第五章微生物的生长繁殖及其控制

　　重点：细菌生长曲线的定义、各时期的特点、应用及生产指导意义.控制微生物生长繁殖及控制微生物生长的条件及原理.

　　微生物在适宜的环境条件下,不断地吸收营养物质,并按照自己的代谢方式进行代谢活动,如果同化作用大于异化作用,则细胞质的量不断增加,体积得以加大,于是表现为生长.简单地说,生长就是有机体的细胞组分(constituent)与结构在量方面的增加.单细胞微生物如细菌,生长往往伴随着细胞数目的增加.当细胞增长到一定程度时,就以二分裂方式,形式两个基本相的子细胞,子细胞又重复以上过程.在单细胞微生物中,由于细胞分裂而引起的个体数目的增加,称为繁殖.在多细胞微生物中,如某些霉菌,细胞数目的增加如不伴随着个体数目的增加,只能叫生长,不能叫繁殖.例如菌丝细胞的不断延长或分裂产生同类细胞均属生长,只有通过形成无性孢子或有性孢子使得个体数目增加的过程才叫做繁殖.

　　在一般情况下,当环境条件适合,生长与繁殖始终是交替进行的.从生长到繁殖是一个由量变到质变的过程,这个过程就是发育.

　　微生物处于一定的物理、化学条件下,生长、发育正常,繁殖速率也高；如果某一或某些环境条件发生改变,并超出了生物可以适应的范围时,就会对机体产生抑制乃至杀灭作用.

　　第一节细菌纯培养的群体生长规律

　　大多数细菌的繁殖速度都很快.大肠杆菌的适宜条件下,每20分钟左右便可分裂一次,如果始终保持这样的繁殖速度,一个细菌48个小时内,其子代总重量可达2.2×1031克,这是一个巨大的数字.然而,实际情况是不可能的.那么,细菌的群体生长规律到底怎样呢?

　　一、细菌纯培养的群体生长规律（详细讲解,让学生理解并掌握）

　　将少量单细胞纯培养接种到一恒定容积的新鲜液体培养基中,在适宜的条件下培养,定时取样测定细菌含量,可以看到以下现象：开始有一短暂时间,细菌数量并不增加,随之细菌数目增加很快,继而细菌数又趋稳定,最后逐渐下降.如果以培养时间为横坐标,以细菌数目的对数或生长速度为纵坐标作图,可以得到如图6-6的曲线,称为繁殖曲线,对单细胞微生物而言,虽然生长和繁殖是两个不同的概念,但由于在测定方法上,多以细菌数增加(即繁殖)作为生长指标,它们的繁殖也可视为群体的生长,所以,繁新的适宜的环境中生长繁殖直至衰老死亡全过程的动态变化.根据细菌生长繁殖速率的不同,可将生长曲线大致分为延迟期、对数期、调整期或滞留适应期.

　　（一）延迟期处于延迟期细菌细胞的特点可概括为8个字：分裂迟缓、代谢活跃.细胞体积增长较快,尤其是长轴,例如巨大芽孢杆菌,在延迟期末,细胞平均长度比刚接种时大6倍以上；细胞中RNA含量增高,原生质嗜碱性加强；对不良环境条件较敏感,对氧的吸收、二氧化碳的释放以及脱氨作用也很强,同时容易产生各种诱导酶等.这些都说明细胞处于活跃生长中,只是细胞分裂延迟.在此阶段后期,少数细胞开始分裂,曲线略有上升.

　　延迟期出现的原因,可能是为了调整代谢.当细胞接种到新的环境(如从固体培养接种至液体培养基)后,需要重新合成必需量的酶、辅酶或某些中间代谢产物,以适应新的环境.

　　延迟期的长短与菌种的遗传性、菌龄以及移种前后所处的环境条件等因素有关,短的只需几分钟,长的可达几小时.因此,深入了解延迟期产生的原因,采取缩短延迟期的措施,在发酵工业上具有十分重要的意义.在生产实践中,通常采取的措施有增加接种量,在种子培养中加入发酵培养基的某些营养成分,采用最适种龄(即处于对数期的菌种)的健壮菌种接种以及选用繁殖快的菌种等措施,以缩短延迟期,加速发酵周期,提高设备利用率.

　　在延迟期末,每个细胞已开始分裂,但并非所有的机体都同时结束这一时期,所以细菌数逐渐增加,曲线稍有上升,直至这一阶段结束,进入下一阶段.

　　(二)对数期(logphase)对数期又称指数期(exponentialphase).在此期中,细胞代谢活性最强,组成新细胞物质最快,所有分裂形成的新细胞都生活旺盛.这一阶段的突出特点是细菌数以几何级数增加,代时稳定,细菌数目的增加与原生质总量的增加,与菌液混浊度的增加均呈正相关性.这时,细菌纯培养的生长速率也就是群体生长的速率,可用代时(generationtime)表示.所谓代时,即单个细胞完成一次分裂所需的时间,亦即增加一代所需的时间(也叫增代时间或世代时间).在此阶段,由于代时稳定,因此,只要知道了对数期中任何两个时间的菌数,就可求出细菌的代时.

　　不同的细菌,其对数期的代时不同,同一种细菌,由于培养基组成和物理条件的影响,如培养温度、培养基pH、营养物的性质等,代时也不相同.但是,在一定条件下,各种菌的代时又是相对稳定的,多数种为20-30分钟,有的长达33小时,而有的繁殖极快,增代时间只9.8分左右.表6-4示不同细菌的代时.

　　处于对数期的微生物,其个体形态、化学组成和生理特性等均较一致,代谢旺盛,生长迅速,代时稳定,所以是研究基本代谢的良好材料,也是发酵生产的良好种子,如果用作菌种,往往延迟期很短以至检查不出,这样可在短时间内得到大量微生物,以缩短发酵周期.

　　(三)稳定期(stationaryphase)又称恒定期或最高生长期.处于稳定期的微生物,新增殖的细胞数与老细胞的死亡数几乎相等,整个培养物中二者处于动态平衡,此时生长速度,又逐渐趋向零.

　　在一定容积的培养基中,细菌为什么不能按对数期的高速率无限生长呢?这是由于对数期细菌活跃生长引起周围环境条件条件发生了一系列变化,某些营养物质消耗,有害代谢产物的积累,以及诸如pH、氧化还原电位、温度等的改变,限制了菌体细胞继续以高速度进行生长和分裂.

　　此阶段初期,细菌分裂的间隔时间开始延长,曲线上升逐渐缓慢.随后,部分细胞停止分裂,少数细胞开始死亡,致使细胞的新生与死亡速率处于动态平衡.这时培养物中细胞总数达到最高水平,接着死亡细胞数大大超过新增殖细胞数,曲线出现下降趋势.

　　稳定期的细胞内开始积累贮藏物,如肝糖、异染颗粒、脂肪粒等,大多数芽孢细菌也在此阶段形成芽孢.如果为了获得大量菌体,就应在此阶段收获,因这时细胞总数量最高；这一时期也是发酵过程积累代谢产物的重要阶段,某些放线菌抗生素的大量形成也在此时期.

　　从上可以看出,稳定期的微生物,在数量上的达到了最高水平,产物的积累也达到了高峰,此时,菌体的总产量与所消耗的营养物质之间存在着一定关系,这种关系,生产上称为产量常数,可用下式表示：

　　γ=菌体总生长量/消耗营养物质总量

　　式中γ值的大小可说明该种细菌同化效率的高低.根据这一原理,可用适当的微生物作为指示,对维生素、氨基酸或核苷酸等进行定量的生物测定.稳定期的长短与菌种和外界环境条件有关.生产上常常通过补料、调节pH、调整温度等措施,延长稳定期,以积累更多的代谢产物.

　　(四)衰亡期(dec