氧化对微生物培养的影响

氧和氧化还原电位与微生物的关系十分密切，对微生物生长的影响极为明显。研究表明，不同类群的微生物对氧要求不同，可根据微生物对氧的不同需求与影响，把微生物分成如下几种类型：

1.专性好氧菌（obligate aerobes） 这类微生物具有完整的呼吸链，以分子氧作为最终电子受体，只能在较高浓度分子氧的条件下才能生长，大多数细菌、放线菌和真菌是专性好氧菌。如醋杆菌属（Acetobacter）、固氮菌属（Azotobacter）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）等属种为专性好氧菌。

2.兼性厌氧菌（facultative anaerobes） 兼性厌氧菌也称兼性好氧菌（facultative aer-obes）。这类微生物的适应范围广，在有氧或无氧的环境中均能生长。一般以有氧生长为主，有氧时靠呼吸产能，兼具厌氧生长能力；无氧时通过发酵或无氧呼吸产能。如大肠杆菌（E . coli）、产气肠杆菌（Enterobacter aerogenes）等肠杆菌科（Enterobacteriaceae）的成员，以及地衣芽孢杆菌（Bacillus lichenifornus）、酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）等。

3.微好氧菌（microaerophilic bacteria） 这类微生物只在非常低的氧分压下才能生长。它们通过呼吸链，以氧为最终电子受体产能。如发酵单胞菌属（Zymontonas）、弯曲菌属（Gampylobacter）、氢单胞菌属（Hydrogenomonas）、霍乱弧菌（Vibrio cholerae）等属种成员。

4.耐氧菌（aerotolerant anaerobes） 它们的生长不需要氧，但可在分子氧存在的条件下行发酵性厌氧生活，分子氧对它们无用，但也无害，故可称为耐氧性厌氧菌。氧对其无用的原因是它们不具有呼吸链，只通过发酵经底物水平磷酸化获得能量。一般的乳酸菌大多是耐氧菌，如乳酸乳杆菌（Lactobacillus lactis）、乳链球菌（Streptococcus lactis）、肠膜明串珠菌（Leu-conostoc mesenteroides）和粪肠球菌（Enterobacter faecalis）等。

5.厌氧菌（anaerobes） 分子氧对这类微生物有毒，氧可抑制其生长（一般厌氧菌）甚至导致死亡（严格厌氧菌）。因此，它们只能在无氧或氧化还原电位很低的环境中生长。常见的厌氧菌有梭菌属（Clostridium）成员，如丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum），双歧杆菌属（Bifidobacterium）、拟杆菌属（Bacteroides）的成员，着色菌属（Chromatium）、硫螺旋菌属（Thiospirillum）等属的光合细菌与严格厌氧的产甲烷菌类群等。

氧对厌氧性微生物产生毒害作用的机理主要是厌氧微生物在有氧条件下生长时，会产生有害的超氧基化合物和过氧化氢等代谢产物，这些有毒代谢产物在胞内积累而导致机体死亡。例如微生物在有氧条件下生长时，通过化学反应可以产生超氧基（O2－）化合物和过氧化氢。这些代谢产物相互作用可以产生毒性很强的自由基，即：

超氧基化合物与H2O2可以分别在超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）与过氧化氢酶（catalase）作用下转变成无毒的化合物，即：

好氧微生物与兼性厌氧细菌细胞内普遍存在着超氧化物歧化酶和过氧化氢酶。而严格厌氧细菌不具备这两种酶，因此严格厌氧微生物在有氧条件下生长时，有毒的代谢产物在胞内积累，引起机体中毒死亡。耐氧性微生物只具有超氧化物歧化酶，而不具有过氧化氢酶，因此在生长过程中产生的超氧基化合物被分解去毒，过氧化氢则通过细胞内某些代谢产物进一步氧化而解毒，这是决定耐氧性微生物在有氧条件下仍可生存的内在机制。

不同的微生物对生长环境的氧化还原电位有不同的要求。环境的氧化还原位（Eh）与氧分压有关，也受pH的影响。pH值低时，氧化还原电位高；pH值高时，氧化还原电位低。通常以pH中性时的值表示。微生物生活的自然环境或培养环境（培养基及其接触的气态环境）的Eh值是整个环境中各种氧化还原因素的综合表现。一般说，Eh值在＋0.1V以上好氧性微生物均可生长，以＋0.3～ ＋0.4V时为宜。 －0.1V以下适宜厌氧性微生物生长。不同微生物种类的临界Eh值不等。产甲烷古菌生长所要求的Eh值一般在－330mV以下，是目前所知的对Eh值要求最低的一类微生物。

培养基的氧化还原电位受诸多因子的影响，首先是分子态氧的影响，其次是培养基中氧化还原物质的影响。例如平板培养是在接触空气的条件下，厌氧性微生物不能生长，但如果培养基中加入足量的强还原性物质（如半胱氨酸、硫代乙醇等），同样接触空气，有些厌氧性微生物还是能生长。这是因为在所加的强还原性物质的影响下，即使环境中有些氧气，培养基的Eh值也能下降到这些厌氧性微生物生长的临界Eh值以下。另一方面，微生物本身的代谢作用也是影响Eh值的重要因素，在培养环境中，微生物代谢消耗氧气并积累一些还原物质，如抗坏血酸、H2S或有机硫氢化合物（半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等），导致环境中Eh值降低。例如，好氧性化脓链球菌在密闭的液体培养基中生长时，能使培养液的最初氧化还原电位值由＋0.4V左右逐渐降至－0.1V以下，因此，当好氧性微生物与厌氧性微生物生活在一起时，前者能为后者创造有利的氧化还原电位（图5-13）。在土壤中，多种好氧、厌氧性微生物同时存在，空气进入土壤，好氧性微生物生长繁殖，由于好氧性微生物的代谢，消耗了氧气，降低了周围环境的Eh值，创造了厌氧环境，为厌氧性微生物的生长繁殖提供了必要条件。

图5-13 培养基在微生物生长过程中的氧化还原电位变化