在微生物生长所需要的生长因子中，许多生长因子属于氨基酸。这是由于这些微生物本身缺乏合成这些氨基酸的能力，因此必须在它们的生长培养基里补充这些氨基酸或者补充含有这些氨基酸的小肽物质，机体才能生长，因而这些氨基酸就构成了这些微生物的生长因子。在某些情况下，由于小肽物质较易被微生物吸收与利用，因而生长好。另外在某些情况下，培养基中一种氨基酸的含量过高，也会导致其它所需氨基酸的吸收。因此，在配制培养基时必须注意所需氨基酸的含量要控制在一定的浓度范围内，避免氨基酸之间因浓度不协调所产生的不良作用。
嘌呤（或嘧啶）碱基通常也是某些微生物的生长因子。它们在机体内的作用一般是构成某些酶的辅酶或辅基或构成核酸的组成成分。
微生物不同所需要的生长因子也不同。例如克氏梭菌生长时需要生物素和对氨基苯甲酸作为生长因子，某些光合微生物需要尼克酸、硫胺素、对氨基苯甲酸、生物素、核黄素、或维生素 B12作为生长因子，肠膜状明串珠菌则需要17种氨基酸存在才能生长得好。另外有些微生物生长还需要特殊的成分，例如某些酵母菌和霉菌生长需要肌醇，某些肺炎球菌生长需要胆碱，支原体和酵母菌在厌氧条件下生长时需要甾醇等。
（6）水 水是微生物生长所需要的另外一种重要物质，它在微生物的生存中起着重要的作用。水在机体中的生理作用主要有：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.由于水的比热高，又是热的良好导体，能有效地吸收代谢过程中放出的热并将吸收的热迅速地散发出去，从而有效地控制细胞内温度变化；5.水是维持细胞正常形态的重要因素；6.微生物通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构，如酶、微管、鞭毛基病毒颗粒的组装与解离。
二、微生物的营养类型
自然界的微生物可以根据它们生长所需要的营养物质的性质不同将它们分成两类基本的营养类型(nutritional types)：一类是它们在生长时需要以复杂的有机物质作为营养物质，这类生物通常称为异养型(heterotrophy)生物；一类是它们在生长时能以简单的无机物质作为营养物质，这类生物通常称为自养型(autotrophy)生物。动物属于异养型生物，它们的合成能力差，不能由简单的无机物合成复杂的细胞物质。植物属于自养型生物，它们的合成能力强，能由简单的无机物合成复杂的细胞物质。在微生物里，既有异养型的也有自养型的，但大多数微生物属于异养型生物，需要以复杂的有机物作为生长的营养物质，只是有少数微生物能以简单的无机物作为营养物质。另外生物在生长过程中需要能量，根据能量的来源不同，又可分为两种类型：一种类型是依靠物质氧化过程中放出的能量进行生长；另一种类型的生物是依靠光能进行生长。前者属于化能营养型生物；后者属于光能营养型生物。化能营养型生物除动物外，大部分微生物也属化能营养型生物，它们从物质的氧化过程中获得能量。还有小部分微生物也能利用光能生长。这种光能营养型生物通过机体内的特殊色素，将光能转变成化学能，然后再供机体利用。
微生物根据生长所需要的碳源的性质可以分成异养型生物和自养型生物，前者不能以CO2作为生长的主要碳源或唯一碳源，后者能以CO2作为生长的主要碳源或唯一碳源。同样根据它们生长所需要的能源不同，各自又可再分为化能营养型与光能营养型。这样微生物可以划分成光能无机自养型(photolithoautotrophy)、光能有机异养型(photoorganoheterotrophy)、化能无机自养型(chemolithoautotrophy)与化能有机异养型(chemoorgaanoheterotrophy)四种基本营养类型（表6-7）。
（1）光能无机自养型微生物 这是一类能以CO2作为唯一碳源或主要碳源并利用光能进行生长的微生物，它们能以无机物如硫化氢、硫代硫酸钠或其它无机硫化物作为供氢体，使CO2还原成细胞物质，并且伴随有元素硫的放出。
光能自养型微生物主要是一些蓝细菌、红螺细菌、绿硫细菌等少数微生物，它们由于含有叶绿素或细菌叶绿素等光合色素，因而能使光能转变成化学能(ATP)供机体直接利用。
（2）光能有机异养型微生物 这类微生物不能以CO2作为主要碳源或唯一碳源，而必须以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原成细胞物质，红螺菌属中的一些细菌就属这种营养类型。它们能利用异丙醇作为供氢体，使CO2还原成细胞物质，同时积累丙酮。
光能异养型细菌在生长时大多数需要外源的生长因子
（3）化能无机自养型微生物 这类微生物与光能自养型微生物相比，它们生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能。它们在以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时，利用电子供体如氢气、硫化氢、二价铁离子或亚硝酸盐等使CO2还原成细胞物质。属于这类微生物的有硫化细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌等。它们广泛分布在土壤与水域环境中，在物质转换过程中起重要作用。
（4）化能有机异养型微生物 目前在已知的微生物中大多数属于化能异养型。它们生长所需要的能量均来自有机物氧化过程中放出的化学能，生长所需要的碳源主要是一些有机化合物，如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等。因此，在化能异养型微生物里有机物通常即是它们生长的碳源物质又是能源物质。
在化能异养型微生物中，根据它们利用的有机物的特性，又可分为腐生型(metatrophy)与寄生型(paratrophy)两种类型。前者是利用无生命活性的有机物作为生长的碳源，后者则是寄生在生活的细胞内，从寄主体内获得生长所需要的营养物质。当然在这两类微生物之间还存在一些中间的过渡类型的微生物，即兼性腐生型(facultive metatrophy)与兼性寄生型(facultive paratrophy)两种类型。
上述四大类型微生物的划分不是绝对的。它们在不同的条件下生长时，往往可以互相转变。例如紫色非硫细菌在有光和厌氧条件下生长时，可以利用光能来还原CO2，这时它们属于光能自养型微生物，但当它们在有机物存在的条件下时，又可直接利用有机物与光能进行生长，此时它们属于光能异养型微生物。异养型微生物也不是绝对不能利用CO2，它们当中有许多可以利用CO2，只是它们不能以CO2作为唯一碳源或主要碳源进行生长，而是在有机物存在的条件下也可以利用CO2，将CO2还原成部分的细胞物质。自养微生物能利用CO2作为唯一碳源进行生长，但不是说它们绝对不能利用有机物进行生长。
三、营养物质进入细胞的方式
培养基的营养物质只有被微生物吸收到细胞内，才能被微生物逐步分解与利用。另外微生物在生长过程中又会不断地产生一些代谢产物，这些产物只有及时地被分泌到细胞外，避免它们在胞内积累产生毒害作用，微生物才能维持其正常生长。营养物质的吸收与代谢产物的分泌都涉及到物质运输这个基本问题。在营养物质进入细胞与代谢产物分泌到胞外这两个过程中，细胞膜起着重要的作用。根据对细胞膜结构以及物质运输的研究结果，目前一般认为营养物质主要以扩散、促进扩散、主动运输和基团转位四种方式透过微生物细胞膜。
（1）扩散
在营养物质的吸收方式中，扩散(diffusion)是一种简单的吸收方式。正如溶质通过透析袋进行扩散一样，不规则运动溶质（如营养物质）通过细胞膜中的含水小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内扩散，这种扩散是非特异性的，但膜上的含水小孔的大小和形状对被扩散的营养物质的分子大小有一定的选择性。物质运输的过程中，既不与膜上的分子发生反应，本身的分子结构也不发生变化。物质运输的速率随细胞膜内外该物质浓度差的降低而减小，直到膜内外物质浓度相同时，导致运输的速率最后降低到零既达到动态平衡。由于扩散是一个不需要代谢能的运输方式，因此，物质不能进行逆浓度运输。
膜的存在是物质扩散的前提。由于膜主要是由磷脂双层和蛋白质组成，并且膜上分布有含水的膜孔，膜内外表面为极性表面，中间为疏水层。因此影响扩散的因素有被吸收物质的分子大小，溶解性（脂溶性或水溶性）、极性大小、膜pH值、离子强度与温度等因素，一般是分子量小，脂溶性、极性小、温度高时营养物质容易吸收，反之则不容易吸收，而pH与离子强度是通过影响物质的电离程度而起作用的。
（2）促进扩散
促进扩散(facilitated diffusion)也是一种物质运输方式，它与扩散的方式相类似，例如物质在运输过程中不需要代谢能，物质本身在分子结构上也不会发生变化，不能进行逆浓度运输，运输的速率随着细胞内外该物质的浓度差的缩小而降低，直至膜内外的浓度差消失，从而达到动态平衡。但是促进扩散与扩散的重要不同点是物质在运输过程中，需要借助位于膜上的一种载体蛋白参与物质的运输，并且每种载体蛋白只运输相应的物质。因此，这种运输的第二个特点是对被运输的物质有高度的立体专一性。这种载体蛋白与被运输的物质之间存在一种亲合力，并且这种亲和力在细胞膜的内外表面大小不同，在外表面亲和力大，在内表面亲和力小，因而通过载体蛋白与被运输物质之间的亲和力大小变化，使载体蛋白的被运输物质发生可逆性的结合与分离，导致物质穿过膜进入细胞。
由于载体蛋白能促进物质运输加快进行，本身在这个过程中又不发生变化，因而它类似于酶的作用特性。故有的人将这类载体蛋白称为透过酶。微生物细胞膜上存在各种不同的透过酶。这些透过酶大都是一些诱导酶，只有在环境中存在有机体生长所需要的物质时，运输这些物质的透过酶才合成。
促进扩散的运输方式多见于真核微生物中，例如通常在厌氧生活的酵母菌中，某些物质的吸收和代谢产物的分泌是通过这种方式完成的。
（3）主动运输
与上面两种运输方式相比，主动运输(active transport)是物质运输的过程中要消耗代谢能，运输的速率不依赖于细胞膜内外被运输物质的浓度差，而是可以逆浓度运输的运输方式。另外主动运输也需要载体蛋白参与运输过程，因而这种运输方式对被运输的物质有高度的立体专一性，被运输的物质与相应的载体蛋白之间存在着亲和力，并且这种亲和力在膜内外大小不同即在膜外表面亲和力大，在膜内表面亲和力小，因而通过亲和力大小的改变使它们之间能发生可逆性结合与分离，从而完成相应物质的运输。在促进扩散与主动运输中，载体蛋白在运输过程中起着重要作用。这种载体蛋白与被运输物质之间亲和力大小的改变是由于载体蛋白构型变化而引起的。这种构型变化在促进扩散里不需要能量，而是通过载体蛋白与被运输物质之间的互相作用引起的。但在主动运输过程中，载体蛋白构型变化需要消耗能量，能量是通过引起膜的激化过程，再引起蛋白构型的变化，或者通过能量的消耗，直接影响载体蛋白的构型变化，进而影响物质运输的。
在主动运输过程中，所需要的能量，因微生物不同，其来源也不同，例如在好氧微生物中直接来自呼吸能，在厌氧微生物中主要来自化学能（即ATP），而在光合微生物中则主要来自光能，这些能量的消耗，都可以使胞内质子（ H+）向胞外排出，从而建立其膜内外的质子浓度差，使膜处于激化状态，即膜上贮备了能量，然后在质子浓度差消失过程中伴随有物质的运输。
主动运输是在微生物中存在的一种主要运输方式，微生物在生长与繁殖过程中所需要的各种营养物质如氨基酸等主要是以主动运输的方式运输的。主动运输的一个例子是大肠杆菌对乳糖的吸收。乳糖在膜外表面与β-半乳糖苷透过酶特异性的结合，通过目前还不很了解的方式（一般认为是通过透过酶构型变化）到达膜内表面，由于代谢能作用，乳糖与β-半乳糖苷酶之间的亲和力降低，使乳糖从膜内表面上释放进入胞内。如果加入对代谢过程有毒害作用的物质（如叠氮钠）到环境中，代谢能停止产生，结果导致细胞对乳糖的吸收停止。
（4）基团转位
基团转位(group translocation)是另一种类型的主动运输。在这种运输方式里，除了在运输过程中，物质分子发生化学变化这一特点以外，其它的特点都与主动运输方式相同。根据目前的研究结果表明，这种运输方式主要存在于厌氧微生物中，也主要是用于许多单（或双）糖与糖的衍生物，以及核苷与脂肪酸的运输，目前在好氧微生物中还未发现有这种运输方式，也未发现以这种运输方式运输氨基酸。
根据大肠杆菌对葡萄糖和金黄色葡萄球菌对乳糖吸收的研究结果，这些糖在运输过程中发生了磷酸化作用，并以磷酸糖的形式存在于细胞质中。进一步的研究结果表明磷酸糖中的磷酸来自磷酸烯醇式丙酮酸（PEP），因此将这种基团转位的方式称为酸烯醇式丙酮酸糖转移酶系统（即PTS）， PTS通常由五种蛋白质组成,包括酶Ⅰ、酶Ⅱ（包括a、b和c三个亚基）和一种低分子量的热稳定蛋白质(HPr)。酶Ⅰ和HPr是非特异性的细胞质蛋白,酶Ⅱa也是可溶性细胞质蛋白, 亲水性酶Ⅱb与位于细胞膜上的酶Ⅱc相结合。在糖的运输过程中,PEP上的磷酸基团逐步通过酶Ⅰ、HPr的磷酸化与去磷酸化作用,最终在酶Ⅱ的作用下转移到糖,生成磷酸糖释放于细胞质中。
除以上四种运输方式外，在原生动物特别是变形虫中存在着膜泡运输（membrane vesicle transport）。膜泡运输是这类微生物的一种营养物质的运输方式。变形虫通过趋向性运动靠近营养物质，并将该物质吸附到 膜表面，然后在该物质附近的细胞膜开始内陷，逐步将营养物质包围，最后形成一个含有该营养物质的膜泡，膜泡脱离细胞膜而游离于细胞质中，营养物质通过这种方式由胞外进入胞内。如果膜泡中包含的是固体营养物质，则将这种营养物质运输方式称为胞吞作用；如果膜泡中包含的是液体，则称为胞饮作用。膜泡运输营养物质的过程一般分五个时期（图6-2），即吸附期、膜伸展期、膜泡迅速形成期，附着膜泡形成期和膜泡释放期。
四、培养基
培养基（medium）是人工配制的,适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。无论是以微生物为材料的研究,还是利用微生物生产生物制品,都必须进行培养基的配制，它是微生物学研究和微生物发酵工业的基础。
（一）配制培养基的原则
（1） 选择适宜的营养物质
总体而言,所有微生物生长繁殖均需要培养基含有碳源、氮源、无机盐、生长因子、水及能源,但由于微生物营养类型复杂,不同微生物对营养物质的需求是不一样的,因此首先要根据不同微生物的营养需求配制针对性强的培养基。自养型微生物能从简单的无机物合成自身需要的糖、脂类、蛋白质、核酸、维生素等复杂的有机物,因此培养自养型微生物的培养基完全可以(或应该)由简单的无机物组成。例如,培养化能自养型的氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)的培养基组成（见表6-9）。在该培养基配制过程中并未专门加入其它碳源物质,而是依靠空气中和溶于水中的CO2为氧化硫硫杆菌提供碳源。
培养其它化能自养型微生物与上述培养基成分基本类似,只是能源物质有所改变。对光能自养型微生物而言,除需要各类营养物质外,还需光照提供能源。培养异养型微生物需要在培养基中添加有机物,而且不同类型异养型微生物的营养要求差别很大,因此其培养基组成也相差很远。例如,培养大肠杆菌的培养基组成比较简单(表6-9),而有些异养型微生物的培养基的成份非常复杂,如肠膜明串珠菌需要生长因子,若配制培养它的合成培养基时,需要在培养基中添加的生长因子多达33种,因此通常采用天然有机物来为它提供生长所需的生长因子。
就微生物主要类型而言,有细菌、放线菌、酵母菌、霉菌、原生动物、藻类及病毒之分,培养它们所需的培养基各不相同。在实验室中常用牛肉膏蛋白胨培养基（或简称普通肉汤培养基）培养细菌(表6-9);用高氏1号合成培养基培养放线菌(表6-9);培养酵母菌一般用麦芽汁培养基,它是将麦芽粉与4倍水混匀,在58～65℃条件下保温3～4小时至完全糖化,调整糖液浓度为10о巴林, 煮沸后用纱布过滤,调pH为6.0配制而成。麦芽粉组成复杂,能为酵母菌提供足够的营养物质;培养霉菌则一般用查氏合成培养基(表6-9)。
原生动物也可用培养基培养,有的原生动物需要较多的营养物质,例如梨型四膜虫(Tetrahymena pyriformis)的培养基含有10种氨基酸、7种维生素、鸟嘌呤、尿嘧啶及一些无机盐等,而有些变形虫可在较简单的蛋白胨肉汤(peptone broth)中生长。大多数藻类可以利用光能,只需要CO2、水和一些无机盐就可生长,而某些藻类如眼虫藻(Euglena)中的一些种可在黑暗条件下利用有机物质生长。有些藻类需要在培养基中补加土壤浸液,培养海洋藻类时可直接利用海水,但如果在特殊情况下需要用合成培养基培养海洋藻类时,则必须在培养基中加入海水中含有的各种盐。
（2）营养物质浓度及配比合适
培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好,营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需,浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用,例如高浓度糖类物质、无机盐、重金属离子等不仅不能维持和促进微生物的生长,反而起到抑制或杀菌作用。另外，培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和(或)代谢产物的形成和积累,其中碳氮比(C/N)的影响较大。严格地讲，碳氮比指培养基中碳元素与氮元素的摩尔数比值,有时也指培养基中还原糖与粗蛋白之比。例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中,培养基碳氮比为4/1时,菌体大量繁殖,谷氨酸积累少;当培养基碳氮比为3/1时,菌体繁殖受到抑制,谷氨酸产量则大量增加。再如,在抗生素发酵生产过程中,可以通过控制培养基中速效氮(或碳)源与迟效氮(或碳)源之间的比例来控制菌体生长与抗生素的合成。
（3）控制pH条件
培养基的pH必须控制在一定的范围内,以满足不同类型微生物的生长繁殖或产生代谢产物。各类微生物生长繁殖或产生代谢产物的最适pH条件各不相同,一般来讲,细菌与放线菌适于在pH7～7.5范围内生长,酵母菌和霉菌通常在pH4.5～6范围内生长。值得注意的是,在微生物生长繁殖和代谢过程中,由于营养物质被分解利用和代谢产物的形成与积累,会导致培养基pH发生变化,若不对培养基pH条件进行控制,往往导致微生物生长速度和代谢产物产量降低。因此,为了维持培养基pH的相对恒定,通常在培养基中加入pH缓冲剂,常用的缓冲剂是一氢和二氢磷酸盐(如K2HPO4和KH2PO4)组成的混合物。K2HPO4溶液呈碱性, KH2PO4溶液呈酸性,两种物质的等克分子混合溶液的pH值为6.8。当培养基中酸性物质积累导致H+浓度增加时, H+与弱碱性盐结合形成弱酸性化合物,培养基pH不会过度降低;如果培养基中OH-浓度增加, OH-则与弱酸性盐结合形成弱碱性化合物,培养基pH也不会过度升高。
但K2HPO4/KH2PO4缓冲系统只能在一定的pH范围（pH6.4～7.2）内起调节作用。有些微生物，如乳酸菌能大量产酸,上述缓冲系统就难以起到缓冲作用,此时可在培养基中添加难溶的碳酸盐(如CaCO3)来进行调节, CaCO3难溶于水,不会使培养基pH过度升高,但它可以不断中和微生物产生的酸,同时释放出CO2,将培养基pH控制在一定范围内。
在培养基中还存在一些天然的缓冲系统,如氨基酸、肽、蛋白质都属于两性电解质,也可起到缓冲剂的作用。 
（4） 控制氧化还原电位(redox potential)
不同类型微生物生长对氧化还原电位(Ф)的要求不一样,一般好氧性微生物在Ф值为+0.1伏以上时可正常生长,一般以+0.3～+0.4伏为宜；厌氧性微生物只能在Ф值低于+0.1伏条件下生长；兼性厌氧微生物在Ф值为+0.1伏以上时进行好氧呼吸,在+0.1伏以下时进行发酵。Ф值与氧分压和pH有关,也受某些微生物代谢产物的影响。在pH相对稳定的条件下,可通过增加通气量(如振荡培养、搅拌)提高培养基的氧分压,或加入氧化剂,从而增加Ф值;在培养基中加入抗坏血酸、硫化氢、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等还原性物质可降低Ф值。
（5） 原料来源的选择
在配制培养基时应尽量利用廉价且易于获得的原料作为培养基成分,特别是在发酵工业中,培养基用量很大,利用低成本的原料更体现出其经济价值。例如，在微生物单细胞蛋白的工业生产过程中,常常利用糖蜜(制糖工业中含有蔗糖的废液)、乳清(乳制品工业中含有乳糖的废液)、豆制品工业废液及黑废液(造纸工业中含有戊糖和己糖的亚硫酸纸浆)等都可作为培养基的原料。再如,工业上的甲烷发酵主要利用废水、废渣作原料,而在我国农村，已推广利用人畜粪便及禾草为原料发酵生产甲烷作为燃料。另外,大量的农副产品，如麸皮、米糠、玉米浆、酵母浸膏、酒糟、豆饼、花生饼、蛋白胨等都是常用的发酵工业原料。
（6） 灭菌处理
要获得微生物纯培养，必须避免杂菌污染，因此应对所用器材及工作场所进行消毒与灭菌。对培养基而言，更是要进行严格的灭菌。对培养基一般采取高压蒸汽灭菌，一般培养基用1.05kg/cm2,121.3℃15-30分钟可达到灭菌目的。在高压蒸汽灭菌过程中，长时间高温会使某些不耐热物质遭到破坏，如使糖类物质形成氨基糖、焦糖，因此含糖培养基常用0.56kg/cm2,112.6℃15-30分钟进行灭菌，对某些对糖要求较高的培养基，可先将糖进行过滤除菌或间歇灭菌，再与其它已灭菌的成份混合；长时间高温还会引起磷酸盐、碳酸盐与某些阳离子(特别是钙、镁、铁离子)结合形成难溶性复合物而产生沉淀，因此,在配制用于观察和定量测定微生物生长状况的合成培养基时,常需在培养基中加入少量螯合剂,避免培养基中产生沉淀而影响OD值的测定,常用的螯合剂为乙二胺四乙酸(EDTA)。还可以将含钙、镁、铁等离子的成份与磷酸盐、碳酸盐分别进行灭菌，然后再混合，避免形成沉淀；高压蒸汽灭菌后，培养基pH会发生改变（一般使pH降低），可根据所培养微生物的要求，在培养基灭菌前后加以调整。 在配制培养基过程中,泡沫的存在对灭菌处理极为不利,因为泡沫中的空气形成隔热层,使泡沫中微生物难以被杀死。因而有时需要在培养基中加入消泡剂以减少泡沫的产生，或适当提高灭菌温度，延长灭菌时间。
（二）培养基的类型及应用
培养基种类繁多,根据其成分、物理状态和用途可将培养基分成多种类型。
按成份不同划分
(1) 天然培养基(complex medium)
这类培养基主要以化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物组成,牛肉膏蛋白胨培养基和麦芽汁培养基就属于此类。基因克隆技术中常用的LB(Luria-Bertani)培养基也是一种复合培养基,其组成见表6-9。
