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不夸张的说，微生物是我们星球的统治者，维持着每一个宏观生物的运作。它们调控地球元素循环和大气碳平衡，并且许多关键步骤仅由微生物进行（例如，涉及无机氮转化、甲烷产生和氧化、金属硫化物氧化、铁氧化和还原等的许多过程）。在过去的20年里，大量的研究证实人类健康行为到心理方面也依赖于每个人的微生物组。

由于自然界和人体都是一个高度竞争的环境，微生物的生长通常受到严格限制和管制，因此微生物丰度和生物量在生态系统和地球的承载能力如何达到平横值得我们关注和研究。想要搞清楚这个问题，首先要弄清楚微生物是如何生长的，它们的生长需要什么营养素，如何吸收，影响因素是什么，生长速率和趋势是什么？

我们知道微生物生长速率是微生物细胞在变化的环境中所面临的充足或不利条件下营养物质可利用性的结果。自然界以及人体肠道中存在的高微生物丰度和多样性有助于产生高度复杂的系统。

例如，据报道：

土壤中含有约细菌10¹⁰/g，约有30000种不同的微生物分类群；

清洁水可能含有约细菌10⁶/mL，可能有数千种不同的分类群；

人每克结肠内容物中含有约10¹¹-10¹²个微生物。

不同的微生物由群落内特定比例的细胞代表，它们的丰度和活性会随时间变化，取决于环境的变化。这些变化是动态物理（例如，温度、湿度等）、化学（有机和无机营养物的可用性、pH值、污染物的抑制作用等）和生物（竞争、捕食、多样性等）自然环境中的因素。目前，微生物学面临的主要挑战是评估微生物群落的生长状态和活性及其各组分的贡献。

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本文从微生物生长所需的营养和影响因素入手，了解评估微生物群落的生长状态和活性等。

微生物生长所需营养

▸ 宏量和微量营养素

宏量营养素是大量且必需的

微生物细胞由碳、氧、氢、氮、硫、磷、钾、钙、镁和铁等多种元素组成。这些也被称为宏量元素或宏量营养素，因为微生物需要大量这些元素。其中，C、H、O、N、S和P是碳水化合物、脂质、蛋白质和核酸所需的主要元素。

除此之外，还发现其他常量营养素具有多种生物学功能。例如，钾离子(K⁺)参与多种酶的活性，钙(Ca²⁺)是细菌内生孢子的重要元素，镁(Mg²⁺)作为不同酶的辅助因子参与等。

微量营养素需要少量但也有重要作用

另一方面，微生物在小范围内也需要其他几种元素，这些元素被称为微量元素或微量营养素。包括锰、锌、钴、钼、镍和铜。

这些不是微生物生长所必需的元素，但它们以多种方式参与生物功能。例如，锌(Zn²⁺)存在于几种酶的活性位点，锰(Mn²⁺)参与磷酸基团转移的催化，钼(Mo²⁺)对于固氮至关重要等。

▸ 对碳、氢、氧和电子的需求

每个生物体生长和发育都需要碳、氢、氧和电子

有机分子对微生物至关重要，这些有机分子的主要成分是碳、氢和氧。

让我们首先关注碳：碳是所有生物的基础元素，构成了蛋白质、碳水化合物、脂质和核酸等生命大分子的核心骨架。

C、H和O的需求通常可同时满足，因为大多数碳源分子中含有氢和氧。异养生物不仅从有机分子获取碳、氢和氧，还获取电子，用于能量产生和生物合成反应。

电子有两个主要功能，即通过电子传递链的运动，在其他氧化还原反应中可以提供能量用于细胞工作，并且在生物合成过程中也需要电子来还原分子。

由于这些有机碳源提供的电子可用于电子传输以及其他氧化还原反应，因此许多异养生物也使用它们的碳源作为能源。

生物获取能量的主要途径是光能和化学能

生物获取能量有两种途径：光能或化学能。光能来自太阳，而化学能可以来自有机或无机化学物质。那些使用光能的生物体被称为光养生物（“光食者”），而那些使用化学能的生物体被称为化学营养生物（“化学食者”）。

化学能可以来自无机源或有机源。使用无机来源的生物体被称为“无机营养生物”（lithotroph），而使用有机来源的生物体被称为“有机营养生物”（organotroph）。

▸ 氮、磷、硫的需求和作用

氮是一种必需元素，在氨基酸、嘌呤、嘧啶、一些碳水化合物和脂质的合成中起重要作用。许多微生物可以使用氨基酸中的氮。也可以通过谷氨酸脱氢酶或谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶等酶的作用直接利用氨。

磷存在于核酸、磷脂、ATP等核苷酸、几种辅助因子、一些蛋白质和其他细胞成分中。几乎所有微生物都使用无机磷酸盐作为其磷源并直接掺入。

水生环境中的低磷酸盐水平常限制微生物生长。大肠杆菌等微生物能同时利用有机和无机磷酸盐。己糖6-磷酸盐等部分有机磷酸盐可被细胞直接吸收，而其他有机磷酸盐则需在周质中被碱性磷酸酶水解为无机磷酸盐后，才能穿过质膜进入细胞。

硫是合成氨基酸如半胱氨酸和蛋氨酸、一些碳水化合物、生物素和硫胺素等物质所必需的。大多数微生物使用硫酸盐作为硫的来源，并通过同化硫酸盐还原来减少硫；少数微生物需要还原形式的硫，例如半胱氨酸。

▸ 生长因子

一些微生物仅需碳源和无机盐即可从头合成所需有机分子，而其他微生物则依赖环境中的特定有机化合物。这些不能被生物体合成但又必需的有机化合物称为生长因子，可分为三类：

1）氨基酸（蛋白质的结构单元）；

2）嘌呤和嘧啶（核酸的结构单元）；

3）维生素（酶辅因子）。

一些微生物需要许多维生素；例如，粪肠球菌需要八种不同的维生素才能生长。此外，流感嗜血杆菌需要血红素（源自血红蛋白或细胞色素），而部分支原体则需要胆固醇等其他生长因子。

了解微生物的生长因子需求具有重要实用价值，特别是在利用具有特定需求的微生物或能大量产生维生素等物质的微生物方面。

微生物营养素的摄取过程

为了维持其活动，微生物细胞必须通过细胞膜从环境中获取营养物质。细菌和古细菌拥有多种不同的物质运输机制。

▸ 被动扩散(Passive Diffusion)

被动或简单扩散允许简单分子和气体(如CO₂、O₂和H₂O)穿过细胞膜。在这种情况下，必须存在浓度梯度，其中细胞外的物质浓度高于细胞内的物质浓度。随着更多的物质被转运到细胞中，浓度梯度降低，扩散速率减慢。

▸ 易化扩散(Facilitated Diffusion)

易化扩散是膜蛋白介导的被动扩散。物质通过膜上特殊蛋白质（载体、通道）的介导，沿电-化学梯度进行跨膜转运。主要有两种方式：载体介导的易化扩散和通道介导的易化扩散。这些易化扩散属于被动转运，其特点是转运过程本身不需消耗能量，仅在膜蛋白"帮助"下沿浓度梯度或电位梯度进行跨膜转运，是一个"被动"过程。

如果浓度梯度消失，分子进入细胞的通道就会停止。并且每种载体蛋白通常表现出特异性，仅转运特定类型的分子或密切相关的分子。

▸ 主动转运(Active Transport)

很多营养摄取需要细胞逆浓度梯度（细胞内浓度高于细胞外）运输物质。这时，细胞必须利用代谢能通过膜内载体蛋白进行物质运输，这种过程称为主动运输。所有主动运输都依赖载体蛋白完成。

​图源：open.oregonstate

主动转运有三个主要的例子：初级主动转运、次级主动转运和基团移位。

•初级主动转运(Primary active transport)

初级主动转运利用ATP等化学能驱动物质运输，如ABC系统就使用ATP结合盒转运蛋白。

每个ABC转运蛋白包含三个组分：1）形成跨膜孔的跨膜蛋白（载体蛋白）2）水解ATP提供能量的ATP结合区3）结合并运送待转运物质到跨膜蛋白的底物结合蛋白

在革兰氏阴性细菌中，底物结合蛋白位于周质中；而在革兰氏阳性细菌中，则附着于细胞膜外部。

ABC转运器结构

​图源：open.oregonstate

•次级主动转运(Secondary active transport)

次级主动转运利用质子动力(PMF)提供能量。PMF是电子传输链节能过程中产生的离子梯度，正电荷质子在带负电荷的电池外部积累，形成质子梯度。

包括三种类型：单向转运、同向转运和反向转运，各使用不同蛋白质转运体：单向转运蛋白将单一物质穿过膜转入或转出。

协同转运蛋白同时将两种物质（通常是一个质子与另一分子配对）穿过细胞膜转运。

反向转运蛋白也能转运两种物质，但方向相反—一种物质进入细胞时，另一种物质被运出。

​Uniport Synport Antiport.By Lupask,via Wikimedia Commons

•基团移位(Group Translocation)

基团移位是一种特殊的主动运输方式，不使用ATP而是利用富能有机化合物的能量。与简单转运和ABC转运蛋白不同，基团移位过程中被转运物质会被化学修饰。

最典型的例子是磷酸烯醇式丙酮酸:糖磷酸转移酶系统(PTS)，它利用高能分子磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)的能量将糖转入细胞。在此过程中，磷酸基团从PEP转移到进入的糖分子上。

通过PTS进行基团移位

▸ 铁摄取

​图源：open.oregonstate

铁是微生物细胞色素和酶功能必需的限制性微量营养素，但由于其不溶性，环境中几乎不存在游离态铁。

许多细菌进化出铁载体——一种能高亲和力螯合或结合三价铁的有机分子。这些铁载体被释放到环境中，结合可用的三价铁。随后，铁-铁载体复合物被细胞表面的特定受体识别结合，使铁得以被运输入细胞。

微生物的生长条件

微生物的生长指的是细胞数量的增加，而非细胞体积的增加。细菌通过二分裂法生长和分裂，这是一种快速且相对简单的过程。

影响细菌生长的主要条件包括以下几种：

▸ 物理条件和分类

•温度

微生物根据其偏好的温度范围大致分为几个类别。

1) 嗜冷菌："喜冷的"，能在0°C下生长。可分为两组，真嗜冷菌对超过20°C的温度敏感。最适生长温度为15°C或以下。存在于极冷环境(北极、海洋深处)。很少引起疾病或食物腐败。

2) 耐冷菌：最适生长温度为20至30°C。是大多数低温食物腐败的责任菌。

3) 嗜温菌："喜欢中等温度的"。大多数细菌都属于此类。

包括大多数病原体和常见的腐败微生物。

最佳生长温度在25至40°C之间。

最适生长温度通常为37°C。

许多已适应在动物体内生存。

4) 嗜热菌："喜热的"。最适生长温度在50至60°C之间，许多不能在45°C以下生长。

适应在阳光照射的土壤、堆肥和温泉中生存。

一些嗜热菌形成极其耐热的内生孢子。

5) 极端嗜热菌(超嗜热菌)：最适生长温度在80°C或更高。属于古菌。大多生活在火山和海底热泉口。

•pH值

根据pH值，微生物可分为以下几类：

1) 嗜酸微生物："喜爱酸性"

酸性会抑制大多数微生物生长，常用于食品保存(例如：腌制)。但这类细菌可以在极低pH值(0.1至5.4)下生长，例如乳酸菌产生乳酸，能耐受轻度酸性环境。

2) 中性微生物

在pH值5.4至8.5之间生长，大多数细菌偏好中性pH值(6.5-7.5)，包括很多人类病原体。例如霉菌和酵母菌能够在更广泛的pH范围内生长，但偏好pH值在5和6之间。

3) 嗜碱微生物："喜爱碱性"

可以在碱性或高pH值(7至12或更高)环境中生长。例如霍乱弧菌(Vibrio cholerae)和粪碱杆菌(Alkaligenes faecalis)的最适pH值为9，而土壤细菌根癌农杆菌(Agrobacterium)能在pH值12的环境中生长。

•渗透压

细胞由80-90%的水组成，高渗溶液具有高渗透压，会从细胞中抽取水分，导致细胞膜收缩(质壁分离)。常用于控制腐败和微生物生长，如果酱中的糖和肉类上的盐。

低渗溶液具有低渗透压，导致水分进入细胞。通常细胞壁能防止水分过度进入，但若细胞壁较弱，微生物可能溶解或破裂。

按渗透压分类，细菌可分为：

1) 嗜盐菌：需要中等到大量的盐浓度。大多数海洋中的细菌。

2)极端嗜盐菌或专性嗜盐菌：需要非常高的盐浓度(20至30%)。如死海、盐水池中的细菌。

3) 兼性嗜盐菌：生长不需要高盐浓度，但能耐受2%或更高的盐度。

▸ 化学需求和分类

•碳

碳构成细胞干重的50%，是所有有机化合物的结构骨架。化能异养生物从能量来源（脂类、蛋白质和碳水化合物）获取碳；化能自养生物和光能自养生物则从二氧化碳中获取碳。

•氮

构成细胞干重的14%，用于形成氨基酸、DNA和RNA。

氮的来源:

蛋白质: 大多数细菌；

铵: 存在于有机物质中；

氮气(N₂): 直接从大气中获取氮；

硝酸盐: 解离产生NO₃⁻的盐类。

•硫

硫用于形成蛋白质和某些维生素(硫胺素和生物素)。

硫的来源:

蛋白质: 大多数细菌；

硫化氢；

硫酸盐: 解离产生SO₄²⁻的盐类。

•磷

磷用于形成DNA、RNA、ATP和磷脂。

来源：主要是无机磷酸盐和缓冲剂。

•其他元素

钾、镁和钙通常作为酶辅助因子被需要，钙还是革兰氏阳性菌细胞壁合成所必需的。

微量元素:

许多微量元素用作酶的辅因子，通常存在于自来水中,包括:

• 铁

• 铜

• 钼

• 锌

•氧气

使用分子氧(O₂)的生物体比厌氧生物能从营养物质中获取更多能量。微生物可按氧气需求分类为：

1). 专性需氧菌：需要氧气才能生存缺点：氧气并非存在于所有环境中，且在水中溶解度较差。例子：铜绿假单胞菌，常见的医院内感染病原体。

2). 兼性厌氧菌：倾向于使用氧气，但在缺氧情况下也能生长。拥有复杂的酶系统。例子：大肠杆菌、葡萄球菌、酵母菌和许多肠道细菌。

3). 专性厌氧菌：不能使用氧气，并且会被有毒形式的氧气伤害。例子：引起破伤风和肉毒中毒的梭状芽胞杆菌（Clostridium bacteria ）。

4). 耐氧厌氧菌：不能利用氧气，但能耐受其存在。能分解有毒形式的氧。例子：乳杆菌，无论是否存在氧气都能进行发酵。

5). 微需氧菌：需要氧气，但只能在低浓度下。对有毒形式的氧气敏感。例子：弯曲菌（Campylobacter）。

氧气的有毒形式：

1.单线态氧：极具反应活性的氧形式，存在于吞噬细胞中。

2.超氧自由基(O₂⁻·)：具有高毒性和反应活性的氧形式。所有在大气氧中生长的生物必须产生超氧化物歧化酶(SOD)清除它们。需氧菌、兼性厌氧菌和耐氧厌氧菌产生SOD，而厌氧菌或微需氧菌则不产生。

反应：O₂⁻+ O₂⁻+ 2H⁺+SOD—> H₂O₂+O₂

3.过氧化氢(H₂O₂)：过氧化物离子具有毒性，是几种抗微生物药物的活性成分(如过氧化苯甲酰)。有两种不同的酶可以分解过氧化氢：

A.过氧化氢酶：将过氧化氢分解为水和氧气。常见，可由人类以及许多细菌产生。

2H₂O₂+过氧化氢酶—>2H₂O+O₂

B.过氧化物酶：将过氧化氢转化为水。

H₂O₂+2H⁺+过氧化物酶—>2H₂O

微生物增长曲线

二元裂变是微生物细胞分裂的过程。通过增长曲线可了解微生物群体生长情况。微生物在液体培养基中通常采用分批培养或封闭系统，即在密闭容器中与单批培养基一起培养。

由于孵育过程中不添加新鲜培养基，营养物质浓度降低，废物浓度增加。二元裂变繁殖的微生物生长可绘制为活细胞数量与孵育时间的对数关系图，形成的曲线包含四个不同阶段。

▸ 滞后阶段

初始阶段，微生物被引入新鲜培养基后不会立即繁殖，细胞分裂不会立即开始。原因可能是老细胞缺乏足够ATP分子、核糖体、必需辅助因子，或培养基特性变化、微生物受损需恢复等。

滞后阶段的长度随微生物和培养基而变化

滞后阶段长度因微生物状况和培养基性质而异。接种物来自老旧或冷藏培养物时，此阶段较长；将培养物转移至不同化学性质的培养基也会延长滞后期。而年轻、生长旺盛的指数期培养物转移到相同成分的新鲜培养基中时，滞后期会很短或不存在。

▸ 指数或对数相位

这是微生物生长曲线的第二阶段。此阶段微生物以最高速率快速分裂，分裂速率取决于培养基特性、生物体的遗传组织和环境因素。指数阶段的增长率保持恒定，微生物数量以固定间隔分裂和加倍。由于各个体在略有不同时刻分裂，生长曲线呈平滑上升而非离散跳跃。

指数期微生物增长率通常保持恒定

指数期的均匀生长有助于研究者进行物理或化学活性研究。指数增长是平衡增长，所有细胞成分以相对恒定速率合成。若营养水平或环境条件变化，会导致生长不平衡。此阶段以产生初级代谢物著称，如氨基酸、核酸、维生素等，这些物质对生物体生长必需，对执行生理功能至关重要。

▸ 固定相

固定相阶段活细胞数量保持稳定

对数阶段后，由于营养物质耗尽和有毒产物积累，细菌生长几乎停止。新形成的细胞数量仅能补充死亡细胞，活细胞数量保持稳定，垂死与新生细胞几乎平衡。

微生物进入固定相有多种原因：

首要因素是营养限制；必需营养素严重耗尽导致细菌增长放缓。需氧微生物常受O₂可用性限制。氧气溶解度低且消耗快，可能仅培养物表面的O₂浓度足够支持生长。若不摇动或通气，表面以下细胞将无法生长。

有毒废物积累也可能导致增长停止，这限制了许多厌氧培养物的生长。例如，链球菌通过糖发酵产生大量乳酸和有机酸，使培养基变酸并抑制生长。链球菌培养物也可能因糖耗尽而进入固定相。此外，有证据表明当达到临界种群水平时，增长可能停止。

在此阶段，生物体产生次生代谢物，这些化合物与生物体生长无直接关系，如抗生素、萘、生物碱等。

▸ 死亡阶段

固定期后，因细胞死亡导致细菌种群减少，进入死亡阶段。该阶段由营养物质耗尽、毒性产物和自溶酶积累引起。活菌计数下降，而总数保持不变；对于自溶细菌，总数也会呈现下降趋势。

结 语

微生物在维持生态系统和人体健康方面扮演着关键角色。本文系统介绍了微生物生长与营养的基本原理及影响因素。微生物的生长速率取决于环境条件和营养物质的可利用性，通过宏量营养素（如碳、氧、氢、氮、硫、磷等）和微量营养素（如锰、锌、钴等）的摄取来满足生长需求。不同微生物对营养的需求各异，有些需要特定的生长因子（如氨基酸、嘌呤和嘧啶、维生素）才能生存。

微生物通过多种物质运输机制（包括被动扩散、易化扩散等）从环境中获取营养物质。其生长还受到多种物理和化学条件的影响，如温度（嗜冷菌、耐冷菌、嗜温菌、嗜热菌、极端嗜热菌）、pH值（嗜酸、中性、嗜碱微生物）、渗透压（嗜盐菌、极端嗜盐菌、兼性嗜盐菌）以及氧气需求（专性需氧菌、兼性厌氧菌等）。

微生物的生长曲线可划分为四个阶段：滞后阶段、指数或对数阶段、固定相和死亡阶段，每个阶段具有不同的特征和代谢活动。

了解这些生长规律和营养需求对于控制微生物在自然环境和人体中的生长至关重要，同时也为生物技术应用和疾病防控提供了科学基础。通过研究微生物的生长状态和活性，能够更好地理解微生物群落如何在复杂环境中维持生态平衡，并为人类健康和环境保护提供新的见解和解决方案。

主要参考文献：

Gonzalez JM, Aranda B. Microbial Growth under Limiting Conditions-Future Perspectives. Microorganisms. 2023 Jun 23;11(7):1641.

open.oregonstate.education/generalmicrobiology/chapter/microbial-nutrition/

Somak Banerjee and Sagar Aryal. 2023. Microbial Growth and Nutrition. Microbenotes.

gcwk.ac.in/econtent_portal/ec/admin/contents/154_P18ZC311_2020120205400254.pdf

tbiokem.lth.se/fileadmin/_migrated/content_uploads/3__Microbial_Nutrition_and_Growth_07.pdf

本文转自：谷禾健康

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