从入门到精通：微生物培养的基础理论概述

1 常见营养需求(THE COMMON NUTRIENT REQUIREMENTS)

微生物细胞干重的95%以上，由几种主要元素组成：

碳(carbon)、氧(oxygen)、氢(hydrogen)、氮(nitrogen)、硫(sulfur)、磷(phosphorus)、钾(potassium)、钙(calcium)、镁(magnesium)和铁(iron)。

这些被称为大量元素(macroelements)或宏量营养素(macronutrients)，微生物对这些元素的需要相对大量。

其中，前六种(C, O, H, N, S, P)是碳水化合物(carbohydrates)、脂质(lipids)、蛋白质(proteins)和核酸(nucleic acids)的组成部分。

其余四种大量元素，以阳离子形式存在于细胞中，起着各种作用：

钾(K)是许多酶活性所必需的，包括参与蛋白质合成的一些酶。

^钙(Ca2+)，有助于细菌内生孢子(endospores)的耐热性。

^镁(Mg2+)作为许多酶的辅因子，与ATP形成复合物，并稳定核糖体和细胞膜。

^{铁(Fe2+和Fe3+)}是细胞色素的一部分，也是酶和电子携带蛋白的辅因子。

除了大量元素，微生物也需要几种少量营养物质，这些被称为微量元素(micronutrients)或痕量元素(trace elements)。

微量元素—锰、锌、钴、钼、镍和铜—是大多数细胞所需的。然而，细胞需求量相当之小，以至于常规培养基中的污染物，足以支持生长。

在自然界中，微量元素无处不在，通常不会限制生长。微量元素是酶和辅因子的一部分，它们有助于反应催化和蛋白质结构维持。

例如，^锌(Zn2+)存在于一些酶的活性位点，但也可能参与调节和催化亚基的关联。

"整个自然界，正如所说，是动词'吃'的主动和被动形式的结合。"—William Ralph Inge

表1 碳、能量和电子的来源

锰(Mn²⁺)辅助许多催化磷酸基团转移的酶；

钼(Mo²⁺)对固氮(nitrogen fixation)是必需的；

钴(Co²⁺)是_{维生素B12(vitamin B12)}的组成部分。

除了共同的大量元素和痕量元素外，微生物可能有特定需求，这些需求反映其特定形态或环境。

硅藻需要_{硅酸(silicic acid, H4SiO4)}来构建其美丽的_{二氧化硅(silica, [(SiO2)n])}细胞壁。虽然大多数原核生物不需要大量钠，但许多在盐湖和海洋中生长的古菌(archaea)，依赖高浓度^{钠离子(Na+)}的存在。

最后，必须强调若必需营养物供应不足，无论其他营养物质的浓度如何，微生物生长将受到限制。

2 碳、氢、氧和电子的需求(REQUIREMENTS FOR CARBON, HYDROGEN, OXYGEN, AND ELECTRONS)

所有生物都需要碳、氢、氧和电子源。碳是构成生物体有机分子骨架所必需的，氢和氧也是有机分子中的重要组成。

通过电子传递链(electron transport chains)和其他氧化还原反应(oxidation-reduction reactions)，提供能量。

电子在生物合成过程中，也需要还原分子(例如，将CO₂还原形成有机分子)。

对碳、氢和氧的需求通常一起满足，因为作为碳源的分子通常也提供氢和氧。

例如，许多异养生物(heterotrophs)，使用预还原型有机分子作为碳源的生物，也可以从相同分子获取氢、氧和电子。

因为这些有机碳源提供的电子，可用于电子传递以及其他氧化还原反应，许多异养生物也使用其作为能源。事实上，有机碳源还原程度越高(即携带的电子越多)，其能量含量就越高。

脂质(lipids)比碳水化合物(carbohydrates)具有更高的能量含量。

例外情况是，_{二氧化碳(CO2)}只提供碳和氧，不能用作氢、电子或能源，因为CO₂是碳的最氧化形式，缺乏氢，其氧化还原反应无法提供电子。

使用CO₂作为唯一或主要碳源的生物，称为自养生物(autotrophs)。由于CO₂不能满足其能量需求，它们必须从其他来源，如光或还原型无机分子获取能量。

异养微生物最显著的营养特征是，它们对碳源的灵活需求。实验表明，几乎所有天然有机分子，都能被某些微生物利用。

例如，放线菌(Actinomycetes)，常见的土壤细菌，会降解戊醇、石蜡甚至橡胶。

洋葱伯克霍尔德菌(Burkholderia cepacia)可以使用超过100种不同的碳化合物。

有些微生物可以降解相对难以消化的人造物质，如杀虫剂。

这些分子在促生长过程中，与其它营养物质一同被降解代谢，这一过程称为共代谢(cometabolism)，代谢产物可以作为其它微生物的营养。

与这些细菌杂食者相比，一些微生物极其挑剔(fastidious)，只能分解少数碳化合物。

甲基营养细菌(methylotrophic bacteria)代谢甲烷、甲醇、一氧化碳、甲酸等相关的一碳分子。

钩端螺旋体(Lep tospira)的寄生成员，仅使用长链脂肪酸作为主要碳源和能源。

3 微生物的营养类型(NUTRITIONAL TYPES OF MICROORGANISMS)

可以根据微生物偏好，将其分为异养生物(heterotrophs)或自养生物(autotrophs)。

生物只有两种能量来源：

(1)光能(light energy)，光养生物(Phototrophs)使用光作为能源；

(2)氧化有机或无机分子，产生的能量。化养生物(chemotrophs)从化学化合物(有机或无机)的氧化中获取能量。

无机营养生物(Lithotrophs)，使用还原型无机物作为电子源，而有机营养生物(organotrophs)，从还原型有机物中提取电子。

尽管微生物中存在巨大的代谢多样性，但大多数可以基于其主要的碳、能量和电子源，划分为五类营养类别。

迄今为止研究的大多数微生物，要么是光无机自养生物(photolithotrophic autotrophs)，要么是化有机异养生物(chemoorganotrophic heterotrophs)。

光无机自养生物，使用光能，将CO₂作为碳源。

光合原生生物和蓝细菌，使用水作为电子供体，并释放氧气。

其他光无机自养生物，如紫色硫细菌(purple sulfur bacteria)和绿色硫细菌(green sulfur bacteria)，不能氧化水，而是依靠氢、硫化氢和元素硫等无机供体提取电子。

化有机异养生物使用有机化合物作为能量、氢、电子和碳的来源。几乎所有病原微生物都是化异养生物。

其他营养类别微生物较少，但通常在生态上非常重要。如光合细菌(紫色和绿色细菌)，使用有机物作为电子供体和碳源。

光有机异养生物(photoorganotrophic heterotrophs)，是受污染湖泊和溪流的常见居民。其中一些细菌，也可以作为光自养生物生长，以分子氢作为电子供体；

化无机自养生物(Chemolithotrophic autotrophs)，利用氧化铁、氮或硫分子等还原型无机化合物，以获取生物合成所需的能量和电子，二氧化碳是碳源；

化无机异养生物(Chemolithoheterotrophs)，也称为混合营养生物(mixotrophs)，使用还原型无机分子作为其能量和电子源，但从有机源获取碳；

化无机营养生物(Chemolithotrophs)，对元素的化学转化，例如，将氨转化为硝酸盐或将硫转化为硫酸盐，贡献巨大。

尽管特定微生物，通常只属于一个营养类别，但有些代谢灵活性较高，并根据环境变化改变其代谢模式。

例如，许多紫色非硫细菌在缺氧时作为光有机异养生物行动，但在正常氧气水平下氧化有机分子并作为化有机营养生物发挥作用。

当氧气低时，光合作用和化有机营养代谢可能同时发挥作用。这种灵活性看似复杂和混乱，但如果环境条件经常变化，它确实给这些微生物带来了明显优势。

表2 微生物的主要营养类型

光合细菌

光合细菌在水生生态系统中扮演重要角色，它们可以引起水华。

(a)富营养化池塘中的蓝细菌和藻类水华

(b)在沼泽中生长的紫色硫细菌

(c)污水处理池中的紫色硫细菌水华。

化无机营养细菌

(a)硝化杆菌(Nitrobacter winogradskyi)的透射电子显微照片，这是一种使用亚硝酸盐作为能量来源的生物(213,000)。

(b)白贝日阿托氏菌(Beggiatoa alba)的光显微照片，这是一种使用硫化氢作为能源、有机分子作为碳源的生物。丝状体内的深色斑点是氧化硫化氢时产生的元素硫颗粒。

4 氮、磷和硫的需求(REQUIREMENTS FOR NITROGEN, PHOSPHORUS, AND SULFUR)

为生长，微生物必须能够大量吸收氮(nitrogen)、磷(phosphorus)和硫(sulfur)。虽然这些元素可能从提供碳的相同营养物质中获得，但微生物通常也利用无机源。

氮是合成氨基酸(amino acids)、嘌呤(purines)、嘧啶(pyrimidines)、某些碳水化合物和脂质、酶辅因子和其他物质所必需的。许多微生物可以利用氨基酸中的氮。

其他微生物可以通过谷氨酸脱氢酶(glutamate dehydrogenase)或谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase)和谷氨酸合成酶(glutamate synthase)的活性直接结合氨。

大多数光养生物和许多化养微生物将硝酸盐还原为氨并通过称为同化性硝酸盐还原(assimilatory nitrate reduction)的过程结合氨。

各种细菌(例如，许多蓝细菌和共生细菌根瘤菌(Rhizobium))可以通过将其还原为铵(NH₄⁺)来同化大气氮(N₂)。这称为固氮作用(nitrogen fixation)。

磷(phosphorus)存在于核酸(nucleic acids)、磷脂(phospholipids)、像ATP这样的核苷酸(nucleotides)、一些辅因子(cofactors)、一些蛋白质和其他细胞成分中。

几乎所有微生物都使用无机磷酸盐(inorganic phosphate)作为磷源并直接结合它。低磷酸盐水平实际上限制了许多水生环境中的微生物生长。

一些微生物，如大肠杆菌(Escherichia coli)，可以同时使用有机和无机磷酸盐。一些有机磷酸盐(organophosphates)如己糖-6-磷酸可以直接被细胞吸收。

其他有机磷酸盐在周质中被碱性磷酸酶(alkaline phosphatase)水解，产生无机磷酸盐，然后穿过质膜运输。

硫(sulfur)是合成如半胱氨酸(cysteine)和蛋氨酸(methionine)等氨基酸、某些碳水化合物、生物素(biotin)和硫胺素(thiamine)等物质所必需的。

大多数微生物使用硫酸盐(sulfate)作为硫源，并通过同化性硫酸盐还原(assimilatory sulfate reduction)将其还原；少数微生物需要还原形式的硫，如半胱氨酸。

5 生长因子(GROWTH FACTORS)

一些微生物具有所需的所有酶和生化途径，可以使用矿物质和能量、碳、氮、磷和硫源合成所有细胞成分。其他微生物则缺乏一种或多种制造必需成分所需的酶。

因此，它们必须从环境中获取这些成分或其前体。有机化合物是必需的细胞成分或此类成分的前体，但不能被生物体合成，称为生长因子(growth factors)。

主要有三类生长因子：(1)氨基酸(amino acids)，(2)嘌呤(purines)和嘧啶(pyrimidines)，(3)维生素(vitamins)。

氨基酸是蛋白质合成所必需的；嘌呤和嘧啶是核酸合成所必需的。维生素是小有机分子，通常构成酶辅因子的全部或部分，只需要极少量即可维持生长。

表3列出了选定维生素的功能以及需要它们的微生物示例。一些微生物需要许多维生素；例如，粪肠球菌(Enterococcus f aecalis)需要八种不同的维生素才能生长。

还可见到其他生长因子；血红素(heme)(来自血红蛋白或细胞色素)是流感嗜血杆菌(Haemophilus inf luenzae)所必需的，一些支原体(mycoplasmas)需要胆固醇(cholesterol)。

了解微生物的生长因子需求具有重要的实际应用。具有已知特定需求的微生物和那些能大量生产某种物质(如维生素)的微生物都很有用。具有特定生长因子需求的微生物可用于该因子的生物测定(bioassays)。

典型的测定是生长反应测定(growth-response assay)，它允许确定溶液中生长因子的量。这些测定基于培养物中生长量与存在的生长因子量相关的观察。

理想情况下，生长量与生长因子量成正比；如果生长因子浓度加倍，微生物生长量也加倍。例如，乳酸杆菌属(Lactobacillus)和链球菌属(Strep tococcus)的细菌种类可用于大多数维生素和氨基酸的微生物学测定。

将适当的细菌在一系列培养容器中培养，每个容器含有过量的所有必需成分，除了要测定的生长因子。向每个容器中加入不同量的生长因子。

通过绘制生长因子数量，或浓度与细菌生长总量的关系，来制备标准曲线。通过将未知样品引起的生长程度与标准结果进行比较，确定测试样品中生长因子的数量。

微生物学测定具有特异性、敏感性和简单性。尽管化学测定技术有所进步，它们仍用于维生素B₁₂和生物素等物质的测定。

另一方面，能够合成大量维生素的微生物，可用于制造这些化合物供人类使用。

几种水溶性和脂溶性维生素，部分或完全使用工业发酵生产，例如：

核黄素(riboflavin)(梭菌属(Clostridium)、假丝酵母属(Candida)、Ashbya、Eremothecium)、

辅酶A(coenzymeA)(短杆菌属(Brevibacterium))、

_维生素B12(链霉菌属(Strep tomyces)、丙酸杆菌属(Propionibacterium)、假单胞菌属(Pseudomonas))、

维生素C(vitamin C)(葡糖杆菌属(Gluconobacter)、欧文氏菌属(Erwinia)、棒状杆菌属(Corynebacterium))、β-胡萝卜素(-carotene)(杜氏藻属(Dunaliella))

维生素D(vitamin D)(酵母菌属(Saccharomyces))。

表3 微生物中一些常见维生素的功能

^a代表性微生物属于以下类群：细菌(Bacteria)(B)、真菌(Fungi)(F)和原生生物(protists)(P)。

参考文献

《Microbiology （Seventh Edition）》

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更新日期：2026-01-20

编制人：小藻

审稿人：小藻