培养基配制技术-微生物的营养物质

一、水分水是微生物细胞的重要组成部分，其含量约为70%～90%，微生物细胞中的水分常以游离水和结合水两种状态存在，且游离水含量是结合水的四倍，两者在细胞中所起的生理作用不同。结合水是指由于水与溶质或其它分子结合而不能被微生物所利用的水分，结合水不能流动，不易蒸发，不冻结，不能渗透，也不能作为溶剂，因此结合水不具有一般水的特性，常束缚于原生质的胶体体系之中，成为细胞物质的组成成分，是微生物细胞生长发育的必要条件之一。游离水是指能被微生物所利用的水，其性质与结合水相反，具有一般水的特性，能流动，能自由地出入细胞，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。因为水的比热高，是热的良好导体，能有效地吸收代谢过程中产生的热并及时地将热迅速散发出体外，从而有效地控制细胞内温度的变化。保持充足的水分是细胞维持自身正常形态的重要因素。微生物通过水合作用和脱水作用控制由多亚基组成的结构，如酶、微管、鞭毛及病毒颗粒的组装与解离。微生物离开了水就不能进行生命活动。二、碳源物质凡一切能满足微生物生长繁殖所需碳元素的营养物质统称为碳源物质。由此可知，糖、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物质。其中二氧化碳和碳酸盐是无机含碳化合物，其余均为有机含碳营养物质。碳源物质通过细胞内一系列生物化学反应，形成细胞物质、形成各种代谢产物和细胞贮藏物质，为微生物进行生命活动提供能量。糖类是最常用的碳源物质，主要有单糖、寡糖和多糖。在单糖中，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。寡糖又叫低聚糖，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，木聚糖、葡聚糖、半乳聚糖、果聚糖和甘露聚糖、甲壳质（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（由半乳糖醛酸残基以α-1，4葡萄糖苷键相连而成）等。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。工业发酵生产中所提供的碳源，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。三、氮源物质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。氮源对微生物的生长发育有着重要作用，它是构成微生物细胞中核酸和蛋白质的重要元素，也是微生物含氮代谢产物的组成元素。氮源可分为氮气、无机氮化合物和有机氮化合物，不同类型的微生物由于营养生理的差异，因此对氮源的需要有很大不同。大气中分子态氮只有固氮微生物可以利用，它们把分子态氮合成自身的氨基酸、蛋白质和核酸等。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、与非豆科植物（如赤杨、杨梅等）共生的放线菌弗兰克氏菌，另一类是自生固氮微生物，主要是蓝细菌和固氮细菌。无机氮源主要是硝酸盐和铵盐，绝大多数微生物可以利用无机氮源。只有铵离子才能直接进入有机分子中，硝酸盐必须先还原成NH4+离子后，才能用于生物合成。当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，SO42-残留下来，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-离子被还原利用，会使培养基pH值上升，故有“生理碱性盐”之称。因此，应在培养基中添加缓冲物质以稳定pH值。大多数寄生性微生物和部分腐生性微生物可以利用有机氮化合物。实验室和发酵工业生产中常用的有机氮源有蛋白胨、牛肉膏、酵母膏、鱼粉、血粉、蚕蛹粉、豆饼粉等。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。四、无机盐类由微生物细胞成分分析可知，无机元素是微生物细胞结构物质不可或缺的成分之一，占细胞干重百分之几，也是生长发育不可缺少的营养物质，许多无机元素构成酶的活性基团或充当酶的激活剂，有些无机元素具有调节细胞的渗透压、酸碱度、氧化还原电位及能量转移等作用。因此，除了含氮无机盐可以作微生物的营养物质外，含其它的无机元素的盐类也是微生物生长所必须的营养物质。根据无机元素需要量的不同，将其分为大量元素和微量元素。凡生长所需浓度在10-3～10-4mol/L范围内的元素，称为大量元素，如P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等。磷是核酸、磷脂、核蛋白、辅酶和高能磷酸化合物的成分，在细胞内参与物质和能量代谢过程，磷以无机磷酸根的形式被吸收。硫是胱氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸等氨基酸组成成分，也是一些辅酶的活性基，如辅酶A、生物素、硫辛酸、谷胱甘肽中也含有硫。硫以SO42-的形式被吸收，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。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Mn2+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。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。钠可能与维持渗透压有关。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。凡生长所需浓度在10-6～10-8mol/L范围内的元素，则称微量元素，如Mn、Zn、Cu、Cl、Co、Mo、Ni、B、W、Sn、Se等。微量元素与酶的活动密切有关，常是酶的活性基的成分，也是酶的激活剂。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坏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Mg2+起激活剂作用。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混含在其它营养物和水中，所以培养基中一般不另行添加。五、生长因子通常微生物生长所必需、其自身又不能合成或合成量不足以满足自身生长，需要外源提供的微量有机物统称为生长因子，其中包括氨基酸、维生素、嘌呤、嘧啶及它们的衍生物、脂肪酸及其它膜成分。各种微生物与生长因子的关系可分以下几类：1．生长因子自养型微生物它们不需要从外界吸收任何生长因子，多数真菌、放线菌和多数细菌都属这一类。如E．coli（大肠杆菌）等。2．生长因子异养型微生物它们需要从外界吸收多种生长因子才能维持正常生长，如各种乳酸菌、动物致病菌、支原体和原