3.第三节---影响微生物生长的主要因素解析

第三节影响微生物生长的主要因素物理因素：温度、pH和氧气（最主要）微生物的六大类营养要素碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐、水一、温度温度是影响微生物细胞生长和存活的最重要的因素之一。最低生长温度最适生长温度最高生长温度3个重要指标生长温度三基点(threecardinalpoint)温度生长速度温度停止生长致死最低最高最适微生物按其最适生长温度范围可分为：嗜冷菌嗜温菌嗜热菌最适生长温度：即某微生物分裂代时最短或生长速率最高时的培养温度。不同微生物的最适生长温度是不一样的。微生物作为整体来言，其温度的三基点是极其宽的，堪称“生物世界之最”。嗜冷菌其生长温度范围在－10～20℃，最适生长温度为15℃或以下，它们常分布在地球两极地区的水域和土壤中。嗜冷机制：①酶系在低温下仍能起催化作用②细胞膜含较多的不饱和脂肪酸，在低温下仍具有通透性。嗜温菌绝大多数微生物属于这一类。最适生长温度在20～45℃之间，最低生长温度10～20℃，最高生长温度40～45℃。它们又可分为室温型（25℃）和体温型（37℃）。嗜热菌它们适于在45～50℃以上的温度中生长，在自然界中的分布仅局限于某些地区，如温泉、日照充足的土壤表面、堆肥、发酵饲料等腐烂有机物中，如堆肥在发酵过程中温度常高达60～70℃。嗜热机制：①细胞内的酶具强抗热性。②产生的多胺，热亚胺和高温精胺物质对蛋白质等组织结构具有保护作用。③核酸也具有热稳定性的保护结构。④细胞膜含有较多的饱和脂肪酸和直链脂肪酸，使膜具有稳定性。对某一具体微生物来说，其生长温度的宽和窄与它们长期进化过程中所处的生存环境温度有关。宽温微生物窄温微生物一些生活在土壤中的芽孢杆菌（15～65℃）；既可在人体大肠中生活，也可在体外环境中生活的E.coli（10～47.5℃）；专性寄生在人体泌尿生殖道中的Neisseriagonorrhoeae（淋病奈瑟氏球菌）（36～40℃）；最适生长温度（optimumgrowthtemperature）简称最适温度，是指某菌分裂代时最短或生长速率最高时的培养温度。对同一微生物来说，最适温度并非一切生理过程的最适温度——一般规律最适温度≠生长得率最高时的培养温度，≠发酵速率或累积代谢产物最高时的培养温度，≠累积某一代谢产物量最高时的培养温度。强调指出菌名生长温度／℃发酵温度／℃累积产物温度／℃Serratiamarcescens（粘质赛氏杆菌）37合成灵杆菌素20～25Aspergillusniger（黑曲霉）37产糖化酶32～34Streptococcusthermophilus（嗜热链球菌）374737Streptococcuslactis（乳酸链球菌）3440产细胞：25～30产乳酸：30例如，在Penicilliumchrysogenum（产黄青霉）总共165小时的青霉素发酵过程中，根据不同生理代谢过程的温度特点分四段控制其培养温度。0小时－→5小时－→40小时－→125小时－→165小时结果，青霉素产量提高了14.7％。30℃25℃20℃25℃这一规律对指导发酵生产有着重要的意义。二、氧气氧对微生物的生命活动有着极其重要的影响。好氧微生物（好氧菌，aerobes）厌氧微生物（厌氧菌，anaerobes）细分为5类微生物与氧的关系根据微生物与氧的关系可细分为5类专性好氧菌：需氧，正常大气压下呼吸产能以呼吸为主，兼营发酵产能好氧菌兼性厌氧菌以呼吸为主，兼营厌氧呼吸产能微好氧菌：需要微量氧下生活耐氧菌：不需氧，只以发酵产能，氧无毒害厌氧菌(专性)厌氧菌：氧有害或致死，以发酵或无氧呼吸产能必须在较高浓度分子氧（～0.2巴）的条件下才能生长，它们有完整的呼吸链，以分子氧作为最终氢受体，含有超氧化物歧化酶（superoxidedismutase，SOD）和过氧化氢酶（catalase）。1.专性好氧菌（obligateorstrictstrictaerobe）绝大多数真菌和许多细菌、放线菌都是专性好氧菌，例如，Acetobacter（醋杆菌属）、Azotobacter（固氮菌属）、Pseudomonasaeruginosa（铜绿假单胞菌，又称绿脓杆菌）、Coeynebacteriumdiphtheriae（白喉棒杆菌）等。2.兼性厌氧菌（facultativeanaerobes）是以在有氧条件下的生长为主也可兼在厌氧条件下生长的微生物，有时也称“兼性好氧菌”（facultativeaerobes）。它们能在有氧时靠呼吸产能；无氧时借发酵或无氧呼吸产能，细胞含SOD和过氧化氢酶。许多酵母菌和不少细菌都是兼性厌氧菌。例如，Saccharomycescerevisiae（酿酒酵母）、Bacilluslicheniformis（地衣芽孢杆菌）、肠杆菌科的各种细菌包括E．coli、Enterobacteraerogenes（产气肠杆菌，旧称产气气杆菌或产气杆菌）、Proteusvulgaris（普通变形杆菌）等。3.微好氧菌（microaerophilicbacteria）只能在较低的氧分压（0.01～0.03巴，正常大气中的氧分压为0.2巴）下才能正常生长的微生物。也是通过呼吸链并以氧为最终氢受体而产能。例如，Vibriocholerae（霍乱弧菌）、Hydrogenomonas（氢单胞菌属）、Zymomonas（发酵单胞菌属）和Campylobacter（弯曲菌属）等。4.耐氧菌（aerotolerantanaerobes）即耐氧性厌氧菌的简称。是一类可在分子氧存在下进行发酵性厌氧生活的厌氧菌。它们的生长不需要任何氧，但分子氧对它也无毒害。它们不具有呼吸链，仅依靠专性发酵和底物水平磷酸化而获得能量。耐氧机制是细胞内存在SOD和过氧化物酶，但缺乏过氧化氢酶。一般的乳酸菌多数是耐氧菌，例如，Streptococcuslactis（乳链球菌）、S．faecalis（粪链球菌）、Lactobacilluslactis（乳酸乳杆菌）、Leuconostocmesenteroides（肠膜明串珠菌）等；非乳酸菌类耐氧菌，例如，Butyribacteriumrettgeri（雷氏丁酸杆菌）等。5.厌氧菌（anaerobes）严格厌氧菌（专性厌氧菌，strictorobligateanaerobes）一般厌氧菌特点：①分子氧对它们有毒，即使短期接触也会抑制甚至致死；②在空气或含10％CO2的空气中，它们在固体或半固体培养基的表面上不能生长，只有在其深层的无氧或低氧化还原势的环境下才能生长；③生命活动所需能量是通过发酵、无氧呼吸、循环光合磷酸化或甲烷发酵等提供；④细胞内缺乏SOD和细胞色素氧化酶，大多数还缺乏过氧化氢酶。常见的厌氧菌：Clostridium（梭菌属）、Bacteroides（拟杆菌属）、Fusobacterium（梭杆菌属）、Bifidobacterium（双歧杆菌属）、以及各种光合细菌和产甲烷菌（methanogens）等。极端厌氧菌*氧与细菌生长的关系1971年在McCord和Fridovich提出关于专性厌氧生活的超氧化物歧化酶（SOD）学说。关于厌氧菌的氧毒害机制无无活力无活力严格厌氧菌无无活力有活力耐氧性厌氧菌有有活力有活力好氧菌细胞色素系统过氧化氢酶超氧化物歧化酶（SOD）菌类型经过广泛调查不同微生物中SOD和过氧化氢酶的分布状况后得出：SOD的功能：保护好氧菌免受超氧化物阴离子自由基的毒害，从而提出了缺乏SOD的微生物必然只能进行专性厌氧生活的学说。O2.-超氧阴离子自由基普遍存在H2O+1/2O2过氧化氢酶（好氧菌）2H2O过氧化物酶（耐氧菌）NADH2NADO2.+2H+H2O2+O2-SOD（好氧菌及耐氧菌）按SOD分子中所含金属辅基的不同，可把它分为3类：真核生物的线粒体中Mn③原核生物Fe②几乎所有的真核生物的细胞质中Cu、Zn①存在的范围SOD分子中所含金属辅基类型三、pHpH值表示某水溶液中氢离子浓度的负对数值。纯水呈中性，其氢离子浓度为10-7mol/L，定其pH值为7。最低生长pH最适生长pH最高生长pH最适生长pH值偏于碱性范围内的微生物嗜碱微生物（basophile）耐碱微生物（basotolerantmicroorganism）例如,硝化细菌、尿素分解菌、根瘤菌和放线菌等如若干链霉菌等嗜碱性的能耐较碱的条件最适生长pH值偏于酸性范围内的微生物嗜酸微生物（acidophile）耐酸微生物（acidotolerantmicroorganism）如Thiobacillus（硫杆菌属）等如乳酸杆菌、醋酸杆菌、许多肠杆菌和假单胞菌等一般地说，多数真菌是嗜酸的（pH5），而多数放线菌则是嗜碱的（pH8）。嗜酸性的能耐较酸的条件对发酵生产中pH的控制最为重要。许多抗生素的生产菌也有同样的情况。不同种类微生物不同的最适生长pH值同一种微生物在不同的生长阶段和不同的生理、生化过程可免除了DNA、ATP、菌绿素和叶绿素等重要成分被酸破坏，或RNA、磷脂类等被碱破坏的可能性。外环境pH相当稳定，一般都接近中性pH变化很大微生物细胞内环境胞内酶最适pH一般接近中性周质空间中的酶胞外酶最适pH接近环境的pHpH对细胞的影响直接影响间接影响pH影响培养基中营养物质的离子化程度微生物对营养物质的吸收、环境中有害物质对微生物的毒性、代谢反应中各种酶的活性等影响微生物的生命活动过程中也会能动地改变外界环境的pH，——培养基的原始pH在培养微生物过程中会时时发生改变。如糖类－－－－－pH↓有机物脂肪－－－－－pH↓培养基内蛋白质－－－－pH↑中性成分(NH4)2SO4－－－－pH↓无机盐NaNO3－－－－-pH↑发酵、氧化水解脱羧NH4＋选择吸收NO3-选择吸收在一般培养过程中往往以变酸占优势，因此，随着培养时间的延长，一般培养基会变得较酸。pH变化与培养基的组分尤其是碳氮比有极大的关系，碳氮比高的培养基经培养后pH值常会明显下降例如培养各种真菌的培养基碳氮比低的培养基经培养后pH值则常会明显上升例如培养一般细菌的培养基在微生物培养过程中，一项重要措施——如何及时调节合适的pH。根据表面现象而进行直接、快速但不能持久的调节。根据内在机制所采用的间接、缓效但能发挥较持久作用的调节。调节措施治标治本过酸时：加NaOH、Na2CO3等碱液中和治标过碱时：加H2SO4、HCl等酸液中和pH调节加适当氮源：加尿素、NaNO3、过酸时NH4OH或蛋白质等治本提高通气量加适当碳源：加糖、乳酸、醋酸、柠檬酸或油脂过碱时降低通气量