微生物的化学构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% 。
微生物细胞中几种主要元素的相对含量( % 干重)
元素 | 细菌 | 酵母菌 | 霉菌 |
碳 氮 氢 氧 磷 硫 | 50 15 8 20 3 1 | 49.8 7.5 6.7 31.1 1.5 0.3 | 47.9 5.2 6.7 40.2 1.2 0.2 |
二、 微生物的六种营养要素
微生物的营养要素(也称营养因子)分别来自微生物生长所处环境中的营养物质,按照它们在机体中的生理作用不同,区分成碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水等 6 类。
1、碳源
凡能提供微生物营养所需的碳元素(碳架)的营养源,称为碳源carbonsource)。如把微生物作为一个整体来看,其可利用的碳源范围即碳源谱是极广的,见下表1-1。
表1-1 微生物的碳源:
类 型 | 构成元素 | 化合物 | 培养基原料 |
有 机 碳 | C.H.O.N.X C.H.O.N C.H.O C.H | 复杂蛋白质,核酸等 多数氨基酸,简单蛋白质 糖,醇,有机酸,脂类 烃类 | 牛肉膏,蛋白胨,花生饼粉等 氨基酸,明胶 葡萄糖,蔗糖,淀粉,糖蜜等 天然气,石油,石蜡等 |
无 机 碳 | C.O C.O.X | CO2 NaHCO3,CaCO3等 | CO2 NaHCO3,CaCO3等 |
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、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
凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源,称为氮源(nitrogensource)。微生物作为一个总体,能利用的氮源种类即氮源谱也是十分广泛,有机与无机含氮化合物及分子态氮,均可被相应的微生物用作氮源。
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( energy source )
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。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。
能作化能自养微生物能源的物质都是一些还原态的无机物质,例如NH4+、N03—、S、H2 S和Fe2+等,能氧化利用这些物质的微生物都是细菌,例如硝酸细菌、亚硝酸细菌、硫化细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等。
图1
4. 生长因子 ( growth factor )
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。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,还包括碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、C4—C6的分技或直链脂肪酸,以及需要量较大的氨基酸。
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必须从外界吸收的。微生物需要的氨基酸量为20~50mg/L,所需嘌呤和嘧啶的浓度约为10~20mg/L,核苷或核苷酸的最高需要浓度为200~2000mg/L。
表1-2 维生素的生理功能及微生物需要量
维生素 | 代谢功能 | 微生物的需要量 |
硫胺素 (维生素B1) | 焦磷酸硫胺素是脱羧酶,转醛酶,转酮酶的辅基,与氧化脱羧和酮基转移有关 | 金黄色葡萄球菌需要0.5mg/ml |
核黄素 (维生素B2) | 黄素核苷酸(FMN和FAD)的前体,黄素蛋白的辅基,与氢的转移有关 | 多数微生物能自己合成,少数细菌如乳酸菌,丙酸菌等需要补给 |
烟 酸 | NAD和NADP的前体,为脱氢酶的辅酶,与氢的转移有关 | 多数微生物需要,弱氧化醋酸杆菌约需3ng/ml |
对氨基苯甲酸 | 叶酸的前体,与一碳基团的转移有关 | 乳酸菌等需要,弱氧化醋酸杆菌约需0.1ng/ml |
吡哆醇 (维生素B6) | 磷酸吡哆醛氨基酸消旋酸,转氨酶与脱羧酶的辅基,与氨基酸消旋,脱羧,转氨有关 | 乳酸菌和几种真菌需要.肠膜明串珠菌需要25mg/l |
泛酸 | 辅酶A的前体,乙酰载体的辅基,与酰基转移有关 | 乳酸菌等多种细菌和酵母菌需要,多数丝状真菌能合成 |
叶 酸 | 辐酶F(四氢叶酸)与核酸合成有关 | 乳酸菌,丙酸细菌等需要 |
生物素 (维生素H) | 多种羧化酶的辅基,在CO2固定,氨基酸和脂肪酸合成及糖代谢中起作用,油酸可部分代替生物素的作用 | 乳酸菌等多种细菌需要,干酪乳杆菌约需1ng/ml |
维生素B12 | 钴酰胺辅酶,与甲硫氨酸和胸腺嘧啶核坩酸的合成和异构化有关 | 菌普遍需要,真菌,防线菌大多能自己合成 |
营养缺陷型微生物( nutritional deficiency ):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 ,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,即能满足碳、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。
5、无机盐
无机盐主要可为微生物提供除碳、氮源以外的各种重要元素。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P、S、K、Mg、Ca、Na和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和Co等。Fe实际上是介于大量元素与微量元素间的,故放在两处均可。
表1-3 主要矿质元素的来源和功能
元素 | 化学物质 | 生理功能 |
P | KH2PO4,K2HPO4 | 核酸,磷酸和辅酶的成分 |
S | MgSO4 | 含硫氨基酸(半胱氨酸,甲硫氨酸等)的成分含硫维生素(生物素,硫胺素等)的成分 |
K | KH2PO4,K2HPO4 | 某些酶(果糖激酶,磷酸丙酮酸转磷酸酶等)的辅因子;维持电位差和渗透压 |
Na | NaCL | 维持渗透压,某些细菌和蓝细菌所需 |
Ca | Ca(NO3)2,CaCL2 | 某些胞外酶的稳定剂,蛋白酶等的辅因子;细菌形成芽孢和某些真菌形成孢子所需 |
Mg | MgSO4 | 固氨酶等的辅因子;叶绿素等的成分 |
Fe | FeSO4 | 细胞色素的成分;合成叶绿素;白喉毒素和氯高铁血红素 |
Mn | MnSO4 | 超氧化物歧化酶,氨肽酶和L-阿拉伯糖异构酶等的辅因子 |
Cu | CuSO4 | 氧化酶,酷氨酸酶的辅因子 |
Co | COSO4 | 维生素B12复合物的成分;肽酶的辅因子 |
Zn | ZnSO4 | 碱性磷酸酶以及多种脱羧酶,肽酶和脱氢酶的辅因子 |
Mo | (NH4)2MoO4 | 固氮酶和同化型及异化型硝酸盐还原酶的成分 |
在配制细菌培养基时,对于大量元素来说,可以加入有关化学试剂,其中首选的是K2HPO4及MgSO4,因为它们可提供四种需要量最大的元素。对其他需要量少些的元素来说,因为在一般化学试剂、天然水、玻璃器皿或是其他天然成分中都以杂质等状态存在,故在配制一般培养基时就不必另行加入。但如果要配制研究营养代谢等的精细培养基,所用的玻璃器皿是硬质的,试剂是高纯度的,这时就须根据需要一一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。
微生物对水分的吸收或排出决定于水的活度。水活度用 a w ( activity of water )表示,是指在一定的温度和压力下,溶液的蒸汽压 ( p )和纯水蒸汽压 ( p o ) 之比,用下式表示:
常温常压下,纯水的a w为 1.00 。当溶质溶解在水中以后,使分子之间的引力增加,冰点下降,沸点上升,蒸汽压下降, a w变小。所以说溶液浓度与水活度成反比,溶质越多a w 越小,反之, a w 越大。表 4-2 是几种溶液的水活度值。
表 1-4 几种溶液的水活度值
溶 液 | a w |
30% 葡萄糖溶液 1% 葡萄糖 +20% 甘油 1% 葡萄糖 +40% 蔗糖 饱和氯化钠溶液 饱和氯化钙溶液 饱和氯化镁溶液
| 0.964 0.955 0.964 0.78 0.30 0.30
|
微生物生长所要求的 a w 值,一般在 0.66-0.99 之间,每一种微生物的生长都有一适应范围及最适的a w值,并且这个a w值是相对恒定的。细菌最适生长的a w值比酵母菌、霉菌的最适 a w 值高,一般在 0.93-0.99 之间;酵母菌生长的最适 aw 值大多数在 0.88-0.91 之间,少数高渗酵母如鲁氏酵母( Saccharomyces rouxii )可以在a w值低于 O.73 的培养基中生长;霉菌一般比其他微生物更耐干燥,生长的a w值通常在 0.80 左右,能在a w值为 0.65 中生长的称为干性(耐旱)霉菌。表 1-5 列出了几个种类微生物生长的最适a w值。
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a w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a w值高。例如魏氏梭状芽胞杆菌( Clostridium welchi )在芽孢发芽和生长时,要求a w值为 0.96 ;而在芽孢形成时,要求a w值为 0.993 ,若a w值降为 0.97 ,几乎无芽孢形成。而霉菌生长时要求的a w值比孢子萌发时高。例如灰绿曲霉( Aspergillus glaucus )生长所需的 a w值在 0.85 以上,而孢子萌发时要求的 a w 最低值为 0.73-0.75 。
表1-5 几种微生物生长的最适a w值
微 生 物 | a w |
一般细菌 酵 母 菌 霉 菌 嗜盐细菌 嗜盐真菌 嗜高渗酵母 | 0.91 0.88 0.80 0.76 0.65 0.60 |