温度对微生物生长的影响

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微生物的生長

微生物生理學的內容主要為介紹微生物的基本結構和功能，能量的轉換和代謝途徑，及遺傳物質的傳遞、移轉和調控方式。其中尤其在生長的層面上，微生物與其他高等生物有相當大不同之處，因其他高等生物生長的定義常指其細胞分裂增生和分化的過程，但對微生物而言，在一特定環境下，若養分充裕且代謝性毒物不過量時，其生長是指微生物多以一特定的生長速率不間斷地進行分裂增生，分化的過程通常相當短暫或不出現。

微生物生長速率與溫度的相關性

人們常以最適生長溫度、最高生長溫度及最低生長溫度來描述微生物的生長溫度特性。依微生物的生長溫度，可將微生物分為低溫菌(psychrophiles)，中溫菌(mesophiles)和高溫菌(thermophiles)。低溫菌類的微生物，其最低生長溫度可低於5oC，中溫菌表示其最適生長溫度為37oC，高溫菌則是指這類微生物的最高生長溫度可高於50oC。 微生物的生長速率會受到外界環境溫度的影響，當微生物處於不適當的生長溫度時，其因應方法有若此微生物具有移動性，它可以利用本身所具有的溫度向性(thermotaxis) 能力離開不是溫度的生長環境；或微生物可忍受此環境的溫度，且能在此溫度對微生物生長產生的影響所容許的程度下，持續進行菌體的分裂生長；或若此微生物能進行產孢等類似分化的過程，則可藉此一對外界不利生長因子具有較高耐受性的狀態度過環境溫度不適生長的時期，唯微生物分裂生長的速率將暫時停止或大為降低。在自然界中的確有些微生物能在高於100 oC 的水中，或低於冰點的環境中生長。

環境中的養分與微生物生長的相關性

微生物生長速率受溫度的影響可以利用 Arrhenius 法則(v=Se- E*/RT)來推算，當v等於生長速率，S為常數，T為絕對溫度，且E*為活化能時，lnv=S+(- E*/RT)=S+(- E*/R)(1/T)。但是在一般生長溫度下，微生物的培養環境如實驗室中所用的各式培養基亦具有影響微生物生長速率的能力。雖然培養環境的條件並不會改變對微生物的最適生長溫度，但對於不同微生物之最高生長溫度及最低生長溫度的範圍，則依不同菌種而產生不同的影響。例如當在養分充裕的培養基中培養枯草桿菌時，枯草桿菌的最低生長溫度會有下降的現象，即枯草桿菌可生長在比一般環境條件培養所能生長的最低生長溫度更低的溫度下，此外若在培養基中外加如 methionine氨基酸等養分時，則發現大腸桿菌可生長在較一般環境條件培養所能觀察到的最高生長溫度還高的溫度，亦即可以提高大腸桿菌的最高生長溫度

。培養基的組成成份對最低及最高生長溫度的影響原因之一，可能是因微生物體內的代謝途徑，特別是某些生合成的途徑，在高溫或低溫時，常有失去功能的情形出現，使得微生物無法再充分供應自身生理所需的養分，因而無法正成生長或甚至有喪失生命力的情形。在此時外界環境如培養基等若能補充並提供微生物所缺乏的養分，將可提高微生物在此溫度下的生存能力。

溫度對微生物組成份及生理的影響

微生物的生長速率包含細胞質量(cell mass)及微生物生長產量(growth yield)二因子隨時間的變化量，且此二因子皆會隨生長溫度的不同而改變。一般認為決定微生物最高生長溫度的決定因子為細胞中蛋白質的穩定性，且外界環境溫度對細胞內蛋白質和細胞膜的脂肪酸成份亦具有影響力。環境溫度對細胞內蛋白質的影響包含細胞中酵素的活性和酵素的表現量，並會引起微生物的熱休克反應 (heat shock response)。在正常溫度範圍內，中溫菌細胞內酵素的活性會隨著溫度的改變而改變，但在酵素量上的變化較少；若是溫度較高時，如高於 42oC 時，細胞中蛋白質的量則會有相當大的變化，這是因為大部分蛋白質的生合成量隨著溫度的升高而產生的變化，多為降低細胞中蛋白質的生合成量。

當環境的溫度增高時，微生物會產生熱休克反應，如在大腸桿菌中，已被發現至少有 24 種蛋白質會因溫度的升高而大量表現，這些蛋白質被稱為熱休克蛋白質。在這 24 種熱休克蛋白質中，則其中至少有 20 種熱休克蛋白質是受控於一種 sigma factor，稱為 htpR。一般認為微生物的熱休克反應與htpR 調控熱休克蛋白質表現的能力有直接的相關性，而微生物熱休克反應的效率則與微生物是否能於環境溫度提高時存活有著密切的相關性。研究結果中顯示突然升高培養環境的溫度時，野生型(wild type)微生物的存活率，遠較 htpR 突變菌株（即在 htpR 基因有缺陷的微生物）為高，此種熱休克反應被發現廣泛的存在於多種微生物中，且在許多高等生物中亦相當常見。多種熱休克蛋白質具有特殊的生物活性，能協助其他蛋白質維持其正確的折疊(folding)形態，而使其他蛋白質具有適當的立體結構，繼而得以執行正常的功能，所以推測這些熱休克蛋白質可能藉由穩定細胞內其他蛋白質因溫度升高而鬆垮的立體結構，使細胞中的蛋白質保有部份或全部的生理功能，因而讓微生物得以在較高的外界環境溫度下存活。

微生物外在環境溫度對微生物細胞膜的磷脂中飽和性脂肪酸(saturated fatty acids)及非飽和性脂肪酸(unsaturated fatty acids)的比例亦有影響。當外界環境溫度下降時，非飽

和性脂肪酸的比例會隨之增高，而飽和性脂肪酸的比列則會下降。因為非飽和性脂肪酸含有較飽和性脂肪酸為多的雙鍵，熔點(melting points)較低，所以在外界環境溫度降低時，細胞膜中非飽和性脂肪酸比例的增加，可能具有使細胞膜流動性增加；細胞膜正常生理功能得以部份維持的作用。當環境溫度上升時，細胞膜中非飽和性脂肪酸比例則有降低的現象，而飽和性脂肪酸比例會增加，相對於環境溫度下降時非飽和性脂肪酸比列增高的原因，此現象可能與拮抗因環境溫度上升而增加之細胞膜流動性有關。

當外界環境溫度降低時，對微生物的影響主要還是在細胞中的蛋白質上，因蛋白質的斥水鍵強度在低溫時有減弱的情形，細胞中蛋白質的立體結構會因之改變，使得蛋白質酵素與其他分子如一些反應物(effectors)間的作用方式或親和力發生變化，造成蛋白質的功能及其調控方式與正常環境溫度時不相同，因而影響微生物在低溫時生理代謝無法正常運作。此外，在低溫時，核醣體蛋白質(ribosomal proteins)或蛋白質轉譯啟始蛋白質因子(initiation factors of translation)無法形成適當的立體結構，使得裝配核醣體(ribosomes)時效率不佳，而核醣體為微生物體內轉譯蛋白質的部位，當核醣體裝配情形不良時，氨基酸聚合情形自然不理想，微生物細胞中蛋白質轉譯生合成的量降低，微生物正常的生理狀況因而無法維持。

微生物的致死溫度

將微生物給與高溫處理或突然間將微生物置於低溫或冷凍狀況下時，微生物可能喪失其生長的能力而死亡。微生物因高溫處理而喪失分裂能力的程度與微生物體內的含水度相關，其因溫度處理而死亡的速率常可以指數動力型的模式進行推測和評估。一般而言，特定的一些數值常用來描述這些高溫熱處理的有效性，如TDP (thermal death point)，指的是將微生物以熱處理一特定時間後，使微生物喪失分裂能力所需的最低溫度；TDT(thermal death time)或是 F 值，所代表的是在特定的培養基中，以特定溫度將一特定密度之微生物進行滅菌所需之時間；此外， D 值則指以熱處理將微生物數量減少 90% 所需的時間。

當微生物處於冷凍低溫的環境時，微生物可能因冷凍而立即死亡，或因儲存效應而在冷凍低溫儲存期間緩慢失去分裂能力，這和冷凍時細胞的密度和冷凍儲存的溫度皆有相關性。欲進行菌種保存時，尤其是工業界或學術界須長期保存有價值的微生物，並維持其存活率、使能多次重複利用時，一些化學物質如甘油(glycerol)和dimethylsulfoxide等抗凍劑，常被加入培養基中，這些物質可以保護微生物，降低微生物因低溫冷凍所受到的

傷害。