第六章 微生物的生长及其控制

生长曲线
对数生长期能保持多长？
从一个细胞开始； 大肠杆菌每20分钟繁殖一代； 如对数期为48小时； 可得到多少细胞？2144=2.23x1043 重量可达多少? 2.23x1043x10-12g/cell
=2.23x1031g=2.23x1025ton 重量为地球的4000倍.
(二)恒浊连续培养
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。
用于菌体以及与 菌体生长平行的代谢 产物生产的发酵工业。
(三)连续发酵与单批发酵相比
优点：缩短发酵周期，提高设备利用率； 便于自动控制； 降低动力消耗及体力劳动强度； 产品质量较稳定；
环境条件控制技术
培养基成份控制
光照和黑暗交替培养
硝
酸
纤
离
维
心
素
法
滤
膜
法
连续培养（continous culture)
连续培养(continous culture of microorganisms)是在微生物 的整个培养期间，通过一定的方式使微生物能以恒定的比生长 速率生长并能持续生长下去的一种培养方法。
生长曲线
（3）稳定生长期（stationary phase）
稳定期的特点是： 生长速率常数等于零，即处于新繁殖的细胞数与衰亡的细胞数相等，
或正生长与负生长相等的动态平衡之中，这时菌体产量达到最高点。
在稳定期细胞开始形成贮藏物、形成芽孢、合成次生代谢产物。
稳定期到来的原因： 营养物耗尽； 营养物比例失调； 有害代谢产物的累积； pH、氧化还原势等条件的改变。
缺点：杂菌污染 菌种退化 营养物利用率较单批发酵低
第四节 影响微生物生长的主要因素和生长的测定
物理因素 化学因素
温度
氧气 辐射 干燥 渗透压 超声波与微波
酸、碱与pH
表面消毒剂 化学治疗剂
重金属及其化合物
有机化合物（酚类、醇类、醛类） 卤族元素及其化合物 表面活性剂（新洁尔灭、杜灭芬） 染料 抗代谢药物：磺胺类等 抗生素 中草药有效成分
连续培养的基本原则：微生物培养过程中不断的补充营养 物质和以同样的速率移出培养物。
连续培养是在研究生长曲线的基础上，认识稳定期到来的原因， 采取相应的措施而实现的。
当微生物培养到指数期的后期时，以一定速度连续流进新鲜培养 基，另一方面，以同样的流速不断流出培养物。
连续培养最主要的问题是菌种易于老化，其次是易遭污染。
生长曲线
（4）衰亡期（decline 或death phase）
在衰亡期中，个体死亡的速度超过新生的速度，整个群体呈现负 生长（R为负值）。
衰亡期的细胞形态多样，会产生一些不规则的退化形态；有的微 生物因蛋白水解酶活力的增加而发生自溶；有的产生抗生素等次 生代谢产物；芽孢释放。
产生衰亡期的主要原因是外界环境对生长越来越不利，而引起分 解代谢大大超过合成代谢。
生长曲线
（2） 对数生长期（log phase） ：
紧接着迟缓期的一个细胞以几何级数速度分裂的一段时期。
细胞数量
细胞数量的对数
时间（小时）
生长曲线
对数生长期的特点:
生长速率常数R最大，因而细胞每分裂一次所需的代时G最短； 细胞进行平衡生长，菌体内各种成分最为均匀； 酶系活跃、代谢旺盛。
细菌DNA的复制速度大约为30微米/分。动物细胞染色体DNA的 复制速度大约为0.5~2微米/分。
第二节 细菌的群体生长繁殖
把纯种单细胞细菌接种到一定体积的液体培养基中，在适宜的 条件下，它们的群体就会有规律地生长。如果以细胞数目的对 数值作纵坐标，以培养时间作横坐标，可画出一条有规律的曲 线，这就是微生物的典型生长曲线。
情况下在菌悬液中再加一些甘油、糖、牛奶、保护剂等可对菌 种进行长期保藏。
低温型微生物:
最适生长温度在5~20℃,主要分布在地球的两极、冷泉、深海、冷冻场所 及冷藏食品中。
例：假单孢菌中的某些嗜冷菌在低温下生长，常引起冷藏食品的腐败。
嗜冷微生物在低温下生长的机理，目前还不清楚，据推测有两种原因： ①它们体内的酶能在低温下有效地催化，在高温下酶活丧失； ②细胞膜中的不饱和脂肪酸含量高，低温下也能保持半流动状态，可 以进行物质的传递。
群体生长的实质是包含着个体细胞生长与繁 殖交替进行的过程.
第一节 细菌的个体生长
细菌的细胞虽然微小，但也与其他生物一样有一个自小到大的生 长过程。
在整个生长过程中，细胞内至少发生2000种生化反应。包括：能 量转换；单体、辅酶等的生物合成；生物大分子的合成等。
细菌的生长达到一定阶段，染色体以双向复制，且其复制都是从 固定点开始。
微生物生存生长的极端条件
环境参数 极端温度
低于摄氏1度 高于摄氏110度 极端酸碱度 小于等于pH1 高于pH12 缺氧
饱和盐水 干燥
（相对湿度低于55％） 高压
大于1千大气压 高放射性
微生物类群
生境
好寒性真细菌 嗜高热古细菌
极地冰层 温泉，海底火山口
嗜酸真细菌，古细菌 嗜碱真细菌，古细菌 厌氧真菌、原生动物 真细菌和古细菌 极端嗜盐古细菌 嗜旱真菌
细菌研究中常用的三个参数
1.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，它们之间的相互关系为：
x2 = x1*2n
以对数表示：㏒ x2 = ㏒ x1 + n㏒2
㏒ x2 - ㏒ x1
∴n=
= 3.322(㏒ x2 - ㏒ x1 )
连续培养类型
恒浊连续培养 恒化连续培养
(一)恒化连续培养
在整个培养过程中通过控制培养基中某种营养物质的浓 度基本恒定的方式，保持细菌的比生长速率恒定，使生长 “不断”进行。
生长速率的控制因子：一般是氨基酸、氨和铵盐等氮源， 或是葡萄糖、麦芽糖等碳源或者是无机盐，生长因子等物质
恒化器连续培养通常用于微生物学的研究，筛选不同的 变种。
㏒2
2.生长速度常数（R）
n
3.322（㏒ x2 - ㏒ x1 ）
R=
=
t2 – t1
t2 – t1
3.代时(G) 1
G= = R
t2 – t1 3.322(㏒ x2 - ㏒ x1)
主要的生长参数
迟缓时间：实际达到对数生长期所需时间与理想条件下达到对数 期所需时间之差。延缓生长量反映了迟缓期给细胞物质的工业化 生产造成的损失。
所需要升高的温度。
★微生物对热的耐受力与以下因素有关:
(1)微生物种类及发育阶段 嗜热菌比其它类型的菌体抗热； 有芽孢的细菌比无芽孢的菌抗热； 微生物的繁殖结构比营养结构抗热性强； 老龄菌比幼龄菌抗热。
(2) 环境条件的影响 与培养基的营养成分有关—— 培养基中蛋白质含量高时比较耐热. 与pH 有关—— pH适宜时不易死亡，pH不适宜时，容易死亡. 与水分有关—— 含水量大时容易死亡，含水量小时不容易死亡. 与含菌量有关 ——含菌量高，抗热性增强，含菌量低，抗热性差 与热处理时间有关—— 热处理时间长，微生物易死亡。
硫磺泉，酸矿 碳酸湖，沙漠土壤 沉积物，动物肠道
盐湖，海水 沙漠
嗜压细菌 耐放射细菌
深海 放射性地区，土壤
（有些微生物可以在多种极端条件联合的环境中生存）
1、温度
不同的微生物生长的温度范围不同，根据生长与温度的关系， 微生物的生长有三个温度基点，即最适、最高、最低生长温度， 根据微生物的最适生长温度的不同，可将微生物分为：低温微生 物、中温微生物和高温微生物，它们的生长温度℃如下表：
同步培养(synchronous culture)： 是一种培养方法，它能使群体中不同步的细胞转变成能同
时进行生长或分裂的群体细胞。
同步培养物常被用来研究在单个细胞上难以研究的生理 与遗传特性和作为工业发酵的种子，它是一种理想的材料。
机械方法 同步培养方法
离心方法 过滤分离法 硝酸纤维素滤膜法
温度
当温度过低，造成微生物细胞冻结时，有的微生物会 死亡，有些则并不死亡。
造成死亡的原因： ①冻结时细胞水分变成冰晶，冰晶对细胞膜产生机械损伤， 膜内物质外漏。 ②冻结过程造成细胞脱水。
冻结速度对冰晶形成有很大影响： ①缓慢冻结，形成的冰晶大，对细胞损伤大； ②快速冻结，形成的冰晶小、分布均匀，对细胞的损伤小 因此，利用快速冻结可以对一些菌种进行冻结保藏，一般
生长曲线
影响迟缓期长短的因素
接种龄：即种子的群体生长年龄，它处在生长曲线的哪一个阶段。 一般以对数期的培养物作种子可缩短迟缓期。
接种量：接种量的大小明显影响迟缓期的长短。接种量大，则迟 缓期短。发酵工业上一般采用10%的接种量。
培养基成分：尽量使接种前后所使用的培养基组成相差不要太大。
比生长率：表示生长速度与生长基质浓度之间的关系，当营养物 质浓度很低时，比生长率与营养物质浓度成正比。
总生长量：通过培养获得的微生物总量与原来接种的微生物量之 差值。
产量常数：总生长量与消耗基质总量之比。
Байду номын сангаас
微生物的同步生长
同步生长： 采用一定的方法使细胞群体处于分 裂步调一致的状态，称
为同步生长。
常规加压灭菌法 加压下 (高压蒸汽灭菌法)
连续加压灭菌法
（2）低温对微生物生长的影响
当环境温度低于微生物的最适生长温度时，微生物的 生长繁殖停止，当微生物的原生质结构并未破坏时，不会 很快造成死亡并能在较长时间内保持活力，当温度提高时， 可以恢复正常的生命活动。
低温保藏菌种就是利用这个原理。一些细菌、酵母菌 和霉菌的琼脂斜面菌种通常可以长时间地保藏在4℃的冰 箱中。
★灭菌与消毒的概念：
灭菌是指采用强烈的理化因素使任何物体内外部的一切微生物永远丧 失其生长繁殖能力的措施；
消毒是一种采用较温和的理化因素，仅杀死物体中病原微生物的措施。
加热灭菌和加热消毒的方法：
干热灭菌法 高温灭菌
湿热灭菌法
火焰灭菌法
干燥加热空气灭菌法 高温瞬时法 巴氏消毒法
常压下 煮沸消毒法 低温维持法 间歇灭菌法
第六章 微生物的生长繁殖及其控制
江西理工大学材化学院生物工程专业 微生物学课程
生长
生物个体由小到大的增长，即表现 为细胞组分与结构在量方面的增加
繁殖
指生物个体数目的增加
个体生长 群体生长
个体繁殖
群体生长
个体生长+个体繁殖
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。
在单细胞微生物中，生长繁殖的速度很快，而且两者始 终交替进行，个体生长与繁殖的界限难以划清，因此实际上 常用群体生长作为衡量微生物生长的指标。
微生物耐热性大小的几种表示方法：
热力致死时间： 在特定的温度及其它条件下，杀死一定数量的微生物所需要的时间。
F值： 在一定的基质中，温度为121.1℃，加热杀死一定数量微生物所需的时间。
D 值： 利用一定温度进行加热，活菌数减少一个对数周期（即90%活菌被杀死）
所需的时间。
Z值： 在加热致死曲线中，时间降低一个对数周期（即缩短90%的加热时间）
嗜热菌 嗜温菌
嗜冷菌
极端 嗜热菌
极端 嗜热菌
沸温泉的 水流形成 一个温度 梯度。
（1）高温对微生物生长的影响
嗜热微生物的生长特性 高温菌在高温下生长的原因： 抗热的酶，膜中的高饱和脂肪酸。 高温菌的生长特性： 生长曲线的各个时期均短暂，因此常会在腐败食品中检测
不到，这在食品检验中要特别注意。
嗜高温微生物
在发酵工业中，嗜热菌可用于生产多种酶制剂，例如纤维素 酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、菊糖酶等，由这些微生物中产生 的酶制剂具有热稳定性好、催化反应速率高，易于在室温下保存。 近年来，嗜热菌研究中最引人注目的成果之一就是将水生栖热菌 中耐热的Taq DNA聚合酶用于基因的研究和遗传工程的研究以及 基因技术的广泛应用中。
最适生长温度 最低生长温度 最高生长温度
低温菌 10-20 -10-5 25-30
中温菌 25-30，37-40 10-20，10-20
40-45
高温菌 50-55 25-45 70-80
生长温度三基点（Cardinal temperatures） 酶促反应速度最大
酶促反应加速
细胞膜 失去功能
蛋白质失活； 细胞膜裂解
迟缓期 对数期 稳 定 期
衰亡期
培养基中的浊度变化
生长曲线
1、迟缓期（lag phase）或延滞期： 将少量微生物接种到新培养基中，在开始培养的一段时
间内细胞数目不增加的时期。
特点： 1、生长速率常数等于零； 2、细胞形态变大或增长； 3、细胞内RNA尤其是rRNA含量增高； 4、合成代谢活跃； 5、对外界不良条件反应敏感。