環(huán)境條件對微生物生長繁殖的影響

1.1.3、環(huán)境條件對微生物生長繁殖的影響

微生物與所處的環(huán)境之間具有復雜的相互影響和相互作用:一方面,各種各樣的環(huán)境因素對微生物的生長和繁殖有影響,另一方面,微生物生長繁殖也會影響和改變環(huán)境.研究環(huán)境因素與微生物之間的關(guān)系,可以通過控制環(huán)境條件來利用微生物有益的一面,同時防止它有害的一面.影響微生物生長的外界因素很多，除了前面講過的營養(yǎng)因素之外，還有許多物理化學因素的影響?，F(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕溫度是影響微生物生長的最重要因素之一。溫度對微生物的影響具體表現(xiàn)在：影響酶活性，溫度變化影響酶促反應速率，最終影響細胞合成。影響細胞膜的流動性，溫度高，流動性大，有利于物質(zhì)的運輸，溫度低，流動性降低，不利于物質(zhì)運輸，因此，溫度變化影響營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與代謝產(chǎn)物的分泌。影響物質(zhì)的溶解度，對生長有影響。1.1.3.1物理環(huán)境

(1)溫度對微生物生長的影響現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕從微生物整體來看:生長的溫度范圍一般在-10℃~100℃極端下限為-30℃，極端上限為105~300℃但對于特定的某一種微生物：只能在一定溫度范圍內(nèi)生長，在這個范圍內(nèi)，每種微生物都有自己的生長溫度三基點，即最低、最適、最高生長溫度處于最適生長溫度時，生長速度最快，代時最短。超過最低生長溫度時，微生物不生長，溫度過低，甚至會死亡。超過最高生長溫度時，微生物不生長，溫度過高，甚至會死亡。微生物生長的三個溫度基點現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕根據(jù)微生物的最適生長溫度的不同，可將微生物劃為三個類型：微生物生長溫度類型低溫型微生物（嗜冷微生物）中溫型微生物（嗜溫微生物）高溫型微生物（嗜熱微生物）現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕低溫型微生物:最適生長溫度在5~20℃,主要分布在地球的兩極、冷泉、深海、冷凍場所及冷藏食品中。例：假單孢菌中的某些嗜冷菌在低溫下生長，常引起冷藏食品的腐敗。嗜冷微生物在低溫下生長的機理，目前還不清楚，據(jù)推測有兩種原因：①它們體內(nèi)的酶能在低溫下有效地催化，在高溫下酶活喪失②細胞膜中的不飽和脂肪酸含量高，低溫下也能保持半流動狀態(tài)，可以進行物質(zhì)的傳遞?，F(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕

中溫型微生物：最適生長溫度為20℃~40℃，大多數(shù)微生物屬于此類。室溫型主要為腐生或植物寄生，在植物或土壤中。體溫型主要為寄生，在人和動物體內(nèi)。高溫型微生物：最適生長溫度為50℃~60℃,主要分布在溫泉、堆肥和土壤中。在高溫下能生長的原因：①酶蛋以及核糖體有較強的抗熱性②核酸具有較高的熱穩(wěn)定性（核酸中G+C含量高（tRNA），可提供形成氫鍵，增加熱穩(wěn)定性）。③細胞膜中飽和脂肪酸含量高，較高溫度下能維持正常的液晶狀態(tài)?，F(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕高溫微生物的特點:生長速度快，合成大分子迅速，可及時修復高溫對其造成的分子損傷。耐高溫菌具應用優(yōu)勢：在減少能源消耗、減少染菌、縮短發(fā)酵周期等方面具重要意義。現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕

菌名 生長溫度 發(fā)酵溫度 累積產(chǎn)物溫度 （℃） （℃） （℃）S.lactis 34 40 產(chǎn)細胞：25~30

產(chǎn)乳酸：30Streptomyces

griseus 37 28 _Corenybacterium

pekinense 32 33~35 _Clostridiumacetobutylicum 37 33 _Penicilium

chrysogenum 30 25 20以青霉素的生產(chǎn)為例：培養(yǎng)165小時采用分段控制溫度的方法，其青霉素產(chǎn)量比始終在30℃培養(yǎng)提高了14.7%。分段控制方式：0~5小時，30℃；5~40小時，25℃；40~125小時，20℃；125~165小時，25℃。★不同生理生化過程的最適溫度微生物不同生理活動要求不同溫度，所以，最適生長溫度≠發(fā)酵速度快、積累代謝產(chǎn)物多?，F(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕6.1.3.1高溫對微生物的影響高溫下蛋白質(zhì)不可逆變性，膜受熱出現(xiàn)小孔，破壞細胞結(jié)構(gòu)（溶菌）。★微生物對熱的耐受力與以下因素有關(guān):(1)微生物種類及發(fā)育階段嗜熱菌比其它類型的菌體抗熱有芽孢的細菌比無芽孢的菌抗熱微生物的繁殖結(jié)構(gòu)比營養(yǎng)結(jié)構(gòu)抗熱性強老齡菌比幼齡菌抗熱

高溫與低溫對微生物的影響現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕(2)微生物對熱的耐受力還受環(huán)境條件的影響與培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分有關(guān)——培養(yǎng)基中蛋白質(zhì)含量高時比較耐熱.與pH有關(guān)——pH適宜時不易死亡，pH不適宜時，容易死亡.與水分有關(guān)——含水量大時容易死亡，含水量小時不容易死亡.與含菌量有關(guān)——含菌量高，抗熱性增強，含菌量低，抗熱性差。與熱處理時間有關(guān)——熱處理時間長，微生物易死亡?，F(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕

當環(huán)境溫度低于微生物的最適生長溫度時，微生物的生長繁殖停止，當微生物的原生質(zhì)結(jié)構(gòu)并未破壞時，不會很快造成死亡并能在較長時間內(nèi)保持活力，當溫度提高時，可以恢復正常的生命活動。低溫保藏菌種就是利用這個原理。一些細菌、酵母菌和霉菌的瓊脂斜面菌種通?？梢蚤L時間地保藏在4℃的冰箱中。當溫度過低，造成微生物細胞凍結(jié)時，有的微生物會死亡，有些則并不死亡。低溫對微生物的影響現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕造成死亡的原因：①凍結(jié)時細胞水分變成冰晶，冰晶對細胞膜產(chǎn)生機械損傷，膜內(nèi)物質(zhì)外漏。②凍結(jié)過程造成細胞脫水。凍結(jié)速度對冰晶形成有很大影響，緩慢凍結(jié)，形成的冰晶大，對細胞損傷大；快速凍結(jié)，形成的冰晶小、分布均勻，對細胞的損傷小，因此，利用快速凍結(jié)可以對一些菌種進行凍結(jié)保藏，一般情況下在菌懸液中再加一些甘油、糖、牛奶、保護劑等可對菌種進行長期保藏?，F(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕(2)攪拌對微生物生長的影響剪切流細胞損傷現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕（3）滲透壓對生長的影響滲透壓 等滲溶液 適宜微生物生長 高滲溶液 細胞發(fā)生質(zhì)壁分離 低滲溶液 細胞吸水膨脹，直至破裂大多數(shù)微生物適合在等滲的環(huán)境下生長，而有的菌如Staphylococcusaureus

則能在3mol/LNaCl的高滲溶液中生長。能在高鹽環(huán)境（2.8-6.2/LNaCl）生長的微生物常被稱為嗜鹽微生物（Halophiles）。現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕滲透壓與溶質(zhì)的種類及濃度有關(guān):

溶質(zhì)濃度高,滲透壓大。同滲重摩os不同種類的溶質(zhì)形成的滲透壓大小不同,小分子溶液比大分子溶液滲透壓大；離子溶液比分子溶液滲透壓大；相同含量的鹽、糖、蛋白質(zhì)所形成的溶液滲透壓為鹽>糖>蛋白質(zhì)。對于一般微生物來說，在含鹽5%~30%或含糖30%~80%的高滲條件下可抑制或殺死某些微生物。但各種微生物承受滲透壓的能力不同，有些能在高滲條件下生長，稱其為耐高滲微生物?，F(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕細菌中的嗜鹽菌：能在15%~30%的鹽溶液中生長，主要分布在鹽湖、死海、海水和鹽場及腌漬菜中。又分為：低嗜鹽菌：能在2%~5%鹽溶液中生長中嗜鹽菌：5%~20%

極端嗜鹽菌：20%~30%高糖環(huán)境下生長的微生物：花蜜酵母菌和某些霉菌能在60%~80%的糖溶液中生長產(chǎn)甘油的耐高滲酵母能在20%~40%的糖蜜中生長現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕★滲透壓調(diào)節(jié)機理？聯(lián)系:1.3.9.1現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕水活度：在相同的溫度、壓力下，體系中溶液的水的蒸汽壓與純水的蒸汽壓之比,即Aω=ps/p0.微生物生長的水活度范圍：Aω=0.63~0.99

各種微生物生長的最低水活度值

微生物最低Aω值

微生物最低Aω值一般細菌一般酵母菌一般霉菌0.900.880.80

嗜鹽細菌干生性霉菌耐滲透壓酵母0.750.650.63(4)水活度現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕水活度現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕培養(yǎng)基的滲透壓和水的活度對比生長速率的影響？圖1-13非生長基質(zhì)消耗與Aω的關(guān)系？表1-9水活度受哪些因素影響？溫度、乙醇、甘油各有什么影響？現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕◆影響膜表面電荷的性質(zhì)及膜的通透性，進而影響對物質(zhì)的吸收能力?！舾淖兠富睢⒚复俜磻乃俾始按x途徑：如：酵母菌在pH4.5-5產(chǎn)乙醇，在pH6.5以上產(chǎn)甘油、酸?！舡h(huán)境pH值還影響培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的離子化程度，從而影響營養(yǎng)物質(zhì)吸收，或有毒物質(zhì)的毒性。

1.1.3.2化學環(huán)境

（1）pH值與微生物生長的相互影響環(huán)境pH值對微生物生長的影響現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕微生物的生長pH值范圍極廣，從pH<2~>8都有微生物能生長。但是絕大多數(shù)種類都生活在pH5.0~9.0之間。微生物生長的pH值三基點：各種微生物都有其生長的最低、最適和最高pH值。低于最低、或超過最高生長pH值時，微生物生長受抑制或?qū)е滤劳觥２煌奈⑸镒钸m生長的pH值不同，根據(jù)微生物生長的最適pH值，將微生物分為：嗜堿微生物：硝化細菌、尿素分解菌、多數(shù)放線菌耐堿微生物：許多鏈霉菌中性微生物：絕大多數(shù)細菌，一部分真菌嗜酸微生物：硫桿菌屬耐酸微生物：乳酸桿菌、醋酸桿菌

不同微生物對pH要求不同現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕

微生物種類最低pH最適pH最高pH大腸桿菌枯草芽孢桿菌金黃色葡萄球菌黑曲霉一般放線菌一般酵母菌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

一些微生物生長的pH值范圍現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕微生物 pH值 最低最適最高Thiobacillus

thiooxidans

氧化硫硫桿菌0.5 2.0~3.5 6.0Lactobacillusacidophilus嗜酸乳桿菌4.0~4.65.8~6.6 6.8Rhizobium

japonicum

大豆根瘤菌 4.2 6.8~7.0 11.0Azotobacter

chroococcum

圓褐固氮4.5 7.4~7.6 9.0Nitrosomonassp.硝化單胞菌7.0 7.8~8.6 9.4Acetobacter

aceti

醋化醋桿菌 4.0~4.55.4~6.37.0~8.0Staphylococcusaureus

金黃葡球菌 4.27.0~7.5 9.3Chlorobium

limicola

泥生綠菌 6.0 6.8 7.0Thurmus

aquaticus

水生棲熱菌 6.07.5~7.89.5Aspergillus

niger

黑曲霉 1.55.0~6.0 9.0一般放線菌 5.0 7.0~8.010.0一般酵母菌 3.05.0~6.08.0不同微生物的生長pH值范圍現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕

在發(fā)酵工業(yè)中，控制pH值尤其重要。維持生長和產(chǎn)物的合成所需pH是生產(chǎn)成敗的關(guān)鍵之一。微生物 生長最適pH 合成抗生素最適pH灰色鏈霉菌 6.3~6.9 6.7~7.3紅霉素鏈霉菌 6.6~7.0 6.8~7.3產(chǎn)黃青霉 6.5~7.2 6.2~6.8金霉素鏈霉菌 6.1~6.6 5.9~6.3龜裂鏈霉菌 6.0~6.6 5.8~6.1灰黃青霉 6.4~7.0 6.2~6.5生長的最適pH值與發(fā)酵的最適pH值現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕同一種微生物在不同的生長階段和不同生理生化過程中，對環(huán)境pH值要求不同。例如：丙酮丁醇梭菌在pH值=5.5-7.0時，以菌體生長為主在pH值=4.3-5.3時，進行丙酮丁醇發(fā)酵同一種微生物由于環(huán)境pH值不同，可能積累不同的代謝產(chǎn)物。例如：黑曲霉pH值=2-3時，產(chǎn)物以檸檬酸為主，只產(chǎn)少量草酸。pH值在7左右時，產(chǎn)物以草酸為主，只產(chǎn)少量檸檬酸?，F(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕微生物細胞內(nèi)的pH值雖然微生物生活的環(huán)境pH值范圍較寬，但是其細胞內(nèi)的pH值卻相當穩(wěn)定，一般都接近中性。這種維持細胞內(nèi)穩(wěn)定中性pH值的特性能夠保持細胞內(nèi)各種生物活性分子的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和細胞內(nèi)酶所需要的最適pH值。微生物胞內(nèi)酶的最適pH值一般為中性，胞外酶的最適pH值接近環(huán)境pH值?，F(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕微生物的生命活動對環(huán)境pH值的影響★微生物在生長過程中也會使外界環(huán)境的pH值發(fā)生改變，原因：由于有機物分解：分解糖類、脂肪等，產(chǎn)生酸性物質(zhì)，使培養(yǎng)液pH值下降；分解蛋白質(zhì)、尿素等，產(chǎn)生堿性物質(zhì)，使培養(yǎng)液pH值上升由于無機鹽選擇性吸收：銨鹽吸收（(NH4)2SO4H2SO4），pH↓硝酸鹽吸收(NaNO3

NaOH)，pH↑NH4+被吸收NO3+被吸收現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕★培養(yǎng)過程中調(diào)節(jié)pH值的措施過酸時：加入堿或適量氮源，提高通氣量。過堿時：加入酸或適量碳源，降低通氣量?！锱渲婆囵B(yǎng)基時調(diào)整pH值的措施？現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕酸堿添加劑的抑菌機理酸類物質(zhì)：無機酸：與H+濃度成正比的高氫離子濃度，可引起菌體表面蛋白的變性和核酸的水解，并破壞酶類的活性有機酸：與不電離的部分成正比,故有時有機酸的抑菌效果>無機酸。作為食品防腐劑的有機酸如苯甲酸和水楊酸可與微生物細胞中的成分發(fā)生氧化作用，從而抑制微生物的生長。堿類物質(zhì)：強堿可引起蛋白質(zhì)、核酸大分子變性、水解，以殺死或抑制微生物。食品工業(yè)中常用石灰水、NaOH、Na2CO3等作為機器、工具以及冷藏庫的消毒劑。現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕微生物對氧的需要和耐受力在不同的類群中變化很大，根據(jù)微生物與氧的關(guān)系,可把它們分為幾種類群:

專性好氧菌:

好氧菌微好氧菌：兼性厭氧菌耐氧厭氧菌：厭氧菌

(專性)厭氧菌：（2）氧氣對微生物生長的影響現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕氧濃度對不同微生物生長的影響現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕專性好氧菌（strictaerobe）必須在有分子氧的條件下才能生長，有完整的呼吸鏈，以分子氧作為最終氫受體，細胞含有超氧物歧化酶（SOD，superoxidedismutase）和過氧化氫酶。在有氧或無氧條件下均能生長，但有氧情況下生長得更好，在有氧時靠呼吸產(chǎn)能，無氧時發(fā)酵或無氧呼吸產(chǎn)能；細胞含有SOD和過氧化氫酶。微好氧菌（microaerophilicbacteria）只能較低的氧分壓下才能正常生長，通過呼吸鏈并以氧為最終氫受體而產(chǎn)能，兼性好氧菌（facultativeaerobe）現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕耐氧菌（aerotolerantanaerobe）可在分子氧存在下進行厭氧生活的厭氧菌。生活不需要氧，分子氧也對它無毒害。不具有呼吸鏈，依靠專性發(fā)酵獲得能量。細胞內(nèi)存在SOD和過氧化物酶，但缺乏過氧化氫酶。厭氧菌（anaerobe）分子氧對它有毒害，短期接觸空氣，也會抑制其生長甚至致死；在空氣或含有10%CO2的空氣中，在固體培養(yǎng)基表面上不能生長，只有在其深層的無氧或低氧化還原電勢的環(huán)境下才能生長；生命活動所需能量通過發(fā)酵、無氧呼吸、循環(huán)光合磷酸化或甲烷發(fā)酵提供；細胞內(nèi)缺乏SOD和細胞色素氧化酶，大多數(shù)還缺乏過氧化氫酶?，F(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕在培養(yǎng)不同類型的微生物時，要采用相應的措施保證不同微生物的生長。培養(yǎng)好氧微生物：需震蕩或通氣，保證充足的氧氣?！锶苎跬切柩醢l(fā)酵的限制性因素。培養(yǎng)專性厭氧微生物：需排除環(huán)境中的氧氣，同時在培養(yǎng)基中添加還原劑，降低培養(yǎng)基中的氧化還原電位勢。培養(yǎng)兼性厭氧或耐氧微生物：可深層靜止培養(yǎng)?，F(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕★在生長過程中培養(yǎng)液的DO變化可以反映菌的生長生理狀況★現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕通風和攪拌通氣可以供給大量的氧。通氣量與菌種、培養(yǎng)基性質(zhì)、培養(yǎng)階段有關(guān)。通氣量的多少，最好按氧溶解的多少來決定。只有氧溶解的速度大于菌體的吸氧量時，菌體才能正常地生長和合成酶。因此隨著菌體繁殖，呼吸增強，必須按菌體的吸氧量加大通氣量，以增加溶解氧的量?，F(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕攪拌則能使新鮮氧氣更好地與培養(yǎng)液混合，保證氧的最大限度溶解，并且攪拌有利于熱交換，使培養(yǎng)液的溫度一致，還有利于營養(yǎng)物質(zhì)和代謝物的分散。此外，擋板則有助于攪拌，使其效果更好。一般來說，若培養(yǎng)罐深，攪拌轉(zhuǎn)速大，通氣管開孔小或多，氣泡在培養(yǎng)液內(nèi)停留時間就長，氧的溶解速度就大，而且在這些因素確定下，培養(yǎng)基的粘度越小，氧的溶解速度也越大?！锱囵B(yǎng)過程中是不是維持DO越高越好？現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕氧的有害作用是通過形成新生O，超氧化物基O2－和過氧化物基O22－，或羥基自由基OH－,破壞許多細胞組分體現(xiàn)的。有些帶巰基的酶對高濃度的氧敏感。好氣微生物曾發(fā)展一些機制，如形成觸酶，過氧化物酶和超氧化物歧化酶(SOD)，使其免遭氧的摧毀。現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕攪拌可以提高通氣效果，但是過度地劇烈攪拌會導致培養(yǎng)液大量涌泡，容易增加雜菌污染的機會，液膜表層的酶容易氧化變性，微生物細胞也不宜劇烈攪拌。現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕（3）二氧化碳對微生物生長的影響聯(lián)系39頁現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學郭曉燕溶解在發(fā)酵液中的