组成细胞的微量元素（细胞的微量元素）

一、 微生物细胞的化学组成

1 ．化学元素（ chemical element ）

构成微生物细胞的物质基础是各种化学元素。根据微生物对各类化学元素需要量的大小 , 可将它们分为主要元素和微量元素 , 主要元素包括碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁等，碳、氢、氧、氮、磷、硫这六种主要元素可占细菌细胞干重的 97% 。微量元素包括锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。

组成微生物细胞的各类化学元素的比例常因微生物种类的不同而各异。不仅如此，微生物细胞的化学元素组成也常随菌龄及培养条件的不同而在一定范围内发生变化，幼龄的比老龄的含氮量高，在氮源丰富的培养基生长的细胞比在氮源相对贫乏的培养基上生长的细胞含量高。

2. 化学成分及其分析

各种化学元素主要以有机物、无机物和水的形式存在于细胞中。有机物主要包括蛋白质、糖、脂、核酸、维生素以及它们的降解产物和一些代谢产物等物质。对细胞有机物成分的分析通常采用两种方式：一是用化学方法直接抽提细胞内的各种有机成分，然后加以定性和定量分析；二是先将细胞破碎，然后获得不同的亚显微结构，再分析这些结构的化学成分。无机物是指与有机物相结构或单独存在于细胞中的无机盐 (inorganic salt) 等物质。分析细胞无机成分时一般将干细胞在高温炉（ 550 ℃ ）中焚烧成灰，所得的灰分物质是各种无机元素的氧化物，称为灰分 (ash constituent) 。采用无机化学常规分析法可定性定量分析出灰分中各种无机元素的含量。

水是细胞维持正常生命活动所不可少的，一般可占细胞重量的 70%-90% 。细胞湿重 (wet weight) 与干重 (dry weight) 之差为细胞含水量，常以百分率表示。将细胞表面所吸附的水分除去后称量所得重量即为湿重，一般以单位培养液中所含细胞重量表示（ g/L 或 mg/ml ），但具体测量过程中，常由于细胞表面吸附水分除去程度的不同而导致测量结果有误差，聚集在一起的单细胞微生物表面吸附的水分难以除去，这些吸附的水分可占湿重的 10% 。采用高温（ 105 ℃）烘干、低温真空干燥和红外线快速烘干等方法将细胞干燥至恒重即为干重。值得注意的是：高温烘干会导致细胞物质分解，而利用后两种方法所得结果较为可靠。

二、微生物的营养要素

微生物生长所需要的元素主要以相应的有机物与无机物的形式提供的，也有小部分可以由分子态的气体物质提供。营养物质按照它们在机体中的生理作用不同，可以将它们区分成碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水。

1.碳源 在微生物生长过程中能为微生物提供碳素来源的物质称为碳源。碳源物质在细胞内经过一系列复杂的化学变化后成为微生物自身的细胞物质（如糖类、脂类、蛋白质等）和代谢产物，碳可占一般细菌细胞干重的一半。同时绝大部分碳源物质在细胞内生化反应过程中还能为机体提供维持生命活动所需的能源，因此碳源物质通常也是能源物质。但有些 CO 2 作为唯一或主要碳源的微生物生长所需的能源则并非来自碳源物质。

微生物利用碳源物质具有选择性，糖类是一般微生物较容易利用的良好碳源和能源物质，但不同微生物对不同糖类物质的利用也有差别，例如在以葡萄糖和半乳糖为碳源的培养基中，大肠杆菌首先利用葡萄糖，然后利用半乳糖，前者称为大肠杆菌的速效碳源，后者称为迟效碳源。目前在微生物工业发酵中所利用的碳源物质主要是单糖、糖蜜、淀粉、麸皮、米糠等。为了节约粮食，人们已经开展了代粮发酵的科学研究，以自然界中广泛存在的纤维素作为碳源和能源物质来培养微生物。

不同种类微生物利用碳源物质的能力也有差别。有的微生物能广泛利用各种类型的碳源物质，而有些微生物可利用的碳源物质则比较少，例如假单胞菌属中的某些种可以利用多达 90 种以上的碳源物质，而一些甲基营养型微生物只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物作为碳源物质。微生物利用的碳源物质主要有糖类、有机酸、醇、脂类、烃、 CO 2 及碳酸盐等。

对于为数众多的化能异养微生物来说，碳源是兼有能源功能营养物。

2. 氮源 凡是能被用来构成菌体物质中或代谢产物中氮素来源的营养物质称为氮源。氮对微生物的生长发育有重要的作用，它们主要用来合成细胞中的含氮物质，一般不作为能量。只有少数细菌如硝化细菌能利用銨盐、硝酸盐作为氮源和能源。能被微生物利用的氮源物质包括蛋白质及其不同程度的降解产物（胨、肽、氨基酸等）、铵盐、硝酸盐、分子氮、嘌呤、嘧啶、脲、胺、酰胺、氰化物等。

常用的蛋白质类氮源包括蛋白胨、鱼粉、蚕蛹、黄豆饼粉、玉米浆、牛肉浸膏、酵母浸膏等。微生物对这类氮源的利用具有选择性。例如：土霉素产生菌利用玉米浆比利用黄豆饼粉和花生饼粉的速度快，这是因为玉米浆中的氮源物质主要以较易吸收的蛋白质降解产物形式存在，而降解产物特别是氨基酸可能通过转氮作用直接被机体利用，而黄豆饼粉和花生饼粉中的氮主要以大分子蛋白质形式存在，需进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，因而对其利用的速度较慢。因些玉米浆为速效氮源有利于菌体生长；而黄豆饼粉和花生饼粉为迟效氮源，有利于代谢产物的形成，在发酵生产土霉素的过程中，往往将两者按一定比例制成混合氮源，以控制菌体生长时期与代谢产物形成时期的协调，达到提高土霉素产量的目的。

微生物吸收利用铵盐和硝酸盐的能力较强， NH 4 + 被细胞吸收后可直接利用，因而（ NH 4 ） 2 SO 4 等铵盐一般被称速效氮源，它是微生物最常用的氮源，而 NO 3 – 被吸收后需进一步还原成 NH 4 + 后再被利用。能够利用铵盐或硝酸盐作为氮源的微生物很多如：大肠杆菌（ Escherichia coli ）、产气肠杆菌（ Enterobacter aerogenes ）、枯草芽孢杆菌（ Bacillus subtilis ）、铜绿假单胞菌（ Pseudomonas ），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。以（ NH 4 ） 2 SO 4 等为氮源培养微生物时，由于 NH 4 + 被吸收后，会导致培养基 PH 下降，因而将其称为生理酸性盐；以硝酸盐为氮源培养微生物时，由于 NO 3 – 被吸收，会导致 PH 升高，因而称为生理碱性盐。为避免培养基 PH 变化对微生物生长造成影响，需要在培养基中加入缓冲物质。

3 ．能源 能为微生物的生命活动提供最初能量来源营养物或辐射能。化能异养微生物的能源就是碳源，葡萄糖便是常见的一种兼有碳源与能源功能的双功能营养物。所有真菌、放线菌和大部分细菌是化能异养型微生物。化能自养微生物的能源主要是无机物，这些微生物都是细菌、硝化细菌、硫细菌、氢细菌等。光能自养和异养微生物的能源主要是太阳能，如蓝细菌、紫色非硫细菌等。

4 ．生长因子 通常指那些微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成的或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。各种微生物需求的生长因子的种类和数量是不同的（见下表）。

微 生 物

生长因子

需要量（ ml -1 ）

III 型肺炎链球菌（ Streptococcus pneumoniae ）

胆碱

6ug

金黄色葡萄球菌（ Staphylococcus aureus ）

硫胺素

0.5ng

白喉棒杆菌（ Cornebacterium diphtherriae ）

B- 丙氨酸

1.5ug

破伤风梭状芽孢杆菌（ Clostridium tetani ）

尿嘧啶

0-4ug

肠膜状串珠菌（ Leuconostoc mesenteroides ）

吡哆醛

0.025ug

自养微生物和某些异养微生物如大肠杆菌不需要外源生长因子也能生长。不仅如此，同种微生物对生长因子的需求也会随着环境条件的变化而改变，如鲁氏毛霉（ Mucor rouxii ）在厌氧条件下生长时需要维生素 B1 和生物素（维生素 H ），而在好氧条件时自身能合成这两种物质，不需外加这两种生长因子。有时对某些微生物生长所需生长因子的本质还不了解，通常在培养时培养基中要加入酵母浸膏、牛肉浸膏及动物组织液等天然物质以满足需要。根据生长因子的化学结构与它们在机体内的生理功能不同，可以将生长因子分为维生素、氨基酸及和嘌呤及嘧啶碱基三大类。维生素首先发现的生长因子，它的主要作用是作为酶的辅基或辅酶参与新陈代谢；如 B1 它就是脱氧酶的辅酶。氨基酸也是许多微生物所需要的生长因子，这与它们缺乏合成氨基酸的能力有关，因此，必须在它们的生长培养基里补充这些氨基酸或者含有这些氨基酸的小肽物质，如 Leuconostoc mesenteroides 生长机需要 17 种氨基酸才能生长。嘌呤（或）嘧啶作为生长因子在微生物机体内的作用主要是作为酶的辅酶或辅基，以及用来合成核酸和辅酶。

5 ．无机盐 矿质元素也是微生物生长所不可缺少的营养物质，它们具有以下作用： ① 参加微生物中氨基酸和酶的组成。 ② 调节微生物的原生质胶体状态，维持细胞的渗透与平衡。 ③ 酶的激活剂。 根据微生物对矿质元素需要量大小可以把它分成大量元素和微量元素。大量元素： Na 、 K 、 Mg 、 Ca 、 S 、 P 等。微量元素是指那些在微生物生长过程中起重要作用，而机体对这些元素的需要量极其微小的元素，通常需要量在 10 -6 –10 -8 mol/L ：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。它们一般参与酶的组成或使酶活化（见下表）。

元 素

生 理 功 能

锌

存在于乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、 RNA 与 DNA 聚合酶中

硒

存在于甘氨酸还原酶、甲酸脱氢酶中

铜

存在于谷氨酸变位酶中

锰

存在于过氧化物歧化酶、柠檬酸合成酶中

6 ．水 是微生物生长所必不可少的，水在细胞中的生理功能主要有 ①起到溶剂与运输介质的作用，营养物质的吸收与代谢产物的分泌必须以水为介质才能完成；②参与细胞内一系列化学反应；③维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；④因为水的比热高，是热的良好导体，能有效地吸收代谢过程中产生的热并及时地将热迅速散发出体外，大而有效地控制细胞内温度的变化；⑤通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构，如微管、鞭毛的组装与解离。

微生物生长的环境中水的有效性常以水活度值 a w 表示，水活度值是指在一定的温度和压力条件下，溶液的蒸气压力与同样条件下纯水蒸气压力之比。纯水 a w 为 1 ，溶液中溶质越多， a w 越小。微生物一般在 a w 为 0.69–0.99 的条件下生长， a w 过低时，微生物生长的迟缓期延长。