第四章微生物的營(yíng)養(yǎng)微生物的營(yíng)養(yǎng)(nutrition)是微生物生理學(xué)的重要研究領(lǐng)域，闡明營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在微生物生命活動(dòng)過(guò)程中的生理功能以及微生物細(xì)胞從外界環(huán)境攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的具體機(jī)制是微生物營(yíng)養(yǎng)的主要研究?jī)?nèi)容。為了生存，微生物必須從環(huán)境吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過(guò)新陳代謝將這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成自身新的細(xì)胞物質(zhì)或代謝物，并從中獲取生命活動(dòng)必需的能量，同時(shí)將代謝活動(dòng)產(chǎn)生的廢物排除體外。那些能夠滿(mǎn)足微生物機(jī)體生長(zhǎng)、繁殖和完成各種生理活動(dòng)所需的物質(zhì)稱(chēng)為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(nutrient),而微生物獲得和利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的過(guò)程稱(chēng)為營(yíng)養(yǎng)。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是微生物生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，而營(yíng)養(yǎng)是微生物維持和延續(xù)其生命形式的一種生理過(guò)程。第一節(jié)微生物的營(yíng)養(yǎng)要求一、微生物細(xì)胞的化學(xué)組成.化學(xué)元素(chemicalelement)構(gòu)成微生物細(xì)胞的物質(zhì)基礎(chǔ)是各種化學(xué)元素。根據(jù)微生物生長(zhǎng)時(shí)對(duì)各類(lèi)化學(xué)元素需要量的大小，可將它們分為主要元素(macroelement)和微量元素(traceelement),主要元素包括碳、氫、氧、氮、磷、硫、鉀、鎂、鈣、鐵等，碳、氫、氧、氮、磷、硫這六種主要元素可占細(xì)菌細(xì)胞干重的97%(表4-1)。微量元素包括鋅、鎰、鈉、氯、鉬、硒、鉆、銅、鎢、鎳、硼等。表4-1微生物細(xì)胞中幾種主要元素的含量(干重%)元素細(xì)菌酵母菌真菌碳?50?50?48氮?15?12?5氫?8?7?7氧?20?31?40磷?3硫?1組成微生物細(xì)胞的各類(lèi)化學(xué)元素的比例常因微生物種類(lèi)的不同而不同，例如細(xì)菌、酵母菌和真菌的碳、氫、氧、氮、磷、硫六種元素的含量就有差別(表4-1),而硫細(xì)菌(sulfurbacteria)、鐵細(xì)菌(ironbacteria)和海洋細(xì)菌(marinebacteria)相對(duì)于其他細(xì)菌則含有較多的硫、鐵和鈉、氯等元素，硅藻(Diatom)需要硅酸來(lái)構(gòu)建富含(SiO2)n的細(xì)胞壁。不僅如此，微生物細(xì)胞的化學(xué)元素組成也常隨菌齡及培養(yǎng)條件的不同而在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化，幼齡的或在氮源(sourceofnitrogen)豐富的培養(yǎng)基(medium)上生長(zhǎng)的細(xì)胞與老齡的或在氮源相對(duì)貧乏的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的細(xì)胞相比，前者含氮量高，后者含氮量低。.化學(xué)成分及其分析各種化學(xué)元素主要以有機(jī)物、無(wú)機(jī)物和水的形式存在于細(xì)胞中。有機(jī)物主要包括蛋白質(zhì)、糖、脂、核酸、維生素以及它們的降解產(chǎn)物和一些代謝產(chǎn)物等物質(zhì)。細(xì)胞有機(jī)物成分的分析通常采取兩種方式：一是用化學(xué)方法直接抽提細(xì)胞內(nèi)的各種有機(jī)成分，然后加以定性和定量分析；另一種是先將細(xì)胞破碎，然后獲得不同的亞顯微結(jié)構(gòu)，再分析這些結(jié)構(gòu)的化學(xué)成分。無(wú)機(jī)物是指與有機(jī)物相結(jié)合或單獨(dú)存在于細(xì)胞中的無(wú)機(jī)鹽（inorganicsalt）等物質(zhì)。分析細(xì)胞無(wú)機(jī)成分時(shí)一般將干細(xì)胞在高溫爐（550℃）中焚燒成灰，所得到的灰份物質(zhì)是各種無(wú)機(jī)元素的氧化物，稱(chēng)為灰份（ashconstituent）。采用無(wú)機(jī)化學(xué)常規(guī)分析法可定性定量分析出灰份中各種無(wú)機(jī)元素的含量。水是細(xì)胞維持正常生命活動(dòng)所必不可少的，一般可占細(xì)胞重量的70?90%。細(xì)胞濕重（wetweight）與干重（dryweight）之差為細(xì)胞含水量，常以百分率表示：濕重-干重/濕重X100%。將細(xì)胞外表面所吸附的水份除去后稱(chēng)量所得重量即為濕重，一般以單位培養(yǎng)液中所含細(xì)胞重量表示（克/升或毫克/毫升），但在具體測(cè)量過(guò)程中，常由于細(xì)胞表面吸附水份除去程度的不同而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果有誤差，聚集在一起的單細(xì)胞微生物表面吸附的水份難以除去，這些吸附的水份可占濕重的10%。采用高溫（105℃）烘干、低溫真空干燥和紅外線(xiàn)快速烘干等方法將細(xì)胞干燥至恒重即為干重。值得注意的是,采用高溫烘干法會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞物質(zhì)分解，而利用后兩種方法所得結(jié)果較為可靠。二、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及其生理功能微生物需要從外界獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要以有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物的形式為微生物所利用，也有小部分以分子態(tài)的氣體形式提供。根據(jù)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在機(jī)體中生理功能的不同，可將它們分為碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽、生長(zhǎng)因子和水五大類(lèi)。.碳源碳源是在微生物生長(zhǎng)過(guò)程中為微生物提供碳素來(lái)源的物質(zhì)。碳源物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的化學(xué)變化后成為微生物自身的細(xì)胞物質(zhì)（如碳水化合物、脂、蛋白質(zhì)等）和代謝產(chǎn)物，碳可占一般細(xì)菌細(xì)胞干重的一半。同時(shí)，絕大部分碳源物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)生化反應(yīng)過(guò)程中還能為機(jī)體提供維持生命活動(dòng)所需的能源，因此碳源物質(zhì)通常也是能源物質(zhì)。但是有些以CO2作為唯一或主要碳源的微生物生長(zhǎng)所需的能源則并非來(lái)自碳源物質(zhì)。微生物利用碳源物質(zhì)具有選擇性，糖類(lèi)是一般微生物較容易利用的良好碳源和能源物質(zhì)，但微生物對(duì)不同糖類(lèi)物質(zhì)的利用也有差別，例如在以葡萄糖和半乳糖為碳源的培養(yǎng)基中,大腸桿菌（Escherichiacoli）首先利用葡萄糖，然后利用半乳糖，前者稱(chēng)為大腸桿菌的速效碳源，后者稱(chēng)為遲效碳源。目前在微生物工業(yè)發(fā)酵中所利用的碳源物質(zhì)主要是單糖、飴糖、糖蜜（制糖工業(yè)副產(chǎn)品）、淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物淀粉）、麩皮、米糠等。為了節(jié)約糧食，人們已

經(jīng)開(kāi)展了代糧發(fā)酵的科學(xué)研究，以自然界中廣泛存在的纖維素作為碳源和能源物質(zhì)來(lái)培養(yǎng)微生物。不同種類(lèi)微生物利用碳源物質(zhì)的能力也有差別。有的微生物能廣泛利用各種類(lèi)型的碳源物質(zhì)，而有些微生物可利用的碳源物質(zhì)則比較少，例如假單胞菌屬(Pseudomonas)中的某些種可以利用多達(dá)90種以上的碳源物質(zhì)，而一些甲基營(yíng)養(yǎng)型(methylotrophs)微生物只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物作為碳源物質(zhì)。微生物利用的碳源物質(zhì)主要有糖、有機(jī)酸、醇、脂類(lèi)、烴、CO2及碳酸鹽等(表4-2)。表4-2微生物利用的碳源物質(zhì)種類(lèi)碳源物質(zhì)備注糖葡萄糖、果糖、麥芽糖、蔗糖、淀粉、半乳糖、乳糖、甘露糖、纖維二糖、纖維素、半纖維素、甲殼素、木質(zhì)素等單糖優(yōu)于雙糖，己糖優(yōu)于戊糖，淀粉優(yōu)于纖維素，純多糖優(yōu)于雜多糖有機(jī)酸糖酸、乳酸、檸檬酸、延胡索酸、低級(jí)脂肪酸、高級(jí)脂肪酸、氨基酸等與糖類(lèi)比效果較差，有機(jī)酸較難進(jìn)入細(xì)胞，進(jìn)入細(xì)胞后會(huì)導(dǎo)致pH下降。當(dāng)環(huán)境中缺乏碳源物質(zhì)時(shí)，氨基酸可被微生物作為碳源利用醇乙醇在低濃度條件下被某些酵母菌和醋酸菌利用脂脂肪、磷脂主要利用脂肪，在特定條件下將磷脂分解為甘油和脂肪酸而加以利用烴天然氣、石油、石油餾份、石蠟油等利用烴的微生物細(xì)胞表面有一種由糖脂組成的特殊吸收系統(tǒng)，可將難溶的烴充分乳化后吸收利用CO2，CO2為自養(yǎng)微生物所利用碳酸鹽NaHCO3、CaCO3、白堊等其它芳香族化合物、氰化物蛋白質(zhì)、肽、核酸等為自養(yǎng)微生物所利用。利用這些物質(zhì)的微生物在環(huán)境保護(hù)方面有重要作用當(dāng)環(huán)境中缺乏碳源物質(zhì)時(shí),可被微生物作為碳源而降解利用

.氮源氮源物質(zhì)為微生物提供氮素來(lái)源，這類(lèi)物質(zhì)主要用來(lái)合成細(xì)胞中的含氮物質(zhì)，一般不作為能源，只有少數(shù)自養(yǎng)微生物能利用銨鹽、硝酸鹽同時(shí)作為氮源與能源。在碳源物質(zhì)缺乏的情況下，某些厭氧微生物在厭氧條件下可以利用某些氨基酸作為能源物質(zhì)。能夠被微生物利用的氮源物質(zhì)包括蛋白質(zhì)及其不同程度的降解產(chǎn)物(胨、肽、氨基酸等)、銨鹽、硝酸鹽、分子氮、嘌吟、嘧啶、脲、胺、酰胺、氰化物等(表4-3)。表4-3微生物利用的氮源物質(zhì)種類(lèi)氮源物質(zhì)備注蛋白出蛋白質(zhì)及其不同程度降解產(chǎn)物(胨、肽、氨基酸等)大分子蛋白質(zhì)難進(jìn)入細(xì)胞，一些真菌和少數(shù)細(xì)菌能分泌胞外蛋白酶，將大分子蛋白質(zhì)降解利用，而多數(shù)細(xì)菌只能利用分子量較小其降解產(chǎn)物氨及銨鹽NH3、（NH3）2sO4等容易被微生物吸收利用硝酸鹽KNO3等容易被微生物吸收利用分子氮N2固氮微生物可利用，但當(dāng)環(huán)境中有化合態(tài)氮源時(shí)，固氮微生物就失去固氮能力其它嘌吟、嘧啶、大腸桿菌不能以嘧啶作為唯一氮源，在氮在氮限量的葡萄糖培養(yǎng)基上生長(zhǎng)時(shí)，可通過(guò)誘導(dǎo)作用先合成分解嘧啶的酶，然后再分解并利用嘧啶脲、胺、酰胺、氰化物可不同程度地被微生物作為氮源加以利用常用的蛋白質(zhì)類(lèi)氮源包括蛋白胨(peptone)、魚(yú)粉、蠶蛹粉、黃豆餅粉、花生餅粉、玉米漿、牛肉浸膏(beefextract)、酵母浸膏(yeastextract)等。微生物對(duì)這類(lèi)氮源的利用具有選擇性。例如，土霉素產(chǎn)生菌利用玉米漿比利用黃豆餅粉和花生餅粉的速度快，這是因?yàn)橛衩诐{中的氮源物質(zhì)主要以較易吸收的蛋白質(zhì)降解產(chǎn)物形式存在，而降解產(chǎn)物特別是氨基酸可以通過(guò)轉(zhuǎn)氨作用直接被機(jī)體利用，而黃豆餅粉和花生餅粉中的氮主要以大分子蛋白質(zhì)形式存在，需進(jìn)一步降解成小分子的肽和氨基酸后才能被微生物吸收利用，因而對(duì)其利用的速度較慢。因此玉米漿為速效氮源，黃豆餅粉和花生餅粉作為遲效氮源，前者有利于菌體生長(zhǎng)，后者有利于代謝產(chǎn)物的形成，在發(fā)酵生產(chǎn)土霉素的過(guò)程中，往往將兩者按一定比例制成混合氮源，以控制菌體生長(zhǎng)時(shí)期與代謝產(chǎn)物形成時(shí)期的長(zhǎng)短，達(dá)到提高土霉素產(chǎn)量的目的。微生物吸收利用銨鹽和硝酸鹽的能力較強(qiáng),nh4+被細(xì)胞吸收后可直接被利用，因而（nh4）2sO4等銨鹽一般被稱(chēng)為速效氮源，而NO「被吸收后需進(jìn)一步還原成NH4+后再被微生物利用。許多腐生型細(xì)菌、腸道菌、動(dòng)植物致病菌等可利用銨鹽或硝酸鹽作為氮源例如大腸桿菌、產(chǎn)氣腸桿菌（Enterobacteraerogenes）、枯草芽抱桿菌（Bacillussubtilis）、銅綠假單胞菌（Pseudomonasaeruginosa等均可利用硫酸銨和硝酸銨作為氮源,放線(xiàn)菌可以利用硝酸鉀作為氮源,霉菌可以利用硝酸鈉作為氮源。以（NH4）2SO4等銨鹽為氮源培養(yǎng)微生物時(shí)，由于NH4+被吸收，會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)基pH下降,因而將其稱(chēng)為生理酸性鹽；以硝酸鹽（如KNO3）為氮源培養(yǎng)微生物時(shí)，由于NO「被吸收,會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)基pH升高,因而將其稱(chēng)為生理堿性鹽。為避免培養(yǎng)基pH變化對(duì)微生物生長(zhǎng)造成不利影響,需要在培養(yǎng)基中加入緩沖物質(zhì)。.無(wú)機(jī)鹽無(wú)機(jī)鹽是微生物生長(zhǎng)必不可少的一類(lèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),它們?cè)跈C(jī)體中的生理功能主要是作為酶活性中心的組成部分、維持生物大分子和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)并維持細(xì)胞的滲透壓平衡、控制細(xì)胞的氧化還原電位和作為某些微生物生長(zhǎng)的能源物質(zhì)等（表4-4）。微生物生長(zhǎng)所需的無(wú)機(jī)鹽一般有磷酸鹽、硫酸鹽、氯化物以及含有鈉、鉀、鈣、鎂、鐵等金屬元素的化合物。表4-4無(wú)機(jī)鹽及其生理功能元素化合物形式（常用）生理功能磷KH2PO“K2HpO4核酸、核蛋白、磷脂、輔酶及ATP等高能分子的成份，作為緩沖系統(tǒng)調(diào)節(jié)培養(yǎng)基pH硫(NH)2sO“MgSO4含硫氨基酸（半胱氨酸、甲硫氨酸等）、維生素的成份，谷胱甘肽可調(diào)節(jié)胞內(nèi)氧化還原電位鎂MgSO4己糖磷酸化酶、異檸檬酸脫氫酶、核酸聚合酶等活性中心組份，葉綠素和細(xì)菌葉綠素成份鈣CaCl2，Ca(NO3)2某些酶的輔因子，維持酶（如蛋白酶）的穩(wěn)定性，芽抱和某些抱子形成所需，建立細(xì)菌感受態(tài)所需

鈉NaCl細(xì)胞運(yùn)輸系統(tǒng)組份，問(wèn)吃細(xì)胞滲透壓，維持某些酶的穩(wěn)定性鉀KH2PO“K2HpO4某些酶的輔因子，維持細(xì)胞滲透壓，某些嗜鹽細(xì)菌核糖體的穩(wěn)定因子鐵FeSO4細(xì)胞色素及某些酶的組份，某些鐵細(xì)菌的能源物質(zhì)，合成葉綠素、白喉毒素所需在微生物的生長(zhǎng)過(guò)程中還需要一些微量元素，微量元素是指那些在微生物生長(zhǎng)過(guò)程中起重要作用，而機(jī)體對(duì)這些元素的需要量極其微小的元素，通常需要量在10-6?10-8mol/L（培養(yǎng)基中含量）。微量元素一般參與酶的組成或使酶活化（表4-5）。如果微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中缺乏微量元素，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞生理活性降低甚至停止生長(zhǎng)。由于不同微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求不盡相同，微量元素這個(gè)概念也是相對(duì)的。微量元素通常混雜在天然有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物、無(wú)機(jī)化學(xué)式劑、自來(lái)水、蒸餾水、普通玻璃器皿中，如果沒(méi)有特殊原因，在配制培養(yǎng)基時(shí)沒(méi)有必要另外加入微量元素。值得注意的是,許多微量元素是重金屬,如果它們過(guò)量,就會(huì)對(duì)機(jī)體產(chǎn)生毒害作用,而且單獨(dú)一種微量元素過(guò)量產(chǎn)生的毒害作用更大,因此有必要將培養(yǎng)基中微量元素的量控制在正常范圍內(nèi),并注意各種微量元素之間保持恰當(dāng)比例。表4-5微量元素與生理功能元素生理功能鋅存在于乙醇脫氫酶、乳酸脫氫酶、堿性磷酸酶、醛縮酶、RNA與DNA聚合酶中鉬存在于硝酸鹽還原酶、固氮酶、甲酸脫氫酶中銅存在于細(xì)胞色素氧化酶中硒存在于甘氨酸還原酶、甲酸脫氫酶中鉆存在于谷氨酸變位酶中鎢存在于甲酸脫氫酶中鎰存在于過(guò)氧化物歧化酶、磷酸烯醇式脫竣酶、檸檬酸合成酶中鎳存在于脲酶中，為氫細(xì)菌生長(zhǎng)所必需.生長(zhǎng)因子生長(zhǎng)因子通常指那些微生物生長(zhǎng)所必需且需要量很小,而且微生物自身不能合成或合成量不足以滿(mǎn)足機(jī)體生長(zhǎng)需要的有機(jī)化合物。不同微生物需求的生長(zhǎng)因子的種類(lèi)和數(shù)量是不同的(表4-6)。自養(yǎng)微生物和某些異養(yǎng)微生物(如大腸桿菌)甚至不需外源生長(zhǎng)因子也能生長(zhǎng)。不僅如此，同種微生物對(duì)生長(zhǎng)因子的需求也會(huì)隨著環(huán)境條件的變化而改變例如魯氏毛霉(Mucorrouxii)在厭氧條件下生長(zhǎng)時(shí)需要維生素B1與生物素,而在好氧條件下生長(zhǎng)時(shí)自身能合成這兩種物質(zhì)，不需外加這兩種生長(zhǎng)因子。有時(shí)由于對(duì)某些微生物生長(zhǎng)所需生長(zhǎng)因子的本質(zhì)還不了解，在培養(yǎng)它們時(shí)通常在培養(yǎng)基中加入酵母浸膏、牛肉浸膏及動(dòng)植物組織液等天然物質(zhì)以滿(mǎn)足需要。根據(jù)生長(zhǎng)因子的化學(xué)結(jié)構(gòu)和它們?cè)跈C(jī)體中的生理功能的不同,可將生長(zhǎng)因子分為維生素(vitamin)、氨基酸與嘌吟及嘧啶三大類(lèi)。最早發(fā)現(xiàn)的生長(zhǎng)因子在化學(xué)本質(zhì)上是維生素目前發(fā)現(xiàn)的許多維生素都能起到生長(zhǎng)因子的作用。雖然一些微生物能合成維生素,但許多微生物仍然需要外界提供維生素才能生長(zhǎng)。維生素在機(jī)體中所起的作用主要是作為酶的輔基或輔酶參與新陳代謝;有些微生物自身缺乏合成某些氨基酸的能力，因此必須在培養(yǎng)基中補(bǔ)充這些氨基酸或含有這些氨基酸的小肽類(lèi)物質(zhì),微生物才能正常生長(zhǎng)。腸膜明串珠菌生長(zhǎng)需要十七種氨基酸有些細(xì)菌需要D-丙氨酸用于合成細(xì)胞壁；嘌吟和嘧啶作為生長(zhǎng)因子在微生物機(jī)體內(nèi)的作用主要是作為酶的輔酶或輔基，以及用來(lái)合成核甘、核甘酸和核酸。表4-6某些微生物生長(zhǎng)所需的生長(zhǎng)因子微生物生長(zhǎng)因子需要量/ml弱氧化醋酸桿菌(Acetobactersuboxydans)對(duì)氨基苯甲酸煙堿酸0?10ng3ug丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicun)對(duì)氨基苯甲酸0.15ngIII型肺炎球菌(Streptococcuspneumoniae)膽堿6ug腸膜明串珠菌(Leuconostocmesenteroides)吡哆醛0.025ug金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)硫胺素0.5ng

白喉棒桿菌(Cornebacteriumdiphtherriae)B-丙氨酸1.5ug破傷風(fēng)梭狀芽抱桿菌（Clostridiumtetani）尿嘧啶0?4ug阿拉伯糖乳桿菌（Lactobacillus煙堿酸0.1ugarabinosus)泛酸0.02ug甲硫氨酸10ug糞鏈球菌(Streptococcusfaecali^葉酸ug200精氨酸50ug德氏乳桿菌(Lactobacillus酪氨酸8ugdelbruckii)胸腺核苷0?2ug干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei)生物素麻黃素1ng0.02ug.水水是微生物生長(zhǎng)所必不可少的。水在細(xì)胞中的生理功能主要有：（1）起到溶劑與運(yùn)輸介質(zhì)的作用，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收與代謝產(chǎn)物的分泌必須以水為介質(zhì)才能完成;（2）參與細(xì)胞內(nèi)一系列化學(xué)反應(yīng)；（3）維持蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子穩(wěn)定的天然構(gòu)象;（4）因?yàn)樗谋葻岣撸菬岬牧己脤?dǎo)體,能有效地吸收代謝過(guò)程中產(chǎn)生的熱并及時(shí)地將熱迅速散發(fā)出體外從而有效地控制細(xì)胞內(nèi)溫度的變化；（5）保持充足的水分是細(xì)胞維持自身正常形態(tài)的重要因素;（6）微生物通過(guò)水合作用與脫水作用控制由多亞基組成的結(jié)構(gòu)，如酶、微管、鞭毛及病毒顆粒的組裝與解離。微生物生長(zhǎng)的環(huán)境中水的有效性常以水活度值（wateractivity,aw）表示水活度值是指在一定的溫度和壓力條件下,溶液的蒸汽壓力與同樣條件下純水蒸汽壓力之比,即：aw=Pw/POw,式中Pw代表溶液蒸汽壓力，POw代表純水蒸汽壓力。純水a(chǎn)w為1.00，溶液中溶質(zhì)越多，aw越小。微生物一般在aw為0.60?0.99的條件下生長(zhǎng)，對(duì)某種微生物而言，aw過(guò)低時(shí)，微生物生長(zhǎng)的遲緩期延長(zhǎng),比生長(zhǎng)速率和總生長(zhǎng)量減少。微生物不同，其生長(zhǎng)的最適aw不同（表4-7）。一般而言,細(xì)菌生長(zhǎng)最適aw較酵母菌和霉菌高，而嗜鹽微生物生長(zhǎng)最適aw則較低。表4-7幾類(lèi)微生物生長(zhǎng)最適aw微生物aw一般細(xì)菌0.91酵母菌0.88

霉菌0.80嗜鹽細(xì)菌0.76嗜鹽真菌0.65嗜高滲酵母0.60三.微生物的營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型3玳汽宣。皿1types)由于微生物種類(lèi)繁多,其營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型比較復(fù)雜,人們常在不同層次和側(cè)重點(diǎn)上對(duì)微生物營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型進(jìn)行劃分(表4-8)。根據(jù)碳源、能源及電子供體性質(zhì)的不同，可將絕大部分微生物分為光能無(wú)機(jī)自養(yǎng)型(photolithoautotrophy)、光能有機(jī)異養(yǎng)型(photoorganoheterotrophy)、化能無(wú)機(jī)自養(yǎng)型(chemolithoautotrophy)及化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型(chemoorganoheterotrophy)四種類(lèi)型(表4-9)。表4-8微生物營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型(I)劃分依據(jù)營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型特點(diǎn)碳源自養(yǎng)型(autotrophs)以co2為唯一或主要碳源異養(yǎng)型(heterotrophs)以有機(jī)物為碳源能源光能營(yíng)養(yǎng)型(phototrophs)以光為能源化能營(yíng)養(yǎng)型(chemotrophs)以有機(jī)物氧化釋放的化學(xué)能為能源電子供體無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)型(lithotrophs)以還原性無(wú)機(jī)物為電子供體有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型(organotrophs)以有機(jī)物為電子供體光能無(wú)機(jī)自養(yǎng)型和光能有機(jī)異養(yǎng)型微生物可利用光能生長(zhǎng)，在地球早期生態(tài)環(huán)境的演化過(guò)程中起重要作用；化能無(wú)機(jī)自養(yǎng)型微生物廣泛分布于土壤及水環(huán)境中,參與地球物質(zhì)循環(huán)；對(duì)化能有機(jī)異養(yǎng)型微生物而言，有機(jī)物通常既是碳源也是能源。目前已知的大多數(shù)細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物都是化能有機(jī)異養(yǎng)型微生物。值得注意的是，已知的所有致病微生物都屬于此種類(lèi)型。根據(jù)化能有機(jī)異養(yǎng)型微生物利用的有機(jī)物性質(zhì)的不同,又可將它們分為腐生型(metatrophy))和寄生型(paratrophy)兩類(lèi),前者可利用無(wú)生命的有機(jī)物(如動(dòng)植物尸體和殘?bào)w)作為碳源,后者則寄生在活的寄主機(jī)體內(nèi)吸取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),離開(kāi)寄主就不能生存。在腐生型和寄生型之間還存在一些中間類(lèi)型，如兼性腐生型(facultivemetatrophy)和兼性寄生型(facultiveparatrophy)。表4-9微生物的營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型(11)營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型電子供體碳源能源舉例光能無(wú)機(jī)自養(yǎng)型H2、H2S、s或H2OCO2光能著色細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌、藻類(lèi)光能有機(jī)異養(yǎng)型有機(jī)物有機(jī)物光能紅螺細(xì)菌化能無(wú)機(jī)自養(yǎng)型H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-CO2(無(wú)機(jī)物氧化)化學(xué)能氫細(xì)菌、硫桿菌、亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)、硝化桿菌屬(Nitrobacter)、甲烷桿菌屬(Methanobacteriun)、醋桿菌屬(Acetobacter)化能有機(jī)異養(yǎng)型有機(jī)物有機(jī)物化學(xué)(有機(jī)物氧化)能假單胞菌屬、芽抱桿菌屬、乳酸菌屬、真菌、原生動(dòng)物某些菌株發(fā)生突變(自然突變或人工誘變)后,失去合成某種(或某些)對(duì)該菌株生長(zhǎng)必不可少的物質(zhì)(通常是生長(zhǎng)因子如氨基酸、維生素)的能力,必須從外界環(huán)境獲得該物質(zhì)才能生長(zhǎng)繁殖,這種突變型菌株稱(chēng)為營(yíng)養(yǎng)缺陷型5/。仃口卜)，相應(yīng)的野生型菌株稱(chēng)為原養(yǎng)型伯「用。仃/卜)。營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株經(jīng)常用來(lái)進(jìn)行微生物遺傳學(xué)方面的研究。必須明確，無(wú)論那種分類(lèi)方式,不同營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型之間的界限并非絕對(duì)的,異養(yǎng)型微生物并非絕對(duì)不能利用CO2,只是不能以82為唯一或主要碳源進(jìn)行生長(zhǎng),而且在有機(jī)物存在的情況下也可將co2同化為細(xì)胞物質(zhì)。同樣，自養(yǎng)型微生物也并非不能利用有機(jī)物進(jìn)行生長(zhǎng)。另外，有些微生物在不同生長(zhǎng)條件下生長(zhǎng)時(shí),其營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型也會(huì)發(fā)生改變,例如紫色非硫細(xì)菌(purplenonsulphurbacteria)在沒(méi)有有機(jī)物時(shí)可以同化CO2,它為自養(yǎng)型微生物,而當(dāng)有機(jī)物存在時(shí),它又可以利用有機(jī)物進(jìn)行生長(zhǎng),此時(shí)它為異養(yǎng)型微生物。再如，紫色非硫細(xì)菌在光照和厭氧條件下可利用光能生長(zhǎng),為光能營(yíng)養(yǎng)型微生物,而在黑暗與好氧條件下,依靠有機(jī)物氧化產(chǎn)生的化學(xué)能生長(zhǎng),則為化能營(yíng)養(yǎng)型微生物。微生物營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型的可變性無(wú)疑有利于提高微生物對(duì)環(huán)境條件變化的適應(yīng)能力。第二節(jié)培養(yǎng)基培養(yǎng)基（medium）是人工配制的，適合微生物生長(zhǎng)繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)。無(wú)論是以微生物為材料的研咒還是利用微生物生產(chǎn)生物制品,都必須進(jìn)行培養(yǎng)基的配制，它是微生物學(xué)研究和微生物發(fā)酵工業(yè)的基礎(chǔ)。一、配制培養(yǎng)基的原則.選擇適宜的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)總體而言，所有微生物生長(zhǎng)繁殖均需要培養(yǎng)基含有碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽、生長(zhǎng)因子、水及能源，但由于微生物營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型復(fù)雜,不同微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求是不一樣的,因此首先要根據(jù)不同微生物的營(yíng)養(yǎng)需求配制針對(duì)性強(qiáng)的培養(yǎng)基。自養(yǎng)型微生物能從簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物合成自身需要的糖、脂類(lèi)、蛋白質(zhì)、核酸、維生素等復(fù)雜的有機(jī)物因此培養(yǎng)自養(yǎng)型微生物的培養(yǎng)基完全可以（或應(yīng)該）由簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物組成。例如,培養(yǎng)化能自養(yǎng)型的氧化硫硫桿菌（ThiobacillusthiooxidanS的培養(yǎng)基組成見(jiàn)表4-10。在該培養(yǎng)基配制過(guò)程中并未專(zhuān)門(mén)加入其他碳源物質(zhì),而是依靠空氣中和溶于水中的CO2為氧化硫硫桿菌提供碳源。表4-10幾種類(lèi)型培養(yǎng)基組成*成份氧化硫硫桿菌培養(yǎng)基大腸桿菌培養(yǎng)基牛肉膏蛋白陳培養(yǎng)基高氏一號(hào)合成培養(yǎng)基查氏合成培養(yǎng)基LB培養(yǎng)基主要作用牛肉膏5碳源（能源）、氮源、無(wú)機(jī)鹽、生長(zhǎng)因子蛋白胨1010氮源、碳源（能源）、生長(zhǎng)因子酵母浸膏5生長(zhǎng)因子、氮源、碳源（能源）葡萄糖5碳源（能源）蔗糖30碳源（能源）可溶性淀粉20碳源（能源）CO2（來(lái)自空氣）碳源

（NH4）2SO40.4氮源、無(wú)機(jī)鹽NH4H2PO41氮源、無(wú)機(jī)鹽KNO31氮源、無(wú)機(jī)鹽NaNO33氮源、無(wú)機(jī)鹽MgSO4?7H2O0.50.20.50.5無(wú)機(jī)鹽FeSO40.010.010.01無(wú)機(jī)鹽KH2PO44無(wú)機(jī)鹽K2HPO410.51無(wú)機(jī)鹽NaCl550.510無(wú)機(jī)鹽KCl0.5無(wú)機(jī)鹽CaCl20.25無(wú)機(jī)鹽S10能源H2O100010001000100010001000溶劑pH7.07.0-7.27.0-7.27.2-7.4自然7.0滅菌條件121℃20分112℃30分121℃20分121℃20分121℃20分121℃20分*表中培養(yǎng)基各組份含量均為每升培養(yǎng)基中該成份的克數(shù)。培養(yǎng)其他化能自養(yǎng)型微生物與上述培養(yǎng)基成分基本類(lèi)似只是能源物質(zhì)有所改變。對(duì)光能自養(yǎng)型微生物而言,除需要各類(lèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外,還需光照提供能源。培養(yǎng)異養(yǎng)型微生物需要在培養(yǎng)基中添加有機(jī)物,而且不同類(lèi)型異養(yǎng)型微生物的營(yíng)養(yǎng)要求差別很大因此其培養(yǎng)基組成也相差很遠(yuǎn)。例如,培養(yǎng)大腸桿菌的培養(yǎng)基組成比較簡(jiǎn)單（表4-10），而有些異養(yǎng)型微生物的培養(yǎng)基的成份非常復(fù)雜,如腸膜明串珠菌需要生長(zhǎng)因子,若配制培養(yǎng)它的合成培養(yǎng)基時(shí),需要在培養(yǎng)基中添加的生長(zhǎng)因子多達(dá)33種，因此通常采用天然有機(jī)物來(lái)為它提供生長(zhǎng)所需的生長(zhǎng)因子。就微生物主要類(lèi)型而言,有細(xì)菌、放線(xiàn)菌、酵母菌、霉菌、原生動(dòng)物、藻類(lèi)及病毒之分培養(yǎng)它們所需的培養(yǎng)基各不相同。在實(shí)驗(yàn)室中常用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基（或簡(jiǎn)稱(chēng)普通肉湯培養(yǎng)基）培養(yǎng)細(xì)菌（表4-10）;用高氏1號(hào)合成培養(yǎng)基培養(yǎng)放線(xiàn)菌（表4-10）;培養(yǎng)酵母菌一般用麥芽汁培養(yǎng)基,它是將麥芽粉與4倍水混勻,在58~65℃條件下保溫3~4小時(shí)至完全糖化,調(diào)整糖液濃度為10o巴林，煮沸后用紗布過(guò)濾，調(diào)pH為6.0配制而成。麥芽粉組成復(fù)雜,能為酵母菌提供足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì);培養(yǎng)霉菌則一般用查氏合成培養(yǎng)基（表4-10）。原生動(dòng)物也可用培養(yǎng)基培養(yǎng),有的原生動(dòng)物需要較多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),例如梨型四膜蟲(chóng)（Tetrahymenapyriformi§的培養(yǎng)基含有10種氨基酸、7種維生素、鳥(niǎo)嘌吟、尿嘧啶及一些無(wú)機(jī)鹽等，而有些變形蟲(chóng)可在較簡(jiǎn)單的蛋白胨肉湯（peptonebroth）中生長(zhǎng)。大多數(shù)藻類(lèi)可以利用光能,只需要CO2、水和一些無(wú)機(jī)鹽就可生長(zhǎng),而某些藻類(lèi)如眼蟲(chóng)藻（Euglena）中的一些種可在黑暗條件下利用有機(jī)物質(zhì)生長(zhǎng)。有些藻類(lèi)需要在培養(yǎng)基中補(bǔ)加土壤浸液,培養(yǎng)海洋藻類(lèi)時(shí)可直接利用海水,但如果在特殊情況下需要用合成培養(yǎng)基培養(yǎng)海洋藻類(lèi)時(shí),則必需在培養(yǎng)基中加入海水中含有的各種鹽。.營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度及配比合適培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度合適時(shí)微生物才能生長(zhǎng)良好營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度過(guò)低時(shí)不能滿(mǎn)足微生物正常生長(zhǎng)所需，濃度過(guò)高時(shí)則可能對(duì)微生物生長(zhǎng)起抑制作用,例如高濃度糖類(lèi)物質(zhì)、無(wú)機(jī)鹽、重金屬離子等不僅不能維持和促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)反而起到抑制或殺菌作用。另外，培養(yǎng)基中各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之間的濃度配比也直接影響微生物的生長(zhǎng)繁殖和（或）代謝產(chǎn)物的形成和積累，其中碳氮比（C/N）的影響較大。嚴(yán)格地講，碳氮比指培養(yǎng)基中碳元素與氮元素的摩爾數(shù)比值有時(shí)也指培養(yǎng)基中還原糖與粗蛋白之比。例如，在利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸的過(guò)程中，培養(yǎng)基碳氮比為4/1時(shí),菌體大量繁殖,谷氨酸積累少;當(dāng)培養(yǎng)基碳氮比為3/1時(shí),菌體繁殖受到抑制,谷氨酸產(chǎn)量則大量增加。再如，在抗生素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中,可以通過(guò)控制培養(yǎng)基中速效氮（或碳）源與遲效氮（或碳）源之間的比例來(lái)控制菌體生長(zhǎng)與抗生素的合成。.控制pH條件培養(yǎng)基的pH必須控制在一定的范圍內(nèi)，以滿(mǎn)足不同類(lèi)型微生物的生長(zhǎng)繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物。各類(lèi)微生物生長(zhǎng)繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的最適pH條件各不相同,一般來(lái)講,細(xì)菌與放線(xiàn)菌適于在pH7~7.5范圍內(nèi)生長(zhǎng),酵母菌和霉菌通常在pH4.5~6范圍內(nèi)生長(zhǎng)。值得注意的是,在微生物生長(zhǎng)繁殖和代謝過(guò)程中，由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被分解利用和代謝產(chǎn)物的形成與積累,會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)基pH發(fā)生變化,若不對(duì)培養(yǎng)基pH條件進(jìn)行控制,往往導(dǎo)致微生物生長(zhǎng)速度或（和）代謝產(chǎn)物產(chǎn)量降低。因此,為了維持培養(yǎng)基pH的相對(duì)恒定,通常在培養(yǎng)基中加入pH緩沖劑,常用的緩沖劑是一氫和二氫磷酸鹽（如K2HPO4和KH2PO4）組成的混合物。K2HPO4溶液呈堿性,KH2P04溶液呈酸性,兩種物質(zhì)的等克分子混合溶液的pH值為6.8。當(dāng)培養(yǎng)基中酸性物質(zhì)積累導(dǎo)致H+濃度增加時(shí)，H+與弱堿性鹽結(jié)合形成弱酸性化合物,培養(yǎng)基pH不會(huì)過(guò)度降低;如果培養(yǎng)基中OH-濃度增加，OH-則與弱酸性鹽結(jié)合形成弱堿性化合物,培養(yǎng)基pH也不會(huì)過(guò)度升高。&HPQd+K—KHJKX+K卜KH之久工十K‘十OH——*K2HPO4+H；O但可皿04/陽(yáng)2PO4緩沖系統(tǒng)只能在一定的pH范圍(pH6.4~7.2)內(nèi)起調(diào)節(jié)作用。有些微生物，如乳酸菌能大量產(chǎn)酸,上述緩沖系統(tǒng)就難以起到緩沖作用,此時(shí)可在培養(yǎng)基中添加難溶的碳酸鹽(如CaCO3)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié),CaCO3難溶于水,不會(huì)使培養(yǎng)基pH過(guò)度升高,但它可以不斷中和微生物產(chǎn)生的酸,同時(shí)釋放出82,將培養(yǎng)基pH控制在一定范圍內(nèi)。在培養(yǎng)基中還存在一些天然的緩沖系統(tǒng)，如氨基酸、肽、蛋白質(zhì)都屬于兩性電解質(zhì)也可起到緩沖劑的作用。.控制氧化還原電位(redoxpotential)不同類(lèi)型微生物生長(zhǎng)對(duì)氧化還原電位(①)的要求不一樣,一般好氧性微生物在①值為+0.1伏以上時(shí)可正常生長(zhǎng),一般以+0.3?+0.4伏為宜,厭氧性微生物只能在①值低于+0.1伏條件下生長(zhǎng),兼性厭氧微生物在①值為+0.1伏以上時(shí)進(jìn)行好氧呼吸,在+0.1伏以下時(shí)進(jìn)行發(fā)酵。①值與氧分壓和pH有關(guān),也受某些微生物代謝產(chǎn)物的影響。在pH相對(duì)穩(wěn)定的條件下,可通過(guò)增加通氣量（如振蕩培養(yǎng)、攪拌）提高培養(yǎng)基的氧分壓，或加入氧化劑，從而增加①值;在培養(yǎng)基中加入抗壞血酸、硫化氫、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫蘇糖醇等還原性物質(zhì)可降低①值。.原料來(lái)源的選擇在配制培養(yǎng)基時(shí)應(yīng)盡量利用廉價(jià)且易于獲得的原料作為培養(yǎng)基成份，特別是在發(fā)酵工業(yè)中,培養(yǎng)基用量很大,利用低成本的原料更體現(xiàn)出其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。例如，在微生物單細(xì)胞蛋白的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,常常利用糖蜜（制糖工業(yè)中含有蔗糖的廢液）、乳清（乳制品工業(yè)中含有乳糖的廢液）、豆制品工業(yè)廢液及黑廢液（造紙工業(yè)中含有戊糖和己糖的亞硫酸紙漿）等都可作為培養(yǎng)基的原料。再如，工業(yè)上的甲烷發(fā)酵主要利用廢水、廢渣作原料，而在我國(guó)農(nóng)村，已推廣利用人畜糞便及禾草為原料發(fā)酵生產(chǎn)甲烷作為燃料。另外，大量的農(nóng)副產(chǎn)品或制品，如麩皮、米糠、玉米漿、酵母浸膏、酒糟、豆餅、花生餅、蛋白胨等都是常用的發(fā)酵工業(yè)原料。.滅菌處理要獲得微生物純培養(yǎng)，必須避免雜菌污染，因此對(duì)所用器材及工作場(chǎng)所進(jìn)行消毒與滅菌。對(duì)培養(yǎng)基而言，更是要進(jìn)行嚴(yán)格的滅菌。對(duì)培養(yǎng)基一般采取高壓蒸汽滅菌，一般培養(yǎng)基用1.05kg/cm2,121.3℃15-30分鐘可達(dá)到滅菌目的。在高壓蒸汽滅菌過(guò)程中，長(zhǎng)時(shí)間高溫會(huì)使某些不耐熱物質(zhì)遭到破壞，如使糖類(lèi)物質(zhì)形成氨基糖、焦糖，因此含糖培養(yǎng)基常用0.56kg/cm2,112.6℃15-30分鐘進(jìn)行滅菌，對(duì)某些對(duì)糖要求較高的培養(yǎng)基，可先將糖進(jìn)行過(guò)濾除菌或間歇滅菌，再與其他已滅菌的成份混合；長(zhǎng)時(shí)間高溫還會(huì)引起磷酸鹽、碳酸鹽與某些陽(yáng)離子（特別是鈣、鎂、鐵離子）結(jié)合形成難溶性復(fù)合物而產(chǎn)生沉淀，因此，在配制用于觀察和定量測(cè)定微生物生長(zhǎng)狀況的合成培養(yǎng)基時(shí),常需在培養(yǎng)基中加入少量螯合劑,避免培養(yǎng)基中產(chǎn)生沉淀而影響O.D.值的測(cè)定，常用的螯合劑為乙二胺四乙酸（EDTA）。還可以將含鈣、鎂、鐵等離子的成份與磷酸鹽、碳酸鹽分別進(jìn)行滅菌，然后再混合，避免形成沉淀；高壓蒸汽滅菌后，培養(yǎng)基pH會(huì)發(fā)生改變（一般使pH降低），可根據(jù)所培養(yǎng)微生物的要求，在培養(yǎng)基滅菌前后加以調(diào)整。在配制培養(yǎng)基過(guò)程中,泡沫的存在對(duì)滅菌處理極不利,因?yàn)榕菽械目諝庑纬筛魺釋?使泡沫中微生物難以被殺死。因而有時(shí)需要在培養(yǎng)基中加入消泡沫劑以減少泡沫的產(chǎn)生，或適當(dāng)提高滅菌溫度，延長(zhǎng)滅菌時(shí)間。二、培養(yǎng)基的類(lèi)型及應(yīng)用培養(yǎng)基種類(lèi)繁多,根據(jù)其成份、物理狀態(tài)和用途可將培養(yǎng)基分成多種類(lèi)型。.按成份不同劃分（1）天然培養(yǎng)基（complexmedium）這類(lèi)培養(yǎng)基主要以化學(xué)成分還不清楚或化學(xué)成分不恒定的天然有機(jī)物組成牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基和麥芽汁培養(yǎng)基就屬于此類(lèi)。基因克隆技術(shù)中常用的LB(Luria-Bertani)培養(yǎng)基也是一種復(fù)合培養(yǎng)基,其組成見(jiàn)表4-10常用的天然有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)包括牛肉浸膏、蛋白胨、酵母浸膏(表4-11)、豆芽汁、玉米粉、土壤浸液、麩皮、牛奶、血清、稻草浸汁、羽毛浸汁、胡羅卜汁、椰子汁等嗜糞微生物(coprophilousmicroorganisms)可以利用糞水作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。復(fù)合培養(yǎng)基成本較低，除在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常使用外,也適于用來(lái)進(jìn)行工業(yè)上大規(guī)模的微生物發(fā)酵生產(chǎn)。表4-11牛肉浸膏、蛋白胨及酵母浸膏的來(lái)源及主要成份營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)源主要成份牛肉浸膏瘦牛肉組織浸出汁濃縮而成的膏狀物質(zhì)富含水溶性碳水化合物、有機(jī)氮化合物、維生素、鹽等蛋白胨將肉、酪素或明膠用酸或蛋白酶水解后干燥而成的粉末狀物質(zhì)富含有機(jī)氮化合物、也含有一些維生素和碳水化合物酵母浸膏酵母細(xì)胞的水溶性提取物濃縮而成的膏狀物質(zhì)富含B類(lèi)維生素，也含有有機(jī)氮化合物和碳水化合物(2)合成培養(yǎng)基(syntheticmedium)合成培養(yǎng)基是由化學(xué)成份完全了解的物質(zhì)配制而成的培養(yǎng)基，也稱(chēng)化學(xué)限定培養(yǎng)基(chemicallydefinedmedium),高氏1號(hào)培養(yǎng)基和查氏培養(yǎng)基就屬于此種類(lèi)型。配制合成培養(yǎng)基時(shí)重復(fù)性強(qiáng),但與天然培養(yǎng)基相比其成本較高，微生物在其中生長(zhǎng)速度較慢,一般適于在實(shí)驗(yàn)室用來(lái)進(jìn)行有關(guān)微生物營(yíng)養(yǎng)需求、代謝、分類(lèi)鑒定、生物量測(cè)定、菌種選育及遺傳分析等方面的研究工作。.根據(jù)物理狀態(tài)劃分根據(jù)培養(yǎng)基中凝固劑的有無(wú)及含量的多少,可將培養(yǎng)基劃分為固體培養(yǎng)基、半固體培養(yǎng)基和液體培養(yǎng)基三種類(lèi)型。(1)固體培養(yǎng)基(solidmedium)在液體培養(yǎng)基中加入一定量凝固劑即為固體培養(yǎng)基。理想的凝固劑應(yīng)具備以下條件：1.不被所培養(yǎng)的微生物分解利用;2.在微生物生長(zhǎng)的溫度范圍內(nèi)保持固體狀態(tài)。在培養(yǎng)嗜熱細(xì)菌時(shí),由于高溫容易引起培養(yǎng)基液化,通常在培養(yǎng)基中適當(dāng)增加凝固劑來(lái)解決這一問(wèn)題;3.凝固劑凝固點(diǎn)溫度不能太低,否則將不利于微生物的生長(zhǎng);4.凝固劑對(duì)所培養(yǎng)的微生物無(wú)毒害作用;5.凝固劑在滅菌過(guò)程中不會(huì)被破壞;6.透明度好,粘著力強(qiáng);7.配制方便且價(jià)格低廉。常用的凝固劑有瓊脂(agar)、明膠(gelatin)和硅膠(silicagel)。表4-12列出瓊脂和明膠的一些主要特征。對(duì)絕大多數(shù)微生物而言,瓊脂是最理想的凝固劑,瓊脂是由藻類(lèi)(海產(chǎn)石花菜)中提取的一種高度分支的復(fù)雜多糖；明膠是由膠原蛋白制備得到的產(chǎn)物是最早用來(lái)作為凝固劑的物質(zhì),但由于其凝固點(diǎn)太低,而且某些細(xì)菌和許多真菌產(chǎn)生的非特異性胞外蛋白酶以及梭菌產(chǎn)生的特異性膠原酶都能液化明膠，目前已較少作為凝固劑；硅膠是由無(wú)機(jī)的硅酸鈉(Na2SiO3)及硅酸鉀(K2SiO3)被鹽酸及硫酸中和時(shí)凝聚而成的膠體,它不含有機(jī)物,適合配制分離與培養(yǎng)自養(yǎng)型微生物的培養(yǎng)基。表4-12瓊脂與明膠主要特征比較內(nèi)容瓊脂明膠常用濃度(%)1.5~25~12溶點(diǎn)(℃)9625凝固點(diǎn)(℃)4020pH微酸酸性灰份(%)1614~15氧化鈣(%)1.150氧化鎂(%)0.770氮(%)0.418.3微生物利用能力絕大多數(shù)微生物不能利用許多微生物能利用除在液體培養(yǎng)基中加入凝固劑制備的固體培養(yǎng)基外,一些由天然固體基質(zhì)制成的培養(yǎng)基也屬于固體培養(yǎng)基。例如，由馬鈴薯塊、胡羅卜條、小米、麩皮及米糠等制成固體狀態(tài)的培養(yǎng)基就屬于此類(lèi)。如生產(chǎn)酒的酒曲，生產(chǎn)食用菌的棉子殼培養(yǎng)基。在實(shí)驗(yàn)室中，固體培養(yǎng)基一般是加入平皿或試管中，制成培養(yǎng)微生物的平板或斜面。固體培養(yǎng)基為微生物提供一個(gè)營(yíng)養(yǎng)表面,單個(gè)微生物細(xì)胞在這個(gè)營(yíng)養(yǎng)表面進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖可以形成單個(gè)菌落。固體培養(yǎng)基常用來(lái)進(jìn)行微生物的分離、鑒定、活菌計(jì)數(shù)及菌種保藏等。(2)半固體培養(yǎng)基(semisolidmedium)半固體培養(yǎng)基中凝固劑的含量比固體培養(yǎng)基少,培養(yǎng)基中瓊脂量一般為0.2~0.7%。半固體培養(yǎng)基常用來(lái)觀察微生物的運(yùn)動(dòng)特征、分類(lèi)鑒定及噬菌體效價(jià)滴定等。(3)液體培養(yǎng)基(liquidmedium)液體培養(yǎng)基中未加任何凝固劑。在用液體培養(yǎng)基培養(yǎng)微生物時(shí),通過(guò)振蕩或攪拌可以增加培養(yǎng)基的通氣量，同時(shí)使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)分布均勻。液體培養(yǎng)基常用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)以及在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行微生物的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用方面的研究。.按用途劃分(1)基礎(chǔ)培養(yǎng)基(minimummedium)盡管不同微生物的營(yíng)養(yǎng)需求各不相同，但大多數(shù)微生物所需的基本營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是相同的。基礎(chǔ)培養(yǎng)基是含有一般微生物生長(zhǎng)繁殖所需的基本營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)基。牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基是最常用的基礎(chǔ)培養(yǎng)基。基礎(chǔ)培養(yǎng)基也可以作為一些特殊培養(yǎng)基的基礎(chǔ)成份，再根據(jù)某種微生物的特殊營(yíng)養(yǎng)需求,在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。(2)加富培養(yǎng)基(enrichmentmedium)加富培養(yǎng)基也稱(chēng)營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基,即在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入某些特殊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)制成的一類(lèi)營(yíng)養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基,這些特殊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)包括血液、血清、酵母浸膏、動(dòng)植物組織液等。加富培養(yǎng)基一般用來(lái)培養(yǎng)營(yíng)養(yǎng)要求比較苛刻的異養(yǎng)型微生物，如培養(yǎng)百日咳博德氏菌(Bordetellapertussis)需要含有血液的加富培養(yǎng)基。加富培養(yǎng)基還可以用來(lái)富集和分離某種微生物,這是因?yàn)榧痈慌囵B(yǎng)基含有某種微生物所需的特殊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，該種微生物在這種培養(yǎng)基中較其他微生物生長(zhǎng)速度快并逐漸富集而占優(yōu)勢(shì),逐步淘汰其他微生物,從而容易達(dá)到分離該種微生物的目的。從某種意義上講,加富培養(yǎng)基類(lèi)似選擇培養(yǎng)基,兩者區(qū)別在于，加富培養(yǎng)基是用來(lái)增加所要分離的微生物的數(shù)量，使其形成生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，從而分離到該種微生物；選擇培養(yǎng)基則一般是抑制不需要的微生物的生長(zhǎng)，使所需要的微生物增殖，從而達(dá)到分離所需微生物的目的。(3)鑒別培養(yǎng)基(differentialmedium)鑒別培養(yǎng)基是用于鑒別不同類(lèi)型微生物的培養(yǎng)基。在培養(yǎng)基中加入某種特殊化學(xué)物質(zhì),某種微生物在培養(yǎng)基中生長(zhǎng)后能產(chǎn)生某種代謝產(chǎn)物，而這種代謝產(chǎn)物可以與培養(yǎng)基中的特殊化學(xué)物質(zhì)發(fā)生特定的化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生明顯的特征性變化,根據(jù)這種特征性變化,可將該種微生物與其他微生物區(qū)分開(kāi)來(lái)。鑒別培養(yǎng)基主要用于微生物的快速分類(lèi)鑒定，以及分離和篩選產(chǎn)生某種代謝產(chǎn)物的微生物菌種。常用的一些鑒別培養(yǎng)基見(jiàn)表4-13表4-13一些鑒別培養(yǎng)基培養(yǎng)基名稱(chēng)加入化學(xué)物質(zhì)微生物代謝產(chǎn)物培養(yǎng)基特征性變化主要用途

酪素培養(yǎng)基酪素胞外蛋白酶蛋白水解圈鑒別產(chǎn)蛋白酶菌株明膠培養(yǎng)基明膠胞外蛋白酶明膠液化鑒別產(chǎn)蛋白酶菌株油脂培養(yǎng)基食用油、土溫、中性紅指示劑胞外脂肪酶由淡紅色變成深紅色鑒別產(chǎn)脂肪酶菌株淀粉培養(yǎng)基可溶性淀粉胞外淀粉酶淀粉水解圈鑒別產(chǎn)淀粉酶菌株H2S試驗(yàn)培關(guān)苴養(yǎng)基醋酸鉛H2S產(chǎn)生黑色沉淀鑒別產(chǎn)H2S菌株糖發(fā)酵培養(yǎng)基澳甲酚紫乳酸、醋酸、丙酸等由紫色變成黃色鑒別腸道細(xì)菌遠(yuǎn)藤氏培養(yǎng)基堿性復(fù)紅、亞硫酸鈉酸、乙醛帶金屬光澤深紅色菌落鑒別水中大腸菌群伊紅美藍(lán)培關(guān)苴養(yǎng)基伊紅、美藍(lán)酸帶金屬光澤深紫色菌落鑒別水中大腸菌群(4)選擇培養(yǎng)基(selectivemedium)選擇培養(yǎng)基是用來(lái)將某種或某類(lèi)微生物從混雜的微生物群體中分離出來(lái)的培養(yǎng)基。根據(jù)不同種類(lèi)微生物的特殊營(yíng)養(yǎng)需求或?qū)δ撤N化學(xué)物質(zhì)的敏感性不同，在培養(yǎng)基中加入相應(yīng)的特殊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或化學(xué)物質(zhì)，抑制不需要的微生物的生長(zhǎng),有利于所需微生物的生長(zhǎng)。一種類(lèi)型選擇培養(yǎng)基是依據(jù)某些微生物的特殊營(yíng)養(yǎng)需求設(shè)計(jì)的，例如，利用以纖維素或石蠟油作為唯一碳源的選擇培養(yǎng)基，可以從混雜的微生物群體中分離出能分解纖維素或石蠟油的微生物;利用以蛋白質(zhì)作為唯一氮源的選擇培養(yǎng)基，可以分離產(chǎn)胞外蛋白酶的微生物;缺乏氮源的選擇培養(yǎng)基可用來(lái)分離固氮微生物。另一類(lèi)選擇培養(yǎng)基是在培養(yǎng)基中加入某種化學(xué)物質(zhì),這種化學(xué)物質(zhì)沒(méi)有營(yíng)養(yǎng)作用,對(duì)所需分離的微生物無(wú)害,但可以抑制或殺死其他微生物,例如,在培養(yǎng)基中加入數(shù)滴10%酚可以抑制細(xì)菌和霉菌的生長(zhǎng),從而由混雜的微生物群體中分離出放線(xiàn)菌;在培養(yǎng)基中加入亞硫酸鉍,可以抑制革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌和絕大多數(shù)革蘭氏陰性細(xì)菌的生長(zhǎng)而革蘭氏陰性的傷寒沙門(mén)氏菌(Salmonellatyphi)可以在這種培養(yǎng)基上生長(zhǎng)；在培養(yǎng)基中加入染料亮綠(brilliantgreen)或結(jié)晶紫(crystalviolet),可以抑制革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌的生長(zhǎng),從而達(dá)到分離革蘭氏陰性細(xì)菌的目的;在培養(yǎng)基中加入青霉素、四環(huán)素或鏈霉素，可以抑制細(xì)菌和放線(xiàn)菌生長(zhǎng)，而將酵母菌和霉菌分離出來(lái)。現(xiàn)代基因克隆技術(shù)中也常用選擇培養(yǎng)基,在篩選含有重組質(zhì)粒的基因工程菌株過(guò)程中,利用質(zhì)粒上具有的對(duì)某種(些)抗生素的抗性選擇標(biāo)記,在培養(yǎng)基中加入相應(yīng)抗生素,就能比較方便地淘汰非重組菌株,以減少篩選目標(biāo)菌株的工作量。在實(shí)際應(yīng)用中,有時(shí)需要配制既有選擇作用又有鑒別作用的培養(yǎng)基。例如，當(dāng)要分離金黃色葡萄球菌時(shí),在培養(yǎng)基中加入7.5%NaCl、甘露糖醇和酸堿指示劑,金黃色葡萄球菌可耐高濃度NaCl,且能利用甘露糖醇產(chǎn)酸。因此，能在上述培養(yǎng)基生長(zhǎng)，而且菌落周?chē)囵B(yǎng)基顏色發(fā)生變化，則該菌落有可能是金黃色葡萄球菌,再通過(guò)進(jìn)一步鑒定加以確定。(4)其它 I除上述四種主要類(lèi)型外，培養(yǎng)基按用途劃分還有很多種，比如：分析培養(yǎng)基 (assaymedium)常用來(lái)分析某些化學(xué)物質(zhì)(抗生素、維生素)的濃度，還可用來(lái)分析微生物的營(yíng)養(yǎng)需求；還原性培養(yǎng)基(reducedmedium)專(zhuān)門(mén)用來(lái)培養(yǎng)厭氧型微生物；組織培養(yǎng)物培養(yǎng)基(tissue-culturemidium)含有動(dòng)、植物細(xì)胞，用來(lái)培養(yǎng)病毒、衣原體(chlamydia)、立克次氏體(rickettsia)及某些螺旋體(spirochete)等專(zhuān)性活細(xì)胞寄生的微生物。盡管如此，有些病毒和立克次氏體目前還不能利用人工培養(yǎng)基來(lái)培養(yǎng)，需要接種在動(dòng)植物體內(nèi)、動(dòng)植物組織中才能增殖。常用的培養(yǎng)病毒與立克次氏體的動(dòng)物有小白鼠、家鼠和豚鼠，雞胚也是培養(yǎng)某些病毒與立克次氏體的良好營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)，雞瘟病毒、牛痘病毒、天花病毒、狂犬病毒等十幾種病毒也可用雞胚培養(yǎng)。瓊脂一從餐桌到實(shí)驗(yàn)臺(tái)最早用來(lái)培養(yǎng)微生物的人工配制的培養(yǎng)基是液體狀態(tài)的，但是，用液體培養(yǎng)基分離并獲得微生物純培養(yǎng)非常困難：將混雜的微生物樣品進(jìn)行系列稀釋?zhuān)钡狡骄總€(gè)培養(yǎng)管中只有一個(gè)微生物個(gè)體，進(jìn)而獲得微生物純培養(yǎng)物。此方法不僅煩瑣，而且重復(fù)性差，并常導(dǎo)致純培養(yǎng)物被雜菌污染。因此，在早期微生物學(xué)研究中，分離(病原)微生物的進(jìn)展相當(dāng)緩慢。利用固體培養(yǎng)基分離培養(yǎng)微生物的技術(shù)，首先是由德國(guó)細(xì)菌學(xué)家RobertKoch及其助手建立的。1881年，Koch發(fā)表論文介紹利用土豆片分離微生物的方法，其作法是：用灼燒滅菌的刀片將煮熟的土豆切成片，然后用針尖挑取微生物樣品在土豆片表面劃線(xiàn)接種，經(jīng)培養(yǎng)后可獲得微生物的純培養(yǎng)。上述方法的缺點(diǎn)是一些細(xì)菌在土豆培養(yǎng)基上生長(zhǎng)狀態(tài)較差。幾乎在同時(shí)，Koch的助手FrederickLoeffler發(fā)展了利用肉膏蛋白胨培養(yǎng)基培養(yǎng)病原細(xì)菌的方法，Koch決定采取方法固化此培養(yǎng)基。值得提及的是，Koch還是一個(gè)業(yè)余攝影家，是他首先拍出細(xì)菌的顯微照片，具有利用銀鹽和明膠制備膠片的豐富經(jīng)驗(yàn)。作為一名知識(shí)淵博的杰出科學(xué)家，Koch將其制備膠片方面的知識(shí)應(yīng)用到微生物學(xué)研究方面，他將明膠和肉膏蛋白胨培養(yǎng)基混合后鋪在玻璃平板上，讓其凝固，然后采取在土豆片表面劃線(xiàn)接種的同樣方法在其表面接種微生物，獲得純培養(yǎng)。使用這種培養(yǎng)基效果良好，但由于明膠溶點(diǎn)低，而且容易被一些微生物分解利用，其使用受到限制。有意思的是，Koch一名助手的妻子FannieEilshemiusHesse,具有豐富的廚房經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)她聽(tīng)說(shuō)明膠作為凝固劑遇到的問(wèn)題后，提議以廚房中用來(lái)做果胨的瓊脂代替明膠。1882年，瓊脂就開(kāi)始作為凝固劑用于固體培養(yǎng)基的配制，這樣，瓊脂從餐桌走向了實(shí)驗(yàn)臺(tái)，為微生物學(xué)發(fā)展起到重要作用，一百多年來(lái)，一直延用至今，是培養(yǎng)基最好的凝固劑。第三節(jié)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能否被微生物利用的一個(gè)決定性因素是這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能否進(jìn)入微生物細(xì)胞。只有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞后才能被微生物細(xì)胞內(nèi)的新陳代謝系統(tǒng)分解利用，進(jìn)而使微生物正常生長(zhǎng)繁殖。影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的的因素主要有三個(gè)：其一是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)本身的性質(zhì)。分子量、溶解性、電負(fù)性、極性等都影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的難易程度。其二是微生物所處的環(huán)境。溫度通過(guò)影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的溶解度、細(xì)胞膜的流動(dòng)性及運(yùn)輸系統(tǒng)的活性來(lái)影響微生物的吸收能力；pH和離子強(qiáng)度通過(guò)影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的電離程度來(lái)影響其進(jìn)入細(xì)胞的能力。例如，當(dāng)環(huán)境pH比胞內(nèi)pH高時(shí)，弱堿性的甲胺進(jìn)入大腸桿菌后以帶正電荷的形式存在，而這種狀態(tài)的甲胺不容易分泌而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)甲胺濃度升高，當(dāng)環(huán)境pH比胞內(nèi)pH低時(shí)，甲胺以帶正電荷的形式存在于環(huán)境中而難以進(jìn)入細(xì)胞，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)甲胺濃度降低；當(dāng)環(huán)境中存在誘導(dǎo)物質(zhì)運(yùn)輸系統(tǒng)形成的物質(zhì)時(shí)，有利于微生物吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。而環(huán)境中存在的代謝過(guò)程抑制劑、解偶聯(lián)劑以及能與原生質(zhì)膜上的蛋白質(zhì)或脂類(lèi)物質(zhì)等成份發(fā)生作用的物質(zhì)(如巰基試劑、重金屬離子等)都可以在不同程度上影響物質(zhì)的運(yùn)輸速率。另外，環(huán)境中被運(yùn)輸物質(zhì)的結(jié)構(gòu)類(lèi)似物也影響微生物細(xì)胞吸收被運(yùn)輸物質(zhì)的速率，例如L-刀豆氨酸、L-賴(lài)氨酸或D-精氨酸都能降低釀酒酵母吸收L-精氨酸的能力。其三是微生物細(xì)胞的透過(guò)屏障(permeabilitybarrier)。所有微生物都具有一種保護(hù)機(jī)體完整性且能限制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的透過(guò)屏障,滲透屏障主要由原生質(zhì)膜、細(xì)胞壁、莢膜及粘液層等組成的結(jié)構(gòu)。莢膜與粘液層的結(jié)構(gòu)較為疏松，對(duì)細(xì)胞吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)影響較小。革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌由于細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)較為緊密，對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收有一定的影響，分子量大于10000的葡聚糖難以通過(guò)這類(lèi)細(xì)菌的細(xì)胞壁。真菌和酵母菌細(xì)胞壁只能允許分子量較小的物質(zhì)通過(guò)。與細(xì)胞壁相比，原生質(zhì)膜在控制物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的過(guò)程中起著更為重要的作用，它對(duì)跨膜運(yùn)輸(transportacrossmembrane)的物質(zhì)具有選擇性,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸是本節(jié)著重探討的問(wèn)題。根據(jù)物質(zhì)運(yùn)輸過(guò)程的特點(diǎn)，可將物質(zhì)的運(yùn)輸方式分為擴(kuò)散、促進(jìn)擴(kuò)散、主動(dòng)運(yùn)輸與膜泡運(yùn)輸。、擴(kuò)散(diffusion)原生質(zhì)膜是一種半透膜，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)原生質(zhì)膜上的含水小孔，由高濃度的胞外（內(nèi)）環(huán)境向低濃度的胞內(nèi)（外）進(jìn)行擴(kuò)散。擴(kuò)散是非特異性的，但原生質(zhì)膜上的含水小孔的大小和形狀對(duì)參與擴(kuò)散的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分子有一定的選擇性。物質(zhì)在擴(kuò)散過(guò)程中，既不與膜上的各類(lèi)分子發(fā)生反應(yīng)，自身分子結(jié)構(gòu)也不發(fā)生變化。擴(kuò)散是一種最簡(jiǎn)單的物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式為純粹的物理學(xué)過(guò)程,在擴(kuò)散過(guò)程中不消耗能量,物質(zhì)擴(kuò)散的動(dòng)力來(lái)自參與擴(kuò)散的物質(zhì)在膜內(nèi)外的濃度差,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不能逆濃度運(yùn)輸。物質(zhì)擴(kuò)散的速率隨原生質(zhì)膜內(nèi)外營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度差的降低而減小，直到膜內(nèi)外營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度相同時(shí)才達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。由于原生質(zhì)膜主要由磷脂雙分子層和蛋白質(zhì)組成而且膜上分布有含水膜孔,膜內(nèi)外表面為極性表面,中間為疏水層,因而物質(zhì)跨膜擴(kuò)散的能力和速率與該物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān),分子量小、脂溶性、極性小的物質(zhì)易通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)出細(xì)胞。另外,溫度高時(shí),原生質(zhì)膜的流動(dòng)性增加,有利于物質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)出細(xì)胞，而pH與離子強(qiáng)度通過(guò)影響物質(zhì)的電離程度而影響物質(zhì)的擴(kuò)散速率。擴(kuò)散并不是微生物細(xì)胞吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要方式,水是唯一可以通過(guò)擴(kuò)散自由通過(guò)原生質(zhì)膜的分子,脂肪酸、乙醇、甘油、苯、一些氣體分子（O2、CO2）及某些氨基酸在一定程度上也可通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)出細(xì)胞。二、促進(jìn)擴(kuò)散（facilitateddiffusion）與擴(kuò)散一樣，促進(jìn)擴(kuò)散也是一種被動(dòng)的物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式，在這個(gè)過(guò)程中不消耗能量，參與運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)本身的分子結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，不能進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸，運(yùn)輸速率與膜內(nèi)外物質(zhì)的濃度差成正比。促進(jìn)擴(kuò)散與擴(kuò)散的主要區(qū)別在于通過(guò)促進(jìn)擴(kuò)散進(jìn)行跨膜運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)需要借助與載體（carrier）的作用才能進(jìn)入細(xì)胞（圖4-1），而且每種載體只運(yùn)輸相應(yīng)的物質(zhì)，具有較高的專(zhuān)一性。被運(yùn)輸物質(zhì)與相應(yīng)載體之間存在一種親和力，而且這種親和力在原生質(zhì)膜內(nèi)外的大小不同，當(dāng)物質(zhì)與相應(yīng)載體在胞外親和力大而在胞內(nèi)親和力小時(shí)，通過(guò)被運(yùn)輸物質(zhì)與相應(yīng)載體之間親和力的大小變化，使該物質(zhì)與載體發(fā)生可逆性的結(jié)合與分離，導(dǎo)致物質(zhì)穿過(guò)原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞。被運(yùn)輸物質(zhì)與載體之間親和力大小變化是通過(guò)載體分子的構(gòu)象變化而實(shí)現(xiàn)的。參與圖4-1促進(jìn)擴(kuò)散示意圖促進(jìn)擴(kuò)散的載體主要是一些蛋白質(zhì),這些蛋白質(zhì)能促進(jìn)物質(zhì)進(jìn)行跨膜運(yùn)輸,自身在這個(gè)過(guò)程中不發(fā)生化學(xué)變化,而且在促進(jìn)擴(kuò)散中載體只影響物質(zhì)的運(yùn)輸速率,并不改變?cè)撐镔|(zhì)在膜內(nèi)外形成的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),被運(yùn)輸物質(zhì)在膜內(nèi)外濃度差越大,促進(jìn)擴(kuò)散的速率越快,但是當(dāng)被運(yùn)輸物質(zhì)濃度過(guò)高而使載體蛋白飽和時(shí),運(yùn)輸速率就不再增加,這些性質(zhì)都類(lèi)似于酶的作用特征,因此載體蛋白也稱(chēng)為透過(guò)酶(permease)。透過(guò)酶大都是誘導(dǎo)酶,只有在環(huán)境中存在機(jī)體生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)時(shí)，相應(yīng)的透過(guò)酶才合成。通過(guò)促進(jìn)擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要有氨基酸、單糖、維生素及無(wú)機(jī)鹽等。一般微生物通過(guò)專(zhuān)一的載體蛋白運(yùn)輸相應(yīng)的物質(zhì),但同時(shí)微生物對(duì)同一物質(zhì)的運(yùn)輸由一種以上的載體蛋白來(lái)完成,例如鼠傷寒沙門(mén)氏菌(Salmonellatyphimuriu)m利用四種不同載體蛋白運(yùn)輸組氨酸釀酒酵母(Saccharomycescerevisia。有三種不同的載體蛋白來(lái)完成葡萄糖的運(yùn)輸。另外,某些載體蛋白可同時(shí)完成幾種物質(zhì)的運(yùn)輸，例如大腸桿菌可通過(guò)一種載體蛋白完成亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸的運(yùn)輸,但這種載體蛋白對(duì)這三種氨基酸的運(yùn)輸能力有差別。除以蛋白質(zhì)載體介導(dǎo)的促進(jìn)擴(kuò)散外,一些抗菌素可以通過(guò)提高膜的離子通透性而促進(jìn)離子進(jìn)行跨膜運(yùn)輸。短桿菌肽A是由15個(gè)L型和D型氨基酸交替連接而成的短肽,兩個(gè)短桿菌肽A分子可在膜上形成含水通道,離子可以穿過(guò)此通道進(jìn)行跨膜運(yùn)輸;纈氨霉素是一種環(huán)狀分子,K+可結(jié)合在環(huán)狀分子中心,而環(huán)狀分子外周的碳?xì)滏準(zhǔn)沟迷搹?fù)合物能穿過(guò)膜的疏水性中心,從而促進(jìn)K+的跨膜運(yùn)輸,在這個(gè)過(guò)程中，纈氨霉素實(shí)際上起到載體的作用。三、主動(dòng)運(yùn)輸(activetransport)主動(dòng)運(yùn)輸是廣泛存在于微生物中的一種主要的物質(zhì)運(yùn)輸方式。與擴(kuò)散及促進(jìn)擴(kuò)散這兩種被動(dòng)運(yùn)輸(passivetransport)方式相比,主動(dòng)運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)重要特點(diǎn)是在物質(zhì)運(yùn)輸過(guò)程中需要消耗能量,而且可以進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸。在主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程中，運(yùn)輸物質(zhì)所需能量來(lái)源因微生物不同而不同,好氧型微生物與兼性厭氧微生物直接利用呼吸能厭氧型微生物利用化學(xué)能(ATP),光合微生物利用光能，嗜鹽細(xì)菌通過(guò)紫膜(purplemembrane)利用光能。主動(dòng)運(yùn)輸與促進(jìn)擴(kuò)散類(lèi)似之處在于物質(zhì)運(yùn)輸過(guò)程中同樣需要載體蛋白,載體蛋白通過(guò)構(gòu)象變化而改變與被運(yùn)輸物質(zhì)之間的親和力大小,使兩者之間發(fā)生可逆性結(jié)合與分離,從而完成相應(yīng)物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸,區(qū)別在于主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程中的載體蛋白構(gòu)象變化需要消耗能量。主動(dòng)運(yùn)輸?shù)木唧w方式有多種,主要有初級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸、次級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸、基團(tuán)轉(zhuǎn)位、Na+,K+-ATP酶（Na+,K+-ATPase）系統(tǒng)及ATP偶聯(lián)主動(dòng)運(yùn)輸?shù)取?初級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸（primaryactivetransport）初級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸指由電子傳遞系統(tǒng)、ATP酶或細(xì)菌嗜紫紅質(zhì)引起的質(zhì)子運(yùn)輸方式,從物質(zhì)運(yùn)輸?shù)慕嵌瓤紤]是一種質(zhì)子的主動(dòng)運(yùn)輸方式。呼吸能、化學(xué)能和光能的消耗，引起胞內(nèi)質(zhì)子（或其他離子）外排,導(dǎo)致原生質(zhì)膜內(nèi)外建立質(zhì)子濃度差（或電勢(shì)差），使膜處于充能狀態(tài)（圖4-2）,即形成能化膜（energizedmembrane）。不同微生物的初級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸方式不同,好氧型微生物和兼性厭氧微生物在有氧條件下生長(zhǎng)時(shí),物質(zhì)在胞內(nèi)氧化釋放的電子在位于原生質(zhì)膜上的電子傳遞鏈上傳遞的過(guò)程中伴隨質(zhì)子外排;厭氧型微生物利用發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生ATP,在位于原生質(zhì)膜上的ATP酶的作用下,ATP水解生成ADP和磷酸,同時(shí)伴隨質(zhì)子向胞外分泌;光合微生物吸收光能后,光能激發(fā)產(chǎn)生的電子在電子傳遞過(guò)程中也伴隨質(zhì)子外排;嗜鹽細(xì)菌紫膜上的細(xì)菌嗜紫紅質(zhì)吸收光能后，引起蛋白質(zhì)分子中某些化學(xué)基團(tuán)pK值發(fā)生變化,導(dǎo)致質(zhì)子迅速轉(zhuǎn)移,在膜內(nèi)外建立質(zhì)子濃度差。.次級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸（secondaryactivetransport）通過(guò)初級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸建立的能化膜在質(zhì)子濃度差（或電勢(shì)差）消失的過(guò)程中，往往偶聯(lián)其他物質(zhì)的運(yùn)輸，包括以下三種方式：同向運(yùn)輸（symport）是指某種物質(zhì)與質(zhì)子通過(guò)同一載體按同一方向運(yùn)輸（圖4-2a）。除質(zhì)子外,其他帶電荷離子（如鈉離子）建立起來(lái)的電勢(shì)差也可引起同向運(yùn)輸。在大腸桿菌中，通過(guò)這種方式運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)主要有丙氨酸、絲氨酸、甘氨酸、谷氨酸、半乳糖、巖藻糖、蜜二糖、阿拉伯糖、乳酸、葡萄糖醛酸及某些陰離子（如HPO42-、HSO4-）等；逆向運(yùn)輸（antiport）是指某種物質(zhì)（如Na+）與質(zhì)子通過(guò)同一載體按相反方向進(jìn)