表3-11　一些产物采用的氮源

　　固氮微生物可以把分子态氮转变成氨态氮，从而合成自己的氨基酸和蛋白质，也就是说它具有把空气中的氮固定为细胞成分的能力。当固氮微生物以无机氮或有机氮作氮源时，就不再表现固氮能力。有固氮能力的微生物主要是原核微生物。一类是与高等植物共生的，称为共生固氮菌，包括与豆科植物根部细胞共生的根瘤菌（Rhizobium）、与非豆科植物（如赤杨、杨梅等）共生的放线菌弗兰克氏菌（Frankia）。另一类是自生固氮微生物，主要是蓝细菌（Cyanobacteria）和固氮细菌（Azotobacteraceae）。
　　无机氮源主要是硝酸盐和铵盐。因为只有铵离子才能进入有机分子中，硝酸盐必须先还原成NH4+离子后，才能用于生物合成。一般能利用无机氮化合物为唯一氮源培养微生物时，培养基有可能表现生理酸性或生理碱性。例如，以硫酸铵为氮源时，由于NH4+被吸收，造成培养基pH值下降，故有“生理酸性盐”之称。当以硝酸钾为氮源时，由于NO3-离子被还原并利用，会使培养基pH值上升，故有“生理碱性盐”之称。当采用硝酸铵为氮源时，可以避免pH值急剧升降。但由于微生物一般对NH4+离子吸收较快，而对NO3-离子的吸收稍稍滞后，因此，微生物在这种培养基中一开始表现为pH值下降，然后pH值又上升。为此仍需在培养基中添加缓冲物质。
　　有关氮源，凡能利用无机氮源的微生物，一般也能利用有机氮源，但有些微生物在只含
无机氮源的培养基中不能生长，因为它们没有从无机氮化合物合成某些或某种有机氮化合物的能力。实验室常用的有机氮源有蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等。蛋白质一般不是微生物的良好的有机氮源，但某些微生物可以通过自身分泌的胞外蛋白水解酶将蛋白质降解后加以利用，因此含蛋白质的有机氮源称为迟效性氮源；而无机氮源或以蛋白质的各种降解产物形式存在的有机氮源则被称为速效氮源。
4.无机盐类
　　除了含氮无机盐可以作微生物的速效氮源外，含下述元素的盐类也是微生物生长所必须的营养物质。
　　磷、硫、钾、钠、钙、镁等元素的盐参与细胞结构物质的组成，并有能量转移，细胞透性调节等功能，故微生物对它们的需求量相对大些，为10-3~10-4M，因而它们有宏量元素之称。没有它们，微生物就不会生长。
　　铁、锰、铜、钴、锌、钼等元素的盐类进入细胞一般是作为酶的辅酶因子，故微生物对它们的需求量甚少，一般为10-6~10-8M，因而它们有微量元素之称。
　　以上这些元素最终均参与基础代谢，因此各类群的微生物均需要它们，虽然所需要的量不同。微生物对营养的需要可能是互相依赖的，例如，钾的浓度较低，钠就可能代替钾满足微生物的某些需要。其它一些营养成分可能不是生长所必须的，例如钙，但它对维持产物的稳定性则是必须的。
　　在少数微生物的代谢过程中无机离子还起着特殊的作用，如铁细菌和硫细菌利用大量的铁和硫。
这些元素的生理作用：
(1)磷：它是核酸与磷脂的成分，组成高能磷酸化合物许多酶的活性基，一般磷的适合浓度为0.005~0.01M。微生物主要是从无机磷化合物中获得磷。磷进入细胞后迅速同化为有机的磷酸化合物，磷酸根在能量代谢中起调节作用，在一定范围内，磷酸盐对培养基pH值的变化起缓冲作用。
(2)硫：在蛋白质的组成中，胱氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸等都含有硫。一些酶的活性基，如辅酶A、生物素、硫辛酸、谷胱甘肽中也含有硫。作为矿质元素，其重要性仅次于磷。微生物从环境中以SO4-的形式吸收硫，+6价的硫进入细胞后即被还原为-2价的状态（-SH）。许多微生物还以S2O3-作为唯一的能源和硫源。少数微生物失去了还原硫酸盐的能力，需要供给还原型的硫化物（如H2S和半胱氨酸）才能生长。
(3)镁：除叶绿素中含有镁外，镁并不参与任何其他细胞结构，只是以离子状态激活许多酶的反应（如己糖激酶）。其激活作用有时可被Mn++代替。此外，镁离子浓度在控制核蛋白体的聚合作用起着重要的作用。镁的需要量为0.001~0.0001M。
(4)钾：钾不参与细胞结构物质的组成，但它是许多酶的激活剂，可以促进碳水化合物的代谢，也控制原生质的胶态和细胞质膜的透性，钾在细胞内积累的浓度往往要比培养基中浓度高得多。
(5)钠：钠可能与维持渗透压有关。钠在嗜盐微生物中可能有以下作用：
　１.维持细胞内的渗透压（嗜盐微生物被放入低渗溶液细胞就会崩溃）；
　２.吸收营养物质，如一种嗜盐杆菌吸收谷氨酸，另一种海生的假单孢菌吸收糖和氨基酸均需Na+。
(6)钙：钙不参与微生物的细胞结构，而以离子状态存在于细胞中，控制细胞的生理状态，如调节质膜的透性，激活某些酶（如蛋白酶），对一些阳离子的毒性有拮抗作用。
5.微量元素
　　微量元素与酶的活动密切有关，或者是作为酶的活性基的成分，或者是作为酶的激活剂。如铁是细胞色素、细胞色素氧化酶和过氧化氢酶等的活性基的组成成分；铜是多酚氧化酶和抗化血酸氧化酶的活性基；锌是乙醇脱氢酶和乳酸脱氢酶的活性基；钴参与微生物B12辅酶的组成，钼参与硝酸还原酶和固氮酶的结构；锰是多种酶的激活剂，有时可以代替Mg++起激活剂作用。（表3-12）
一些无机和微量元素的用量见表3-13。
表3-12　一些初级与次级代谢产物发酵时需要的微量元素

表3-13　一些无机和微量元素的用量

　　如果微生物缺乏用于合成某种氨基酸的酶，致使不能合成这种氨基酸，那么只有供给这种氨基酸或含这种氨基酸的小分子肽，微生物才能生长。在这些情况下，培养基中一种氨基酸的存在会抑制微生物对其它氨基酸的摄取。因此必须注意使所有的氨基酸保持在适当的低水平上，或者只供给小分子肽来满足微生物对氨基酸的需要。小分子肽很容易进入细胞，随后即被肽酶水解成氨基酸。
(3)嘌呤、嘧啶及它们的衍生物：嘌呤、嘧啶的主要功能是构成核酸和辅酶。许多微生物能“从无到有”合成嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸。微生物也能够或必须从环境中吸收嘌呤、嘧啶类营养物质。嘌呤和嘧啶进入细胞后，必须先转变成核苷和核苷酸后才能被利用。形成核苷酸的途径有两条：一条是从嘌呤（或嘧啶）直接形成相应的单磷酸核苷酸；另一条是间接形成，即先形成核苷，然后再形成单磷酸核苷酸。如果微生物中只有第一条途径（只存在第一条途径的酶），那么它就只能利用游离碱基（嘌呤、嘧啶）；如果还存在第二条途径（也指酶），则游离碱基和核苷均可作为生长因子来利用。核苷酸一般不作为生长因子，从而使其难以透过细胞膜而进入细胞。
　　某些细菌的生长需要嘌呤和嘧啶，以合成核苷酸。最大生长量所需要的浓度是10μg/ml。有些微生物既不能自己合成嘌呤或嘧啶核苷酸，也不能利用外源嘌呤和嘧啶来合成核苷酸，因此必需供给核苷或核苷酸才能使其生长。这些微生物对核苷和核苷酸的需要量都较大，满足最大生长所需浓度约为200~2000μg/ml。
(4)脂肪酸等组成细胞膜的类脂成分：有些微生物（主要是枝原体、原生动物和某些细菌和放线菌）不能合成脂肪酸等组成细胞膜的（一种或数种）类脂成分。因此这些微生物只有在添加了这些特定成分的培养基中才能生长。
　　微生物对长链脂肪酸的需要比较普遍，所要求的浓度一般在1~60mg/ml之间。高浓度的长链脂肪酸对微生物有毒害作用。长链脂肪酸进入微生物细胞后，可直接或经转化后渗入到组成膜的类脂中去。
　　有些微生物生长也需要微量的固醇、胆碱和和肌醇等，它们都是组成细胞膜磷脂的成分，许多枝原体和原生动物生长需要某些固醇，酵母通常需要内消旋肌醇，某些肺炎球菌生长需要胆碱。微生物所需的胆碱和肌醇的浓度一般为10~20mg/ml。
(5)氧：许多微生物包括许多工业微生物与高等生物一样需要分子氧。由于分子氧相对不溶于水，因此需氧的微生物在液体培养基中生长时，必须不断地供给氧（空气），以使培养基中有一定量的溶解氧（dissolved oxygen，简写DO）。温度升高，或搅拌速度下降，均会使DO下降。DO还与通气时色气泡分散度、液层厚度、液面压力等有关。许多需氧微生物，包括杆菌、霉菌和放线菌，在适宜的液体培养基中静止培养，能在液体表面形成菌膜。若用震荡或通气培养，则杆菌呈单细胞状，而霉菌和放线菌的菌丝则常常交织成小球。