微生物營養

微生物營養的豐富和轉化，是未來人類營養鏈的重要一環。

基本介紹

• 中文名：微生物營養
• 外文名：Microbial nutrition
• 礦物質元素：3%～10%
• 四大元素：碳,氫,氧,氮
• 乾物質：蛋白質,核酸,碳水化合物
• 水分：80%

一,微生物細胞的化學組成

分析微生物細胞的化學成分,發現微生物細胞與其他生物細胞的化學組成並沒有本質上的差異.微生物細胞平均含水分80%左右.其餘20%左右為乾物質,在乾物質中有蛋白質,核酸,碳水化合物,脂類和礦物質等.這些乾物質是由碳,氫,氧,氮,磷,硫,鉀,鈣,鎂,鐵等主要化學元素組成,其中碳,氫,氧,氮是組成有機物質的四大元素,大約占乾物質的90%～97%.其餘的3%～10%是礦物質元素,這些礦質元素對微生物的生長也起著重要的作用.

二,微生物的營養物質及其生理功能

通過了解微生物的化學組成,可見微生物在新陳代謝活動中,必須吸收充足的水分以及構成細胞物質的碳源和氮以及鈣,鎂,鉀,鐵等多種多樣的礦質無素和一些必須的生長輔助因子,才能正常地生長發育.

水分

水分是微生物細胞的主要組成成分,大約占鮮重的70%～90%.不同種類微生物細胞含水量不同.同種微生物處於發育的不同時期或不同的環境其水分含量也有差異,幼齡菌含水量較多,衰老和休眠體含水量較少.微生物所含水分以游離水和結合水兩種狀態存在,兩者的生理作用不同.結合水不具有一般水的特性,不能流動,不易蒸發,不凍結,不能作為溶劑,也不能滲透.游離水則與之相反,具有一般水的特性,能流動,容易從細胞中排出,並能作為溶劑,幫助水溶性物質進出細胞.微生物細胞游離態的水同結合態的比例為4:1.

微生物細胞中的結合態水約束於原生質的膠體系統之中,成為細胞物質的組成成份,是微生物細胞生活的必要條件.游離水是細胞吸收營養物質和排出代謝產物的溶劑及生化反應的介質;一定量的水分又是維持細胞滲透壓的必要條件.由於水的比熱高又是熱的良導體,能有效地調節細胞內的溫度.微生物如果缺乏水分,則會影響代謝作用的進行.

碳源物質

凡是可以被微生物利用,構成細胞代謝產物碳素來源的物質,統稱為碳源物質.碳源物質通過細胞內的一系列化學變化,被微生物用於合成各代謝產物.微生物對碳素化合物的需求是極為廣泛的,根據碳素的來源不同,可將碳源物質分為無機碳源物質和有機碳源物質.糖類是較好的碳源,尤其是單糖(葡萄糖,果糖),雙糖(蔗糖,麥芽糖,乳糖),絕大多數微生物都能利用.此外,簡單的有機酸,胺基酸,醇,醛,酚等含碳化合物也能被許多微生物利用.所以我們在製作培養基時常加入葡萄糖,蔗糖作為碳源.澱粉,果膠,纖維素等,這些有機物質在細胞內分解代謝提供小分子碳架外,還產生能量供合成代謝需要的能量,所以部分碳源物質既是碳源物質,同時又是能源物質.

在微生物發酵工業中,常根據不同微生物的需要,利用各種農副產品如玉米粉,米糠,麥麩,馬鈴薯,甘薯以及各種野生植物的澱粉,作為微生物生產廉價的碳源.這類碳源往往包含了幾種營養要素.

氮源物質

微生物細胞中大約含氮5%～13%,它是微生物細胞蛋白蛋和核酸的主要成分.氮素對微生物的生長發育有著重要的意義,微生物利用它在細胞內合成胺基酸和鹼基,進而合成蛋白質,核酸等細胞成分,以及含氮的代謝產物.無機的氮源物質一般不提供能量,只有極少數的化能自養型細菌如硝化細菌可利用銨態氮和硝態氮在提供氮源的同時,通過氧化產生代謝能.

微生物營養上要求的氮素物質可以分為三個類型:

1.空氣中分子態氮 只有少數具有固氮能力的微生物(如自生固氮菌,根瘤菌)能利用.

2.無機氮化合物 如銨態氮(NH4+),硝態氮(NO3-)和簡單的有機氮化物(如尿素),絕大多數微生物可以利用.

3.有機氮化合物 大多數寄生性微生物和一部分腐生性微生物需以有機氮化合物(蛋白質,胺基酸)為必需的氮素營養..

在實驗室和發酵工業生產中,我們常常以銨鹽,硝酸鹽,牛肉膏,蛋白腖,酵母膏,魚粉,血粉,蠶蛹粉,豆餅粉,花生餅粉作為微生物的氮源.

無機元素

微生物細胞中的礦物元素約占乾重的3%～10%左右,它是微生物細胞結構物質不可缺少的組成成分和微生物生長不可缺少的營養物質.許多無機礦物質元素構成酶的活性基團或酶的激活劑;並具有調節細胞的滲透壓,調節酸鹼度和氧化還原電位以及能量的轉移等作用.微生物需要的無機礦質元素分為常量元素和微量元素.

常量礦質元素是磷,硫,鉀,鈉,鈣,鎂,鐵等.磷,硫的需要量很大,磷是微生物細胞中許多含磷細胞成分,如核酸,核蛋白,磷脂,三磷酸腺苷(ATP),輔酶的重要元素.硫是細胞中含硫胺基酸及生物素,硫胺素等輔酶的重要組成成分.鉀,鈉,鎂是細胞中某些酶的活性基團,並具有調節和控制細胞質的膠體狀態,細胞質膜的通透性和細胞代謝活動的功能.

微量元素有鉬,鋅,錳,鈷,銅,硼,碘,鎳,溴,釩等,一般在培養基中含有0.1mg/L或更少就可以滿足需要.

生長因子

生長因子是微生物維持正常生命活動所不可缺少的,微量的特殊有機營養物,這些物質在微生物自身不能合成,必須在培養基中加入.缺少這些生長因子就會影響各種酶的活性,新陳代謝就不能正常進行.

生長因子是指維生素,胺基酸,嘌呤,嘧啶等特殊有機營養物.而狹義的生長因子僅指維生素.這些微量營養物質被微生物吸收後,一般不被分解,而是直接參與或調節代謝反應.

在自然界中自養型細菌和大多數腐生細菌,黴菌都能自己合成許多生長輔助物質,不需要另外供給就能正常生長發育.

微生物需要的營養物質

營養物質應滿足微生物的生長、繁殖和完成各種生理活動的需要。它們的作用可概括為形成結構（參與細胞組成）、提供能量和調節作用（構成酶的活性和物質運輸系統）。

微生物的營養物質有六大類要素，即水、碳源、氮源、無機鹽、生長因子和能源。

① 水

水是微生物的重要組成部分，在代謝中占有重要地位。水在細胞中有兩種存在形式：結合水和游離水。結合水與溶質或其他分子結合在一起，很難加以利用。游離水（或稱為非結合水）則可以被微生物利用。

② 碳源

碳在細胞的乾物質中約占50%，所以微生物對碳的需求最大。凡是作為微生物細胞結構或代謝產物中碳架來源的營養物質，稱為碳源。

作為微生物營養的碳源物質種類很多，從簡單的無機物（CO2、碳酸鹽）到複雜的有機含碳化合物（糖、糖的衍生物、脂類、醇類、有機酸、芳香化合物及各種含碳化合物等）。但不同微生物利用碳源的能力不同，假單孢菌屬可利用90種以上的碳源，甲烷氧化菌僅利用兩種有機物：甲烷和甲醇，某些纖維素分解菌只能利用纖維素。

大多數微生物是異養型，以有機化合物為碳源。能夠利用的碳源種類很多，其中糖類是最好的碳源。

異養微生物將碳源在體內經一系列複雜的化學反應，最終用於構成細胞物質，或為機體提供生理活動所需的能量。所以，碳源往往也是能源物質。

自養菌以CO2、碳酸鹽為唯一或主要的碳源。CO2是被徹底氧化的物質，其轉化成細胞成分是一個還原過程。因此，這類微生物同時需要從光或其他無機物氧化獲得能量。這類微生物的碳源和能源分別屬於不同物質。

③ 氮源

凡是構成微生物細胞的物質或代謝產物中氮元素來源的營養物質，稱為氮源。細胞乾物質中氮的含量僅次於碳和氧。氮是組成核酸和蛋白質的重要元素，氮對微生物的生長發育有著重要作用。從分子態的N2到複雜的含氮化合物都能夠被不同微生物所利用，而不同類型的微生物能夠利用的氮源差異較大。

固氮微生物能利用分子態N2合成自己需要的胺基酸和蛋白質，也能利用無機氮和有機氮化物，但在這種情況下，它們便失去了固氮能力。此外，有些光合細菌、藍藻和真菌也有固氮作用。

許多腐生細菌和動植物的病原菌不能固氮，一般利用銨鹽或其他含氮鹽作氮源。硝酸鹽必須先還原為NH+4後，才能用於生物合成。以無機氮化物為唯一氮源的微生物都能利用銨鹽，但它們並不都能利用硝酸鹽。

有機氮源有蛋白腖、牛肉膏、酵母膏、玉米漿等，工業上能夠用黃豆餅粉、花生餅粉和魚粉等作為氮源。有機氮源中的氮往往是蛋白質或其降解產物。

氮源一般只提供合成細胞質和細胞中其他結構的原料，不作為能源。只有少數細菌，如硝化細菌利用銨鹽、硝酸鹽作氮源和能源。

④ 無機鹽

無機鹽也是微生物生長所不可缺少的營養物質。其主要功能是：① 構成細胞的組成成分；② 作為酶的組成成分；③ 維持酶的活性；④ 調節細胞的滲透壓、氫離子濃度和氧化還原電位；⑤ 作為某些自氧菌的能源。

磷、硫、鉀、鈉、鈣、鎂等鹽參與細胞結構組成，並與能量轉移、細胞透性調節功能有關。微生物對它們的需求量較大（10-4～10-3 mol/L），稱為“宏量元素”。沒有它們，微生物就無法生長。鐵、錳、銅、鈷、鋅、鉬等鹽一般是酶的輔因子，需求量不大（10-8～10-6 mol/L），所以，稱為“微量元素”。不同微生物對以上各種元素的需求量各不相同。鐵元素介於宏量和微量元素之間。

在配製培養基時，可通過添加有關化學試劑來補充宏量元素，其中首選是K2HPO4和MgSO4，它們可提供需要量很大的元素：K、P、S和Mg。微量元素在一些化學試劑、天然水和天然培養基組分中都以雜質等狀態存在，在玻璃器皿等實驗用品上也有少量存在，所以，不必另行加入。

⑤ 生長因子

一些異養型微生物在一般碳源、氮源和無機鹽的培養基中培養不能生長或生長較差。當在培養基中加入某些組織（或細胞）提取液時，這些微生物就生長良好，說明這些組織或細胞中含有這些微生物生長所必須的營養因子，這些因子稱為生長因子。

生長因子可定義為：某些微生物本身不能從普通的碳源、氮源合成，需要額外少量加入才能滿足需要的有機物質，包括胺基酸、維生素、嘌呤、嘧啶及其衍生物，有時也包括一些脂肪酸及其他膜成分%A