微生物營養物質

微生物從外界環境中攝取和利用營養物質的過程稱為營養。營養是微生物維持和延續其生命形式的一種生理過程。凡是能夠滿足微生物生長、繁殖等各種生理活動所需的物質統稱微生物營養物質。

基本介紹

• 中文名：微生物營養物質
• 外文名：Microbial nutrients
• 套用學科：環境工程微生物
• 適用領域範圍：環境生態
• 營養要素：碳源、氮源、能源等
• 作用：維持和延續微生物生命

簡介

微生物營養物質是指能夠滿足微生物生長、繁殖及完成各種生理活動所需要的物質的統稱。與其他生物一樣，當微生物處於適宜的環境條件時，能夠以其獨特的方式不斷地從外界吸收所需要的各種營養物質。有些微生物利用營養物質非常廣泛，連塑膠等高分子化合物和一些對其他生物有毒的物質也可以利用。有些微生物對營養要求較嚴格，需要給予補充，才能很好的生長。營養物質是微生物生命活動的物質基礎，電是其生長繁殖的前提條件。

微生物的營養物質及其功能

微生物對營養的要求無論是在元素水平上還是在營養要素水平上，都與動物和植物十分接近，它們之間存在著“營養上的統一性”。在元素水平上需要20種左右，其中以碳、氫、氧、氮、磷、硫六種元素為主。在營養要素水平上則主要為碳源、氮源、能源、生長因子、礦質元素和水六大類。

碳源

碳是微生物細胞需要量最大的元素，占細胞乾重的50%。能提供微生物營養所需碳（元）素或碳架的營養物質稱為碳源。能被微生物用作碳源的物質種類極其廣泛。簡單的無機含碳化合物（CO₂、NaHCO₃和CaCO₃等）、比較複雜的有機物（烴類、醇、羧酸、脂肪酸、糖及其衍生物、雜環化合物、胺基酸和核苷酸等）、複雜的有機大分子（蛋白質、脂質和核酸等），乃至複雜的天然含碳物質（牛肉膏、蛋白腖、花生餅粉、糖蜜、石油等）都可以被不同的微生物利用。甚至像二甲苯、酚等有毒的物質都可以被少數微生物用作碳源。

不同營養類型的微生物利用不同的碳源。異養微生物常利用某一類有機物中的一種或幾種作為它們的碳源，其中糖類是微生物利用最廣泛的碳源。其他微生物或是利用CO₂或碳酸鹽作為唯一的或主要的碳源，或是利用CO₂及簡單有機物作為主要碳源。不同微生物利用碳源的範圍差異很大，有的微生物範圍很廣，有的則範圍很窄。例如，洋蔥伯克霍爾德氏菌可利用90多種不同類型的有機物作為碳源，而產甲烷菌絕大多數利用CO₂作為碳源，有些也利用甲酸、甲醇和乙酸等作為碳源。

對於為數眾多的化能異養微生物來說，碳源是兼有能源功能的雙功能營養物。

能源

能源是提供微生物生命活動所需能量的物質。絕大多數微生物的能源物質是化學物質（有機物和無機物），只有光合細菌利用光作為能源。對於絕大多數細菌和全部真核微生物來說，它們所利用的有機碳源在被微生物細胞分解代謝的過程中不僅提供微生物細胞的碳素和碳架，而且還提供微生物生命活動所需的能量。有的微生物所需的能源與碳源不同。如光能自養微生物的能源是光，而碳源為CO₂；化能自養微生物的能源為NH₄、NO₂、S、H₂和Fe等還原態無機化合物，而碳源是CO₂。

氮源

氮是微生物細胞需要量僅次於碳的元素，是構成蛋白質和核酸的主要元素，占細菌乾重的12%～15%。能提供微生物所需氮素的營養物質稱為氮源。能被微生物用作氮源的物質種類也很廣泛。有分子態氮、氨、銨鹽和硝酸鹽等無機含氮化合物；尿素、胺基酸、嘌呤和嘧啶等有機氮化合物。多數微生物利用無機氮化物，如（NH₄）₂SO₄和KNO₃等作為氮源，但它們也可利用有機含氮化合物作為氮源，只有少數固氮微生物（固氮菌、根瘤菌和藍細菌等）能利用分子態氮（N₂）作為氮源。實驗室中常用的氮源有牛肉膏、蛋白腖和酵母膏等。生產上常用的有魚粉、玉米漿、餅粉（黃豆餅粉和花生餅粉）和蠶蛹粉等。

氮源的主要功能是提供細胞原生質和其他結構物質中的氮素，一般不作為能源使用。但化能自養細菌中的亞硝化細菌和硝化細菌能從NH₃和NO₂的氧化過程中獲得能量，所以對於它們來說，NH₃和NO₂是兼有氮源和能源的雙功能營養物質。對於異養微生物而言，含有C、H、O、N的有機物是具有碳源、能源和氮源的多功能營養物質。

礦質元素

微生物除了需要碳源、能源和氮源之外，還需要磷、硫、鎂、鈣、鉀、鈉、鐵、鋅、鈷、鉬、銅、錳、鎳和鎢等元素。其中元素需要濃度在10^-4～10^-3 mol/L範圍內的稱大量元素；需要濃度在10^-8～10^-6 mol/L範圍內的稱微量元素。前者如磷、硫、鎂、鈣、鉀、鈉和鐵等；後者如鋅、鑽、鉬、銅、錳、鎳和鎢等。上述元素大多是以無機鹽的形式提供的，故稱無機鹽或礦質元素。

無機鹽的需要量雖遠比C、N少，但微生物的生長代謝同樣重要。它們的生理功能包括：① 是微生物細胞化學組成中的重要元素之一，如P和S分別為核酸與含硫胺基酸（半胱氨酸和甲硫氨酸）的重要組成元素：② 與酶的組成和活力有關，如Fe是細胞色素氧化酶的必要組分，Mg、Cu和Zn等是許多酶的激活劑：③ 調節和維持微生物的滲透壓、氫離子濃度和氧化還原電位等生長條件，如Na和K有調節細胞滲透壓的作用，由磷酸鹽組成的緩衝劑能保持微生物生長過程中pH值的穩定：谷胱甘肽可降低氧化還原電位；④ 作為某些化能自養細菌的能源物質；⑤ 作為呼吸鏈末端的氫受體。

生長因子

有些微生物的生長除了需要上述營養物之外，還必須補充微量的有機物質才能生長或者生長良好，這些微生物生長必不可少的微量有機物質稱為生長因子。通常包括維生素、胺基酸、鹼基、卟啉及其衍生物、固醇、胺類等。能提供生長因子的天然物質有酵母膏、蛋白腖、麥芽汁、玉米漿、動植物組織或細胞浸液以及微生物生長環境的提取液等。

生長因子的主要功能是提供微生物細胞重要化學物質（蛋白質、核酸和脂質）、輔助因子（輔酶和輔基）的組分和參與代謝。

多數真菌、放線菌和部分細菌在其生長過程中不需要從環境中獲取任何生長因子。而有的微生物需要從環境中獲取一種或幾種生長因子才能維持正常生長，如乳酸細菌補充需要多種維生素、胺基酸和鹼基。少數微生物可合成並大量分泌某些維生素，因此，可用作維生素生產菌，例如，利用阿舒假囊酵母和棉阿舒囊霉生產維生素B₂。

水

實際上水本身並不是營養物質，但水是微生物營養中不可缺少的一種物質。因為水是微生物細胞的主要化學成分；水是營養物質和代謝產物的良好溶劑，營養物質與代謝產物都是通過溶解於水中而進出細胞的；水是細胞中各種生物化學反應得以進行的介質，並參與許多生化反應：水還可維持各種生物大分子結構的穩定性；此外，水的比熱高，汽化熱高，是熱的良好導體，能有效地吸收代謝過程中產生的熱量並將熱迅速散發出體外，這保證了細胞內的溫度不會劇烈變化。