微生物生長繁殖的控製

 在適宜條件下，對數生長期的微生物能以最大的比生長速率進行生長繁殖，產生大量的新個體，例如每個 E.coli 細胞的重量雖然大約隻有 10 -12 g ，但是，如果一個 E.coli 在肉湯培養基和在適宜條件下，培養 48h 產生的新個體的總重量可超過地球重量的 4000 倍！實際上生長是微生物與環境相互作用的結果。在自然界電離輻射、太陽、溫度、濕度、營養物質消耗和代謝產物積累等環境影響下， E.coli 不可能以最大比生長速率無限製地生長下去，再加上 E.coli 噬菌體作用，一些 E.coli 也會被裂解而死亡，使細菌數量不會無限增加。另一方麵微生物中有不少是動物、植物和人類的病原菌，也必須對這類病原菌進行控製。因此，如何控製微生物的生長速率或消滅不需要的微生物，在實際應用中具有重要的意義。

    有關的術語

    抑製 (inhibition) ：抑製是在亞致死劑量因子作用下導致微生物生長停止，但在移去這種因子後生長仍可以恢複的生物學現象。

    死亡 (death) ：死亡是在致死劑量因子或在亞致死劑量因子長時間作用下，導致微生物生長能力不可逆喪失，即使這種因子移去後生長仍不能恢複的生物學現象。

    防腐 (antisepsis) ：防腐是在某些化學物質或物理因子作用下，能防止或抑製微生物生長的一種措施，它能防止食物腐敗或防止其他物質黴變。例如日常生活中以幹燥、低溫、鹽醃或糖漬等防腐方法是保藏食品 ( 物 ) 的主要方式。具有防腐作用的化學物質稱為防腐別。

    消毒 (disinfection) ：消毒是利用某種方法殺死或滅活物質或物體中所有病原微生物的一種措施，它可以起到肋止感染或傳播的作用：具有消毒作用的化學物質稱為消毒劑 (disinfectant) ，一般消毒劑在常用濃度下隻能殺死微生物的營養體，對芽孢則無殺滅作用。

    滅菌 (sterilization) ：滅菌是指利用某種方法殺死物體中包括芽孢在內的所有微生物的一種措施。滅菌後的物體不再有可存活的微生物。

    化療 (chemotherapy) ：化療是指利用具有選擇毒性的化學物質如磺胺、抗生素等對生物體內部被微生物感染的組織成病受細胞進行治療，以殺死組織內的病原微生物或病變細胞，但對機體本身無毒害作用的治療措施。

   理化因子對微生物生長是起抑菌作用還是殺菌作用並不是很嚴格分開的。因為理化因子的強度或濃度不同作用效果也不同，例如有些化學物質低濃度有抑菌作用，高濃度則起殺菌作用，就是同一濃度作用時間長短不同，效果也不一樣；不同微生物對理化因子作用的敏感性不同，就是同一種微生物，所處的生長時期不同，對理化因子作用的敏感性也不同。

一、控製微生物的化學物質

1 ．抗微生物劑

    抗微生物劑 (antimicrobial agcnt) 是一類能夠殺死微生物或抑製微生物生長的化學物質，這類物質可以是人工合成的，也可以是生物合成的天然產物。根據它們抗微生物的特性可分為：①抑菌劑，它們能抑製微生物生長，但不能殺死它們，作用機理是這類物質結合到核糖體上抑製蛋白質合成，導致生長停止，由於它們同核糖體結合不緊，它們在濃度降低時又會遊離出來，核糖體合成蛋白質的能力恢複，使生長恢複； ②殺 菌劑，它們能殺死細胞．但不能使細胞裂解，由於它們是緊緊地結合到細胞的作用靶上，即使在濃度降低時也不能遊離出來，因此生長不能恢複；③溶菌劑，它們能通過誘導細胞裂解的方式殺死細胞，將這類物質加到生長的細胞懸液裏以後會導致細胞數量成細胞懸液的混濁度降低，能抑製細胞壁合成或損傷細胞質膜的抗生素就屬於溶菌劑。

    抗微生物劑又稱殺菌劑，通常又將它們分為消毒劑和防腐劑，前者通常用來殺死非生物材料上的微生物，後者具有殺死微失物或抑製微生物生長的能力，但對於動物或人體的組織無毒害作用。殺菌劑廣泛用於熱敏感的其他物質或用具，如溫度計、帶有透鏡的儀路設備、聚乙烯管或導管等的滅菌；在食品、發酵工業，自來水廠等部門常用殺菌劑殺死牆壁、樓板與儀器設備等表麵和自來水中的微生物；對於空氣中的微生物則用甲醛、石炭酸 ( 酚 ) 、高錳酸鉀等化學試劑進行薰、蒸、噴霧等方式殺死它們。表中列出了與健康有關的一些常用的消毒劑與防腐劑及其作用的機理。

常用的防腐劑和消毒劑

2 ．抗代謝物

    在微生物生長過程中常常需要一些生長因子才能正常生長，那麽可以利用生長因子的結構類似物幹擾機體的正常代謝，以達到抑製微生物生長的目的。例如磺胺類藥物是葉酸組成部分對氨基苯甲酸的結構類似物，磺胺類藥物被微生物吸收後取代對氨基苯甲酸，幹擾葉酸的合成，抑製了轉甲基反應，導致代謝的紊亂，從而抑製生長。同樣，對氟苯丙氨酸、 5- 氟尿嘧啶和 5- 溴胸腺嘧啶，分別是苯丙氨酸、尿嘧啶和胸腺嘧啶的結構類似物，由這些結構類似物取代正常成分之後造成代謝紊亂，以抑製機體的生長。因此生長因子等的結構類似物又稱為抗代謝物 (antimctabolite) ，它在治療由病毒和微生物引起的疾病上起著重要作用。

3 ．抗生素

    抗生素 (antibiotic) 是由某些生物合成或半合成的一類次級代謝產物或衍生物，它們是能抑製其他微生物生長或殺死它們的化合物，它們主要是通過抑製細菌細胞壁合成、破壞細胞質膜、作用於呼吸鏈以幹擾氧化磷酸化、抑製蛋白質和核酸合成等方式來抑製微生物的生長或殺死它們。

    抗生素與其他一些抗代謝藥物如磺胺類藥物通常是臨床上廣泛使用的化學治療劑，但多次重複使用，使一些微生物變得對它們不敏感，作用效果也越來越差。根據對某些抗生素不敏感的抗性菌株的研究表明，抗性菌株具有以下特點：①細胞質膜透性改變，如抗四環素的委內瑞拉鏈黴菌的細胞質膜透性改變，阻止四環素進入細胞； ② 藥物作用靶改變，二氫葉酸合成酶是磺胺類藥物作用的靶，抗磺胺藥物的菌株改變了二氫葉酸合成酶基因的性質，合成了一種對磺胺藥物不敏感的二氫葉酸合成酶；③合成了修飾抗生素的酶，這些酶有轉乙酰酶，轉磷酸酶或腺苷酸轉移酶等，在這些酶的作用下，分別使氯黴素乙酰化，鏈黴素與卡那黴素磷酸化或鏈黴素腺苷酸化，這些被修飾的抗生素也失去了抗菌活性；④抗性菌株發生遺傳變異，發生變異的菌株導致合成新的多聚體，以取代或部分取代原來的多聚體，如有些抗青黴素的菌株細胞壁中肽聚糖含量降低，但合成了另外的細胞壁多聚體等。抗性菌株所具特征，表明了它們耐藥性的機理。

    抗生素在臨床上用來治療由細菌引起的疾病時，為了避免出現細菌的耐藥性，使用時一定要注意：①第一次使用的藥物劑量要足；②避免在一個時期或長期多次使用同種抗生素；③不同的抗生素 ( 或與其他藥物 ) 混合使用；④對現有抗生素進行改造；⑤篩選新的更有效的抗生素，這樣既可以提高治療效果，又不會使細菌產生抗藥性。

二、控製微生物的物理因素

    控製微生物的物理因素主要有溫度，輻射作用、過濾、滲透壓、幹燥和超聲波等，它們對微生物生長能起抑製作用或殺滅作用。

1 ．高溫滅菌

    當溫度超過微生物生長的最高溫度或低於生長的最低溫度都會對微生物產生殺滅作用或抑製作用。

① 高壓蒸汽滅菌法

    高壓蒸汽滅菌的溫度越高，微生物死亡越快。通常情況下溫度為 121.3 ℃ 。衡量滅菌效果的指標之一是十倍致死時間 (decimal reduction time ， D) ，即在一定的溫度條件下，微生物數量十倍減少所需要的時間。溫度愈高，十倍致死時間愈短。另外 D 值大小還隨微生物的種類、生長時期、檢測培養基的性質等因素有關。測量某種微生物在某個溫度下的十倍致死時間是一個很複雜的過程，因為這種方法要測定活菌的數量。另一種比較容易測定的指標是熱致死時間 (thennaldeathtime) ，即在一定溫度下殺死所有某一濃度微生物所需要的時間。這樣隻要在一定溫度下將待測樣品加熱處理不同時間後，分別與培養基混勻，然後培養，當所有細菌被殺死時，被培養的樣品中沒有細菌生長。待測樣品中的微生物數量大 ( 即濃度高 ) ，殺死所有微生物所需的時間比殺死微生物濃度低的樣品所需的時間長。因此當微生物的濃度一致時，可以通過比較熱致死時間長短來衡量不同微生物的熱敏感性。

②幹熱滅菌法

    對於一些玻璃器皿、金屬用具等耐熱物品還可以用幹熱滅菌法進行滅菌，但幹熱滅菌所需時間比濕熱滅菌溫度高和時間長。例如 171 ℃需要 1h ， 160 ℃需 2h ， 121 ℃需 16h 等。

③ 煮沸消毒

    即將待消毒物品如注射器、金屬用具、解剖用具等在水中煮沸 15min 或更長時間，以殺死細菌或其他微生物的營養體和少部分的芽孢或孢子。如果在水中適當加 1 ％碳酸鈉或 2 ％一 5 ％的石炭酸則殺菌效果更好。

④間隙滅菌法

    對於某些培養基，由於高壓蒸汽滅菌會破壞某些營養成分，可用間隙滅菌法滅菌，即流通蒸汽 ( 或蒸煮 ) 反複滅菌幾次，例如第一次蒸煮後殺死微生物營養體，冷卻，培養過夜，孢子萌發，又第二次蒸煮，殺死營養體。這樣反複 2 — 3 次就可以完全殺死營養體和芽孢，也可保持某些營養物質不被破壞。

⑤巴氏消毒法

    高壓蒸汽滅菌適用於耐熱材料的滅菌（如培養基、溶液等。）對於牛奶及其熱敏感物質不適宜，因為高熱破壞了食品的營養與風味。現在，牛奶或其他液態食品一般都采用超高溫滅菌，即 135 — 150 ℃，滅菌 2 — 6s ，既可達殺菌和保質，縮短了時間，又提高了經濟效益。

2 ．輻射作用

    輻射滅菌 (radiation Sterilization) 是利用電磁輻射產生的電磁波殺死大多數物質上的微生物的一種有效力法。用於滅菌的電磁波有微波、紫外線 (UV) 、 X 射線和 y 射線等，它們都能通過特定的方式控製微生物生長或殺死它們。例如微波可以通過熱產生殺死微生物的作用；紫外線 (UV) 使 DNA 分子中相鄰的嘧啶形成嘧啶二聚體，抑製 DNA 複製與轉錄等功能，殺死微生物； X 射線和 y 射線能使其他物質氧化或產生自由基 (OH · 、 H · ) 再作用於生物分子，或者直接作用於少物分子，打斷氫鍵、使雙鍵氧化、破壞環狀結構或使某些分子聚合等方式，破壞和改變生物大分子的結構，以抑製或殺死微生物。

3 ．過濾作用

    高壓蒸汽滅菌可以除去液體培養基中的微生物，但對於空氣和不耐熱的液體培養基的滅菌是不適宜的，為此設計了一種過濾除菌的方法。過濾除菌有三種類型。一種最早使用的是在一個容器的兩層濾板中間填充棉花、玻璃纖維或石棉，滅菌後空氣通過它就可以達到除菌的目的。為了縮小這種濾器的體積，後來改進為在兩層濾板之間放入多層濾紙，滅菌後使用也可以達到除菌的作用，這種除菌方式主要用於發酵工業。第二種是膜濾器，它是由醋酸纖維素或硝酸纖維素製成的比較堅韌的具有微孔 (0.22 — 0.45um) 的膜，滅菌後使用，液體培養基通過它就可將細菌除去、由於這種濾器處理量比較少，主要用於科研。第三種是核孔濾器，它是由用核輻射處理的很薄的聚碳酸膠片 ( 厚 10um) 再經化學蝕刻而製成。輻射使膠片局部破壞，化學蝕刻使被破壞的部位成孔，而孔的大小則由蝕刻溶液的強度和蝕刻的時間來控製。溶液通過這種濾器就可以將微生物除去，這種濾器也全要用於科學研究。

4 ．高滲作用

    細胞質膜是一種半透膜、它將細胞內的原生質與環境中的溶液 ( 培養基等 ) 分開，如果溶液中水的濃度高於細胞原生質中水的濃度，那麽水就會從溶液中通過細胞質膜進入原生質，使原生質和溶液中水的濃度達到平衡，這種現象為滲透作用，即水或其他溶劑經過半透性膜而進行擴散的現象稱為滲透；在滲透時溶劑通過半透膜時受到的阻力稱為滲透壓。滲透壓的大小與溶液濃度成正比。如純水的 a w 值為 1 ，溶液中的溶質趨向於降低 a w 值，即溶液中含的溶質愈多，溶液中的 a w 值愈低，而溶液的滲透壓愈高。細菌接種到培養基裏以後，細胞通過滲透作用使細胞質與培養基的滲透壓力達到平衡。如果培養基的滲透壓力高 ( 即 a w 值低 ) ，原生質中的水向培養基擴散，這樣會導致細胞發生質壁分離使生長受到抑製。因此提高環境的滲透壓即降低 a w 值，就可以達到控製微生物生長的目的。例如用鹽 ( 濃度通常為 10 ％一 15 ％ ) 醃製的魚、肉、食品就是通過加鹽使新鮮魚肉脫水，降低它們的水活性，使微生物不能在它們上麵生長；新鮮水果通過加糖 ( 濃度一般為 50 ％一 70 ％ ) 製成果脯、蜜餞也是降低水果的 a w 值，抑製微生物生長與繁殖，起到防止腐敗變質的效果。

5 ．幹燥

    水是微生物細胞的重要成分，占生活細胞的 90 ％以上，它參與細胞內的各種生理活動，因此說沒有水就沒有生命。降低物質的含水量直至幹燥，就可以抑製微生物生長，防止食品、衣物等物質的腐敗與黴變。因此幹燥是保存各種物質的重要手段之一。

6 ．超聲波

    超聲波處理微生物懸液可以達到消滅它們的目的。超聲波處理微生物懸液時由於超聲波探頭的高頻率振動，引起探頭周圍水溶液的高頻率振動，當探頭和水溶液兩者的高頻率振動不同步時能在溶液內產生空當即空穴，空穴內處於真空狀態，隻要懸液中的細菌接近或進入空穴區，由於細胞內外壓力差，導致細胞裂解，達到滅菌的目的，超聲波的這種作用稱為空穴作用；另一方麵，由於超聲波振動，機械能轉變成熱能，導致溶液溫度升高，使細胞產生熱變性以抑製或殺死微生物。目前超聲波處理技術廣泛用於實驗室研究中的破細胞和滅菌。