微生物的營養方式與適應性

生物的生活型態 以能量來源區分 以碳的來源區分 光合生物 (光能) 化合生物 (化學能) 自營生物 (二氧化碳) 異營生物 (有機碳, 例如葡萄糖與澱粉)

生物的生活型態 光合自營生物 – 例如植物, 藻類 化合異營生物 – 例如動物, 真菌 光合異營生物 – 例如一些紫色光合細菌 化合自營生物 – 例如一些硫化菌, 鐵氧化菌等

光合自營生物 陽光 二氧化碳 + 水 葡萄糖 + 氧氣 葉綠素

化合異營生物 自外界攝取有機物質 分解有機物質, 產生能量來推動各種 代謝反應 分解有機物質, 產生能量來推動各種 代謝反應 例如所有的動物 (包括人類), 真菌, 原生動物, 大多數的細菌 (包括所有的病原菌) 等

化合異營生物

光合異營生物 可進行光合作用, 將簡單有機碳化合物(例如甲醇,甲醛) 合成複雜的有機碳化合物 例如一些綠色光合細菌及紫色光合細菌

化合自營生物 利用氧作用產生的能量來供給代謝所需的能 氫細菌 硫細菌 鐵細菌 硝化菌

化合自營生物 生活在水中的鐵細菌

影響微生物生長的因子 物理性因子 水分與滲透壓 酸鹼度 溫度 氧氣濃度 壓力 化學性因子 – 各種元素, 營養分子, 生長因子…等

水分與滲透壓 等張溶液 (0.9% NaCl 溶液) – 例如生理食鹽水 低張溶液 (< 0.9%) – 例如蒸餾水 高張溶液 (> 0.9%) – 例如濃食鹽水

水分與滲透壓 高張溶液 – 水分進入細胞 低張溶液 – 水分流出細胞 等張溶液 – 細胞保持原狀

水分與滲透壓

水分與滲透壓 醃漬食物因為是高滲透壓, 故可耐腐敗 水分含量低的食物也不利微生物的生長

耐鹽微生物 (Halophiles) 可耐高鹽度溶液 (可達 23% ~ 29%) 常見之於鹽田, 死海, 大鹽湖 常具有各種色素

酸鹼度對微生物生長的影響 大多微生物生長於中性環境 耐酸菌與嗜酸菌 耐鹼菌與嗜鹼菌

極度耐酸微生物 可生長於 pH 1.0 ~ 3.5 的酸性溫泉中 (溫度可達 70℃ ~ 85℃)                                                                                                 

溫度對微生物生長的影響 低溫菌 極度嗜高溫菌 中溫菌 高溫菌

高溫菌的生長環境 溫泉 海底熱泉 煤堆 堆肥 地底深層 深層石油礦 熱水排放管 (核子潛艇)

高溫菌的生長環境 堆肥 溫泉

高溫菌的生長環境 海底熱泉 溫度可達 130 ℃

低溫微生物 大多生長於海洋中 南北極冰層內 可造成冰箱內食物的敗壞

溫度與微生物的生長繁殖 所有的人類病原菌都是中溫菌 敗壞食品: 高度危險溫度 15 ~ 50 ℃ 一般危險溫度 4 ~ 70 ℃

                                                         微生物對氧氣的需求 好氧 微好氧 厭氧 兼性厭氧

厭氧微生物的培養 厭氧操作與培養箱

厭氧微生物的培養 厭氧缸 Candle Jar

微生物生長所需的化學元素 巨量元素: 碳, 氫, 氧, 氮, 硫, 磷, 鉀, 鈣, 鎂, 鐵 微量元素: 錳, 鋅, 鈷, 鉬, 鎳, 銅 巨量元素: 碳, 氫, 氧, 氮, 硫, 磷, 鉀, 鈣, 鎂, 鐵 微量元素: 錳, 鋅, 鈷, 鉬, 鎳, 銅 特殊元素: 矽, 碘, 鈉 … 等

微生物生長所需的營養 以化合異營細菌為例 碳水化合物 (如葡萄糖, 乳糖, 澱粉等) 含氮物質 有機氮 – 如蛋白質與胺基酸 無機氮 – 如氮氣, 氨, 硝酸鹽等 維他命: 有些可自行合成, 有些則需自外 界攝取 其他生長因子: 如血清, 血液, 膽固醇等

微生物的繁殖 二分裂法 (Binary fission) 出芽繁殖 孢子繁殖 菌絲增長與斷裂

微生物的繁殖 二分裂法 (Binary fission)

微生物的繁殖 二分裂法 (Binary fission) 細菌在適宜生長的條件下,十小時內可從一個細胞成長為一百萬個,十二小時超過一千萬個,十四小時則超過二億五千萬個 最終會因養分的缺乏與代謝廢物的累積, 生長速度會逐漸緩慢下來

微生物的繁殖 出芽繁殖 (Budding)

微生物的繁殖 孢子繁殖

微生物生長的控制 物理性方法 化學性方法 重金屬離子 化學殺菌劑 磺胺藥物 抗生素 溫度 – 高溫或低溫 水分 滲透壓 輻射線 氧氣濃度 超音波 化學性方法 重金屬離子 化學殺菌劑 磺胺藥物 抗生素

微生物生長的控制 物理性方法 – 加熱 乾熱法 – 焚燒, 熱烘 溼熱法 – 煮沸 (100 ℃, 30 minutes) 間歇滅菌 (每日煮沸30分鐘, 連續三天) 巴氏滅菌: 傳統法 62.8 ℃, 30 minutes 改良法 71.7 ℃, 15 seconds 超高溫法 137.8 ℃ or higher, 2~3 seconds 高壓滅菌: 121℃, 15 minutes

高壓滅菌器 (Autoclave)

過濾除菌法 以 0.45 um 的過濾膜濾除溶液中的細菌

過濾除菌法 以 0.45 um 的過濾膜濾除溶液中的細菌

波與能量 波長 長 短 高 低 能量 殺菌範圍

X射線對生物的影響 致死劑量 人類: 400 rad (雷得) 老鼠: 450 rad 金魚: 750 rad

耐輻射奇異球菌 (Deinococcus radiodurans) 耐高度輻射以及乾旱, 殖民火星的先鋒?

化學殺菌劑 重金屬離子: 例如汞(水銀), 銀, 銅 …等 化學藥劑: 殺菌劑, 清潔劑, 酒精 …等 磺胺藥物 抗生素

紙環抑制法 將吸水紙環進入殺菌物質 至於塗滿測試細菌的培養基上共同培養 分析抑制圈的大小, 來評估殺菌效果

微生物的抗藥性 微生物對使用的藥物 (尤其是抗生素) 產生抗性 抗藥性可以透過基因交換而在微生物之間互相傳遞 可將藥物加以分解 改變自身的結構或代謝方式, 使抗生素無法發揮功用 抗藥性可以透過基因交換而在微生物之間互相傳遞

結語 微生物的適應性很廣, 地球上許多惡劣而奇特的環境下也能找到微生物的蹤跡 微生物能產生突變來適應環境的變遷 人為的改變環境 (例如濫用抗生素), 能促進微生物的演化 未來人類殖民外星球是否可以用微生物來當先鋒, 改變該處環境, 使之適合人類居住???