3.第三節(jié)-影響微生物生長(zhǎng)的主要因素解析

微生物學(xué)第三節(jié)影響微生物生長(zhǎng)的主要因素物理因素：溫度、pH和氧氣（最主要）微生物的六大類(lèi)營(yíng)養(yǎng)要素碳源、氮源、能源、生長(zhǎng)因子、無(wú)機(jī)鹽、水一、溫度

溫度是影響微生物細(xì)胞生長(zhǎng)和存活的最重要的因素之一。最低生長(zhǎng)溫度最適生長(zhǎng)溫度最高生長(zhǎng)溫度3個(gè)重要指標(biāo)生長(zhǎng)溫度三基點(diǎn)(threecardinalpoint)溫度

生長(zhǎng)速度溫度停止生長(zhǎng)致死最低最高最適

微生物按其最適生長(zhǎng)溫度范圍可分為：

嗜冷菌嗜溫菌

嗜熱菌

最適生長(zhǎng)溫度：

即某微生物分裂代時(shí)最短或生長(zhǎng)速率最高時(shí)的培養(yǎng)溫度。不同微生物的最適生長(zhǎng)溫度是不一樣的。

微生物作為整體來(lái)言，其溫度的三基點(diǎn)是極其寬的，堪稱(chēng)“生物世界之最”。

嗜冷菌

其生長(zhǎng)溫度范圍在－10～20℃，最適生長(zhǎng)溫度為15℃或以下，它們常分布在地球兩極地區(qū)的水域和土壤中。嗜冷機(jī)制：①酶系在低溫下仍能起催化作用

②細(xì)胞膜含較多的不飽和脂肪酸，在低溫下仍具有通透性。

嗜溫菌

絕大多數(shù)微生物屬于這一類(lèi)。最適生長(zhǎng)溫度在20～45℃之間，最低生長(zhǎng)溫度10～20℃，最高生長(zhǎng)溫度40～45℃。它們又可分為室溫型（25℃）和體溫型（37℃）。

嗜熱菌

它們適于在45～50℃以上的溫度中生長(zhǎng)，在自然界中的分布僅局限于某些地區(qū)，如溫泉、日照充足的土壤表面、堆肥、發(fā)酵飼料等腐爛有機(jī)物中，如堆肥在發(fā)酵過(guò)程中溫度常高達(dá)60～70℃。

嗜熱機(jī)制：①細(xì)胞內(nèi)的酶具強(qiáng)抗熱性。②產(chǎn)生的多胺，熱亞胺和高溫精胺物質(zhì)對(duì)蛋白質(zhì)等組織結(jié)構(gòu)具有保護(hù)作用。③核酸也具有熱穩(wěn)定性的保護(hù)結(jié)構(gòu)。④細(xì)胞膜含有較多的飽和脂肪酸和直鏈脂肪酸，使膜具有穩(wěn)定性。

對(duì)某一具體微生物來(lái)說(shuō)，其生長(zhǎng)溫度的寬和窄與它們長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中所處的生存環(huán)境溫度有關(guān)。寬溫微生物窄溫微生物一些生活在土壤中的芽孢桿菌（15～65℃）；既可在人體大腸中生活，也可在體外環(huán)境中生活的E.coli

（10～47.5℃）；專(zhuān)性寄生在人體泌尿生殖道中的Neisseriagonorrhoeae（淋病奈瑟氏球菌）（36～40℃）；

最適生長(zhǎng)溫度（optimumgrowthtemperature）簡(jiǎn)稱(chēng)最適溫度，是指某菌分裂代時(shí)最短或生長(zhǎng)速率最高時(shí)的培養(yǎng)溫度。對(duì)同一微生物來(lái)說(shuō)，最適溫度并非一切生理過(guò)程的最適溫度——一般規(guī)律最適溫度≠生長(zhǎng)得率最高時(shí)的培養(yǎng)溫度，≠發(fā)酵速率或累積代謝產(chǎn)物最高時(shí)的培養(yǎng)溫度，≠累積某一代謝產(chǎn)物量最高時(shí)的培養(yǎng)溫度。強(qiáng)調(diào)指出菌名生長(zhǎng)溫度／℃發(fā)酵溫度／℃累積產(chǎn)物溫度／℃Serratia

marcescens（粘質(zhì)賽氏桿菌）37合成靈桿菌素20～25Aspergillus

niger（黑曲霉）37產(chǎn)糖化酶32～34Streptococcusthermophilus（嗜熱鏈球菌）374737Streptococcuslactis（乳酸鏈球菌）3440產(chǎn)細(xì)胞：25～30產(chǎn)乳酸：30例如，在Penicillium

chrysogenum（產(chǎn)黃青霉）總共165小時(shí)的青霉素發(fā)酵過(guò)程中，根據(jù)不同生理代謝過(guò)程的溫度特點(diǎn)分四段控制其培養(yǎng)溫度。0小時(shí)－→5小時(shí)－→40小時(shí)－→125小時(shí)－→165小時(shí)結(jié)果，青霉素產(chǎn)量提高了14.7％。

30℃25℃20℃25℃這一規(guī)律對(duì)指導(dǎo)發(fā)酵生產(chǎn)有著重要的意義。二、氧氣氧對(duì)微生物的生命活動(dòng)有著極其重要的影響。好氧微生物（好氧菌，aerobes）厭氧微生物（厭氧菌，anaerobes）細(xì)分為5類(lèi)微生物與氧的關(guān)系根據(jù)微生物與氧的關(guān)系可細(xì)分為5類(lèi)

專(zhuān)性好氧菌：需氧，正常大氣壓下呼吸產(chǎn)能以呼吸為主，兼營(yíng)發(fā)酵產(chǎn)能好氧菌兼性厭氧菌

以呼吸為主，兼營(yíng)厭氧呼吸產(chǎn)能

微好氧菌：需要微量氧下生活

耐氧菌：不需氧，只以發(fā)酵產(chǎn)能，氧無(wú)毒害厭氧菌

(專(zhuān)性)厭氧菌：氧有害或致死，以發(fā)酵或無(wú)氧呼吸產(chǎn)能

必須在較高濃度分子氧（～0.2巴）的條件下才能生長(zhǎng)，它們有完整的呼吸鏈，以分子氧作為最終氫受體，含有超氧化物歧化酶（superoxidedismutase，SOD）和過(guò)氧化氫酶（catalase）。1.專(zhuān)性好氧菌（obligateorstrictstrictaerobe）絕大多數(shù)真菌和許多細(xì)菌、放線菌都是專(zhuān)性好氧菌，例如，Acetobacter（醋桿菌屬）、

Azotobacter（固氮菌屬）、Pseudomonasaeruginosa（銅綠假單胞菌，又稱(chēng)綠膿桿菌）、

Coeynebacterium

diphtheriae（白喉棒桿菌）等。2.

兼性厭氧菌（facultativeanaerobes）

是以在有氧條件下的生長(zhǎng)為主也可兼在厭氧條件下生長(zhǎng)的微生物，有時(shí)也稱(chēng)“兼性好氧菌”（facultativeaerobes）。它們能在有氧時(shí)靠呼吸產(chǎn)能；無(wú)氧時(shí)借發(fā)酵或無(wú)氧呼吸產(chǎn)能，細(xì)胞含SOD和過(guò)氧化氫酶。許多酵母菌和不少細(xì)菌都是兼性厭氧菌。例如，Saccharomy

cescerevisiae（釀酒酵母）、Bacilluslicheniformis（地衣芽孢桿菌）、腸桿菌科的各種細(xì)菌包括E．coli、

Enterobacteraerogenes（產(chǎn)氣腸桿菌，舊稱(chēng)產(chǎn)氣氣桿菌或產(chǎn)氣桿菌）、

Proteusvulgaris（普通變形桿菌）等。3.

微好氧菌（microaerophilicbacteria）

只能在較低的氧分壓（0.01～0.03巴，正常大氣中的氧分壓為0.2巴）下才能正常生長(zhǎng)的微生物。也是通過(guò)呼吸鏈并以氧為最終氫受體而產(chǎn)能。例如，Vibrio

cholerae（霍亂弧菌）、

Hydrogenomonas（氫單胞菌屬）、

Zymomonas（發(fā)酵單胞菌屬）和Campylobacter（彎曲菌屬）等。4.

耐氧菌（aerotolerantanaerobes）

即耐氧性厭氧菌的簡(jiǎn)稱(chēng)。是一類(lèi)可在分子氧存在下進(jìn)行發(fā)酵性厭氧生活的厭氧菌。它們的生長(zhǎng)不需要任何氧，但分子氧對(duì)它也無(wú)毒害。它們不具有呼吸鏈，僅依靠專(zhuān)性發(fā)酵和底物水平磷酸化而獲得能量。耐氧機(jī)制是細(xì)胞內(nèi)存在SOD和過(guò)氧化物酶，但缺乏過(guò)氧化氫酶。一般的乳酸菌多數(shù)是耐氧菌，例如，Streptococcuslactis（乳鏈球菌）、

S．faecalis（糞鏈球菌）、Lactobacilluslactis（乳酸乳桿菌）、

Leuconostoc

mesenteroides（腸膜明串珠菌）等；非乳酸菌類(lèi)耐氧菌，例如，Butyribacterium

rettgeri（雷氏丁酸桿菌）等。5.

厭氧菌（anaerobes）嚴(yán)格厭氧菌（專(zhuān)性厭氧菌，strictorobligateanaerobes）一般厭氧菌特點(diǎn)：①分子氧對(duì)它們有毒，即使短期接觸也會(huì)抑制甚至致死；②在空氣或含10％CO2的空氣中，它們?cè)诠腆w或半固體培養(yǎng)基的表面上不能生長(zhǎng)，只有在其深層的無(wú)氧或低氧化還原勢(shì)的環(huán)境下才能生長(zhǎng)；③生命活動(dòng)所需能量是通過(guò)發(fā)酵、無(wú)氧呼吸、循環(huán)光合磷酸化或甲烷發(fā)酵等提供；④細(xì)胞內(nèi)缺乏SOD和細(xì)胞色素氧化酶，大多數(shù)還缺乏過(guò)氧化氫酶。常見(jiàn)的厭氧菌：Clostridium（梭菌屬）、Bacteroides（擬桿菌屬）、Fusobacterium（梭桿菌屬）、Bifidobacterium（雙歧桿菌屬）、以及各種光合細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌（methanogens）等。極端厭氧菌27氧與細(xì)菌生長(zhǎng)的關(guān)系

1971年在McCord和Fridovich提出關(guān)于專(zhuān)性厭氧生活的超氧化物歧化酶（SOD）學(xué)說(shuō)。關(guān)于厭氧菌的氧毒害機(jī)制無(wú)無(wú)活力無(wú)活力嚴(yán)格厭氧菌無(wú)無(wú)活力有活力耐氧性厭氧菌有有活力有活力好氧菌細(xì)胞色素系統(tǒng)過(guò)氧化氫酶超氧化物歧化酶（SOD）菌類(lèi)型

經(jīng)過(guò)廣泛調(diào)查不同微生物中SOD和過(guò)氧化氫酶的分布狀況后得出：SOD的功能：保護(hù)好氧菌免受超氧化物陰離子自由基的毒害，從而提出了缺乏SOD的微生物必然只能進(jìn)行專(zhuān)性厭氧生活的學(xué)說(shuō)。O2.-超氧陰離子自由基普遍存在H2O+1/2O2

過(guò)氧化氫酶（好氧菌）2H2O過(guò)氧化物酶（耐氧菌）NADH2NADO2.+2H+H2O2+O2

-SOD（好氧菌及耐氧菌）按SOD分子中所含金屬輔基的不同，可把它分為3類(lèi)：真核生物的線粒體中Mn③原核生物Fe②幾乎所有的真核生物的細(xì)胞質(zhì)中Cu、Zn①存在的范圍SOD分子中所含金屬輔基類(lèi)型三、pHpH值表示某水溶液中氫離子濃度的負(fù)對(duì)數(shù)值。純水呈中性，其氫離子濃度為10-7mol/L，定其pH值為7。最低生長(zhǎng)pH最適生長(zhǎng)pH最高生長(zhǎng)pH最適生長(zhǎng)pH值偏于堿性范圍內(nèi)的微生物嗜堿微生物（basophile）耐堿微生物（basotolerantmicroorganism）例如,硝化細(xì)菌、尿素分解菌、根瘤菌和放線菌等如若干鏈霉菌等嗜堿性的能耐較堿的條件最適生長(zhǎng)pH值偏于酸性范圍內(nèi)的微生物嗜酸微生物（acidophile）耐酸微生物（acidotolerantmicroorganism）如Thiobacillus（硫桿菌屬）等如乳酸桿菌、醋酸桿菌、許多腸桿菌和假單胞菌等一般地說(shuō)，多數(shù)真菌是嗜酸的（pH5），而多數(shù)放線菌則是嗜堿的（pH8）。嗜酸性的能耐較酸的條件對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)中pH的控制最為重要。許多抗生素的生產(chǎn)菌也有同樣的情況。

不同種類(lèi)微生物不同的最適生長(zhǎng)pH值同一種微生物在不同的生長(zhǎng)階段和不同的生理、生化過(guò)程可免除了DNA、ATP、菌綠素和葉綠素等重要成分被酸破壞，或RNA、磷脂類(lèi)等被堿破壞的可能性。外環(huán)境pH相當(dāng)穩(wěn)定，一般都接近中性pH變化很大微生物細(xì)胞內(nèi)環(huán)境胞內(nèi)酶最適pH一般接近中性周質(zhì)空間中的酶胞外酶最適pH接近環(huán)境的pHpH對(duì)細(xì)胞的影響直接影響間接影響pH影響培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的離子化程度微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收、環(huán)境中有害物質(zhì)對(duì)微生物的毒性、代謝反應(yīng)中各種酶的活性等影響

微生物的生命活動(dòng)過(guò)程中也會(huì)能動(dòng)地改變外界環(huán)境的pH，——培養(yǎng)基的原始pH在培養(yǎng)微生物過(guò)程中會(huì)時(shí)時(shí)發(fā)生改變。如

糖類(lèi)－－－－－pH↓

有機(jī)物脂肪－－－－－pH↓培養(yǎng)基內(nèi)蛋白質(zhì)－－－－pH↑中性成分(NH4)2SO4－－－－pH↓

無(wú)機(jī)鹽

NaNO3－－－－-pH↑發(fā)酵、氧化水解脫羧NH4＋選擇吸收NO3-選擇吸收

在一般培養(yǎng)過(guò)程中往往以變酸占優(yōu)勢(shì)，因此，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，一般培養(yǎng)基會(huì)變得較酸。pH變化與培養(yǎng)基的組分尤其是碳氮比有極大的關(guān)系，碳氮比高的培養(yǎng)基經(jīng)培養(yǎng)后pH值常會(huì)明顯下降例如培養(yǎng)各種真菌的培養(yǎng)基碳氮比低的培養(yǎng)基經(jīng)培養(yǎng)后pH值則常會(huì)明顯上升例如培養(yǎng)一般細(xì)菌的培養(yǎng)基在微生物培