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环境微生物之生长和繁殖

已有 2090 次阅读 2019-10-10 09:54 |个人分类:自然之旅|系统分类:科普集锦

1. 环境微生物的生长和繁殖

(1)环境微生物的生长:环境微生物在适宜的条件下,不断从周围环境中吸收营养物质,通过酶的作用转化为细胞物质的组分和结构。同化作用的速度超过了异化作用,使个体细胞质量和体积增加的过程,称为生长。

(2)环境微生物的繁殖:单细胞微生物,如细菌个体细胞增大是有限的,体积增大到一定程度就会分裂,分裂成两个大小相似的子细胞,子细胞又重复上述过程,使细胞数目增加,称为繁殖。

单细胞微生物的生长实际是以群体细胞数目的增加为标志的。霉菌和放线菌等丝状微生物的生长主要表现为菌丝的伸长和分枝,其细胞数目的增加并不伴随着个体数目的增多而增加。因此,其生长通常以菌丝的长度、体积及重量的增加来衡量,只有通过形成无性孢子或有性孢子使其个体数目增加才叫繁殖。


生长与繁殖的关系:

个体生长→个体繁殖→群体生长

群体生长=个体生长+个体繁殖

除特定的目的外,在微生物的研究和应用中仅有群体的生长才有实际意义,因此,在微生物学中提到的“生长”均指群体生长。


2. 环境微生物生长的测定

(1)细胞数量的测定:

a. 稀释平板菌落计数法:

稀释平板菌落计数法是一种最常用的活菌计数法。在大多数的研究和生产活动中,人们往往更需要了解活菌数的消长情况。从理论上讲, 在高度稀释条件下每一个活的单细胞均能繁殖成一个菌落,因而可用培养的方法使每个活细胞生长成一个单独的菌落,并通过长出的菌落数去推算菌悬液中的活菌数,因此菌落数就是待测样品所含的活菌数。此法所得到的数值往往比直接法测定的数字小。


稀释平板计数法类型:

(a)涂布法:涂布平板法是将一定体积样品菌液稀释后取一定量涂布于平板表面,在最适条件下培养后,从平板上出现的菌落数乘菌液的稀释度,即可算出原菌液的含菌数。

(b)倾注法:倾注法是将经过灭菌冷却至45-50 ℃的琼脂培养基与稀释后一定量的样品在平皿中混匀,凝固后进行培养,然后进行计数。



稀释平板计数法特点:

这种方法在操作时,有较高的技术要求。其中最重要的是应使样品充分混匀,并让每支移液管只能接触一个稀释度的菌液。

程序麻烦、费工费时,操作者需有熟练的技术。而且在混合微生物样品中只能测定占优势并能在供试培养基上生长的类群。


b. 血球计数板法:

血球计数板是一块特制的载玻片,计数是在计数室内进行的,即将一定稀释度的细胞悬液加到固定体积的计数器小室内,在显微镜下观测小室内细胞的个数,计算出样品中细胞的浓度,稀释浓度以记数室中的小格含有4-5个细胞为宜。由于计数室的体积是一定(0.1 mL)的,这样可根据计数出来的数字,就可算出单位体积菌液内的菌体总数。但一般情况下,要取一定数量的计数室进行计数,在算出计数室的平均菌数后再次计算。


血球计数板法特点:

测定简便、直接、快速,但测定的对象有一定的局限性,只适合于个体较大的微生物种类,如酵母菌、霉菌的孢子等。此外测定结果是微生物个体的总数,其中包括死亡的个体和存活的个体,要想测定活菌的个数,还须借助其他方法配合。

c. 液体稀释培养法:

对未知菌样作连续10倍系列稀释。根据估计数,从最适宜的3个连续10倍稀释液中各取一定量的试样,接种到装有培养液的试管中。经培养后,记录每个稀释度出现生长的试管数,然后查MPN (Mostprobable number)表,再根据样品的稀释倍数就可算出其中的活菌量。该法常用于食品中微生物的检测,如饮用水和牛奶的微生物限量检查。


d. 比浊法:

在细菌培养生长过程中,由于细胞数量增加,会引起培养物混浊度增高,使光线透过量降低。在一定浓度范围内,悬液中细胞的数量与透光量成反比,与光密度成正比。比浊管是用不同浓度的BaCl2与稀H2SO4配制成的10支试管,其中形成的BaSO4有10个梯度,分别代表10个相对的细菌浓度(预先用相应的细菌测定)。某一未知浓度的菌液只需在透射光下用肉眼与某一比浊管进行比较,若两者透光度相当,即可目测出该菌液的大致浓度。 若要作精确测定可用分光光度计在可见光的450-650 nm波段内测定。


(2)细胞生物量的测定:

a. 称干重法:

即测定单位体积的培养物中细菌的干质量。该法要求培养物中无菌体外的固体颗粒,对单细胞及多细胞均适用。可用离心法或过滤法测定,一般菌体干重为湿重的10-20%。

在离心法中,将待测培养液放入离心管中,用清水离心洗涤1-5次后干燥。干燥温度可采用105 ℃、100 ℃或红外线烘干,也可在较低的温度(80 ℃或40 ℃)下进行真空干燥后称重。

在过滤法中,丝状真菌可用滤纸过滤,而细菌则可用醋酸纤维膜等滤膜进行过滤。过滤后,细胞可用少量水洗涤,然后在40 ℃下真空干燥后称干重。这种方法较适合于丝状微生物的生长量的测定。


b. 总氮量测定:

大多数细菌的含氮量为其干重的12.5%,酵母菌为7.5%,霉菌为6.0%。根据其含氮量再乘以6.25,即可测得粗蛋白的含量(其中包括杂环氮和氧化型氮),然后再换算成生物量。其中蛋白质总量=含氮量×6.25。细胞总量≈蛋白质总量×1.54。

c. DNA含量测定:

DNA在各种细胞内的含量最为稳定,不会因加入营养物而发生变化。尽管DNA测定方法较繁琐、费用也高,但在某些特殊情况下,DNA测定可发挥其特殊的的优势,如固定化载体内的微生物含量一般无法用直接法测定,但可将载体粉碎后测定DNA来估算微生物的细胞数。

核酸DNA是微生物的重要遗传物质每个细菌的DNA含量相当恒定平均为8.4×10-5ng

d. 代谢活动法:

从细胞代谢产物来估算,在有氧发酵中,CO2是细胞代谢的产物,它与微生物生长密切相关。在全自动发酵罐中大多采用红外线气体分析仪来测定发酵产生的CO2量,进而估算出微生物的生长量。


3. 环境微生物的生长规律

(1)微生物的生长曲线:

将少量单细胞微生物纯菌种接种到新鲜的液体培养基中,在最适条件下培养,在培养过程中定时测定细胞数量,以细胞数的对数为纵坐标,时间为横坐标,可画出一条有规律的曲线,这就是微生物的生长曲线。生长曲线严格说应称为繁殖曲线,因为单细胞微生物,如细菌等均以细菌数增加作为生长指标。这条曲线代表了细菌在新的适宜环境中生长繁殖至衰老死亡的动态变化。根据细菌生长繁殖速度的不同可将其分为四个时期:适应期、对数生长期、稳定期、衰亡期。


a. 延滞期:又叫适应期,是微生物接种到新的培养基中,一般不立即进行繁殖,生长速率常数为零,需经一段时间自身调整,诱导合成必要的酶、辅酶或合成某些中间代谢产物。此时,细胞重量增加,体积增大,但不分裂繁殖,细胞长轴伸长(如巨大芽孢杆菌的长度由3.4 μm增长到9.1-19.8 μm),细胞质均匀,DNA含量高。细胞内RNA尤其是rRNA含量增高,原生质体嗜碱性。对外界不良条件的反应敏感。

在发酵工业,为提高生产效率,除了选择合适的菌种外,常要采取措施缩短延滞期。其主要方法有:①以对数期的种子接种,因对数期的菌种生长代谢旺盛,繁殖力强,则子代培养期的适应期就短。②适当增加接种量。生产上接种量的多少是影响延滞期的的一个重要因素。接种量大,延滞期短,反之则长。一般采用3%-8%接种量,根据不同的微生物及生产具体情况而定,一般不超过1/10接种量。③培养基成分。现在发酵生产中,常用发酵培养的成分与种子培养基的成分相近。因为微生物生长在营养丰富的天然培养基中要比生长在营养单调的合成培养基中延滞期短。

b. 对数生长期:又称指数生长期,是在生长曲线中,紧接着延滞期后的一段时期。此时的菌体通过对新的环境适应后,细胞代谢活性最强,生长旺盛,分裂速度几乎按几何级数增加,群体形态与生理特征最一致,抵抗不良环境的能力最强。其生长曲线表现为一条近乎上升的直线。

在对数生长期,每一种微生物的世代时间(细胞每分裂一次所需要的时间)是一定的,这是微生物菌种的一个重要特征。以分裂增殖时间t除以分裂增殖代数(n),即可求出每增一代所需的时间(G)。

在一定时间内,菌体细胞分裂次数愈多,世代时间越短,分裂速度越快。不同微生物菌体其对数生长期中的世代时间不同,同一种微生物在不同培养基组分和不同环境条件下,如培养温度、培养基pH值、营养物性质等,世代时间也不同。但每种微生物在一定条件下,其世代时间是相对稳定的。多数种类世代时间为20-30 min。


c. 稳定期:又称最高生长期。在一定溶剂的培养基中,由于微生物经对数生长期的旺盛生长后,某些营养物质被消耗,有害代谢产物积累以及pH值、氧化还原电位、无机离子浓度等变化,限制菌体继续高速度增殖,初期细菌分裂间隔的时间开始延长,曲线上升逐渐缓慢。随后,部分细胞停止分裂,少数细胞开始死亡,使新增殖的细胞数与老细胞死亡数几乎相等,处于动态平衡,细菌数达到最高水平,接着死亡数超过新增殖数,曲线出现下降趋势。这时,细胞内开始积累贮藏物质如肝糖原、异染颗粒、脂肪滴等,大多数芽孢细菌在此时形成芽孢。同时,发酵液中细菌的产物的积累逐渐增多,是发酵目的产物生成的重要阶段(如抗生素等)。

d. 衰亡期。稳定期后,环境变得不适合于细菌的生长,细胞生活力衰退,死亡率增加,以致细胞死亡数大大超过新生数,细菌总数急剧下降,这时期称为衰亡期。这个时期细胞常出现多形态等畸形以及液泡,有许多菌在衰亡期后期常产生自溶现象,使工业生产中后处理过滤困难。产生衰亡期的原因主要是外界环境对继续生长的细菌越来越不利,从而引起细菌细胞内的分解代谢大大超过合成代谢,导致菌体死亡。

(2)细菌的个体生长与同步生长:

在分批培养中,细菌群体以一定速率生长,但所有细胞并非同时进行分裂,即使培养中的细胞处于同一生长阶段,它们的生理状态和代谢活动也不完全一样。要研究每个细胞所发生的变化是很困难的。为了解决这一问题,就必须设法使微生物群体处于同一发育阶段,使群体和个体行为变得一致,所有的细胞都能同时分裂,因而发展了单细胞的同步培养技术。即设法使群体中的所有细胞尽可能都处于同样细胞生长和分裂周期中,然后分析此群体的各种生物化学特征,从而了解单个细胞所发生的变化。

获得细菌同步培养的方法主要有两类,其一是通过调整环境条件来诱导同步性,如通过变换温度、光线或对处于稳定期的培养物添加新鲜培养基等来诱导同步;其二是选择法(又称机械法),它是利用物理方法从不同步的细菌群体中选择出同步的群体,一般可用过滤分离法或梯度离心法来达到。在这两种方法中,由于诱导法可能导致与正常细胞循环周期不同的周期变化,所以不及选择法好,这在生理学研究中尤其明显。

在选择法中,有代表性的是硝酸纤维素薄膜法。其大致过程为:将菌液通过装有硝酸纤维素滤膜的过滤器,由于细菌与滤膜带有不同的电荷,所以处于不同生长阶段的细菌均附着在膜上;将膜翻转,再用新鲜的培养液滤过培养;附着在膜上的细菌开始分裂,分裂的子细胞不能与薄膜直接接触,由于菌体自身重量,加上其附带的培养液重量,使菌体下落到收集器内;收集器在短时间内获得的细菌都处于同一分裂阶段的新细胞,用这些细胞接种培养,于是就获得了同步生长。

(3)微生物连续培养:

连续培养又叫开放培养,是相对分批培养或密闭培养而言的。在分批培养中,培养基是一次性加入,不再补充,随着微生物的生长繁殖活跃,营养物质逐渐消耗,有害代谢产物不断积累,细菌的对数生长期不可能长时维持。连续培养是在研究生长曲线的基础上,认识到稳定期到来的原因,采取在培养器中不断补充新鲜营养物质,并搅拌均匀,同时不断地以同样速度排出培养物(包括菌体和代谢产物)。这样,培养物就达动态平衡,其中的微生物可长期保持在对数期的平衡生长状态和稳定的生长速率上。此法是目前发酵工业的发展方向。

微生物连续培养类型:

a. 恒浊连续培养:用浊度计来检测培养液中菌液浓度,使培养液中细菌的浓度恒定的培养方法称为恒浊培养。所涉及的培养和控制装置称为恒浊器。当恒浊器中浊度超过预期数值时,可促使培养液流速加快,使浊度下降;浊度计低于预期数值时,流速减慢,使浊度增加。这种方法可自动地进行控制,使培养物维持一定的浊度。浊度下降,表明体系中有丰富营养物质,浊度的改变是培养物中的菌体数量的标志。

在恒浊器中通过控制培养液的流速,从而获得密度高、生长速度恒定的微生物细胞的连续培养液。微生物在恒浊器中,始终能以最高生长速率进行生长,并可在允许范围内控制不同的菌体密度。在生产实践上,为了获得大量菌体或与菌体生长相平行的某些代谢产物如乳酸、乙醇时,可采用恒浊法。

b. 恒化连续培养:控制恒定的流速,使培养器内营养物质的浓度基本恒定,使细菌生长所消耗的物质及时得到补充,从而维持细菌恒定的生长速率的一种连续培养方法称为恒化培养。常用于实验室研究。

当营养物浓度偏高时,并不影响微生物的生长速度,而当营养物浓度较低时,则影响菌体生长速度,且在一定范围内生长速率与营养物浓度成正比关系。营养物质浓度的确定往往是将培养基中的一种微生物生长所必需的营养物控制在较低的浓度下,作为限制生长的因子(如氮源、碳源、无机盐或其他生长因子等),其他营养物是过量的。通过控制生长因子的浓度,来保持菌体恒定的生长速率。

连续培养如用于发酵工业中,就称为连续发酵。连续发酵与分批发酵相比有许多优点:①高效。它简化了装料、灭菌、出料、清洗发酵罐等许多单元操作,从而减少了非生产时间和提高了设备的利用率;②自控。便于利用各种仪表进行自动控制;③产品的质量较稳定;④节约了大量动力、人力、水和蒸气,且使水、汽、电的负荷均匀合理。

连续培养或连续发酵也有一定的缺点。最主要的缺点是菌种易于退化,处于长期高速繁殖下的微生物,即使其自发突变率极低,也无法避免变异的发生,尤其易发生比原生产菌株生长速率更高、营养要求低和代谢产物少的负变类型。其次,易受杂菌污染,在长期运转中,要保持各种设备无渗漏,尤其是通气系统不出任何故障,是极其困难的。因此,连续培养是有时间限制的,一般可达数月至一到两年。此外,在连续培养中,营养物质的利用率一般也低于分批培养。


4. 影响环境微生物生长的因素

影响环境微生物生长的外界因素很多,除营养物质外,还有许多物理、化学因素。当环境条件改变在一定限度内,可引起环境微生物形态、生理、生长、繁殖等特征的改变;当环境条件的变化超过一定极限时,则导致环境微生物死亡。

影响环境微生物生长的环境因素主要是温度、水、pH、氧气等。

(1)温度的影响

温度是影响环境微生物生长繁殖最重要的因素之一。在一定温度范围内,机体的代谢活动与生长繁殖随着温度的上升而增加,当温度上升到一定程度,开始对机体产生不利的影响,若再继续升高,则细胞功能急剧下降以至死亡。与其他生物一样,任何环境微生物的生长温度尽管有高有低,但总有最低生长温度、最适生长温度和最高生长温度,这就是生长温度的三个基本点。

最低生长温度是指环境微生物能进行繁殖的最低温度界限。处于这种温度条件下的环境微生物生长速率很低,若低于此温度则生长完全停止。

最适生长温度是指环境微生物分裂的世代时间最短或生长速率最高时的培养温度。但是,同一环境微生物,不同的生理生化过程有着不同的最适温度,即最适生长温度并不等于生长量最高时的培养温度,也不等于发酵速度最高时的培养温度或累积代谢产物量最高时的培养温度。因此,生产上要根据微生物不同生理代谢过程温度的特点,采用分段式变温培养或发酵。如嗜热链球菌的最适生长温度为37 ℃,最适发酵温度为47 ℃,累积产物的最适温度为37 ℃。

最高生长温度是指微生物生长繁殖的最高温度界限。在此温度下,微生物细胞易于衰老和死亡。微生物所能适应的最高生长温度与其细胞内酶的性质有关。如细胞色素氧化酶以及各种脱氢酶的最低破坏温度常与该菌的最高生长温度有关。

环境微生物的温型:

环境微生物按其生长温度范围可分为低温型微生物、中温型微生物和高温型微生物三类。

a. 低温型微生物,又称嗜冷微生物。可在较低的温度下生长。常分布在地球两极地区的水域和土壤中。常见的产碱杆菌属、假单胞菌属、黄杆菌属、微球菌属等常使冷藏食品腐败变质。有些肉类上的霉菌在负10 ℃仍能生长,如芽枝霉;荧光极毛菌可在负4 ℃生长,并造成冷冻食品腐败变质。

低温也能抑制微生物的生长。在0 ℃以下,菌体内的水分冻结,生化反应无法进行而停止生长。有些环境微生物在冰点下就会死亡,主要原因是细胞内水分变成了冰晶,造成细胞脱水或细胞膜的物理损伤。因此,生产上常用低温保藏食品,各种食品的保藏温度不同,分为寒冷温度、冷藏温度和冻藏温度。

寒冷温度:指在室温(14-15 ℃)和冷藏温度之间的温度。嗜冷微生物在这一温度范围内生长较缓慢,保藏食品的有效期较短,一般仅适宜于保藏果蔬食品。

冷藏温度:指在0-5 ℃之间的温度。在这一温度范围内,微生物的代谢活动已显著减弱,可用于储存果蔬、鱼肉、禽蛋、乳类等食品。

冻藏温度:指低于0 ℃以下的温度。在-18 ℃以下的温度几乎阻止所有环境微生物的生长。在冻藏温度下可较长期地保藏食品。

b. 中温型微生物。绝大多数环境微生物属于这一类。最适生长温度在20-40 ℃之间,最低生长温度10-20 ℃,最高生长温度40-45 ℃。它们又可分为嗜室温和嗜体温性微生物。嗜体温性微生物多为人及温血动物的病原菌,它们生长的极限温度范围在10-45 ℃,最适生长温度与其宿主体温相近,在35-40 ℃之间,人体寄生菌为37 ℃左右。引起人和动物疾病的病原微生物、发酵工业应用的微生物菌种及导致食品原料和成品腐败变质的环境微生物均属于这一类群的微生物,如大肠杆菌和酵母菌。因此,它与食品工业的关系最为密切。

c. 高温型微生物。它们适于在45-50 ℃以上的温度中生长,在自然界中的分布仅局限于某些地区,如温泉、日照充足的土壤表层、堆肥、发酵饲料等腐烂有机物中,如堆肥中温度可达60-70 ℃。能在55-70 ℃中生长的微生物有芽孢杆菌属、梭状芽孢杆菌、嗜热脂肪芽孢杆菌、高温放线菌属、甲烷杆菌属等;温泉中的细菌;其次是链球菌属和乳杆菌属。有的可在近于100 ℃的高温中生长。这类高温型的微生物,给罐头工业、发酵工业等带来了一定难度。


高温型微生物耐热机理可能是菌体内的蛋白质和酶比中温型的微生物更能抗热,尤其蛋白质对热更稳定;同时高温型微生物的蛋白质合成机构—核糖体和其他成分对高温抗性也较大;细胞膜中饱和脂肪酸含量高,它比不饱和脂肪酸可以形成更强的疏水键,因此可保持在高温下的稳定性并具正常功能。


(2)水分和渗透压的影响

水是环境微生物营养物质的溶剂,水分对维持环境微生物的正常生命活动是必不可少的。水在环境微生物细胞中有两种存在形式:结合水和游离水。结合水与溶质或其他分子结合在一起,很难加以利用。游离水则可被环境微生物利用。

水分活度是用来表示环境微生物在天然环境和人为环境中实际利用游离水的含量,即在相同条件下,密闭容器内该溶液的蒸汽压(p)与纯水蒸汽压(p0)之比,即Aw= p/p0。纯水的Aw=1,各种环境微生物在Aw=0.63-0.99的培养条件下生长。

环境微生物必须在较高的Aw环境中生长繁殖,Aw太低时,微生物生长迟缓、代谢停止,甚至死亡。但不同的环境微生物生长的最适Aw不同,即最低的水分活性区域不同。

干燥环境(Aw0.60-0.70)条件下,多数环境微生物代谢停止,处于休眠状态,严重时引起脱水,蛋白质变性,甚至死亡,这是干燥条件能保存食品和物品,防止腐败和霉变的原理,同时,这也是环境微生物菌体保藏技术的依据之一。不同环境微生物在不同生长期对干燥的抵抗能力不同。酵母菌失水后可保存数月;产荚膜的菌比不产荚膜的菌对干燥的抵抗力强;小型、厚壁细胞的微生物比长型、薄壁细胞的微生物抗干燥能力强;芽孢、孢子抗干燥的能力比营养细胞强。

影响环境微生物对干燥抵抗力的因素较多,干燥时温度升高,微生物容易死亡,环境微生物在低温下干燥时,抵抗力强,故干燥后存活的环境微生物若处于低温下可用于保藏菌种;干燥的速度快,环境微生物抵抗力强,缓慢干燥时环境微生物易死亡;环境微生物在真空干燥时,在加保护剂(血清、血浆、肉汤、蛋白胨、脱脂牛乳)的菌悬液中,分装在安瓿内,低温下可保持长达数年甚至10 a的生命力。

细胞内溶质浓度与胞外溶质浓度(如0.85% NaCl溶液)相等时的状态,称为等渗状态。

溶液的溶质浓度高于胞内溶质浓度,则称为高渗溶液,能在此环境中生长的环境微生物,称为耐高渗微生物。当溶质浓度很高时,细胞就会脱水,发生质壁分离,甚至死亡。盐渍(5%-30%食盐)和蜜饯(30%-80%糖)可抑制或杀死环境微生物,这是一些常用食品保存法的依据。

若溶液的溶质浓度低于胞内溶质浓度,则称为低渗溶液,环境微生物在低渗溶液中,水分向胞内转移,细胞膨胀,甚至胀破。这是低渗破碎细胞法(通常将洗净并离心得到的菌体投入80倍预冷的(5×10)-4 M/LMgCl2溶液中,剧烈搅拌,使细胞内溶物释放到溶液中)的原理。该方法对细胞壁较牢固的革兰氏阳性菌不适用。

(3) pH的影响

环境微生物生长的pH值范围极广,一般在pH 2-8间,少数种类还可超出该范围。不同的环境微生物均有其最适生长pH值和一定的pH范围,即最高、最适与最低三个数值,在最适pH范围内环境微生物生长繁殖速度快,在最低或最高pH值的环境中,环境微生物虽能生存和生长,但生长速率很缓慢且易死亡。一般霉菌能适应pH值范围最大,酵母菌适应的范围较小,细菌最小。

霉菌和酵母菌生长最适pH值都在5.0-6.0,而细菌的生长最适pH值在7.0左右。一些最适生长pH值偏于碱性范围内微生物,有的是嗜碱性,称嗜碱性微生物,如硝化菌、尿素分解菌、根瘤菌和放线菌等。有的不一定要在碱性条件下生活,但能耐较碱的条件,称耐碱微生物,如若干链霉菌等。生长pH值偏于酸性范围内的微生物也有两类,一类是嗜酸微生物,如硫杆菌属等,另一类是耐酸微生物,如乳酸杆菌、醋酸杆菌、许多肠杆菌和假单胞菌等。


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,如Aspergillus niger在pH 2-2.5时有利于合成柠檬酸,当在pH 2.5-6.5时以菌体生长为主,而在pH 7.0时,则以合成草酸为主。丙酮丁醇梭菌在pH 5.5-7.0时以菌体生长为主,而在pH 4.3-5.3时才进行丙酮丁醇发酵。

环境微生物在其代谢过程中,细胞内的pH值相当稳定,一般均接近中性,以保护核酸稳定和酶活性;但环境微生物会改变环境的酸碱度,使培养基原始pH值变化。发生的原因: 糖类和脂肪代谢产酸、蛋白质代谢产碱、其他物质代谢产生酸碱。一般随着培养时间的延长,培养基会变得较酸,当碳氮比例高的培养基,如培养真菌的培养基,经培养后其pH值常会明显下降,而碳氮比例低的培养基,如培养一般细菌的培养基,经培养后,其pH值常会明显上升。


(4)氧的影响

氧气对环境微生物的生命活动有着重要影响。按照微生物与氧气的关系,可把它们分成好氧菌和厌氧菌两大类。好氧菌中又分为专性好氧、兼性厌氧和微好氧菌;厌氧菌分为专性厌氧菌、耐氧菌。

a. 专性好氧菌。要求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,细胞有超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶,绝大多数真菌和许多细菌均是专性好氧菌,如米曲霉、醋酸杆菌、荧光假单胞菌、枯草芽孢杆菌和蕈状芽孢杆菌等。

b. 微好氧菌。只能在较低的氧分压(0.01-0.03×101k Pa,正常大气压为0.2×101kPa)下才能正常生长的微生物。也通过呼吸链以氧为最终氢受体而产能。如霍乱弧菌、一些氢单胞菌、拟杆菌属和发酵单胞菌属。

c. 兼性厌氧菌。在有氧或无氧条件下均能生长,但有氧的情况下生长得更好;有氧时进行好氧呼吸产能,无氧时进行发酵或无氧呼吸产能;细胞含SOD和过氧化氢酶。许多酵母菌和许多细菌都是兼性厌氧菌。如酿酒酵母、大肠杆菌和普通变形杆菌等。

d. 耐氧菌。一类可在分子氧存在时进行厌氧呼吸的厌氧菌,即它们的生长不需要氧,但分子氧存在对它也无毒害。它们不具有呼吸链,仅依靠专性发酵获得能量。细胞内存在SOD和过氧化物酶,但没有过氧化氢酶。一般乳酸菌多数是耐氧菌,如乳链球菌、乳酸乳杆菌、肠膜明串珠菌和粪链球菌等,乳酸菌以外的耐氧菌如雷氏丁酸杆菌。

e. 专性厌氧菌。分子氧存在对它们有毒,即使是短期接触空气也会抑制其生长甚至死亡;在空气或含10% CO2的空气中,它们在固体或半固体培养基的表面上不能生长,只能在深层无氧或低氧化还原势的环境下才能生长;其生命活动所需能量是通过发酵、无氧呼吸、循环光合磷酸化或甲烷发酵等提供;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。常见的厌氧菌有罐头工业的腐败菌如肉毒梭状芽孢杆菌、嗜热梭状芽孢杆菌、拟杆菌属、双歧杆菌属及各种光和细菌和产甲烷菌等。


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