理化因素对微生物的影响

第四节理化因素对微生物的影响微生物与所处的环境之间具有复杂的相互影响和相互作用：一方面，各种各样的环境因素对微生物的生长和繁殖有影响，另一方面，微生物生长繁殖也会影响和改变环境。研究环境因素与微生物之间的关系，可以通过控制环境条件来利用微生物有益的一面，同时防止它有害的一面。影响微生物生长的外界因素很多，除了前面讲过的营养因素之外，还有许多物理化学条件。一、温度温度是影响微生物生长的最重要因素之一。温度对微生物的影响具体表现在：影响酶活性，温度变化影响酶促反应速率，最终影响细胞合成。影响细胞膜的流动性，温度高，流动性大，有利于物质的运输，温度低，流动性降低，不利于物质运输，因此，温度变化影响营养物质的吸收与代谢产物的分泌。影响物质的溶解度，对生长有影响。（一）微生物生长的三个温度基点从微生物整体来看：生长的温度范围一般在-10℃~100℃极端下限为-30℃，极端上限为105~300℃但对于特定的某一种微生物：只能在一定温度范围内生长，在这个范围内，每种微生物都有自己的生长温度三基点，即最低、最适、最高生长温度。处于最适生长温度时，生长速度最快，代时最短。超过最低生长温度时，微生物不生长，温度过低，甚至会死亡。超过最高生长温度时，微生物不生长，温度过高，甚至会死亡。（二）微生物生长温度类型根据微生物的最适生长温度的不同，可将微生物划为三个类型：低温型微生物（嗜冷微生物）中温型微生物（嗜温微生物）高温型微生物（嗜热微生物）低温型微生物:最适生长温度在5~20℃,主要分布在地球的两极、冷泉、深海、冷冻场所及冷藏食品中。例：假单孢菌中的某些嗜冷菌在低温下生长，常引起冷藏食品的腐败。嗜冷微生物在低温下生长的机理，目前还不清楚，据推测有两种原因：①它们体内的酶能在低温下有效地催化，在高温下酶活丧失②细胞膜中的不饱和脂肪酸含量高，低温下也能保持半流动状态，可以进行物质的传递。中温型微生物：最适生长温度为20℃~40℃，大多数微生物属于此类。室温型主要为腐生或植物寄生，在植物或土壤中。体温型主要为寄生，在人和动物体内。不同生理生化过程的最适温度微生物不同生理活动要求不同温度，所以，最适生长温度发酵速度快、积累代谢产物多。一般而言，老龄比幼龄耐热，原核生物比真核生物耐热，非光合生物比光合生物耐热，结构简单的比结构复杂的耐热，在富含蛋白质的培养基上生长的细菌耐热能力强。菌名生长温度发酵温度累积产物温度（℃）（℃）（℃）短刺小克银汉霉菌（霉菌发酵）26.526.526.5简单节杆菌332933如黑根霉最适生长温度为28℃，超过32℃不再生长甚至死亡；以青霉素的生产为例：培养165小时采用分段控制温度的方法，其青霉素产量比始终在30℃培养提高了14.7%。分段控制方式：0~5小时，30℃；5~40小时，25℃；40~125小时，20℃；125~165小时，25℃。（三）高温与低温对微生物的影响1、高温对微生物的影响高温下蛋白质不可逆变性，膜受热出现小孔，破坏细胞结构（溶菌）。微生物对热的耐受力与以下因素有关:(1)微生物种类及发育阶段嗜热菌比其它类型的菌体抗热；有芽孢的细菌比无芽孢的菌抗热；微生物的繁殖结构比营养结构抗热性强；老龄菌比幼龄菌抗热。(2)微生物对热的耐受力还受环境条件的影响与培养基的营养成分有关：培养基中蛋白质含量高时比较耐热。与pH有关：pH适宜时不易死亡，pH不适宜时，容易死亡。与水分有关：含水量大时容易死亡，含水量小时不容易死亡。与含菌量有关：含菌量高，抗热性增强，含菌量低，抗热性差。与热处理时间有关：热处理时间长，微生物易死亡。2、低温对微生物的影响当环境温度低于微生物的最适生长温度时，微生物的生长繁殖停止，当微生物的原生质结构并未破坏时，不会很快造成死亡并能在较长时间内保持活力，当温度提高时，可以恢复正常的生命活动。低温保藏菌种就是利用这个原理。一些细菌、酵母菌和霉菌的琼脂斜面菌种通常可以长时间地保藏在4℃的冰箱中。当温度过低，造成微生物细胞冻结时，有的微生物会死亡，有些则并不死亡。造成死亡的原因：①冻结时细胞水分变成冰晶，冰晶对细胞膜产生机械损伤，膜内物质外漏。②冻结过程造成细胞脱水。冻结速度对冰晶形成有很大影响，缓慢冻结，形成的冰晶大，对细胞损伤大；快速冻结，形成的冰晶小、分布均匀，对细胞的损伤小，因此，利用快速冻结可以对一些菌种进行冻结保藏，一般情况下在菌悬液中再加一些甘油、糖、牛奶、保护剂等可对菌种进行长期保藏。二、干燥（为什么要求发酵区保持干燥？）渗透压和干燥都涉及到水分含量和水活度，它们对微生物的生长都有很大的影响。干燥对微生物的影响干燥抑制微生物生长或造成其死亡的原因：干燥能引起微生物细胞内蛋白质的变性和盐类等物质浓度提高，从而抑制生长或造成微生物死亡。三、渗透压水或其他溶剂经过半透性膜而进行的扩散称为渗透，在渗透时溶剂通过半透性膜时的压力称为渗透压，其大小与溶液的浓度成正比。渗透压对微生物的影响细胞内溶质浓度与胞外溶液的溶质浓度相等时，为等渗溶液,溶液的溶质浓度高于胞内溶质浓度为高渗溶液,溶液的溶质浓度低于胞内溶质浓度为低渗溶液。在等渗溶液中,微生物的活动保持正常,细胞外形不变。在高渗溶液中,细胞易失水,脱水后发生质壁分离,生长受抑制或死亡。(腌制的咸肉、发酵用液糖)在低渗溶液中,细胞吸水膨胀,甚至导致细胞破裂死亡。渗透压与溶质的种类及浓度有关:溶质浓度高,渗透压大；不同种类的溶质形成的渗透压大小不同,小分子溶液比大分子溶液渗透压大；离子溶液比分子溶液渗透压大；相同含量的盐、糖、蛋白质所形成的溶液渗透压为盐糖蛋白质。对于一般微生物来说，在含盐5%~30%或含糖30%~80%的高渗条件下可抑制或杀死某些微生物。但各种微生物承受渗透压的能力不同，有些能在高渗条件下生长，称其为耐高渗微生物。四、表面张力液体表面尽可能缩小表面积的力称为表面张力。液体培养基的表面张力与微生物的形态、生长、繁殖密切相关。一些无机盐可增强溶液的表面张力，有机酸、蛋白质、肥皂、多肽和醇等能降低溶液的表面张力。能改变液体表面张力的物质为表面活性剂，分为阳离子型、阴离子型和非离子型三类。表面活性剂加入培养基中，可影响微生物细胞的生长和分裂。表面活性剂的应用:在发酵工业中表面活性剂作为消泡剂应用（现采用聚醚类代替植物油），防止发酵罐因泡沫多而跑液。表面活性剂可以改变细胞膜的通透性，使细胞内合成的代谢产物能够顺利排出胞外。（降低了发酵产物在胞内的浓度，减小产物抑制；有利于提高发酵产物的产量和简化产物的分离提取。）表面活性剂常用于与微生物细胞膜结合的酶的提取。五、氢离子浓度（一）环境pH值对微生物生长的影响影响膜表面电荷的性质及膜的通透性，进而影响对物质的吸收能力。改变酶活、酶促反应的速率及代谢途径：如：酵母菌在pH4.5-5产乙醇，在pH6.5以上产甘油、酸。环境pH值还影响培养基中营养物质的离子化程度，从而影响营养物质吸收，或有毒物质的毒性。（二)不同微生物对pH要求不同微生物的生长pH值范围极广，从pH2~8都有微生物能生长。但是绝大多数种类都生活在pH5.0~9.0之间。微生物生长的pH值三基点：各种微生物都有其生长的最低、最适和最高pH值。低于最低、或超过最高生长pH值时，微生物生长受抑制或导致死亡。一些微生物生长的pH值范围微生物种类最低pH最适pH最高pH黑根霉枯草芽孢杆菌金黄色葡萄球菌黑曲霉一般放线菌一般酵母菌4.34.54.21.55.03.06.0—8.06.0—7.57.0—7.55.0—6.07.0—8.05.0—6.09.58.59.39.0108.0不同微生物的生长pH值范围微生物pH值最低最适最高Thiobacillusthiooxidans氧化硫硫杆菌0.52.0~3.56.0Lactobacillusacidophilus嗜酸乳杆菌4.0~4.65.8~6.66.8Rhizobiumjaponicum大豆根瘤菌4.26.8~7.011.0Azotobacterchroococcum圆褐固氮4.57.4~7.69.0Nitrosomonassp.硝化单胞菌7.07.8~8.69.4Acetobacteraceti醋化醋杆菌4.0~4.55.4~6.37.0~8.0Staphylococcusaureus金黄葡球菌4.27.0~7.59.3Chlorobiumlimicola泥生绿菌6.06.87.0Thurmusaquaticus水生栖热菌6.07.5~7.89.5Aspergillusniger黑曲霉1.55.0~6.09.0一般放线菌5.07.0~8.010.0般酵母菌3.05、0~6.08.0生长的最适pH值与发酵的最适pH值同一种微生物在其不同的生长阶段和不同的生理生化过程中，对pH值的要求也不同。在发酵工业中，控制pH值尤其重要，举例：Aspergillusniger在pH2~2.5范围时有利于合成柠檬酸，当在pH2.5~6.5范围内时以菌体生长为主，而在pH7.0时，则以合成草酸为主。丙酮丁醇梭菌在pH5.5~7.0范围时，以菌体生长为主，而在pH4.3~5.3范围内才进行丙酮丁醇发酵。微生物生长最适、pH合成抗生素最适pH灰色链霉菌6.3~6.96.7~7.3红霉素链霉菌6.6~7.06.8~7.3产黄青霉6.5~7.26.2~6.8金霉素链霉菌6.1~6.65.9~6.3龟裂链霉菌6.0~6.65.8~6.1灰黄青霉6.4~7.06.2~6.5同一种微生物在不同的生长阶段和不同生理生化过程中，对环境pH值要求不同。例如：丙酮丁醇梭菌H值=5.5—7.0时，以菌体生长为主。在pH值=4.3—5.3时，进行丙酮丁醇发酵。同一种微生物由于环境pH值不同，可能积累不同的代谢产物。例如：黑曲霉pH值=2—3时，产物以柠檬酸为主，只产少量草酸。pH值在7左右时，产物以草酸为主，只产少量柠檬酸。（三）微生物细胞内的pH值虽然微生物生活的环境pH值范围较宽，但是其细胞内的pH值却相当稳定，一般都接近中性。这种维持细胞内稳定中性pH值的特性能够保持细胞内各种生物活性分子的结构稳定和细胞内酶所需要的最适pH值。微生物胞内酶的最适pH值一般为中性，胞外酶的最适pH值接近环境pH值。（四）微生物的生命活动对环境pH值的影响微生物在生长过程中也会使外界环境的pH值发生改变，原因：由于有机物分解：分解糖类、脂肪等，产生酸性物质，使培养液pH值下降；分解蛋白质、尿素等，产生碱性物质，使培养液pH值上升由于无机盐选择性吸收：铵盐吸收pH下降硝酸盐吸收pH上加培养过程中调节pH值的措施过酸时：加入碱或适量氮源，提高通气量。过碱时：加入酸或适量碳源，降低通气量配制培养基时调整pH值的措施。（五）酸碱添加剂的抑菌机理酸类物质：无机酸：与H+浓度成正比的高氢离子浓度，可引起菌体表面蛋白的变性和核酸的水解，并破坏酶类的活性有机酸：与不电离的部分成正比,故有时有机酸的抑菌效果无机酸。作为食品防腐剂的有机酸如苯甲酸和水杨酸可与微生物细胞中的成分发生氧化作用，从而抑制微生物的生长。碱类物质：强碱可引起蛋白质、核酸大分子变性、水解，以杀死或抑制微生物。食品工业中常用石灰水、NaOH、Na2CO3等作为机器、工具以及冷藏库的消毒剂。六、氧化还原电位微生物对氧的需要和耐受力在不同的类群中变化很大，根据微生物与氧的关系,可把它们分为几种类群:专性好氧菌:好氧菌微好氧菌：兼性厌氧菌耐氧厌氧菌：厌氧菌(专性)厌氧菌氧浓度对不同微生物生长的影响专性好氧菌必须在有分子氧的条件下才能生长，有完整的呼吸链，以分子氧作为最终氢受体，细胞含有超氧物歧化酶和过氧化氢酶。微好氧菌只能较低的氧分压下才能正常生长，通过呼吸链并以氧为最终氢受体而产能。兼性好氧菌在有氧或无氧条件下均能生长，但有氧情况下生长得更好，在有氧时靠呼吸产能，无氧时接发酵或无氧呼吸产能；细胞含有SOD和过氧化氢酶。耐氧菌可在分子氧存在下进行厌氧生活的厌氧菌。生活不需要氧，分子氧也对它无毒害。不具有呼吸链，依靠专性发酵获得能量。细胞内存在SOD和过氧化物酶，但缺乏过氧化氢酶。厌氧菌分子