微生物生理学PPT课件： 微生物的生长1

（三）细胞壁和横隔的形成
1. 荧光抗体标记实验 洗
含荧光抗体的培养基 不含荧光抗体的培养基
快分裂完的酿脓链球菌 正在分裂的酿脓链球菌
2. 新的肽聚糖亚单位插入到细胞壁的过程
自溶酶（A）水解N-乙酰氨基葡萄糖（NAG）-N-乙酰胞 壁酸（NAM）之间的糖苷键及短肽之间的肽键
老的肽聚糖层已被打开
（一）细菌群体的生长的测定方法
群体生长表现为菌体数目的增多或 细胞物质的增加，所以群体生长的 测定都是围绕这两方面进行的。
1. 测量菌体数目的方法有：
（1）显微镜直接计数法 （2）稀释培养法 （3）比浊法 （4）电子计数仪计数
2. 测量菌体细胞物质的方法：
（1）测定细胞的干物质。
（2）测定细胞的某种成分如氮的含量，DNA或 RNA的含量等。
(1) 缓慢生长条件下的细菌细胞周期
E.coli：当代时大于80—100min时，细胞周期类似于真核细胞的
细胞周期。
G1
DNA合成期
细胞分裂期
G1
(2) 快速生长条件下的细菌细胞周期
在快速生长的细胞中，C、D的最小值分别为40min 和20min。 当世代时间小于C+D时，按照DNA原来的复制方式 就来不及在细胞分裂前完成复制，就不能保证子细 胞获得一个完整的染色体。
细胞生长的中心问题是：组成细胞的各种大分子是 如何合成和组装的？
（一）细胞周期
细胞周期的定义： 细胞周期通常由几个可以观察到的、能相互区分
的时期组成，每一个时期的开始都依赖于前一个时 期的结束。
1. 真核细胞的生活周期
分为四个时期，即DNA合成期S、细胞分裂期M、DNA合成完 成到细胞分裂开始之间的间隔期G2以及细胞分裂结束后到下一 轮DNA合成开始之间的间隔期G1。
以活菌数衡量的生长曲线可分为以下几个时期：
1. 延滞期：细菌数目保持不变或略有下降，倍增速率为0；
2.加速生长期：细菌开始增殖，倍增速率随时间不断增大； 3. 对数生长期：倍增速率达到最大值，细菌数目以几何级数增长； 4. 减速生长期：倍增速率随时间而减少，平均世代时间延长；
5. 稳定期：生长速率与死亡速率相等，倍增速率为0，活菌数目保 持恒定；
u ln 2 0.693 gg
微生物的生长是一个及其复杂的生命过程，为 什么近似地遵循普通的一级化学反应呢？
微生物体内进行着各种各样的分解和合成反应， 但总反应速度取决于最慢的一步反应，这个步骤称 为生长限制反应或控制步骤，由于该生长限制反应 遵循一级反应规律，所以微生物的生长速率也遵循 一级反应规律。
（3）比生长速率常数 （4）比生长速率与限制性营养物的关系 （5）比生长速率与温度的关系
（3）比生长速率常数
–在对数生长条件下，微生物的群体生长类似 于化学反应的一级自身催化反应，即某一时 刻的细胞数量（或菌体质量）的增加速率和 该时刻的细胞数量（或质量）成正比。设单 位体积的细胞数量为N，单位体积的菌体质 量为M，则可列出下述一阶微分方程：
新壁的生长与原细胞壁上肽聚糖的限制 性降解有关，不能自溶的粪链球菌、大肠杆 菌等菌株的突变体，如果不加入溶菌wenku.baidu.com就不 能生长和分裂。
但是细菌也能够避免因扩增而破坏细胞 壁的完整性和稳定性，有人认为这是因为细 胞壁在扩增过程中，肽聚糖层中双糖链是逐 步打开又逐步闭合的，因而在打开一层后， 其它几层仍保持其结构和功能的完整性。
1. 延滞期
菌种接种于新鲜培养基后，微生物往往不立即进行 分裂，因此细胞数目不增加或增加很少，这一段时 间称为延滞期。
延滞期的细胞具有特殊的生理特性。
延滞期的长短和营养条件、菌种特性、菌龄以及接 种量密切相关。
（1）延滞期的确定
L
（2）延滞期出现的原因
是细胞为了调整代谢以适应新环境。 如接种前后细菌所处的营养条件不同，需要重新合 成必需的酶类、辅酶或某些中间代谢产物，以适应 新的环境而出现生长的延滞。
Lactobacillus acidophilus
Milk
Rhizobium japonicum
Mannitol-salts-yeast extract
Mycobacterium tuberculosis Synthetic
Treponema pallidum
Rabbit testes
代时 (分钟) 17 25 26 48 27-30 66-87 344-461 792-932 1980
单细胞的微生物：生长和繁殖往往是难以区分的
在多细胞的微生物中（如丝状真菌），如果细胞数目 增加的同时并不伴有个体数目的增加，那么此过程只 能称为生长，只有形成有性和无性孢子的过程才能称 为繁殖。
在单细胞微生物中，细胞内的原生质和各种细胞结构 协调增加，细胞体积增大，这便是生长。 当细胞增大到一定程度时，细胞开始分裂，最后形成 两个基本相同的子细胞，这便是繁殖。生长的过程也 可以说是它的繁殖过程。
快速生长的细胞含有多个复制 原点，因此生长速率的改变会 导致细胞质量（大小）的改变 ，快速生长的细胞比慢速生长 的细胞大几乎10倍。
伤寒沙门氏菌的细胞质量 和生长速度之间的关系
二、细菌群体的生长
由于细菌个体微小，难于测定其生长；个体生长 时间很短，很快就进入繁殖期，生长和繁殖难于 分开。
因此通常是以群体数量的增加作为细菌生长的指 标。
细胞周期中各个时期的长短会随环境条件改变，但主要的变化
在G1期。
中期
后期
前期
末期
间期
M期 G2
DNA复制S G1
细胞分裂
2. 原核生物（细菌）的细胞周期
细菌在低生长速率的条件下（即代时大于1h），细胞周期 似乎和真核生物的相似。
有一个明确的DNA合成期C，一个细胞分裂期D（相当于 G2+M），在细胞分裂结束后到下一轮DNA合成开始之间的 间隔期G1。 C和D不会随着细胞周期的改变而引起等比例的改变，主要 的变化在G1期。
发酵工业中可采取哪些措施来缩短延滞期，提供经 济效益？
2. 对数生长期
（1）平均世代时间 对数生长期最显著的特点是细胞数目以指数形式生长， 平均世代时间最短。
Nt= N02n lgNt=lgN0+nlg2
n = lgNt —lgN0 lg2
t 世代时间/倍增时间 g =
n
tlg2 = lgNt— lgN0
（3）测代谢产物。以代谢产物作为生长量的指标， 只限于那些与生长有密切相关性的代谢产物才比较 正确（如测定乳酸菌的产酸量），因为并不是所有 的代谢产物都和生长有着准量的关系。
细菌群体生长的测定方法
方法
应用
直接显微镜计数
牛奶中细菌或细胞疫苗 的计数
活细胞计数（菌落计数）牛奶、土壤、食品、水 体、实验室培养物中细 菌的计数
（四）细胞的体积与生长速率之间的关系
在每个细胞周期，对于每个复
制原点，只有当细胞的质量达
到一定时，复制的起始才启动。 对大多数的E.coli菌株，对伤 寒沙门氏菌Salmonella typhimurin 和枯草芽孢杆菌 Bacillus subtilis来说，不管生 长速率如何，每个复制原点所 对应的细胞质量是一定的。
环境条件对微生物的生长和繁殖有着重要的影响
微生物不是被动地受环境的影响，也可通过自身 的活动而改变环境，或改变自身的某些结构和代 谢过程以适应新的环境。
第一节 细菌细胞的生长
一、细菌细胞的个体生长
细胞个体生长的外观标志是细胞体积的增加，内部 标志为细胞物质的增加和细胞结构的组建。
细胞体积的增大是细胞物质增加的必然结果。
菌株名称
培养基
Escherichia coli
Glucose-salts
Bacillus megaterium
Sucrose-salts
Streptococcus lactis
Milk
Streptococcus lactis
Lactose broth
Staphylococcus aureus
Heart infusion broth
（3）延滞期细胞的特性
延滞期的细胞有如下特点： ①生长的速率常数为零， ②单个菌体的体积和质量显著增加，其中尤以杆菌 的长轴增加最为明显， ③合成代谢旺盛，核糖体、酶类的合成加快，尤其 是诱导酶的合成加快，为细胞分裂进行着极为复杂 的代谢上和生理上的准备，
④延滞期的细菌对物理和化学因子极为敏感，抵抗 力很低。 例如：大肠杆菌细胞在53℃处理25min，发现延滞期 末的细胞存活率仅为1%，而对数期末的细胞却几乎 没有死亡。 因此在测定物理化学因子对微生物的影响时，应考 虑微生物的生理状态。
6.加速衰亡期：死亡速率超过生长速率，并越来越大，活菌数目迅 速减少；
7. 对数衰亡期：死亡速率达到最大值并保持恒定 8.残留期：死亡速率降低，从理论上讲，只要培养基不干枯，少数
细菌仍能存活很长时间。
加速和减速过程一般表现得不明显。因此，通常将细菌的生长过程简化为 延滞期、对数生长期、稳定期和衰亡期。
G1 大肠杆菌：
DNA的复制过程所需的时间C
是一个常数，C一般为40min。
D
D也是相当固定的，D通常为
（G2+M）
C
15—20min。
（二）染色体的复制与分离
1. 染色体复制机制
2. 染色体的分离
3. 不同生长速度下细菌的细胞周期与染色体复制
在营养丰富的培养基上，生长速度快，代时 短，DNA的合成是连续的，S期似乎占据了 整个细胞周期，细胞周期各个时期的界限不 明显，是相互重叠的。
浊度测定 总氮或总蛋白的测定
清澈的液体培养基中细 菌数的估侧
测定高密度培养物中的 总细胞产量
离心后测定细胞的干重 培养物中总细胞产量的
或湿重
测定
生化活性指标如O2的吸 微生物学上的测定 收，CO2、ATP的产生 等的测定
注解
不能区分死的、活的细胞
如果培养基和培养条件合 适的话将是非常灵敏的
快速而且不损伤细胞，但 细胞密度不能少于107/毫升 只在研究实验室中应用
g=
240 minutes0.301 log 107/104
g= t n
tlg2 =
lgNt— lgN0
g = 72.24 minutes 3
g = 24 minutes
（2）影响细菌生长速率的因素
I.物理生长条件 II.营养条件 III.遗传因素（微生物的种类）
一些常见细菌在最适生长条件下的代时
可能比测定总氮或总蛋白 更准确 只适用于和细胞质量或数 量有着准量的关系的生化 指标
（二）细菌的群体生长曲线
采用分批培养法（Batch culture） 这种培养方法是将少量微生物接种到一定体积的液体培养
基中，让其自然生长直到养分耗尽。在细菌生长过程中随时取 样测定细菌的数目，以细菌的对数对培养时间作图，绘制出细 菌的数量和培养时间之间的关系曲线。
第七章 微生物的生长、繁殖及其与 环境的关系
生长和繁殖的含义？
生长——生长是细胞体积、内含物和细胞数目的增加
繁殖——产生新一代生命个体的过程，是个体数目的 增加。
生长是一个逐渐发生的量变的过程，它是繁殖的基础； 繁殖是一个质变的过程，是生长的结果。
高等生物、丝状真菌：生长和繁殖是两个可以分开的过 程
（4）决定延滞期长短的因素
1.微生物的特性 a. 遗传特性。各种微生物的延滞期长短不一，例如 大肠杆菌的延滞期比结核分枝杆菌的延滞期短 b. 接种的微生物的生理状态如菌龄的影响 c. 接种量，一般情况下，接种量越大，延滞期越短
2.环境因素的影响 a. 培养基的营养成分 碳源、氮源、维生素、辅酶或金属离子等 b. 温度、pH
DNA如何复制？
染色体进行提前复制，即一个细胞周期还没完成， 又开始第二个细胞周期的DNA合成。
对代时小于C+D（即小于60min）的细菌而言，其 细胞周期不仅是相互重叠的，而且是相互交叉的。
(a) 快速生长条件下的细菌细胞周期相互重叠
分裂产生的子细胞含有 正在复制的染色体。
(b) 更快速生长条件下的细菌细胞周期相互交叉
dN uN dt
dM uM dt
μ:比生长速率常数
Nt dN
t
udt
N N0
t0
lnNt –lnN0= u(t-t0)
Nt=N0eu(t-t0)
lg
Nt
lg
N0
u (t 2.303
t0 )
u 2.303（ lg Nt lg N0） (t t0 )
根据世代时间(代时）g的定义，当Nt=2N0时，g = t-t0，
Example: What is the generation time of a bacterial population that increases from 10,000 cells to 10,000,000 cells in four hours of growth?
g=
t0.301 log b/B