微生物的生长与控制
微生物的生长及其控制
☆每种单细胞微生物都有各自经典生长曲线, 但它们 生长过程却有着共同规律性。普通能够将生长曲线划 分为四个时期。
微生物的生长及其控制
第21页
延对 滞数 期期
稳定时
衰亡期
经典生长曲线 （Growth curve）
时期划分: 按照生长速率常数R（growth race constant）不一样
E.aerogenes
组合
37 29~44
B. Cereus（蜡状芽孢杆菌）
肉汤
30 18
B.thermophilus（嗜热芽孢杆菌）
肉汤
55 18.3
Lactobacillus acidophilus（嗜酸乳杆菌） 牛奶
37 66~87
Streptococcus lactis（乳酸链球菌）
牛奶
37 26
微生物的生长及其控制
第25页
2.指数期中三个主要参数
❖ 繁殖代数（n）
❖ 指数生长方式： 1、 2、4.8… …2n
❖ 设接种时细胞数为x1, 时间为t1, 到时间t2后， 繁殖n代，细胞数为x2，它们之间相互关系为：
❖
x2 = x1·2n
❖ 以对数表示：㏒ x2 = ㏒ x1 + n㏒2
❖ ∴ n =㏒ x2 - ㏒ x1 = 3.322(㏒ x2 - ㏒ x1 )
群体生长——群体中个体数目标增加。能够用重量、 体积、密度或浓度来衡量。（因为微生物个体极 小, 所以惯用群体生长来反应个体生长情况）
个体生长 个体繁殖 群体生长
群体生长 = 个体生长 + 个体繁殖
微生物的生长及其控制
第六章微生物的生长及其控制
第六章微生物的生长及其控制微生物不论其在自然条件下还是在人为条件下发生作用，都是通过“以数取胜”或“以量取胜”。
生长和繁殖就是保证微生物获得巨大数量的必要前提。
微生物生长是指由于细胞成分的增加导致微生物的个体大小、群体数量或两者的增长。
个体细胞生长：细胞内组分的增加，导致细胞总量（体积、质量、大小）扩个体繁殖：是微生物个体生长到一定阶段，由于细胞结构的复制与重建并通由于微生物个体微小，以个体为对象研究其生长和繁殖十分不便，常以群体数量的变化来研究微生物的生长。
在微生物学中，凡说“生长”一般均指群体生长，这与研究大型生物有所不同。
群体生长：指在一定时间和条件下，微生物细胞总量的增加。
既有量变也有质变。
三者之间的关系：个体生长→个体繁殖→群体生长群体生长＝个体生长＋个体繁殖第一节测定生长繁殖的方法测定生长的方法是以原生质含量的增加为基础，测定繁殖是建立在计算个体数目上。
一、测生长量直接方法：测菌体细胞（数）量、菌体体积、菌体质量等；间接方法：根据细胞内某种物质的含量或某种代谢活动强度间接测定。
（一）直接法1、测体积这是一种粗放的方法。
将待测培养液放在刻度离心管中作自然沉降或离心沉降，观察其体积。
污泥沉降比（SV）：为含有污泥的混合液在量筒中静置30 min后所形成的沉淀污泥的容积占原混合液容积的百分数，以%表示。
又叫30 min沉淀率。
该参数是评定活性污泥质量的重要指标之一。
正常范围为15-30%。
2、称重此法的原理是根据每个细胞有一定的重量而设计的。
它可以用于单细胞、多细胞以及丝状体微生物生长的测定。
包括称干重（DCW）和湿重。
将一定体积的样品通过离心或过滤将菌体分离出来，经洗涤，再离心后直接称重，求出湿重。
如果是丝状体微生物，过滤后用滤纸吸去菌丝之间的自由水，再称重求出湿重。
不论是细菌样品还是丝状菌样品，可以将它们放在已知重量的平皿或烧杯内，于105℃烘干至恒重，取出放入干燥器内冷却，再称量，求出微生物干重。
微生物的生长与控制
微生物的生长与控制：细菌的细胞周期：细菌无性繁殖的方式：二分裂：同形分裂；异形分裂；多次分裂；劈裂；芽殖；孢子大肠杆菌同形二分裂：首先新的细胞物质合成，细胞逐渐延伸，DNA开始复制，然后染色体向细胞的两端分离，在细胞中部开始形成隔板，最后隔板完全形成，将母细胞分割为大小一样的两个子细胞。
新月柄杆菌异形分裂：新月柄杆菌幼龄细胞的一端有鞭毛，而老龄细胞有柄，在繁殖过程中，有柄的细胞合成新的细胞组分，细胞延长，在无柄的一端长出鞭毛，然后以收缢的方式进行二分裂，产生一个有柄的细胞，和一个有鞭毛的游动细胞，游动细胞可以固着在新的基物上，最后鞭毛消失，在鞭毛消失处形成新的柄，进入下一轮生长和复制。
蛭弧菌多次分裂：首先，蛭弧菌侵入革兰氏阴性菌的周质空间形成蛭弧体，在寄主细胞中蛭弧菌可以产生水解酶，水解寄主细胞的细胞周质，以满足自己的营养需求以及生产，随着生长蛭弧菌细胞逐渐伸长形成丝状细胞，然后丝状细胞在多个部位分裂，形成多个子代细胞，每一个子代细胞又会形成新的鞭毛，最后寄主细胞裂解，子代蛭弧菌被释放到环境中。
节杆菌劈裂：节杆菌通过劈裂进行繁殖，节杆菌是革兰氏阳性菌，具有内外两层细胞壁，在细胞延长进行分裂的过程中，只有内层细胞壁参与横隔壁的形成，这样就形成了两个子细胞，共同被外层细胞壁包裹的状态，最后外层细胞壁在一侧断裂，形成V字形排列的两个子细胞。
细菌芽殖：生丝微菌的母细胞附着在固体基物上，然后长出丝状物，丝状物末端形成芽体，芽体逐渐膨大，长出1根鞭毛形成子细胞，有鞭毛的子细胞脱离母细胞后，母细胞继续以出芽的形式生成子细胞，子细胞最后也会失去鞭毛成长为母细胞。
生活周期：从一个新的子细胞的产生开始，到子细胞经过生长、繁殖产生下一代子细胞的阶段。
可分为三个阶段：第一个阶段：细胞生长期：细胞合成一些新的细胞物质,相当于真核生物细胞周期的G1期。
第二个阶段：染色体复制和分离期：相当于真核生物的S期和M期中的有丝分裂期，而没有G2期。
第六章微生物的生长及其控制
（2） 恒化器：
与恒浊器相反，恒化器是一种设法使培养液 流速保持不变，并使微生物始终在低于最高 生长速率下进行生长繁殖的一种连贯培养装 置 在恒化器中，一方面菌体密度会随时间的增 长而增高，另一方面，限制因子的浓度会随 时间的增长而降低，（使菌体生长慢），两 者相互作用，会出现生长与流速相平衡，这 样，即可获得一定生长速率的均一菌体，又 可获得虽低于最高菌体产量，却能保持稳定 菌体密度的菌体。
3、 防腐：（Antisepsis）
是指利用某种理化因素完全抑制霉腐微生物的生长繁 殖，从而达到防止食品等发生霉变的措施。
措施：
（1） 低温： （2） 缺氧： （3） 干燥： （4） 高渗： （5） 高酸度： （6） 防腐剂：
4、化疗：（Chemotheraph）
即化学治疗，它是利用对病原菌具有高度毒力，而对 宿主细胞无显著毒性的化学物质来抑制宿主体内病原 微生物的生长繁殖，借以达到治疗在目的。
连续培养的优缺点：
优点： A、高效，简化了装料、灭菌，出料、清洗等 程序。 B、产品质量较稳定。 C、自控，可利用各种仪表加以控制。 D、节约人力、动力、资源（水、汽等） 缺点： A、菌种易于退化 B、易遭杂菌污染。
第二节 影响微生物生长的主要因素
影响微生物生长的外界因素很多，除一些营养 条件外，还有许多物理条件，其中最重要的有 温度，PH、氧气等。 一、 温度： 微生物的生长T有宽窄，但总有最低生长T，最 适生长T，最高T。并称为生长温度三基点。 最低生长T：一般-5---10。C，极端为-30。C 最适生长T：嗜冷菌；中温菌；嗜热菌。 最高生长T：一般为80—95。C，极端为105— 300。C。
三、 影响加压灭菌效果的因素：
微生物的生长与控制--环境因素对微生物生长的影响
一、环境因环素境对微因生素物对生长微的生影物响生长的影响概述－pH
３
值
➢ 环境pH值对微生物生长的影响：
➢影响膜表面电荷的性质及膜的通透性，进而影响对物质的吸收能力；
➢改变酶活、酶促反应的速率及代谢途径：如：酵母菌在pH4.5-5产乙醇，
pH6.5以上产甘油、酸；
➢影响培养基中营养物质离子化程度，从而影响营养物质吸收，或有毒物质毒性；
微生物学基础
单元七 微生物的生长与控制
项目二 微生物生长的控制
一、环境因素对微生物生长的影响
１ 环境因素对微生物生长的影响概述 ➢ 微生物与环境之间相互影响和相互作用： ✔各种各样的环境因素对微生物的生长和繁殖有影响； ✔微生物生长繁殖也会影响和改变环境； ➢ 可以通过控制环境条件来利用微生物有益的一面，同时防止它有害的一面； ➢ 影响微生物生长的外界因素：
一、环境因素对微生物生长的影响
２ 环境因素对微生物生长的影响概述－温度 ➢ 中温型微生物（嗜温微生物）：最适生长温度为20℃~40 ℃，大多数微生物属于此类；
➢ 室温型主要为腐生或植物寄生，在植物或土壤中；
➢ 体温型主要为寄生，在人和动物体内。
一、环境因素对微生物生长的影响
２ 环境因素对微生物生长的影响概述－温度 ➢ 高温型微生物（嗜热微生物）：最适生长温度为50℃~60℃,主要分布在温泉、堆肥和 土壤中； ➢ 在高温下能生长的原因： ➢ 酶蛋白以及核糖体有较强的抗热性； ➢ 核酸具有较高的热稳定性（核酸中G+C含量高（tRNA），可提供形成 氢键， 增加热稳定性 ）； ➢ 细胞膜中饱和脂肪酸含量高，较高温度下能维持正常的液晶状态；
脂斜面菌种通常可以长时间地保藏在4℃的冰箱中；
✔当温度过低，造成微生物细胞冻结时，有的微生物会死亡，有些
06第六章 微生物的生长及控制
1. 微生物生长繁殖的pH值
大多数细菌、放线菌喜欢生活在中性偏碱的环境中， 细菌最适的pH在7.0~8.0之间，放线菌的最适pH在7.5~8.5 之间； 而酵母菌和霉菌刚好相反，适合在偏酸的条件下生 长，霉菌的最适pH值在4.0~5.8之间，酵母菌在3.8~6.0之 间。
2. pH值对微生物生长的影响
稀释倒平板法
操作较麻烦，对 好氧菌、热敏感 菌效果不好！
2. 膜过滤培养法
菌数低的样品（如水）→ 膜过滤 → 培养 → 菌落计数
3. 显微镜直接计数法
缺点：
① 不能区分死菌与活菌 ② 不适于对运动细菌的计数 ③ 需要相对高的细菌浓度 ④ 个体小的细菌在显微镜下难以观察
4. 比浊法
5. 重量法
为什么氧气存在能够抑制甚至杀死厌氧菌？
氧气进入菌体后，能接受电子而产生不同还原性的氧 离子，如过氧离子、过氧化物自由基。过氧化物自由基和过 氧离子都是很强的氧化剂，对微生物有毒，能氧化微生物过 程中所必需的酶。 好氧菌、兼性需氧菌以及微量需氧菌体内含有过氧化 物歧化酶（SOD)和过氧化氢酶。这两种酶能将过氧化物自由 基和过氧离子还原成没有毒性的水分子，所以它们不会被氧 气所杀死。耐氧菌虽没有过氧化氢酶，但有过氧化物酶，能 合成SOD，而不会被氧毒害。 厌氧菌体内都没有这些酶，所以不能忍受氧气。
将单位体积培养液中的菌体，用清水洗净， 然后放入干燥器内加热或减压干燥，最后测定其 干重。一般来说，干重约为湿重的10~20%，即 1mg干菌 = 5~10mg湿菌 = 4~5×109个菌体。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 6.氮量法(生理指标法)
微生物细胞的含氮量一般比较稳定，所以 常作为生长量的指标。如细菌含氮量约为菌体 干重的14%。含氮量乘以6.25即可粗测出其蛋白 质含量。
食品微生物第五章微生物的生长与控制
生长曲线以少量纯培养细菌接种有限的液体培养基，并在培养过程中定时取样测数，可以发现细菌的生长有一定的规律，若以时间为横坐标，菌数的对数为纵坐标，可以绘出一条类似于S形的曲线，这就是细菌的生长曲线。
由生长曲线可将细菌的群体生长划分为4个时期：延迟期、对数期、稳定期、衰亡期。
延迟期这个时期内的细菌细胞通常表现为个体变长，体积增大和代谢活跃，细胞内的RNA含量增加使细胞质的嗜碱性增强，并由于代谢活性的提高而使贮藏物消失；细胞对外界理化因子（如NaCl、热、紫外线、x—射线等）的抵抗能力减弱。
细菌延滞期的长短取决于菌种的遗传特性、菌龄及接种前后培养条件的差异等。
将处于对数期的培养物接种到相同的培养环境中可以缩短乃至消除延滞期。
对数期生长旺盛，代谢活力增强，分裂速度加快，菌数以几何级数增加，代时稳定，其生长曲线表现为一条上升的直线。
稳定期在对数末期，由于营养物质(包括限制性营养物质)的逐渐消耗,有生理毒性的代谢产物在培养基中的积累及培养环境条件中pH和氧化还原电位Eh等对细菌生长不利的变化，使细菌的生长速度降低，增殖率下降而死亡率上升，当两者趋于平衡时，就转入稳定期。
可以通过补料，调节ｐH、温度或通气量等措施来延长稳定期衰亡期细菌在经过稳定期后，由于营养和环境条件进一步恶化,死亡率迅速增加，以致明显超过增殖率，这时尽管群体的总菌数仍然较高，但活菌数急剧下降，其对数与时间呈反比，表现为按几何级数下降，生长曲线直线下垂，有人又称其为对数死亡期。
这个时期的细胞常表现为多形态，产生许多大小或形态上变异的畸形或退化型，其革兰氏染色亦不稳定，许多G+细菌的衰老细胞可能表现为G-。
恒浊法和恒化法培养核心内容是什么？大概过程是指什么？1.恒浊连续培养不断调节流速而使细菌培养液浊度保持恒定的连续培养方法叫恒浊连续培养。
在恒浊连续培养中装有浊度计，借光电池检测培养室中的浊度(即菌液浓度)，并根据光电效应产生的电信号的强弱变化，自动调节新鲜培养基流入和培养物流出培养室的流速。
微生物生长与控制
微生物生长的研究方法 环境因素对微生物生长的影响 微生物生长的控制
生长与繁殖的概念
生长——微生物细胞吸收营养物质，进行新陈代谢， 当同化作用大于异化作用时，生命个体的重量和体积 不断增大的过程。
繁殖——生命个体生长到一定阶段，通过特定方式产 生新的生命个体，即引起生命个体数量增加的生物学 过程。
典型的生长曲线
延对 滞数 期期
稳定期
衰亡期
生长速率常数(R)=分裂次数(代)/单位时 间
典型的生长曲线按照生长速率常数（growth race constant）不 同分为延滞期、对数期、稳定期和衰亡期
1.延滞期（lag phase）
其它名称：停滞期、调整期、适应期 1）现象：活菌数没增加，曲线平行于横轴。 2）特点：
2、对数期（logarithmic phase）
其他名称：指数期
指细胞以几何级数速度分裂的一段时期
1）特点：
Ø生长速率常数最大，即代时最短 Ø细胞进行平衡生长，菌体大小、形态、生理特征等比较一致 Ø代谢最旺盛
2） 影响因素：
Ø 菌种 Ø 营养成分 Ø 营养物浓度﹡ Ø 培养温度
E.coli 17 分，结核杆 菌 792—932分
单批培养
连续培养
时间
（二）连续培养器
按控制方式分
内控制（控制菌体密度）：恒浊器 外控制（控制培养液流速、以控制
连
生长速率）：恒化器
续 培
按培养器的级数分
单级连续培养器 多级连续培养器
菌体生成器 产物合成器
养
按细胞状态分
一般连续培养器 固定化细胞连续培养器
器
按用途分 实验室科研用：连续培养器 发酵生产用：连续发酵罐
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裂，释放出一个D-丙氨酰残基，然后倒数第二个D-丙氨酸的
游离羧基与相邻甘氨酸五肽的游离氨基间形成肽键而实现交
联。
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肽聚糖的生物合成与某些抗生素的作用机制
一些抗生素能抑制细菌细胞壁的合成，但是它们的作用 位点和作用机制是不同的。
① -内酰分类上高度分散来推断，固氮 作用应是原始生物的基本代谢之一
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2
3 固氮生物的生化机制 (1)固氮的必要条件
ATP供应 还原力及其载体 固氮酶 还原底物N2 镁离子 严格的厌氧微环境
(2)固氮酶
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3
(3)固氮酶活力测定
定氮法
同位素法
固氮酶
H(4C)固氮CH的生H化2 机制 H2C CH2
第三节 微生物独特合成途径举例
1 定义： N2 +6[H] 固氮生物 2NH3 生物固氮
Mg2++ATP
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1
2 固氮生物的种类 (1)自生固氮菌：能独立进行固氮的微生物 (2)共生固氮菌：与它种生物共生时才能固氮的微生物 (3)联合固氮菌：必须生活在植物跟际、叶面或动物肠
道等处才能固氮的微生物
这一阶段分两步：
第一步：是多糖链的伸长——双糖肽先是插入细胞壁生长点 上作为引物的肽聚糖骨架（至少含6~8个肽聚糖单体分子） 中，通过转糖基作用（transglycosylation)使多糖链延伸一个 双糖单位；
第二步：通过转肽酶的转肽作用（transpeptitidation)使相邻
多糖链交联——转肽时先是D-丙氨酰-D-丙氨酸间的肽链断
能不很明确(尤其是抗生素)以及其合成一般受质粒控制等特点。
一般地说，形态构造和生活史越复杂的微生物(如放线菌和丝
状真菌)，其次生代谢物的种类也就越多。
杆菌肽
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P - P -类脂 插入至膜外肽 聚糖合成处
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肽聚糖单体的合成——细菌萜醇
细菌萜醇（bactoprenol）：又称类脂载体；运载“Park”核 苷 酸 进 入 细 胞 膜 ， 连 接 N- 乙 酰 葡 糖 胺 和 甘 氨 酸 五 肽 “桥”，最后将肽聚糖单体送入细胞膜外的细胞壁生长 点处。
乙炔法(1965年)
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4
3 固氮菌中对固氮酶的保护 (1)自生固氮菌的保护
呼吸保护作用 构象保护作用 (2)蓝细菌固氮酶的保护 还原性异形胞 时空分隔、束状群体、微氧环境等等 (3)根瘤菌的抗氧保护 豆血红蛋白
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5
三、肽聚糖的合成
微生物特有的结构大分子： –细菌：肽聚糖、磷壁酸、脂多糖、各种荚膜成分等 –真菌：葡聚糖、甘露聚糖、纤维素、几丁质等
☆这一阶段的详细步骤如图所示。其中的反应④与⑤分别 为万古霉素和杆菌肽所阻断。
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肽聚糖单体的合成
UDP
UDP- G
②
M - P - P -类脂
G - M - P - P -类脂
5 甘氨酰-tRNA
③ 5 tRNA
G - M - P - P -类脂
UDP UDP - M
① ④ 万古霉素
P -类脂 Pi ⑤
葡萄糖胺、 N-乙酰胞壁酸，以及胞壁酸五肽，都
是与糖载体UDP结合的教；学ppt
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由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸
ATP ADP
葡萄糖
葡萄糖-6-磷酸
Gln Glu 果糖-6-磷酸
乙酰CoA CoA
葡糖胺-6-磷酸
N-乙酰葡糖胺-6-磷酸
UTP PPi
N-乙酰葡糖胺-1-磷酸
N-乙酰葡糖胺-UDP
磷酸烯醇式丙酮酸 Pi NADPH NADP
N-乙酰胞壁酸-UDP
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10
“Park”核苷酸的合成
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第二阶段：
在细胞膜上由N-乙酰胞壁酸五肽与N-乙酰葡萄糖胺合 成肽聚糖单体——双糖肽亚单位。
☆这一阶段中有一种称为细菌萜醇(bactoprenol,Bcp)类脂 载体参与，这是一种由11个类异戊烯单位组成的C55 类异戊 烯醇，——它 通过两个磷酸基与N-乙酰胞壁酸相连，载着 在细胞质中形成的胞壁酸到细胞膜上，在那里与N-乙酰葡 萄糖胺结合，并在L-Lys上接上五肽(Gly)5 ,形成双糖亚单位。
肽聚糖：绝大多数原核微生物细胞壁所含有的独特成分；在细 菌的生命活动中有重要功能，尤其是许多重要抗生素如青霉素、 头孢霉素、万古霉素、环丝氨酸（恶唑霉素）和杆菌肽等呈现 其选择毒力（selective toxicity）的物质基础。是在抗生素治疗 上有特别意义的物质。
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合成特点：①合成机制复杂，步骤多，且合成部位几经转移； ②合成过程中须要有能够转运与控制肽聚糖结构元件的载体 （UDP和细菌萜醇）参与。 合成过程：依发生部位分成三个阶段：
壁（肽聚糖）的合成受阻。
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四、微生物次生代谢物的合成
微生物次生代谢物是指某些微生物生长到稳定期前后，
以结构简单、代谢途径明确、产量较大的初生代谢物作前体，
通过复杂的次生代谢途径所合成的各种结构复杂的化学物。
与初生代谢物不同的是，次生代谢物往往具有分子结
构复杂、代谢途径独特、在生长后期合成、产量较低、生理功
结构式：
CH3
CH3
CH3
CH3C=CHCH2(CH2C=CHCH2)9CH2C=CHCH2―OH
功能：除肽聚糖合成外还参与微生物多种细胞外多糖和脂 多糖的生物合成，
如：细菌的磷壁酸、脂多糖，
细菌和真菌的纤维素，
真菌的几丁质和甘露聚糖等。
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第三阶段：
已合成的双糖肽插在细胞膜外的细胞壁生长点中，并交联形 成肽聚糖。
–细胞质阶段：合成派克（Park）核苷酸 –细胞膜阶段：合成肽聚糖单体 –细胞膜外阶段：交联作用形成肽聚糖
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第一阶段： 在细胞质中合成N-乙酰胞壁酸五肽（“Park”核苷 酸）。
☆这一阶段起始于N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸，它是 由葡萄糖经一系列反应生成的；
☆自N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸开始，以后的N-乙酰
是D-丙氨酰-D-丙氨酸的结构类似物，两者相互竞争转肽酶的 活性中心。当转肽酶与青霉素结合后，双糖肽间的肽桥无法 交联，这样的肽聚糖就缺乏应有的强度，结果形成细胞壁缺 损的细胞，在不利的渗透压环境中极易破裂而死亡。
②杆菌肽：
能与十一异戊烯焦磷酸络合，因此抑制焦磷酸酶的作用，这
样也就阻止了十一异戊烯磷酸糖基载体的再生，从而使细胞