微生物同其他生物一樣都是具有生命的，微生物細(xì)胞直接同生活環(huán)境接觸并不停地從外界環(huán)境吸收適當(dāng)?shù)臓I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在細(xì)胞內(nèi)合成新的細(xì)胞物質(zhì)和貯藏物質(zhì)，并儲(chǔ)存能量，微生物從環(huán)境中吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)并加以利用的過(guò)程即稱(chēng)為微生物的營(yíng)養(yǎng)（nutrition）。
1.1微生物細(xì)胞的化學(xué)組成和營(yíng)養(yǎng)要素
營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是微生物構(gòu)成菌體細(xì)胞的基本原料，也是獲得能量以及維持其它代謝機(jī)能必須的物質(zhì)基礎(chǔ)。微生物吸收何種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)取決于微生物細(xì)胞的化學(xué)組成。
1.1.1微生物細(xì)胞的化學(xué)組成
分析微生物細(xì)胞的化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)微生物細(xì)胞與其他生物細(xì)胞的化學(xué)組成并沒(méi)有本質(zhì)上的差異。微生物細(xì)胞平均含水分80％左右。其余20％左右為干物質(zhì)，在干物質(zhì)中有蛋白質(zhì)、核酸、碳水化合物、脂類(lèi)和礦物質(zhì)等。這些干物質(zhì)是由碳、氫、氧、氮、磷、硫、鉀、鈣、鎂、鐵等主要化學(xué)元素組成，其中碳、氫、氧、氮是組成有機(jī)物質(zhì)的四大元素，大約占干物質(zhì)的90％～97％（表3-1）。其余的3％～10％是礦物質(zhì)元素，除上述磷、硫、鉀、鈣、鎂、鐵外，還有一些含量極微的鉬、鋅、錳、硼、鈷、碘、鎳、釩等微量元素。這些礦質(zhì)元素對(duì)微生物的生長(zhǎng)也起著重要的作用。
表3-1 微生物細(xì)胞中碳、氫、氧、氮的含量
微生物種類(lèi) C N H O
細(xì)菌/ Bacteria 50 15 8 20
酵母/ Yeast 49.8 12.4 6.7 31.1
霉菌/ Mold 47.9 5.2 6.7 40.2
1.1.2 微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及其生理功能
通過(guò)了解微生物的化學(xué)組成，可見(jiàn)微生物在新陳代謝活動(dòng)中，必須吸收充足的水分以及構(gòu)成細(xì)胞物質(zhì)的碳源和氮以及鈣、鎂、鉀、鐵等多種多樣的礦質(zhì)無(wú)素和一些必須的生長(zhǎng)輔助因子，才能正常地生長(zhǎng)發(fā)育。
⑴ 水分
水分是微生物細(xì)胞的主要組成成分，大約占鮮重的70％～90％。不同種類(lèi)微生物細(xì)胞含水量不同。同種微生物處于發(fā)育的不同時(shí)期或不同的環(huán)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（表3-2）。微生物所含水分以游離水和結(jié)合水兩種狀態(tài)存在，兩者的生理作用不同。結(jié)合水不具有一般水的特性，不能流動(dòng)，不易蒸發(fā)，不凍結(jié)，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(dòng)，容易從細(xì)胞中排出，并能作為溶劑，幫助水溶性物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞。微生物細(xì)胞游離態(tài)的水同結(jié)合態(tài)的水的平均比大約是4∶1。
表3-2 各類(lèi)微生物細(xì)胞中的含水量
微生物類(lèi)型 細(xì) 菌 霉 菌 酵母菌 芽 孢 孢 子
水分含量（%） 75～85 85～90 75～80 40 38
微生物細(xì)胞中的結(jié)合態(tài)水約束于原生質(zhì)的膠體系統(tǒng)之中，成為細(xì)胞物質(zhì)的組成成份，是微生物細(xì)胞生活的必要條件。游離態(tài)的水是細(xì)胞吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和排出代謝產(chǎn)物的溶劑及生化反應(yīng)的介質(zhì)；一定量的水分又是維持細(xì)胞滲透壓的必要條件。由于水的比熱高又是熱的良導(dǎo)體，故能有效地吸收代謝過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，使細(xì)胞溫度不致于驟然升高， 能有效地調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的溫度。微生物如果缺乏水分，則會(huì)影響代謝作用的進(jìn)行。
⑵ 碳源物質(zhì)
凡是可以被微生物利用，構(gòu)成細(xì)胞代謝產(chǎn)物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，統(tǒng)稱(chēng)為碳源物質(zhì)。碳源物質(zhì)通過(guò)細(xì)胞內(nèi)的一系列化學(xué)變化，被微生物用于合成各代謝產(chǎn)物。微生物對(duì)碳素化合物的需求是極為廣泛的，根據(jù)碳素的來(lái)源不同，可將碳源物質(zhì)分為無(wú)機(jī)碳源物質(zhì)和有機(jī)碳源物質(zhì)。除少數(shù)具有光合色素的藍(lán)細(xì)菌、綠硫細(xì)菌、紫硫細(xì)菌、紅螺菌能象綠色植物那樣，利用太陽(yáng)光能，還原二氧化碳合成碳水化合物，作為碳源以外，一些化能自養(yǎng)型微生物如硝化細(xì)菌和硫化細(xì)菌還能利用無(wú)機(jī)物的氧化作為供氫體來(lái)還原二氧化碳，同時(shí)無(wú)機(jī)物的氧化還產(chǎn)生化學(xué)能。但絕大多數(shù)的細(xì)菌以及全部放線(xiàn)菌和真菌都是以有機(jī)物作為碳源的。當(dāng)然不同的微生物對(duì)不同碳源的分解和利用情況是不一樣的。糖類(lèi)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(shù)微生物都能利用。此外，簡(jiǎn)單的有機(jī)酸、氨基酸、醇、醛、酚等含碳化合物也能被許多微生物利用。所以我們?cè)谥谱髋囵B(yǎng)基時(shí)常加入葡萄糖、蔗糖作為碳源。淀粉、果膠、纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、脂肪、蠟質(zhì)以及碳?xì)浠衔�，只要微生物具有分解它們的能力也能加以吸收利用。大多有機(jī)碳源物質(zhì)被微生物吸收后，首先要降解成小分子前體物質(zhì)，再用于代謝產(chǎn)物的合成，在降解的同時(shí)，產(chǎn)生能量；有的被徹底氧化產(chǎn)生能量。所以有機(jī)碳源物質(zhì)既提供碳素營(yíng)養(yǎng)，同時(shí)又是能源物質(zhì)。
在微生物發(fā)酵工業(yè)中，常根據(jù)不同微生物的需要，利用各種農(nóng)副產(chǎn)品如玉米粉、米糠、麥麩、馬鈴薯、甘薯以及各種野生植物的淀粉，作為微生物生產(chǎn)廉價(jià)的碳源。這類(lèi)碳源往往包含了幾種營(yíng)養(yǎng)要素。
⑶ 氮源物質(zhì)
微生物細(xì)胞中大約含氮5％～13％，它是微生物細(xì)胞蛋白蛋和核酸的主要成分。氮素對(duì)微生物的生長(zhǎng)發(fā)育有著重要的意義，微生物利用它在細(xì)胞內(nèi)合成氨基酸和堿基，進(jìn)而合成蛋白質(zhì)、核酸等細(xì)胞成分，以及含氮的代謝產(chǎn)物。無(wú)機(jī)的氮源物質(zhì)一般不提供能量，只有極少數(shù)的化能自養(yǎng)型細(xì)菌如硝化細(xì)菌可利用銨態(tài)氮和硝態(tài)氮作為氮源和能源。
微生物營(yíng)養(yǎng)上要求的氮素物質(zhì)可以分為三個(gè)類(lèi)型：
①空氣中分子態(tài)氮 只有少數(shù)具有固氮能力的微生物（如自生固氮菌、根瘤菌）能利用。
②無(wú)機(jī)氮化合物 如銨態(tài)氮（NH4+）、硝態(tài)氮（NO3-）和簡(jiǎn)單的有機(jī)氮化物（如尿素），絕大多數(shù)微生物可以利用。
③有機(jī)氮化合物 大多數(shù)寄生性微生物和一部分腐生性微生物需以有機(jī)氮化合物（蛋白質(zhì)、氨基酸）為必需的氮素營(yíng)養(yǎng)。尿素要經(jīng)微生物先分解成NH4+以后再加以利用。氨基酸能為微生物直接加以吸收利用。蛋白質(zhì)等復(fù)雜的有機(jī)氮化合物則需先經(jīng)微生物分泌的胞外蛋白酶水解成氨基酸等簡(jiǎn)單小分子化合物后才能吸收利用。
在實(shí)驗(yàn)室和發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中，我們常常以銨鹽、硝酸鹽、牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、魚(yú)粉、血粉、蠶蛹粉、豆餅粉、花生餅粉作為微生物的氮源。
⑷ 無(wú)機(jī)元素
微生物細(xì)胞中的礦物元素約占干重的3％～10％左右，它是微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)不可缺少的組成成分和微生物生長(zhǎng)不可缺少的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。許多無(wú)機(jī)礦物質(zhì)元素構(gòu)成酶的活性基團(tuán)或酶的激活劑；并具有調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透壓，調(diào)節(jié)酸堿度和氧化還原電位以及能量的轉(zhuǎn)移等作用。有些自養(yǎng)微生物需要利用無(wú)機(jī)礦質(zhì)元素作為能源。根據(jù)微生物對(duì)礦質(zhì)元素需要量的不同，分為常量元素和微量元素。
常量礦質(zhì)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(xì)胞中許多含磷細(xì)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(xì)胞中含硫氨基酸及生物素、硫胺素等輔酶的重要組成成分。鉀、鈉、鎂是細(xì)胞中某些酶的活性基團(tuán)，并具有調(diào)節(jié)和控制細(xì)胞質(zhì)的膠體狀態(tài)、細(xì)胞質(zhì)膜的通透性和細(xì)胞代謝活動(dòng)的功能。
微量元素有鉬、鋅、錳、鈷、銅、硼、碘、鎳、溴、釩等，一般在培養(yǎng)基中含有0.1mg/L或更少就可以滿(mǎn)足需要。所以在制作培養(yǎng)基時(shí)，使用天然水如井水、河水或自來(lái)水其中微量元素的含量已經(jīng)足夠，無(wú)需添加，過(guò)量的微量元素反而對(duì)微生物起到毒害作用。
⑸ 生長(zhǎng)因子
生長(zhǎng)因子是微生物維持正常生命活動(dòng)所不可缺少的、微量的特殊有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物，這些物質(zhì)在微生物自身不能合成，必須在培養(yǎng)基中加入。缺少這些生長(zhǎng)因子就會(huì)影響各種酶的活性，新陳代謝就不能正常進(jìn)行。
生長(zhǎng)因子是指維生素、氨基酸、嘌呤、嘧啶等特殊有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物。而狹義的生長(zhǎng)因子僅指維生素。這些微量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被微生物吸收后，一般不被分解，而是直接參與或調(diào)節(jié)代謝反應(yīng)。
在自然界中自養(yǎng)型細(xì)菌和大多數(shù)腐生細(xì)菌、霉菌都能自己合成許多生長(zhǎng)輔助物質(zhì)，不需要另外供給就能正常生長(zhǎng)發(fā)育。
1.2 微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收
微生物不象動(dòng)物那樣具有專(zhuān)門(mén)的攝食器官，也不象植物那樣具有根系吸收營(yíng)養(yǎng)和水分，它們對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收是借助生物膜的半滲透性及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以幾種不同的方式來(lái)吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分的。如果營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是大分子的蛋白質(zhì)、多糖、脂肪，微生物則分泌出相應(yīng)的酶（這類(lèi)在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生，分泌到細(xì)胞外起作用的酶蛋白叫胞外酶）加以分解成小分子的物質(zhì)，才能以不同的方式吸收到細(xì)胞內(nèi)，加以利用。
各種物質(zhì)對(duì)細(xì)胞質(zhì)膜的透性不一樣，就目前對(duì)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)及其傳遞系統(tǒng)的研究，認(rèn)為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要以以下幾種方式透過(guò)細(xì)胞膜。
1.2.1單純擴(kuò)散（simple diffusion）
這是通過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)行內(nèi)外物質(zhì)交換最簡(jiǎn)單的一種方式。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)透過(guò)微生物細(xì)胞膜上的小孔進(jìn)出細(xì)胞。其特點(diǎn)是物質(zhì)由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散（濃度梯度），這是一種單純的物理擴(kuò)散作用，不需要能量。一旦細(xì)胞膜兩側(cè)的濃度梯度消失（即細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)濃度達(dá)到平衡），簡(jiǎn)單擴(kuò)散也就達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。但實(shí)際上，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)總在不斷被利用，濃度不斷降低，細(xì)胞外的物質(zhì)不斷進(jìn)入細(xì)胞。單純擴(kuò)散是非特異性的，沒(méi)有運(yùn)載蛋白質(zhì)（滲透酶）參與，也不與膜上的分子發(fā)生反應(yīng)。擴(kuò)散的物質(zhì)本身也不發(fā)生改變。單純擴(kuò)散的物質(zhì)主要是一些小分子物質(zhì)，如一些氣體（O2、CO2）、水、某些無(wú)機(jī)離子及一些水溶性小分子（甘油、乙醇等）。
1.2.2促進(jìn)擴(kuò)散（facilitated diffusion）
單靠單純擴(kuò)散，對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收是有限的，微生物細(xì)胞為了加速對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，以適應(yīng)生長(zhǎng)發(fā)育的需要，在細(xì)胞膜上還存在多種具有運(yùn)載營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)功能的特異性蛋白質(zhì)，稱(chēng)為滲透酶。它們大多是誘導(dǎo)酶，當(dāng)外界存在所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)時(shí)，能誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生相應(yīng)的滲透酶，每一種滲透酶能幫助一類(lèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸，如輸送葡萄糖的滲透酶能與外界的葡萄糖分子特異性的結(jié)合，然后轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)膜的內(nèi)表面后，再釋放到細(xì)胞質(zhì)中，并加速過(guò)程的進(jìn)行。又如腸道桿菌吸收甘油的過(guò)程也是由滲透酶促進(jìn)的擴(kuò)散。它們?nèi)缤岸纱币粯樱褷I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)由外界運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞膜中去。其特點(diǎn)也是由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散，所不同的地方是這種運(yùn)輸有滲透酶參與，加速了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的透過(guò)程度，以滿(mǎn)足微生物細(xì)胞代謝之需要。細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)濃度可以通過(guò)自由可逆的擴(kuò)散而趨向平衡。促進(jìn)擴(kuò)散過(guò)程是由濃度梯度來(lái)驅(qū)動(dòng)的，不需耗費(fèi)代謝能量。
現(xiàn)在已分離出有關(guān)葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、亮氨酸、精氨酸、酪氨酸、磷酸、Ca2+、Na+、K+等的載體蛋白，它們的分子量介于9000～40000Da之間，而且都是單體。促進(jìn)擴(kuò)散是真核生物的普遍運(yùn)輸機(jī)制，如酵母菌運(yùn)輸糖類(lèi)就是通過(guò)這種方式，但在原核生物中卻少見(jiàn)，在厭氧微生物中，促進(jìn)擴(kuò)散的過(guò)程常參與某些化合物的吸收和發(fā)酵產(chǎn)物的排出。然而在好氧微生物中這種傳遞機(jī)制似乎不太重要。
1.2.3 主動(dòng)運(yùn)輸（active transport）
如果微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收只能憑借濃度梯度由高濃度向低濃度擴(kuò)散，那么微生物就無(wú)法吸收低于細(xì)胞內(nèi)濃度的外界營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，生長(zhǎng)就會(huì)受到限制。事實(shí)上微生物細(xì)胞中有些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以高于細(xì)胞外的濃度在細(xì)胞內(nèi)積累，如大腸桿菌在生長(zhǎng)期中，細(xì)胞中的鉀離子濃度比周?chē)h(huán)境高出3000倍。當(dāng)以乳糖作為碳源時(shí)，細(xì)胞內(nèi)乳糖的濃度比周?chē)h(huán)境高出500倍。可見(jiàn)這種主動(dòng)運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)由低濃度向高濃度進(jìn)行，是逆濃度梯度地被“抽”進(jìn)細(xì)胞內(nèi)的，因此這個(gè)過(guò)程不僅需要滲透酶，還需要代謝能量，能量由腺三磷（ATP）提供，滲透酶起著將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從低濃度的周?chē)h(huán)境轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)高濃度的細(xì)胞內(nèi)不斷改變平衡點(diǎn)的作用。
存在于細(xì)胞膜上的滲透酶，當(dāng)細(xì)胞膜外存在著重要結(jié)合的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)時(shí)，能分辨（認(rèn)識(shí)）這些物質(zhì)，由于對(duì)其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)具有高度親和力，并且特異性地與之結(jié)合，形成滲透酶-運(yùn)載物質(zhì)復(fù)合體。復(fù)合體旋轉(zhuǎn)180°從膜外方轉(zhuǎn)移到細(xì)胞膜內(nèi)表面，消耗代謝能量ATP，使?jié)B透酶構(gòu)型發(fā)生變化，親和力減弱，于是被結(jié)合的物質(zhì)則被釋放到細(xì)胞質(zhì)中去。構(gòu)型變化的滲透酶，再獲得能量恢復(fù)原狀，親和力增強(qiáng)，結(jié)合位置朝向膜外，又可重復(fù)進(jìn)行這種主動(dòng)運(yùn)輸。大腸桿菌對(duì)乳糖的吸收是研究得比較深入的，其滲透酶為β-半乳糖苷酶，它是由 lacr 基因控制的，這種酶可在膜內(nèi)外特異性地同乳糖結(jié)合，但在膜內(nèi)結(jié)合比膜外差得多，這就在于代謝能量ATP→ADP釋放的能量，使酶蛋白構(gòu)型發(fā)生變化而達(dá)到膜內(nèi)，并在膜內(nèi)降低其對(duì)乳糖的親和力而在膜內(nèi)釋放出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)乳糖由細(xì)胞外的低濃度向細(xì)胞膜內(nèi)的高濃度轉(zhuǎn)運(yùn)的。
1.2.4 基團(tuán)轉(zhuǎn)位（group translocation）
在微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收的過(guò)程中，還有一種特殊的運(yùn)輸方式，叫基團(tuán)轉(zhuǎn)位。這種方式除具有主動(dòng)運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)外，主要是被轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)改變了本身的性質(zhì)，有化學(xué)基團(tuán)轉(zhuǎn)移到被轉(zhuǎn)運(yùn)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)上面去。如許多糖及其糖的衍生物在運(yùn)輸中由細(xì)菌的磷酸轉(zhuǎn)移酶系催化，使其磷酸化，磷酸基團(tuán)被轉(zhuǎn)移到它們分子上，以磷酸糖的形式進(jìn)入細(xì)胞。由于質(zhì)膜對(duì)大多數(shù)磷酸化化合物無(wú)透性，磷酸糖一旦形成便被阻擋在細(xì)胞以?xún)?nèi)了，從而使糖濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)細(xì)胞外。
這種運(yùn)輸過(guò)程的磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)包括酶Ⅰ、酶Ⅱ和熱穩(wěn)定蛋白（HPr）。酶Ⅰ是非特異性的，它們對(duì)許多糖都一樣起作用。酶Ⅱ是膜上的結(jié)構(gòu)酶，并能誘導(dǎo)產(chǎn)生，它對(duì)某一種糖具有特異性，只能運(yùn)載某一種糖類(lèi)，酶Ⅱ同時(shí)起著滲透酶和磷酸轉(zhuǎn)移酶的作用。HPr是熱穩(wěn)定的可溶性蛋白質(zhì)，它能夠象高能磷酸載體一樣起作用。該酶系統(tǒng)催化的反應(yīng)分兩步進(jìn)行：
1） 少量的 HPr 被磷酸烯醇丙酮酸 (PEP) 磷酸化：
酶Ⅰ
PEP + Hpr 磷酸～HPr+丙酮酸
2）磷酸～HPr 將它的磷�；鶄鬟f給葡萄糖，同時(shí)將生成的6-磷酸葡萄糖釋放到細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。這步復(fù)合反應(yīng)由酶Ⅱ催化。
酶Ⅱ
磷酸～Hpr + 葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 + HPr
基團(tuán)轉(zhuǎn)位可轉(zhuǎn)運(yùn)糖、糖的衍生物，如葡萄糖、甘露糖、果糖、N-乙酰葡萄糖胺和β-半乳糖苷以及嘌呤、嘧啶、堿基、乙酸（但不能輸送氨基酸）等。這個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)主要存在于兼性厭氧菌的和厭氧菌中。但某些好氧菌，如枯草桿菌和巨大芽孢桿菌(B. megatherium)也利用磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)將葡萄糖傳送到細(xì)胞內(nèi)。
目前關(guān)于細(xì)菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收的四種主要運(yùn)輸系統(tǒng)的主要機(jī)理可以概括成下面的圖解（圖3-1）；總之，微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收不是簡(jiǎn)單的物理、化學(xué)的過(guò)程，而是復(fù)雜的生理過(guò)程。是微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)起能動(dòng)的、選擇吸收的作用。它是受細(xì)胞膜的特性和功能以及微生物本身代謝強(qiáng)度所支配的。
1.3 微生物的營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型
微生物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中，由于生態(tài)環(huán)境的影響，逐漸分化成各種營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型。由于各種微生物的生活環(huán)境和對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用能力不同，它們的營(yíng)養(yǎng)需要和代謝方式也不盡相同。根據(jù)微生物對(duì)碳源的要求是無(wú)機(jī)碳化合物（如二氧化碳、碳酸鹽）還是有機(jī)碳化合物可以把微生物分成自養(yǎng)型微生物和異養(yǎng)型微生物兩大類(lèi)。此外，根據(jù)微生物生命活動(dòng)中能量的來(lái)源不同，將微生物分為兩種能量代謝類(lèi)型，一種是利用吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的降解產(chǎn)生的化學(xué)能，稱(chēng)為化能型微生物；另一類(lèi)是吸收光能來(lái)維持其生命活動(dòng)，稱(chēng)為光能型微生物。將碳源物質(zhì)的性質(zhì)和代謝能量的來(lái)源結(jié)合將微生物分為光能自養(yǎng)型、光能異養(yǎng)型、化能自養(yǎng)型和化能異養(yǎng)型四種營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型，它們的區(qū)別見(jiàn)表3-3。
表3-3 微生物的營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型
代謝特點(diǎn) 營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型
光能自養(yǎng)型 化能自養(yǎng)型 光能異養(yǎng)型 化能異養(yǎng)型
碳 源 CO2或可溶性碳酸鹽 CO2或可溶性碳酸鹽 小分子有機(jī)物 有 機(jī) 物
能 源 光 能 無(wú)機(jī)物的氧化 光 能 有機(jī)物的氧化降解
供 氫 體 無(wú)機(jī)物(H2O、H2S等） 無(wú)機(jī)物（H2S、H2、Fe2+ 、NH3、NO2-等） 小分子有機(jī)物 有機(jī)物
代 表 種 藍(lán)細(xì)菌、綠硫細(xì)菌 硝化細(xì)菌、硫化菌、氫細(xì)菌、鐵細(xì)菌等 紅 螺 菌 大多數(shù)細(xì)菌，全部真菌、放線(xiàn)菌
1.3.1光能自養(yǎng)型微生物
利用光能為能源，以二氧化碳（CO2）或可溶性的碳酸鹽（CO32-）作為唯一的碳源或主要碳源。以無(wú)機(jī)化合物（水、硫化氫、硫代硫酸鈉等）為氫供體，還原CO2，生成有機(jī)物質(zhì)。光能自養(yǎng)型微生物主要是一些藍(lán)細(xì)菌、紅硫細(xì)菌、綠硫細(xì)菌等少數(shù)微生物，它們由于含光合色素，能使光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能（ATP），供細(xì)胞直接利用。
光
藍(lán)細(xì)菌 CO2+2H2O [CH2O]+H2O+O2↑
葉綠素
光
綠硫細(xì)菌 CO2+2H2S [CH2O]+H2O+2S
菌綠素
比較以上兩反應(yīng)，可寫(xiě)成以下通式：
光
CO2+2H2A [CH2O]+H2O+2A
光合色素
1.3.2 化能自養(yǎng)微生物
這一類(lèi)微生物的能源來(lái)自無(wú)機(jī)物氧化所產(chǎn)生的化學(xué)能，利用這種能量去還原CO2或者可溶性碳酸鹽合成有機(jī)物質(zhì)。
如亞硝酸細(xì)菌、硝酸細(xì)菌、鐵細(xì)菌、硫細(xì)菌、氫細(xì)菌就可以分別利用氧化NH3、NO2-、Fe++、H2S和H2產(chǎn)生的化學(xué)能來(lái)還原CO2，形成碳水化合物。
例如：亞硝酸細(xì)菌能從氧化氨為亞硝酸中獲得能量，用以還原二氧化碳，形成碳水化合物。
亞硝酸細(xì)菌
2NH3+3O2+2H2O 2HNO2+4H++4OH-+能量
CO2+4H+ [CH2O]+H2O
這一類(lèi)型的微生物完全可以生活在無(wú)機(jī)的環(huán)境中，分別氧化各自合適的還原態(tài)的無(wú)機(jī)物，從而獲得同化CO2所需的能量。
1.3.3 光能異養(yǎng)型微生物
這種類(lèi)型的微生物以光能為能源，利用有機(jī)物作為供氫體，還原CO2，合成細(xì)胞的有機(jī)物質(zhì)。
例如深紅螺菌（Rhodospirillum rubrum）利用異丙醇作為供氫體，進(jìn)行光合作用并積累丙酮，這類(lèi)微生物生長(zhǎng)時(shí)大多需要外源性的生長(zhǎng)因素。
CH3 光
2 CHOH + CO2 2CH3COCH3+[CH2O]+H2O
CH3 光合色素
此菌在光和厭氧條件下進(jìn)行上述反應(yīng)。但在黑暗和好氧條件下又可能用有機(jī)物氧化產(chǎn)生的化學(xué)能推動(dòng)代謝作用。
1.3.4 化能異養(yǎng)型微生物
這種類(lèi)型的微生物其能源和碳源都來(lái)自于有機(jī)物，能源來(lái)自有機(jī)物的氧化分解，ATP通過(guò)氧化磷酸化產(chǎn)生，碳源直接取自于有機(jī)碳化合物。它包括自然界絕大多數(shù)的細(xì)菌，全部的放線(xiàn)菌、真菌和原生動(dòng)物。
根據(jù)生態(tài)習(xí)性微生物可分為腐生型和寄生型兩類(lèi)：①腐生型：從無(wú)生命的有機(jī)物獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。引起食品腐敗變質(zhì)的某些霉菌和細(xì)菌就屬這一類(lèi)型。如引起腐敗的梭狀芽孢桿菌、毛霉、根霉、曲霉等；②寄生型：必須寄生在活的有機(jī)體內(nèi)，從寄主體內(nèi)獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)才能生活稱(chēng)為寄生，這類(lèi)微生物叫寄生微生物。寄生又分為絕對(duì)寄生和兼性寄生，如果只能在一定活的生物體內(nèi)營(yíng)寄生生活的叫絕對(duì)寄生，它們是引起人、動(dòng)物、植物以及微生物病害的病原微生物，如病毒、噬菌體、立克次氏體。
有些微生物能生活在活的生物體上，又能在死的有機(jī)殘?bào)w上生長(zhǎng)同時(shí)也可在人工培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的大多數(shù)病原微生物屬于兼性寄生微生物，如人和動(dòng)物腸道內(nèi)普遍存在的大腸桿菌，它生活在人和動(dòng)物腸道內(nèi)是寄生，隨糞便排除體外，又可在水、土壤和糞便之中腐生。又如引起瓜果腐爛的瓜果腐霉的菌絲可侵入果樹(shù)幼苗的胚芽基部進(jìn)行寄生，也可以在土壤中長(zhǎng)期進(jìn)行腐生。
上述營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型的劃分并非是絕對(duì)的，只是根據(jù)主要方面決定的。絕大多數(shù)異養(yǎng)型微生物也能吸收利用CO2，可以把CO2加至丙酮酸上生成草酰乙酸，這是異養(yǎng)生物普遍存在的反應(yīng)。因此，劃分異養(yǎng)型微生物和自養(yǎng)型微生物時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)不在于它們能否利用CO2，而在于它們是否能利用CO2作為唯一的碳源或主要碳源。在自養(yǎng)型和異養(yǎng)型之間、光能型和化能型之間還存在一些過(guò)渡類(lèi)型。例如氫細(xì)菌（Hydrogenmonas）就是一種兼性自養(yǎng)型微生物類(lèi)型，在完全無(wú)機(jī)的環(huán)境中進(jìn)行自養(yǎng)生活，利用氫氣的氧化獲得能量，將CO2還原成細(xì)胞物質(zhì)。但如環(huán)境中存在有機(jī)物質(zhì)時(shí)又能直接利用有機(jī)物進(jìn)行異養(yǎng)生活。
1.4 培養(yǎng)基（medium）
為了研究和利用微生物，必須人為地創(chuàng)造適宜的環(huán)境培養(yǎng)微生物，培養(yǎng)基是指經(jīng)人工配制而成的適合微生物生長(zhǎng)繁殖和積累代謝產(chǎn)物所需要的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)。我們配制培養(yǎng)基不但需要根據(jù)不同微生物的營(yíng)養(yǎng)要求，加入適當(dāng)種類(lèi)和數(shù)量的營(yíng)養(yǎng)物；并要注意一定的碳氮比例（C/N）；還要調(diào)節(jié)適宜的酸堿度（pH）；保持適當(dāng)?shù)难趸�原電位和滲透壓。
1.4.1配制培養(yǎng)基的基本原則
配制微生物的培養(yǎng)基，主要考慮以下幾個(gè)因素：
⑴ 符合微生物菌種的營(yíng)養(yǎng)特點(diǎn)：
不同的微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)有著不同的要求，所以，在配制培養(yǎng)基時(shí)，培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)搭配及搭配比例首先要考慮到這一點(diǎn)，明確培養(yǎng)基的用途，如用于培養(yǎng)何種微生物，培養(yǎng)的目的如何，是培養(yǎng)菌種還是用于發(fā)酵生產(chǎn)，發(fā)酵生產(chǎn)的目的是獲得大量菌體還是獲得次級(jí)代謝產(chǎn)物等，根據(jù)不同的菌種及其不同的培養(yǎng)目的確定搭配的營(yíng)養(yǎng)成分及營(yíng)養(yǎng)比例。
營(yíng)養(yǎng)的要求主要是對(duì)碳素和氮素的性質(zhì)，如果是自養(yǎng)型的微生物則主要考慮無(wú)機(jī)碳源，如果是異樣型的微生物，主要提供有機(jī)碳源物質(zhì)；除碳源物質(zhì)外，還要考慮加入適量的無(wú)機(jī)礦物質(zhì)元素；有些微生物菌種在培養(yǎng)時(shí)還要求加入一定的生長(zhǎng)因子，如很多乳酸菌在培養(yǎng)時(shí)，要求在培養(yǎng)基中加入一些氨基酸和維生素等才能很好地生長(zhǎng)。
除營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)要求外，還要考慮營(yíng)養(yǎng)成分的比例適當(dāng)，其中碳素營(yíng)養(yǎng)與氮素營(yíng)養(yǎng)的比例很重要。C/N 比是指培養(yǎng)基中所含 C 原子的摩爾濃度與 N 原子的摩爾濃度之比，不同的微生物菌種要求不同的 C/N 比，同一菌種，在不同的生長(zhǎng)時(shí)期也有不同的要求，一般 C/N 比在配制發(fā)酵生產(chǎn)用培養(yǎng)基時(shí)，要求比較嚴(yán)格， C/N 比例對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物的積累影響很大；一般在發(fā)酵工業(yè)上，發(fā)酵用種子的培養(yǎng)，培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)越豐富越好，尤其是 N 源要豐富，而對(duì)以積累次級(jí)代謝產(chǎn)物為發(fā)酵目的的發(fā)酵培養(yǎng)基，則要求提高 C/N 比值，提高 C 素營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量。
⑵ 適宜的理化條件
除營(yíng)養(yǎng)成分外，培養(yǎng)基的理化條件也直接影響微生物的生長(zhǎng)和正常代謝，其中主要有：
1） pH 微生物一般都有它們適宜的生長(zhǎng)pH 范圍，細(xì)菌的最適pH 一般在pH 7～8范圍，放線(xiàn)菌要求pH 7.5～8.5范圍，酵母菌要求pH 3.8～6.0, 霉菌的適宜pH 為4.0～5.8。
由于微生物在代謝過(guò)程中，不斷地向培養(yǎng)基中分泌代謝產(chǎn)物，影響培養(yǎng)基的pH變化，對(duì)大多數(shù)微生物來(lái)說(shuō)，主要產(chǎn)生酸性產(chǎn)物，所以在培養(yǎng)過(guò)程中常引起pH的下降，影響微生物的生長(zhǎng)繁殖速度。為了盡可能地減緩在培養(yǎng)過(guò)程中pH的變化，在配制培養(yǎng)基時(shí)，要加入一定的緩沖物質(zhì)，通過(guò)培養(yǎng)基中的這些成分發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，常用的緩沖物質(zhì)主要有以下兩類(lèi)：
① 磷酸鹽類(lèi)。這是以緩沖液的形式發(fā)揮作用的，通過(guò)磷酸鹽的不同程度的解離，對(duì)培養(yǎng)基的pH的變化起到緩沖作用，其緩沖原理是：
H+ + HPO4= H2PO4-
OH+ + H2PO4 - H2O + HPO4 =
② 碳酸鈣。這類(lèi)緩沖物質(zhì)是以“備用堿”的方式發(fā)揮緩沖作用的，碳酸鈣在中性條件下的溶解度極低，加入到培養(yǎng)基后，由于其在中性條件下幾乎不解離，所以不影響培養(yǎng)基的pH的變化，當(dāng)微生物生長(zhǎng)，培養(yǎng)基的pH下降時(shí)，碳酸鈣就不斷地解離，游離出碳酸根離子，碳酸根離子不穩(wěn)定，與氫離子形成碳酸，最后釋放出二氧化碳，在一定程度上緩解了培養(yǎng)基pH的降低。
+H+
CO32— H2CO3 CO2+ H2O
- H+
2） 滲透壓 由于微生物細(xì)胞膜是半通透膜，外有細(xì)胞壁起到機(jī)械性保護(hù)作用，要求其生長(zhǎng)的培養(yǎng)基具有一定的滲透壓，當(dāng)環(huán)境中的滲透壓低于細(xì)胞原生質(zhì)的滲透壓時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)細(xì)胞的膨脹，輕者影響細(xì)胞的正常代謝，重者出現(xiàn)細(xì)胞破裂；當(dāng)環(huán)境滲透壓高于原生質(zhì)的滲透壓時(shí)，導(dǎo)致細(xì)胞皺縮，細(xì)胞膜與細(xì)胞壁分開(kāi)，即所謂質(zhì)壁分離現(xiàn)象。只有在等滲條件下最適宜微生物的生長(zhǎng)。
1.4.2 培養(yǎng)基的類(lèi)型
⑴ 根據(jù)營(yíng)養(yǎng)成分的來(lái)源劃分
1） 天然培養(yǎng)基(complex medium; undefined medium) 是利用一些天然的動(dòng)植物組織器官和抽提物，如牛肉膏、蛋白胨、麩皮、馬鈴薯、玉米漿等制成。它們的優(yōu)點(diǎn)是取材廣泛，營(yíng)養(yǎng)全面而豐富，制備方便，價(jià)格低廉，適宜于大規(guī)模培養(yǎng)微生物之用。缺點(diǎn)是成分復(fù)雜，每批成分不穩(wěn)定。我們實(shí)驗(yàn)室常用的牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基便是這種類(lèi)型。
2） 合成培養(yǎng)基(defined medium; synthetic medium) 是利用已知成分和數(shù)量的化學(xué)物質(zhì)配制而成。此類(lèi)培養(yǎng)基成分精確，重復(fù)性強(qiáng)，一般用于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)代謝、分類(lèi)鑒定和選育菌種等工作。缺點(diǎn)是配制較復(fù)雜，微生物在此類(lèi)培養(yǎng)基上生長(zhǎng)緩慢，加上價(jià)格較貴，不宜用于大規(guī)模生產(chǎn)。如實(shí)驗(yàn)室常用的高氏1號(hào)培養(yǎng)基，察氏培養(yǎng)基。
3） 半合成培養(yǎng)基(semi-defined medium) 用一部分天然物質(zhì)作為碳氮源及生長(zhǎng)輔助物質(zhì)，又適當(dāng)補(bǔ)充少量無(wú)機(jī)鹽類(lèi)，這樣配制的培養(yǎng)基叫半合成培養(yǎng)基。如實(shí)驗(yàn)室常用的馬鈴薯蔗糖培養(yǎng)基。半合成培養(yǎng)基應(yīng)用最廣，能使絕大多數(shù)微生物良好地生長(zhǎng)。
⑵ 根據(jù)物理狀態(tài)劃分
1) 液體培養(yǎng)基(liquid medium) 把各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)溶解于水中，混合制成水溶液，調(diào)節(jié)適宜的pH，成為液體狀態(tài)的培養(yǎng)基質(zhì)。該培養(yǎng)基有利于微生物的生長(zhǎng)和積累代謝產(chǎn)物，常用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和觀(guān)察微生物生長(zhǎng)特征和研究生理生化特性。
2) 固體培養(yǎng)基(solid medium) 一般采用天然固體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如馬鈴薯塊、麩皮等作為培養(yǎng)微生物的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)。亦有在液體培養(yǎng)基中加入一定量的凝固劑，如瓊脂（1.5%～2.0%）、明膠等煮沸冷卻后，使凝成固體狀態(tài)，常用來(lái)觀(guān)察、鑒定和分離純化微生物。
3) 半固體培養(yǎng)基(semi-solid medium) 加入少量凝固劑（0.5％～0.8％的瓊脂）則成半固體狀態(tài)的培養(yǎng)基叫半固體培養(yǎng)基，常用來(lái)觀(guān)察細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)，鑒定菌種噬菌體的效價(jià)滴定和保存菌種。
⑶ 根據(jù)用途劃分
1) 加富培養(yǎng)基(enriched medium) 根據(jù)培養(yǎng)菌種的生理特性加入有利于該種微生物生長(zhǎng)繁殖所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，該種微生物則會(huì)旺盛地大量生長(zhǎng)，如加入血、血清、動(dòng)植物組織提取液等以培養(yǎng)營(yíng)養(yǎng)要求比較苛刻的異養(yǎng)微生物。加富培養(yǎng)基主要用于菌種的保存或用于菌種的分離篩選。
2) 選擇培養(yǎng)基(selectic medium) 根據(jù)某種或某一類(lèi)微生物特殊的營(yíng)養(yǎng)要求，配制而成的培養(yǎng)基，如纖維素選擇培養(yǎng)基。還有在培養(yǎng)基中加入對(duì)某種微生物有抑制作用，而對(duì)所需培養(yǎng)菌種無(wú)影響的物質(zhì)，從而使該種培養(yǎng)基對(duì)某種微生物有嚴(yán)格的選擇作用。如SS瓊脂培養(yǎng)基，由于加入膽鹽等抑制劑，對(duì)沙門(mén)氏菌等腸道致病菌無(wú)抑制作用，而對(duì)其它腸道細(xì)菌有抑制作用。
3) 鑒別培養(yǎng)基(differencial medium) 根據(jù)微生物的代謝特點(diǎn)通過(guò)指示劑的顯色反應(yīng)用以鑒定不同微生物的培養(yǎng)基。如遠(yuǎn)滕氏培養(yǎng)基中的亞硫酸鈉使指示劑復(fù)紅醌式結(jié)構(gòu)還原變淺，但由于大腸桿菌生長(zhǎng)分解乳糖，產(chǎn)生的乙醛可使復(fù)紅醌式結(jié)構(gòu)恢復(fù)，可使菌落中的指示劑復(fù)紅，重新呈現(xiàn)帶金屬光澤的紅色，而同其它微生物區(qū)別開(kāi)來(lái)。
ATP ADP Gln Glu
葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-果糖 6-磷酸-葡萄糖