溫度對(duì)微生物的影響分析研究 環(huán)境工程專業(yè)

溫度對(duì)微生物的影響摘要溫度對(duì)微生物各種的影響是廣泛的，改變溫度必然會(huì)影響微生物體內(nèi)所進(jìn)行的多種生物化學(xué)反應(yīng)，從而影響微生物各種生理特性的表達(dá)。每一種微生物都有一定的生物動(dòng)力區(qū)溫度，包括最低生長(zhǎng)溫度和最高生長(zhǎng)溫度以及最適生長(zhǎng)溫度。最適生長(zhǎng)溫度能刺激生長(zhǎng)，不適的溫度會(huì)改變微生物的形態(tài)、代謝、毒力等，甚至導(dǎo)致死亡。本論文還從垃圾效率中溫度對(duì)微生物的影響的實(shí)驗(yàn)為例，著重說(shuō)明溫度因子對(duì)微生物特性表達(dá)所起的重要作用。關(guān)鍵詞溫度微生物堆肥效率溫度對(duì)微生物的影響是廣泛的，改變溫度必然會(huì)影響微生物體內(nèi)所進(jìn)行的多種生物化學(xué)反應(yīng)。適宜的溫度能刺激生長(zhǎng)，不適的溫度會(huì)改變微生物的形態(tài)、代謝、毒力等，甚至導(dǎo)致死亡。一般來(lái)說(shuō)，溫度能影響微生物的地理分布，而對(duì)種類分布影響并不明顯。例如，高溫細(xì)菌一般可從熱帶土壤、溫泉、酸敗的食品罐頭中分離到，但也可從非熱帶土壤中分離到。由于溫度對(duì)微生物有重要影響，所以微生物分類學(xué)上常用“最適生長(zhǎng)溫度”、“最高生長(zhǎng)溫度”，“最低生長(zhǎng)溫度”及溫度存活試驗(yàn)作為鑒定菌種的一項(xiàng)生理特征，配合其它形態(tài)與生理特性，以區(qū)別不同溫度范圍的種、屬。溫度是影響微生物生長(zhǎng)的重要因素。一方面，在一定范圍內(nèi)隨著溫度的上升，酶活性提高，細(xì)胞的生物化學(xué)反應(yīng)速度和生長(zhǎng)速度加快，一般溫度每升高10℃，生化反應(yīng)速率增加一倍，同時(shí)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的溶解度提高，細(xì)胞膜的流動(dòng)性增大，有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的排出；另一方面，機(jī)體的重要組成，如核酸、蛋白質(zhì)等對(duì)溫度較敏感，隨著溫度的升高可遭受不可逆的破壞。各種微生物都有其生長(zhǎng)繁殖的最低溫度、最適溫度、最高溫度和致死溫度。微生物能進(jìn)行繁殖的最低溫度界限稱為最低生長(zhǎng)溫度。低于此溫度微生物不能生長(zhǎng)。使微生物生長(zhǎng)速率最高的溫度叫最適生長(zhǎng)溫度。不同微生物的最適生長(zhǎng)溫度不同。微生物生長(zhǎng)繁殖的最高溫度界限叫最高生長(zhǎng)溫度。超過(guò)這個(gè)溫度會(huì)引起細(xì)胞成分不可逆地失去活性而導(dǎo)致死亡。一，微生物的生長(zhǎng)溫度類型不同微生物的最適生長(zhǎng)溫度差異很大，根據(jù)微生物的最適生長(zhǎng)溫度，可將它們分成低溫微生物、中溫微生物和高溫微生物。如下表1所示。（1）低溫微生物又稱嗜冷微生物，能在O℃下生長(zhǎng)，可分為專性嗜冷和兼性嗜冷兩種。專性嗜冷微生物的最適生長(zhǎng)溫度為巧℃左右，最高生長(zhǎng)物溫度為20。兼性嗜冷微生物生長(zhǎng)的溫度范圍較廣，但最適生長(zhǎng)溫度仍以20℃左右為好，最高生長(zhǎng)溫度為35℃左右。嗜冷微生物如假單胞菌、乳酸桿菌和青霉等多分布在海洋、深湖、冷泉和冷藏庫(kù)中，分解其中的有機(jī)物。根據(jù)研究，嗜冷微生物能在低溫下生長(zhǎng)主要由于嗜冷微生物的酶在低溫下能更有效地起催化作用，而高溫達(dá)30一40℃時(shí)會(huì)使酶失去活性;嗜冷微生物的細(xì)胞膜含不飽和脂肪酸較高，能在低溫下保持膜的半流動(dòng)性，從而保證了膜的通透性，有利于微生物的生長(zhǎng)。（2）中溫型微生物又稱嗜溫型微生物，絕大多數(shù)微生物屬于這一類。其最適生長(zhǎng)溫度為20-40℃，最低生長(zhǎng)溫度為10-20℃，最高生長(zhǎng)溫度為40-50℃。土壤、植物、溫血?jiǎng)游锛叭梭w中的微生物大部分屬于這一類。它們又可分為溫室性微生物和體溫性微生物。嗜溫性微生物的生長(zhǎng)速率高于嗜冷性微生物，嗜溫性微生物最低生長(zhǎng)溫度不能低于10℃，低于10℃蛋白質(zhì)合成過(guò)程不能啟動(dòng)，許多酶功能受到抑制，使生長(zhǎng)受到抑制。（3）高溫型微生物又稱嗜熱性微生物，它們適宜在45一50℃以上的溫度中生長(zhǎng)。這類微生物主要分布在溫泉、堆肥堆、發(fā)酵飼料、日照充足的土壤表面等腐爛有機(jī)物中。例如部分芽抱桿菌、高溫放線菌屬等都是能在55一70℃中生長(zhǎng)的類群。有的細(xì)菌可在近100℃的高溫中生長(zhǎng)。生物體完成其生命機(jī)能的溫度區(qū)，稱為生物動(dòng)力區(qū)(Biokineticzone)。在進(jìn)一步討論生物動(dòng)力區(qū)之內(nèi)的溫度對(duì)微生物的影響前，首先談一下動(dòng)力區(qū)之外的溫度對(duì)微生物的影響。二，溫度對(duì)微生物的影響（一）高溫對(duì)微生物的影響微生物在高于生物動(dòng)力區(qū)的溫度，即高于100℃會(huì)被殺死，實(shí)際上，就大多數(shù)微生物來(lái)講，在溫度高于大約50℃條件下即引起死亡。大家知道，有機(jī)體的生命活動(dòng)主要是由酶催化的，酶又是由易發(fā)生熱變性的蛋白質(zhì)構(gòu)成的，所以，微生物的熱致死多是因細(xì)胞酶的熱鈍化所引起的。已知呼吸酶，特別是在催化三竣酸循環(huán)反應(yīng)中的那些酶是特別對(duì)熱變性敏感的，這些呼吸酶的變性能導(dǎo)致生物體的死亡。另外，微生物在高溫下死亡也很可能起因于部分RNA熱鈍化以及損壞原生質(zhì)膜所引起。（二）低溫對(duì)微生物的影響低溫會(huì)減少或停止微生物的代謝作用。溫度低于冰點(diǎn)時(shí)，可以使原生質(zhì)內(nèi)的水分結(jié)冰，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。凍死與熱死一樣，其生物化學(xué)根據(jù)也未完全了解。一般認(rèn)為凍死是由于細(xì)胞內(nèi)水分結(jié)冰形成冰晶擾亂了原生質(zhì)膠體狀態(tài)和對(duì)原生質(zhì)膜與細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生機(jī)械破壞所致。另方面，由對(duì)細(xì)菌和酵母的研究看出，當(dāng)微生物的。懸液被冰凍時(shí)，盡管懸液中形成冰，而細(xì)胞內(nèi)的水分仍保持過(guò)冷的液體狀態(tài)，懸液中結(jié)冰后，細(xì)胞外溶液濃度上升，細(xì)胞內(nèi)水分外滲而使細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)濃度增加，以致于質(zhì)壁分離，造成死亡。那么，真空冷凍干燥保藏菌種時(shí)，為什么菌體不會(huì)死亡呢？這是因?yàn)檎婵绽鋬銮г飼r(shí)，由于冷凍迅速，菌體溶液中水分不形成結(jié)晶，而呈不定形玻璃狀，當(dāng)被迅速融化時(shí)，玻璃狀水分也不形成結(jié)晶，這就是冷凍干燥保藏菌種的依據(jù)。三，溫度對(duì)微生物影響實(shí)驗(yàn)以席北斗，李英軍等人的“溫度對(duì)生活垃圾堆肥效率的影響”來(lái)說(shuō)明溫度對(duì)微生物某些生理特性的影響。溫度是堆料中微生物生命活動(dòng)的重要標(biāo)志，它直接影響堆肥反應(yīng)速率，是堆肥能否順利進(jìn)行的主要因素。本試驗(yàn)利用可自動(dòng)加熱堆肥反應(yīng)器，在一定條件下研究不同溫度對(duì)生活垃圾堆肥效率的影響。試驗(yàn)材料和方法1實(shí)驗(yàn)材料儀器堆料：堆料比為生活垃圾∶成熟堆肥=80∶20；/N=25，含水率55%左右，有機(jī)物60%左右。儀器：烘箱、生物培養(yǎng)箱、堆肥反應(yīng)器、O2-H2S測(cè)定儀、CO2測(cè)定儀等。培養(yǎng)基原料：有胰蛋白胨、NaCl、K2HPO4、瓊脂、土豆提取液、葡萄糖、麥芽汁、酵母汁和蒸餾水等。2實(shí)驗(yàn)方法試驗(yàn)方法：自然升溫試驗(yàn)堆肥反應(yīng)裝置見(jiàn)文獻(xiàn)，將上述配好的堆料，分別裝入反應(yīng)器。反應(yīng)器出口與O2-H2S測(cè)定儀、CO2測(cè)定儀相連，在線監(jiān)測(cè)O2-H2S、CO2氣體濃度。堆體供氧由供氧泵和氣體流量計(jì)控制，出口O2濃度一般控制在8%~15%范圍內(nèi)。堆層透氣性由H2S氣體濃度控制，室內(nèi)環(huán)境溫度通?？刂圃?5℃左右,垃圾配比固定不變，濕度控制在55%左右(堆肥原料)。每天從反應(yīng)器中取出150g樣品，進(jìn)行生物化學(xué)分析。堆肥反應(yīng)前開(kāi)啟加熱裝置，將堆肥溫度分別控制在40℃、55℃和65℃，其他反應(yīng)條件同上。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1）溫度對(duì)堆肥過(guò)程中微生物的影響堆肥開(kāi)始物料的溫度為27℃，隨著微生物分解有機(jī)物不斷放熱，堆肥物料的溫度迅速上升。堆層溫度最初上升很快，并在第2d達(dá)到最高溫度，其后溫度緩慢下降。由于堆肥反應(yīng)器具有保溫和加熱結(jié)構(gòu)，故堆層溫度受周圍環(huán)境的影響小，另外，堆肥過(guò)程中盡量減少人為控制，所以整個(gè)過(guò)程堆料的理化性質(zhì)，微生物變化與堆溫變化有很好的相關(guān)性，堆肥起始階段隨著中溫菌的增多，堆肥溫度不斷上升，到達(dá)35℃左右時(shí),中溫微生物濃度達(dá)到最大，當(dāng)溫度達(dá)到62℃時(shí)，高溫微生物濃度達(dá)到1×1010個(gè)/g。圖1反應(yīng)了堆肥過(guò)程溫度-微生物之間的關(guān)系。溫度變化會(huì)對(duì)微生物的生長(zhǎng)、繁殖造成影響，一部分菌種因不適應(yīng)堆料環(huán)境數(shù)量減少，甚至死亡，另一部分菌種則可能大量生長(zhǎng)繁殖，成為優(yōu)勢(shì)種群，引起堆料中微生物種群和數(shù)量發(fā)生相應(yīng)的改變。試驗(yàn)中微生物種群和溫度之間的關(guān)系如圖1所示。堆肥溫度與微生物的生長(zhǎng)關(guān)系如下表所示：表2堆肥溫度與微生物生長(zhǎng)關(guān)系圖1表明，在堆肥開(kāi)始時(shí)，微生物以常溫菌、中溫菌群為主，同時(shí)存在少量耐高溫的菌群。但由于溫度升高很快，微生物種群結(jié)構(gòu)不久就過(guò)渡為以中、高溫的菌群為主。當(dāng)溫度達(dá)到55℃以上時(shí)，高溫菌種的數(shù)量在總菌種數(shù)量中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。溫度上升使微生物生命活動(dòng)旺盛，生長(zhǎng)繁殖速度快，微生物個(gè)體總數(shù)隨之而增加。當(dāng)達(dá)到65℃以上時(shí)，高溫微生物開(kāi)始死亡，堆肥產(chǎn)生的熱量不足以維持高溫，于是溫度開(kāi)始下降，微生物活力降低。但由于增殖速度慣性，故微生物總數(shù)的高峰并未出現(xiàn)在最高溫度時(shí)刻，而是在之后的幾天。但是隨著溫度的不斷降低，環(huán)境條件不再支持原有高溫種群生物的生長(zhǎng)，而中溫菌群正在適應(yīng)環(huán)境,增殖速度還不快，故微生物總體上的繁殖速度小于死亡的速度，使微生物總數(shù)下降至一低值。隨著中溫種群對(duì)環(huán)境的適應(yīng)及環(huán)境溫度進(jìn)入菌群適宜范圍，使該類種群微生物數(shù)量迅速增加，達(dá)到總數(shù)的第2個(gè)高峰。但是由于可降解有機(jī)質(zhì)被不斷分解減少，最終微生物個(gè)體總數(shù)量下降，而此間耐高溫菌群數(shù)量變化不大。（2）溫度對(duì)微生物降解有機(jī)質(zhì)的影響本試驗(yàn)通過(guò)垃圾堆肥過(guò)程中產(chǎn)生CO2量，反映各溫度階段微生物對(duì)有機(jī)物分解能力的大小和微生物的代謝活力(圖2)，從而確定堆肥垃圾穩(wěn)定的主要作用階段，為堆肥工藝參數(shù)控制提供依據(jù)。從圖2可知，堆肥過(guò)程中CO2最大產(chǎn)生速率主要發(fā)生在50~60℃。一般而言，嗜溫菌最適合溫度是30~40℃，嗜熱菌最適合溫度是50~60℃，從表2中可以看出，采用合適的高溫垃圾分解速度快，并且能將蟲(chóng)卵、病原菌、寄生蟲(chóng)和孢子等殺滅，故用50~60℃的高溫堆肥是有利的。當(dāng)溫度上升到65~70℃嚴(yán)重影響微生物的生長(zhǎng)和繁殖，反應(yīng)速率又開(kāi)始下降。實(shí)驗(yàn)證明，堆肥溫度為50~60℃。在此溫度下，有利于微生物生長(zhǎng)，因此堆肥效率高。實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和結(jié)果說(shuō)明：（1）溫度在微生物某些生理特性的表現(xiàn)上起著決定行的作用；（2）由于溫度影響微生物的生長(zhǎng)和繁殖，從而引起堆肥過(guò)程微生物數(shù)量和微生物優(yōu)勢(shì)菌群（主要是中溫菌群和高溫菌群）的交替變化；（3）微生物菌群的變化直接影響對(duì)有機(jī)污染物的降解。四，溫度對(duì)微生物的其它影響除了對(duì)生長(zhǎng)和脂質(zhì)的影響外，溫度還能影響微生物的其它性能。首先一些微生物的毒力是受到溫度的左右的。例如，炭疽桿菌在42℃培養(yǎng)數(shù)代后，失去生成芽胞的能力，并變?yōu)橛谰眯缘臒o(wú)毒株。單核細(xì)胞增生利斯特氏菌NCTC5214，在小雞胚胎中于低溫生長(zhǎng)時(shí)比在高溫生長(zhǎng)時(shí)毒性更大。根癌土壤桿菌，當(dāng)接種溫度在31.5至37℃時(shí)，會(huì)喪失其誘導(dǎo)蕃茄生瘤的毒力。其次一些微生物色素的產(chǎn)生也受溫度影響，粘質(zhì)賽氏桿菌在20-25℃生長(zhǎng)時(shí)比在37℃能產(chǎn)生更大量的紅色靈桿菌素。此外，微生物的其它代謝活動(dòng)也為溫度所影響，許多微生物合成多糖的能力在低溫區(qū)比在高溫區(qū)要強(qiáng)。生長(zhǎng)溫度的下降還可引起細(xì)菌和酵母菌核糖核酸/蛋白質(zhì)比率的增加，反之亦然。參考文獻(xiàn)[1]南照東，相艷，曾憲誠(chéng)，等.細(xì)菌最適生長(zhǎng)溫度的微量熱法研究.四川大學(xué)學(xué)報(bào)[2]陳世和,張所明.城市垃圾堆肥原理與工藝.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,1990[3]陳世和,建宇.城市生活垃圾堆肥動(dòng)態(tài)工藝(DANO)的研究.上海環(huán)境科學(xué),1992,[4]席北斗,劉鴻亮,孟偉,等.高效復(fù)合微生物菌群在垃圾堆肥中的應(yīng)用.環(huán)境科學(xué),2001,