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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ACBvT℃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冷微生物嗜温微生物嗜热微生物微生物生长的温度类型最低最适最高分布的主要场所专性-125-1515-20两极地区低温型兼性-5--010-2025-30海水，冷藏食品上室温10-2020-3540-45腐生菌中温型体温10-2035-4040-45寄生菌高温型25-4550-6070-95温泉堆肥等微生物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25~30℃，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30~40℃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25~37℃微生物叫嗜温微生物。•种类：寄生型（体温型）：最适35~40℃腐生型（室温型）：最适25~35℃。3、嗜热微生物thermophiles•嗜热微生物：最适生长温度50~60℃•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extremetemperature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--6030酵母50--6010孢子：70--8010细菌芽孢：枯草芽孢杆菌10060嗜热脂肪芽孢杆菌12112肉毒梭菌100360（二）水活度wateractivity•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aw1、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72dyn/cm。一般液体培养基的表面张力为45~65dyn/cm2、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（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、γ-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150~390nm的电磁辐射。•最佳作用波长为265~266nm。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λ1-10nm，γ射线λ0.1-1nm•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。H2OH2O++e-OH+H+H2O+e-H2O-H+OH+•作用于氧气分子，产生的强氧化性基团，氧化细胞中的蛋白质和酶分子的巯基，而使细胞受到损伤或死亡。O2+eO2-O2+2eO2=（五）pH•pH=-lg[H+]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范围微生物名称最低最适最高氧化硫硫杆菌0.52.0~3.56.0大豆根瘤菌4.26.8~7.011.0枯草芽孢杆菌4.56.0~7.58.5大肠埃希氏菌4.36.0~8.09.5金黄色葡萄球菌4.27.0~7.59.3一般放线菌5.07.0~8.010.0一般酵母菌2.54.0~5.88.0一般霉菌1.53.8~6.07.0~11.03、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pH＜6；pH＞7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pH8~11，pH≤7时生长极慢或不生长•嗜中性微生物neutrophile：能在pH4~9范围内生长，最适生长在pH6~8，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pH7、微生物最适生长和最适发酵pH(六)氧化还原电位EhEh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。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~-0.42v3、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strictaerobes•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＞+0.1v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:superoxidedismutaseSOD过氧化氢酶:catalase(2)兼性厌氧菌：facultativeanaerobes•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microaerophilicbacteria只能在较低的氧分压（0.01~0.03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：aerotolerantanaerobe•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、产甲烷菌微生物与氧的关系类型最适生长的O2体积分数代谢类型好氧专性好氧菌等于或大于20%有氧呼吸兼性厌氧菌有氧或无氧有氧呼吸；无氧呼吸、发酵微好氧菌2~10%有氧呼吸厌氧耐氧厌氧菌不需要氧，但有O2存在无害发酵专性厌氧菌不需要氧，有氧时死亡发酵、无氧呼吸厌氧菌的氧毒害机制：超氧化物歧化酶学说2O2+2H+SOD(一切好氧微生物及耐氧菌)H2O2+O2H2O+1/2O22H2O-·过氧化氢酶(一切好氧微生物)过氧化物酶(耐氧菌)NADH2NAD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dryheatsterilization①灼烧灭菌法适用：接种工具，污染物品，实验动物尸体等。②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：150~170℃1~2小时电热恒温干燥箱（2）湿热灭菌法moistheatsterilization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①热蒸汽穿透力强；②细胞物质在含水量高时容易变性凝固；③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①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lowtemperatureholdingmethod，LTH，牛奶：63℃，30分•高温瞬时法hightemperatureshottime，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=Z·1.393(t-60)②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③间歇灭菌法fractionalsterilization：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