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微生物的营养与培养一、微生物的营养微生物的营养是指微生物从环境中吸收营养物质并加以利用的过程。
微生物同其他生物一样都是具有生命的，需要从它的生活环境中吸收所需的各种的营养物质来合成细胞物质和提供机体进行各种生理代谢所需的能量，使机体能进行生长与繁殖。
（一）微生物的营养要素细胞的组成：有蛋白质、核酸、碳水化合物、脂类和矿物质等。
微生物的基本营养1.碳源凡是可以被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的物质通称碳源。
碳源通常也是机体生长的能源。
能作为微生物生长的碳源的种类极其广泛，既有简单的无机含碳化合物CO2和碳酸盐等，也有复杂的天然的有机含碳化合物，它们是糖和糖的衍生物、脂类、醇类、有机酸、烃类、芳香族化合物以及各种含碳的化合物。
但是微生物不同，利用这些含碳化合物的能力也不相同。
目前在微生物发酵工业中，常根据不同微生物的需要，利用各种农副产品如玉米粉、米糠、麦麸、马铃薯、甘薯以及各种野生植物的淀粉，作为微生物生产廉价的碳源。
2．氮源微生物细胞中大约含氮5%—15%，它是微生物细胞蛋白质和核酸的主要成分。
微生物利用它在细胞内合成氨基酸，并进一步合成蛋白质、核酸等细胞成分。
因此，氮素对微生物的生长发育有着重要的意义。
无机氮源一般不用作能源，只有少数化能自养细菌能利用铵盐、硝酸盐作为机体生长的氮源与能源。
对于许多微生物来说，通常可以利用无机含氮化合物作为氮源，也可以利用有机含氮化合物作为氮源。
许多腐生型细菌、肠道菌、动植物致病菌一般都能利用铵盐或硝酸盐作为氮源。
例如大肠杆菌、产气杆菌、枯草杆菌、铜绿假单胞菌等都可以利用硫酸铵、硝酸铵作为氮源，放线菌可以利用硝酸钾作为氮源，霉菌可以利用硝酸钠作为氮源等。
在实验室和发酵工业中，常用的有机氮源有牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼粉、玉米浆等。
3．无机盐无机盐是微生物生长必不可少的一类营养物质，也是构成微生物细胞结构物质不可缺少的级成成分。
微生物营养方式微生物营养方式：1、光合作用光合作用是指微生物利用太阳光合成有机物的过程，它能够为微生物提供能量，使微生物生长、繁殖和代谢的过程获得满足。
光合作用是微生物最重要的营养途径，它利用太阳光将水和二氧化碳分解，将受这种分解作用的耗散能量，以及水和二氧化碳转化成糖类和有机酸，分解出的活性原子参与催化一系列体外或体内的氧化还原作用，使微生物受益。
2、摄食作用摄食作用是指微生物吸收利用外界物质满足营养需要的过程。
摄食作用是微生物最重要的营养方式，它的过程可分为外摄入作用和内摄入作用两种，微生物通过外摄入作用能够从外界净化一定数量的物质，这些物质包括各种有机分子和无机离子，在微生物体内与体液中有机分子相结合，成为微生物体内新生物质。
3、丝分裂过程丝分裂是指细菌T-形分裂时，中心染色体在T末端的区域发生的的螺旋分裂过程，它起到了把微生物体内的遗传物质和合成物均衡地分配到两个细胞中的作用，与此同时，它还能够使微生物数量急剧增长，从而帮助微生物更好地满足营养需要。
4、合成作用合成作用是指微生物利用体内的多种物质进行合成，以满足营养需要的过程，这个过程能够让微生物体内的活性原子参与某些路径，从而完成一定的反应。
合成作用能够使微生物体内的各种物质不断爆发出新的活性，促进微生物的生长和繁殖，从而满足微生物的营养需要。
5、糊精营养方式在糊精营养方式下，微生物体可以直接合成糊精，这种营养类型的微生物不依赖于光合作用而对外界某些物质的依赖性较小。
糊精营养体主要从合成糊精和调节细胞内氧化还原反应和代谢产物活性等方面获取能量，且糊精合成过程能够产生大量的能量，并有利于提高微生物的生长速率和繁殖速率。
6、化学反应式营养化学反应式营养是指微生物参与一系列化学反应获取能量来满足营养需要的过程。
化学反应式营养是微生物能够获得能量的重要途径，当微生物缺少氧或其他必需物质时，它们可以通过这种方式来获取能量，从而更好地满足其营养需要。
微生物的五大营养要素及其生理功能微生物是一类极为微小的生物体，包括细菌、真菌和病毒等。
它们以各种不同的方式获取营养，以维持其正常的生物学功能。
微生物的五大营养要素是碳、氮、磷、硫和微量元素。
下面将逐个介绍这些营养要素及其生理功能。
1.碳（C）：碳是微生物体内最重要的元素之一，它是构成有机物的基础。
微生物利用碳来合成细胞组成部分，如蛋白质、核酸、脂质和多糖。
碳还用于能量代谢过程中的有机物氧化，从而获取生命活动所需的能量。
微生物可以从有机和无机源中获取碳。
典型的有机源包括葡萄糖、果糖和乳糖等，而无机源主要是二氧化碳。
2.氮（N）：氮是微生物体内蛋白质和核酸的重要组成元素。
微生物通过氮的转化过程将氨、硝酸盐或有机氮转化为氨基酸，然后合成蛋白质。
微生物还能从一些无机氮化合物中获取能量，如硝酸盐的还原过程能产生反应所需的能量。
3.磷（P）：磷在微生物体内存在于DNA、RNA、ATP（三磷酸腺苷）和磷脂等有机物中。
微生物利用磷合成核酸和能量储存分子ATP，在细胞代谢和生长中起着重要作用。
磷还是微生物体内多元酸和磷脂酰胆碱等重要分子的组成元素。
4.硫（S）：硫在微生物体内存在于蛋白质和核酸的硫氨基酸（如蛋氨酸和半胱氨酸）中。
硫原子具有特定的化学性质，在蛋白质的折叠和稳定性中起着重要作用。
硫还参与微生物体内的代谢反应，如硫酸盐的还原和硫酸胺基酸的反应。
5.微量元素：微生物还需要一些微量元素来完成其生物学功能。
常见的微量元素包括铁（Fe）、锰（Mn）、镁（Mg）、锌（Zn）、铜（Cu）、钴（Co）和钼（Mo）等。
这些微量元素在微生物体内作为辅酶或酶的一部分，参与细胞的代谢过程。
总体而言，微生物的五大营养要素对其生物学功能起着至关重要的作用。
这些要素不仅是构成微生物体结构的基本组成成分，还是微生物体内许多重要化学反应的催化剂。
通过碳、氮、磷、硫和微量元素的摄取和转化，微生物能够完成其代谢过程、细胞增殖、免疫反应和生物修复等生理功能。
微生物的新陈代谢相关概念：微生物同其它生物一样，不断地进行新陈代谢。
通过代谢，微生物与外部环境进行物质和能量的交换，从环境中获得各种物质以合成细胞物质，提供生命活动所需的能量以及在新陈代谢中起调节作用。
这些物质称为营养物质，而微生物摄取和利用营养物质的过程称为营养。
微生物的营养类型相关概念：光能自养型的代表是高等植物、藻类、少量细菌。
光能异养型的代表是红螺菌科的细菌。
化能自养型的代表是氢细菌、硫细菌、铁细菌、硝化细菌。
化能异养型包括了几乎全部真菌、大多数细菌和放线菌。
特别地，绝大多数工业微生物都属于化能异养型。
化能异养型微生物又可分为寄生和腐生两种类型。
寄生是指一种生物寄居于另一种生物体内或体表，从而摄取宿主细胞的营养以维持生命的现象；腐生是指通过分解已死的生物或其它有机物，以维持自身正常生活的生活方式。
在寄生和腐生之间存在中间类型：兼性寄生、兼性腐生。
当微生物兼有两种营养类型时，光能先于化能，自养先于异养，并加以“专性”或“兼性”来描述营养的可变性。
例如：氢单胞菌是“兼性化能自养型”，红螺菌是“兼性光能异养型”。
微生物的营养物质分成六大营养要素：水、碳源、氮源、无机盐、生长因子、能源被动扩散的概念：营养物质顺浓度梯度，以扩散方式进入细胞的过程称为被动扩散。
被动扩散主要包括简单扩散和促进扩散。
两者的显著差异在于前者不借助载体，后者需要借助载体。
水、某些气体（如N2 、CO 2 、O2 ）、脂溶性物质（甘油、乙醇、苯）及少数氨基酸和盐可能采取简单扩散的方式通过细胞膜。
促进扩散主要在真核生物细胞中用于运输糖分，在原核生物中较少见。
主动运输的概念：营养物质逆自身浓度梯度由稀处向浓处移动，并在细胞内富集的过程称为主动运输。
主动运输分为简单主动运输和基团移位。
简单主动运输主要用于氨基酸、乳糖等糖类以及Na+、Ca2+等无机离子的运输。
若被运输的底物分子在膜内受到了共价修饰，以被修饰的形式进入细胞质的输送机制称为基团移位或基团转移。
这种运输是通过磷酸基团发生移位，即从磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）转移到被输送的基质分子上而实现的。
在运输过程中，消耗了磷酸烯醇式丙酮酸上的高能磷酸键。
基团移位主要用于许多单、双糖及糖的衍生物、核苷和核苷酸的运输。
主动运输中涉及到的几种载体概念：如果载体蛋白只是单纯地将某溶质从膜的一侧运输到另一侧，那么，它所形成的运输体系称为单一通道，该载体蛋白称为单向载体蛋白。
两个不同的分子或离子被同一载体蛋白以同样方向同时或相继运输的系统称为同向通道，该蛋白称为同向载体蛋白。
两个不同的分子或离子被同一载体蛋白以相反方向同时或相继运输的系统称为逆向通道，相应的蛋白称为逆向载体蛋白。
通过同向通道和逆向通道进行的物质运输统称为协同运输。
离子载体是一类可溶于脂双分子层的疏水性小分子，它可以增大脂双分子层对离子的透性，大多数离子载体由微生物合成，有的就是抗生素。
离子载体有两种模式：动态载体和静态载体。
洁霉素是链霉菌产生的一种抗生素，它是一种动态载体。
生长、繁殖、发育的相关概念：若同化作用大于异化作用，那么，细胞原生质不断增加，细胞的重量和体积不断增大，这就是生长。
对于单细胞微生物，细胞分裂的结果就是个体数量增加，这就是繁殖。
对于多细胞微生物而言，细胞数量的增加并不一定伴随着个体数目的增加，因此只能称为生长。
生物从生长到繁殖是一个量变到质变的发展过程，被称为发育。
生长是繁殖的基础，繁殖是生长的结果。
微生物生长的测定指标：由于测量方法的局限，所以，我们常以细胞数目的增加（即繁殖）来作为单细胞微生物生长的指标，这时所指的生长实际上是群体的生长。
对于单细胞微生物，既可取细胞数，也可选取细胞重量作为生长的指标；而对于多细胞（尤其是丝状真菌），常以菌丝生长的长度或菌丝的重量作为生长指标。
微生物生长的测定方法：直接法：显微计数法比色法或比浊法干重测定法菌丝长度测定法平皿菌落计数法液体稀释法粒子计数器法（又称电阻法）间接法：根据细胞组分含量进行估算从培养基成分的消耗量进行估算从细胞代谢产物来估算从发酵液的黏度来估量从发酵的放热量来估算从发酵液的酸碱度来估量微生物的分批培养相关概念：微生物在化学成分一定的培养基中进行培养称为分批培养或间歇培养。
细菌在分批培养的过程中，定时取样测定单位体积中的细胞数，以单位体积中的细胞数的对数为纵坐标，以培养时间为横坐标，就可得到细菌的繁殖曲线。
细菌是单细胞微生物，细菌的繁殖也就是群体的生长，所以，细菌的繁殖曲线又称细菌的生长曲线。
根据细菌生长曲线的变化规律，可把分批培养的全过程分为四个阶段：延迟期、对数生长期、稳定期、衰亡期。
丝状真菌的生长过程大致分为三个阶段：生长停滞期、迅速生长期、衰亡期。
连续培养中的菌体生长的重要特征：如果不断补充新鲜的培养基，同时排出含细胞及其代谢产物的发酵液，就有可能消除营养物质的不足及代谢产物的抑制作用，在理论上可以长期维持细胞处于对数生长期生长，细胞浓度、比生长速率和培养环境（如营养物和产物的浓度）将不随时间的变化而变化，这就是连续培养，又称开放培养中的菌体生长的重要特征。
同步分裂培养相关概念：同步分裂培养是通过一定手段，使培养物中所有的细胞处于同一生长阶段，使群体与个体的行为保持一致。
这种培养方式主要用于实验室中进行微生物细胞的生理生化研究。
使细胞分裂同步的手段主要有两种：诱导法和选择法。
最多只能同步分裂4~5代，有的仅能维持1代。
微生物的初级代谢产物与次级代谢产物：微生物的初级代谢是给予生物能量和生成中间产物的过程。
初级代谢生成的中间产物称为初级代谢产物，如：氨基酸、核苷酸、乙醇等，它们对微生物的生存是必需的，各种微生物形成的初级代谢产物种类也比较相似，这些产物的形成往往与微生物细胞的形成过程同步。
在微生物分批培养过程中，微生物生长的稳定期是这些产物的最佳收获时期。
另有一些代谢产物对微生物的生存、生长或繁殖并不是必需的，称为次级代谢产物，这些代谢产物的形成过程往往与微生物细胞生长过程不同步，在分批培养中，它们形成的高峰期往往在微生物生长的稳定期后期或衰亡期。
初级代谢产物的关键中间体多半是次级代谢产物的前体。
不同微生物形成的次级代谢产物的种类相差较大。
工业上发酵的概念：让所需的微生物大量繁殖，并进而产生大量的目标代谢产物的过程称为微生物发酵，这尤其是指工业上大规模的微生物培养。
“培养”和“发酵”两个概念是经常通用的。
固体培养的相关概念：固体培养就是利用固体培养基进行微生物的繁殖。
微生物贴附在营养基质表面生长，所以又称为表面培养。
一些丝状真菌也可进行生产规模的固体发酵。
在生产实践中，好氧真菌的固体培养方法都是将接种后的固体基质薄薄地摊铺在容器的表面，这样，既可使菌体获得充足的氧气，又可以将生长过程中产生的热量及时释放，这就是传统的曲法培养的基本原理。
进行固体培养的设备有较浅的曲盘、转鼓和通风曲槽等。
液体培养的相关概念：液体培养就是将微生物接种到液体培养基中进行培养。
由于大多数发酵微生物是好氧性的，而且微生物只能利用溶解氧，所以，如何保证在培养液中有较高的溶解氧浓度至关重要。
在实验室中进行好氧菌液体培养的方法主要有四类：⑴试管液体培养⑵浅层液体培养⑶摇瓶培养⑷台式发酵罐在生产实践中，液体培养有静置培养和通气培养两种类型。
静置培养适于厌氧菌发酵，如酒精、丙酮/丁醇、乳酸等发酵。
通气发酵适于好氧菌发酵，如抗生素、氨基酸、核苷酸等发酵。
具体的培养方法有：⑴浅盘培养⑵发酵罐深层培养大型发酵罐的发酵一般需分几级进行，使发酵的种子逐级扩大，以提高发酵罐的利用率和节约能源。
罐的级数一般是根据菌体繁殖速度以及发酵罐的容积而确定。
连续培养的相关概念：在对数生长期的培养容器中不断添加新鲜的培养基，同时不断放出代谢物，使微生物所需的营养及时得到补充，有害的代谢产物又能够及时排除，菌体的生长不受影响地始终处于对数生长期，这就是连续培养。
连续培养的控制方式主要有两类：恒化培养和恒浊培养。
恒化培养：保持培养液的流速不变，使培养罐内的营养物质浓度基本恒定，并使微生物始终在低于其最高生长速度的条件下进行繁殖，这种连续培养方式称为恒化培养。
所涉及的培养和控制装置称为恒化器。
恒浊培养：根据体系中微生物的生长密度，不断调整流加培养液的流速，以取得菌体密度和生长速度恒定的微生物细胞的培养方式称为恒浊培养。
所涉及的培养和控制装置称为恒浊器。
连续培养也可分级进行，以获取菌体与菌体生长同步产生的代谢产物为目标时，只要用单级连续培养器就可以满足研究或生产的需要。
若要获取与菌体生长不同步的次级代谢产物，就应该根据菌体和产物的产生规律，设计与其相适应的多级连续培养装置，第一级发酵罐以培养菌体为主，后几级发酵罐则以大量生产代谢产物为主。
连续培养的缺点：⑴连续培养是数百、数千小时的连续操作，它较易受杂菌的污染⑵连续培养的收率和产物浓度相对批式培养要低，这将不利于下游的提取操作⑶连续培养的营养物质利用率较低，这会增加生产成本⑷连续培养必须与整个行业的其它工序连贯进行，它对设备的要求较高，需要复杂的检测和控制系统⑸连续培养更易受菌种退化的影响，因为退化菌往往比生产菌更具有生长优势，少数退化菌经过长时间的培养，会逐渐占据优势，从而造成减产。
补料分批培养的概念：补料分批培养是根据菌体生长和初始培养基的特点，在分批培养的某些阶段适当补加培养基，使菌体或其它代谢产物的生产时间延长。
广义上讲，微生物培养过程中补充酸或碱以调节发酵液pH值的过程也属于补料分批培养。
细胞固定化的概念：细胞固定化主要是通过包埋法、微胶囊化、吸附法等手段，将微生物细胞限制在载体的内部或表面。
菌种保藏的相关概念：菌种保藏的目的是保证菌种经过较长时间后仍然保持生活能力，不受杂菌污染，形态特征和生理性状应尽可能不发生变异，以便长期使用。
菌种保藏的原理：选用优良的纯种，最好是休眠体（分生孢子、芽孢），创造一个使微生物代谢不活泼，生长繁殖受抑制，难以突变的环境条件。
其环境要素是干燥、低温、缺氧、缺营养以及添加保护剂。
常用的菌种保藏方法：定期移植保藏法液体石蜡保藏法沙管保藏法、土壤保藏法麸皮保藏法蒸馏水保藏法冷冻干燥保藏法液氮超低温保藏法甘油保藏法菌种退化的相关概念：菌种退化是发生在细胞群体中一个由量变到质变的逐渐演化过程。
首先，在细胞群体中出现个别发生负变的菌株，这时如不及时发现并采取有效的措施，而一味地移种传代，则群体中这种负变个体的比例逐渐增大，最后占据了优势，使整个群体发生严重的退化。
菌种退化的原因：⑴基因突变⑵分离现象菌种退化的防治：⑴从菌种选育时考虑：在育种过程中，应尽可能使用孢子或单核菌株，避免对多核细胞进行处理，采用较高剂量使单链突变的同时，另一条单链丧失了模板作用，可以减少出现分离回复现象。
