河北科技大学微生物第六章 生长--2

出现原因：调整代谢

接种到新鲜的培养基中，为产生诱导酶或合成有关的中间代 谢物，需要有一段适应期
1.1 延滞期
影响因素：
菌种遗传特性：代时短，延滞期短 接种量：接种量大，延滞期短 接种龄：指数期接种，延滞期短 培养基成分：相接近为好 种子损伤程度
1.1 延滞期 对生产的指导意义
在发酵工业上需设法尽量缩短延滞期
1.3 稳定期

又称恒定期、最高生长期，此时期微生物群体中 新繁殖的细胞数目与死亡的细胞数目基本上处于 平衡稳定的状态。
1.3 稳定期
特点

生长速率常数R=0，即新繁殖的细胞数与衰亡相等， 这时菌体产量达到了最高点 细胞开始贮存各种储藏物：异染颗粒等 芽孢开始形成 次级代谢产物开始合成
• • 以指数期为主的菌体生长期 以稳定期为主的代谢产物合成期

1.3 稳定期

形成原因
营养物的耗尽（特别是生长限制因子） 营养物比例失调 酸、醇、毒素、H2O2等有害物质的积累 pH、氧化还原电位改变 菌体量达到一定产量
影响因素：营养物质和环境条件
1.3 稳定期

生产意义

稳定期初期是收获菌体或与菌体生长相平 行的代谢产物的最佳时期 稳定期是积累代谢产物时期 稳定期长短与菌体和外界环境条件有关
嗜冷微生物
嗜温微生物
嗜热微生物
高温对微生物的影响
高温下蛋白质不可逆变性，膜受热出现小孔，破坏细胞结构 不同微生物对热的抗性不同

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
嗜热菌在高温下生长的机理
• 酶蛋白及核糖体有较强的抗热性
特点： 死亡数＞新生数 群体中活菌数目急剧下降，负生长R＜0 细胞出现多态、畸形、芽孢释放 出现原因： 培养环境对微生物生长明显不利，使分解代谢大 于合成代谢，最终导致细胞大量死亡
单细胞微生物的生长曲线

单细胞微生物的典型生长曲线
接种少量纯种单细胞微生物 分批培养
分批培养：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。也称为批式培养、密闭培养。
稳定期 指数期 衰亡期
延滞期
1.1 延滞期
指少量单细胞微生物接种到新鲜的培养液中， 在开始一段时间内细胞数目没有增加的一段 时间，生长速度接近于零，细胞适应环境， 酶合成迅速，为物质合成做准备
又称为迟缓期、停滞期、调整期、适应期


1.1 延滞期
特点： 分裂迟缓、代谢活跃
1) 生长速率常数 R=0 (每小时分裂次数R） 2) 细胞形态变大(增长) 3) 细胞内RNA（rRNA）含量增高 4) 合成代谢活跃：核糖体、酶类、ATP 5) 对外界不良条件反应敏感：如 抗生素、温度、紫外线、 X-射线


微生物的生长规律

单细胞微生物的典型生长曲线


连续培养
高密度培养
微生物的生长及其控制
研究生长规律的三个前提 微生物的生长规律 影响微生物生长的主要因素 有害微生物的控制
第六章
微生物的生长及其控制
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第三节
影响微生物生长的主要因素
影响微生物生长的因素
温度 氧气 营养
水活度 渗透压 辐射 超声波 化学药剂
影响因素
1）菌种：不同菌种的代时差别极大
E.coli 17 min，结核杆菌 793min
2）营养成分：丰富时，生长快 3）培养温度
大肠杆菌 10℃ 代时860 min 15℃ 代时120 min 40℃ 代时17.5 min
4）营养物浓度：影响生长速度及生长量 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，称为生长限制因子

恒化连续培养

控制恒定的培养液流速，使营养物质浓度恒定而保持稳 定菌体密度的连续培养方法 控制如碳源、氮源、生长因子等，使其始终成为生长限 制 特点：某种限制因子的浓度保持不变，微生物始终在低 于其最高生长速率条件下进行生长繁殖 应用范围：与生长速率相关的各种理论研究



恒浊 vs 恒化连续培养
2.2 单级和多级连续培养
单级连续培养
连续培养的级数
多级连续培养
单级连续培养
多级连续培养
代谢产物和微生物细胞形成过程的关系 (a)酵母菌形成的初级代谢产物——乙醇 与菌体生长相平行 (b)产黄青霉形成的次级代谢产物——青霉素
与菌体生长不平行
2.3 连续培养的优缺点
优点：

高效：简化操作 自控：便于各种仪表进行自动控制 产品质量稳定 节约资源和人力 菌种易于退化 易于遭到杂菌污染 营养物利用率低于分批培养 连续发酵，一般只能持续数月到一年
分批培养 vs 连续培养
控制连续培养的方法
2.1 恒浊和恒化连续培养
恒浊连续培养
控制连续培养的方法
内控制
不断调节流速而使细菌培养液 浊度保持恒定
恒化连续培养
保持恒定的流速
外控制
恒浊连续培养

根据培养器内微生物的生长密度，借光电控制系统调节培养
基流速，使培养液浊度保持恒定，以取得菌体密度高、生长 速率恒定的微生物细胞的连续培养方法 特点：营养物质过量，微生物始终以最高生长速率进行生长 应用范围：用于生产大量菌体、生产与菌体生长相平行的某 些代谢产物，如乳酸、乙醇等
生产上常常通过补料、调 pH、温度等措施， 延长稳定期，以获得更多的菌体物质或积累更 多的代谢产物 促进连续培养原理的提出和工艺、技术的创建
代谢产物和微生物细胞形成过程的关系 稳定期初期 (a)酵母菌形成的初级代谢产物——乙醇 与菌体生长相平行 稳定期 (b)产黄青霉形成的次级代谢产物——青霉素
1.4 衰亡期

温度对微生物生长的影响机理


影响酶活性，影响酶促反应速率 影响细胞膜的流动性，温度高，流动性 大，有利于物质运输（吸收与代谢产物 的分泌） 影响物质的溶解度，对生长有影响
微生物的生长温度类型

低温型微生物（嗜冷微生物）


中温型微生物（嗜温微生物）
高温型微生物（嗜热微生物）
微生物的生长温度类型
• 核酸具有较高的热稳定性
• 细胞膜中饱和脂肪酸含量高，较高温度下 能维持正常的液晶状态
低温对微生物的影响

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 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、酵母和霉 菌的琼脂斜面菌种通常可以长时间得保藏在4度冰箱中
生长温度范围(℃) 微生物的类型 分布区域
最低
专 性 兼 性 室 温 体 温 -12- -5 -5-10 10-20 10-20 25-45
最适
5-15 10-20 20-35 35-40 50-60
最高
15-20 25-30 40-45 40-45 70-95 地球两极 海洋、冷泉、冷藏食品 腐生环境 寄生环境 温泉、堆肥、土壤
pH
1. 温度对微生物的影响
生长的温度范围一般在-10-100℃ 极端下限为-30℃，极端上限105-300℃
每种微生物都有自己的生长温度三基点，即
最低、最适、最高生长温度
生长温度三基点
处于最适生长温度时， 微生物生长速度最快， 代时最短 最低生长温度 最适生长温度 最高生长温度
最适生长温度

•选用繁殖快的菌种 •增加接种量 •采用指数生长期的健壮菌种 •尽量使接种前后所使用的培养基组成接近
1.2 指数期
菌体细胞代谢旺盛，生长速度最快，数量 呈几何级数增长 紧接延滞期的细胞数以几何级数增长的时 期，又称对数生长期


1.2 指数期
特点： 1 ）生长速率常数 R 最大，分裂时间最短，即 代时最短 2）细胞平衡生长，菌体内各成分均匀 3）代谢旺盛 4）对理化因素敏感 5）菌体量X2=X1· 2n
指数期的3个重要参数
•繁殖代数（n） •代时（G）
•生长速率常数（R）
n R= t2-t1
G=1/R
纳米细菌：三天才分裂一次 九十年代初期从地下数公里发现的超微型细菌，用代谢产 生的CO2作指标，计算出这些超微细菌的代谢速率仅为地上 正常细菌的10-15 存在于肾结石的磷酸钙中心部位
1.2 指数期
第六章
微生物的生长及其控制
第二节 微生物的生长规律
1.单细胞微生物的生长规律
单细胞微生物的典型生长曲线 定量描述液体培养基中微生物群体生长规律的实验曲线

接种少量纯种单细胞微生物 分批培养
细菌接种到定量的液体培养基中，定时取样测定细胞数量， 以培养时间为横坐标，以菌体数量的对数（或OD值）为 纵坐标，得到一条反映细菌在整个培养期间菌数变化规律 的曲线
2. 微生物的连续培养
分批培养（batch culture）or 封闭培养（closed culture） 培养基一次加入，不予补充，不再更换 连续培养(Continous culture ）
延长指数期 生长：延滞期、指数期、稳定期、衰亡期
在微生物的整个培养期间，通过一定的方式使微生物能以 恒定的生长速率生长并能持续生长下去的一种培养方法。
指数生长
细菌的生长曲线一般用菌数的对数为纵坐标作图
单细胞微生物：细菌和酵母
单细胞微生物的典型生长曲线
根据微生物的生长速率常数（即每小时分裂次数R）的不同， 一条典型的生长曲线可以分为：延滞期，指数期，稳定期和 衰亡期四个生长时期
丝状生长的霉菌或放线菌
非“典型”生长曲线
单细胞微生物的典型生长曲线
最适生长温度≠一切生理过程的最适温度 ≠生长得率最高时的培养温度 ≠发酵速率最高时的培养温度 ≠累积某一代谢产物量最高时的培养温度
例如，在Penicillium chrysogenum（产黄青霉）总共165小 时的青霉素发酵过程中，根据不同生理代谢过程的温度特 点分四段控制其培养温度，提高青霉素产量

嗜冷微生物在低温下生长的机理

体内的酶能在低温下有效地催化，在高温下酶活 丧失

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
本节重点

单细胞微生物的典型生长曲线


连续培养
生长温度三基点
营养物浓度对微生物生长速度的产量的影响
1.2 指数期
应用意义
1）由于此时期的菌种比较健壮（生理特性较 一致， 生长速率恒定），生产上用作接种 的最佳菌龄 2）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 3）发酵工业上尽量延长该期，以达到较高的 菌体密度 4）食品工业尽量使有害微生物不能进入此期
分析稳定期到来的原因
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 是实现微生物连续培养的基本原则
2. 微生物的连续培养

连续培养：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
谢产物的培养物，让培养的微生物长时间地 处于指数期，以利于微生物的增殖速度和代 谢活性处于某种稳定状态。也称为开放培养。
缺点：

3.微生物的高密度培养

高密度培养（high cell-density culture, HCDC)： 指微生物在液体培养中细胞群体密度超过常规培养的 10倍以上。 应用：基因工程菌生产多肽类药物。 高密度培养时应注意的问题： 选取最佳培养基成分和含量；补料；提高溶解氧浓度； 防止有害代谢产物生成。