微生物学教案 第六章 微生物的生长繁殖及其控制

第六章微生物的生长繁殖及其控制

微生物生长是细胞物质有规律地、不可逆增加，导致细胞体积扩大的生物学过程，这是个体生长的定义。繁殖是微生物生长到一定阶段，由于细胞结构的复制与重建并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。可以看出微生物的生长与繁殖是两个不同，但又相互联系的概念。生长是一个逐步发生的量变过程，繁殖是一个产生新的生命个体的质变过程。在高等生物里这两个过程可以明显分开，但在低等特别是在单细胞的生物里，由于细胞小这两个过程是紧密联系又很难划分的过程。因此在讨论微生物生长时，往往将这两个过程放在一起讨论，这样微生物生长又可以定义为在一定时间和条件下细胞数量的增加，这是微生物群体生长的定义。

第一节细菌的个体生长

细菌的个体生长包括细胞结构的复制与再生、细胞的分裂与控制，本节主要介绍细菌部分结构的复制和细菌分裂与控制等有关内容：

一、染色体DNA的复制和分离

细菌的染色体为环形的双链DNA分子。在细菌个体细胞增长的过程中，染色体以双向的方式进行连续的复制，在细胞分裂之前不仅完成了染色体的复制，而且也开始了二个子细胞DNA分子的复制，例如在迅速生长的细菌里就存在这种情况。也就是说，当细胞的一个世代即将结束时，不仅为即将形成的二个子细胞各备有一份完整的亲本的遗传信息，而且也具有已经按亲本的方式开始复制的基因组(图6-1)。其复制起点附着在细胞膜上随着膜的生长和细胞的分裂，二个未来的子体基因组不断地分离开来，最后到达2个子细胞中。细菌在个体生长过程中通过染色体DNA的复制，使其遗传特性能保持高度的连续性和稳定性。

图6-1 细菌个体生长过程中染色体DNA的分离

二、细胞壁扩增

细胞壁是细胞外的一种"硬"性结构。细胞在生长过程中，细胞壁只有通过扩增，才能使细胞体积扩大。在细胞壁扩增过程中，细胞壁在什么位点扩增，以及它如何扩增这是两个主要问题，根据研究结果表明：杆菌在生长过程中，新合成的肽聚糖在细胞壁中是新老细胞壁呈间隔分布，证明新合成的肽聚糖不是在一个位点而是在多个位点插入；而球菌在生长过程中，新合成的肽聚糖是固定在赤道板附近插入，导致新老细胞壁能明显地分开，原来的细胞壁被推向两端。

新合成的细胞壁成分肽聚糖如何插入到原来的细胞壁上肽聚糖短肽中第三个氨基酸是含二个氨基的氨基酸，它通过本身的氨基与另一个肽聚扩短肽中第四个氨基酸的羧基相连接形成肽键，使之形成一个完整的整体。新合成的肽聚糖可以通过本身的二氨基氨基酸的氨基连到原来的细胞壁肽聚糖短肽中第四个氨基酸的羧基上，或通过新合成肽聚糖短肽中第四个氨基酸的羧基连到原来细胞壁肽聚糖短肽中第三位的二氨基氨基酸的游离氨基上，导致细胞壁肽聚糖链的扩增。地衣芽孢杆菌的肽聚糖是以前面一种方式扩增。这样从分子水平上说明了细胞壁扩增的方式。

三、主要生长参数

微生物生长过程中，迟缓时间、比生长速率和总生长量三个主要参数在生产实践中有着重要的参考意义。

1. 迟缓时间(T)

微生物在生长过程中，在实际条件下达到对数生长期所需时间与理想条件(即无迟缓期)下达到对数生长期所需时间之差。迟缓时间还可以用作图方法求出，例如菌数由N0增加到Nt，实际上所用的时间为Tp；如果不存在迟缓时间，则所需要的时间为Ti ，这时Tp与Ti之间的差，即为该菌在此生长条件下的迟缓时间(图6-3)。在曲线上从Tp作平行纵坐标的直线与理想生长曲线相交，该交点为不存在迟缓时间时所应达到的菌数( Ni)，这时Ni与Np之间的差值为迟缓生长量，即为迟缓期存在所未能达得理想数量的那部分生长量。

图6-3 作图法求迟缓时间(T)与迟缓生长量(N)

迟缓时间长短客观反映了细菌生长条件适合程度。在生产实践中，这个时间越短越好。迟缓生长量则反映了迟缓期给细胞物质的工业化生产所造成的损失。

2.比生长速率

比生长速率与微生物的生长基质浓度密切相关。目前一般用莫诺(Monod)经验公式表示比生长速率与生长基质浓度之间的关系：

μ＝μm·(S／（Ks+S）)

μm:最大比生长速率；

S:生长的基质浓度；

Ks：比生长速率为最大比生长速率一半时的基质浓度。在同种基质里它是一个常数，Ks通常很小；根据莫诺经验公式，当基质浓度很高时，Ks可以忽略不计，Ks+S＝S此时，μ＝μm，细菌以最大比生长速率生长。对数生长期细菌的生长就属于这种情况；当基质浓度很低时，Ks+S＝Ks，则μ＝（μm／Ks）·S，此时，比生长速率与基质浓度成正比，基质浓度变化引起比生长速率迅速变化。

3.总生长量

总生长量代表在某一时间里，通过培养所获得的微生物总量与原来接种的微生物量之差值，总生长量大小客观上也反映了培养基与生长条件是否适合于菌的生长。与总生长量相关的另一个参数--产量常数(K)，它代表了在培养过程中所获得的总生长量与获得这总生长量所消耗基质总量之比，即：

K＝总生长量／所消耗基质的总量

K值大小代表微生物对基质同化的效率，反映了微生物利用某种基质生长的效果，因此在生产实践中应采取有效措施，提高K值以创造更大的经济效益。

第二节细菌的群体生长繁殖

除真菌外，我们肉眼看到或接触到的微生物已不是单个，而是成千上万个单个的微生物组成的群体。微生物接种是群体接种，接种后的生长是微生物群体繁殖生长。本节扼要介绍细菌群体生长的特点与一般规律。

一、细菌群体生长规律

细菌接种到均匀的液体培养基后，当细菌以二分裂法繁殖，分裂后的子细胞都具有生活能力，并且不补充营养物质或移去培养物，保持整个培养液体积不变时，以时间为横座标，以菌数为纵座

标，那么根据不同培养时间里细菌数量的变化，可以作出一条反映细菌在整个培养期间菌数变化规律的曲线，这种曲线称为生长曲线(Growth Curve)。一条典型的生长曲线至少可以分为迟缓期，对数期，稳定期和衰亡期等四个生长时期(图6-2)。

图6-2 细菌生长曲线

1、迟缓期(Lag phase)

细菌接种到新鲜培养基而处于一个新的生长环境，因此在一段时间里并不马上分裂，细菌的数量维持恒定，或增加很少。此时胞内的RNA、蛋白质等物质含量有所增加，相对地此时的细胞体积最大，说明细菌并不是处于完全静止的状态。产生迟缓期的原因，认为是微生物接种到一个新的环境，暂时缺乏足够的能量和必需的生长因子，种子老化(即处于非对数生长期)或未充分活化，接种时造成的损伤等。在工业发酵和科研中迟缓期会增加生产周期而产生不利的影响，但是迟缓期无疑也是必需的，因为细胞分裂之前，细胞各成分的复制与装配等也需要时间，因此应该采取一定的措施，如(1)通过遗传学方法改变种的遗传特性使迟缓期缩短；(2)利用对数生长期的细胞作为种子；

(3)尽量使接种前后所使用的培养基组成不要相差太大；(4)适当扩大接种量等方式缩短迟缓期，克服不良的影响。

2、对数生长期(Log phase)

又称指数生长期(Exponential phase)。细菌经过迟缓期进入对数生长期，并以最大的速率生长和分裂，导致细菌数量呈对数增加，而且细菌内各成分按比例有规律地增加，很明显此时期内的细菌生长是平衡生长。对数生长期细菌的代谢活性、酶活性高而稳定，大小比较一致，生活力强，因而它广泛地在生产上用作种子和在科研上作为理想的实验材料。

3、稳定生长期(Stationary phase)

由于营养物质消耗，代谢产物积累和PH等环境变化，逐步不适宜于细菌生长，导致生长速率降低直至零(即细菌分裂增加的数量等于细菌死亡数)，结束对数生长期，进入稳定生长期。稳定生长期的活细菌数最高并维持稳定。如果及时采取措施，补充营养物质或取走代谢产物或改善培养条件，如对好氧菌进行通气、搅拌或振荡等可以延长稳定生长期，获得更多的菌体物质或代谢产物。

4、衰亡期(Decline或Death phase)

营养物质耗尽和有毒代谢产物的大量积累，细菌死亡速率逐步增加和活细菌逐步减少，标志进入衰亡期。该时期细菌代谢活性降低，细菌衰老并出现自溶。该时期死亡的细菌以对数方式增加，但在衰亡期的后期，由于部分细菌产生抗性也会使细菌死亡的速率降低。

此外，不同的微生物，甚至同一种微生物对不同物质的利用能力是不同的。有的物质可直接被利用(例如葡萄糖或NH4+等)；有的需要经过一定的适应期后才能获得利用能力(例如乳糖或NO3-等)。前者通常称为速效碳源(或氮源)，后者称为迟效碳源(或氮源)。当培养基中同时含有这两类碳源(或氮源)时，微生物在生长过程中会形成二次生长现象.

二、生长的数学模型

任何一数学公式所表示的数学关系，只要能反映客观物质的运动规律，都可视其为数学模型。利用数学公式来表达微生物系统的某些定量关系，该数学公式便是此系统的数学模型。现代生物学