第六章 微生物生长繁殖与遗传变异课件

第六章

微生物生长繁殖与遗传变异

第六章微生物生长繁殖与遗传变异重点内容提示：

·细菌等单细胞微生物的生长繁殖规律，在废水处理等实际应用中的指导意义。

·细菌等微生物遗传变异的原理，利用微生物的变异性改变微生物菌种性能的途径与方法。第六章微生物生长繁殖与遗传变异§1.单细胞微生物生长繁殖曲线

·几个概念·生长：个体增大；

·

繁殖：个体数量增多。

单细胞生物与多细胞生物生长与繁殖的差异？

第六章微生物生长繁殖与遗传变异

·幼龄菌：指代谢速度快，生长繁殖旺盛的菌体。（对数生长期）·老龄菌：指代谢缓慢，生长繁殖能力低下的菌体（衰老期）第六章微生物生长繁殖与遗传变异·显微镜直接计数涂片染色计数血球计数器计数·间接计数法

平板菌落计数法（活菌计数法）

液体计数法（统计学原理）·

重量法细胞重量法：湿重与干重细胞含氮量DNA含量试比较各方法优缺点，适用范围？

·

微生物生长量测定方法

比浊法(悬浮细胞浓度)第六章微生物生长繁殖与遗传变异比例计数法已知霉菌孢子密度为8×108个/ml，根据显微镜视野中比例细菌密度为1×108个/ml第六章微生物生长繁殖与遗传变异在计数区滴加菌液，盖上特制盖玻片，利用毛细作用让菌液充满计数区细菌计数区面积为1mm2，划分为25个大方格，每个大方格又分为1个小格，计数区的深度为0.02mm。则每个大方格的体积是1/1250000ml，（1/25mm2×0.02mm）。计数时使用油镜，一般数5个大方格的菌数后计算每个大方格的平均菌数。如图所示，大方格中有14个细菌用每个大方格的平均菌数×1250000，即为每ml菌液含菌数。Petroff-Hausser计数法第六章微生物生长繁殖与遗传变异

。。第六章微生物生长繁殖与遗传变异

第六章微生物生长繁殖与遗传变异液体稀释法（MPN法）以培养液培养，记录长菌的管数总计：5－5－51ml1ml1ml√√√√√√√√√阳性：5－3－1第六章微生物生长繁殖与遗传变异最大可能数量表（mostprobablenumber，MPN）第六章微生物生长繁殖与遗传变异菌落形成单位（colony-formingunit，CFU）平板菌落计数法第六章微生物生长繁殖与遗传变异

第六章微生物生长繁殖与遗传变异滤膜法第六章微生物生长繁殖与遗传变异快速计数滤纸片TTC（氯化三苯基四氮唑，无色）→TF（三苯基甲臜，红色）第六章微生物生长繁殖与遗传变异比浊法（Turbiditymeasurement）第六章微生物生长繁殖与遗传变异·单细胞微生物生长繁殖规律

·生长曲线（growthcurve）如何获得？

根据测定生物量的方法不同，生长曲线分有：重量法、数量法、浓度法等。第六章微生物生长繁殖与遗传变异生长率上升阶段生长率下降阶段内源呼吸阶段时间细胞重量生长率上升阶段：细胞适应环境后快速生长繁殖的阶段，增代时间最短。细胞重量迅速增加。生长率下降阶段：指生长繁殖速率下降（减缓）的阶段。内源呼吸阶段：利用细胞内物质维持生命，细胞重量减少。细胞代谢缓慢，趋向衰老死亡。

第六章微生物生长繁殖与遗传变异细胞数量法（缓慢、对数、稳定和衰亡期）第六章微生物生长繁殖与遗传变异单批培养中微生物的生长曲线迟缓期衰亡期稳定期对数期总菌数活菌数第六章微生物生长繁殖与遗传变异

·试分析细胞数量法曲线各阶段的特点：

缓慢期（适应期）对数生长期稳定期衰亡期·单细胞微生物在分批培养中为什么出现这种生长规律变化？第六章微生物生长繁殖与遗传变异·缓慢期：细胞不繁殖。但酶活跃，细胞物质增多，为繁殖作准备。·指数期：所有细胞的生长繁殖速率以几何级数（2n)的方式分裂。生长速率最快。·稳定期：新增长细胞数与死亡细胞量基本相等。生长速率减缓。·衰亡期：死细胞多于活细胞，内源呼吸阶段。第六章微生物生长繁殖与遗传变异接种量影响缓慢期长短与生长速率第六章微生物生长繁殖与遗传变异营养物浓度的影响第六章微生物生长繁殖与遗传变异

培养温度的影响第六章微生物生长繁殖与遗传变异

·关于G（世代时间）：

式中：n为繁殖代数;

R为生长速率常数；

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·

接种量影响延缓期长短；

·营养物浓度高低影响生长速率；

·温度影响菌体生长速率与世代时间。

·

还有哪些因素（内因、外因）影响着单细胞微生物的生长速率？

第六章微生物生长繁殖与遗传变异

·连续培养

·连续培养(continuousculture)，开放培养（openculture）

·具体操作：细胞培养对数期后，以一定速率流入新鲜培养基，并利用溢流方式以同样流速流出培养物。容器内培养物达到动态平衡，微生物生长维持在某一对数生长期的生长速率。第六章微生物生长繁殖与遗传变异

连续培养与分批培养的比较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）连续培养第六章微生物生长繁殖与遗传变异

·恒浊器（培养液流速不稳定）

恒浊器中菌体密度较稳定，菌体以最高生长速率生长。应用上：以获得大量菌体生长相平衡的代谢产物（如乳酸、乙醇等）都可以用恒浊器进行连续发酵。·恒化器（培养液流速不变）

微生物在低于最高生长速率的条件下生长繁殖，应用上：主要用于科学研究工作。如限定底物浓度研究微生物的生长速率等。第六章微生物生长繁殖与遗传变异

·曲线在实践中指导意义

如·菌种保藏（乳酸杆菌、解酚细菌等）

·发酵工业菌扩培及发酵接种

·收获微生物细胞及发酵产品

·废水处理

·单细胞微生物在这些应用实践中宜采用哪一阶段的生理菌？

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·曲线在废水处理中的指导意义

·生物处理目标：降低以BOD/COD为指标的有机物浓度，减少N/P物质排放量、尽量减少微生物污泥量等。

·活性污泥法处理废水，该控制哪一生理阶段的菌群进行处理？试分析各生长阶段处理废水特点。

第六章微生物生长繁殖与遗传变异·指数期（生长率上升阶段）

优点：细菌代谢速度最快，净化有机物的效率最高。缺点：菌体不易凝聚沉淀；净化后有机物浓度不能达到排放标准；微生物污泥量大。

·稳定期（生长率下降阶段）

优点：菌体沉降性能较好，处理有机物较为彻底。缺点：污泥量较大。

·衰亡期（内源呼吸阶段）优点：有机物完全氧化，细胞沉降性能与出水水质好，污泥量小。缺点；净化效率慢，有机物质浓度低。第六章微生物生长繁殖与遗传变异食料/微生物与微生物代谢速率、废水处理的关系生长率下降阶段生长率上升阶段沉降性能好沉降性能差（大多数活性污泥处理运行范围）食料/微生物代谢速率内源呼吸阶段延时瀑气沉降性能较好第六章微生物生长繁殖与遗传变异

活性污泥法处理废水的实践应用：

·高浓度有机废水快速处理到一定水质，采用生长率上升阶段的菌体进行运转。

·一般活性污泥法处理废水（达到排放水标准），采用菌体在生长率下降后期、衰亡期前期进行运转（即延迟曝气方式处理）。为什么？第六章微生物生长繁殖与遗传变异§2.微生物的遗传变异

·遗传变异概念与特性

正变：优良性状提高.如生产菌发酵周期缩短，产量提高；菌种降解物质能力增强等。

负变：应用功能下降.如生产菌发酵力退化，病原菌致病性增强，菌种降解物质能力下降。变异株易发现：从形态、细胞结构（芽孢、荚膜等）以及生理代谢特性等方面辨别与判断。微生物遗传保守程度：其大小由不同菌种决定。第六章微生物生长繁殖与遗传变异

·细菌等微生物遗传变异的物质基础

·遗传物质确定过程：1928年，英国细菌学家格里菲斯（Griffth）研究两种肺炎双球菌型的毒性。

S型肺炎双球菌，有荚膜。

R型肺炎双球菌，无荚膜。第六章微生物生长繁殖与遗传变异

第六章微生物生长繁殖与遗传变异1928年，Griffith进行了以下几组实验：（1）动物实验

对小鼠注射活RII菌或死SIII菌————小鼠存活

对小鼠注射活SIII菌————————小鼠死亡

对小鼠注射活RII菌和热死SIII菌———小鼠死亡

抽取心血 分离

活的SIII菌研究对象：Streptococcuspneumoniae（肺炎双球菌）SIII型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性

RII型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性（一）经典转化实验（transformation）：F.Griffith第六章微生物生长繁殖与遗传变异Griffith

转化试验示意混合培养RII型活菌SIII型活菌SIII型热死菌RII型活菌SIII型活菌健康健康健康健康健康健康健康病死病死病死第六章微生物生长繁殖与遗传变异（2）细菌培养实验（3）S型菌的无细胞抽提液试验以上实验说明：加热杀死的SIII型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入RII型细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性状，转变为SIII型细胞。热死SIII菌—————不生长

活RII菌—————长出RII菌

热死SIII菌—————长出大量RII菌和10-6SIII菌活R菌+S菌无细胞抽提液——长出大量R菌和少量S菌+活RII菌平皿培养第六章微生物生长繁殖与遗传变异

1944年，O.T.Avery(埃弗里)等从热死的S型肺炎双球菌中提纯了各种成分（DNA,蛋白质，荚膜多糖等），并在离体条件下分别实验。

结果发现S型肺炎双球菌的DNA具有使R型细胞产生毒性、小白鼠死亡的能力。

第六章微生物生长繁殖与遗传变异①加S菌DNA②加S菌DNA及DNA酶以外的酶③加S菌的DNA和DNA酶④加S菌的RNA⑤加S菌的蛋白质⑥加S菌的荚膜多糖活R菌长出S菌只有R菌1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M。McCarty从热死S型S.pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化试验：只有S型细菌的DNA才能将S.pneumoniae的R型转化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子。第六章微生物生长繁殖与遗传变异·DNA组成与构成胸腺嘧啶thymine

核酸成分：碱基(嘧啶、嘌呤），戊糖，磷酸。胞嘧啶cytosine第六章微生物生长繁殖与遗传变异尿嘧啶uracil（存在于RNA中）第六章微生物生长繁殖与遗传变异鸟嘌呤guanine腺嘌呤Adenine第六章微生物生长繁殖与遗传变异

戊糖两种戊糖:DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖为β-D-核糖。

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糖与碱基构成核苷(nucleoside)糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键。

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磷酸与核苷构成核苷酸核苷酸是核苷的磷酸酯。作为DNA或RNA结构单元的核苷酸分别是5′-磷酸-脱氧核糖核苷和5′-磷酸-核糖核苷。第六章微生物生长繁殖与遗传变异

1953年，DNA的结构通过x－射线观察，确定是两条走向相反的多核苷酸链构成的双螺旋结构。在这种结构中，A-T、G-C之间以氢键等方式连接。第六章微生物生长繁殖与遗传变异第六章微生物生长繁殖与遗传变异第六章微生物生长繁殖与遗传变异·

微生物细胞中的核酸

·多数双链DNA，少数单链DNA。少数病毒遗传物质为RNA。

·原核微生物除细胞核区外，在细胞质中还存在携带少量基因的环状DNA片段（质粒）。·真核微生物的细胞核是DNA与蛋白质结合，存在于细胞核的染色体上。

第六章微生物生长繁殖与遗传变异核糖核酸（RNA）RNA分子量比DNA小，主要负责DNA遗传信息的传递与翻译表达等。

RNA为单链分子，根据RNA的功能，可以分为mRNA、tRNA和rRNA三种。第六章微生物生长繁殖与遗传变异mRNA(信使RNA)MessengerRNA

mRNA约占总RNA的5%，不同细胞mRNA链长和分子量差异大功能：将DNA的遗传信息传递到蛋白质合成基地–核糖核蛋白体上。

如DNA一条链上的碱基：ATGCGTTCCAC转录成mRNA的碱基：UACGCAAGGUG

遗传密码:mRNA分子上三个碱基（三联密码）决定一个氨基酸。第六章微生物生长繁殖与遗传变异tRNA(转移RNA)

约占总RNA的10-15%。它在蛋白质生物合成中识别氨基酸的密码，并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体上。

rRNA(核糖体RNA)

约占全部RNA的80%，是核糖核蛋白体的主要组成部分。rRNA的功能是与蛋白质生物合成相关。第六章微生物生长繁殖与遗传变异第六章微生物生长繁殖与遗传变异·基因与性状·基因：DNA分子上代表一个遗传功能的片断。·结构基因：决定蛋白质结构的DNA片断。·调节基因：控制结构基因活动的DNA片断。·操纵基因：与结构基因一起，起“开关”作用。

第六章微生物生长繁殖与遗传变异lacZlacYlacA第六章微生物生长繁殖与遗传变异

·性状：表观现象。

·生物合成蛋白质，以DNA为模板转录成mRNA，mRNA合成多肽或蛋白质的模板进入核糖体，后tRNA根据mRNA三联体密码的信号将氨基酸进行运送，在核糖体上完成蛋白质的合成。第六章微生物生长繁殖与遗传变异

·细菌等微生物的变异

·基因突变

·基因突变（碱基置换、转换颠换）第六章微生物生长繁殖与遗传变异移码突变ＤＮＡ分子中缺失或增加少数几个碱基对而引起造成突变点以后全部遗传密码转录与转释发生错误增添一个碱基ABCABCABCABCABCABCABCABCAB+ABCABCCBACBACBACBACBAABCBCABCABCABCABCABCABCA缺少一个碱基第六章微生物生长繁殖与遗传变异·微生物基因突变的原因

·自发突变:微生物自发突变频率为10-4～10-6。·诱发突变:用物理、化学因素使微生物遗传信息改变，从而得到新的表观现象。·常用的诱变剂：紫外线、x-射线等，亚硝酸、硫酸二乙酯、过氧化氢等化学试剂。第六章微生物生长繁殖与遗传变异

基因重组（Generecombination）基因重组（或遗传重组）：两个不同性状的个体（供体、受体）内的遗传基因转移到一起，经过遗传分子间的重新组合，形成新遗传型个体的方式。原核微生物的基因重组：转化、转导、接合、原生质体融合等。真核微生物的基因重组：有性杂交、准性杂交、转化、原生质体融合等。第六章微生物生长繁殖与遗传变异

几个基本概念第六章微生物生长繁殖与遗传变异。转化（Transformation）第六章微生物生长繁殖与遗传变异隔板连真空泵供体受体LA－2A-B+LA－22A+B-噬菌体A+B-裂解FA转导例子第六章微生物生长繁殖与遗传变异。

接合（Conjugationbetweendifferentbacteria）第六章微生物生长繁殖与遗传变异。

第六章微生物生长繁殖与遗传变异

第六章微生物生长繁殖与遗传变异原生质体融合操作示意图

去壁

[A+B-]

（高渗下）[A+B-]

PEG或电脉冲离心促融去壁

[A-B+]

（高渗下）[A-B+]

融合子（AA,BB,AB）长成菌落检出[A+B