探索微生物培养基，微观世界的营养基石

在我们肉眼无法直接察觉的微观世界里,微生物以其数量庞大、种类繁多的特点，在地球生态系统中扮演着至关重要的角色，无论是促进物质循环、参与食品发酵，还是在医药、环保等领域发挥关键作用，微生物的生存与繁衍都离不开一个关键要素——微生物培养基，微生物培养基，宛如微观世界的“营养基石”，为微生物的生长、繁殖和代谢活动提供了必要的营养物质和适宜的环境条件，深入探究微生物培养基，不仅有助于我们更好地理解微生物的生命活动规律，还能为生物技术、医学、农业等众多领域的发展提供坚实的基础。

微生物培养基的定义与分类

定义

微生物培养基是人工配制的,适合微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质，它如同微生物的“专属食谱”，根据不同微生物的营养需求精心调配而成，包含了碳源、氮源、无机盐、生长因子、水等必要成分，以满足微生物的能量供应、细胞构建和各种生理活动。

分类

1. 按成分来源分类
   • 天然培养基：这类培养基是利用化学成分不明确的天然物质制成，如牛肉膏、蛋白胨、酵母浸出物等，它们来源广泛、价格低廉，富含多种营养成分，适合大多数异养微生物的生长，在培养细菌常用的牛肉膏蛋白胨培养基中，牛肉膏提供碳源、氮源、维生素和磷酸盐等，蛋白胨主要提供氮源和氨基酸，天然培养基的优点是营养丰富、培养效果好，但由于成分复杂且不稳定，不利于对实验结果进行精确分析和控制。
   • 合成培养基：由化学成分完全已知的物质配制而成，成分精确、重复性好，常用于实验室的研究工作，如培养营养要求较为简单的微生物或进行微生物生理生化特性的研究，培养放线菌的高氏一号培养基，其成分明确，主要由可溶性淀粉、硝酸钾、磷酸氢二钾等组成，合成培养基的缺点是成本较高，营养相对单一，有些微生物可能因缺乏某些未知生长因子而生长不良。
   • 半合成培养基：在天然培养基的基础上，加入某些已知成分的化学物质，以弥补天然培养基成分不稳定的不足，它兼具天然培养基和合成培养基的优点，应用较为广泛，在培养真菌的马铃薯葡萄糖琼脂培养基中，马铃薯提供了丰富的天然营养成分，而葡萄糖则作为明确的碳源添加，使培养基的营养成分更加稳定和可控。
2. 按物理状态分类
   • 液体培养基：呈液体状态，营养物质分布均匀，微生物能充分接触和利用营养成分，生长迅速，常用于大规模工业发酵生产微生物菌体或代谢产物，如抗生素、氨基酸等的发酵生产，在实验室中也常用于微生物的富集培养和生理生化特性研究，通过振荡培养可以增加溶氧量，满足好氧微生物的生长需求。
   • 固体培养基：在液体培养基中加入一定量的凝固剂（如琼脂、明胶等），使其凝固成固体状态，琼脂是最常用的凝固剂，一般添加量为 1.5% - 2.0%，固体培养基常用于微生物的分离、纯化、鉴定和菌种保藏等，在平板培养中，单个微生物细胞在固体培养基表面生长繁殖，形成肉眼可见的菌落，便于观察和挑选不同的微生物。
   • 半固体培养基：凝固剂含量较少，一般琼脂添加量为 0.2% - 0.7%，呈半固体状态，常用于观察微生物的运动特征、鉴定细菌的呼吸类型和噬菌体效价测定等，具有鞭毛的细菌在半固体培养基中可以进行运动，形成以接种点为中心的扩散生长现象，而无鞭毛的细菌则只能在接种点附近生长。
3. 按用途分类
   • 基础培养基：含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质，是配制其他特殊培养基的基础，牛肉膏蛋白胨培养基就是一种常用的基础培养基，它可为大多数细菌的生长提供基本的碳源、氮源、无机盐和维生素等。
   • 营养培养基：在基础培养基的基础上，加入一些特殊的营养物质，如血液、血清、酵母浸膏等，以满足营养要求较高的微生物的生长需求，培养百日咳博德氏菌需要含有血液的巧克力培养基，血液中的血红蛋白等成分能为该菌提供必要的生长因子。
   • 选择培养基：根据某些微生物的特殊营养需求或对某些化学物质的抗性，在培养基中加入相应的特殊营养物质或化学抑制剂，抑制不需要的微生物生长，而有利于所需微生物的生长，在筛选土壤中分解尿素的细菌时，可在培养基中加入尿素作为唯一氮源，只有能分解尿素的细菌才能在该培养基上生长，从而将其从众多微生物中筛选出来。
   • 鉴别培养基：用于鉴别不同类型微生物的培养基，在培养基中加入某种特殊的化学物质，不同微生物在该培养基上生长后会产生不同的代谢产物，与加入的化学物质发生特定的反应，产生明显的特征性变化，从而将不同种类的微生物区分开来，伊红美蓝培养基用于鉴别大肠杆菌，大肠杆菌在该培养基上生长时，其发酵乳糖产生的有机酸与伊红美蓝结合，使菌落呈现深紫色并带有金属光泽，而其他细菌则无此现象。

微生物培养基的成分及其作用

碳源

碳源是为微生物提供碳素来源的物质,它不仅是构成微生物细胞物质的主要元素，也是大多数微生物生长所需的能量来源，微生物可利用的碳源种类繁多，包括糖类、脂肪、有机酸、醇类、烃类等，糖类是最常用的碳源，尤其是葡萄糖，几乎能被所有微生物利用，不同微生物对碳源的利用能力存在差异，自养型微生物能以二氧化碳作为唯一碳源，通过光合作用或化能合成作用将二氧化碳固定为细胞物质；而异养型微生物则需要从有机碳源中获取碳元素，在配制培养基时，应根据所培养微生物的种类选择合适的碳源及其浓度，在培养酿酒酵母时，常以葡萄糖或麦芽糖作为碳源，为酵母的发酵过程提供能量和合成细胞物质的原料。

氮源

氮源是微生物生长所需的氮素来源,主要用于合成细胞内的蛋白质、核酸等含氮物质，微生物可利用的氮源分为有机氮源和无机氮源两大类，有机氮源如牛肉膏、蛋白胨、酵母浸出物、尿素等，它们除了提供氮源外，还能提供碳源、生长因子等营养物质，无机氮源包括铵盐、硝酸盐等，对于一些能利用无机氮源的微生物，如硝化细菌，可将铵盐或硝酸盐作为氮源和能源进行生长，不同微生物对氮源的需求也有所不同，乳酸菌等许多细菌需要有机氮源，而固氮菌则能利用空气中的氮气作为氮源，通过固氮酶将氮气转化为氨，进而合成细胞内的含氮物质，在培养基配制中，要根据微生物的特性合理搭配有机氮源和无机氮源，以满足其生长需求，在培养谷氨酸棒杆菌生产谷氨酸时，常采用豆饼水解液等有机氮源和硫酸铵等无机氮源相结合的方式，为菌体生长和谷氨酸合成提供充足的氮素。

无机盐

无机盐在微生物生长过程中起着多种重要作用,它们参与细胞的组成，维持细胞的渗透压、酸碱度和氧化还原电位等，微生物生长所需的无机盐主要包括大量元素和微量元素，大量元素如磷、硫、钾、钠、镁、钙等，磷是核酸、磷脂等重要生物大分子的组成成分，参与能量代谢和细胞信号转导等过程；硫是蛋白质中某些氨基酸（如半胱氨酸、蛋氨酸）的组成元素，也是一些辅酶的成分；钾、钠、镁等离子则在维持细胞渗透压和酶的活性方面发挥重要作用，微量元素如铁、锰、锌、铜、钼、钴等，虽然微生物对它们的需求量极少，但它们是许多酶的活性中心或激活剂，对微生物的生命活动至关重要，铁是细胞色素氧化酶、过氧化氢酶等酶的组成成分，参与呼吸作用和抗氧化防御系统；钼是固氮酶和硝酸还原酶的组成成分，与氮代谢密切相关，在配制培养基时，要注意控制无机盐的浓度，过高或过低的浓度都可能影响微生物的生长，在培养大肠杆菌的培养基中，适量的硫酸镁可促进菌体生长，而过高浓度的硫酸镁则会对菌体生长产生抑制作用。

生长因子

生长因子是一类微生物生长所必需,但自身不能合成或合成量不足以满足生长需求的有机化合物，主要包括维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶等，维生素在微生物细胞内主要作为辅酶或辅基的组成成分，参与多种代谢反应，如维生素 B1（硫胺素）是丙酮酸脱氢酶系的辅酶成分，参与丙酮酸的氧化脱羧反应；氨基酸是合成蛋白质的基本单位，对于一些不能合成某些必需氨基酸的微生物，必须在培养基中添加相应的氨基酸才能生长，如乳酸菌需要在培养基中添加多种氨基酸；嘌呤和嘧啶是核酸的组成成分，微生物需要它们来合成 DNA 和 RNA，不同微生物对生长因子的需求差异很大，有些微生物对生长因子的需求较为复杂，需要添加多种生长因子才能生长，而有些微生物则能自身合成足够的生长因子，无需外源添加，在培养双歧杆菌时，常需在培养基中添加多种维生素和氨基酸等生长因子，以满足其生长需求。

水

水是微生物细胞的重要组成成分,也是微生物生长必不可少的物质，它在微生物体内具有多种重要功能，如作为溶剂，使营养物质溶解并运输到细胞内，同时将代谢产物排出细胞外；参与细胞内的各种化学反应，许多生化反应都需要在水溶液中进行；水的高比热和高汽化热特性有助于维持细胞内温度的相对稳定，防止细胞因温度剧烈变化而受损，水还能维持细胞的形态和结构，保持细胞的正常生理功能，在配制培养基时，应使用纯净的水，避免水中的杂质对微生物生长产生不良影响，蒸馏水或去离子水是配制培养基常用的水源。

微生物培养基的配制原则与方法

配制原则

1. 目的明确：根据培养微生物的种类、培养目的（如培养菌体、生产代谢产物、分离鉴定等）来选择合适的培养基配方，如果要培养产蛋白酶的芽孢杆菌并用于工业生产蛋白酶，就需要选择能促进芽孢杆菌生长且有利于蛋白酶合成的培养基，适当提高氮源的比例，以满足蛋白酶合成对氮素的需求。
2. 营养协调：培养基中各种营养成分的比例要恰当，特别是碳氮比（C/N），不同微生物对碳氮比的要求不同，真菌的碳氮比要求较高，细菌的碳氮比相对较低，在培养一般细菌时，碳氮比通常控制在 5:1 左右；而在培养酵母菌时，碳氮比可适当提高到 10:1 左右，还要注意其他营养成分之间的平衡，如无机盐的浓度、生长因子的添加量等，以确保微生物能够获得全面、适宜的营养。
3. 理化条件适宜：培养基的酸碱度（pH）、渗透压和氧化还原电位等理化条件要符合所培养微生物的生长要求，不同微生物对 pH 的适应范围不同，大多数细菌适宜在中性至微碱性（pH 7.0 - 7.6）环境中生长，而真菌一般适宜在酸性（pH 5.0 - 6.0）环境中生长，在配制培养基时，可通过添加酸（如盐酸）或碱（如氢氧化钠）来调节 pH，渗透压对微生物的生长也有重要影响，高渗环境会导致微生物细胞失水，低渗环境则可能使细胞吸水膨胀甚至破裂，微生物能适应与细胞内渗透压相近的环境，在配制培养基时，要根据微生物的特性控制好溶质的浓度，氧化还原电位与微生物的呼吸类型密切相关，好氧微生物需要较高的氧化还原电位，而厌氧微生物则需要较低的氧化还原电位，在培养厌氧微生物时，常通过加入还原剂（如巯基乙酸钠）来降低培养基的氧化还原电位。
4. 经济节约：在满足微生物生长需求的前提下，尽量选用价格低廉、来源广泛的原料配制培养基，以降低生产成本，在工业发酵生产中，可利用农副产品下脚料（如麸皮、米糠等）作为碳源和氮源，既能降低成本，又能实现资源的综合利用，要注意避免使用对环境有害的物质，以实现可持续发展。

配制方法

1. 计算：根据培养基配方和所需培养基的体积，准确计算各种成分的用量，要配制 1000ml 的牛肉膏蛋白胨培养基，按照配方，需称取牛肉膏 3g、蛋白胨 10g、氯化钠 5g、琼脂 15 - 20g（若配制固体培养基），将其放入合适的容器中。
2. 称量：使用天平准确称取所需的各种成分，对于易潮解的物质（如牛肉膏），应迅速称量，避免长时间暴露在空气中吸收水分，称取时要注意天平的校准和使用规范，确保称量结果的准确性。
3. 溶化：将称取的各种成分放入适量的水中，加热并不断搅拌，使其充分溶解，对于难溶的物质（如琼脂），可适当延长加热时间，并搅拌均匀，防止局部过热烧焦，在加热过程中，要注意补充蒸发掉的水分，以保持培养基的体积准确。
4. 调节 pH：待培养基冷却至 50℃左右（避免温度过高时调节 pH 导致误差，同时防止温度过低时培养基凝固），用 pH 计或精密 pH 试纸测量培养基的 pH，并根据需要用盐酸或氢氧化钠溶液调节至所需的 pH 值，调节 pH 时要缓慢滴加溶液，并不断搅拌，避免 pH 变化过快。
5. 分装：根据实验目的和培养方式，将调节好 pH 的培养基分装到不同的容器中，如用于平板培养，可将培养基分装到三角瓶中，然后进行灭菌，待冷却至 50℃左右时，在无菌条件下倒入培养皿中制成平板；用于液体培养，则可将培养基分装到试管或三角瓶中，注意分装量要适宜，一般试管装量为试管高度的 1/4 - 1/5，三角瓶装量为三角瓶容积的 1/3 - 1/2。
6. 加塞包扎：在分装后的容器上加上合适的塞子（如棉塞、硅胶塞等），以防止杂菌污染，同时保证通气良好（对于需氧微生物培养），然后用牛皮纸或报纸将瓶口或管口包扎好，防止灭菌时冷凝水打湿棉塞。
7. 灭菌：将包扎好的培养基进行灭菌处理，以杀灭其中的所有微生物，包括细菌、真菌、芽孢和孢子等，常用的灭菌方法有高压蒸汽灭菌、干热灭菌、过滤除菌等，应根据培养基的成分和性质选择合适的灭菌方法，对于大多数含有不耐高温成分的培养基，如含有糖类、维生素等的培养基，常采用高压蒸汽灭菌法，在 121℃、1.05kg/cm²压力下灭菌 15 - 30min，对于一些不耐热的液体培养基（如血清、抗生素溶液等），可采用过滤除菌法，通过孔径为 0.22μm 或 0.45μm 的滤膜过滤，除去其中的微生物。
8. 倒平板（若为固体培养基）：将灭菌后的培养基冷却至 50℃左右（此时培养基仍为液态且可避免烫伤皮肤），在无菌条件下（如超净工作台内），将培养基倒入培养皿中，每个培养皿倒入约 15 - 20ml，轻轻晃动培养皿，使培养基均匀分布，待其自然冷却凝固后，即制成平板，倒平板时要注意避免培养基溅到皿盖上，同时要尽快完成操作，防止杂菌污染。
9. 无菌检查：将灭菌后的培养基放入培养箱中，在 37℃（或根据所培养微生物的最适生长温度）培养 2 - 3 天，观察有无微生物生长，若培养基上无任何菌落生长，说明灭菌彻底，可用于接种微生物；若有菌落生长，则表明培养基灭菌不彻底，需要重新配制和灭菌。

微生物培养基在各领域的应用

医学领域

1. 疾病诊断：通过培养患者样本（如血液、痰液、尿液等）中的病原菌，利用特定的培养基进行分离和鉴定，为疾病的诊断提供重要依据，在诊断肺结核时，常用罗氏培养基培养结核分枝杆菌，结核分枝杆菌在该培养基上生长缓慢，形成具有特征性的粗糙、干燥、隆起的菌落，结合其他检测方法可确诊肺结核。
2. 药敏试验：将分离得到的病原菌接种到含有不同抗生素的培养基上，观察细菌的生长情况，以确定病原菌对各种抗生素的敏感性，从而指导临床合理用药，在治疗细菌性肺炎时，通过药敏试验选择对病原菌敏感的抗生素，可提高治疗效果，减少抗生素的滥用。
3. 疫苗生产：微生物培养基是生产疫苗的重要基础，在生产流感疫苗时，常采用鸡胚培养法或细胞培养法，利用合适的培养基培养流感病毒，经过灭活、纯化等工艺制成疫苗，培养基的质量和成分对病毒的生长繁殖和疫苗的质量有着关键影响。

工业领域

1. 发酵工业：微生物培养基是发酵生产各种产品的关键因素，如抗生素、氨基酸、酶制剂、有机酸等，通过优化培养基配方和培养条件，可提高发酵产量和质量，在青霉素的发酵生产中，以玉米浆、葡萄糖、无机盐等为原料配制培养基，通过控制碳氮比、pH、溶氧量等条件，可使青霉素的产量大幅提高。
2. 食品工业：在食品发酵过程中，培养基为发酵微生物提供营养，促进其生长和代谢，从而生产出各种发酵食品，如酸奶、面包、酱油、醋等，在酸奶生产中，以牛奶为基础，添加适量