[推荐]微生物与发酵工艺知识大全

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（四）培养基的发展趋势
　　近年来，随着一系列微量快速生化反应装置的出现，微生物培养基出现了许多新品种，如国外有系列的琼脂平板和试管斜面等新鲜培养基供应。
　　为了加快微生物学检验工作的速度，人们设计了比传统方法更敏感，更快速、更特异的细菌鉴定方法。其中自动半自动化系统和微生物数码分析系列是常被采用的方法。
　　微生物数码分析系列又称为数值分类细菌鉴定法。其基本原理是，制备一定数量和种类的特殊微量培养基，用数个乃至数十个细菌的生理和生化特征来检验细菌。由于每个细菌均可产生一套阳性和阴性结果，然后用电子计算机重新结合，系统比较某一株与他类同株距阵，很快就会相互区别开来。目前数值分类的商品种类很多，其中最有前途的是Microbact。国内应用数值分类法进行细菌鉴定也已普遍开展，同时也出现了不少商品系列编码鉴定培养基。就其组成成分来看，有肠杆菌科的系列编码鉴定培养基，非发酵菌群系列编码鉴定培养基，弧菌科系列编码鉴定培养基，革兰氏阳性球菌系列编码鉴定培养基，酵母菌系列编码鉴定培养基和厌氧菌系列编码鉴定培养基等。其培养基的商品形式也各不相同。有微量小玻璃管组成的，有小安瓶组装的，也有呈冻干状态的。数码分析的可靠性主要取决于数据库，数值分类鉴定不需要贵重仪器，操作简易，容易在各实验室推广。现介绍两种常用的系统：
　　(一)API 120E (Analytab Products N.Y)
　　是应用最广的一种，它附有以电脑提供丰富数据的检索系统。细菌鉴定结果可在5—18小时后读出。在一条塑料板上有20个小孔。每孔中含有一种干燥底物。用含纯菌的无菌生理盐水重溶底物、氨基酸、硫化氢及尿素小孔内还需加上液体石蜡，塑料板放在小盒内，盒内含水分，35℃培养5个小时第一次读结果；18-24小时可再读一次结果。读结果前，色氨酸脱氨、靛基质、乙酰甲基甲醇(V-P试验)三孔要加特定试剂。这20个试验再加上纸片氧化酶试验，总共21个结果转化成7个数字，然后查索引表或直接用电脑检索。
　　(二)Micro-ID System　(General Diagnostics N.J.)
　　这个系统是基于在接种的细菌表面存在各种酶能与特殊的底物产生快速反应，因而4小时就可得到结果。它由15种反应组成，每一孔内含有一种底物，用无菌生理盐水稀释菌液溶化这15种底物，35℃4小时后，前5孔加入必需的试剂，所得结果转换成五位数字，通过电脑检索或直接查索引表可鉴定出细菌。
　　由于电脑技术的迅速发展，使微生物的自动化及半自动化鉴定技术取得了明显的进展。目前国际上已有许多不同类型的微生物自动化和半自动化鉴定系统，在临床上被广泛应用的是Vitek-AUTO-Microbic(AMS)系统。
　　Vitek系统(Vitek systems Inc，MO)是目前国际上较为流行的仪器。该系统可鉴定革兰氏阳性和革兰氏阴性菌，甚至酵母类菌，还可以直接用稀释的尿液标本送入，以鉴定并计数细菌，也可以作多种抗生素药敏试验。该全套仪器包括密封舱、电脑、数据输入终端和打印机。革兰氏阴性菌鉴定卡由30种底物组成，革兰氏阳性菌鉴定卡由28种底物组成。底物包括杆菌肽Optochin Nacl(60g／L)、胆汁(10％，4％)、七叶苷、精氨酸、尿素、四唑红(tetrazolium Red)、新生霉素、18种糖类及醇类，当含标准浓度的菌液试管与塑料板卡相联时，菌液自动吸入卡内，卡又自动地被送入密封舱，然后35℃孵育(酵母类菌30℃)。在孵育过程中，由于光密度改变，可以被仪器及时监测出采，最后由电脑系统解释结果。肠杆菌科需时4-6小时；不发酵糖的革兰氏阴性杆菌6-18小时；革兰氏阳性球菌4-15小时。
　　该系统主要培养基鉴定卡有：
　　(1)GNI：　　革兰氏阴性杆菌鉴定卡。
　　(2)GNS：　　革兰氏阴性杆菌药敏试验卡。
　　(3)GPI：　　革兰氏阳性球菌鉴定卡。
　　(4)GPS：　　革兰氏阳性球菌药敏试验卡。
　　(5)YBC：　　酵母样菌鉴定卡。
　　(6)UID-3：　　尿素培养及菌落计数卡(一个卡片可同时测三个标本)。
　　(7)EPS：　　用于筛选肠道致病菌(主要是沙门氏菌属及志贺氏菌属的细菌)。
　　(8)Bicilli SID：用于芽胞杆菌属的鉴定。
　　(9)NH／H：　　用于奈瑟氏菌属／嗜血杆菌属鉴定。
　　(10)ANI：　　用于厌氧菌鉴定。
　　(11)GNU：　　用于尿液革兰氏阴性杆菌属鉴定。
　　由于现代科学的迅速发展，特别是分子生物学和临床细菌学的发展促进了培养基的研
究、生产、供应和使用技术在不断改进和提高。
　　总之，培养基的发展趋势将是从实际需要出发，增加新品种，尽量用合成培养基代替天
然培养基，采用混合干粉配制工艺，便于保存与使用，分析方法更加科学合理，质量控制标准统一，逐步实现质量管理规范化。

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笫二节　微生物的生长

　　生长是一个复杂的生命活动的过程。微生物细胞从环境吸取营养物质，经代谢作用合成新的细胞成分，细胞各组成成分有规律地增长，致使菌体重量增加，这就是生长。随着菌体重量的增加，菌体数量也增多，这就进入到繁殖阶段。生长是繁殖的基础，繁殖是生长的结果。
　　微生物在各种环境下生长，其生长和生理活动实际上是对它们所处环境条件的一种反应。微生物怎样生长，什么因素影响它们的生长，什么因素促使代谢产物的生成，微生物如何对不良环境做出反应，又在什么条件下死亡研究和解决这些问题，将为培养和发酵条件的优化打好基础。
　　微生物生长和繁殖有许多方式。细菌是裂殖，即每个母细胞体积增大最后分裂成两个相同的子细胞，众多无性的子细胞形成一个无性繁殖系。除了裂殖酵母外，多数酵母行出芽繁殖，母细胞在繁殖周期内体积几乎没有变化，无数代出芽繁殖，也形成为菌落。丝状真菌的生长是以其顶端延长的方式进行的，在生长过程中产生繁茂的分技而构成整体。
研究微生物的生长，需要从研究微生物的个体生长和群体生长两个方面着手。

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一、微生物个体细胞的生长
　　细菌在分裂的一个生长周期内，细胞质量和所有细胞组成均倍增，分裂所得两个子细胞与母细胞完全相同。因此除了单一倍增外，一般不可能指出细菌的“菌龄”。所谓细菌的菌龄，不是指个别细菌细胞的菌龄，而是指细菌培养物在培养条件下所度过的时间。
　　酵母的母细胞与子细胞实际上可以识别，因为母细胞产生每个子细胞都会留下一个芽痕，因此酵母细胞的群体（population）有一个连续变化的菌龄分布。
　　霉菌的生长特性是菌丝伸长和分支，从菌丝体的顶端通过细胞间的隔膜进行生长。一旦一个细胞形成，它就保留其完整性，并有一个相对于邻近细胞的菌龄。菌丝体既可以是长的和散开的，也可以是短的和高度分支的，或者是两者的混合形式，这取决于培养的环境条件。当其生长在表面上时，菌丝体盘结交叉，形成浓密的菌落。在深层培养中，菌丝体能以分散的菌丝形式存在，或者形成直径为0.1~10mm的菌丝团。菌落和菌丝团对霉菌生长极其重要，因为它们本身反过来也影响各个菌落和菌丝团细胞局部的物理化学环境。
　　细胞生长的标志在外观上是细胞由小长大，在细胞内部则是细胞物质的增加、细胞结构和细胞器的组建。关于细胞大小的变化容易理解，因为它是细胞物质增加的必然结果。因此细胞生长的中心问题是组成细胞的各种大分子化合物如何合成，这些大分子化合物又如何分化成多种细胞结构和细胞器。
　　就目前了解的可以归纳成染色体（或DNA）的复制、核糖体的生物合成、线粒体的生物合成、细胞壁的生物合成等几大部分。各种细胞结构、细胞器和其它细胞成分的协同复制和合成，构成了细胞的生长，在外观上表现为细胞的长大或体积的增加（图3-3）。

图3-3　细胞生长过程细胞数和胞内成分的变化

1. 细胞的生长

　　1. 细菌细胞的生长
　　在细菌细胞生长的过程中，主要的变化是细胞壁和细胞质的增生、DNA的复制以及细胞分裂而成子代细胞。
　　2.细胞壁的增生：革兰氏阳性菌的细胞壁的生长是细胞的赤道壁带（equatorial wall band）向两边扩充的，而革兰氏阴性菌新合成的细胞壁物质是分散地插在原细胞壁物质之间的（图3-4，3-5）。

图3-4　革兰氏阴性菌的细胞壁的生长　　　图3-5　革兰氏阳性菌的细胞壁的生长
　　3.DNA的复制和细胞分裂：细菌的环状DNA在进行半保留复制时是附在间体上的，以双向复制方式进行。DNA复制完成后，两个DNA随着新的细胞壁和膜物质的增生而被分开。壁在两个DNA之间向心生长，最后会合而形成横壁。细胞分裂总是在DNA复制完成后发生。
　　4.酵母菌细胞的生长
　　酵母细胞的生长几乎完全与芽的生长相联系，当子细胞与母细胞分离时，其体积已与成熟细胞的体积接近。酵母细胞的周期通常定义为一次细胞分裂与下次细胞分裂之间的时间。一个周期可以分成四个周期，即间隔期G1、DNA合成期S、第二间隔期G2和有丝分裂期M。间隔期G1指的是有丝分裂与DNA合成之间的间隔；G2指的是DNA合成与有丝分裂之间的间隔。芽的突起正是DNA合成的开始。生芽位置的控制机制尚未清楚，它可能受核内纺锤体斑（spindle plaque）的方位的影响。然而在芽出现以前可以从外形和细胞壁上基的增加来确定生芽的位置。在G2期芽体增大，细胞核移到母细胞与芽体交界处；进入M期后细胞核分裂（图3-6）。

图3-6　细胞的间期
　　子细胞与母细胞之间的壁的完成，也就是胞质分裂（cytokinesis）,发生在有丝分裂以后。然而细胞的分离可能在这时发生，也可能滞后好几个世代。
　　酿酒酵母的新生芽的细胞壁几乎全部都是新合成的，只有很少老细胞壁的成分。粟酒裂殖酵母菌是裂殖的，但其细胞壁的增长却不同于细菌，它的新生壁是从细胞顶端延伸的。酵母芽的生长似乎就靠近初生的正在生长的芽壁。从酵母分离的泡囊中存在着两种有关壁的合成和裂解的酶，即甘露聚糖合成酶和β-(1→3)-葡聚糖外切酶。小泡囊先把甘露聚糖转移到细胞质，随后又与所需要的酶（合成或分解壁的酶）一起转移到壁上。
　　5.霉菌的生长
　　霉菌菌丝的生长主要以顶端生长的方式进行。有一种假设认为，菌丝的顶端生长需要网状高尔基体（dictyosome）和内质网等细胞器参加。在菌丝的亚顶端区含有大量的内质网和核糖体等细胞器，所以细胞膜物质、脂肪和蛋白质主要在亚顶端区发生。新的细胞膜物质在内质网合成后，通过泡囊（vesicle）转移到网状高尔基体近侧的潴泡(cisterna，内质网的液泡)中。在转移过程中促使膜由内质网型向细胞质模型转化。网状高尔基体是这种转化的场所，当潴泡从高尔基体近侧移向远侧时，便逐渐成熟而以泡囊的形式被网状高尔基体分泌到细胞质中。分泌出来的泡囊从菌丝的亚顶端移向顶端，并在顶端积聚。当泡囊与菌丝顶端接触时，泡囊就与细胞膜融合，同时释放出胞壁分解酶与合成酶。分解酶使壁局部破坏，合成酶即在该处催化合成新壁成分，进而形成新壁。

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二、微生物群体的生长
　　微生物个体细胞的生长时间一般很短，很快就进入繁殖阶段，生长和繁殖实际上很难分开。群体的生长表现为细胞数目或群体细胞物质的增加。工业发酵的过程就是微生物群体细胞新陈代谢的过程，因此研究群体生长的规律对于发酵工业生产也是十分必要的(图3-7,图3-8，图3-9)。


图3-7　细菌群体形成的过程（图中的数字为小时）

图3-6　酵母群体形成的过程
（一）微生物生长的描述
　　微生物生长通常以细胞重量或细胞数倍增所需要的时间为表征(图3-7)。

图3-9　各类微生物倍增时间出现的频度
　　重量倍增时间可以不同于细胞倍增时间，因而可以增大细胞重量而不增加细胞数。如果在给定环境中，细胞重量或细胞数倍增之间的间隔是恒定的，则微生物就以对数速率增长。

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第三章 微生物的营养生长及培养基制备

第一节　微生物的营养 　　在微生物生命活动的过程中，必须从环境中吸取一些物质，以获得能量、进行新陈代谢并合成细胞物质，表现出微生物的生长与繁殖。这些物质统称为营养物质，吸取和利用营养物质的过程成为营养过程。 　　营养物质是微生物生命活动的物质基础，没有这个基础，生命活动就无法进行。营养过程是微生物生命活动的重要特征，没有营养过程，也就没有生长。 　　对微生物提供营养使其进行营养过程就必须知道微生物的营养类型，不同类型的微生物有不同类型的营养类型。 一、微生物的营养类型 　　通常根据微生物所用的能源和碳源的性质对微生物的营养类型进行分类。 　　根据能源的性质可把微生物分为光能营养型（phototroph）和化能营养型（chemotroph）。 　　根据碳源的性质可把微生物分为自养型或无机营养型（autotroph or lithotroph）和异养型或有机营养型（hetertroph or organotroph）。自养型微生物以二氧化碳为唯一或　　主要碳源；异养型微生物以有机物为碳源。 　　以上类型两两交叉就出现了四大营养型。 １.光能自养型（photolithotroph）微生物 　　 它们具有光合色素，既能通过光合磷酸化作用产生ATP，又能以还原性无机化合物（如H2S，NaS2O3等）为电子供体，还原二氧化碳而合成细胞物质。 　　藻类和某些原核微生物（如蓝藻菌）在光照下同化二氧化碳（放出氧）。绿硫细菌和紫硫细菌以H2S或硫代硫酸盐作为还原二氧化碳的供氢体并得到硫。 　　从广义上讲，光能自养微生物还包括能够或必须利用少量有机化合物（如痕量的维生素）的光能营养微生物。 （二）光能异养型（photoorganotroph）微生物 　　它们象光能自养型微生物一样能够利用光能，但必须以外源有机化合物作为主要碳源和电子供体，在人工培养时通常还需要提供生长因素。如红螺菌科的红假单孢菌属中的菌，在厌气光照的条件下也能利用有机物迅速增殖。 　　该类型的微生物能利用低分子有机物迅速增殖，可用来进行废水处理。 １.化能自养型（chemlithotroph）微生物 　　它们能利用无机化合物（如NH3、NO2-、H2、H2S、S、S2O3-、Fe++等）氧化时释放的能量，把主要碳源二氧化碳中的碳还原成细胞有机物碳架中的碳。有些细菌，如氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooidans），可通过氧化硫代硫酸盐及含铁硫化物获取能量。这种细菌氧化黄铁矿可以生成硫酸和硫酸高铁，后者可以溶解铜矿（CuS）实现铜的浸出（即生成CuSO4），这就是“细菌冶金”。 　　由于这种营养类型的微生物生活在无机营养料和黑暗的环境中，故又有化能矿质营养型之称。 １.化能异养型（chemoorganotroph）微生物 　　它们以有机化合物为碳源，利用有机化合物氧化过程中氧化磷酸化提供的ATP而生长。这类微生物的特点是其能源与碳源往往分不开，同一种有机化合物的代谢既可提供给能量，也可供给碳架物质。 　　该营养类型的微生物包括分类学上的真菌和大多数细菌、放线菌，发酵工业上应用的微生物绝大多数属于化能异养型微生物。化能营养型微生物以外界的有机化合物为能源和碳源，在细胞内进行代谢实现生长繁殖。 表3-1为四种营养类型的归纳。 表3-1 微生物的四种营养类型

主要能源 来自外界 的氢供体 碳　　源 CO2 有机物 光化学反应 无机物质 光能自养型 如蓝细菌、紫硫细菌、藻类   有机物质   光能异养型 如紫色无硫细菌 氧化还原反应 无机物质 化能自养型 如硝化细菌、硫化细菌、铁细菌、氢细菌   有机物质   化能异养型 绝大多数原核微生物和全部真核微生物

应该指出的是，上述营养类型的划分不是绝对的。在自养型和异养型、光能型和化能型之间，均有一些过度的类型。

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二、微生物的营养物质 　　微生物的营养物质应满足下列两个条件：能直接或在胞外被水解成小分子物质通过细胞膜进入细胞；进入细胞后在胞内的酶体系作用下直接或经化学变化后构成细胞的原生质和细胞结构物质，还为细胞生命活动提供能量。作为发酵生产，部分营养物质的组分经代谢过程还转化成发酵目的产物的组成成分。 　　微生物细胞所含有的物质多种多样，既有无机化合物，又有有机化合物；在有机化合物中既有低分子物质，又有高分子物质。可以说这些物质都具有一定的功能，这些化学组成显示了微生物生长繁殖形成个体的物质需要。尽管微生物细胞的化学组成往往因微生物的种类、生理状态和环境条件而有所改变，但通过对各类微生物细胞化学组成和灰分以及发酵产物中各种无机元素的分析仍可以概略地看出微生物所需要的营养物质（表3-2，表3-3, 表3-4）。 表3-2 微生物细胞的化学组成

微生物组成分 细菌(%) 酵母菌(%) 小型丝状真菌(%) 水　分 75~85 70~80 85~90 主要固形物及其占细胞总固形物百分比 蛋白质 碳水化合物 脂　肪 核　酸 无机元素 50~80 12~28 5~20 10~20 2~30 32~75 27~63 15~65 6~8 4~7 14~35 17~40 4~40 1~2 6~12

表3-3　某些类型微生物主要元素含量（占干细胞重%） 元素微生物 元素含量占干细胞重% CHONS 酿酒酵母(Sacch.cerevisie) 喜甲烷甲基单胞菌 (Methylomonas methanolica) 产黄青霉(Pen.chrysogenum) 45.0　　6.8　　30.6　　9.0 45.9　　7.2　　　　　　14.0　　2.6 43.0　　6.9　　35.0　　8.0

表3-4　某些微生物无机元素含量（占全灰分%） 无机物微生物 P2O5 K2O Na2O MgO CaO SO3 SiO2 FeO 大肠杆菌 醋酸杆菌 酵母菌 米曲霉 33.99 47.45 51.09 48.55 12.95 + 38.66 28.16 2.61 + 1.82 11.21 5.92 8.00 4.16 3.88 13.77 10.70 1.69 1.95 + 0.57 0.11 0.6 1.6 -- 3.35 + 0.06 1.65

表3-5　微生物细胞的元素成分（%干重） 菌类元素 细菌 酵母 小型丝状真菌 磷 硫 钾 钠 钙 镁 氯 铁 铜 锰 钼 总灰分 2.0-3.0 0.2-1.0 1.0-4.5 0.5-1.0 0.01-1.1 0.1-0.5 0.5 0.02-0.2 0.02-0.01 0.001-0.01 0.0001-0.0002 7-12 0.8-2.6 0.01-0.1 1.0-4.0 0.01-0.1 0.1-0.3 0.1-0.5 0.01-0.5 0.002-0.01 0.005-0.007 5-10 0.4-4.5 0.1-0.5 0.2-2.5 0.02-0.5 0.1-1.4 0.1-0.5 0.1-0.2 2-8

作为微生物的营养还应密切关注要求微生物分泌的代谢产物的化学成分（表3-6，如一些抗生素和维生素含有一些无机元素，就需额外添加；一些抗生素、酶制剂、氨基酸含有大量N，在培养和发酵时就必须适度加入。

表3-6 一些发酵产品的化学成分 发酵产品 化学成分 抗生素(Antibiotic) 杆菌肽（bacitracin） 头孢霉素C（cephelosporin C） 红霉素（erythromycin） 青霉素G（penicillin G） 链霉素（streptomycin） C66H103N17O16S C16H21N3O8S C37H67NO13 C16H18N2O4S C21H39N7O12 有机酸（Organic acid） 柠檬酸（citric acid） 葡糖酸（gluconic acid） 乳酸（lactic acid） C6H8O7 C6H12O7 C3H6O3 溶剂类 丙酮（acetone） 丁醇（butanol） 乙醇（ethanol） C3H6O C4H10O C2H6O 维生素和氨基酸（Vitamins and amino acid） B12 核黄素（riboflavin） 谷氨酸（glutamic acid） 赖氨酸（lysine） 色氨酸（tryptophan） C63H18CoN14O14P C17H20N4O6 C5H9NO4 C6H14N2O2 C11H12N2O2

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（一）重要营养物质的作用 1.水 　　水是微生物细胞的重要组成部分，它是微生物进行代谢活动的介质，同时还直接参与一部分生化反应。营养物质的吸收、代谢产物与能量的排出均是以水为媒介的。微生物离开了水就不能进行生命活动。但在有些情况下，由于水与溶质或其它分子结合而不能被微生物所利用，这种状态的水称为“结合水”；而可以被微生物所利用的水称为“游离水”。 表3-7是深井水和地表水所含成分比较。 表3-7 深井水和地表水的水质（mg/L）

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2.碳 　　从上述表3-3可知，在微生物细胞的干物质中，碳占了50%左右。因此，在微生物的各种营养需求中，对碳的需要量最大。 　　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，均可作为微生物的碳源。在这个意义上，碳水化合物及其衍生物（包括单糖、寡糖、多糖、醇和多元醇）、有机酸（包括氨基酸）、脂肪、烃类甚至二氧化碳或碳酸盐类均可以作为微生物的碳源。其中除二氧化碳和碳酸盐是无机含碳化合物以外，均为有机营养物质。 表3-8作为常用碳-能源的碳源的细胞产率系数。 表3-8 常用碳-能源的细胞产率系数

碳-能源 细胞产率 g细胞/g底物 葡萄糖 甲醇 乙醇 甲烷 正烷烃（C16H34） 纤维素 淀粉 苯 0.5 0.5 0.7 0.62 1.0 0.5 0.5 0.6 1.3 1.3 1.3 0.8 1.2 1.3 1.3 0.6

因为绝大多数有机营养物质和细胞的有机成分处于同等的氧化水平，所以它们作为微生物的碳源不需要先经还原。它们除了满足生物合成的需要外，还能为细胞提供能量。它们之中最普遍使用的是己糖。几乎每种微生物都能利用葡萄糖和果糖，但对甘露糖和半乳糖的利用速度较慢；对戊糖（如木糖、阿拉伯糖）的利用不如己糖普遍。表3-9以葡萄糖为能源基于干生物量的维持能系数值。 表3-9 以葡萄糖为能源基于干生物量的维持能系数值

寡糖（oligosaccharide）又叫低聚糖，是由二至十个相同或不同的单糖单位以α-或β-糖苷键连接而组成的。其中最主要的是双糖或三糖，双糖中的蔗糖和麦芽糖是微生物普遍能利用的碳源，三糖中棉子糖能被许多真菌利用。 多　　糖是由十种以上单糖单位以与寡糖同样的组成原则形成的分枝或不分枝的大分子碳水化合物，包括淀粉、纤维素、半纤维素等。重要的有阿拉伯聚糖（arabans），木聚糖（xylans）、葡聚糖（glucans）、半乳聚糖（galactans）、果聚糖（fructans）和甘露聚糖（mannans）、甲壳质（chitin，由N-乙酰氨基葡萄糖单位以β-1，4葡萄糖苷键相连而成）和果胶质（pectins，由半乳糖醛酸残基以α-1，4葡萄糖苷键相连而成）等。多糖一般必先经微生物分泌的胞外水解酶降解后才能作为营养被摄入细胞。 　　淀粉是大多数微生物均可利用的碳源，果胶、半纤维素也可被许多微生物产生的胞外酶分解。纤维素较难被微生物分解，能分解纤维素的微生物主要是霉菌，如木霉、根霉、曲霉、青霉等；在细菌和放线菌中也发现有少数能分解纤维素的菌种。 　　乙醇、甘露醇和甘油可作为微生物的碳源和能源。除醋酸已用作微生物的培养基外，有机酸比糖类较难为微生物吸收，作为碳源其效果不如糖类。脂类物质更难被微生物作为碳源利用，但并不是不能利用，低浓度的高级脂肪酸还可刺激某些细菌的生长。 　　为了综合治理“三废”，人们还有目的地分离到了能利用酚、氰化物等有毒物质的微生物（如诺卡氏菌）菌种。 　　少数微生物（指自养型）以二氧化碳或碳酸盐为唯一的或主要的碳源，因为这两者的碳均为碳的最高氧化形式，必先经预还原才能转化为细胞有机物质的碳架，这个过程需要能量。 　　大多数需要有机碳源的微生物（指异养型）也需要二氧化碳，因为有些生物合成反应（如丙酮酸的羧化和脂肪酸的合成）需要二氧化碳，只是需要量较少而已。虽然这些生物合成反应所需的二氧化碳可以有机碳源和能源的代谢中获取，但如果完全排除二氧化碳，往往会推迟或阻止微生物在有机培养基中的生长。少数细菌和真菌需要环境中含有较多的二氧化碳（5~10%）才能在有机培养基中生长。

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3.氮 　　微生物细胞的干物质中氮的含量仅次于碳和氧，它是构成微生物细胞中核酸和蛋白质的 重要元素。在各类微生物细胞中其含量有较大的差别，细菌和酵母细胞中含氮量较高，霉菌中含量较抵。 　　凡是构成微生物细胞物质或代谢产物中氮素来源的营养物质均称为氮源。在细胞有机物质中，氮主要以还原形式-NH2基存在，实践中常以含有-NH2基的有机营养物来满足微生物对氮的需要。氮源一般不提供能量，只有少数细菌如硝化细菌（化能自养型、严格好气）能利用铵盐、亚硝酸盐作为氮源和能源。 　　氮源可以是含氮的无机盐或含氮的有机化合物，俗称无机氮或有机氮。若将微生物作为一个整体看待，则从分子态氮到复杂的含氮有机化合物，包括分子态氮、硝酸盐、铵盐、脲素、胺、酰胺、嘌呤碱、嘧啶碱、氨基酸、蛋白质、氰化物等都可被它所利用。但就不同类型的微生物而言，由于它们具有营养生理的差异，因此对氮营养的需要便有很大区别。 发酵工业所用的常见氮源见表3-10。但不同的产物采用的氮源是有差异的（表3-11）。

表3-10　工业用的常见氮源 玉米浆 豆粕 鱼粉 蒸馏残液 尿素 酵母浸膏 蛋白水解液 氨气

表3-11　一些产物采用的氮源

固氮微生物可以把分子态氮转变成氨态氮，从而合成自己的氨基酸和蛋白质，也就是说它具有把空气中的氮固定为细胞成分的能力。当固氮微生物以无机氮或有机氮作氮源时，就不再表现固氮能力。有固氮能力的微生物主要是原核微生物。一类是与高等植物共生的，称为共生固氮菌，包括与豆科植物根部细胞共生的根瘤菌（Rhizobium）、与非豆科植物（如赤杨、杨梅等）共生的放线菌弗兰克氏菌（Frankia）。另一类是自生固氮微生物，主要是蓝细菌（Cyanobacteria）和固氮细菌（Azotobacteraceae）。 　　无机氮源主要是硝酸盐和铵盐。因为只有铵离子才能进入有机分子中，硝酸盐必须先还原成NH4+离子后，才能用于生物合成。一般能利用无机氮化合物为唯一氮源培养微生物时，培养基有可能表现生理酸性或生理碱性。例如，以硫酸铵为氮源时，由于NH4+被吸收，造成培养基pH值下降，故有“生理酸性盐”之称。当以硝酸钾为氮源时，由于NO3-离子被还原并利用，会使培养基pH值上升，故有“生理碱性盐”之称。当采用硝酸铵为氮源时，可以避免pH值急剧升降。但由于微生物一般对NH4+离子吸收较快，而对NO3-离子的吸收稍稍滞后，因此，微生物在这种培养基中一开始表现为pH值下降，然后pH值又上升。为此仍需在培养基中添加缓冲物质。 　　有关氮源，凡能利用无机氮源的微生物，一般也能利用有机氮源，但有些微生物在只含 无机氮源的培养基中不能生长，因为它们没有从无机氮化合物合成某些或某种有机氮化合物的能力。实验室常用的有机氮源有蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等。蛋白质一般不是微生物的良好的有机氮源，但某些微生物可以通过自身分泌的胞外蛋白水解酶将蛋白质降解后加以利用，因此含蛋白质的有机氮源称为迟效性氮源；而无机氮源或以蛋白质的各种降解产物形式存在的有机氮源则被称为速效氮源。

生态无极

4.无机盐类 　　除了含氮无机盐可以作微生物的速效氮源外，含下述元素的盐类也是微生物生长所必须的营养物质。 　　磷、硫、钾、钠、钙、镁等元素的盐参与细胞结构物质的组成，并有能量转移，细胞透性调节等功能，故微生物对它们的需求量相对大些，为10-3~10-4M，因而它们有宏量元素之称。没有它们，微生物就不会生长。 　　铁、锰、铜、钴、锌、钼等元素的盐类进入细胞一般是作为酶的辅酶因子，故微生物对它们的需求量甚少，一般为10-6~10-8M，因而它们有微量元素之称。 　　以上这些元素最终均参与基础代谢，因此各类群的微生物均需要它们，虽然所需要的量不同。微生物对营养的需要可能是互相依赖的，例如，钾的浓度较低，钠就可能代替钾满足微生物的某些需要。其它一些营养成分可能不是生长所必须的，例如钙，但它对维持产物的稳定性则是必须的。 　　在少数微生物的代谢过程中无机离子还起着特殊的作用，如铁细菌和硫细菌利用大量的铁和硫。 这些元素的生理作用： (1)磷：它是核酸与磷脂的成分，组成高能磷酸化合物许多酶的活性基，一般磷的适合浓度为0.005~0.01M。微生物主要是从无机磷化合物中获得磷。磷进入细胞后迅速同化为有机的磷酸化合物，磷酸根在能量代谢中起调节作用，在一定范围内，磷酸盐对培养基pH值的变化起缓冲作用。 (2)硫：在蛋白质的组成中，胱氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸等都含有硫。一些酶的活性基，如辅酶A、生物素、硫辛酸、谷胱甘肽中也含有硫。作为矿质元素，其重要性仅次于磷。微生物从环境中以SO4-的形式吸收硫，+6价的硫进入细胞后即被还原为-2价的状态（-SH）。许多微生物还以S2O3-作为唯一的能源和硫源。少数微生物失去了还原硫酸盐的能力，需要供给还原型的硫化物（如H2S和半胱氨酸）才能生长。 (3)镁：除叶绿素中含有镁外，镁并不参与任何其他细胞结构，只是以离子状态激活许多酶的反应（如己糖激酶）。其激活作用有时可被Mn++代替。此外，镁离子浓度在控制核蛋白体的聚合作用起着重要的作用。镁的需要量为0.001~0.0001M。 (4)钾：钾不参与细胞结构物质的组成，但它是许多酶的激活剂，可以促进碳水化合物的代谢，也控制原生质的胶态和细胞质膜的透性，钾在细胞内积累的浓度往往要比培养基中浓度高得多。 (5)钠：钠可能与维持渗透压有关。钠在嗜盐微生物中可能有以下作用： 　１.维持细胞内的渗透压（嗜盐微生物被放入低渗溶液细胞就会崩溃）； 　２.吸收营养物质，如一种嗜盐杆菌吸收谷氨酸，另一种海生的假单孢菌吸收糖和氨基酸均需Na+。 (6)钙：钙不参与微生物的细胞结构，而以离子状态存在于细胞中，控制细胞的生理状态，如调节质膜的透性，激活某些酶（如蛋白酶），对一些阳离子的毒性有拮抗作用。 5.微量元素 　　微量元素与酶的活动密切有关，或者是作为酶的活性基的成分，或者是作为酶的激活剂。如铁是细胞色素、细胞色素氧化酶和过氧化氢酶等的活性基的组成成分；铜是多酚氧化酶和抗化血酸氧化酶的活性基；锌是乙醇脱氢酶和乳酸脱氢酶的活性基；钴参与微生物B12辅酶的组成，钼参与硝酸还原酶和固氮酶的结构；锰是多种酶的激活剂，有时可以代替Mg++起激活剂作用。（表3-12） 一些无机和微量元素的用量见表3-13。 表3-12　一些初级与次级代谢产物发酵时需要的微量元素

表3-13　一些无机和微量元素的用量

过量的微量元素会起毒害作用，特别是只有某单一微量元素存在时，毒害更严重。各种微量元素之间应有恰当的比例关系。由于这些微量元素常含混在其它营养物和水中，所以培养基中一般不另行添加。在研究微生物对微量元素的要求时，必须高度注意试剂的纯度和培养器皿玻璃的质量。