第六章 微生物的生长繁殖及其控制

专性好氧菌：必须在有分子氧的条件下才能 生长，有完整的呼吸链，以分子氧作为最终 氢受体，细胞含超氧化物歧化酶（SOD）和
过氧化氢酶。绝大多数真菌和许多细菌都是
专性好氧菌。
兼性厌氧菌（兼性好氧菌）：
在有氧或无氧条件下均能生长，但
有氧情况下生长得更好；在有氧时
靠呼吸产能，无氧时借发酵或无 氧
呼吸产能；细胞含SOD和过氧化氢 酶 。许多酵母菌和许多细菌都是兼 性厌氧菌。 微好氧菌：
持2-3个世代,随后又逐渐转变为随机生长。
机械方法
离心方法 过滤分离法 硝酸纤维素滤膜法 温度 培养基成份控制 其他(如光照和黑暗交替培养)
环境条件 控制技术
硝酸纤维素滤膜法是获得同步生长的经典方法
连续培养(continuous culture)
优点：缩短发酵周期；便于自动控制；产物质 将微生物置于一定容积的培养基中培养，最后 一次收获，叫分批培养，将微生物放在恒定的 要 量均一 缺点：菌种易退化；易染杂菌 容积的流动系统中培养称为连续培养。
微生物的高密度培养
（high cell-density culture,HCDC）
指微生物在液体培养基中细胞群体密度超过常规培 养10倍以上时的生长状态或培养技术。现代高密度
培养技术主要是用于基因工程菌生产多肽类药物。
选取最佳培养基成分和各成分含量 补料 提高溶解氧的浓度 防止有害代谢产物的生成
第三节 真菌的生长与繁殖 一、霉菌的繁殖方式及生活史
作出的一条反映细菌在整个培养期间菌数变
化规律的曲线。
生长曲线：描述细菌（群体）生长规律
真菌的生长曲线：延滞期、快速生长期、衰退期 Ⅰ.延滞期 Ⅱ.指数期 Ⅲ.稳定期 Ⅳ.衰亡期
细 菌 数 目 （ 个 /ml ） 对 数 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
总菌数 活菌数
培养时间
延滞期(lag phase)
出现原因 本期特点 影响本期长短因素 缩短延滞期的意义和方法
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, 这两个过程是紧密联系又很难 划分的过程。
一个微生物细胞 合适的外界条件,吸收营养物质,进行代谢 如果同化作用的速度超过了异化作用 个体的生长 原生质的总量(重量、体积、大小)不断增加 如果各细胞组分是按恰当的比例增长时,则达到 一定程度后就会发生繁殖,引起个体数目增加 群体内各个个体的进一步生长
• 活菌数保持相对稳定，总菌数达最高水平。
• 细菌代谢物积累达到最高峰。
• 芽孢杆菌这时开始形成芽孢。
• 这是生产收获时期。
次生代谢产物（稳定期产物）
衰亡期(decline phase/death phase) 特点
•细菌死亡数大于增殖数,活菌数明显减少,群体衰落
•细胞出现多形态，大小不等的畸形，变成衰退型
•细胞死亡，出现自溶现象。
微生物生长动力学
1、比生长速率
若细胞物质或细胞数目增长一倍的时间间隔是常数， 则微生物是以指数速率增长，可用数学模型来描述。
（1）
dX = mX dt dN = mn N dt
（2）
式（1）表明，细胞物质随时间的增加而增加 式（2）表明，细胞数目随时间的增加而增加
在大多数情况下，生长是以物质的增加衡量的， 因而 得到应用。 对式（1）积分得：
群体的生长
第一节 细菌的个体生长
1、染色体DNA的复制和分离
2、细胞壁扩增 3、细菌的分裂
第二节 细菌的群体生长繁殖
一、生长的规律 分批培养：在封闭系统中对微生物进行培养， 既不补充营养物质也不移去培养物质，保持 整个培养液体积不变的培养方式。 生长曲线：以时间为横座标，以菌数为纵座
标，根据不同培养时间里细菌数量的变化，
连续培养
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。 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。
控制连 续培养 的方法
恒化器连续培养 恒浊器连续培养
例：恒化连续培养
使培养液流速保持不变,并使微生物始终在 低于其最高生长速率下进行生长繁殖。
延滞期出现原因
把细菌接种到新鲜的培养基中培养时， 并不立即进行分裂繁殖，细菌增殖数为０， 这时需要合成多种酶，辅酶和某些中间代 谢产物，要经过一个调整和适应过程 。
延滞期特点
生长速率常数等于零 细胞形态变大或增长 ＲＮＡ、蛋白质等含量增加 合成代谢活跃 对不良条件抵抗能力降低
ຫໍສະໝຸດ Baidu
影响延滞期限长短因素
厌氧菌（anaerobes）
氧对其有毒 将环境中氧吸掉；抽真空；深层培养
能量来源于发酵,无氧呼吸,环式光合磷酸化或甲烷发酵 细胞内缺乏SOD、细胞色素氧化酶和过氧化氢酶
. + B. 1A
共价结合 均裂
A:B .
1 超氧阴离子自由基 O2 普遍存在 1
过氧化氢酶 （好氧菌） + O2 +2H H2O2+O2 SOD 过氧化物酶
影响指数期的因素
菌种 营养成分 营养物浓度 生长限制因子 培养温度
稳定期(stationary phase) (最高生长期）
生长产量常数Y（生长得率） Y=x-x0/(C0-C)=x-x0/C0
出现原因
• 营养的消耗 • 营养物比例失调 • 有害代谢产物积累 • pH值Eh值等理化条件不适
稳定期特点
恒化连续培养中,必需将某种必需的营养物 质控制在较低的浓度,以作为限制性因子,而其 他营养物均过量。 细菌的生长速率取决于限制性因子的浓度,并 低于最高生长速率。 限制性因子必须是机体生长所必需的营养 物质,如氨基酸和氨等氮源,或是葡萄糖、麦芽 糖等碳源或者是无机盐,因而可在一定浓度范围 内能决定该机体生长速率。
接种龄
接种量 培养基成分
缩短延滞期的意义和方法
可以缩短生产周期，提高设备利用率。 接种对数生长期的菌种，采用最适菌龄 加大接种量 用与培养菌种相同组成成分的培养基
指数期(对数期)(exponential phase) 特点
①活菌数和总菌数接近
②酶系活跃，代谢旺盛。 ③生长速率最大，generation time最短。 ④细胞的化学组成及形态，生理特性比较一致 该期的细菌生产中多被用做种子和科学试验材料
嗜热
２５～ ４５
氧气
好氧微生物、厌氧微生物
专性好氧菌（obligate or strict aerobes）
超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶 兼性厌氧菌（facultative anaerobes） 微好氧菌（microaerophilic bacteria） 耐氧菌（aerotolerant anaerobes） 厌氧菌（anaerobes）
第六章 微生物的生长
繁殖及其控制
内容提要
•微生物的生长规律 •影响微生物生长的主要环境因素
•测定微生物生长繁殖的方法
• 微生物培养法概论 •有害微生物的控制
个体生长
个体繁殖
群体生长
生长: 繁殖:
生物个体物质有规律地、不可逆增加， 导致个体体积扩大的生物学过程。 生物个体生长到一定阶段,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。

X2
X1
t2 1 dX = t m dt 1 X
若μ为常数，则：
X2 = mDt ln X1
此式可在△t=td （td为倍增时间）时求得， td即在 时所需时间，于是td=ln2/μ=0.693/μ。 为比生长速率，单位是 h-1。
例题：某微生物的
＝0.125 h-1，求td。
比生长速率的意义
• 温度
• 氧气
• pH
• 营养物质
• 水的活性
1、温度
• 从微生物界整体来看，微生物可以在-10~100℃
范围内生长。但就具体的某种微生物来讲，它 只能在一定的温度范围内生长。 • 在这一定的温度范围内，每种微生物都有自己 的生长温度三基点：最低生长温度、最适生长 温度和最高生长温度。在生长温度三基点内， 微生物都能生长，但生长速率不一样。
Monod方程中 为比生长速率(h-1)； 为最大比生长速率(h-1)，S为限制性 基质浓度(g／L)；Ks为饱和常数(g/L)，其 值等于比生长速率为最大比生长速率一
半时的限制性基质浓度。
将Monod方程变为
并作图。通过该图，即可以获得两个
重要的动力学参数Ks和μm 。
Ks和μm值随菌种、限制性基质种类的变化
因此人们又提出了另外一些方程,归纳于
下表
单基质限制的细胞生长动力学模型
同步培养(synchronous culture)
使培养基中细菌同时分裂，处于相同的生长 阶段叫同步生长。
通过同步培养方法获得的细胞被称为同步细
胞或同步培养物。
它通常作为科研材料或工业发酵的种子。
由于细胞的个体差异,同步生长往往只能维
只能在较低的氧分压下才能正常生
长的微生物。也通过呼吸链并以氧 为最终受体而产能。
耐氧菌：在分子氧存在下进行厌氧生活 的厌氧菌，即它们的生长不需要氧，分 子氧对它也无毒害。不具有呼吸链，仅 依靠专性发酵获得能量。细胞内存在 SOD和过氧化物酶，但缺乏过氧化氢酶。 一般的乳酸菌多数是耐氧菌。 厌氧菌：分子氧对它们有毒，即使短期 接触空气，也会抑制其生长甚至致死； 在固体或半固体培养基深层才能生长； 生命活动所需能量通过发酵、无氧呼吸、 循环光合磷酸化或甲烷发酵等提供；细 胞内缺乏SOD和细胞色素氧化酶，大多 数还缺乏过氧化氢酶。
• 生长温度三基点：最低、最适、最高
• 微生物作为一个整体：温度三基点极宽
• 某一具体微生物：宽温微生物、窄温微生物
• 最适生长温度：某菌分裂代时最短或生长速率
最高时的培养温度。 • 最适温度不等于生长得率最高时的培养温度， 也不等于发酵速率或累积代谢产物最高时的培 养温度，不等于累积某一代谢产物最高时的培 养温度。
无性繁殖 • 孢囊孢子 • 分生孢子 • 厚垣孢子 • 节 孢子 有性繁殖
霉菌的无性繁殖
孢子囊
孢子囊
孢囊孢子
囊轴
囊轴
孢子囊梗
孢囊孢子
孢子囊梗
孢子囊孢子
分生孢子
分生孢子梗和分生孢子的类型
分生孢子头
分生孢子
次生小梗 初生小梗 顶 囊 分生孢子梗
曲霉
青霉
厚垣孢子
节孢子
霉菌的有性繁殖
卵 孢子 接合孢子 子囊孢子
酵母菌（Saccharomycres cervisiae）的芽殖过程
蒂痕（birth scar） 芽痕（bud scar）
掷孢子(ballistospore)的形成和射出过程
不同 酵母菌形成的子囊类型
第四节 环境对生长的影响及生长的测定 一、环境对生长的影响 影响微生物生长的主要环境因素：
按生长温度范围分类 微生物类型
专性嗜冷
生长温度范围 （℃）
最低
－１２ －５～０
分布
两极 深海、冷 藏 腐生菌
最适
５～１５ １０～ ２０ ２０～ ３５
最高
１５～ ２０ ２５～ ３０
低温型
兼性嗜冷 室温型
中温型
体温型
１０～ ２０
３５～ ４０
５０～ ６０
４０～ ４５
寄生菌
７０～ ９５ 温泉、堆 肥
高温型
比生长速率是菌体繁殖速率与培养基 中菌体浓度之比，它与微生物的生命活 动有联系
在对数生长期， 是一个常数，这时
2、无抑制的细胞生长动力学—Monod方程
现代细胞生长动力学的奠基人Monod在
1942年指出，在培养基中无抑制剂存在 的情况下，细胞的比生长速率与限制性 基质浓度的关系可用下式表示：
Monod方程是典型的均衡生长模型， 其基本假设如下： ①细胞的生长为均衡式生长，因此描述细胞 生长的唯一变量是细胞的浓度； ②培养基中只有一种基质是生长限制性基质， 而其它组分为过量，不影响细胞的生长； ③ 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞 生长速率为一常数。
接合孢子
各种类型的子囊孢子
各种类型的子囊
三类产有性孢子的复杂子实体的结构
闭囊壳
子囊壳
子囊盘
霉菌生活史
匍枝根霉
二、酵母菌的生长繁殖
芽殖 无性繁殖 裂殖 产无性孢子—掷孢子
有性繁殖
酵母菌的形态构造
线 粒 体 芽体液泡 芽 体 核
细胞壁 细胞膜 细胞核 其他细胞构造
液 泡 膜 细 胞 壁 细 胞 膜
微生物 大肠杆菌 大肠杆菌 啤酒酵母 啤酒酵母 纤维素分 解菌 固氮菌 青霉菌 限制生长 基质 葡萄糖 乳糖 乳糖 葡萄糖 葡萄糖 Ks 0.22 0.58 2.6~3.0 0.56 0.86 μm（h-1） --0.18 -0.125
葡萄糖
氧气
0.16~0.33
0.007
0.13
0.35
Monod方程虽然表述简单，但它不足以 完整地说明复杂的生化反应过程，并且 已发现它在某些情况与实验结果不符，