微生物的6类营养要素

引言

微生物培养基的配方犹如人们的菜谱，新的种类总是层出不穷的。仅据 1930年的一本汇编(A Compila-lion efCulure Media)就已记载了2500种培养基之多。任何一个微生物学工作者，必须在这浩如烟海的无数配方中寻求其中的要素或内在的本质，才能掌握微生物的营养规律，举一反三、得心应手地选用或设计自己所需要的最适培养基。

目前知道，不论从元素的水平或营养要素的水平来分析，微生物的营养要求与摄食型的动物(包括人类)和光合自养型的绿色植物十分接近，它们之间存在着“营养需求上的统一性”。在元素水平上都需20 种左右，且以碳、氢、氧、氮、硫、磷6种元素为主（约占细胞干重的97%）；在营养要素水平上则都在6大类的范围内，即碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水。

碳源

一切能满足微生物生长繁殖所需碳元素的营养源，称为碳源（carbon source）。微生物细胞含碳量约占干重的 50%，故除水分外，碳源是需要量最大的营养物，又称大量营养物（macronutrient）。若把所有微生物当作一整体来考察，其可利用的碳源范围即碳源谱（spectrum of carbon source）是极其广泛的（表1）。

表1 微生物的碳源谱

注：X指出C、H、O、N外的其他任何一种或几种元素

从表中可以看出，碳源谱可分为有机碳与无机碳两个大类。凡必须利用有机碳源的微生物，就是为数众多的异养微生物（heterotrophic microorganism）；反之，凡以无机碳源作唯一或主要碳源的微生物，则是种类较少的自养微生物（autotrophic microorganism）。从元素水平、化合物水平直至培养基原料水平来考察碳源，可见其数目是逐级扩大的甚至可多到无法计算。在元素水平上，碳源可归为7类，其中第五类的“C”是假设的，至少目前还未发现纯碳也可作为微生物的碳源。从其余6类来看，微生物能利用的碳源已大大超过了动物界或植物界。至2015年，人类已发现或合成的有机物已达1亿种，可是，对微生物而言，它们几乎都能被分解或利用!

微生物的碳源谱虽广，但异养微生物在元素水平上的最适碳源则是“C·H·O”型。具体地说“C·H·O”型中的糖类是最广泛利用的碳源，其次是有机酸类、醇类和脂质等。在糖类中，单糖优于双糖和多糖，己糖优于戊糖，葡萄糖、果糖优于甘露糖、半乳糖；在多糖中，淀粉明显优于纤维素或几丁质等同多糖，同多糖则优于琼脂等杂多糖。在有机碳源中，“C·H·O·N”和“C·H·O·N·X”类虽也可被利用，但在设计培养基时，还应尽量避免把这两类主要用作宝贵氮源的化合物当作廉价的碳源使用。

上述碳源谱的广度是将微生物界作一整体来考察的，如果针对某一具体物种来看，其碳源差异则极大例如，Burkholderia cepacia（洋葱伯克氏菌，旧称Pseudomonas cepacia，即洋葱假单胞菌）可利用的碳源化合物竟有100 余种之多，而产甲烷菌仅能利用C02和少数1C或2C化合物，一些甲烷氧化菌则仅局限于甲烷、甲酸和甲醇几种。

对一切异养微生物来说，其碳源同时又兼作能源，因此，这种碳源又称双功能营养物（difunctional nutrient）。

必须指明的是，异养微生物虽然要利用各种有机碳源，但有些种类尤其是生长在动物血液、组织和肠道中的致病细菌，还需要提供少量CO2作碳源才能满足其正常生长。

再有，在选用一种具体培养基原料时，切莫简单地认为它就是一种纯粹的“营养要素”，例如，糖蜜（molasses，原是制糖工业中的一种当作废液处理的副产品，内含丰富的糖类、氨基酸、有机酸、维生素、无机盐和色素等）、甜薯干、马铃薯、玉米粉或红糖等都是发酵工业中的常用原料，习惯上把它们都当作“碳源”使用，而事实上它们却几乎包含了微生物所需要的全部营养要素，只是各要素间的比例不一定合适而已。

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（nitrogen source）。氮是构成重要生命物质蛋白质和核酸等的主要元素，氮占细菌干重的12%~15%，故与碳源相似，氮源也是微生物的主要营养物。若把微生物作为一个整体来考察，则它们能利用的氮源范围即氮源谱（spectrum of nitrogen source）也是十分广泛的（表2）。

表2 微生物的氮源谱

微生物的氮源谱有许多特点。与碳源谱类似，微生物的氮源谱也明显比动物或植物的广。一般地说，异养微生物对氮源的利用顺序是：“N·C·H·O”或“N·C·H·O·X”类优于“N·H”类，更优于“N·O”类，而最不易利用的则是“N”类（只有少数固氨菌、根瘤菌和蓝细菌等可利用它）。在微生物培养基成分中，最常用的有机氮源是牛肉浸出物（牛肉膏）、酵母膏、植物的饼粕粉和蚕蛹粉等，由动、植物蛋白质经酶消化后的各种蛋白胨（peptone）尤为广泛使用。

从微生物所能利用的氮源种类来看，存在着一个明显的界限：一部分微生物是不需要利用氨基酸作氮源的，它们能把尿素、铵盐、硝酸盐甚至氨气等简单氮源自行合成所需要的一切氨基酸，因而可称为“氨基酸自养型生物”（amino acid autotroph）；反之，凡需要从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物，就是“氨基酸异养型生物”（amino acid heterotroph）。所有的动物和大量的异养微生物属于氨基酸异养型生物，而所有的绿色植物和不少微生物如E.coli、Saccharomyces cerevisiae（酿酒酵母）、多数放线菌和真菌，都是氨基酸自养型生物。

对微生物氮源作这种分类具有重要的实践意义。因为人类和大量直接、间接地为人类服务的动物都需要外界提供现成的氨基酸和蛋白质，而这些营养成分往往又是在它们的食物或饲料、饵料中较缺少的。为了充实人和动物的氨基酸营养，除了继续向绿色植物索取外，还应更多地利用氨基酸自养型微生物，让它们将人或动物原先无法利用的廉价氮源，包括尿素、铵盐、硝酸盐或氮气等转化成菌体蛋白（SCP或食用菌等）或含氮的代谢产物（谷氨酸等氨基酸），以丰富人类的营养和扩大食物资源，这对于21世纪的人类生存和发展来说，更有十分积极的意义。

能源

能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能，称为能源(energy source)。由于各种异养微生物的能源就是其碳源，因此，它们的能源谱就显得十分简单。微生物的能源谱为：

图1、微生物的能源谱

化能自养微生物的能源十分独特，它们都是一些还原态的无机物质，例如 NH4-、NO2-,、S、H2S、H2和Fe2+等。能利用这种能源的微生物都是一些原核生物，包括亚硝酸细菌、硝酸细菌、硫化细菌、硫细菌氢细菌和铁细菌等。由于化能自养型微生物的存在，使人们扩大了对生物圈能源的认识，改变了以往认为生物界只是直接或间接利用太阳能的旧观念。例如，2006年在南非一金矿的2.8km 处的水层中，就发现了以硫化物为能源的自养细菌；20世纪70年代末，在东太平洋深海热液口，也发现过以化能自养细菌为基础的“黑暗食物链”。因此，学者们已认识到当今地球上存在着两个巨型生物圈——其一是人们熟知的由光合作用维持的地表生物圈，另一便是存在于深海底部，由化能自养微生物支持的黑暗深部生物圈。

在能源中，更容易理解前面已提到过的某一具体营养物可同时兼有几种营养要素功能的观点。例如。光辐射能是单功能营养“物”（能源），还原态的无机物 NH4+，是双功能营养物（能源、氮源），而氨基酸类则是三功能营养物（碳源、氮源、能源）。

生长因子

生长因子（growth factor）是一类对调节微生物正常代谢所必需，但不能用简单的碳源、氮源自行合成的微量有机物。由于它没有作为能源和碳源、氮源等结构材料的功能，因此需要量一般很少。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的分支或直链脂肪酸，有时还包括氨基酸营养缺陷突变株所需要的氨基酸；而狭义的生长因子一般仅指维生素。

生长因子虽属一重要营养要素，但它与碳源、氮源和能源有所区别，即并非任一具体微生物都需要外界为它提供生长因子。现按微生物对生长因子的需要与否，把它们分成3种类型。

（1）生长因子自养型微生物(auxoautotroph)

它们不需要从外界吸收任何生长因子，多数真菌、放线菌和不少细菌，如E.coli等都属这类。

（2）生长因子异养型微生物（auxoheterotroph）

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、枝原体和原生动物等。例如，一般的乳酸菌都需要多种维生素，许多微生物及其营养缺陷突变株需要碱基；Haemophilus influenzae（流感嗜血杆菌）需要卟啉及其衍生物，枝原体常需要甾醇，Haemophilus parahaemolyticus（副溶血啫血杆菌）需要胺类,一些瘤胃微生物需要C4~C6 分支或直链脂肪酸，某些厌氧菌如Bacteroides melaninogenicus（产黑素拟杆菌）需要维生素K和氯高铁血红素（蛋白），而对微藻来说，也有约一半的种类需要吸收外界的维生素B1；等等。

在各种层析分析方法还未普及前，生长因子异养型微生物如一些乳酸菌等曾被用于维生素等生长因子的生物测定（bioassay）中。

（3）生长因子过量合成型微生物

少数微生物在其代谢活动中，能合成并大量分泌某些维生素等生长因子，因此，可作为有关维生素的生产菌种。例如，可用Eremothecium ashbya（阿舒假囊酵母）或Ashbya gossypii（棉阿舒囊霉）生产维生素B2,；可用Propionibacterium shermanii（谢氏丙酸杆菌）、Streptomyces spp.（若干链霉菌）和产甲烷菌生产维生素B12，以及Dunaliella（杜氏盐藻属）可生产β-胡萝卜素等。

在配制培养基时，一般可用生长因子含量丰富的天然物质做原料以保证微生物对它们的需要，例如酵母膏（yeast extract）、玉米浆（corn steep liquor，一种浸制玉米已制取淀粉后产生的副产品）、肝浸液（liver infusion）、麦芽汁（malt extract）、米糠浸液或其他新鲜动、植物的汁液等。

无机盐

无机盐（mineral salt）或矿质元素主要可为微生物提供除碳源、氮源以外的各种重要元素。凡生长所需浓度在 10^-4~10^-3mol/L范围内的元素，可称为大量元素（macroelement），如P、S、K、Mg、Na、Ca和Fe等；凡所需浓度在10^-8~10^-6mol/L范围内的元素，则称微量元素（microelement, trace element），如Cu、Zn、Mn、Mo、Co、Ni、Sn、Se、B、Cr、W和V等。当然，这是为工作方便而人为地划分的，不同种微生物所需的无机元素浓度有时差别很大，例如，革兰氏阴性细菌所需Mg就比革兰氏阳性细菌约高10倍。

无机盐的营养功能十分重要，现表解如下：

图2、微生物所需的无机盐

在配制微生物培养基时，对大量元素来说，只要加入相应化学试剂即可，但其中首选的应是K2HPO4和MgSO4，因为它们可同时提供4种需要量最大的元素。对其他需要量较少的元素而言，因在其他天然成分一般化学试剂、天然水或玻璃器皿中都以杂质状态普遍存在，故除非做特别精密的营养、代谢研究，一般就没有专门添加的必要了。

水

除蓝细菌等少数光能自养型微生物能利用水中的氢来还原CO2以合成糖类外，其他微生物并非真正把水当作营养物。即使如此，由于水在微生物代谢活动中的不可缺少性，故仍应作为营养要素来考虑。水是地球上整个生命系统存在和发展的必要条件。首先它是一种最优良的溶剂，可保证几平一切生物化学反应的进行；其次它可维持各种生物大分子结构的稳定性，并参与某些重要的生物化学反应；此外，它还有许多优良的物理性质，诸如高比热容、高汽化热、高沸点以及固态时密度小于液态等，都是保证生命活动十分重要的特性。

微生物细胞的含水量很高，细菌、酵母菌和霉菌的营养体分别含水80%、75%和85%左右，霉菌孢子约含39%的水，而细菌芽孢核心部分的含水量则低于30%。

总结

微生物的营养需求概括起来包括六大要素：碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水。碳源提供构建细胞结构所需的碳骨架，可以是有机或无机形式；氮源则为合成蛋白质和核酸等生物分子提供必要的氮元素。能源支持微生物的生命活动，对于异养微生物而言，碳源通常也是能源；而对于自养微生物，则能利用如氢气或硫化物这样的无机化合物作为能源。生长因子是一些微生物无法自行合成但对其代谢至关重要的微量有机物质，如维生素。无机盐提供除碳、氮之外的重要矿物质，分为大量元素和微量元素，对维持细胞结构与功能不可或缺。最后，水不仅是溶剂，还参与众多生化反应，并且是细胞的主要组成部分。不同种类的微生物在这些营养要素的具体需求上有所差异，了解这些需求有助于设计合适的培养基以支持微生物的生长和代谢活动。

参考文献

1、周德庆. 微生物学教程[M]. 第4版. 北京: 高等教育出版社, 2020.4

【相关资源】

名称：大肠埃希氏菌 | Escherichia coli

菌株编号：HZB364533

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更新日期：2024-12-04

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