五章環(huán)境因子對微生物生長和代謝的影響

五章環(huán)境因子對微生物生長和代謝的影響第1頁/共73頁

第五章環(huán)境因子對

微生物生長和代謝的影響第2頁/共73頁環(huán)境因子對微生物的影響適宜環(huán)境：微生物能正常地進行生命活動不適宜環(huán)境：微生物的正常生命活動受到抑制或被迫暫時改變原有的一些特征。惡劣環(huán)境：微生物死亡或發(fā)生遺傳變易。第3頁/共73頁第一節(jié)環(huán)境因子對微生物生長和生存的影響

一.理化因素對生長的影響（一）溫度

1、溫度對微生物的影響

溫度通過影響膜的液晶結構、酶和蛋白質的合成及活性、RNA的結構、轉錄等影響微生物的生命活動。第4頁/共73頁第5頁/共73頁2、微生物的生長溫度范圍

最低生長溫度最高生長溫度最適生長溫度

致死溫度ACBvT℃第6頁/共73頁3、微生物的生長溫度類型按照最適生長溫度范圍的不同分類嗜冷微生物嗜溫微生物嗜熱微生物第7頁/共73頁

微生物生長的溫度類型最低最適最高分布的主要場所專性-125-1515-20兩極地區(qū)低溫型兼性-5--010-2025-30海水，冷藏食品上

室溫10-2020-3540-45

腐

生

菌中溫型體溫10-2035-4040-45

寄

生

菌高

溫

型25-4550-6070-95溫泉

堆肥等微生物類型第8頁/共73頁不同溫度下的菌例第9頁/共73頁1、嗜冷微生物（psychrophiles）

能在5℃以下生長的微生物稱為嗜冷微生物。種類專性：最適溫度15℃，最高溫度20℃

兼性：最適溫度25~30℃，最高溫度35℃左右耐冷微生物psychrotolerant嗜冷微生物在低溫下生長的原因細胞膜含有大量的不飽和脂肪酸，使膜在低溫下也能保持半流動狀態(tài)；細胞的酶在低溫下能有效地起催化作用，而在30~40℃的情況下，這些酶很快失活。

第10頁/共73頁2、嗜溫微生物

mesophiles

最適生長溫度在25~37℃微生物叫嗜溫微生物。

種類：寄生型（體溫型）：最適35~40℃

腐生型（室溫型）：最適25~35℃。第11頁/共73頁3、嗜熱微生物

thermophiles嗜熱微生物：最適生長溫度50~60℃嗜高溫微生物：最適生長溫度在80℃以上

嗜熱微生物在高溫下生長的原因酶和其他蛋白質中的更具有耐熱性；核酸中含有較多的GC對，對熱更加穩(wěn)定；細胞膜中飽和脂肪酸含量高，使膜具有熱穩(wěn)定性；細胞生長速率快，能迅速合成生物大分子，以彌補由于高溫造成的破壞。第12頁/共73頁嗜高溫微生物hyperthermophiles

已發(fā)現的嗜高溫微生物全都是古生細菌，它們所處的環(huán)境與普通細菌有很大區(qū)別。在高溫下生長的原因：一般認為它們蛋白質熱穩(wěn)定性與蛋白質上存在的鹽橋數目增加（氨基酸帶上Na+或其它陽離子生成電荷橋）及蛋白質高度密集的疏水內部區(qū)域有關；它們細胞膜中不含脂肪酸，而是由植烷（不同長度碳氫組成的五碳重復單位化合物）組成，這和膜的熱穩(wěn)定性有關。

第13頁/共73頁4、最適發(fā)酵溫度發(fā)酵速率和代謝產物積累速率最大時的溫度。第14頁/共73頁5、極端溫度對微生物的影響

極端溫度

extremetemperature

低于最低生長溫度和高于最高生長溫度范圍的溫度。低溫：0℃以上停止生長冷凍：造成微生物細胞脫水及冰晶的機械損傷而引起微生物死亡。高溫：菌體蛋白變性，殺死細胞應用：第15頁/共73頁6、微生物對熱的忍受微生物溫度℃時間(分)營養(yǎng)細胞：細菌55--6030

酵母50--6010孢子：70--8010細菌芽孢：枯草芽孢桿菌10060

嗜熱脂肪芽孢桿菌12112

肉毒梭菌100360第16頁/共73頁（二）水活度wateractivity定義在相同的溫度和壓力下，體系中溶液的水蒸汽壓與純水的蒸汽壓之比：

aw=p/p0水活度的決定因素：固體基質：水被吸附的牢固程度液體：溶質的含量和溶質的水合程度第17頁/共73頁一些溶質不同濃度的水活度第18頁/共73頁不同微生物生長的最低aw第19頁/共73頁1、基質水活度對微生物的影響高水活度環(huán)境低水活度環(huán)境2、干燥對微生物的影響

干燥使代謝停止，使微生物處于休眠狀態(tài)，嚴重時細胞脫水，蛋白質變性，進而導致死亡。應用：保存物品，保藏菌種第20頁/共73頁水對一些貯藏霉菌的影響第21頁/共73頁3、滲透壓對微生物的影響等滲溶液：微生物正常生長低滲溶液：細胞吸水膨脹，甚至脹破。高滲溶液：細胞脫水，影響代謝活動，引起質壁分離，甚至死亡。第22頁/共73頁耐高滲與嗜高滲微生物生長速度水活度1、正常微生物2、耐高滲微生物3、嗜高滲微生物第23頁/共73頁（三）表面張力1、表面張力：液體表面相鄰兩個部分間單位長度內的相互牽引力。單位：1N/m=1000dyn/cm

水在常溫下的表面張力為72dyn/cm。一般液體培養(yǎng)基的表面張力為45~65dyn/cm第24頁/共73頁2、表面張力對微生物的影響低表面張力,微生物在液體中均勻生長。高表面張力,微生物在液體表面形成菌膜。3、改變表面張力的方法升高表面張力：添加無機鹽降低表面張力：添加表面活性劑第25頁/共73頁（四）輻射輻射是能量通過空間傳播或傳遞的一種物理現象。輻射的種類：電磁輻射和微粒輻射電磁輻射的種類非電離輻射：紅外線、可見光、紫外線等電離輻射：x-射線、γ-射線等。第26頁/共73頁輻射光

第27頁/共73頁可見光波長400-800nm的電磁輻射。光能型微生物的能源長時間照射有殺菌作用紅外線波長大于800nm的電磁輻射。紅外線可以發(fā)熱，產生的高溫具有殺菌作用。第28頁/共73頁紫外線UV波長為150~390nm的電磁輻射。最佳作用波長為265~266nm。1.作用機理誘發(fā)DNA形成T=T、阻礙DNA復制而使微生物發(fā)生變易或死亡。使空氣中的O2變?yōu)镺3，后者分解放出的[O]具有殺菌作用。應用：消毒和誘變第29頁/共73頁紫外線照射后形成T-T二聚體第30頁/共73頁2.細胞對紫外損傷的修復作用光復活作用

細胞中的光復活酶吸收可見光的能量而被激活后，將T=T中的共價鍵解開，使DNA分子恢復正常狀態(tài)。光復活過程第31頁/共73頁暗修復作用

細胞中的一些修復酶在無光的情況下，也能進行有效的DNA修復作用。作用的酶：DNA內切酶、DNA外切酶、DNA聚合酶和DNA連接酶。第32頁/共73頁電離輻射x射線λ1-10nm，

γ射線λ0.1-1nm作用機理：

引起環(huán)境中或細胞中水的電離而產生的自由基作用于細胞中的敏感大分子，使之電離而失活。H2OH2O++e-

OH+H+H2O+e-H2O-

H+OH+

第33頁/共73頁作用于氧氣分子，產生的強氧化性基團，氧化細胞中的蛋白質和酶分子的巰基，而使細胞受到損傷或死亡。O2+eO2-O2+2eO2=第34頁/共73頁（五）pHpH=-lg[H+]一些溶液的pH值第35頁/共73頁1、環(huán)境pH對微生物的作用改變細胞膜所帶電荷狀態(tài)，從而影響細胞對營養(yǎng)物質的吸收；影響代謝過程中酶的活性；改變環(huán)境中營養(yǎng)物質的可給性；改變環(huán)境中有害物質的毒性。

第36頁/共73頁2、微生物的生長pH范圍不同微生物的生長pH范圍

微生物名稱最低最適最高氧化硫硫桿菌0.52.0~3.56.0大豆根瘤菌4.26.8~7.011.0枯草芽孢桿菌4.56.0~7.58.5大腸埃希氏菌4.36.0~8.09.5金黃色葡萄球菌4.27.0~7.59.3一般放線菌5.07.0~8.010.0一般酵母菌2.54.0~5.88.0一般霉菌1.53.8~6.07.0~11.0第37頁/共73頁3、微生物的類型（按最適生長pH范圍來分）嗜酸微生物acidophile

專性嗜酸菌：最適pH＜6；pH＞7時生長極差或死亡。兼性嗜酸菌：在低pH下生長，在中性pH也長。

嗜堿微生物alkalinophile：專性嗜堿菌：最適pH8~11，pH≤7時生長極慢或不生長嗜中性微生物neutrophile：能在pH4~9范圍內生長，最適生長在pH6~8，大多數微生物屬于這一類。第38頁/共73頁4、微生物的代謝對環(huán)境pH影響第39頁/共73頁5、環(huán)境pH的控制直接加酸或堿進行調節(jié)；加入酸性或堿性營養(yǎng)物質進行調節(jié)和補充營養(yǎng)加入緩沖性物質第40頁/共73頁6、微生物細胞內的pH細胞內部的pH值一般都接近中性胞內酶的最適pH多接近中性細胞內的DNA、ATP等對低pH敏感RNA和磷脂類等對高pH敏感。細胞膜上酶及胞外酶最適pH多接近微生物最適生長pH第41頁/共73頁7、微生物最適生長和最適發(fā)酵pH第42頁/共73頁(六)氧化還原電位Eh

Eh值的測定方法：用一個鉑電極與一個標準電極同時插入體系中，從敏感的伏特計上讀出電位差值。1、影響Eh的主要因素：

氧分壓、環(huán)境的pH值2、標準氧化還原電位Eh’：

pH=7時測得的Eh值

Eh’值的變化范圍：+0.82v~-0.42v第43頁/共73頁3、Eh的改變方法

降低Eh

除氧及向培養(yǎng)基中添加還原性物質：H2S、抗壞血酸、含巰基化合物（半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫蘇糖醇等）升高Eh

通空氣或氧及向培養(yǎng)基中添加氧化性物質：Fe(OH)3等第44頁/共73頁4、微生物與氧的關系好氧微生物aerobes

專性好氧菌兼性厭氧菌微好氧菌厭氧微生物anaerobes

耐氧厭氧菌專性厭氧菌第45頁/共73頁（1）專性好氧菌strictaerobes必須在高濃度分子氧(~0.2巴）的條件下才能生長的微生物Eh＞+0.1v可生長，最適在+0.3~+0.4v霉菌、大部分放線菌及部分細菌有完整的呼吸鏈，分子氧作為最終電子受體，氧參與合成固醇及不飽和脂肪酸；細胞含有超氧化物歧化酶和過氧化氫酶超氧化物歧化酶:superoxidedismutaseSOD過氧化氫酶:catalase第46頁/共73頁(2)兼性厭氧菌：facultativeanaerobes以在有氧的條件下生長為主，也可兼在厭氧條件下生長的微生物Eh＞+0.1v通過好氧呼吸獲取能量

Eh＜+0.1v通過發(fā)酵或無氧呼吸獲取能量酵母和部分細菌細胞含有SOD和過氧化氫酶

第47頁/共73頁（3）微好(嗜)氧菌microaerophilicbacteria

只能在較低的氧分壓（0.01~0.03巴）下才能正常生長；也通過有氧呼吸獲取能量。

如：霍亂弧菌、氫單胞菌屬等第48頁/共73頁（4）耐氧厭氧菌：aerotolerantanaerobe可在分子氧存在條件下進行厭氧生活的厭氧菌。生長不需要氧，但分子氧對他們也無害僅依靠發(fā)酵或底物水平磷酸化獲得能量細胞內有SOD和過氧化物酶，但無過氧化氫酶。

如：乳鏈球菌、乳酸乳桿菌、膜明串珠菌第49頁/共73頁（5）厭氧菌：anaerobe只能在無氧或低Eh(Eh<+0.1V)值時,才能生長。分子氧對細胞有毒通過發(fā)酵或無氧呼吸等獲取能量細胞內缺乏SOD、細胞色素氧化酶、大多數還缺乏過氧化氫酶梭狀芽孢桿菌屬、雙歧桿菌屬、產甲烷菌第50頁/共73頁

微生物與氧的關系

類型最適生長的O2體積分數代謝類型好

氧專性好氧菌等于或大于20%有氧呼吸兼性厭氧菌有氧或無氧有氧呼吸；無氧呼吸、發(fā)酵微好氧菌2~10%有氧呼吸厭氧耐氧厭氧菌不需要氧，但有O2存在無害發(fā)酵專性厭氧菌不需要氧，有氧時死亡發(fā)酵、無氧呼吸第51頁/共73頁厭氧菌的氧毒害機制：超氧化物歧化酶學說2O2+2H+SOD(一切好氧微生物及耐氧菌)H2O2+O2H2O+1/2O22H2O-·過氧化氫酶(一切好氧微生物)過氧化物酶(耐氧菌)NADH2NAD第52頁/共73頁第二節(jié)微生物營生環(huán)境條件的優(yōu)化營養(yǎng)物質及其濃度環(huán)境條件pH值溫度溶解氧離子強度二氧化碳分壓第53頁/共73頁第三節(jié)污染微生物的控制一、滅菌與消毒滅菌sterilization

采用強烈的理化因素使物體內外部的一切微生物永遠喪失其生長繁殖能力的措施。

消毒disinfection

采用較溫和的理化因素，僅殺死物體表面或內部一部分對人體或動、植物有害的病原菌，而對被消毒的對象基本無害的措施。第54頁/共73頁（一）滅菌和消毒方法1、高溫滅菌和消毒方法第55頁/共73頁（1）干熱滅菌法dryheatsterilization

①灼燒滅菌法

適用：接種工具，污染物品，實驗動物尸體等。②干熱滅菌法

適用：玻璃、陶瓷器皿，金屬用具等耐高溫的物品。處理：150~170℃1~2小時電熱恒溫干燥箱第56頁/共73頁（2）濕熱滅菌法moistheatsterilization

同樣溫度和相同作用時間下，濕熱滅菌比干熱滅菌效果好的原因①

熱蒸汽穿透力強；

②細胞物質在含水量高時容易變性凝固；③蒸汽凝固時釋放的大量蒸汽潛熱可迅速提高滅菌物品的溫度。第57頁/共73頁A.常壓法①巴氏消毒法pasteurization是一種專用于牛奶、啤酒、果酒或醬油等不宜進行高溫滅菌的液態(tài)風味食品或調料的低溫消毒方法。低溫維持法lowtemperatureholdingmethod，LTH，牛奶：63℃，30分高溫瞬時法hightemperatureshottime，HTST，牛奶：72℃，15秒巴氏消毒單位：在60℃經歷1分鐘所引起的消毒效應稱一個巴氏消毒單位。Pu=Z·1.393(t-60)第58頁/共73頁②煮沸消毒法：在100℃下煮沸數分鐘的方法，常用于飲用水的消毒③間歇滅菌法fractionalsterilization：適用于不耐熱培養(yǎng)基的滅菌設備：蒸籠，高壓滅菌鍋原理：常壓蒸汽（100℃）處理殺死營養(yǎng)細胞，殘留的芽孢等耐熱的孢子體經過夜培養(yǎng)即可萌發(fā)，再加熱處理殺死之，如此反復處理三次，可達到無菌狀態(tài)。對象：含有不耐高溫的營養(yǎng)物質的培養(yǎng)基或無高壓蒸汽滅菌鍋時處理一般培養(yǎng)基。方法：80~100℃蒸煮15~60分鐘→37℃培養(yǎng)過夜，連續(xù)重復三天控制：芽孢桿菌芽孢制劑注意：不含營養(yǎng)物質的物品不宜適用此法。第59頁/共73頁B.加壓法①高壓蒸汽滅菌法（常規(guī)加壓蒸汽滅菌法）autoclaving：是一種利用高溫進行濕熱滅菌的方法。設備：高壓蒸汽滅菌鍋原理：在加壓條件下，水的沸點超過100℃，由此可提供高于100℃的水蒸氣。對象：耐高溫物品，一般培養(yǎng)基，生理鹽水，緩沖溶液，玻璃、陶瓷器皿等控制：嗜熱脂肪芽孢桿菌芽孢制劑，熱變色紙帶②連續(xù)加壓蒸汽滅菌法continuousautoclaving

適用于大型發(fā)酵廠的大批培養(yǎng)基滅菌

135~140℃下維持5~15秒

第60頁/共73頁手提式高壓蒸汽滅菌器高壓蒸汽滅菌器第61頁/共73頁

2、

過濾除菌法：用具：過濾器，如硝化纖維素濾膜原理：將微生物過濾去除對象：空氣，熱敏物質，蛋白質，酶，血清，纖維素，氨基酸等注意：病毒等小于