知识讲堂 | 微生物营养代谢全貌：从元素组成到生长曲线各阶段解析

灰藻生物

关键词：#微生物营养需求| #宏量元素与微量元素 |#生长因子| #微生物生长曲线阶段

| 引言

微生物生长发育依赖于宏量元素如碳、氮、磷和硫等的摄取，以及微量元素如锌、锰的微量调控。在生长过程中，微生物经历适应期（延滞期）、指数增长期（对数生长期）、稳定期及衰亡期四个阶段。此外，部分微生物还需要特定的生长因子，包括氨基酸、维生素等无法自身合成的关键有机物。掌握这些营养需求有助于优化培养条件，推动生物检测技术发展，及应用于各种工业发酵和生物制品生产领域。

| 微量元素和宏量元素

微生物细胞由多种元素组成，如碳、氧、氢、氮、硫、磷、钾、钙、镁和铁。这些元素也被称为大量元素或宏量营养素，因为微生物对这些元素的需求量较大。其中，C、H、O、N、S和P是构成碳水化合物、脂质、蛋白质和核酸的主要必需元素。除此之外，其他宏量营养素也被发现具有多种生物学功能，例如：钾离子（K+）参与多种酶的活性，钙离子（Ca2+）是细菌内孢子的重要成分，镁离子（Mg2+）作为不同酶的辅因子等。

另一方面，微生物还需要一些少量的元素，这些被称为微量元素、微量营养素或痕量元素。这些营养素包括锰、锌、钴、钼、镍和铜。虽然它们不是微生物生长所必需的元素，但在多个方面都参与了生物功能的执行。例如，锌离子（Zn2+）存在于许多酶的活性部位，锰离子（Mn2+）参与磷酸基团转移的催化作用，钼（Mo2+）对于固氮过程至关重要等。

| 对碳、氢、氧和电子的要求

每种生物体都需要碳、氢、氧和电子以支持其生长发育。

对于微生物而言，有机分子至关重要，而这些有机分子的主要构成部分就是碳。同时，氢和氧也在有机分子中普遍存在。

电子主要有两大功能：一是通过电子传递链移动电子，在其他氧化还原反应过程中提供能量，用于细胞内各种活动；二是参与生物合成过程中的分子还原反应，不可或缺。

对于C、H、O的需求，通常可以一起得到满足，因为大多数碳源都与氢和氧紧密结合在一起。例如，许多异养生物（利用已还原的现成有机分子作为碳源的生物体）也可以从同一分子中获取氢、氧和电子。由于这些有机碳源提供的电子既可用于电子传递，也可参与其他氧化还原反应，因此许多异养生物会将其碳源同时也用作能量来源。

| 对氮、磷和硫的要求

氮是至关重要的元素，在氨基酸、嘌呤、嘧啶、某些碳水化合物和脂质的合成中发挥着重要作用。许多微生物能够利用氮在氨基酸中的存在，而其他一些微生物则可以通过谷氨酸脱氢酶、谷氨酰胺合成酶以及谷氨酸合酶等酶的作用直接摄取并整合氨。

磷存在于核酸、磷脂、如ATP等核苷酸、多种辅因子、部分蛋白质以及其他细胞成分中。几乎所有的微生物都会以无机磷酸盐作为其磷源，并直接将其吸收整合。实际上，在许多水生环境中，低磷酸盐水平会限制微生物的生长。像大肠杆菌这样的某些微生物可以同时利用有机和无机磷酸盐。一些有机磷酸盐（如己糖6-磷酸）可以直接被细胞吸收；而其他的有机磷酸盐则会被细胞周质中的碱性磷酸酶水解，产生无机磷酸盐，随后通过细胞膜转运进入细胞内。

硫对于诸如半胱氨酸和蛋氨酸等氨基酸、某些碳水化合物、生物素和硫胺素等物质的合成至关重要。大多数微生物以硫酸盐作为硫源，并通过同化性硫酸盐还原作用将之还原；少数微生物需要硫的还原形式，如半胱氨酸。

图1、微生物生长与营养  来源：https://microbenotes.com/microbial-growth-and-nutrition/

| 微生物的营养类型

| 生长因子

大部分生物体在存在营养物质的情况下，能够自身合成生化途径所需的酶；然而，也有一些生物体缺乏微生物必需的特定酶。因此，它们必须从环境中获取这些成分或其前体。有机化合物中，作为细胞重要组成部分或是此类组成部分前体但生物体自身无法合成的，被称为生长因子。

生长因子主要有三大类：氨基酸、嘌呤和嘧啶，以及维生素。一些微生物需要多种维生素，例如粪肠球菌（Enterococcus faecalis）就需要八种不同的维生素才能生长。还有其他类型的生长因子，如血红素（来自血红蛋白或细胞色素），是流感嗜血杆菌（Haemophilus influenzae）所必需的；而某些支原体则需要胆固醇。

了解微生物对生长因子的需求具有重要的实际应用价值。已知有特定需求的微生物以及那些能大量产生某种物质（如维生素）的微生物都很有用。对于有特定生长因子需求的微生物，可以用于测定该生长因子的生物检测方法。其中一种非典型检测方法是生长反应性测定法，它能够测定溶液中生长因子的含量。

| 增长曲线

微生物细胞分裂的过程通常通过二分裂方式进行。了解微生物群体的增长情况则需通过研究生长曲线来进行。当微生物在液体培养基中培养时，它们通常采用批式培养或封闭系统的方式进行，即在一个封闭的培养容器内用单一批次的培养基进行培养。由于在孵育过程中不提供新鲜培养基，营养物质浓度会逐渐下降，而废物浓度则会上升。

通过二分裂繁殖的微生物数量增长，可以绘制为活菌数的对数与孵育时间的关系曲线。由此得到的生长曲线具有四个明显的阶段：

1、延滞期（Lag phase）：在这个阶段，微生物适应新的环境条件，准备进行生长和繁殖，但细胞数量并未显著增加。

在生长曲线的第一阶段，即延滞期（Lag Phase），微生物被引入新鲜的培养基中，但并不会立即开始繁殖。这一时期细胞分裂不会马上启动，背后的原因多种多样：

（1）能量和物质储备不足：旧的细胞可能缺乏足够的ATP分子（细胞的能量货币）以及进行细胞分裂所需的核糖体、必需辅因子等。

（2）环境适应：新的培养基特性可能与先前的环境不同，微生物需要时间去适应新环境中的营养成分、pH值、温度等因素。

（3）损伤恢复：如果微生物在接种前受到过伤害或压力，如冷藏保存导致代谢活性降低，那么它们可能需要时间来恢复正常的生理功能。

延滞期的长度受微生物本身的状态及培养基性质的影响很大。例如，若接种物来源于老化或者冷藏过的培养物，则延滞期可能会相当长；同样地，当培养条件发生化学变化时（比如换用成分不同的培养基），也会导致较长的延滞期出现。

相反，如果从一个年轻且正处于指数生长期（对数生长期）活力旺盛的培养物转移至成分相同的全新培养基中，微生物能够迅速适应，因此其延滞期会很短，甚至可能没有明显的延滞现象。

2、对数生长期（Logarithmic or Exponential phase）：随着营养物质的有效利用，微生物快速增殖，细胞数量呈指数增长。此阶段活菌数对数与时间成正比关系。

指数生长期或对数生长期是微生物生长曲线的第二个阶段。在这个阶段，微生物开始以最高可能的速度迅速分裂。其分裂速率取决于培养基特性、微生物自身的遗传组织以及其他环境因素的影响。在指数生长期，微生物的生长速率是恒定的，也就是说，微生物会按一定的时间间隔持续进行分裂和数量翻倍。由于每个个体的分裂时间略有不同，因此生长曲线呈现出平滑上升而非跳跃式增长。

在整个指数生长期中，微生物表现出均匀且快速的增长，这有助于研究人员在此阶段开展物理或化学活性的相关研究。指数增长即为平衡增长，意味着所有细胞组分按照相对恒定的比例同步合成。一旦营养水平或其他环境条件发生变化，将导致非平衡生长的发生。

此外，这个阶段还以初级代谢产物的产生而著称。初级代谢产物是由生物体为了自身生长所必需的基本物质。这些初级代谢产物对于执行生理功能至关重要，例如氨基酸、核酸、维生素等。

3、稳定期（Stationary phase）：营养物质开始耗尽，代谢废物积累，种群数量达到最高点并趋于稳定。此时，由于资源限制、毒性产物累积等因素，死亡率和出生率大致相等。

在对数生长期之后，由于营养物质的耗尽以及有毒代谢产物的积累，细菌生长几乎完全停止。形成的后代细胞数量刚好足够替代死亡的细胞数量，因此存活细胞的数量保持稳定，新生成与死亡细胞之间达到一种平衡状态。

微生物群体进入稳定期的原因有多方面：

（1）营养限制：如果某种必需营养物质严重耗尽，种群增长速度会减慢。

（2）氧气限制：对于需氧微生物而言，氧气溶解度低，可能会快速耗尽，导致只有培养基表面具有足够的氧气浓度以供生长，而底部的细胞则无法继续生长，除非通过摇动或其它方式通气。

（3）有毒代谢废物积累：这一因素是许多厌氧（无氧条件下生长）培养物生长受限的主要原因。例如，链球菌在糖发酵过程中会产生大量乳酸和其他有机酸，导致培养基酸化并抑制其自身生长。同样地，当链球菌所依赖的糖源耗尽时，也会进入稳定期。

（4）种群密度影响：有证据表明，在达到某一关键种群水平后，生长可能会停止。

在稳定期，微生物还会产生次级代谢产物，这些化合物与微生物本身的生长并无直接关联。例如抗生素、萘类化合物、生物碱等。

4、衰亡期（Death or Decline phase）：营养极度匮乏，微生物大量死亡，种群数量急剧下降。这一阶段也可能伴随着孢子形成或其他休眠形式的出现，以应对不良环境条件。

在稳定期之后，细菌群体进入死亡期。在这个阶段，由于细胞的不断死亡，种群数量开始减少。死亡期的启动主要归因于以下几个因素：

（1）营养耗尽：随着培养基中营养物质彻底耗尽，细菌无法获取必要的生存和繁殖所需养分。

（2）有毒代谢产物积累：随着生长过程的进行，毒性代谢产物持续累积，在稳定期末达到一个无法再维持细胞存活的浓度，进一步加速了细胞的死亡。

（3）自溶酶作用：某些细菌会产生自溶酶，这是一种能够分解自身细胞结构的酶类，在缺乏生存条件时，会导致细菌细胞自我瓦解。

在死亡期，可变计数（即活菌数）明显下降，而在那些含有自溶酶的细菌中，即使总细胞数（包括死菌和活菌）也会呈现出下降趋势。这一时期内，细菌群体的活力和繁殖能力显著降低，最终导致群体规模大幅度缩减。

| 总结

微生物的生长与功能活动高度依赖于宏量元素和微量元素。碳、氢、氧、氮、硫、磷等大量元素是构成生命分子的基础，如蛋白质、核酸及能量物质ATP等，它们在微生物代谢中不可或缺。微量元素如锌、锰、钼尽管需求量小，却对酶活性调控、固氮反应等关键生物过程具有决定性作用。微生物生命周期包括适应期、指数增长期、稳定期和衰亡期，在各阶段中，不同元素的摄取和利用各异。此外，微生物还需获取自身无法合成的生长因子，包括特定氨基酸、维生素等，以支持复杂的生物合成反应。

总之，确保宏量和微量营养元素的适当供应对于优化微生物培养、理解其生态角色以及生物制品开发至关重要。

参考文献

1、https://wenku.baidu.com/view/e903141cb7360b4c2e3f64ff.html

2、https://wenku.baidu.com/view/e1d147ea856a561252d36fff.html

3、http://www.fsci.bu.edu.eg/fsci/images/namazeg/2/%D8%A7%D9%84%D8%A8%D9%83%D8%AA%D8%B1%D9%8A%D8%A7.pdf

4、https://microbenotes.com/microbial-growth-and-nutrition/

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更新日期：2024-01-08