环境条件对微生物生长繁殖的影响

1.1.3、环境条件对微生物生长繁殖的影响

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，还有许多物理化学因素的影响。现代工业发酵调控学郭晓燕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。1.1.3.1物理环境

(1)温度对微生物生长的影响现代工业发酵调控学郭晓燕从微生物整体来看: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。微生物生长的三个温度基点现代工业发酵调控学郭晓燕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：微生物生长温度类型低温型微生物（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）现代工业发酵调控学郭晓燕现代工业发酵调控学郭晓燕低温型微生物: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。现代工业发酵调控学郭晓燕

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。高温型微生物：最适生长温度为50℃~60℃,主要分布在温泉、堆肥和土壤中。在高温下能生长的原因：①酶蛋以及核糖体有较强的抗热性②核酸具有较高的热稳定性（核酸中G+C含量高（tRNA），可提供形成氢键，增加热稳定性）。③细胞膜中饱和脂肪酸含量高，较高温度下能维持正常的液晶状态。现代工业发酵调控学郭晓燕高温微生物的特点:生长速度快，合成大分子迅速，可及时修复高温对其造成的分子损伤。耐高温菌具应用优势：在减少能源消耗、减少染菌、缩短发酵周期等方面具重要意义。现代工业发酵调控学郭晓燕

菌名 生长温度 发酵温度 累积产物温度 （℃） （℃） （℃）S.lactis 34 40 产细胞：25~30

产乳酸：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℃。★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。现代工业发酵调控学郭晓燕6.1.3.1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

高温与低温对微生物的影响现代工业发酵调控学郭晓燕(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。现代工业发酵调控学郭晓燕

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。低温对微生物的影响现代工业发酵调控学郭晓燕造成死亡的原因：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。现代工业发酵调控学郭晓燕(2)搅拌对微生物生长的影响剪切流细胞损伤现代工业发酵调控学郭晓燕（3）渗透压对生长的影响渗透压 等渗溶液 适宜微生物生长 高渗溶液 细胞发生质壁分离 低渗溶液 细胞吸水膨胀，直至破裂大多数微生物适合在等渗的环境下生长，而有的菌如Staphylococcusaureus

则能在3mol/LNaCl的高渗溶液中生长。能在高盐环境（2.8-6.2/LNaCl）生长的微生物常被称为嗜盐微生物（Halophiles）。现代工业发酵调控学郭晓燕渗透压与溶质的种类及浓度有关:

溶质浓度高,渗透压大。同渗重摩os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。现代工业发酵调控学郭晓燕细菌中的嗜盐菌：能在15%~30%的盐溶液中生长，主要分布在盐湖、死海、海水和盐场及腌渍菜中。又分为：低嗜盐菌：能在2%~5%盐溶液中生长中嗜盐菌：5%~20%

极端嗜盐菌：20%~30%高糖环境下生长的微生物：花蜜酵母菌和某些霉菌能在60%~80%的糖溶液中生长产甘油的耐高渗酵母能在20%~40%的糖蜜中生长现代工业发酵调控学郭晓燕★渗透压调节机理？联系:1.3.9.1现代工业发酵调控学郭晓燕水活度：在相同的温度、压力下，体系中溶液的水的蒸汽压与纯水的蒸汽压之比,即Aω=ps/p0.微生物生长的水活度范围：Aω=0.63~0.99

各种微生物生长的最低水活度值

微生物最低Aω值

微生物最低Aω值一般细菌一般酵母菌一般霉菌0.900.880.80

嗜盐细菌干生性霉菌耐渗透压酵母0.750.650.63(4)水活度现代工业发酵调控学郭晓燕水活度现代工业发酵调控学郭晓燕培养基的渗透压和水的活度对比生长速率的影响？图1-13非生长基质消耗与Aω的关系？表1-9水活度受哪些因素影响？温度、乙醇、甘油各有什么影响？现代工业发酵调控学郭晓燕◆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。

1.1.3.2化学环境

（1）pH值与微生物生长的相互影响环境pH值对微生物生长的影响现代工业发酵调控学郭晓燕微生物的生长pH值范围极广，从pH<2~>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。不同的微生物最适生长的pH值不同，根据微生物生长的最适pH值，将微生物分为：嗜碱微生物：硝化细菌、尿素分解菌、多数放线菌耐碱微生物：许多链霉菌中性微生物：绝大多数细菌，一部分真菌嗜酸微生物：硫杆菌属耐酸微生物：乳酸杆菌、醋酸杆菌

不同微生物对pH要求不同现代工业发酵调控学郭晓燕

微生物种类最低pH最适pH最高pH大肠杆菌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

一些微生物生长的pH值范围现代工业发酵调控学郭晓燕微生物 pH值 最低最适最高Thiobacillus

thiooxidans

氧化硫硫杆菌0.5 2.0~3.5 6.0Lactobacillusacidophilus嗜酸乳杆菌4.0~4.65.8~6.6 6.8Rhizobium

japonicum

大豆根瘤菌 4.2 6.8~7.0 11.0Azotobacter

chroococcum

圆褐固氮4.5 7.4~7.6 9.0Nitrosomonassp.硝化单胞菌7.0 7.8~8.6 9.4Acetobacter

aceti

醋化醋杆菌 4.0~4.55.4~6.37.0~8.0Staphylococcusaureus

金黄葡球菌 4.27.0~7.5 9.3Chlorobium

limicola

泥生绿菌 6.0 6.8 7.0Thurmus

aquaticus

水生栖热菌 6.07.5~7.89.5Aspergillus

niger

黑曲霉 1.55.0~6.0 9.0一般放线菌 5.0 7.0~8.010.0一般酵母菌 3.05.0~6.08.0不同微生物的生长pH值范围现代工业发酵调控学郭晓燕

在发酵工业中，控制pH值尤其重要。维持生长和产物的合成所需pH是生产成败的关键之一。微生物 生长最适pH 合成抗生素最适pH灰色链霉菌 6.3~6.9 6.7~7.3红霉素链霉菌 6.6~7.0 6.8~7.3产黄青霉 6.5~7.2 6.2~6.8金霉素链霉菌 6.1~6.6 5.9~6.3龟裂链霉菌 6.0~6.6 5.8~6.1灰黄青霉 6.4~7.0 6.2~6.5生长的最适pH值与发酵的最适pH值现代工业发酵调控学郭晓燕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：丙酮丁醇梭菌在pH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。现代工业发酵调控学郭晓燕微生物细胞内的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。现代工业发酵调控学郭晓燕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（(NH4)2SO4H2SO4），pH↓硝酸盐吸收(NaNO3

NaOH)，pH↑NH4+被吸收NO3+被吸收现代工业发酵调控学郭晓燕★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？现代工业发酵调控学郭晓燕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。现代工业发酵调控学郭晓燕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：（2）氧气对微生物生长的影响现代工业发酵调控学郭晓燕氧浓度对不同微生物生长的影响现代工业发酵调控学郭晓燕专性好氧菌（strictaerobe）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（SOD，superoxidedismutase）和过氧化氢酶。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，无氧时发酵或无氧呼吸产能；细胞含有SOD和过氧化氢酶。微好氧菌（microaerophilicbacteria）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（facultativeaerobe）现代工业发酵调控学郭晓燕耐氧菌（aerotolerantanaerobe）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（anaerobe）分子氧对它有毒害，短期接触空气，也会抑制其生长甚至致死；在空气或含有10%CO2的空气中，在固体培养基表面上不能生长，只有在其深层的无氧或低氧化还原电势的环境下才能生长；生命活动所需能量通过发酵、无氧呼吸、循环光合磷酸化或甲烷发酵提供；细胞内缺乏SOD和细胞色素氧化酶，大多数还缺乏过氧化氢酶。现代工业发酵调控学郭晓燕在培养不同类型的微生物时，要采用相应的措施保证不同微生物的生长。培养好氧微生物：需震荡或通气，保证充足的氧气。★溶氧往往是需氧发酵的限制性因素。培养专性厌氧微生物：需排除环境中的氧气，同时在培养基中添加还原剂，降低培养基中的氧化还原电位势。培养兼性厌氧或耐氧微生物：可深层静止培养。现代工业发酵调控学郭晓燕★在生长过程中培养液的DO变化可以反映菌的生长生理状况★现代工业发酵调控学郭晓燕通风和搅拌通气可以供给大量的氧。通气量与菌种、培养基性质、培养阶段有关。通气量的多少，最好按氧溶解的多少来决定。只有氧溶解的速度大于菌体的吸氧量时，菌体才能正常地生长和合成酶。因此随着菌体繁殖，呼吸增强，必须按菌体的吸氧量加大通气量，以增加溶解氧的量。现代工业发酵调控学郭晓燕搅拌则能使新鲜氧气更好地与培养液混合，保证氧的最大限度溶解，并且搅拌有利于热交换，使培养液的温度一致，还有利于营养物质和代谢物的分散。此外，挡板则有助于搅拌，使其效果更好。一般来说，若培养罐深，搅拌转速大，通气管开孔小或多，气泡在培养液内停留时间就长，氧的溶解速度就大，而且在这些因素确定下，培养基的粘度越小，氧的溶解速度也越大。★培养过程中是不是维持DO越高越好？现代工业发酵调控学郭晓燕氧的有害作用是通过形成新生O，超氧化物基O2－和过氧化物基O22－，或羟基自由基OH－,破坏许多细胞组分体现的。有些带巯基的酶对高浓度的氧敏感。好气微生物曾发展一些机制，如形成触酶，过氧化物酶和超氧化物歧化酶(SOD)，使其免遭氧的摧毁。现代工业发酵调控学郭晓燕搅拌可以提高通气效果，但是过度地剧烈搅拌会导致培养液大量涌泡，容易增加杂菌污染的机会，液膜表层的酶容易氧化变性，微生物细胞也不宜剧烈搅拌。现代工业发酵调控学郭晓燕（3）二氧化碳对微生物生长的影响联系39页现代工业发酵调控学郭晓燕溶解在发酵液中的