ch4 微生物的生长繁殖与遗传变异

Chapter4微生物的生长繁殖与遗传变异第一节微生物的生长生长：微生物在适宜的环境条件下，不断吸收营养物质、按照自己的特点代谢。如果同化超过异化作用则表现为原生质增加，体积增大，细胞生长。繁殖：任何微生物细胞生长增大是有限度的，生长到一定阶段，发生分裂。对于单细胞生物来说，分裂表现为个体数目增多，则是繁殖；对多细胞微生物，如果细胞增多而个体数不增多则仍是生长，只有增加个体数目才是繁殖。一般讲，生长是指个体的生长，包括繁殖。微生物从生长到繁殖的过程称为发育。一、细菌的生长曲线：一般来说，细菌的生长速度随着时间和环境的改变而迅速改变，在适宜的条件下，细菌大量繁殖，使营养物质迅速消耗，而代谢产物、排泄物等有毒物质增加、或PH通气等条件改变、生长速度则随之下降，然后大量死亡。当少量的单细胞微生物（细菌）不能培养接种于新鲜的培养基中进行培养时，由于每一个体所处的环境条件相同，都能充分迅速的生长繁殖、在培养条件不变的情况下，定时取样计算细胞数目，以时间为横坐标，以菌数对数为纵坐标制成曲线，称为细菌的生长曲线。从这以曲线可以看出明显分为几个时期。延迟期、对数生长期、稳定生长期和衰亡期（一）、延迟期当细菌被转入一新鲜的液体培养基中后并不立即繁殖，而是需要一段时间来适应新的环境，最初菌数并不增加或减少，但它们仍然正常吸收营养物质，细胞体积随之增大，原生质变得均匀，贮藏物质逐渐消失，然后开始繁殖，由慢到快。延迟期在初期阶段细胞对外界环境不敏感，但处于延迟期后期阶段，则极为敏感，如对高温、低温、高浓度盐溶液等都是如此。这是因为接种新环境的细胞经短暂的适应后要合成大量的核酸蛋白质等以备迅速繁殖之用的结果。应用：诱变育种延迟期的长短受很多因素限制：1.细菌种类；2.接种量；3.前后培养基成分；4.培养条件。（二）对数生长期：延迟期末，细菌细胞开始分裂，基质中细胞迅速增加，进入对数生长期。在这一时期，细菌细胞数量呈几何级数增加。细胞生长旺盛、细胞数量的增加与原生质量的增加及菌液混浊度的增加呈正相关。如果以时间为横坐标，以菌数为纵坐标作图，得一直线。因为细胞为一分为二的繁殖，所以菌体的增加也呈几何倍数。即：1，21，22，23，24……2n。这里指数n表示细菌分裂的次数，单个细胞完成一次分裂所需的时间称为世代时间（G）各种不同的细菌在不同的条件下的世代时间是不同的。但一种细菌在同一条件下则世代时间相对稳定，如果在一定时间t内细菌共繁殖了n次，则世代时间G表示为：因此：或t＝nG如果在一对数生长阶段现测得细胞数为B，t时间后又测得细胞数为b则有：b＝B•2n取对数得：lgb=lgB+nlg2得：n=lgb-lbB/lg2∴.n=3.3lgb/B∵G＝t/n∴例：某细菌培养体第一次测得菌数104/ml，4小时后又测得菌数为108/ml，求此菌的世代时间及在此世代时间内的繁殖代数。解：因世代时间

T＝4小时＝240分钟，b＝108/ml，B＝104/ml∴

＝＝18.2分钟又：n＝t/GG＝18.2∴n＝240/18.2＝13.2代一般细菌细胞世代时间为20～30分钟，有些短，有些长。由于这一时间代谢旺盛，生长速率快，菌体中细胞形态化学组成生理特征较为一致，在微生物生产中常用这一时期的细胞作为种子，试验及研究这也常以这一时期细胞做材料。（三）、最高稳定生长期：在一定体积的培养基中，由于营养的限制，细胞不可能按对数期无限生长，当大量繁殖后，营养被消耗及各种不良环境开始出现，因此细胞的死亡速率开始增加，繁殖速度开始下降，当繁殖与死亡速率相等时，细胞总数不再增加，培养液中单位体积的菌数达到最大值，并维持一定时间，这一时期就是最高稳定生长阶段。这时培养基中的菌数为这一条件下所能养活的细菌的最高数额。特点：1、分裂速度降低；2、细胞内贮存物质大量积累；3、出现颗粒异集粒、脂肪粒等；4、芽孢细菌在这一阶段形成芽孢5、细胞呈现衰亡。（四）、衰亡期最高稳定期后，由于营养物质缺乏、代谢产物及有毒物质大量积累，造成不良环境条件，细胞生长速率被限制，死亡速率迅速上升，这时时间与菌数的对数成反比。即：菌数呈几何级数下降。特点：1、菌体出现多形态；2、生长曲线急剧下降；3、菌体颗粒更明显；4、原生质中出现液泡；5、细胞常常自溶消亡。但这一时期少数细菌仍可存活相当常的时间，细胞处于休眠状态。应用：

1、延迟期灭菌，选育优良品种（因为遗传保守性差，易发生变异）

2、作为生产中的菌种种子，以提高产量

3、稳定期因积累大量产物、以产物为产品的生产，此时收获产量高。

4、衰亡期菌体成熟、形成芽孢、孢子、便于保存菌种。二、微生物生长的测量方法：微生物，特别时单细胞微生物个体生长实际上很难测定、实际应用中靠测定整体的生长量。（一）、单细胞微生物数量的测定1、细胞总数的测定：1）、涂片染色法：将定量的菌液在玻片上涂布成一定面积、干燥、固定、染色后在显微镜下直接计数，观察10个以上视野，然后计算出每视野平均个数，再根据视野面积计算出总面积中的总菌数，乃至计算出原始菌液中的菌数。2）、细菌计数器显微镜观察法：在特制的细菌计数器或血球计数板上进行计数，取一定量的菌液、置于计数器载玻片与盖玻片之间的计数室内。这一计数室的体积室规定好的，在显微镜下计算一定面积的菌数，换算成计数室内的细菌数，再算出原始菌液之菌数。3）、过滤膜浓缩计算法：对于含菌较少的含菌液，把菌液通过膜的过滤，然后进行染色、计数，根据每视野的菌数及视野面积计算出原液中的含菌数。4）、比浊法：对于较浓的菌液，由于微生物的生长量与浊度之间又一定关系，利用光电比色计或浊度计迅速测定菌液的浊度，然后在标准曲线上查找出此浊度下的菌数值。2、活菌数的测定：1）、稀释平板培养法：先将菌液做10倍系列稀释、将最后三个稀释度的菌液各取一定量与适当的固体培养基混匀后制成固体平板（或在固体平板上涂布），待培养、生长出菌落后，计算菌落数，求出平均值，然后乘以所稀释的倍数，即得到原始菌液的菌数。2）、最可能计数（MPN）法：将菌液做10倍系列稀释，菌数可以少到无菌、取3～5个，重复将各稀释度在固体或液体培养基上培养后选取最后3个稀释度中均生长的管或皿作为数量指数，由？？分配表中查出近似值。再乘以水朗指数的第一个指数对应的稀释倍数即为菌数。3）、滤膜培养法：将菌种样品通过带有许多小孔又不让细菌流出的微孔滤膜，借助膜的作用将细菌截留和浓缩，再将膜放于固体培养基表面培养，然后类似平板计数。（二）、生长量的测定：1、直接测定——干重法：测定单位体积培养物中细胞的干重，表示生长量。将菌体离心、洗涤、烘干，称干重。2、间接测定：

1）、细胞含N量的测定，一般细菌含N量为原生质干重的14％，通过获得纯菌体，以凯氏定N法测定。

2）、生理指标法：以代谢作用消耗或产生的物质量表示微生物的生长量，如对蛋白质沉卵、糖发酵产酸的产量、对O2的吸收量表示生长量。第二节微生物的遗传和变异遗传：子代生物对其亲代性状的保持或生命在世代间的连续。变异：凡在遗传物质水平上发生了改变，从而引起某些相应性状发生变化。微生物靠遗传保持特性的相对稳定，靠变异产生新种以适应新环境。一、微生物遗传变异的特点：个体小、可直接与环境中的各种诱变因子作用，易于发生突变。由于繁殖快、生活周期短，因而发生的突变性状见效快、有利与遗传。由于微生物大多物性繁殖，因而变异后的个体易于保持并持续其新的特性。二、遗传的物质基础——DNA性状的决定：

1、酶、生理性状即形态结构的表现。

2、mRNA：酶及蛋白质结构及性质特征的决定。

3、DNA(RNA)：决定mRNA的结构遗传密码。（一）、DNA的分子结构：

1、基本分子组成：脱氧核糖

2、DNA单链：由各种核苷酸、磷酸及碱基连接而成多核苷酸

DNA双螺旋结构：两个方向相反的单链分子严格地按碱基互补配对原则形成双链。G＝C，A＝T，每个碱基对间的距离为3.4埃，直径为20埃，但在单链分子中个核苷酸的位置是自由决定的。（二）基因：生物体内具有自我复制能力的一串功能单位叫基因。是指由特定核苷酸顺序的核酸区段。一个基因一般为1000个左右的核苷酸。基因控制各种蛋白质的合成，因而控制遗传性质，而遗传则并不是传递性状，而是传递基因。为DNA的半保留复制。（三）DNA的功能：1、自体催化（自我复制）2、异体催化（控制Pr合成）三：遗传信息的传递DNA序列的多样性决定了蛋白质的多样性，从而决定了遗传性状的多样性。将DNA的遗传信息传递给蛋白质的物质是RNA。（一）RNA：○1nRNA○2dRNA○3rRNA结构A、G、C、U结构，单链结构（二）遗传密码：指mRNA上特定的核苷酸顺序，由三个核苷酸构成。一个密码决定了一种特定的氨基酸，是运载信息的最基本单位。（三）遗传信息的传递过程：转录和翻译1、转录：以DNA为模板，按碱基互补原则在RNA合成酶的催化下，合成mRNA的过程称为转录。通过转录DNA上的遗传信息转给mRNA，合成后带遗传信息的mRNA与蛋白体结合、构成蛋白质合成场所。2、翻译：以mRNA为模板，在核蛋白体、基蛋白质合成酶作用下，按照遗传密码确定的（控制的）氨基酸顺序指导蛋白质的合成。四、遗传工程遗传工程又称基因工程，是通过人工手段，获得一种生物的遗传物质（DNA）的第一片段，在体外进行切割、重组、形成新的遗传物质后再引入生物细胞中去，使这一遗传性状得到表达，从而得到新的生物品种的遗传学技术。1、基因的分离：1).直接分离：