物理因素对微生物生长的影响

引言

微生物与环境关系密切，环境因素影响微生物的生长繁殖，微生物的生长也影响环境。环境条件的改变，在一定限度内可引起微生物形态、生理、生长、繁殖等性状的改变，轻则抑制生长，重则引起死亡。创造适宜的环境，可促进有益微生物生长;应用不利条件可控制无益微生物生长;利用理化方法消毒、灭菌和防腐，可消灭有害微生物。

(一)温度

温度是影响微生物生长的重要因素。一方面，一定范围内温度上升酶活性提高，细胞生化反应速度和生长速率加快，一般温度每升高 10℃生化反应速率增加一倍;同时营养物质和代谢产物溶解度提高;细胞膜流动性增大，有利于营养物质吸收和代谢产物排出。另一方面，机体核酸、蛋白质等重要组成对温度敏感，温度过高可受不可逆的破坏。各种微生物都有其生长繁殖的最低温度、最适温度、最高温度和致死温度。微生物能进行繁殖的最低温度称最低生长温度。低于此温度微生物虽有活力但酶的活性低，代谢缓慢;细胞质膜流动差，影响物质运输和能量转化;影响细胞物质合成，不能生长，呈休眠状态。使微生物生长速率最高的温度叫最适生长温度。微生物生长繁殖的最高温度叫最高生长温度。超过这个温度会引起细胞成分不可逆地失活而导致死亡。微生物的生长温度范围通常小于40℃。微生物的最高生长温度反映一个或多个必需的细胞成分(如关键酶)发生变性的温度。最适生长温度反映大部分细胞成分功能在最大速率，但不是其一切生理的最适温度，也不是积累代谢产物最高时的培养温度。它通常更接近最大值(图7-20)。不同微生物最适生长温度差异很大，这与其长期进化中的环境温度有关。据其最适生长温度分为嗜冷微生物、中温微生物、啫热微生物和超嗜热微生物(表7-1)

1.嗜冷微生物:在 0℃以下生长的微生物可分专性嗜冷和兼性嗜冷两种。专性嗜冷微生物最适生长温度 15℃左右，最高生长温度 20℃。已分离到一种冷单胞菌 Psychromonas 生长在-12℃,这是已知细菌的最低生长温度。兼性嗜冷微生物生长温度范围较广,最适生长温度 20℃左右，最高生长温度 30℃左右。嗜冷微生物包括假单胞菌属、乳酸杆菌属和青霉菌属等，多分布在海洋、深湖、冷泉和冷藏库中，海洋平均温度 5℃的海水占 90%，低温微生物极多。

据研究，嗜冷微生物能在低温下生长主要是由于嗜冷微生物的酶在低温下能更有效地起催化作用，温度达 30~40℃时会使酶失活，这显然与蛋白质结构有关。几种已知结构的冷酶的二级结构含有较多的α螺旋,β折叠结构的含量较少。α 螺旋能使酶蛋白在寒冷环境中有较强的弹性。α螺旋含量高可以使蛋白质在低温催化反应时有更大的灵活性。与嗜中温微生物酶相比，嗜冷酶的极性氨基酸含量更大，疏水氨基酸含量更少，弱键(如氢键和离子键)的数量也更少，这些分子特征很可能使嗜冷酶在低温条件下保持弹性和功能。嗜冷微生物的细胞膜含较高比例的不饱和脂肪酸和短链脂肪酸，能在低温下保持膜的半流动性，从而保证细胞膜的通透性，进行物质运输和能量转化，有利于微生物的生长。其他适应低温的分子机制包括冷休克蛋白和低温保护剂，冷休克蛋白有多种功能，包括在低温条件下保持其他蛋白质的活性形式。低温保护剂包括专用的抗冻蛋白或特定溶剂，如甘油或某些在低温下大量产生的糖，这些物质可防止冰晶的形成，冰晶会刺穿细胞质膜。高度冷的微生物产生的大量胞外多糖也有低温保护特性。

低温能阻止微生物生长但并不一定会致死。在低于细胞生长的温度下酶可继续发挥作用。培养基也影响悬浮细胞对冷冻温度的敏感性。低温已被用于微生物菌种保藏。细胞悬浮在含有10%二甲亚砜或甘油的培养基中并冷冻在-80°C或-196℃℃下，能存活数年。

2.嗜中温微生物：绝大多数微生物属于这一类，如发酵工业中常用的黑曲霉、枯草杆菌等。其最适生长温度为 20~40℃，最低生长温度为 10~20℃，最高生长温度为 40~45℃。它们又可分为室温性微生物和体温性微生物。前者包括土壤微生物和植物性病原微生物。后者包括温血动物及人体中的微生物。嗜中温微生物的生长速率高于嗜冷微生物，其最低生长温度不能低于 10℃，低于 10℃蛋白质合成过程则不能启动，许多酶功能受到抑制，生长停滞。

3.嗜热微生物：它们适宜在 50~60℃的温度中生长(低于 30℃便不能繁殖)。这类微生物主要分布在温泉、热电厂、热水器、堆肥堆、发酵饲料、日照充足的土壤表面等腐烂有机物中。例如，部分芽孢杆菌、高温放线菌属等都能在 55~70℃中生长。

4.超嗜热微生物：这是一类最适生长温度在 80~110℃的微生物。它们中除栖热菌目(Thermales)、热袍菌目(Thermotogales)、网球菌目(Dictyoglomales)等少数为细菌外，大多数是古菌。已知的嗜热古菌可分三类:第一类为硫依赖型嗜热古菌;第二类为硫还原型嗜热古菌;第三类为甲烷起源型嗜热古菌。大部分嗜热古菌都为硫依赖型嗜热古菌，硫依赖型嗜热古菌又分厌氧型和需氧型两类。自然界中已知微生物最高生长温度为 120℃，但纯培养物最高生长温度为113℃(Pyrolobus.fumarii)。

高温型微生物能在较高的温度下生长，可能是由于菌体内的酶和蛋白质比中温型微生物更能抗热，尤其是蛋白质对热更稳定;它们产生热胺和高温精胺可稳定细胞中与蛋白质合成有关的结构和保护大分子免受高温的损害:超嗜热菌蛋白质中碱性氨基酸和酸性氨基酸间的离子键数量的增加及紧密折叠的疏水核心也能增强其热稳定性;高温型微生物的核酸也有保证热稳定性的结构，其鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)的含量变化很大。RNA 在特定的碱基对区含较多的 G≡C,较多的氢键保证了核酸的热稳定性;高温型微生物的细胞膜中含有较多的饱和脂肪酸和直链脂肪酸，能在高温下调节膜的流动性维持膜的功能，饱和脂肪酸比不饱和脂肪酸形成更强的疏水环境，长链脂肪酸的熔点高于短链脂肪酸;超嗜热菌大多为古菌，其膜中不含脂肪酸，由多个重复异戊二烯单元组成 C碳氢化合物，通过醚键与磷酸甘油连接:其细胞膜是单层结构，共价连接膜的两侧，防止超嗜热菌细胞膜在高温下熔化;细胞内含有钙、镁等金属离子和多胺等保护因子。高温下嗜热微生物代谢迅速，及时合成生物大分子弥补高温对其造成的破坏。

同一微生物在生长发育的不同阶段对温度的要求不同。例如，产黄青霉最适生长温度为30℃,产青霉素的最适温度为 23℃;黑曲霉最适生长温度为 28℃,产糖化酶的最适温度为 32~34℃;低温型食用菌菌丝最适生长温度为25℃左右，子实体分化的最适温度为 18℃左右。

生产实践和日常生活中温度对微生物的影响有非常广泛的应用。低温条件下微生物代谢微弱但仍具生命活性，因此常用 4℃冰箱保藏菌种，同时低温也是保存食品的有效条件。实验室常采用的高温灭菌是利用高温对蛋白质等生物大分子可造成不可逆变性的原理。将通过高温筛选出的高温型微生物应用于工业生产，可在一些发酵工业、废物处理等方面节省控制温度的费用，同时防止杂菌污染。超嗜热菌的酶可以在高温下催化生化反应，比中温菌的酶更稳定，延长纯化酶制剂的保质期。从水生栖热菌(Thermus aquaticus)中分离出的 DNA 聚合酶(Taq 酶)被用于扩增特异性 DNA序列的聚合酶链式反应(PCR)。

(二)辐射

辐射是通过空间以波动方式传播的能量、微观粒子或电磁波。它包括可见光、红外线、紫外线、X射线和γ射线等。光量子所含能量随波长改变，一般波长愈短所含能量愈高，杀菌力愈强(图 7-21)。不同光合微生物含不同光合色素，吸收利用光的波段不同。红外辐射(波长800~1000nm)可作光合细菌的能源:可见光(波长380~760nm)是蓝细菌等光合作用的主要能源。闪光须霉(Phycomycesnitens)等菌丝生长有趋光性，向光部位比背光部位生长得快速、旺盛;一些真菌在形成子实体、担子果、孢子囊和分生孢子时需要一定散射光的刺激。紫外辐射(波长 136~400nm)有杀菌作用，这是由于核酸的吸收光谱在 260nm 处，紫外辐射可使其易形成嘧啶二聚体，使 DNA 链断裂或交联，导致微生物变异或死亡;波长更短的 X 射线、γ射线、β射线和α射线常引起水及其他物质电离，产生的游离自由基会与细胞中敏感的生物大分子作用，使其失活，因而具有杀菌作用。

(三)氧和氧化还原电位

1.氧：根据与氧的关系可将微生物分成5类(图7-22)。专性好氧微生物仅生长在培养基顶部:兼性厌氧微生物在整个培养基中生长，但顶部生长最好;微好氧微生物生长在顶部附近但不是最顶部:专性厌氧微生物仅生长在氧扩散不到的培养基底部。

(1)专性好氧微生物：必须在较高的氧分压(20.2kPa)条件下才能生长，缺氧不能生长,因为氧是其呼吸作用的最终电子受体;固醇类不饱和脂肪酸的生物合成需氧参与。氧虽会使其产生超氧阴离子、H₂O₂和自由基(含有不成对电子的分子或原子)形式的过氧化物等有毒物质。这些物质性质不稳定，化学反应能力极强，在细胞内可破坏各种重要的生物大分子和膜结构，产生其他活性氧化物，使细胞损伤、突变或死亡。但是，细胞含超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶。剧毒的超氧阴离子可被超氧化物歧化酶歧化为毒性较低的 H₂O₂,，在过氧化氢酶的作用下 H₂O₂被还原成 H₂O。培养专性好氧微生物必须保证通气良好。振荡、通气、搅拌都是实验室和工业生产中常用的供氧方法。很多细菌及放线菌、真菌藻类都属好氧微生物。

(2)专性厌氧微生物:梭状芽孢杆菌属、甲烷杆菌属、瘤胃球菌属(Ruminococcus)和链球菌属中一些种都属于此类微生物。它们只能在无氧环境中通过发酵获得能量生长，氧对其会产生毒害而致死。因为它们不能产生或只少量产生超氧化物歧化酶和过氧化物酶、过氧化氢酶，缺少细胞色素氧化酶。微量氧气也会对它们产生毒害作用，必须采取措施造成厌氧环境。

(3)兼性厌氧微生物这类微生物包括的范围较广，如肠道细菌、人及很多动物的病原菌、酵母菌和其他一些真菌等。兼性厌氧微生物是一类既能在有氧条件下生长又能在无氧条件下生长的微生物，它们有两套呼吸酶系统，既能在有氧情况下通过氧化磷酸化作用获得能量，又能在无氧条件下通过发酵作用或无氧呼吸获得能量。细胞含有超氧化物歧化酶和过氧化氢酶。它们在有氧条件下比在无氧时生长得更好。

(4)微好氧微生物它们虽是通过呼吸链并以分子氧为最终氢受体获得能量，但在好氧和厌氧条件下均不能生长，只有在氧浓度很低(氧分压 1~3kPa)的条件下才能生长。霍乱弧菌、氢单胞菌属等都属这类微生物。

(5)耐氧微生物这是一类可在有氧条件下进行厌氧生活的厌氧微生物，没有呼吸链,靠发酵获得能量，细胞内有超氧化物歧化酶和过氧化物酶，但无过氧化氢酶，生长不需要氧。分子氧对它们也无毒害。乳酸菌多数是耐氧微生物，如乳链球菌、肠膜状明串珠菌等。

2.氧化还原电位:用Eh表示，它代表环境中氧化剂的相对强度。Eh值与氧分压有关，也受 pH 影响。氧分压越高 Eh 值越高;pH 高时 Eh 值低;pH 低时 Eh 值高。其高低对微生物生长影响很大，因为它影响微生物细胞中许多酶的活性，以及细胞的呼吸作用。好氧微生物的氧化酶系活动需较高的 Eh 值，通常要求 Eh 值在 0.1V 以上，以 0.3~0.4V 为宜。专性厌氧微生物只能在 0.1V 以下生长，以一0.1V 为宜。兼性厌氧微生物在 0.1V 以上进行好氧呼吸，在 0.1V以下进行发酵或无氧呼吸。微生物生长可改变环境的氧化还原电位，常在培养基中通入空气或加氧化剂提高氧化还原电位以培养好氧微生物:在培养基中加还原性物质降低氧化还原电位培养厌氧微生物。

(四)水分

微生物的生命活动离不开水。可利用水通常用水活度(a_w)表示。水活度越低水的可利用性就越差。可利用水量不单纯取决于水的含量，它与吸附或溶液因子有复杂的函数关系。固态物质表面微生物可利用水量取决于水被吸附的牢固程度及微生物对水吸收能力的大小;溶液中微生物可利用水的量与溶质溶解时解离和水合的程度有关。

不同微生物生长的水活度范围不同(表 7-2)，a_w小于 0.6时大多数微生物停止生长。

a_w受吸附和溶液组分的相互影响，分别称为基质的影响和渗透压的影响。微生物在等渗溶液中能正常生长;在低渗溶液中细胞吸水膨胀甚至胀破;在高渗溶液中，外界溶液的浓度比细胞内高，细胞脱水，引起质壁分离或死亡。这就是用盐渍和糖浸的方式保存食品的理论依据。大多数微生物能通过胞内积累某些能调整胞内渗透压的相容溶质以适应培养基渗透压的变化。相容溶质是一些适合细胞进行新陈代谢和生长的细胞内高浓度物质，它可以使细胞原生质渗透压高于周围环境的渗透压，从而使其细胞膜紧贴于细胞壁上。相容溶质可以是K⁺等阳离子，也可以是谷氨酸等氨基酸或氨基酸的衍生物如甜菜碱(甘氨酸的衍生物)或海藻糖等糖类。这类物质称为渗透保护剂或渗透稳定剂。

自然界中仍有些微生物能在较高渗透压中生长,如嗜盐微生物可在 15%~30%盐水中生长。嗜盐菌能耐受高浓度盐是因为:①菌体内具有较高的离子浓度;②细菌细胞壁需 Na 保持稳定,否则细胞壁会破坏使菌体溶解;③菌体内许多酶在较高盐浓度下才有活性;④菌体核糖体需要高浓度K⁺维持稳定。

微生物在固态物质(如食物、麸皮、土壤)上生长，通常受基质水活度控制。在 a_w低于0.6的干燥条件下，除少数真菌(如某些曲霉)外，多数微生物都不能生长。干燥会使微生物代谢活动停止，处于休眠状态，严重时会引起细胞脱水，蛋白质变性，导致死亡。日常生活中常利用干燥保存物品(如食物、衣物等)，防止其腐败霉烂:实验室中常利用休眠孢子抗干燥能力强的特性保藏菌种。

除基质中水分外，空气中的水分即湿度也影响微生物特别是放线菌、霉菌、担子菌的生长繁殖，因为它们有相当部分菌体暴露在空气中。空气湿度大(70%以上)有利生长。

参考资料

蔡信之, 黄君红, 康贻军. 微生物学 (第四版). 北京: 科学出版社, 2023.

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更新日期：2025-02-12

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编制人：木木