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1、第五章 环境因子对 微生物生长和代谢的影响,江南大学生物工程学院,环境因子对微生物的影响,适宜环境： 微生物能正常地进行生命活动 不适宜环境： 微生物的正常生命活动受到抑制或被迫暂时改变原有的一些特征。 恶劣环境： 微生物死亡或发生遗传变易。,第一节 环境因子对微生物生长和生存的影响 一.理化因素对生长的影响,（一）温度 1、温度对微生物的影响 温度通过影响膜的液晶结构、酶和蛋白质的合成及活性、RNA的结构、转录等 影响微生物的生命活动。,2、微生物的生长温度范围 最低生长温度 最高生长温度 最适生长温度 致死温度,A,C,B,T ,3、微生物的生长温度类型,按照最适生长温度范围的不同分类 嗜
2、冷微生物 嗜温微生物 嗜热微生物,微生物生长的温度类型,不同温度下的菌例,1、嗜冷微生物（psychrophiles）,能在5以下生长的微生物称为嗜冷微生物。 种类 专性：最适温度15，最高温度20 兼性：最适温度2530，最高温度35左右 耐冷微生物 psychrotolerant 嗜冷微生物在低温下生长的原因 细胞膜含有大量的不饱和脂肪酸，使膜在低温下也能保持半流动状态； 细胞的酶在低温下能有效地起催化作用，而在3040的情况下，这些酶很快失活。,2、嗜温微生物 mesophiles,最适生长温度在2537微生物叫嗜温微生物。 种类： 寄生型（体温型）：最适3540 腐生型（室温型）：最适
3、2535。,3、嗜热微生物 thermophiles,嗜热微生物：最适生长温度5060 嗜高温微生物：最适生长温度在80以上 嗜热微生物在高温下生长的原因 酶和其他蛋白质中的更具有耐热性； 核酸中含有较多的GC对，对热更加稳定； 细胞膜中饱和脂肪酸含量高，使膜具有热稳定性； 细胞生长速率快，能迅速合成生物大分子，以弥补由于高温造成的破坏。,嗜高温微生物 hyperthermophiles,已发现的嗜高温微生物全都是古生细菌，它们所处的环境与普通细菌有很大区别。 在高温下生长的原因： 一般认为它们蛋白质热稳定性与蛋白质上存在的盐桥数目增加（氨基酸带上Na+或其它阳离子生成电荷桥）及蛋白质高度密集
4、的疏水内部区域有关； 它们细胞膜中不含脂肪酸，而是由植烷（不同长度碳氢组成的五碳重复单位化合物）组成，这和膜的热稳定性有关。,4、最适发酵温度,发酵速率和代谢产物积累速率最大时的温度。,5、极端温度对微生物的影响,极端温度 extreme temperature 低于最低生长温度和高于最高生长温度范围的温度。 低温： 0以上停止生长 冷冻：造成微生物细胞脱水及冰晶的机械损伤而引起微生物死亡。 高温：菌体蛋白变性，杀死细胞 应用：,6、微生物对热的忍受,微生物 温度 时间(分) 营养细胞：细 菌 55-60 30 酵 母 50-60 10 孢 子 ： 70-80 10 细菌芽孢： 枯草芽孢杆菌
5、100 60 嗜热脂肪芽孢杆菌 121 12 肉毒梭菌 100 360,（二）水活度 water activity,定义 在相同的温度和压力下，体系中溶液的水蒸汽压与纯水的蒸汽压之比： aw=p/p0 水活度的决定因素： 固体基质：水被吸附的牢固程度 液体：溶质的含量和溶质的水合程度,一些溶质不同浓度的水活度,不同微生物生长的最低aw,1、基质水活度对微生物的影响 高水活度环境 低水活度环境 2、干燥对微生物的影响 干燥使代谢停止，使微生物处于休眠 状态，严重时细胞脱水，蛋白质变性，进 而导致死亡。 应用： 保存物品，保藏菌种,水对一些贮藏霉菌的影响,3、渗透压对微生物的影响,等渗溶液： 微生
6、物正常生长 低渗溶液： 细胞吸水膨胀，甚至胀破。 高渗溶液： 细胞脱水，影响代谢活动，引起质壁分离，甚至死亡。,耐高渗与嗜高渗微生物,生长速度,水活度,1、正常微生物 2、耐高渗微生物 3、嗜高渗微生物,（三）表面张力,1、表面张力：液体表面相邻两个部分间单位长度内的相互牵引力。 单位：1N/m=1000dyn/cm 水在常温下的表面张力为72 dyn/cm。 一般液体培养基的表面张力为4565dyn/cm,2、表面张力对微生物的影响 低表面张力, 微生物在液体中均匀生长。 高表面张力, 微生物在液体表面形成菌膜。 3、改变表面张力的方法 升高表面张力：添加无机盐 降低表面张力：添加表面活性剂
7、,（四）辐射,辐射是能量通过空间传播或传递的一种物理现象。 辐射的种类：电磁辐射和微粒辐射 电磁辐射的种类 非电离辐射：红外线、可见光、紫外线等 电离辐射：x-射线、-射线等。,辐射光,可见光 波长400-800nm的电磁辐射。 光能型微生物的能源 长时间照射有杀菌作用 红外线 波长大于800nm的电磁辐射。 红外线可以发热，产生的高温具有杀菌作用。,紫外线 UV,波长为150390nm的电磁辐射。 最佳作用波长为265266nm。 1.作用机理 诱发DNA形成T=T、阻碍DNA复制而使微生物发生变易或死亡。 使空气中的O2变为O3，后者分解放出的O具有杀菌作用。 应用：消毒和诱变,紫外线照射
8、后形成T-T二聚体,2. 细胞对紫外损伤的修复作用,光复活作用 细胞中的光复活酶吸收可见光的能量而被激活后，将T=T中的共价键解开，使DNA分子恢复正常状态。,光复活过程,暗修复作用 细胞中的一些修复酶在无光的情况下，也能进行有效的DNA修复作用。 作用的酶：DNA内切酶、DNA外切酶、DNA聚合酶和DNA连接酶。,电离辐射,x射线 1-10nm， 射线0.1-1nm 作用机理： 引起环境中或细胞中水的电离而产 生的自由基作用于细胞中的敏感大分子，使之电离而失活。,H2O H2O+ +e- OH +H+ H2O+ e- H2O- H +OH+,作用于氧气分子，产生的强氧化性基 团，氧化细胞中的
9、蛋白质和酶分子的巯基， 而使细胞受到损伤或死亡。,（五）pH pH= -lgH+,一些溶液 的pH值,1、环境pH对微生物的作用,改变细胞膜所带电荷状态，从而影响细胞对营养物质的吸收； 影响代谢过程中酶的活性； 改变环境中营养物质的可给性； 改变环境中有害物质的毒性。,2、 微生物的生长pH范围 不同微生物的生长pH范围,3、微生物的类型（按最适生长pH范围来分）,嗜酸微生物 acidophile 专性嗜酸菌： 最适pH6；pH7时生长极差或死亡。 兼性嗜酸菌：在低pH下生长，在中性pH也长。 嗜碱微生物 alkalinophile： 专性嗜碱菌：最适pH811，pH 7时生长极慢或不生长 嗜
10、中性微生物 neutrophile： 能在pH49范围内生长，最适生长在pH68，大多数微生物属于这一类。,4、微生物的代谢对环境pH影响,5、环境pH的控制,直接加酸或碱进行调节； 加入酸性或碱性营养物质进行调节和补充营养 加入缓冲性物质,6、微生物细胞内的pH,细胞内部的pH值一般都接近中性 胞内酶的最适pH多接近中性 细胞内的DNA、ATP等对低pH敏感 RNA和磷脂类等对高pH敏感。 细胞膜上酶及胞外酶最适pH多接近微生物最适生长pH,7、微生物最适生长和最适发酵pH,(六) 氧化还原电位 Eh,Eh 值的测定方法：用一个铂电极与一个标准电极同时插入体系中，从敏感的伏特计上读出电位差值
11、。 1、影响 Eh的主要因素： 氧分压、环境的pH值 2、标准氧化还原电位 Eh： pH=7时测得的Eh值 Eh值的变化范围：+0.82v -0.42v,3、Eh的改变方法 降低Eh 除氧及向培养基中添加还原性物质：H2S、抗坏血酸、含巯基化合物（半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等） 升高Eh 通空气或氧及向培养基中添加氧化性物质：Fe(OH)3等,4、微生物与氧的关系,好氧微生物aerobes 专性好氧菌 兼性厌氧菌 微好氧菌 厌氧微生物 anaerobes 耐氧厌氧菌 专性厌氧菌,（1）专性好氧菌 strict aerobes 必须在高浓度分子氧(0.2巴）的条件下才能生长的微生物 Eh+0
12、.1v 可生长，最适在+0.3+0.4v 霉菌、大部分放线菌及部分细菌 有完整的呼吸链，分子氧作为最终电子受体，氧参与合成固醇及不饱和脂肪酸； 细胞含有超氧化物歧化酶和过氧化氢酶 超氧化物歧化酶: superoxide dismutase SOD 过氧化氢酶: catalase,(2) 兼性厌氧菌：facultative anaerobes 以在有氧的条件下生长为主，也可兼在厌氧条件下生长的微生物 Eh+0.1v 通过好氧呼吸获取能量 Eh+0.1v 通过发酵或无氧呼吸获取能量 酵母和部分细菌 细胞含有SOD和过氧化氢酶,（3）微好(嗜)氧菌microaerophilic bacteria 只
13、能在较低的氧分压（0.010.03巴）下才能正常生长；也通过有氧呼吸获取能量。 如：霍乱弧菌、氢单胞菌属等,（4）耐氧厌氧菌： aerotolerant anaerobe 可在分子氧存在条件下进行厌氧生活的厌氧菌。 生长不需要氧，但分子氧对他们也无害 仅依靠发酵或底物水平磷酸化获得能量 细胞内有SOD和过氧化物酶，但无过氧化氢酶。 如：乳链球菌、乳酸乳杆菌、膜明串珠菌,（5）厌氧菌：anaerobe 只能在无氧或低Eh(Eh+0.1V)值时, 才能生长。 分子氧对细胞有毒 通过发酵或无氧呼吸等获取能量 细胞内缺乏SOD、细胞色素氧化酶、大多数还缺乏过氧化氢酶 梭状芽孢杆菌属、双歧杆菌属、 产甲
14、烷菌,微生物与氧的关系,厌氧菌的氧毒害机制：超氧化物歧化酶学说,第二节 微生物营生环境条件的优化,营养物质及其浓度 环境条件 pH值 温度 溶解氧 离子强度 二氧化碳分压,第三节 污染微生物的控制,一、灭菌与消毒 灭菌 sterilization 采用强烈的理化因素使物体内外部的一切微生物永远丧失其生长繁殖能力的措施。 消毒 disinfection 采用较温和的理化因素，仅杀死物体表面或内部一部分对人体或动、植物有害的病原菌，而对被消毒的对象基本无害的措施。,（一）灭菌和消毒方法 1、高温灭菌和消毒方法,（1）干热灭菌法 dry heat sterilization 灼烧灭菌法 适用：接种工
15、具， 污染物品， 实验动物尸体等。干热灭菌法 适用：玻璃、陶瓷器皿， 金属用具等耐高温的物品。 处理：150170 12小时,电热恒温干燥箱,（2）湿热灭菌法 moist heat sterilization 同样温度和相同作用时间下，湿热灭菌比干热灭菌效果好的原因 热蒸汽穿透力强； 细胞物质在含水量高时容易变性凝固； 蒸汽凝固时释放的大量蒸汽潜热可迅速提高灭菌物品的温度。,A. 常压法 巴氏消毒法 pasteurization 是一种专用于牛奶、啤酒、果酒或酱油等不宜进行高温灭菌的液态风味食品或调料的低温消毒方法。 低温维持法low temperature holding method，LT
16、H，牛奶：63，30分 高温瞬时法 high temperature shot time，HTST，牛奶：72，15秒 巴氏消毒单位：在60经历1分钟所引起的消毒效应称一个巴氏消毒单位。Pu=Z1.393(t-60),煮沸消毒法：在100下煮沸数分钟的方法，常用于饮用水的消毒 间歇灭菌法fractional sterilization：适用于不耐热培养基的灭菌 设备：蒸笼，高压灭菌锅 原理：常压蒸汽（100）处理杀死营养细胞，残留的芽孢等耐热的孢子体经过夜培养即可萌发，再加热处理杀死之，如此反复处理三次，可达到无菌状态。 对象：含有不耐高温的营养物质的培养基或无高压蒸汽灭菌锅时处理一般培养基。
17、 方法：80100蒸煮1560分钟37培养过夜，连续重复三天 控制：芽孢杆菌芽孢制剂 注意：不含营养物质的物品不宜适用此法。,B. 加压法 高压蒸汽灭菌法（常规加压蒸汽灭菌法）autoclaving ：是一种利用高温进行湿热灭菌的方法。 设备：高压蒸汽灭菌锅 原理：在加压条件下， 水的沸点超过100，由此可提供高于100的水蒸气。 对象：耐高温物品，一般培养基，生理盐水，缓冲溶液，玻璃、陶瓷器皿等 控制：嗜热脂肪芽孢杆菌芽孢制剂，热变色纸带 连续加压蒸汽灭菌法continuous autoclaving 适用于大型发酵厂的大批培养基灭菌 135140下维持515秒,手提式高压蒸汽灭菌器,高压蒸
18、汽灭菌器,2、 过滤除菌法： 用具：过滤器，如硝化纤维素滤膜 原理：将微生物过滤去除 对象：空气，热敏物质，蛋白质，酶，血清，纤维素，氨基酸等 注意：病毒等小于0.2mm的非细胞微生物无法去除,膜滤装置,3、辐射灭菌（放射线灭菌法） 原理： 微波、紫外线、g-射线、X-射线的杀菌作用。 g-射线的穿透力非常强，可对密封包装后的物品进行灭菌。 对象：不耐热或受热易变质、变味的物品。,（二）常用的化学消毒剂 消毒剂：能杀死微生物的化学制剂 防腐剂：能抑制微生物生命活动的制剂 理想消毒剂应具备的条件 杀菌力强；适用方便；价格低廉；对人蓄无害；无味无嗅； 石炭酸系数 phenol coefficien
19、t, PC 衡量化学消毒剂相对杀菌强度的常数 定义：在一定的时间内，被试药剂能杀死全部供试菌的最高稀释度与达到同样效果的石炭酸的最高稀释度之比。,(三）影响灭菌和消毒效果的因素 1、影响高压蒸汽灭菌的因素 灭菌物体的含菌量 灭菌锅内空气的排除程度,灭菌对象的pH： pH在6.08.0时，微生物不易死亡 培养基中蛋白质的含量 灭菌对象的体积 加热与散热速度 2、影响化学消毒剂消毒效果的因素 消毒对象 化学消毒剂的性质及浓度 消毒时的环境条件,（四）高温对培养基成分的有害影响及其防止 1、有害影响,2、 防止法： 采用特殊处理方法：分别灭菌；低压灭菌；连续加压蒸汽灭菌 过滤除菌法：,二、抗生素 antibiotics 1、定义：抗生素是一类由微生物或其他生物生命活动过程中合成的次生代谢产物或其人工衍生物，它们在很低浓度时就能抑制或破坏其它微生物的生长。是一类化学治疗剂。 2、种类与制菌谱,三. 发酵工厂的灭菌消毒,原料及发酵罐：实罐灭菌法，连续灭菌法 管道：蒸汽灭菌法； 化学消毒剂-甲醛、商品化消毒剂 空罐：蒸汽灭菌 化学消毒剂 空气：过滤除菌 空气过滤器 ：蒸汽灭菌，化学消毒剂 水：过滤除菌、紫外线杀菌、加氯杀菌等,