培養(yǎng)基配制技術(shù)-微生物的營養(yǎng)物質(zhì)

一、水分水是微生物細(xì)胞的重要組成部分，其含量約為70%～90%，微生物細(xì)胞中的水分常以游離水和結(jié)合水兩種狀態(tài)存在，且游離水含量是結(jié)合水的四倍，兩者在細(xì)胞中所起的生理作用不同。結(jié)合水是指由于水與溶質(zhì)或其它分子結(jié)合而不能被微生物所利用的水分，結(jié)合水不能流動(dòng)，不易蒸發(fā)，不凍結(jié)，不能滲透，也不能作為溶劑，因此結(jié)合水不具有一般水的特性，常束縛于原生質(zhì)的膠體體系之中，成為細(xì)胞物質(zhì)的組成成分，是微生物細(xì)胞生長發(fā)育的必要條件之一。游離水是指能被微生物所利用的水，其性質(zhì)與結(jié)合水相反，具有一般水的特性，能流動(dòng)，能自由地出入細(xì)胞，它是微生物進(jìn)行代謝活動(dòng)的介質(zhì)，同時(shí)還直接參與一部分生化反應(yīng)。營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、代謝產(chǎn)物與能量的排出均是以水為媒介的。因?yàn)樗谋葻岣?，是熱的良好?dǎo)體，能有效地吸收代謝過程中產(chǎn)生的熱并及時(shí)地將熱迅速散發(fā)出體外，從而有效地控制細(xì)胞內(nèi)溫度的變化。保持充足的水分是細(xì)胞維持自身正常形態(tài)的重要因素。微生物通過水合作用和脫水作用控制由多亞基組成的結(jié)構(gòu)，如酶、微管、鞭毛及病毒顆粒的組裝與解離。微生物離開了水就不能進(jìn)行生命活動(dòng)。二、碳源物質(zhì)凡一切能滿足微生物生長繁殖所需碳元素的營養(yǎng)物質(zhì)統(tǒng)稱為碳源物質(zhì)。由此可知，糖、醇、有機(jī)酸（包括氨基酸）、脂肪、烴類甚至二氧化碳或碳酸鹽類均可以作為微生物的碳源物質(zhì)。其中二氧化碳和碳酸鹽是無機(jī)含碳化合物，其余均為有機(jī)含碳營養(yǎng)物質(zhì)。碳源物質(zhì)通過細(xì)胞內(nèi)一系列生物化學(xué)反應(yīng)，形成細(xì)胞物質(zhì)、形成各種代謝產(chǎn)物和細(xì)胞貯藏物質(zhì)，為微生物進(jìn)行生命活動(dòng)提供能量。糖類是最常用的碳源物質(zhì)，主要有單糖、寡糖和多糖。在單糖中，幾乎每種微生物都能利用葡萄糖和果糖，但對甘露糖和半乳糖的利用速度較慢，對戊糖（如木糖、阿拉伯糖）的利用不如己糖普遍。寡糖又叫低聚糖，是由二至十個(gè)相同或不同的單糖單位以α-或β-糖苷鍵連接而組成的。其中最主要的是雙糖或三糖，雙糖中的蔗糖和麥芽糖是微生物普遍能利用的碳源，三糖中棉子糖能被許多真菌利用。多糖是由十種以上單糖單位以與寡糖同樣的組成原則形成的分枝或不分枝的大分子碳水化合物，包括淀粉、纖維素、半纖維素等。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、甲殼質(zhì)（由N-乙酰氨基葡萄糖單位以β-1，4葡萄糖苷鍵相連而成）和果膠質(zhì)（由半乳糖醛酸殘基以α-1，4葡萄糖苷鍵相連而成）等。淀粉是大多數(shù)微生物均可利用的碳源，果膠、半纖維素也可被許多微生物產(chǎn)生的胞外酶分解。纖維素較難被微生物分解，能分解纖維素的微生物主要是霉菌，如木霉、根霉、曲霉、青霉等；在細(xì)菌和放線菌中也發(fā)現(xiàn)有少數(shù)能分解纖維素的菌種。工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)中所提供的碳源，大多數(shù)來自植物體，如山芋粉、玉米粉、麩皮、米糠、糖蜜等，其成分以碳源為主，但也包含其他營養(yǎng)成分。實(shí)驗(yàn)室中，常用于微生物培養(yǎng)基的碳源主要有葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、甘露醇、甘油和有機(jī)酸等。三、氮源物質(zhì)凡是構(gòu)成微生物細(xì)胞物質(zhì)或代謝產(chǎn)物中氮素來源的營養(yǎng)物質(zhì)均稱為氮源。氮源對微生物的生長發(fā)育有著重要作用，它是構(gòu)成微生物細(xì)胞中核酸和蛋白質(zhì)的重要元素，也是微生物含氮代謝產(chǎn)物的組成元素。氮源可分為氮?dú)?、無機(jī)氮化合物和有機(jī)氮化合物，不同類型的微生物由于營養(yǎng)生理的差異，因此對氮源的需要有很大不同。大氣中分子態(tài)氮只有固氮微生物可以利用，它們把分子態(tài)氮合成自身的氨基酸、蛋白質(zhì)和核酸等。有固氮能力的微生物主要是原核微生物，一類是與高等植物共生的，稱為共生固氮菌，包括與豆科植物根部細(xì)胞共生的根瘤菌、與非豆科植物（如赤楊、楊梅等）共生的放線菌弗蘭克氏菌，另一類是自生固氮微生物，主要是藍(lán)細(xì)菌和固氮細(xì)菌。無機(jī)氮源主要是硝酸鹽和銨鹽，絕大多數(shù)微生物可以利用無機(jī)氮源。只有銨離子才能直接進(jìn)入有機(jī)分子中，硝酸鹽必須先還原成NH4+離子后，才能用于生物合成。當(dāng)利用無機(jī)氮化合物為唯一氮源培養(yǎng)微生物時(shí)，培養(yǎng)基有可能表現(xiàn)生理酸性或生理堿性。例如，以硫酸銨為氮源時(shí)，由于NH4+被吸收，SO42-殘留下來，造成培養(yǎng)基pH值下降，故有“生理酸性鹽”之稱。當(dāng)以硝酸鉀為氮源時(shí)，由于NO3-離子被還原利用，會(huì)使培養(yǎng)基pH值上升，故有“生理堿性鹽”之稱。因此，應(yīng)在培養(yǎng)基中添加緩沖物質(zhì)以穩(wěn)定pH值。大多數(shù)寄生性微生物和部分腐生性微生物可以利用有機(jī)氮化合物。實(shí)驗(yàn)室和發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中常用的有機(jī)氮源有蛋白胨、牛肉膏、酵母膏、魚粉、血粉、蠶蛹粉、豆餅粉等。蛋白質(zhì)一般不是微生物的良好的有機(jī)氮源，但某些微生物可以通過自身分泌的胞外蛋白水解酶將蛋白質(zhì)降解后加以利用，因此含蛋白質(zhì)的有機(jī)氮源稱為遲效性氮源；而無機(jī)氮源或以蛋白質(zhì)的各種降解產(chǎn)物形式存在的有機(jī)氮源則被稱為速效氮源。四、無機(jī)鹽類由微生物細(xì)胞成分分析可知，無機(jī)元素是微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)不可或缺的成分之一，占細(xì)胞干重百分之幾，也是生長發(fā)育不可缺少的營養(yǎng)物質(zhì)，許多無機(jī)元素構(gòu)成酶的活性基團(tuán)或充當(dāng)酶的激活劑，有些無機(jī)元素具有調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透壓、酸堿度、氧化還原電位及能量轉(zhuǎn)移等作用。因此，除了含氮無機(jī)鹽可以作微生物的營養(yǎng)物質(zhì)外，含其它的無機(jī)元素的鹽類也是微生物生長所必須的營養(yǎng)物質(zhì)。根據(jù)無機(jī)元素需要量的不同，將其分為大量元素和微量元素。凡生長所需濃度在10-3～10-4mol/L范圍內(nèi)的元素，稱為大量元素，如P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等。磷是核酸、磷脂、核蛋白、輔酶和高能磷酸化合物的成分，在細(xì)胞內(nèi)參與物質(zhì)和能量代謝過程，磷以無機(jī)磷酸根的形式被吸收。硫是胱氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸等氨基酸組成成分，也是一些輔酶的活性基，如輔酶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，少數(shù)微生物失去了還原硫酸鹽的能力，需要供給還原型的硫化物（如H2S和半胱氨酸）才能生長。鎂并不參與任何其他細(xì)胞結(jié)構(gòu)，只是以離子狀態(tài)激活許多酶的反應(yīng)（如己糖激酶）。其激活作用有時(shí)可被Mn2+代替。此外，鎂離子濃度在控制核蛋白體的聚合作用起著重要的作用。鉀不參與細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)的組成，但它是許多酶的激活劑，可以促進(jìn)碳水化合物的代謝，也控制原生質(zhì)的膠態(tài)和細(xì)胞質(zhì)膜的透性。鈉可能與維持滲透壓有關(guān)。鈣不參與微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，而以離子狀態(tài)存在于細(xì)胞中，控制細(xì)胞的生理狀態(tài)，如調(diào)節(jié)質(zhì)膜的透性，激活某些酶（如蛋白酶），對一些陽離子的毒性有拮抗作用。凡生長所需濃度在10-6～10-8mol/L范圍內(nèi)的元素，則稱微量元素，如Mn、Zn、Cu、Cl、Co、Mo、Ni、B、W、Sn、Se等。微量元素與酶的活動(dòng)密切有關(guān)，常是酶的活性基的成分，也是酶的激活劑。如鐵是細(xì)胞色素、細(xì)胞色素氧化酶和過氧化氫酶等的活性基的組成成分；銅是多酚氧化酶和抗壞血酸氧化酶的活性基；鋅是乙醇脫氫酶和乳酸脫氫酶的活性基；鈷參與微生物B12輔酶的組成，鉬參與硝酸還原酶和固氮酶的結(jié)構(gòu)；錳是多種酶的激活劑，有時(shí)可以代替Mg2+起激活劑作用。過量的微量元素會(huì)起毒害作用，特別是只有某單一微量元素存在時(shí)，毒害更嚴(yán)重。各種微量元素之間應(yīng)有恰當(dāng)?shù)谋壤P(guān)系。由于這些微量元素常混含在其它營養(yǎng)物和水中，所以培養(yǎng)基中一般不另行添加。五、生長因子通常微生物生長所必需、其自身又不能合成或合成量不足以滿足自身生長，需要外源提供的微量有機(jī)物統(tǒng)稱為生長因子，其中包括氨基酸、維生素、嘌呤、嘧啶及它們的衍生物、脂肪酸及其它膜成分。各種微生物與生長因子的關(guān)系可分以下幾類：1．生長因子自養(yǎng)型微生物它們不需要從外界吸收任何生長因子，多數(shù)真菌、放線菌和多數(shù)細(xì)菌都屬這一類。如E．coli（大腸桿菌）等。2．生長因子異養(yǎng)型微生物它們需要從外界吸收多種生長因子才能維持正常生長，如各種乳酸菌、動(dòng)物致病菌、支原體和原