物为代表的自养型( autotroph),它 们完全依靠无机养分(如CO2,H2O,无机盐)合成复杂的有机物,供自身生长发育需要, 并以光为能源:(2)以高等动物为代表的异养型( heterotroph),它们必需摄取现成的有 机物才能满足其生长发育的需求,并通过有机物的氧化来获取能源 微生物除有以上两种营养类型外,还有一些中间类型。一般以能源、碳源不同分成 四大类型: (自养型) 光能自养型 光…光能营养型(有机碳化物(异养型 光能异养型 能源 合物…化能营养型「CO2,C32(自养型)——化能自养型 有机碳化物(异养型)一一化能异养型 3.1.1.1光能自养型或称光能无机自养型( photolithoautotroph, PLA 光能自养型生物以CO作为唯一或主要碳源,以光为生活所需的能源,能以无机物 (如硫化氢、硫代硫酸钠或其它无机硫化物)作供氢体,使CO2还原成细胞的有机物。 十分凑巧的是氢供体与其碳源的性质一般是一致的。即若碳源是无机的,氢供体也是无 机的。该类型的代表是高等植物、藻类和少量细菌。 高等植物: 光能 CO2+H20→[CH2O]+02 叶绿素 光合细菌: 光能 绿硫细菌: CO2 +2H2S [CH20+2S +H20 细菌叶绿素 光能 红硫细菌 CO2 +H2S+2H20-> 2[CH20] +H2SOa 细菌叶绿素 植物与光合细菌的光合作用可用下式概括 光能 CO2+2H2A [CH20]+2A +H20 光合色素
《工业微生物学》 第三章 1 第三章 微生物的营养和生长 新陈代谢是生命的基本特征之一。微生物同其它生物一样，不断地进行新陈代谢。 通过代谢，微生物与外部环境进行物质和能量的交换，从环境中获得各种元素以合成细 胞物质，提供生命活动所需的能量及在新陈代谢中起调节作用。这些物质称为营养物质 (nutrient)。而有机体摄取、利用营养物质的过程称为营养(nutrition)。 3.1 微生物的营养 营养物质是生命活动的基础，没有营养，微生物的生命活动就会终止，所以说，营 养过程是微生物生命活动的重要特征。只有吸收营养物质，才能进一步代谢，实现微生 物的生长、发育和繁殖。熟悉微生物的营养知识是研究和利用微生物的必要基础，有了 营养理论，就能更自觉和有目的地选用和设计符合微生物生理需要、有利于发酵生产的 培养基。 3.1.1 微生物的营养类型 生物界存在两种典型的营养类型：(1)以高等植物为代表的自养型(autotroph)，它 们完全依靠无机养分（如 CO2,H2O,无机盐）合成复杂的有机物，供自身生长发育需要， 并以光为能源；(2)以高等动物为代表的异养型(heterotroph)，它们必需摄取现成的有 机物才能满足其生长发育的需求，并通过有机物的氧化来获取能源。 微生物除有以上两种营养类型外，还有一些中间类型。一般以能源、碳源不同分成 四大类型： 3.1.1.1 光能自养型 或称光能无机自养型（photolithoautotroph,PLA) 光能自养型生物以 CO2 作为唯一或主要碳源，以光为生活所需的能源，能以无机物 （如硫化氢、硫代硫酸钠或其它无机硫化物）作供氢体，使 CO2 还原成细胞的有机物。 十分凑巧的是氢供体与其碳源的性质一般是一致的。即若碳源是无机的，氢供体也是无 机的。该类型的代表是高等植物、藻类和少量细菌。 高等植物： 光能 CO2 ＋H2O ⎯→ [CH2O] ＋O2 叶绿素 光合细菌： 光能 绿硫细菌： CO2 ＋2H2S ⎯→ [CH2O] ＋2S ＋H2O 细菌叶绿素 光能 红硫细菌： CO2 ＋H2S ＋2H2O ⎯→ 2[CH2O] ＋H2SO4 细菌叶绿素 植物与光合细菌的光合作用可用下式概括： 光能 CO2 ＋2H2A ⎯→ [CH2O] ＋2A ＋H2O 光合色素 CO2 （自养型） ——光能自养型 光……光能营养型 有机碳化物（异养型） ——光能异养型 能源 化合物…化能营养型 CO2,CO3 2- （自养型） ——化能自养型 有机碳化物（异养型） ——化能异养型
《工业微生物学》 高等植物以水为CO2的还原剂,同时释放出O2。光合细菌从HS、Na2S2O3等无机硫化 物得到H来还原CO2,同时析出S或HSO4。光合作用的过程较复杂,具体内容可参考有 关生物化学的教材 3.1.1.2光能异养型( photoorganoheterotroph,POH 光能异养型微生物利用光为能源,利用有机物为供氢体,不能以CO2作为主要或唯 的碳源,一般同时以CO2和简单的有机物为碳源。光能异养细菌生长时,常需外源的 生长因子。如红螺菌科的细菌(即紫色无硫细菌)以光为能源,CO2为碳源,并需异丙 醇为供氢体,同时积累丙酮。 光能 2(H3C-)CHOH +CO 2 )2CH, COCH3 +[CH20]+ H20 光合色素 3.1.13化能自养型( chemolithoautotroph,CLA) 化能自养型微生物以CO2(或碳酸盐)为碳源,以无机物氧化所产生的化学能为能 源。它们可以在完全无机的条件下生长发育。这类菌以氢气、硫化氢、Fe或亚硝酸盐 为电子供体,使CO还原。氢细菌、硫细菌、铁细菌和硝化细菌属于此类菌。它们广泛 分布在土壤和水域中,在自然界的物质循环和转化过程中起着重要作用。它们一般生活 在黑暗和无机的环境中,故又称为化能矿质营养型。 3.1.1.4化能异养型( chemoorganoheterotroph,COH 化能异养型生物以有机化合物为碳源,以有机物氧化产生的化学能为能源。所以 有机化合物对这些菌来讲,既是碳源,又是能源。动物和大多数微生物(几乎全部真菌 大多数细菌和放线菌)都属于此类。绝大多数工业上应用的微生物都属于化能异养型 化能异养型微生物又可分为寄生φ parasitism)和腐生( saprophytism)两种类型。寄 生是指一种生物寄居于另一种生物体内或体表,从而摄取宿主细胞的营养以维持生命的 现象:腐生是指通过分解已死的生物或其它有机物,以维持自身正常生活的生活方式。 实际上,在寄生和腐生之间存在着不同程度的既寄生又腐生的中间类型,可称为兼性寄 生或兼性腐生。 上述四大类型微生物的划分并不是绝对的,在它们之间也有一些过渡类型。例如红 螺菌在光照和嫌气的条件下,利用光能同化CO2,而在黑暗和好气的条件下,也能利用 有机物氧化产生的化学能实现生长,所以它兼有光能自养型和化能异养型的特征。在化 能自养和化能异养型之间也有中间类型,氢单胞菌在完全无机的条件下,通过氢的氧化 而获取能量,同化CO2,而当环境中存在有机物时,它便利用有机物实行异养生活。 许多(甚至所有)异养型微生物也都可以利用CO,所不同的是它们不以CO2为唯 的碳源,而是将CO2固定在有机物上,如将CO2固定到丙酮酸生成草酰乙酸。所以单纯就 能否利用CO来讲,自养型与异养型也没有绝对界限。它们主要区别在于:自养型微生 物可利用CO2(碳酸盐)作唯一或主要的碳源而且同化CO2(碳酸盐)为细胞结构物质 所需的能量来自光或无机物的氧化,但也不是说它们绝对不能利用有机物;异养型微生 物可以固定CO2,但其主要的碳源来自有机物,不能在完全无机的环境中生长,它们的 合成反应所需能量来自有机物的氧化 微生物营养类型的区分一般是以最简单的营养条件为根据,光能先于化能,自养先 于异养,并加以“严格”,“兼性”来描述营养的可变性。所以,氢单胞菌为“兼性自 养型”,红螺菌是“兼性光能异养型” 3.1.2微生物的营养要素 微生物的营养物质应满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动的需要。它们的作用
《工业微生物学》 第三章 2 高等植物以水为 CO2 的还原剂，同时释放出 O2。光合细菌从 H2S、Na2S2O3 等无机硫化 物得到 H 来还原 CO2，同时析出 S 或 H2SO4。光合作用的过程较复杂，具体内容可参考有 关生物化学的教材。 3.1.1.2 光能异养型(photoorganoheterotroph,POH) 光能异养型微生物利用光为能源，利用有机物为供氢体，不能以 CO2 作为主要或唯 一的碳源，一般同时以 CO2 和简单的有机物为碳源。光能异养细菌生长时，常需外源的 生长因子。如红螺菌科的细菌（即紫色无硫细菌）以光为能源，CO2 为碳源，并需异丙 醇为供氢体，同时积累丙酮。 光能 2(H3C-)CHOH ＋ CO2 ⎯→ 2CH3COCH3 ＋[CH2O] ＋ H2O 光合色素 3.1.1.3 化能自养型（chemolithoautotroph,CLA) 化能自养型微生物以 CO2（或碳酸盐）为碳源，以无机物氧化所产生的化学能为能 源。它们可以在完全无机的条件下生长发育。这类菌以氢气、硫化氢、Fe2+或亚硝酸盐 为电子供体，使 CO2 还原。氢细菌、硫细菌、铁细菌和硝化细菌属于此类菌。它们广泛 分布在土壤和水域中，在自然界的物质循环和转化过程中起着重要作用。它们一般生活 在黑暗和无机的环境中，故又称为化能矿质营养型。 3.1.1.4 化能异养型(chemoorganoheterotroph,COH) 化能异养型生物以有机化合物为碳源，以有机物氧化产生的化学能为能源。所以， 有机化合物对这些菌来讲，既是碳源，又是能源。动物和大多数微生物（几乎全部真菌、 大多数细菌和放线菌）都属于此类。绝大多数工业上应用的微生物都属于化能异养型。 化能异养型微生物又可分为寄生(parasitism)和腐生(saprophytism)两种类型。寄 生是指一种生物寄居于另一种生物体内或体表，从而摄取宿主细胞的营养以维持生命的 现象；腐生是指通过分解已死的生物或其它有机物，以维持自身正常生活的生活方式。 实际上，在寄生和腐生之间存在着不同程度的既寄生又腐生的中间类型，可称为兼性寄 生或兼性腐生。 上述四大类型微生物的划分并不是绝对的，在它们之间也有一些过渡类型。例如红 螺菌在光照和嫌气的条件下，利用光能同化 CO2，而在黑暗和好气的条件下，也能利用 有机物氧化产生的化学能实现生长，所以它兼有光能自养型和化能异养型的特征。在化 能自养和化能异养型之间也有中间类型，氢单胞菌在完全无机的条件下，通过氢的氧化 而获取能量，同化 CO2，而当环境中存在有机物时，它便利用有机物实行异养生活。 许多（甚至所有）异养型微生物也都可以利用 CO2，所不同的是它们不以 CO2 为唯一 的碳源，而是将 CO2 固定在有机物上，如将 CO2 固定到丙酮酸生成草酰乙酸。所以单纯就 能否利用 CO2 来讲，自养型与异养型也没有绝对界限。它们主要区别在于：自养型微生 物可利用 CO2（碳酸盐）作唯一或主要的碳源而且同化 CO2（碳酸盐）为细胞结构物质， 所需的能量来自光或无机物的氧化，但也不是说它们绝对不能利用有机物；异养型微生 物可以固定 CO2，但其主要的碳源来自有机物，不能在完全无机的环境中生长，它们的 合成反应所需能量来自有机物的氧化。 微生物营养类型的区分一般是以最简单的营养条件为根据，光能先于化能，自养先 于异养，并加以“严格”，“兼性”来描述营养的可变性。所以，氢单胞菌为“兼性自 养型”，红螺菌是“兼性光能异养型”。 3.1.2 微生物的营养要素 微生物的营养物质应满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动的需要。它们的作用
《工业微生物学》 可概括为形成结构(参与细胞组成),提供能量(机体进行各种生理活动所需的能量) 和调节作用(构成酶的活性成分和物质运输系统) 微生物细胞的化学组成从一个侧面反映了微生物生长繁殖的物质需要。虽然,随微 生物种类、生理状态及环境的不同,其组成也有变化,但通过对细胞元素组成的分析可 大体看出微生物所需的营养物质。表3.1.1显示细菌、酵母菌和霉菌的主要元素组成 这些元素主要以水、有机物和盐的形式存在于细胞中。水是微生物细胞的主要成分。细 菌平均含水量为鲜重的75-85%,酵母为70-85%,霉菌为85-90%,芽孢为40%,霉菌孢 子为38%。有机物主要是蛋白质、糖、脂类、核酸、维生素以及激素等。 表3.1.1细菌、酵母和幂菌的元素组成(干重% 50~53 A45~50 4063 215 .511 2.0~3.0 .8~2.6 0.44.5 0.21.0 010 0.10.5 1.0~4.5 钾钠钙镁 1.22.5 0.51.0 .01.01 0.02.05 0.011.5 0.10.3 0.11.4 0.10.5 0.10.5 10.5 氯化物 0.020.2 0010.5 0.10.2 我们可以将微生物的营养物质分成六大营养要素,即水、碳源、氮源、无机盐、生 长因子和能源 3.1.2.1水 水是微生物细胞的重要组成成分,在代谢中占有重要的地位。主要作用有: (1)直接参与一些反应。如蓝细菌利用水作为CO2的还原剂 (2)作为机体内一系列生理生化反应的介质。代谢物只有先溶于水,才能参与反应。 (3)营养物质的吸收、代谢产物的排泄都需通过水,特别是微生物没有特殊的摄食 器官和排泄器官,这些物质只有溶于水才能通过细胞表面 (4)由于水的比热高,又是良好的热导体,所以它能有效地吸收代谢释放的热量, 并将热量迅速地散发出去,从而有效地控制细胞的温度。因为水分子通过分子间的氢键 连接,而破坏氢键需耗费额外的能量,所以提高水温所需的热量很大,水的高气化热也 有利于将发酵过程中积聚的热量带走c 水在细胞中有两种存在形式:结合水和游离水。结合水与溶质或其它分子结合在一 起,很难加以利用。游离水(或称非结合水)则可以被微生物利用。不同生物及不同细 胞结构中游离水的含量有较大的差别 人体平均60% 海蜇~96% ∫霉菌孢子~39% 几种生物的游离水含量 孢子细菌芽孢∫皮层~70% 微生物 核心极低 营养体细菌~80 酵母~75% 霉菌85%
《工业微生物学》 第三章 3 可概括为形成结构（参与细胞组成），提供能量（机体进行各种生理活动所需的能量） 和调节作用（构成酶的活性成分和物质运输系统）。 微生物细胞的化学组成从一个侧面反映了微生物生长繁殖的物质需要。虽然，随微 生物种类、生理状态及环境的不同，其组成也有变化，但通过对细胞元素组成的分析可 大体看出微生物所需的营养物质。表 3.1.1 显示细菌、酵母菌和霉菌的主要元素组成。 这些元素主要以水、有机物和盐的形式存在于细胞中。水是微生物细胞的主要成分。细 菌平均含水量为鲜重的 75-85%，酵母为 70-85%，霉菌为 85-90%，芽孢为 40%，霉菌孢 子为 38%。有机物主要是蛋白质、糖、脂类、核酸、维生素以及激素等。 表 3.1.1 细菌、酵母和霉菌的元素组成（干重%） 元素 细菌 酵母 霉菌 碳 50~53 45~50 40~63 氢 7 7 -- 氮 12~15 7.5~11 7~10 磷 2.0~3.0 0.8~2.6 0.4~4.5 硫 0.2~1.0 0.01~0.24 0.1~0.5 钾 1.0~4.5 1.0~4.0 0.2~2.5 钠 0.5~1.0 0.01~.01 0.02~.05 钙 0.01~1.5 0.1~0.3 0.1~1.4 镁 0.1~0.5 0.1~0.5 0.1~0.5 氯化物 0.5 -- -- 铁 0.02~0.2 0.01~0.5 0.1~0.2 我们可以将微生物的营养物质分成六大营养要素，即水、碳源、氮源、无机盐、生 长因子和能源。 3.1.2.1 水 水是微生物细胞的重要组成成分，在代谢中占有重要的地位。主要作用有： (1) 直接参与一些反应。如蓝细菌利用水作为 CO2 的还原剂。 (2) 作为机体内一系列生理生化反应的介质。代谢物只有先溶于水，才能参与反应。 (3) 营养物质的吸收、代谢产物的排泄都需通过水，特别是微生物没有特殊的摄食 器官和排泄器官，这些物质只有溶于水才能通过细胞表面。 (4)由于水的比热高，又是良好的热导体，所以它能有效地吸收代谢释放的热量， 并将热量迅速地散发出去，从而有效地控制细胞的温度。因为水分子通过分子间的氢键 连接，而破坏氢键需耗费额外的能量，所以提高水温所需的热量很大，水的高气化热也 有利于将发酵过程中积聚的热量带走。 水在细胞中有两种存在形式：结合水和游离水。结合水与溶质或其它分子结合在一 起，很难加以利用。游离水（或称非结合水）则可以被微生物利用。不同生物及不同细 胞结构中游离水的含量有较大的差别： 人体 平均 60% 海蜇 96% 霉菌孢子 39% 几种生物的游离水含量 孢子 细菌芽孢 皮层 70% 微生物 核心 极低 营养体 细菌 80% 酵母 75% 霉菌 85%
《工业微生物学》第三章 游离水的含量可用水的活度a( water activity)表示,水活度定义为在相同温度、 压力下,体系中溶液的水的蒸汽压与纯水的蒸汽压之比,即a=P/P0(P表示溶液的蒸汽 压,P。表示纯水的蒸汽压)。 纯水的a为1.00,当含有溶质后,a<1.00。微生物能在aa=0.63~0.99的培养条 件下生长。对某种微生物而言,它对a的要求是一定的。 3.1.2.2碳源 从表3.1.1中可知,细胞干物质中的碳约占50%,所以说微生物对碳的需求最大。凡 是可以作为微生物细胞结构或代谢产物中碳架来源的营养物质,称为碳源( carbon source 可作为微生物营养的碳源物质种类极其广泛,从简单的无机物(CO2、碳酸盐)到复 杂的有机含碳化合物(糖、糖的衍生物、脂类、醇类、有机酸、烃类、芳香族化合物及 各种含氮化合物等)。但不同微生物利用碳源的能力不同。有的能广泛地利用不同类型 的碳源,如假单孢菌属的有些种可利用90种以上的碳源,但有的微生物能利用的碳源 范围极其狭窄,如甲烷氧化菌仅仅能利用两种有机物,甲烷和甲醇。某些纤维素分解菌 只能利用纤维素。 大多数微生物是异养型的,它们以有机化合物为碳源,能利用的碳源种类很多,但 其中以糖类是最好的碳源,糖类中单糖优于双糖,已糖优于戊糖。葡萄糖、蔗糖通常作 为培养微生物的主要碳源。在多糖中,淀粉可以为大多数微生物所利用,纤维素能为少 数微生物所利用。纯多糖优于琼脂等杂多糖。醇、有机酸和脂类的利用次于糖类。少数 微生物能利用酚、氰化物等有机毒物做碳源,所以可用于治理“三废”。有人从污泥中 分离到了以氰化物为唯一碳源和氮源的诺卡氏菌和霉菌 对于异养微生物,碳源物质通过机体内一系列复杂的化学反应,最终用于构成细胞 物质或为机体提供完成整个生理活动所需的能量。所以,碳源往往也是能源物质 自养菌以C2、碳酸盐为唯一或主要碳源。因为CO是被彻底氧化的物质,所以,CO2 转化成有机的细胞成分是一个还原过程,此过程需消耗大量能量。因此,这类微生物同 时需要从光或其它无机物氧化来获取能量。这类微生物的碳源和能源分别属于不同的物 质。 不少种类的异养型微生物,尤其是生长在动物的血液、组织和肠道中的致病微生物 除必需有机碳源外,还需要少量C2才能正常生长,因此,在培养这些微生物时,常要 提供10%C02(V/V):在有些好氧微生物生长时,如果用KOH除去CO2,往往也会抑制生 3.1.2.3氮源 凡是构成微生物细胞物质或代谢产物中氮元素来源的营养物质,称为氮源 ( nitrogen source)。细胞的干物质中氮含量仅次于碳和氧。氮是组成核酸和蛋白质的 重要元素,所以,氮对微生物的生长发育有着重要的作用。从分子态的N到复杂的含氮 化合物都能被不同的微生物所利用,而不同类型的微生物能利用的氮源差异较大。 固氮微生物能利用分子态N2合成自己需要的氨基酸和蛋白质。它们也能利用无机氮 和有机氮化物,但在这种情况下,它们便失去了固氮能力。固氮微生物主要是原核生物 如与豆类共生的根瘤菌和自生固氮菌。还有不少光合细菌、蓝藻和真菌也有固氮作用 许多腐生细菌和动植物的病原菌不能固氮,一般利用铵盐或其它含氮盐作氮源。硝 酸盐必须先还原成NH后,才能用于生物合成。以无机氮化物为唯一氮源的微生物都能 利用铵盐,但它们并不都能利用硝酸盐。 当无机氮化物为唯一氮源培养微生物时,培养基会表现出生理酸性或生理碱性。如 以(NH)2SO为氮源时,NH被利用后,培养基的pH下降,故有“生理酸性盐”之称。以 KNO为氮源时,NO3'被利用后,培养基的pH上升,故有“生理碱性盐”之称。 利用(NH)2NO3为氮源,可以避免p急剧升降,但是,NH的吸收快,NO的吸收 滞后,所以,培养基p会先降后升。所以,培养基配方中应加入缓冲物质。 从微生物所利用的氮源种类看,存在着一个明显的界限:一部分微生物不需要氨基
《工业微生物学》 第三章 4 游离水的含量可用水的活度 a（water activity）表示，水活度定义为在相同温度、 压力下，体系中溶液的水的蒸汽压与纯水的蒸汽压之比，即 a=P/P0 (P 表示溶液的蒸汽 压，P0 表示纯水的蒸汽压)。 纯水的 a为 1.00，当含有溶质后，a1.00。微生物能在 a=0.630.99 的培养条 件下生长。对某种微生物而言，它对 a的要求是一定的。 3.1.2.2 碳源 从表 3.1.1 中可知，细胞干物质中的碳约占 50%，所以说微生物对碳的需求最大。凡 是可以作为微生物细胞结构或代谢产物中碳架来源的营养物质，称为碳源(carbon source)。 可作为微生物营养的碳源物质种类极其广泛，从简单的无机物（CO2、碳酸盐）到复 杂的有机含碳化合物（糖、糖的衍生物、脂类、醇类、有机酸、烃类、芳香族化合物及 各种含氮化合物等）。但不同微生物利用碳源的能力不同。有的能广泛地利用不同类型 的碳源，如假单孢菌属的有些种可利用 90 种以上的碳源，但有的微生物能利用的碳源 范围极其狭窄，如甲烷氧化菌仅仅能利用两种有机物，甲烷和甲醇。某些纤维素分解菌 只能利用纤维素。 大多数微生物是异养型的，它们以有机化合物为碳源，能利用的碳源种类很多，但 其中以糖类是最好的碳源，糖类中单糖优于双糖，已糖优于戊糖。葡萄糖、蔗糖通常作 为培养微生物的主要碳源。在多糖中，淀粉可以为大多数微生物所利用，纤维素能为少 数微生物所利用。纯多糖优于琼脂等杂多糖。醇、有机酸和脂类的利用次于糖类。少数 微生物能利用酚、氰化物等有机毒物做碳源，所以可用于治理“三废”。有人从污泥中 分离到了以氰化物为唯一碳源和氮源的诺卡氏菌和霉菌。 对于异养微生物，碳源物质通过机体内一系列复杂的化学反应，最终用于构成细胞 物质或为机体提供完成整个生理活动所需的能量。所以，碳源往往也是能源物质。 自养菌以 CO2、碳酸盐为唯一或主要碳源。因为 CO2 是被彻底氧化的物质，所以，CO2 转化成有机的细胞成分是一个还原过程，此过程需消耗大量能量。因此，这类微生物同 时需要从光或其它无机物氧化来获取能量。这类微生物的碳源和能源分别属于不同的物 质。 不少种类的异养型微生物，尤其是生长在动物的血液、组织和肠道中的致病微生物， 除必需有机碳源外，还需要少量 CO2 才能正常生长，因此，在培养这些微生物时，常要 提供 10%CO2（V/V）；在有些好氧微生物生长时，如果用 KOH 除去 CO2，往往也会抑制生 长。 3.1.2.3 氮源 凡是构成微生物细胞物质或代谢产物中氮元素来源的营养物质，称为氮源 (nitrogen source)。细胞的干物质中氮含量仅次于碳和氧。氮是组成核酸和蛋白质的 重要元素，所以，氮对微生物的生长发育有着重要的作用。从分子态的 N2 到复杂的含氮 化合物都能被不同的微生物所利用，而不同类型的微生物能利用的氮源差异较大。 固氮微生物能利用分子态 N2 合成自己需要的氨基酸和蛋白质。它们也能利用无机氮 和有机氮化物，但在这种情况下，它们便失去了固氮能力。固氮微生物主要是原核生物， 如与豆类共生的根瘤菌和自生固氮菌。还有不少光合细菌、蓝藻和真菌也有固氮作用。 许多腐生细菌和动植物的病原菌不能固氮，一般利用铵盐或其它含氮盐作氮源。硝 酸盐必须先还原成 NH4 +后，才能用于生物合成。以无机氮化物为唯一氮源的微生物都能 利用铵盐，但它们并不都能利用硝酸盐。 当无机氮化物为唯一氮源培养微生物时，培养基会表现出生理酸性或生理碱性。如 以(NH4)2SO4 为氮源时，NH4 +被利用后，培养基的 pH 下降，故有“生理酸性盐”之称。以 K2NO3 为氮源时，NO3 +被利用后，培养基的 pH 上升，故有“生理碱性盐”之称。 利用 (NH4)2 NO3 为氮源，可以避免 pH 急剧升降，但是，NH4 +的吸收快， NO3 +的吸收 滞后，所以，培养基 pH 会先降后升。所以，培养基配方中应加入缓冲物质。 从微生物所利用的氮源种类看，存在着一个明显的界限：一部分微生物不需要氨基
《工业微生物学》 酸为氮源,它们能将非氨基酸类的简单氮源(例如尿素、铵盐、硝酸盐和氮气)自行合 成所需要的一切氨基酸,它们称为“氨基酸自养型生物”,反之,凡需要从外界吸收现 成氨基酸作氮源的微生物,则称为“氨基酸异养型生物”。所有的动物和大量异养型微 生物是氨基酸异养型的,而所有绿色植物和很多微生物是氨基酸自养型的 实验室的有机氮源有蛋白胨,牛肉膏,酵母膏,玉米浆等,工业上能够用黄豆饼粉、 花生饼粉和鱼粉等作为氮源 有机氮源中的氮往往是蛋白质或其降解产物,其中,氨基酸可以直接吸收而参与细 胞代谢,而蛋白质需经菌体分泌的胞外酶水解后才能利用。因为花生饼粉和黄豆饼粉中 的氮主要以蛋白质存在,所以,被称为“迟效性氮源”。而(NH)2SO4和玉米浆等被称为 “速效性氮源” 氮源一般只提供合成细胞质和细胞中其它结构的原料,不作为能源。只有少量细菌, 如硝化细菌能利用铵盐、硝酸盐作氮源和能源。某些梭菌对糖的利用不活跃,可以利用 氨基酸为唯一的能源 3.1.2.4无机盐 无机盐也是微生物生长所不可缺少的营养物质。其主要功能是: (1)构成细胞的组成成分 (2)作为酶的组成成分 (3)维持酶的活性 (4)调节细胞渗透压,氢离子浓度和氧化还原电位 (5)作为某些自氧菌的能源。 磷、硫、钾、钠、钙、镁等盐参与细胞结构组成,并与能量转移、细胞透性调节功 能有关。微生物对它们的需求量较大(10~103M),称为“宏量元素”。没有它们, 微生物就无法生长。铁、锰、铜、钴、锌、钼等盐一般是酶的辅助因子,需求量不大(10ˉ ~10°M),所以,称为“微量元素”。不同的微生物对以上各种元素的需求量各不相同。 铁元素介于宏量元素和微量元素之间。 1)磷 所有细菌都需要磷。磷是合成核酸、磷脂、重要的辅酶(NAD,NADP,CoA等)及高 能磷酸化合物的重要原料。细胞内磷酸盐也来源于营养物中的磷。一般都以KHPO和 KHPO4的形式人为地提供磷元素。 2)硫 硫是蛋白质中某些氨基酸(如半胱氨酸和蛋氨酸)的组成成分,是辅酶因子(如辅酶 A,生物素,硫辛酸和硫胺素)的组成成分,也是谷胱甘肽的组成成分。硫还是某些自 养菌的能源物质 微生物从含硫无机盐或有机硫化物中得到硫。一般人为的提供形式为MgS04。微生 物从环境中摄取S02,再还原成-SH 3)镁 镁是一些酶(如己糖激酶,异柠檬酸脱氢酶,羧化酶和固氮酶)的激活剂。是光合 细菌菌绿素的组成成分。镁还起到稳定核糖体、细胞膜和核酸的作用。缺乏镁,细胞生 长就会停止,首当其冲的就是核糖体和细胞膜。微生物可以利用硫酸镁或其它镁盐。 4)钾 钾不参加细胞结构物质的组成,但是,它是细胞中重要的阳离子之一。它是许多酶 (如果糖激酶)的激活剂,也与原生质的胶体特性和细胞膜的透性有关。钾在胞内的浓 度比胞外高许多倍。各种无机钾盐,尤其是磷酸钾盐(磷酸二氢钾,磷酸氢二钾)可做 为钾源。 5)钙 钙一般不参与微生物的细胞结构物质(除细菌芽孢外),也是细胞内重要的阳离子 之一,它是某些酶(如蛋白酶类)的激活剂,还参与细胞膜通透性的调节。各种水溶性 的钙盐,如CaCl2及CaNO3)2等都是微生物的钙元素来源。 6)钠 钠也是细胞内的重要阳离子之一,它与细胞的渗透压调节有关。钠在细胞内的浓度
《工业微生物学》 第三章 5 酸为氮源，它们能将非氨基酸类的简单氮源（例如尿素、铵盐、硝酸盐和氮气）自行合 成所需要的一切氨基酸，它们称为“氨基酸自养型生物”，反之，凡需要从外界吸收现 成氨基酸作氮源的微生物，则称为“氨基酸异养型生物”。所有的动物和大量异养型微 生物是氨基酸异养型的，而所有绿色植物和很多微生物是氨基酸自养型的。 实验室的有机氮源有蛋白胨，牛肉膏，酵母膏，玉米浆等，工业上能够用黄豆饼粉、 花生饼粉和鱼粉等作为氮源。 有机氮源中的氮往往是蛋白质或其降解产物，其中，氨基酸可以直接吸收而参与细 胞代谢，而蛋白质需经菌体分泌的胞外酶水解后才能利用。因为花生饼粉和黄豆饼粉中 的氮主要以蛋白质存在，所以，被称为“迟效性氮源”。而(NH4)2SO4 和玉米浆等被称为 “速效性氮源”。 氮源一般只提供合成细胞质和细胞中其它结构的原料，不作为能源。只有少量细菌， 如硝化细菌能利用铵盐、硝酸盐作氮源和能源。某些梭菌对糖的利用不活跃，可以利用 氨基酸为唯一的能源。 3.1.2.4 无机盐 无机盐也是微生物生长所不可缺少的营养物质。其主要功能是： （1）构成细胞的组成成分。 （2）作为酶的组成成分。 （3）维持酶的活性。 （4）调节细胞渗透压，氢离子浓度和氧化还原电位。 （5）作为某些自氧菌的能源。 磷、硫、钾、钠、钙、镁等盐参与细胞结构组成，并与能量转移、细胞透性调节功 能有关。微生物对它们的需求量较大（10-4 10-3 M)，称为“宏量元素”。没有它们， 微生物就无法生长。铁、锰、铜、钴、锌、钼等盐一般是酶的辅助因子，需求量不大（10-8 10-6 M)，所以，称为“微量元素”。不同的微生物对以上各种元素的需求量各不相同。 铁元素介于宏量元素和微量元素之间。 1)磷 所有细菌都需要磷。磷是合成核酸、磷脂、重要的辅酶（NAD，NADP，CoA 等）及高 能磷酸化合物的重要原料。细胞内磷酸盐也来源于营养物中的磷。一般都以 K2HPO4 和 KH2PO4 的形式人为地提供磷元素。 2)硫 硫是蛋白质中某些氨基酸(如半胱氨酸和蛋氨酸)的组成成分，是辅酶因子（如辅酶 A，生物素，硫辛酸和硫胺素）的组成成分，也是谷胱甘肽的组成成分。硫还是某些自 养菌的能源物质。 微生物从含硫无机盐或有机硫化物中得到硫。一般人为的提供形式为 MgSO4。微生 物从环境中摄取 SO4 2-，再还原成—SH。 3)镁 镁是一些酶（如己糖激酶，异柠檬酸脱氢酶，羧化酶和固氮酶）的激活剂。是光合 细菌菌绿素的组成成分。镁还起到稳定核糖体、细胞膜和核酸的作用。缺乏镁，细胞生 长就会停止，首当其冲的就是核糖体和细胞膜。微生物可以利用硫酸镁或其它镁盐。 4)钾 钾不参加细胞结构物质的组成，但是，它是细胞中重要的阳离子之一。它是许多酶 （如果糖激酶）的激活剂，也与原生质的胶体特性和细胞膜的透性有关。钾在胞内的浓 度比胞外高许多倍。各种无机钾盐，尤其是磷酸钾盐（磷酸二氢钾，磷酸氢二钾）可做 为钾源。 5)钙 钙一般不参与微生物的细胞结构物质（除细菌芽孢外），也是细胞内重要的阳离子 之一，它是某些酶（如蛋白酶类）的激活剂，还参与细胞膜通透性的调节。各种水溶性 的钙盐，如 CaCl2 及 Ca(NO3)2 等都是微生物的钙元素来源。 6 )钠 钠也是细胞内的重要阳离子之一，它与细胞的渗透压调节有关。钠在细胞内的浓度