微生物营养物及其功能（二）：能源与无机盐的作用及应用

摘要

能源和无机盐是微生物生长过程中不可缺少的重要营养因素。能源为微生物的物质代谢、细胞增殖和生理活动提供动力，无机盐则参与细胞结构组成、酶促反应调控、渗透压维持以及能量代谢等多个关键过程。虽然无机盐在培养基中的添加量通常远低于碳源和氮源，但其缺乏往往会直接导致微生物生长受阻甚至停止。本文结合现代微生物营养学理论，对微生物能源的来源、无机盐的生理功能以及常见无机元素在培养基中的作用进行系统介绍，为培养基研发、菌种培养和发酵工艺优化提供参考。

引言

在上一篇文章中，我们介绍了微生物生长所需的两类核心营养物质——碳源和氮源。碳源主要为细胞提供碳骨架，并在多数情况下承担能源功能；氮源则是蛋白质、核酸和酶等含氮化合物的重要来源。然而，仅有碳源和氮源并不足以维持微生物正常生长。微生物细胞中的各种代谢反应还需要能量驱动，同时依赖多种无机元素参与酶催化、电子传递和细胞结构维持。因此，能源和无机盐同样是培养基设计中不可忽视的重要组成部分。

对于培养基研发人员而言，理解不同微生物获取能量的方式以及各类无机元素的生理功能，不仅有助于设计更加合理的培养基配方，也有助于解释微生物生长差异和培养性能变化的原因。

一、能源：驱动微生物生命活动的动力来源

能源是指能够为微生物生命活动提供能量的来源。微生物吸收营养物质后，通过一系列复杂的代谢反应将其转化为ATP（三磷酸腺苷）等能量载体，再用于细胞生长、物质运输、生物合成、运动以及环境应答等生命活动。

从本质上讲，微生物需要解决两个问题：一是从哪里获得构建细胞所需的物质，二是从哪里获得维持生命活动所需的能量。前者对应营养来源，后者对应能源来源。

不同类型微生物的能源获取方式存在显著差异。

对于大多数细菌、酵母和霉菌等异养微生物而言，培养基中的有机物既是碳源，也是主要能源。例如葡萄糖进入细胞后，通过糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化过程释放能量，生成ATP。因此，在实验室常用培养基如LB培养基、TSA培养基和MRS培养基中，碳源通常同时承担能源功能。

不过，碳源与能源并不总是完全等同。

例如光能自养微生物利用太阳光作为能源，而以二氧化碳作为碳源；化能自养微生物则通过氧化氨、亚硝酸盐、硫化物、亚铁离子或氢气等无机物获取能量，同时利用二氧化碳合成细胞物质。

典型例子包括：

• 亚硝化细菌：通过氧化氨获得能量；

• 硝化细菌：通过氧化亚硝酸盐获得能量；

• 硫细菌：通过氧化硫化物获得能量；

• 氢细菌：通过氧化氢气获得能量。

这些微生物广泛存在于土壤、水体和污水处理系统中，是自然界物质循环的重要参与者。

因此，从现代微生物学角度来看，能源来源主要可分为三类：

理解能源利用方式，对于培养特殊微生物和设计专用培养基具有重要意义。

二、无机盐：培养基中的“微量关键因素”

在培养基配方中，无机盐的含量通常远低于碳源和氮源，但其作用却不可替代。

无机盐不仅是微生物细胞组成的重要部分，还参与各种代谢反应和生理调控过程。如果培养基中缺乏某些关键无机元素，即使碳源和氮源十分充足，微生物仍可能无法正常生长。

从生理功能来看，无机盐主要具有以下几个方面的重要作用。

首先，无机盐是细胞结构的重要组成成分。例如磷是核酸、磷脂和ATP的重要组成元素；硫是含硫氨基酸和辅酶A的重要组成部分；镁参与核糖体结构稳定；钙则参与芽孢结构形成。

其次，无机盐是许多酶的组成成分或激活剂。许多代谢酶必须依赖金属离子才能发挥活性。例如镁离子参与ATP相关酶的催化，锌离子是许多脱氢酶和蛋白酶的重要辅助因子，铁则广泛存在于细胞色素和氧化还原酶中。

第三，无机盐能够维持适宜的理化环境。培养基中的磷酸盐体系是最常见的缓冲系统之一，可以维持稳定的pH值；钠离子和钾离子则参与细胞渗透压调节和物质运输。

此外，对于某些化能自养微生物而言，部分无机物还可直接作为能源物质参与代谢。例如硫细菌利用含硫化合物供能，铁细菌利用亚铁离子氧化供能。

三、主要无机元素及其生理作用

在微生物培养过程中，常见无机元素可分为常量元素和微量元素两大类。

常量元素需求量相对较高，包括磷、硫、钾、镁、钙和铁等；微量元素需求量极少，但同样不可缺少，包括锌、锰、钼、钴、铜等。

磷（P）

磷是微生物最重要的无机元素之一。

它广泛存在于：

• DNA和RNA；

• ATP等高能磷酸化合物；

• 磷脂；

• 多种辅酶。

在培养基中，磷酸盐还承担缓冲剂功能，帮助维持培养过程中的pH稳定。因此，磷酸二氢钾和磷酸氢二钾几乎出现在所有通用培养基和发酵培养基中。

硫（S）

硫主要参与含硫氨基酸和辅酶的合成。

典型含硫氨基酸包括：

• 半胱氨酸；

• 蛋氨酸（甲硫氨酸）。

此外，辅酶A、生物素等重要生物分子也含有硫元素。

对于硫氧化细菌而言，硫化物和硫代硫酸盐还可作为能量来源。

钾（K）

钾是细胞内最主要的阳离子之一。

其主要作用包括：

• 激活多种代谢酶；

• 调节细胞渗透压；

• 维持细胞膜功能；

• 促进蛋白质合成。

培养基中常通过磷酸钾或氯化钾补充钾元素。

镁（Mg）

镁是培养基中最重要的金属离子之一。

其主要功能包括：

• 稳定核糖体结构；

• 参与DNA复制；

• 激活大量ATP依赖酶；

• 促进核酸和蛋白质合成。

在分子生物学培养基和发酵培养基中，硫酸镁通常是标准配方成分。

钙（Ca）

钙离子参与：

• 芽孢形成与稳定；

• 细胞壁结构维持；

• 部分酶的活化；

• 膜通透性调节。

特别是在芽孢杆菌培养过程中，钙对芽孢耐热性的形成具有重要影响。

铁（Fe）

铁是微生物代谢中最重要的微量元素之一。

它广泛参与：

• 电子传递链；

• 呼吸代谢；

• 氧化还原反应；

• 细胞色素合成。

许多病原菌的毒力形成也与铁离子供应密切相关，因此在病原菌研究中常会特别关注培养基中的铁含量。

锌、锰、钼、钴和铜等微量元素

虽然这些元素需求量极低，但缺乏时会明显影响生长。

例如：

• 锌是许多金属酶的重要组成部分；

• 锰参与抗氧化系统；

• 钼是固氮酶的重要组成元素；

• 钴是维生素B₁₂的重要组成成分；

• 铜参与电子传递和氧化还原反应。

在现代工业发酵中，往往会专门设计微量元素溶液，以确保这些元素供应充足且稳定。

无机盐在培养基研发中的重要意义

对于培养基研发而言，无机盐并非简单的“辅助成分”。

事实上，很多培养基性能差异并非来自碳源和氮源，而是源于无机盐体系的优化。例如：

• 磷酸盐浓度会影响缓冲能力；

• 镁离子浓度会影响质粒稳定性和蛋白表达；

• 铁离子浓度会影响色素和毒素形成；

• 钙离子浓度会影响芽孢形成和菌体耐受性。

因此，在培养基开发过程中，无机盐配方往往需要与碳源、氮源和生长因子一起进行系统优化。

结语

能源和无机盐虽然不像碳源和氮源那样占据培养基的大部分组成，但它们却是微生物正常生长不可缺少的重要因素。能源决定微生物如何获取生命活动所需的动力，而无机盐则参与细胞结构构建、酶活性调控、能量代谢和环境适应等多个关键过程。

对于微生物培养基研发人员而言，深入理解不同能源利用方式以及各类无机元素的生理功能，不仅有助于优化培养基配方，也有助于提高培养效率和产品质量。在下一篇《微生物营养物及其功能（三）》中，我们将继续介绍维生素、生长因子和水在微生物生长中的作用，以及它们在培养基设计中的应用。