微生物的生长及其控制1优秀课件

第六章微生物的生长及其控制生长——微生物细胞吸收营养物质，进行新陈代谢，当同化作用>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。发育——从生长到繁殖，是生物的构造和机能从简单到复杂、从量变到质变的发展变化过程，这一过程称为发育。个体生长——微生物细胞个体吸收营养物质，进行新陈代谢，原生质与细胞组分的增加为个体生长。群体生长——群体中个体数目的增加。可以用重量、体积、密度或浓度来衡量。（由于微生物的个体极小，所以常用群体生长来反映个体生长的状况）个体生长个体繁殖群体生长群体生长=个体生长+个体繁殖生长与繁殖的概念第一节测定生长繁殖的方法一、以生物量为指标测定微生物的生长（一）直接法体积测量法：又称测菌丝浓度法通过测定一定体积培养液中所含菌丝的量来反映微生物的生长状况。方法是，取一定量的待测培养液（如10毫升）放在有刻度的离心管中，设定一定的离心时间（如5分钟）和转速（如5000rpm），离心后，倒出上清液，测出上清液体积为v，则菌丝浓度为（10-v）/10。菌丝浓度测定法是大规模工业发酵生产上微生物生长的一个重要监测指标。这种方法比较粗放，简便，快速，但需要设定一致的处理条件，否则偏差很大，由于离心沉淀物中夹杂有一些固体营养物，结果会有一定偏差。（二）间接法比浊法：该法主要用于发酵工业菌体生长监测

微生物的生长引起培养物混浊度的增高。在一定范围内，菌悬液中的细胞浓度与混浊度成正比，即与光密度成正比，菌数越多，光密度越大。因此，借助于分光光度计，在一定波长下测定菌悬液的光密度，就可反应出菌液的浓度。对某一培养物内的菌体生长作定时跟踪时，可采用一种特制的有侧臂的三角烧瓶。将侧臂插入光电比色计的比色座孔中，即可随时测定其生长情况，而不必取菌液。快速、简便；但易受干扰。生理指标法：测含氮量蛋白质是细胞的主要物质，含量稳定，而氮是蛋白质的主要成分，通过测含氮量就可推知微生物的浓度。一般细菌含氮量为干重的12.5%，酵母菌为7.5%，霉菌为6.0%，根据一定体积培养液中的含氮量再乘以6.25，就可测得粗蛋白的含量。其他方法含碳、磷、DNA、RNA、耗氧量、消耗底物量、产二氧化碳、产酸、产热、粘度等，都可用于生长量的测定。二、以数量变化对微生物生长情况进行测定（一）直接法将待测样品制成菌悬液，适当稀释，加入血球计数板方格网的计数室内，在显微镜下直接计数；因为计数室的体积一定，所以能够计算出每毫升待测样品中的细胞个数；特点：全菌计数，不区分死菌与活菌；适用于单细胞微生物：细菌、酵母菌；要点：菌悬液浓度应在108个细胞/毫升左右；方格网的结构方格网由九个大方格组成，中间的大方格为计数室。计数室：边长1mm、高0.1mm，体积0.1mm3等于10-4ml分为25个中方格每个中格分为16个小方格共400小格；计数室计数方法在显微镜下计算4-5个中格的细菌数，并求出每个小格所含细菌的平均数（二）间接法平板菌落计数法：活菌计数，适用于单细胞微生物将待测样品制成菌悬液；菌悬液用10倍稀释法适当稀释；定量取稀释液（0.2ml）涂平板培养，根据平板上生长的菌落计数（cfu数/平板）要点：同一稀释度涂布三皿以上取平均值计数；每支移液管或枪头只能接触一个稀释度的菌液厌氧菌的菌落计数法：第四节平板菌落计数第二节微生物的生长规律一、微生物的个体生长和同步生长由于微生物细胞极其微小，研究其个体生长存在着技术上的困难。同步培养技术：设法使群体中的所有细胞尽量都处于同样的细胞生长和分裂周期中，然后分析此群体的各种生物化学特征，从而了解单个细胞所发生的变化。同步培养法：能获得处于同一生长阶段的群体细胞的培养方法同步生长：运用同步培养技术，控制微生物生长，使之处于同一生长阶段并同时分裂。同步细胞群体在任何一时刻都处在细胞周期的同一相，彼此间形态、生化特征都很一致，因而是细胞学、生理学和生物化学等研究的良好材料。Helmstetter-Cummings法最经典的获得同步生长的方法硝酸纤维素滤膜法是由于细胞的个体差异，同步生长往往只能维持2-3个世代，随后又逐渐转变为随机生长。二、单细胞微生物的典型生长曲线生长曲线就是以培养时间为横座标，以细胞数量或生物量为纵座标作出的培养过程中生物量变化曲线图，反映液体培养基中微生物群体生长规律。☆以细菌为例介绍无分支单细胞微生物群体生长规律，其结论也基本适用于酵母菌。☆生长曲线代表了细菌在新的环境中从开始生长、分裂直至死亡的整个动态变化过程。☆每种细菌都有各自的典型生长曲线，但它们的生长过程却有着共同的规律性。一般可以将生长曲线划分为四个时期。将少量单细胞的纯培养，接种到一恒定容积的新鲜液体培养基中，在适宜条件下培养，每隔一定时间取样，测菌细胞数目。以培养时间为横坐标，以细菌增长数目的对数为纵坐标，绘制所得的曲线。生长曲线的制作其它名称：延迟期、停滞期、调整期、适应期刚接种后开始时细胞一般不立即进行繁殖，细菌数几乎不增加的一段时期，曲线稍平。此时期细胞内的代谢活动比较旺盛，细胞体积明显增大，在此期的后期，少数细胞开始分裂，曲线略有上升。现象：活菌数没增加，曲线平行于横轴特点：生长速率常数=0细胞形态变大或增长细胞内RNA特别是rRNA含量增高，原生质嗜碱性增强合成代谢活跃（核糖体、酶类、ATP合成加快），易产生诱导酶对外界不良条件敏感，（如氯化钠浓度、温度、抗生素等化学药物）原因：适应新的环境条件，合成新的酶，积累必要的中间产物（一）延滞期（lagphase）菌种：繁殖速度较快的菌种的延滞期一般较短；接种物菌龄：用对数生长期的菌种接种时，其延滞期较短，甚至检查不到延滞期；接种量：一般来说，接种量增大可缩短甚至消除延滞期（发酵工业上一般采用1/10的接种量）；培养基成分：在营养成分丰富的天然培养基上生长的延滞期比在合成培养基上生长时短；接种后培养基成分有较大变化时，会使延滞期加长，所以发酵工业上尽量使发酵培养基的成分与种子培养基接近。★影响延滞期长短的因素：认识延滞期的特点及形成原因对实践的指导意义：◆在发酵工业上需设法尽量缩短延滞期；采取的缩短lagphase的措施有：①增加接种量；（群体优势----适应性增强）②采用对数生长期的健壮菌种；③调整培养基的成分，在种子培养基中加入发酵培养基的某些成分。④选用繁殖快的菌种◆在食品工业上，尽量在此期进行消毒或灭菌☆由一个细胞分裂成为两个细胞的时间间隔称为世代，一个世代所需的时间就是代时（Ｇenerationtime,G），代时也就是群体细胞数目扩大一倍所需时间，有时也称为倍增时间。☆右图表示的是一个细胞经过若干代分裂后的情况。右图可见，每经过一个代时，细胞数目就增加一倍，呈指数增加，因而被称为指数生长，这就是单细胞群体生长的特征。N2N1t2t1培养时间Lg细胞数/ml一些细菌的代时菌名 培养基培养温度℃ 代时minE.coli（大肠杆菌） 肉汤 37 17E.coli 牛奶 37 12.5 Enterobacteraerogenes（产气肠细菌） 肉汤或牛奶37 16~18 E.aerogenes 组合 37 29~44B. Cereus（蜡状芽孢杆菌） 肉汤 30 18B.thermophilus（嗜热芽孢杆菌） 肉汤 55 18.3Lactobacillusacidophilus（嗜酸乳杆菌） 牛奶 37 66~87Streptococcuslactis（乳酸链球菌） 牛奶 37 26S.lactis 乳糖肉汤 37 48Salmonellatyphi（伤寒沙门氏菌） 肉汤 37 23.5Azotobacterchroococcum（褐球固氮菌） 葡萄糖 25 344~461Mycobacteriumtuberculosis（结核分枝杆菌）组合 37 792~932Nitrobacteragilis（活跃硝化杆菌） 组合 27 1200营养物浓度与对数期生长速率和产量作用方式：影响微生物的生长速率和总生长量生长限制因子：凡是处于较低浓度范围内，可影响生长速率和菌体产量的营养物就称生长限制因子8.0mg/ml6.0mg/ml4.0mg/ml2.0mg/ml1.0mg/ml0.5mg/ml0.2mg/ml0.1mg/ml只最大收获量受影响生长速度和最大收获量受影响时间细胞数或菌体量不同温度下的代时温度对微生物的代时有明显影响：E.Coli在不同温度下的代时温度（℃） 代时（分） 温度（℃） 代时（分）10 860 35 2215 120 37 1720 90 40 17.525 40 45 2030 29 47.5 77应用意义：①由于此时期的菌种比较健壮，增殖噬菌体的最适菌龄；生产上用作接种的最佳菌龄；②发酵工业上尽量延长该期，以达到较高的菌体密度③食品工业上尽量使有害微生物不能进入此期④是生理代谢及遗传研究或进行染色、形态观察等的良好材料。（三）稳定期（stationaryphase）又称：恒定期或最高生长期特点：①新增殖的细胞数与老细胞的死亡数几乎相等，微生物的生长速率处于动态平衡，培养物中的细胞数目达到最高值。②细胞分裂速度下降，开始积累内含物，产芽孢的细菌开始产芽孢。③此时期的微生物开始合成次生代谢产物，对于发酵生产来说，一般在稳定期的后期产物积累达到高峰，是最佳的收获时期。产生原因：

营养物尤其是生长限制因子的耗尽营养物的比例失调，如碳氮比不合适;有害代谢废物的积累（酸、醇、毒素等）物化条件（pH、氧化还原势等）不合适;应用意义：1）发酵生产形成代谢产物的重要时期（抗生素、氨基酸等），生产上应尽量延长此期，提高产量，措施如下：补充营养物质（补料）调pH

调整温度2）稳定期细胞数目及产物积累达到最高。生长产量常数（Y，或生长得率，growthyield）：概念：表示微生物对基质利用效率的高低

Y=菌体干重/消耗营养物质的浓度

根据产量常数可确定微生物对营养物质的需要量x-稳定期细胞干重；x0-接种时细胞干重；C-稳定期限制性营养物浓度；C0-限制性营养物最初浓度如：Y=0.5，表示要得到5g菌体，需某营养物（葡萄糖）10g。Y=x–x0C0–C=x–x0C0（四）衰亡期（declinephase）现象：整个群体出现负生长（R<0）特点：①细胞死亡数增加，死亡数大大超过新增殖的细胞数，群体中的活菌数目急剧下降，出现“负生长”。②细胞内颗粒更明显，细胞出现多形态、畸形或衰退形，芽孢开始释放。③因菌体本身产生的酶及代谢产物的作用，使菌体死亡、自溶等，发生自溶的菌生长曲线表现为向下跌落的趋势。衰亡期比其他各时期时间长，它的长短也与菌种和环境条件有关。产生原因：生长条件的进一步恶化，使细胞内的分解代谢大大超过合成代谢，继而导致菌体的死亡丝状微生物的群体生长丝状微生物的纯培养采用孢子接种，在液体培养基中震荡培养或深层通气加搅拌培养，菌丝体通过断裂繁殖不形成产孢结构。可以用菌丝干重作为衡量生长的指标，即以时间为横坐标，以菌丝干重为纵坐标，绘制生长曲线。可分为三个阶段：1、生长停滞期2、迅速生长期3、衰退期1、生长停滞期:

造成生长停滞的原因一是孢子萌发前真正的停滞状态，另一种是生长已经开始，但还无法测定。2、迅速生长期:菌丝体干重迅速增加，菌丝干重不以几何级数增加，没有对数生长期。生长主要表现在菌丝尖端的伸长和出现分支、断裂等，此时期的菌体呼吸强度达到高峰，有的开始积累代谢产物。3、衰退期:菌丝体干重下降，到一定时期不再变化。大多数次级代谢产物在此期合成，大多数细胞都出现大的空泡。有些菌丝体还会发生自溶菌丝体，这与菌种和培养条件有关。丝状微生物的群体生长三、微生物的连续培养分批培养（batchculture）：将微生物置于一定容积的定量的培养基中培养，培养基一次性加入。不再补充和更换，最后一次性收获。连续培养（continuousculture）：在微生物培养的过程中，不断地供给新鲜的营养物质，同时排除含菌体及代谢产物的发酵液，让培养的微生物长时间地处于对数生长期，以利于微生物的增殖速度和代谢活性处于某种稳定状态。连续培养理论基础：由于对典型生长曲线中稳定期到来原因的认识，采取相应有效措施推迟其来临，从而发展出现在的连续培养技术。原理：当微生物在单批培养方式下生长达到对数期后期时，一方面以一定的速度流进新鲜培养基并搅拌，另一方面以溢流方式以同样的流速不断流出培养液，使培养物达到动态平衡，其中的微生物就能长期保持对数期的平衡生长状态和稳定的生长速率。单批培养恒浊法恒化法单批培养 连续培养 时间连续流入新鲜培养液lg细胞数（个/ml）连续培养连续培养原理连续培养器按控制方式分按培养器的级数分按细胞状态分按用途分内控制（控制菌体密度）：恒浊器外控制（控制培养液流速、以控制生长速率）：恒化器单级连续培养器多级连续培养器一般连续培养器固定化细胞连续培养器实验室科研用：连续培养器发酵生产用：连续发酵罐连续培养器（1）按控制方式分

连续培养技术——恒化连续培养概念：以恒定流速使营养物质浓度恒定而保持细菌生长速率恒定的方法。原理：通过控制某一种营养物浓度（如碳、氮源、生长因子等），使其始终成为生长限制因子，而达到控制培养液流速保持不变，并使微生物始终在低于其最高生长速率条件下进行生长繁殖，保持恒定的生长速率。特点：维持营养成分的亚适量，控制微生物生长速率。菌体生长速率恒定，菌体均一、密度稳定，产量低于最高菌体产量。应用范围：实验室科学研究恒化器Chemostat或bactogen

概念：通过连续培养装置中的光电系统控制培养液中菌体浓度恒定、使细菌生长连续进行的一种培养方式。原理：通过调节新鲜培养基流入的速度和培养物流出的速度来维持菌浓度不变,即浊度不变。主要采用恒浊器，当浊度高时，使新鲜培养基的流速加快，浊度降低，则减慢培养基的流速。特点：基质