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第二章 细菌的营养、代谢与培养基
第一节 细菌的营养类型与营养物质
一、细菌的营养类型
细菌在生长繁殖过程中需要不断从外界环境吸收各种营养物质，并将营养物质用于合成细胞以及为细胞的各种活动提供能量，同时排出代谢产物。根据细菌所需要的能源和碳源，将细菌分为以下四种营养类型。
1．光能自养型（photoautotorph type）
光能自养型微生物的能源来自光，它们利用光进行光合作用，以无机物作为供氢体以还原C02，合成细胞物质，藻类和大多数光合细菌都是光能自养微生物。
2．光能异养型( photoheterotorph type)
光能异养型微生物的能源来自光，但需以有机化合物作为供氢体以还原C02，合成细胞物质。例如属于非硫紫色细菌的红螺菌可利用简单的有机酸作为供氢体。
3．化能自养型( chemoautortohp type)
化能自养型微生物的能源来自无机物氧化所产生的化学能，它们生长只需要C02、无机盐类和水。例如，欧洲亚硝化单胞菌通过将氨氧化成亚硝酸而获得能量，并还原C02，以合成细胞物质。
4．化能异养型( chemoheterotrohp type)
化能异养型微生物的能源来自有机化合物氯化所产生的化学能，它们生长时需要有机化合物作为碳源。氮源可以是无机物，也可以是有机物。化能异养型微生物的种类和数量都很多，包括细菌、放线菌和全部真核微生物，各种致病菌及肠道微生物都属于化能异养菌。
二、细菌的营养物质
细菌的营养物质主要有氮素化合物、碳素化合物、无机盐、生长素和水等。下面以细菌培养基为例叙述。
1．氮素化合物
氮素主要被细菌作为合成含氮化合物的原料，一般不能作为能源。但亚硝化细菌可利用氨作为能源和氮源。某些氨基酸也可作为能源。从分子态氨到复杂的含氮化合物，诸如硝酸盐、铵盐、氰化物、尿素、胺、酰胺、嘌呤、嘧啶、氨基酸、肽、胨、脲和蛋白质等，都可作为细菌的营养物质。凡是固氮菌都能利用分子态氮NH4+( N2)合成有机氮化台物。很多细菌都可作为利用硝酸盐( N03)铵盐(NH4+)。NH4+直接掺入有机化合物中，利用较快。N03虽可被细菌摄取，但进入细胞后仍需要还原NH4+才能被利用。
有机氮化台物是细菌的重要氮源。单独的氨基酸常可作为细菌的唯一氮源。嘌呤和嘧啶只有某些细菌才能利用。培养基中常加入蛋白胨，蛋白胨可以作为氮源，也可以作为碳源。蛋白胨是由蛋白质经酶或酸碱分解而成，先分解成月示，后变成胨，由于蛋白质的来源和消化程度不同所制成的蛋白胨差异很大。胰蛋白胨含有各种游离的氨基酸，最易被细菌所利用，是许多细菌优良的氮源。此外，蛋白胨在培养基中还具有缓冲作用，高温下不凝固，遇酸不沉淀等优点。干粉蛋白胨吸水性较强，应干燥密封保存。肉浸粉（或肉浸液）含有可作为氮源和碳源的物质，加热后大部分蛋白质凝固，仪有小部分氨基酸和其他含氨物质，如肌酸、黄嘌呤、尿酸及核苷酸等，刺激细菌生长。
2．碳素化合物
碳素既可作为各种细菌合成含碳化台物的碳源，也可被化能型细菌作为能源。从碳素起到复杂的有机化合物，都可作为细菌的营养物质。自养细菌可以C02作为合成细胞物质的唯一碳源。
异养类细菌中，以有机碳化合物作为碳源和能源是化能型细菌。几乎各种有机碳化合物都可作为它们的营养物质，即使是高度不活跃的碳氢化合物，如石蜡也不例外。但是，化能异养菌的主要碳源是单糖、多糖、有机酸、醇、芳香化合物以及羟类等。制备培养基所用的糖、醇种类很多。常用的糖类有单糖（如葡萄糖、阿拉伯胶等）、双糖（如乳糖、蔗糖等）、多糖（如菊糖、淀粉等）；醇类有甘露醇、卫矛醇等。
3．矿质元素
按照细菌所需要矿质元素的多少，可将其分为主要元素和微量元素两大类，主要元素有磷、硫、镁、钾、钠、钙等。
磷在细菌代谢中非常重要，细菌从无机磷化合物中获得磷后，迅速将其同化为有机的磷酸化合物，组成核酸和磷脂成分及高能磷酸化合物，培养基中磷的合适浓度为0.005~0.Ol克分子。
硫在细菌生理作用上仅次于磷，细菌从硫酸根离子吸收硫，此时硫为正6价，进入细胞后还原为负2价，许多细菌也可利用硫代硫酸盐( S203)作为唯一的能源。少数细菌不具有还原硫酸盐的能力，需供给还原型硫化物（如H2S和半胱氨酸）才能生长。
镁不参与细菌的任何细胞结构，只是以离子状态激活许多酶（如己糖激酶）的反应。其激活作用有时可被锰离子代替。镁离子在控制核蛋白体的聚合中起主要作用。镁的需要浓度为0. 0001~0.001克分子。
钾也不参与细菌的细胞结构，它是许多酶的激活剂，可促进碳水化台物的代谢。钾也控制细胞质的胶态和细胞质膜的透性。
钠在细菌细胞中不如钾那样重要，可能与维持渗透压有关。如果将嗜盐细菌细胞放存食盐的低渗溶液中就会崩溃。某种嗜盐杆菌吸收谷氨酸，以证明特异性地需要Na+。一般嗜盐细菌，如大多数海洋细菌、某些无色杆菌、假单胞菌和乳酸菌的生长，需要在含有2%~
5%氯化钠的培养基中生长。
钙也不参与细菌的细胞结构，而是以离子状态控制着细胞生理状态，如降低细胞膜透性、调节酸度和对一些阳离子的毒性起拮抗作用。
微量元素包括铁、铜、锌、锰、硼、钻、钼等。它们在培养基中，一般仅需含有万分之一或更少即可，过量会引起毒害作用。微量元素与酶的活动密切有关，或是酶的活性基团成分，或是酶的激活剂。例如，铁是细胞色素、细胞色素氧化酶和过氧化氢酶活性基的组成的激活剂。某些菌种的生长繁殖及致病与微量元素密切相关。例如，铁是细胞色素、细胞色素氧化酶和过氧氢酶活性基的组成成分。白喉棒状杆菌在含铁为0. 14mg／L的培养基中毒素产量最高，当铁的浓度达到0. 6mg/L时则完全不产毒。结核分枝杆菌有毒株具有分枝菌素( mycobactin)的载铁体，它能与人体细胞竞争结合在铁蛋白、乳铁蛋白中的铁，并带入菌体内以供代谢之需；铜是多元酚氧化酶的活性基；锌是乙醇脱氢酶或乳酸脱氢等的活性基，又是许多酶的激活剂。锰也是多种酶的激活剂；钼参与硝酸还原酶和固氮酶的结构；钴存在于B12辅酶中。
4．生长素
生长素也称生长因子。有些异养细菌不能在简单的培养基中生长，是由于缺乏合成一种或多种有机化合物的能力，而这些有机化合物却是组成细胞所必需的。因此，必须由外源供给这些物质，诸如维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶，以及脂肪酸，甚至还有膜成分等生长因子。
维生素的需要量一般都很低，浓度范围1~ 50ng/ml之间，其中以B族维生素最为重要，因为它们是辅酶和酶辅基的成分，金黄色葡萄球菌生长需要供给完整的硫胺素(B1)分子。
氨基酸的需要量一般比维生素的需要量高，通常是20~ 50ug,/ml，因为氨基酸是组成蛋白质和酶的结构物质，肠膜明串珠菌( Leuconostoc, mesenteroides)为需要氨基酸最多的菌类，必须南外源供应17种氨基酸才能生长。培养基中常加入的酵母浸粉，其主要成分是维生素B族和氨基酸。
某些细菌，特别是乳酸菌，生长需要嘌呤和嘧啶以合成核苷酸，最大生长量所需要的浓度是10~20ug/ml。某些乳酸杆菌(Lactobacillus)和没有细胞壁的支原体(Mycoplasmaspp.)生长需要较大量的核苷酸，约为200 - 2000ug/ml。支原体只要有任何一种饱和或不饱和脂肪酸，就可满足生长需要。微生物对长链脂肪酸所要求的浓度在1~ 60ug/ml之间。高浓度脂肪酸有毒害作用。长链脂肪酸进入微生物细胞后，可直接地或以转化后掺人到组成膜的类脂中。
有些微生物需要微量甾醇、胆碱和肌醇等，以组成细胞膜磷脂的成分。例如许多支原体生长需要甾醇。有些乳酸菌生长还要甲羟戊酸，这是组成甾醇和胡萝卜素的原料。某些肺炎链球菌生长需要胆碱。酵母菌通常需要内消旋肌醇。微生物对胆碱、肌醇所需的浓度为10~20ug/ml。
此外，少数细菌还需要一些特殊的生长因子。例如流感嗜血杆菌需要X和V两种因子。前者可能是氯化高铁血红素，后者即辅酶1或辅酶II，均存在于血液中。有些细菌可直接利用鸡卵或动物血清作为营养物质。
5．水
水是细菌体内外的溶媒，水组成细菌细胞质胶体，并直接参加代谢中的各种厦应。制备培养基需用不含杂质的蒸馏水。
水是微生物原生质的组成部分，使原生质处于溶胶状态，保证代谢活动的正常进行。水是细菌细胞重要的组成部分，占细胞总量的75%~90%。一切生命活动，如营养物质吸收、代谢活动、生长繁殖等都离不开水。
通常将水分为四种：
(l)软化水。是指硬度降低至一定程度的水。在软化过程中，仅硬度降低而总含盐量不变。
(2)脱盐水（蒸馏水）。这种水质纯，去除了强电解质，剩余含盐量在l~5mg/L之间。25℃时用电导仪测水的电阻率为0.1~1.0×l06Ω．cm。
(3)纯水（去离子水）。制备过程是将普通自来水经沙过滤后，再经阳、阴离子交换树脂和阳+阴混合树脂交换处理。剩余含盐量在0.1mg/L以下。电阻率为1.0~1.0×l06Ω．cmcm。蒸馏水和去离子水均适合于培养基的配制。
(4)高纯水（超纯水）。将纯水再次纯化处理，剩余含盐量在0.1mg/L，以下。25℃时，水的电阻率在10×106Ω．cm以上。用于配制组织细胞培养液，并需现配现用。
营养物质进入细菌菌体的方式有被动扩散和主动转运系统。营养物质从高浓度的一侧向低浓度一侧扩散的运转方式为被动运转。包括扩散、渗透和易化扩散。主动运转是细菌吸收营养物质的主要方式。其特点是：①扩散方向逆浓度梯度或顺浓度梯度但扩散速度快。②细胞膜上存在特殊的膜蛋白。③所需能量来源靠分子泵，能快速转运钾、钠和氢离子。基因转位常与代谢相结合，使细胞更为有效利用能量。
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