環(huán)境因子對微生物生長和代謝影響.ppt

第五章 環(huán)境因子對 微生物生長和代謝的影響,江南大學(xué)生物工程學(xué)院,環(huán)境因子對微生物的影響,適宜環(huán)境： 微生物能正常地進(jìn)行生命活動(dòng) 不適宜環(huán)境： 微生物的正常生命活動(dòng)受到抑制或被迫暫時(shí)改變原有的一些特征。 惡劣環(huán)境： 微生物死亡或發(fā)生遺傳變易。,第一節(jié) 環(huán)境因子對微生物生長和生存的影響 一.理化因素對生長的影響,（一）溫度 1、溫度對微生物的影響 溫度通過影響膜的液晶結(jié)構(gòu)、酶和蛋白質(zhì)的合成及活性、RNA的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)錄等 影響微生物的生命活動(dòng)。,2、微生物的生長溫度范圍 最低生長溫度 最高生長溫度 最適生長溫度 致死溫度,A,C,B,T ,3、微生物的生長溫度類型,按照最適生長溫度范圍的不同分類 嗜冷微生物 嗜溫微生物 嗜熱微生物,微生物生長的溫度類型,不同溫度下的菌例,1、嗜冷微生物（psychrophiles）,能在5以下生長的微生物稱為嗜冷微生物。 種類 專性：最適溫度15，最高溫度20 兼性：最適溫度2530，最高溫度35左右 耐冷微生物 psychrotolerant 嗜冷微生物在低溫下生長的原因 細(xì)胞膜含有大量的不飽和脂肪酸，使膜在低溫下也能保持半流動(dòng)狀態(tài)； 細(xì)胞的酶在低溫下能有效地起催化作用，而在3040的情況下，這些酶很快失活。,2、嗜溫微生物 mesophiles,最適生長溫度在2537微生物叫嗜溫微生物。 種類： 寄生型（體溫型）：最適3540 腐生型（室溫型）：最適2535。,3、嗜熱微生物 thermophiles,嗜熱微生物：最適生長溫度5060 嗜高溫微生物：最適生長溫度在80以上 嗜熱微生物在高溫下生長的原因 酶和其他蛋白質(zhì)中的更具有耐熱性； 核酸中含有較多的GC對，對熱更加穩(wěn)定； 細(xì)胞膜中飽和脂肪酸含量高，使膜具有熱穩(wěn)定性； 細(xì)胞生長速率快，能迅速合成生物大分子，以彌補(bǔ)由于高溫造成的破壞。,嗜高溫微生物 hyperthermophiles,已發(fā)現(xiàn)的嗜高溫微生物全都是古生細(xì)菌，它們所處的環(huán)境與普通細(xì)菌有很大區(qū)別。 在高溫下生長的原因： 一般認(rèn)為它們蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性與蛋白質(zhì)上存在的鹽橋數(shù)目增加（氨基酸帶上Na+或其它陽離子生成電荷橋）及蛋白質(zhì)高度密集的疏水內(nèi)部區(qū)域有關(guān)； 它們細(xì)胞膜中不含脂肪酸，而是由植烷（不同長度碳?xì)浣M成的五碳重復(fù)單位化合物）組成，這和膜的熱穩(wěn)定性有關(guān)。,4、最適發(fā)酵溫度,發(fā)酵速率和代謝產(chǎn)物積累速率最大時(shí)的溫度。,5、極端溫度對微生物的影響,極端溫度 extreme temperature 低于最低生長溫度和高于最高生長溫度范圍的溫度。 低溫： 0以上停止生長 冷凍：造成微生物細(xì)胞脫水及冰晶的機(jī)械損傷而引起微生物死亡。 高溫：菌體蛋白變性，殺死細(xì)胞 應(yīng)用：,6、微生物對熱的忍受,微生物 溫度 時(shí)間(分) 營養(yǎng)細(xì)胞：細(xì) 菌 55-60 30 酵 母 50-60 10 孢 子 ： 70-80 10 細(xì)菌芽孢： 枯草芽孢桿菌 100 60 嗜熱脂肪芽孢桿菌 121 12 肉毒梭菌 100 360,（二）水活度 water activity,定義 在相同的溫度和壓力下，體系中溶液的水蒸汽壓與純水的蒸汽壓之比： aw=p/p0 水活度的決定因素： 固體基質(zhì)：水被吸附的牢固程度 液體：溶質(zhì)的含量和溶質(zhì)的水合程度,一些溶質(zhì)不同濃度的水活度,不同微生物生長的最低aw,1、基質(zhì)水活度對微生物的影響 高水活度環(huán)境 低水活度環(huán)境 2、干燥對微生物的影響 干燥使代謝停止，使微生物處于休眠 狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)細(xì)胞脫水，蛋白質(zhì)變性，進(jìn) 而導(dǎo)致死亡。 應(yīng)用： 保存物品，保藏菌種,水對一些貯藏霉菌的影響,3、滲透壓對微生物的影響,等滲溶液： 微生物正常生長 低滲溶液： 細(xì)胞吸水膨脹，甚至脹破。 高滲溶液： 細(xì)胞脫水，影響代謝活動(dòng)，引起質(zhì)壁分離，甚至死亡。,耐高滲與嗜高滲微生物,生長速度,水活度,1、正常微生物 2、耐高滲微生物 3、嗜高滲微生物,（三）表面張力,1、表面張力：液體表面相鄰兩個(gè)部分間單位長度內(nèi)的相互牽引力。 單位：1N/m=1000dyn/cm 水在常溫下的表面張力為72 dyn/cm。 一般液體培養(yǎng)基的表面張力為4565dyn/cm,2、表面張力對微生物的影響 低表面張力, 微生物在液體中均勻生長。 高表面張力, 微生物在液體表面形成菌膜。 3、改變表面張力的方法 升高表面張力：添加無機(jī)鹽 降低表面張力：添加表面活性劑,（四）輻射,輻射是能量通過空間傳播或傳遞的一種物理現(xiàn)象。 輻射的種類：電磁輻射和微粒輻射 電磁輻射的種類 非電離輻射：紅外線、可見光、紫外線等 電離輻射：x-射線、-射線等。,輻射光,可見光 波長400-800nm的電磁輻射。 光能型微生物的能源 長時(shí)間照射有殺菌作用 紅外線 波長大于800nm的電磁輻射。 紅外線可以發(fā)熱，產(chǎn)生的高溫具有殺菌作用。,紫外線 UV,波長為150390nm的電磁輻射。 最佳作用波長為265266nm。 1.作用機(jī)理 誘發(fā)DNA形成T=T、阻礙DNA復(fù)制而使微生物發(fā)生變易或死亡。 使空氣中的O2變?yōu)镺3，后者分解放出的O具有殺菌作用。 應(yīng)用：消毒和誘變,紫外線照射后形成T-T二聚體,2. 細(xì)胞對紫外損傷的修復(fù)作用,光復(fù)活作用 細(xì)胞中的光復(fù)活酶吸收可見光的能量而被激活后，將T=T中的共價(jià)鍵解開，使DNA分子恢復(fù)正常狀態(tài)。,光復(fù)活過程,暗修復(fù)作用 細(xì)胞中的一些修復(fù)酶在無光的情況下，也能進(jìn)行有效的DNA修復(fù)作用。 作用的酶：DNA內(nèi)切酶、DNA外切酶、DNA聚合酶和DNA連接酶。,電離輻射,x射線 1-10nm， 射線0.1-1nm 作用機(jī)理： 引起環(huán)境中或細(xì)胞中水的電離而產(chǎn) 生的自由基作用于細(xì)胞中的敏感大分子，使之電離而失活。,H2O H2O+ +e- OH +H+ H2O+ e- H2O- H +OH+,作用于氧氣分子，產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性基 團(tuán)，氧化細(xì)胞中的蛋白質(zhì)和酶分子的巰基， 而使細(xì)胞受到損傷或死亡。,（五）pH pH= -lgH+,一些溶液 的pH值,1、環(huán)境pH對微生物的作用,改變細(xì)胞膜所帶電荷狀態(tài)，從而影響細(xì)胞對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收； 影響代謝過程中酶的活性； 改變環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)的可給性； 改變環(huán)境中有害物質(zhì)的毒性。,2、 微生物的生長pH范圍 不同微生物的生長pH范圍,3、微生物的類型（按最適生長pH范圍來分）,嗜酸微生物 acidophile 專性嗜酸菌： 最適pH6；pH7時(shí)生長極差或死亡。 兼性嗜酸菌：在低pH下生長，在中性pH也長。 嗜堿微生物 alkalinophile： 專性嗜堿菌：最適pH811，pH 7時(shí)生長極慢或不生長 嗜中性微生物 neutrophile： 能在pH49范圍內(nèi)生長，最適生長在pH68，大多數(shù)微生物屬于這一類。,4、微生物的代謝對環(huán)境pH影響,5、環(huán)境pH的控制,直接加酸或堿進(jìn)行調(diào)節(jié)； 加入酸性或堿性營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)和補(bǔ)充營養(yǎng) 加入緩沖性物質(zhì),6、微生物細(xì)胞內(nèi)的pH,細(xì)胞內(nèi)部的pH值一般都接近中性 胞內(nèi)酶的最適pH多接近中性 細(xì)胞內(nèi)的DNA、ATP等對低pH敏感 RNA和磷脂類等對高pH敏感。 細(xì)胞膜上酶及胞外酶最適pH多接近微生物最適生長pH,7、微生物最適生長和最適發(fā)酵pH,(六) 氧化還原電位 Eh,Eh 值的測定方法：用一個(gè)鉑電極與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電極同時(shí)插入體系中，從敏感的伏特計(jì)上讀出電位差值。 1、影響 Eh的主要因素： 氧分壓、環(huán)境的pH值 2、標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位 Eh： pH=7時(shí)測得的Eh值 Eh值的變化范圍：+0.82v -0.42v,3、Eh的改變方法 降低Eh 除氧及向培養(yǎng)基中添加還原性物質(zhì)：H2S、抗壞血酸、含巰基化合物（半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫蘇糖醇等） 升高Eh 通空氣或氧及向培養(yǎng)基中添加氧化性物質(zhì)：Fe(OH)3等,4、微生物與氧的關(guān)系,好氧微生物aerobes 專性好氧菌 兼性厭氧菌 微好氧菌 厭氧微生物 anaerobes 耐氧厭氧菌 專性厭氧菌,（1）專性好氧菌 strict aerobes 必須在高濃度分子氧(0.2巴）的條件下才能生長的微生物 Eh+0.1v 可生長，最適在+0.3+0.4v 霉菌、大部分放線菌及部分細(xì)菌 有完整的呼吸鏈，分子氧作為最終電子受體，氧參與合成固醇及不飽和脂肪酸； 細(xì)胞含有超氧化物歧化酶和過氧化氫酶 超氧化物歧化酶: superoxide dismutase SOD 過氧化氫酶: catalase,(2) 兼性厭氧菌：facultative anaerobes 以在有氧的條件下生長為主，也可兼在厭氧條件下生長的微生物 Eh+0.1v 通過好氧呼吸獲取能量 Eh+0.1v 通過發(fā)酵或無氧呼吸獲取能量 酵母和部分細(xì)菌 細(xì)胞含有SOD和過氧化氫酶,（3）微好(嗜)氧菌microaerophilic bacteria 只能在較低的氧分壓（0.010.03巴）下才能正常生長；也通過有氧呼吸獲取能量。 如：霍亂弧菌、氫單胞菌屬等,（4）耐氧厭氧菌： aerotolerant anaerobe 可在分子氧存在條件下進(jìn)行厭氧生活的厭氧菌。 生長不需要氧，但分子氧對他們也無害 僅依靠發(fā)酵或底物水平磷酸化獲得能量 細(xì)胞內(nèi)有SOD和過氧化物酶，但無過氧化氫酶。 如：乳鏈球菌、乳酸乳桿菌、膜明串珠菌,（5）厭氧菌：anaerobe 只能在無氧或低Eh(Eh+0.1V)值時(shí), 才能生長。 分子氧對細(xì)胞有毒 通過發(fā)酵或無氧呼吸等獲取能量 細(xì)胞內(nèi)缺乏SOD、細(xì)胞色素氧化酶、大多數(shù)還缺乏過氧化氫酶 梭狀芽孢桿菌屬、雙歧桿菌屬、 產(chǎn)甲烷菌,微生物與氧的關(guān)系,厭氧菌的氧毒害機(jī)制：超氧化物歧化酶學(xué)說,第二節(jié) 微生物營生環(huán)境條件的優(yōu)化,營養(yǎng)物質(zhì)及其濃度 環(huán)境條件 pH值 溫度 溶解氧 離子強(qiáng)度 二氧化碳分壓,第三節(jié) 污染微生物的控制,一、滅菌與消毒 滅菌 sterilization 采用強(qiáng)烈的理化因素使物體內(nèi)外部的一切微生物永遠(yuǎn)喪失其生長繁殖能力的措施。 消毒 disinfection 采用較溫和的理化因素，僅殺死物體表面或內(nèi)部一部分對人體或動(dòng)、植物有害的病原菌，而對被消毒的對象基本無害的措施。,（一）滅菌和消毒方法 1、高溫滅菌和消毒方法,（1）干熱滅菌法 dry heat sterilization 灼燒滅菌法 適用：接種工具， 污染物品， 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物尸體等。干熱滅菌法 適用：玻璃、陶瓷器皿， 金屬用具等耐高溫的物品。 處理：150170 12小時(shí),電熱恒溫干燥箱,（2）濕熱滅菌法 moist heat sterilization 同樣溫度和相同作用時(shí)間下，濕熱滅菌比干熱滅菌效果好的原因 熱蒸汽穿透力強(qiáng)； 細(xì)胞物質(zhì)在含水量高時(shí)容易變性凝固； 蒸汽凝固時(shí)釋放的大量蒸汽潛熱可迅速提高滅菌物品的溫度。,A. 常壓法 巴氏消毒法 pasteurization 是一種專用于牛奶、啤酒、果酒或醬油等不宜進(jìn)行高溫滅菌的液態(tài)風(fēng)味食品或調(diào)料的低溫消毒方法。 低溫維持法low temperature holding method，LTH，牛奶：63，30分 高溫瞬時(shí)法 high temperature shot time，HTST，牛奶：72，15秒 巴氏消毒單位：在60經(jīng)歷1分鐘所引起的消毒效應(yīng)稱一個(gè)巴氏消毒單位。Pu=Z1.393(t-60),煮沸消毒法：在100下煮沸數(shù)分鐘的方法，常用于飲用水的消毒 間歇滅菌法fractional sterilization：適用于不耐熱培養(yǎng)基的滅菌 設(shè)備：蒸籠，高壓滅菌鍋 原理：常壓蒸汽（100）處理殺死營養(yǎng)細(xì)胞，殘留的芽孢等耐熱的孢子體經(jīng)過夜培養(yǎng)即可萌發(fā)，再加熱處理殺死之，如此反復(fù)處理三次，可達(dá)到無菌狀態(tài)。 對象：含有不耐高溫的營養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)基或無高壓蒸汽滅菌鍋時(shí)處理一般培養(yǎng)基。 方法：80100蒸煮1560分鐘37培養(yǎng)過夜，連續(xù)重復(fù)三天 控制：芽孢桿菌芽孢制劑 注意：不含營養(yǎng)物質(zhì)的物品不宜適用此法。,B. 加壓法 高壓蒸汽滅菌法（常規(guī)加壓蒸汽滅菌法）autoclaving ：是一種利用高溫進(jìn)行濕熱滅菌的方法。 設(shè)備：高壓蒸汽滅菌鍋 原理：在加壓條件下， 水的沸點(diǎn)超過100，由此可提供高于100的水蒸氣。 對象：耐高溫物品，一般培養(yǎng)基，生理鹽水，緩沖溶液，玻璃、陶瓷器皿等 控制：嗜熱脂肪芽孢桿菌芽孢制劑，熱變色紙帶 連續(xù)加壓蒸汽滅菌法continuous autoclaving 適用于大型發(fā)酵廠的大批培養(yǎng)基滅菌 135140下維持515秒,手提式高壓蒸汽滅菌器,高壓蒸汽滅菌器,2、 過濾除菌法： 用具：過濾器，如硝化纖維素濾膜 原理：將微生物過濾去除 對象：空氣，熱敏物質(zhì)，蛋白質(zhì)，酶，血清，纖維素，氨基酸等 注意：病毒等小于0.2mm的非細(xì)胞微生物無法去除,膜濾裝置,3、輻射滅菌（放射線滅菌法） 原理： 微波、紫外線、g-射線、X-射線的殺菌作用。 g-射線的穿透力非常強(qiáng)，可對密封包裝后的物品進(jìn)行滅菌。 對象：不耐熱或受熱易變質(zhì)、變味的物品。,（二）常用的化學(xué)消毒劑 消毒劑：能殺死微生物的化學(xué)制劑 防腐劑：能抑制微生物生命活動(dòng)的制劑 理想消毒劑應(yīng)具備的條件 殺菌力強(qiáng)；適用方便；價(jià)格低廉；對人蓄無害；無味無嗅； 石炭酸系數(shù) phenol coefficient, PC 衡量化學(xué)消毒劑相對殺菌強(qiáng)度的常數(shù) 定義：在一定的時(shí)間內(nèi)，被試藥劑能殺死全部供試菌的最高稀釋度與達(dá)到同樣效果的石炭酸的最高稀釋度之比。,(三）影響滅菌和消毒效果的因素 1、影響高壓蒸汽滅菌的因素 滅菌物體的含菌量 滅菌鍋內(nèi)空氣的排除程度,滅菌對象的pH： pH在6.08.0時(shí)，微生物不易死亡 培養(yǎng)基中蛋白質(zhì)的含量 滅菌對象的體積 加熱與散熱速度 2、影響化學(xué)消毒劑消毒效果的因素 消毒對象 化學(xué)消毒劑的性質(zhì)及濃度 消毒時(shí)的環(huán)境條