1.微生物的概念及分类
自然界中，存在着许多微小的生物，这些生物是无法用肉眼直接看见的，必须借助于显微镜放大才能观察到，这些微小的生物统称为微生物。
微生物的分类，目前公认有七大类。即病毒→立克次体→支原体→细菌→放线菌→螺旋体→真菌（酵母、霉菌）。前面的是小而低级的，后面的是……本文内容只关注三类。
2. 微生物的特征
微生物除了体积微小、结构简单等基本特征外，还具有一些区别于其他许多生物的特征。
1. 种类繁多
微生物的数量和种类令人吃惊，一滴水、一粒土往往就是一个微生物“社会”，土壤中微生物的密度最高，一克比较肥沃的土壤往往含有几亿到数十亿个微生物；贫瘠的土壤每克含有数百万到数千万个微生物；一只脏苍蝇身上可携带5亿多个细菌。
三双脚掌上就能粘附700万到1000万个细菌，可见微生物的密度之大。微生物的种类也很多，自然界已知的微生物约有10万种。
2.分布广泛
微生物是地球上分布最广的一类生物。在广阔的自然界中，土壤、水、空气、动物、植物以及人体内外都存在着大量的微生物。有些微生物能在非常规条件下生存，如耐酸菌，可在10%硫酸溶液中生存，嗜热菌可生存在温度超过98℃的温泉中，有的甚至可以生存在温度高达200-300℃的深海火山附近。嗜盐菌则能在含盐的环境中生存，死海生物中多达23%~25%，甚至有30%能在硫酸钠溶液中、盐块上生存，这显然是一般生物所无法企及的。
3. 快速繁殖
微生物的繁殖速度也是惊人的，比高等植物和动物快得多。有些细菌在适宜的条件下，每20分钟就能繁殖一次。比如，一个大肠杆菌20分钟就能分裂成两个，每小时就能繁殖一个。它可以分裂3次，所以1个细菌繁殖3代，产生8个细菌。那就是：
1小时=8
2小时8×23=64
3小时64×23=512
4小时512×23=4096
24小时1×272=4.7*1021
如果以这样的速度繁殖下去，24小时可以繁殖72代，数量约为4.7*1021个，因此经过24小时的细菌培养就可以看到菌落，其增殖速度是相当惊人的，但是由于各种条件（营养物质）的原因，这种繁殖速度并不能持续，尽管如此，将微生物快速的繁殖能力运用到工业发酵中，在短时间内获得大规模增殖，获得更多的产品，也是具有重要意义的。
3. 常见微生物
1.细菌
细菌是能独立生长繁殖的单细胞生物，种类繁多，大小不一，平均大小约为1.0μm，即使在显微镜下放大1000倍，也只有1.0mm大小，肉眼无法看见。
细菌的形态不完全相同，一般可分为三类：
1、球菌单独存在时呈球形，根据其分裂方式及分裂后的排列方式，可分为单球菌、双球菌、链球菌、四球菌、八叠球菌、葡萄球菌等，菌体直径约为0.5～1.0μm。
2、杆菌呈杆状或近杆状，其大小、长短、粗细差别很大，有的短而粗，类似球菌，称球杆菌；有的一端膨大成杆状，称棒状杆菌；有的排列成链状生长，称链杆菌；有的长成侧枝，称分枝杆菌。多数杆菌长约2.0～3.0μm，宽约0.5～1.0μm。在病原菌中，杆菌是最常见的种类。
3、弧菌、螺菌的菌体呈弯曲或螺旋状，只有一条弯曲，呈逗号状的为弧菌，如霍乱弧菌；有多条且弯曲较粗的为螺菌，如鼠咬热螺菌。
2.病毒
病毒是体型最小、结构最简单的原始生物，没有细胞结构，只能寄生于其他生物的细胞内，利用宿主细胞的酶系统和营养物质生长繁殖。大多数病毒呈球形，少数呈杆状。大多数细菌病毒（噬菌体）呈蝌蚪形，平均大小只有0.1μm，比细菌小10倍左右。最小的病毒只有0.01μm，接近一个蛋白质分子。大多数病毒能通过细菌的过滤器，因此俗称可过滤病毒。
猪流感病毒
3. 真菌
真菌是最大、最复杂的微生物，在自然界中广泛存在，如使衣服、食物发霉的霉菌，酿酒或发酵面粉的酵母菌等。致病性真菌也很常见，如表皮真菌。真菌不耐热，60℃加热1小时就会被杀死。真菌分为单细胞真菌和多细胞真菌；单细胞真菌和多细胞真菌；单细胞真菌一般称为酵母菌。细胞真菌统称为霉菌。
酵母
酵母
模具
黑曲霉
4.细菌细胞的特殊结构
除上述基本结构外，有些细菌还具有某些特殊结构，如荚膜、孢子、鞭毛、菌毛等。
1. 胶囊
有些细菌在一定的营养条件下，细胞壁表面会分泌出一种黏液状物质，形成一层较厚的膜（约0.2μm），称为荚膜。荚膜中含有大量的水分，对细菌有保护作用。细菌的荚膜与细菌的致病性有关。有荚膜的细菌不易被白细胞吞噬，因此能在体内生长繁殖，引起感染。
2. 孢子
当某些细胞生长到一定时期或外界条件转变为不利于细菌生长时，细菌内的胞质就会脱水浓缩，逐渐形成一个位于细菌中央或末端的圆形或椭圆形的小体，称为孢子。如下图所示，孢子是细菌的休眠体，一个生殖体只能形成一个孢子，孢子外面有数层厚而致密的膜，能抵抗外界不良环境，对高温、干燥、光照、化学物质等有较强的抵抗力。孢子比生殖体更强。未形成孢子的细菌在70℃以上就会逐渐死亡，而孢子则能抵抗100℃或更高的温度。因此，杀死孢子比杀死细菌的生殖体更困难。有些孢子可以存活多年而不失去活力，遇到适宜的条件就能生长繁殖。因此，杀菌的有效性应以杀死芽孢为基础。
细菌孢子
5. 细菌的生长、繁殖和代谢产物
1. 细菌如何繁殖
细菌以简单的无性二分裂方式繁殖，即一个细菌分裂成两个，两个分裂成四个，依此类推。如球菌、四胞球菌和八叠球菌等状态；杆菌一般沿水平轴分裂。
大部分细菌的繁殖速度都很快，比如大肠杆菌在适宜的条件下，每20分钟就能繁殖一代，如果以这个速度持续繁殖10个小时，一个细菌就能繁殖10亿个，受各种因素制约，无法无限繁殖。
2. 生长繁殖条件
1）水生细菌的生长繁殖，是从外界吸收营养物质，通过水中含有的众多酶系统，进行一系列的生化反应，分解、转化为简单物质，再被吸收利用。水是细菌生命不可缺少的物质。
2）碳、氮化合物、无机盐等。这些都是细菌营养所必需的物质。
3）氧气、二氧化碳和氮气等气体与细菌的生长繁殖有密切的关系。有些细菌必须有充足的氧气供应才能生存，称为需氧菌，如结核菌；有些则正好相反，在缺氧的环境中也需要氧气。它们只能在有氧的环境中生存，氧气的存在不利于它们的生长，称为厌氧菌，如破伤风梭菌。大多数致病菌介于这两者之间，它们既能在有氧的环境中生存，又能在无氧的环境中生存。厌氧菌，如大肠杆菌。
（4）pH值：大多数病原菌生长最适pH值为7.2～7.6。
（5）温度：细菌按对温度的要求不同，可分为嗜冷菌、中温菌和嗜热菌。病原菌适宜的温度与人体温度基本相同，所以细菌的实验室培养温度为37℃。（霉菌25℃）
3. 代谢物
细菌在生长繁殖过程中，会产生大量的代谢产物，有些代谢产物分泌到菌体外部，有些代谢产物则蕴藏在菌体内部。有些代谢产物对人体有益，如抗生素、维生素等；但有些代谢产物对人体有害，如热原等有害物质，一旦进入人体，会引起疾病，或者使体温升高。
6. 外界环境中影响微生物生长的因素
1.温度与化学因素 温度与化学因素对微生物的生长、繁殖有很大的影响，这在物理灭菌和化学灭菌中会分别讨论。
2、pH值对微生物生长的影响，中性繁殖最快。
3. 湿度和温度有利于细菌生长，尤其是霉菌的生长。因此，防止湿度过高有助于防止霉菌滋生。
水分活度对细菌生长的重要性，增加食品成分结合水的能力，从而改变水分活度。
4、渗透压微生物细胞具有半透膜的性质，可以透过水分，但对其他物质的透过有选择作用。低渗溶液能使细胞膜膨胀，但高渗溶液却会使细胞内的水分渗出。因此，一般微生物在浓盐溶液或浓糖溶液中难以生长繁殖，因为细菌细胞内的水分会渗出而脱水。例如蔗糖是微生物的良好营养；单糖糖浆中含蔗糖85%，是其等渗浓度9.25%的9倍多，但却能抑制细菌生长；如果浓度不够，就容易滋生细菌，腐败变质。
七、相关术语解释
灭菌是指杀死或除去一切微生物繁殖体和芽孢，使其完全无菌。
消毒是指简单地杀死病原微生物，使它们不再成为传染源。
灭菌是指利用化学药剂或物理因素在短时间内杀死微生物的方法。
抑菌就是抑制微生物生殖体的生长和繁殖。
保鲜是指防止或抑制微生物生长和繁殖的方法。
无菌是指不存在任何活的微生物。
8. 物理灭菌
1.加热灭菌法
加热会破坏微生物体内的酶、蛋白质和核酸，导致微生物死亡。加热灭菌分为干热灭菌和湿热灭菌，同等温度下，湿热灭菌优于干热灭菌。湿热灭菌时有水存在，易使蛋白质变性，水也易润湿微生物的膜壁，所以湿热比干热有更大的穿透力。
常用的干热灭菌方法有两种：火焰灭菌和干热空气灭菌。
（二）紫外线杀菌法
是指利用紫外线杀死微生物的方法。一般用于杀菌的紫外线波长为200~300nm，杀菌力最强的波长为253.7nm，紫外线作用于核酸蛋白质，使其变性，同时空气在紫外线照射下，产生微量臭氧，有联合杀菌作用。紫外线沿直线传播，能被不同表面反射，穿透力较弱，但能轻易穿透洁净空气、纯净水，因此此方法适用于物体表面杀菌、无菌室内空气、水的杀菌；不适用于液体药品的杀菌或固体物质的深层杀菌；普通玻璃能吸收紫外线，所以玻璃容器中的药品不能用此方法杀菌。人体如果长时间暴露在紫外线下，可能会引起结膜炎、红斑和皮肤灼伤等症状。因此，通常在人进入洁净室前将紫外线灯打开1至2小时，然后在人进入洁净室前关闭。如果有细菌，应对人体皮肤和眼睛采取有效的保护措施。一般在6至15m3的空间内，最好距离地面2.5至3m处安装一只30瓦的紫外线灯。
使用紫外线进行杀菌消毒时应注意以下问题：
1、紫外线杀菌功率随着使用时间的增加而下降，一般使用时间达到额定时间的70%时就应更换紫外线灯，以保证杀菌效果，国产紫外线灯的平均寿命一般为2000h。
2、紫外线的杀菌效果因细菌种类不同而不同，杀死霉菌所需的照射量是杀死细菌所需照射量的40至50倍。
3、紫外线照射量通常以相对湿度60%为基准设计，当室内湿度增加时，照射量应相应增加。
4、紫外线的杀菌效果与照射时间的长短有关，需要验证来确定照射时间。
5、紫外线灯的安装形式及高度应根据实际情况确定，并参考使用说明。
该灭菌方法通过生物指示剂挑战试验进行验证，其中枯草芽孢杆菌是最常用的生物指示剂。
3.微波杀菌
微波是频率在30～40kHz之间的电磁波，水能强烈吸收微波，使其极性分子旋转，分子间摩擦生热，温度迅速升高，对水进行热灭菌，数分钟内可达100～150℃，并能杀死液体中所有微生物，适用于水溶性注射剂的灭菌。另外，固体药材及固体制剂（丸剂、散剂、胶囊粉剂等）也含有少量水分，微波能深入固体内部，由外向内均匀受热，起到干燥灭菌的作用，多用于口服液体制剂的灭菌，有望用于注射液的灭菌，但对某些药品可能存在危害，会影响食品的pH值、含量、色泽等。
4.辐射灭菌
辐射灭菌是利用γ射线和β射线杀死细菌的方法，又称电离辐射，前者由钴-60或铯-137发射，穿透力强；后者由电子加速器产生，带有电荷，穿透力弱，灭菌效果差。
9. 化学灭菌
化学灭菌是指利用化学物质杀死微生物，同一种化学物质在低浓度时就表现出抗菌作用，但在高浓度时却能杀死细菌，其杀菌机理可能是：使微生物蛋白质变性死亡，或与酶系统结合影响代谢，或改变膜通透性而杀死微生物等。常用的方法有消毒剂消毒和化学气体消毒。
1.用消毒剂消毒
消毒是指杀灭病原微生物的方法。但大多数化学消毒剂只能杀死微生物的生殖体而不能杀死芽孢，只能控制在一定范围内的无菌状态。可将消毒剂配制成适当的浓度，通过喷洒、擦抹或浸泡等方式对材料、环境、用具等进行消毒。常用的化学消毒剂有0.1%～0.2%苯扎溴铵溶液、3%～5%苯酚或煤酚皂液、75%乙醇等。常用于物体表面的消毒。但注意不要使用浓度过高，防止产生化学腐蚀。洁净室的墙面、天花板、门窗、机器设备、仪器、操作台、推车、桌椅等表面。环境验证和日常生产时，人的手（手套）应定期清洗并喷洒消毒剂。无菌室使用的消毒剂必须经过层流工作台0.22μm滤膜过滤后方可使用。
2.化学气体灭菌法
指利用化学物质产生的气体或蒸汽杀死微生物的方法。
1.环氧乙烷灭菌法
环氧乙烷灭菌是利用环氧乙烷气体进行灭菌的方法，是一种传统的灭菌方法，可用于工作服的灭菌、不耐高温灭菌的药品的灭菌、医疗器械、设施、设备的灭菌等。
环氧乙烷灭菌体系有以下四个影响灭菌效果的重要因素：
1.温度；2.湿度；3.气体浓度；4.灭菌时间。
由于环氧乙烷属于易燃易爆物质，明火可引起燃烧，气体分解也可能引起爆炸，因此在环氧乙烷灭菌过程中应高度重视安全问题。
2. 甲醛和其他蒸汽熏蒸方法
利用甲醛、丙二醇或过氧乙酸等化学物质加热产生蒸汽对空气环境进行灭菌。
（1）计算房间的容积，按照10g/m3的比例称出甲醛。
（2）将甲醛倒入甲醛发生器或加热板或烧杯中，加入加湿水，必要时可加入高锰酸钾（2-3g/m3），然后加热（甲醛发生器用蒸汽加热，用装有热水的加热板或烧杯加热），使甲醛蒸发成气体。
（3）杀菌消毒过程：停止空调器→启动甲醛气体发生器或用加热板加热甲醛→让甲醛气体扩散约30分钟→启动空调器让甲醛气体循环约30分钟→停止空调器对房间进行杀菌消毒熏蒸消毒不少于8小时→将房间通风更换新鲜空气约2小时→恢复正常运行。
当相对湿度在65%以上，温度在24~40℃之间时，甲醛气体的消毒效果最佳。
3、臭氧消毒法
臭氧（O3）的消毒原理是，在常温常压下，臭氧分子结构不稳定，很快分解为氧气（O2）和单个氧原子（O）。后者活性很强，对细菌有很大的作用。臭氧有很强的氧化作用，它能分解细菌氧化葡萄糖所必需的酶，从而破坏其细胞膜而将其杀死。多余的氧原子会自行重新结合成普遍的氧分子（O2），不留任何有害残留物。它能杀死各种细菌（包括肝炎病毒、大肠杆菌、绿脓杆菌等细菌），对霉菌也非常有效，所以被称为无污染消毒剂。
10. 无菌操作
无菌手术室应符合GMP的要求。可采取综合措施达到无菌要求：
①应采用层流洁净空气技术；
②可采用甲醛等蒸汽熏蒸法、紫外线杀菌法，对空气环境进行杀菌消毒；
③用消毒剂喷洒或擦拭室内用具、墙壁、桌子等暴露表面；
④其他物品可采用热压或干热灭菌；
⑤操作人员衣服、帽、鞋、手等的消毒、灭菌。
无菌操作室应定期检查菌落，一般培养皿暴露20-30分钟，37℃培养48小时，每个培养皿菌落不超过3个为合格。
11. 食品保鲜和防腐剂
微生物只要有水分等适宜的条件就能繁殖，很多食品很容易被微生物污染，因此除了采用适当的方法杀菌消毒外，还可以添加防腐剂来抑制或杀死微生物。
防腐剂又称抗菌剂，是指能抑制微生物生长繁殖的物质。常用的防腐剂有：
1、苯甲酸、苯甲酸钠是常用的有效防腐剂，一般用量为0.1%～.25%。苯甲酸水溶性较差，而苯甲酸钠水溶性好，容易溶解，使用方便。
2、对羟基苯甲酸酯（）包括甲酯、乙酯、丙酯、丁酯四种，具有较强的抗真菌作用，一般使用剂量为0.01%~0.25%。
3、山梨酸及山梨酸钾 山梨酸分子结构为CH3—CH=CH—CH=CH—COOH，常见浓度为0.15%～0.05%，对细菌、霉菌有较强的抗菌作用。
4、其他含20%以上的乙醇、30%以上的甘油、中药中的许多挥发油以及0.1脱水乙酸等物质均有防腐作用。
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