影响微生物生长的主要因素(12)课件

微生物学第三节第三节 影响微生物生长影响微生物生长 的主要因素的主要因素物理因素：物理因素：温度、温度、pHpH和和氧气氧气（最主要）（最主要）微生物的六大类营养要素微生物的六大类营养要素碳源、氮源、能源、碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐、水生长因子、无机盐、水一、温度一、温度 温度是影响微生物细胞生长和存活的最重要温度是影响微生物细胞生长和存活的最重要的因素之一。的因素之一。最低生长温度最低生长温度最适生长温度最适生长温度最高生长温度最高生长温度3 3个个重重要要指指标标生长温度三基点生长温度三基点(three cardinal point)温温 度度 生长速度生长速度温度停止生长停止生长致死致死最低最低最高最高最适最适 嗜冷菌嗜冷菌 嗜热菌嗜热菌最适生长温度最适生长温度： 即某微生物分裂即某微生物分裂代时最短或生长速率代时最短或生长速率最高时的培养温度。最高时的培养温度。不同微生物的最适生不同微生物的最适生长温度是不一样的。长温度是不一样的。 微生物作为整体来言，其温度的三基点是极其宽的，微生物作为整体来言，其温度的三基点是极其宽的，堪称堪称“生物世界之最生物世界之最”。l 嗜冷菌嗜冷菌 其生长温度范围在其生长温度范围在10102020，最适生长，最适生长温度为温度为1515或以下，或以下，它们常分布在地球两极地区的水它们常分布在地球两极地区的水域和土壤中。域和土壤中。 嗜冷机制：嗜冷机制：酶系在低温下仍能起催化作用酶系在低温下仍能起催化作用 细胞膜含较多的不饱和脂肪酸细胞膜含较多的不饱和脂肪酸 ， 在低温下仍具有通透性。在低温下仍具有通透性。 嗜热菌嗜热菌 它们适于在它们适于在45455050以上的温以上的温度中生长，在自然界中的分布仅度中生长，在自然界中的分布仅局限于某些地区，如温泉、日照局限于某些地区，如温泉、日照充足的土壤表面、堆肥、发酵饲充足的土壤表面、堆肥、发酵饲料等腐烂有机物中，如堆肥在发料等腐烂有机物中，如堆肥在发酵过程中温度常高达酵过程中温度常高达60607070。 嗜热机制：嗜热机制： 细胞内的酶具强抗热性。细胞内的酶具强抗热性。 产生的多胺，热亚胺和高温精胺物质对蛋白质产生的多胺，热亚胺和高温精胺物质对蛋白质 等组织结构具有保护作用。等组织结构具有保护作用。 核酸也具有热稳定性的保护结构。核酸也具有热稳定性的保护结构。 细胞膜含有较多的饱和脂肪酸和直链脂肪酸，细胞膜含有较多的饱和脂肪酸和直链脂肪酸， 使膜具有稳定性。使膜具有稳定性。 对某一具体微生物来说，其生长温度的对某一具体微生物来说，其生长温度的宽宽和和窄窄与与它们长期进化过程中所处的生存环境温度有关。它们长期进化过程中所处的生存环境温度有关。宽温微生物宽温微生物窄温微生窄温微生物物一些生活在土壤中的芽孢杆菌（一些生活在土壤中的芽孢杆菌（15156565）；）； 既可在人体大肠中生活，也可在体外环境中生活既可在人体大肠中生活，也可在体外环境中生活的的E. coli （101047.547.5）；）；专性寄生在人体泌尿生殖道中的专性寄生在人体泌尿生殖道中的Neisseriagonorrhoeae（淋病奈瑟氏球菌）淋病奈瑟氏球菌）（36364040）；）； 最适生长温度最适生长温度（optimum growth temperature）简称简称最适温度最适温度，是指某菌分裂代时最短或生长速率最，是指某菌分裂代时最短或生长速率最高时的培养温度。高时的培养温度。对同一微生物来说，对同一微生物来说，最适温度并非一切生理过程的最适温度并非一切生理过程的最适温度最适温度一般规律一般规律最适温度最适温度生长得率最高时的培养温度，生长得率最高时的培养温度， 发酵速率或累积代谢产物最高时的培养温度，发酵速率或累积代谢产物最高时的培养温度， 累积某一代谢产物量最高时的培养温度。累积某一代谢产物量最高时的培养温度。强强 调调 指指 出出菌名菌名生长温度生长温度发酵温度发酵温度累积产物温度累积产物温度Serratia marcescens（粘质赛氏杆菌）（粘质赛氏杆菌）37合成灵杆菌素合成灵杆菌素20202525Aspergillus niger（黑曲霉）（黑曲霉）37产糖化酶产糖化酶32323434Streptococcus thermophilus（嗜热链球菌）（嗜热链球菌）3747473737Streptococcus lactis（乳酸链球菌）（乳酸链球菌）344040产细胞：产细胞：25253030产乳酸：产乳酸：3030例如，在例如，在Penicillium chrysogenum（产黄青霉）总共产黄青霉）总共165小时的小时的青霉素发酵青霉素发酵过程中，根据不同生理代谢过程中，根据不同生理代谢过程的温度特点过程的温度特点分四段分四段控制其培养温度。控制其培养温度。0 0小时小时5 5小时小时4040小时小时125125小时小时165165小时小时结果，青霉素产量提高了结果，青霉素产量提高了14.714.7。 30 25 20 2530 25 20 25这一规律对指导发酵生产有着重要的意义。这一规律对指导发酵生产有着重要的意义。二、氧气二、氧气氧对微生物的生命活动有着极其重要的影响。氧对微生物的生命活动有着极其重要的影响。好氧微生物好氧微生物（好氧菌好氧菌，aerobes）厌氧微生物厌氧微生物（厌氧菌厌氧菌，anaerobes）细细分分为为5 5类类微微生生物物与与氧氧的的关关系系根据微生物与氧的关系可细分为根据微生物与氧的关系可细分为5 5类类 专性好氧菌专性好氧菌：需氧，正常大气压下呼吸产能需氧，正常大气压下呼吸产能 以呼吸为主，兼营发酵产能以呼吸为主，兼营发酵产能 好氧菌好氧菌 兼性厌氧菌兼性厌氧菌 以呼吸为主，兼营厌氧呼吸产能以呼吸为主，兼营厌氧呼吸产能 微好氧菌微好氧菌：需要微量氧下生活需要微量氧下生活 耐氧菌耐氧菌：不需氧，只以发酵产能，氧无毒害不需氧，只以发酵产能，氧无毒害 厌氧菌厌氧菌 ( (专性专性) )厌氧菌厌氧菌：氧有害或致死，以发酵或无氧呼吸产能氧有害或致死，以发酵或无氧呼吸产能 必须在较高浓度分子氧（必须在较高浓度分子氧（0.20.2巴）的条件下才能巴）的条件下才能生长，它们有完整的生长，它们有完整的呼吸链呼吸链，以，以分子氧分子氧作为最终氢受体，作为最终氢受体，含有含有超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶（superoxide dismutase ，SODSOD）和和过氧化氢酶过氧化氢酶（catalase）。）。1. 1. 专性好氧菌专性好氧菌（obligate or strict strictaerobeobligate or strict strictaerobe）绝大多数绝大多数真菌真菌和许多和许多细菌细菌、放线菌放线菌都是专性好氧菌，都是专性好氧菌，例如，例如，Acetobacter（醋杆菌属）、醋杆菌属）、 Azotobacter（固氮菌属）、固氮菌属）、 Pseudomonas aeruginosa（铜绿假单胞菌，又称铜绿假单胞菌，又称绿脓杆菌）、绿脓杆菌）、 Coeynebacterium diphtheriae（白喉棒杆菌）等。白喉棒杆菌）等。2.2. 兼性厌氧菌兼性厌氧菌（facultative anaerobes） 是以在有氧条件下的生长为主也可兼在厌氧是以在有氧条件下的生长为主也可兼在厌氧条件下生长的微生物，有时也称条件下生长的微生物，有时也称“兼性好氧菌兼性好氧菌” ” （facultative aerobes）。它们能在有氧时靠它们能在有氧时靠呼呼吸吸产能；无氧时借产能；无氧时借发酵发酵或或无氧呼吸无氧呼吸产能，细胞含产能，细胞含SODSOD和过氧化氢酶。和过氧化氢酶。许多许多酵母菌酵母菌和不少和不少细菌细菌都是兼性厌氧菌。都是兼性厌氧菌。例如，例如，Saccharomy cescerevisiae（酿酒酵母）、酿酒酵母）、 Bacillus licheniformis（地衣芽孢杆菌）、地衣芽孢杆菌）、 肠杆菌科的各种细菌包括肠杆菌科的各种细菌包括Ecoli、 Enterobacteraerogenes（产气肠杆菌，旧称产气产气肠杆菌，旧称产气气杆菌或产气杆菌）、气杆菌或产气杆菌）、 Proteusvulgaris（普通变形杆菌）等。普通变形杆菌）等。3.3. 微好氧菌微好氧菌（microaerophilic bacteria） 只能在只能在较低的氧分压较低的氧分压（0.010.010.030.03巴，正常大气中的巴，正常大气中的氧分压为氧分压为0.20.2巴）下才能正常生长的微生物巴）下才能正常生长的微生物。也是通过也是通过呼呼吸链吸链并以并以氧氧为最终氢受体而产能。为最终氢受体而产能。例如，例如，Vibrio cholerae（霍乱弧菌）、霍乱弧菌）、 Hydrogenomonas（氢单胞菌属）、氢单胞菌属）、 Zymomonas（发酵单胞菌属）发酵单胞菌属） 和和Campylobacter（弯曲菌属）等。弯曲菌属）等。4.4. 耐氧菌耐氧菌（aerotolerant anaerobes） 即即耐氧性厌氧菌耐氧性厌氧菌的简称。的简称。 是一类可在分子氧存在下进行发酵性厌氧生活的是一类可在分子氧存在下进行发酵性厌氧生活的厌氧菌。它们的生长不需要任何氧，但分子氧对它也厌氧菌。它们的生长不需要任何氧，但分子氧对它也无毒害。它们无毒害。它们不具有呼吸链不具有呼吸链，仅依靠，仅依靠专性发酵专性发酵和和底物底物水平磷酸化水平磷酸化而获得能量。耐氧机制是细胞内存在而获得能量。耐氧机制是细胞内存在SODSOD和和过氧化物酶过氧化物酶，但，但缺乏过氧化氢酶缺乏过氧化氢酶。一般的一般的乳酸菌乳酸菌多数是耐氧菌，多数是耐氧菌，例如，例如，Streptococcus lactis（乳链球菌）、乳链球菌）、 Sfaecalis（粪链球菌）、粪链球菌）、 Lactobacillus lactis（乳酸乳杆菌）、乳酸乳杆菌）、 Leuconostoc mesenteroides（肠膜明串珠菌）等；肠膜明串珠菌）等；非乳酸菌类耐氧菌，非乳酸菌类耐氧菌，例如，例如，Butyribacterium rettgeri（雷氏丁酸杆菌）等。雷氏丁酸杆菌）等。5.5. 厌氧菌厌氧菌（anaerobes）严格厌氧菌严格厌氧菌（专性厌氧菌专性厌氧菌，strict or obligate anaerobes）一般厌氧菌一般厌氧菌特点：特点： 分子氧对它们有毒，即使短期接触也会抑制甚至致死；分子氧对它们有毒，即使短期接触也会抑制甚至致死； 在空气或含在空气或含1010COCO2 2的空气中，它们在固体或半固体培的空气中，它们在固体或半固体培养基的表面上不能生长，只有在其深层的无氧或低氧化还养基的表面上不能生长，只有在其深层的无氧或低氧化还原势的环境下才能生长；原势的环境下才能生长； 生命活动所需能量是通过生命活动所需能量是通过发酵发酵、无氧呼吸无氧呼吸、循环光循环光合磷酸化合磷酸化或或甲烷发酵甲烷发酵等提供；等提供； 细胞内缺乏细胞内缺乏SODSOD和和细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶，大多数还缺乏，大多数还缺乏过氧化氢酶过氧化氢酶。常见的厌氧菌：常见的厌氧菌：Clostridium（梭菌属）、梭菌属）、Bacteroides（拟杆菌属）、拟杆菌属）、Fusobacterium（梭杆菌属）、梭杆菌属）、Bifidobacterium（双歧杆菌属）、双歧杆菌属）、以及各种光合细菌和产甲烷菌（以及各种光合细菌和产甲烷菌（methanogens）等。等。极端厌氧菌极端厌氧菌27氧与细菌生长的关系氧与细菌生长的关系 19711971年在年在McCord和和Fridovich提出关于专性厌氧提出关于专性厌氧生活的生活的超氧化物歧化酶（超氧化物歧化酶（SODSOD）学说学说。关于厌氧菌的氧毒害机制关于厌氧菌的氧毒害机制无无无活力无活力无活力无活力严格厌氧菌严格厌氧菌无无无活力无活力有活力有活力耐氧性厌氧菌耐氧性厌氧菌有有有活力有活力有活力有活力好氧菌好氧菌细胞色素系统细胞色素系统过氧化氢酶过氧化氢酶超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶（SOD）菌类型菌类型 经过广泛调查不同微生物中经过广泛调查不同微生物中SODSOD和过氧化氢酶的和过氧化氢酶的分布状况后得出：分布状况后得出：SODSOD的功能：的功能：保护好氧菌免受保护好氧菌免受超氧化物阴离子自由基超氧化物阴离子自由基的毒害，的毒害，从而提出了从而提出了缺乏缺乏SODSOD的微生物的微生物必然只能进行必然只能进行专性厌氧专性厌氧生活生活的学说。的学说。O2. -超氧阴离子自由基超氧阴离子自由基 普遍存在普遍存在H2O+1/2O2 过氧化氢酶过氧化氢酶（好氧菌）（好氧菌）2H2O过氧化物酶过氧化物酶（耐氧菌）（耐氧菌）NADH2NADO2. +2H+ H2O2+O2 -SOD（好氧菌及耐氧菌）（好氧菌及耐氧菌）按按SODSOD分子中所含金属辅基的不同，可把它分为分子中所含金属辅基的不同，可把它分为3 3类：类：真核生物的线粒体中真核生物的线粒体中MnMn原核生物原核生物FeFe几乎所有的真核生物的细胞质中几乎所有的真核生物的细胞质中CuCu、ZnZn存在的范围存在的范围SODSOD分子中所含分子中所含金属辅基金属辅基类型类型三、三、pHpHpHpH值表示某水溶液中氢离子浓度的负对数值。值表示某水溶液中氢离子浓度的负对数值。纯水呈中性，其氢离子浓度为纯水呈中性，其氢离子浓度为1010-7-7mol/Lmol/L，定其定其pHpH值为值为7 7。最低生长最低生长pHpH最适生长最适生长pHpH最高生长最高生长pHpH最适生长最适生长pHpH值偏于碱性范围内的微生物值偏于碱性范围内的微生物嗜碱微生物嗜碱微生物（basophile）耐碱微生物耐碱微生物（basotolerant microorganism）例如例如, ,硝化细菌、尿素分解菌、根瘤菌和放线菌等硝化细菌、尿素分解菌、根瘤菌和放线菌等如若干链霉菌等如若干链霉菌等嗜碱性的嗜碱性的能耐较碱的条件能耐较碱的条件最适生长最适生长pHpH值偏于酸性范围内的微生物值偏于酸性范围内的微生物嗜酸微生物嗜酸微生物（acidophile）耐酸微生物耐酸微生物（acidotolerant microorganism）如如Thiobacillus（硫杆菌属）等硫杆菌属）等如乳酸杆菌、醋酸杆菌、许多肠杆菌和假单胞菌等如乳酸杆菌、醋酸杆菌、许多肠杆菌和假单胞菌等一般地说，多数真菌是嗜酸的（一般地说，多数真菌是嗜酸的（pH5pH5），），而多数放线菌则是嗜碱的（而多数放线菌则是嗜碱的（pH8pH8）。）。嗜酸性的嗜酸性的能耐较酸的条件能耐较酸的条件对发酵生产中对发酵生产中pHpH的控制最为重要。的控制最为重要。许多抗生素的生产菌也有同样的情况。许多抗生素的生产菌也有同样的情况。 不同种类微生物不同种类微生物 不同的最适生长不同的最适生长pHpH值值同一种微生物在不同的生长阶段同一种微生物在不同的生长阶段和不同的生理、生化过程和不同的生理、生化过程可免除了可免除了DNADNA、ATPATP、菌绿素和叶绿素等重要成分被酸破坏，菌绿素和叶绿素等重要成分被酸破坏，或或RNARNA、磷脂类等被碱破坏的可能性。磷脂类等被碱破坏的可能性。外环境外环境pHpH相当稳定，一般都相当稳定，一般都接近中性接近中性pHpH变化很大变化很大微微生生物物细细胞胞内环境内环境胞内酶胞内酶最适最适pHpH一般一般接近中性接近中性周质空间中的酶周质空间中的酶胞外酶胞外酶最适最适pHpH接近环境的接近环境的pHpHpHpH对细胞对细胞的影响的影响直接影响直接影响间接影响间接影响pHpH影响培养基中营养物质的离子化程影响培养基中营养物质的离子化程度度微生物对营养物质的吸收、微生物对营养物质的吸收、环境中有害物质对微生物的毒性、环境中有害物质对微生物的毒性、代谢反应中各种酶的活性等代谢反应中各种酶的活性等影响影响 微生物的生命活动过程中也会微生物的生命活动过程中也会能动地能动地改变外界改变外界环境的环境的pHpH，培养基的原始培养基的原始pHpH在培养微生物过程中在培养微生物过程中会时时发生改变。如会时时发生改变。如 糖类糖类 pHpH 有机物有机物 脂肪脂肪 pHpH培养基内培养基内 蛋白质蛋白质 pHpH中性成分中性成分 ( (NHNH4 4) )2 2SOSO4 4pHpH 无机盐无机盐 NaNONaNO3 3 - pH- pH发酵、氧化发酵、氧化水解水解脱羧脱羧NH4选择吸收选择吸收NO3-选择吸收选择吸收 在一般培养过程中往往在一般培养过程中往往以变酸占优势以变酸占优势，因此，随，因此，随着培养时间的延长，一般培养基会变得较酸。着培养时间的延长，一般培养基会变得较酸。pHpH变化与培养基的组分尤其是变化与培养基的组分尤其是碳氮比碳氮比有极大的关系，有极大的关系，碳氮比高碳氮比高的培养基经培养后的培养基经培养后pHpH值常会明显值常会明显下降下降例如培养各种例如培养各种真菌真菌的培养的培养基基碳氮比低碳氮比低的培养基经培养后的培养基经培养后pHpH值则常会明显值则常会明显上升上升例如培养一般例如培养一般细菌细菌的培养的培养基基在微生物培养过程中，一项重要措施在微生物培养过程中，一项重要措施 如何及时调节合适的如何及时调节合适的pHpH。 根据表面现象而进行直接、快速但不能根据表面现象而进行直接、快速但不能持久的调节。持久的调节。根据内在机制所采用的间接、缓效但能根据内在机制所采用的间接、缓效但能发挥较持久作用的调节。发挥较持久作用的调节。调调节节措措施施治标治标治本治本 过酸时：过酸时：加加NaOHNaOH、NaNa2 2COCO3 3等碱液中和等碱液中和 治标治标 过碱时：过碱时：加加H H2 2SOSO4 4、HClHCl等酸液中和等酸液中和 pHpH 调节调节 加适当氮源：加尿素、加适当氮源：加尿素、 NaNO NaNO3 3、 过酸时过酸时 NHNH4 4OH OH 或蛋白质等或蛋白质等 治本治本 提高通气量提高通气量 加适当碳源：加糖、乳酸、醋酸、加适当碳源：加糖、乳酸、醋酸、 柠檬酸或油脂柠檬酸或油脂 过碱时过碱时 降低通气量降低通气量