第六章+微生物的生长繁殖.ppt

第六章微生物的生长繁殖及其控制 MicrobialGrowthandGrowthcontrol 细菌的个体生长 细菌的群体生长繁殖 PopulationGrowth 真菌的生长与繁殖 环境对生长的影响及生长的测定 EffectofEnvironmentonGrowthandmeasurementofGrowth 微生物生长繁殖的控制 GrowthControl 个体生长 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 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 群体生长 在一定时间和条件下细胞数量的增加 一 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 1 染色体DNA的复制和分离 DNAreplication 2 细胞壁扩增 cellelongation 3 细菌的分裂 Celldivision 二 细菌的群体生长繁殖 PopulationGrowth 细菌群体生长规律 PopulationGrowth 生长数学模型主要生长参数同步培养 synchronousculture 连续培养 continouscultureofmicroorganisms 1 迟缓期 2 对数期 3 稳定期 4 衰亡期 1 细菌群体生长规律 PopulationGrowth 1 迟缓期 lagphase 定义 指少量微生物接种到新培养液中后 在开始培养的一段时间内细胞数目不增加的时期 特点 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 此时胞内合成代谢活跃 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 细胞敏感 培养基成分 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 产生原因 种龄 种子 老化 即处于非对数生长期 或末充分活化 操作 接种时造成的损伤等 接种量 多少明显影响迟缓期的长短 通过遗传学方法改变种的遗传特性使迟缓期缩短 利用对数生长期的细胞作为 种子 尽量使接种前后所使用的培养基组成不要相差太大 适当扩大接种量等方式缩短迟缓期 克服不良的影响 解决措施 2 对数生长期 logPhase 又称指数生长期 exponentialphase 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 stationaryphase 营养物质消耗代谢产物积累pH等环境变化 稳定生长期特点 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 注 多数芽孢杆菌在此时期形成芽孢 4 衰亡期 decline或deathphase 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 2 生长数学模型 比生长速率 单位数量细菌或物质在单位时间内增加的量 代时 在细菌个体生长里 每个细菌分裂繁殖一代所需的时间 倍增时间 doublingtime 在群体生长里细菌数量增加一倍所需的时间称为 3 主要生长参数 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下达到对数生长期所需时间之差 比生长速率 莫诺方程总生长量 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 4 同步培养 synchronousculture 同步培养 synchronousculture 使群体中不同步的细胞转变成能同时进行生长或分裂的群体细胞的方法 同步生长 以同步培养方法使群体细胞能处于同一生长阶段 并同时进行分裂的生长方式称为 同步培养方法 机械方法离心过滤硝酸纤维素滤膜法环境条件控制技术温度培养基成分其它 如光照与黑暗交替培养 硝酸纤维素滤膜法 离心法 连续培养 连续培养 continouscultureofmicroorganisms 是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 连续培养的基本原则 微生物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 连续培养类型 恒浊连续培养 恒化连续培养 一 恒化连续培养 在整个培养过程中通过控制培养基中某种营养物质的浓度基本恒定的方式 保持细菌的比生长速率恒定 使生长 不断 进行 生长速率的控制因子 一般是氨基酸 氨和铵盐等氮源 或是葡萄糖 麦芽糖等碳源或者是无机盐 生长因子等物质 恒化器连续培养通常用于微生物学的研究 筛选不同的变种 二 恒浊连续培养 通过连续培养装置中的光电系统控制培养液中菌体浓度恒定 使细菌生长连续进行的一种培养方式 用于菌体以及与菌体生长平行的代谢产物生产的发酵工业 四 环境对生长的影响及生长的测定 EffectofEnvironmentonGrowthandmeasurementofGrowth 环境对微生物生长的影响 EffectofEnvironmentonGrowth 微生物生长的测定 measurementofGrowth 1 环境对微生物生长的影响 EffectofEnvironmentonGrowth 营养物质 nutrient 水的活性 wateractivity 温度 temperatures pH氧 O2 营养物质不足导致微生物生长所需要的能量 碳源 氮源 无机盐等成分不足 机体合成细胞物质的能力下降 严重时导致细胞自溶 营养物质过剩时常出现底物抑制现象 或只生长不产生代谢产物 或生长受抑制 严重时导致微生物死亡 营养物质 nutrient 微生物在生长过程中 对培养基的水活性有一定的要求 每种微生物生长都有最适的水活性 高于或低于所要求的水活性值 都会通过影响培养基的渗透压力变化而影响微生物的生长速率 微生物不同 生长所需要的最适水活度也不同 水活性 wateractivity 水活度 在天然环境中 微生物可实际利用的自由水或游离水的含量 一般用在一定的温度和压力条件下 溶液的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸汽压力之比表示 即 w Pw Pow式中Pw代表溶液蒸汽压力 POw代表纯水蒸汽压力 纯水 w为1 00 溶液中溶质越多 w越小 微生物一般在 w为0 60 0 99的条件下生长 w过低时 微生物生长的迟缓期延长 比生长速率和总生长量减少 微生物不同 其生长的最适 w不同 水活度 嗜冷微生物 psychrophiles 嗜温微生物 mesophiles 嗜热微生物 thermophiles 兼性嗜冷微生物 psychrotrophs 温度 temperatures 嗜高温微生物 hyperthermophiles 嗜冷微生物 低温微生物 嗜冷机制 系在低温下仍能起催化作用细胞膜含较多的不饱合脂肪酸在低温下仍具有通透性 嗜热微生物的嗜热机制 细胞内的 具强抗热性 产生的多胺 热亚胺和高温精胺物质对蛋白质等组织结构具有保护作用 核酸也具有热稳定性的保护结构 细胞膜含有较多的饱和脂肪酸和直链脂肪酸 使膜具有稳定性 低温对微生物的影响 代谢降低生长繁殖停滞仍然存活常在低温下对菌种和食品保藏 温度对微生物的影响 影响酶活性 影响细胞膜的流动性 影响物质的溶解度 pH 影响细胞膜透性与稳定性影响物质溶解度影响细胞表面电荷分布 因此影响微生物生长 繁殖 发育 各类微生物能够生长的PH值较宽 但细胞内部PH值却接近中性 微生物的活动也能改变环境中的PH值 根据氢离子浓度对微生物分类 嗜酸性微生物 嗜碱性微生物 耐酸及耐碱微生物 专性好氧菌 obligateorstrictaerobes 超氧化物歧化酶 SOD 和过氧化氢酶 Catalase 兼性厌氧菌 facultativeanaerobes 微好氧菌 microaerophilicbacteria 耐氧菌 aerotolerantanaerobes 厌氧菌 anaerobes 氧 超氧化物歧化酶 SOD 功能 使好氧菌免受超氧化物阴离子自由基的毒害 过氧化氢酶 Catalase 2H2O2 Catalase 2H2O O2 厌氧菌 anaerobes 能量来源于发酵无氧呼吸环式光合磷酸化或甲烷发酵 2 微生物生长的测定 measurementofGrowth 计数法直接计数法间接计数法比浊法重量法干 湿重法菌体内重要组成测定法 核酸 蛋白质等 生理指标法 呼吸强度 酶活性等 N 6 25 Pr 计数法 直接计数法利用特定的细菌计数板或血细胞计数板 在显微镜下计算一定容积里样品中微生物的数量 测定的是总菌数每毫升原液所含细菌数 每小格平均细菌数 400 10000 稀释倍数 常用来测定细菌 酵母菌等单细胞微生物 间接计数法 活菌计数法 将待测样品经一系列10倍稀释后 与培养基混匀倒平板 查数 或直接涂平板 不适合测定丝状体微生物每毫升原菌液活菌数 同一稀释度三个以上重复平皿菌落平均数 稀释倍数 5 比浊法 重量法 干 湿重法几乎适合于所有微生物的测定 菌体内重要组成测定法 核酸 蛋白质等 蛋白质总量 含氮量 6 25细胞总量 蛋白质总量 65 蛋白质总量 1 54 生理指标法 生理指标测定法 样品中微生物数量多或生长旺盛 这些指标愈明显 因此可以借助特定的仪器如瓦勃氏呼吸仪 微量量热计等设备来测定相应的指标 常用于对微生物的快速鉴定与检测 微生物的生理指标 如呼吸强度 耗氧量 酶活性 生物热等与其群体的规模成正相关 五 微生物生长繁殖的控制 GrowthControl 控制微生物的物理因素 控制微生物的化学物质 几个基本概念灭菌 sterilition 杀死物体上全部微生物的方法消毒 disinfection 杀死或消除物体上的病原微生物的方法防腐 antisepsis 用理化方法防止抑制微生物生长的方法化疗 chemotherapy 利用对病源菌具有高度毒力而对宿主基本无毒的化学物质来抑制宿主体内病源微生物的生长繁殖 控制微生物的物理因素 高温灭菌辐射灭菌过滤除菌高渗作用干燥超声波 多数细菌 酵母菌和霉菌的营养细胞和病毒在50 65 10min可以致死 一般噬菌体65 80 致死 放线菌霉菌的孢子比营养细胞抗热性强 76 80 10min可以杀死 细菌芽孢 在100 下 20min才能致死 嗜热脂肪芽孢杆菌可在80 条件下生活 在120 12min才能杀死 同种微生物老龄菌比幼菌耐热 1 高温灭菌 高温灭菌 湿热灭菌 moistheatsterilization 干热灭菌 dryheatsterilization 焚烧灭菌法 常用与废弃物动物尸体等处理 烘烤灭菌法 实验室用干燥箱烘烤接种工具 湿热灭菌 moistheatsterilization 该法比干热灭菌效果好 因为蛋白质在有水的情况下容易凝固 如含水50 蛋白质凝固温度为56 含水 蛋白质凝固温度为160 170 煮沸灭菌法 煮沸消毒法 高压蒸汽灭菌法 间歇灭菌法 巴斯德消毒法 巴氏消毒法 煮沸灭菌法 煮沸消毒法 物品在水中煮沸15min 可杀死所有营养细胞和一部分芽孢 在水中加入 的 a2CO3或 的碳酸效果更好 此法适合注射器和解剖用具的消毒 高压蒸汽灭菌 normalautoclving 是湿热灭中最好方法 通常在1 05kg cm2 的压力 此时温度121 处理15 30min 要排冷 否则会形成假压 虽然压力达到要求 温度却达不到相应高度 而影响灭菌效果 间歇灭菌法 fractionalsterilization 是用常压蒸汽反复几次进行灭菌的方法 主要用于不宜高压灭菌的培养基 不耐热的药物和营养物等 方法是将待灭菌物品置于蒸锅内加热到沸腾维持15 30min杀死营养细胞 取出冷却后在37 恒温培养24小时 使芽孢萌发 再用此法灭菌 反复三次 即可达到灭菌目的 巴氏消毒法 pasteurization 是食品 牛奶 酿造 啤酒 工业中常用的方法 具体做法是61 7 62 8 处理30min或71 6 处理15min 这样即可杀死病原微生物 又不致损坏营养 可保留食品饮料原有用味 根据结核杆菌在62 下15min被致死 低温维持法 高温瞬时灭菌 可见光紫外线 非电离辐射 X射线与 射线 2 辐射灭菌 紫外线 非电离辐射 杀菌机制 诱导核酸形成胸腺嘧啶二聚体 从而干扰了核酸的复制紫外线 O 各种微生物对紫外线抗性 干细胞强于湿细胞 芽孢 孢子强于营养细胞 多倍体 二倍体 单倍体 直接学说间接学说r射线是放射性元素Co60发射出的高能射线 具强穿透能力 500 干伦琴剂量用于诱变育种 10万伦琴以上具杀菌作用 X射线与 射线 热敏性物质的除菌可采用此种方法 棉花过滤器 用于空气除菌膜过滤器 用于液体除菌 如抗生素除菌 3 过滤除菌 等渗溶液对微生物生长有利 细胞处于低渗液中会吸水膨胀乃至破裂 细胞处于高渗液中会脱水引起质壁分离导致死亡 4 高渗作用 5 干燥使细胞处于失水状态 抑制微生物生长 作用 食品保藏6 超声波产生空穴作用产生热能 控制微生物的化学物质 表面消毒剂液体消毒剂气体消毒剂 化学治疗剂抗微生物剂抗代谢物抗生素 酸和碱 重金属及其盐类 有机化合物 氧化剂 卤素 染色剂 表面活性剂 表面消毒剂 surfacedisinfectant 前面讲过微生物细胞中的DNA RNA Cl Pr E只有在中性条件下才能体现活性 因此强酸碱具杀菌作用 医院病房常用乙酸消毒 酸和碱 控制微生物的化学物质 1 抗微生物剂 抗微生物剂 antimicrobialagcnt 是一类能够杀死微生物或抑制微生物生长的化学物质 根据它们抗微生物的特性可分为 抑菌剂 杀菌剂 溶菌剂 用机理是这类物质结合到核糖体上抑制蛋白质合成 导致生长停止 由于它们同核糖体结合不紧 它们在浓度降低时又会游离出来 核糖体合成蛋白质的能力恢复 使生长恢复 它们是紧紧地结合到细胞的作用靶上 即使在浓度降低时也不能游离出来 因此生长不能恢复 能抑制细胞壁合成或损伤细胞质膜 抗微生物剂通常又将它们分为 消毒剂 可杀死微生物 通常用于非生物材料的灭菌或消毒 防腐剂 能杀死微生物或抑制其生长 但对人及动物的体表组织无毒性或毒性低 可作为外用抗微生物药物 HgCl2 CuSO4 碘液 氯气 乙烯氧化物 甲醛剂 臭氧 有机汞 0 1 1 硝酸银 碘液 70 乙醇 3 过氧化氢 各种抗微生物化学制剂杀菌能力的比较标准 石炭酸系数 指在一定时间内被试药剂能杀死全部供试菌的最高稀释度和达到同效的石炭酸的最高稀释度的比率 一般规定处理时间为10分钟 而供试菌定为Salmonellatyphi 伤寒沙门氏菌 在临床上最早使用的消毒剂 石炭酸 2 抗代谢物 Antimetabolite 有些化合物在结构上与生物体所必需的代谢物很相似 以至可以和特定的酶结合 从而阻碍了酶的功能 干扰了代谢的正常进行 这些物质称为抗代谢物 叶酸对抗物 磺胺 嘌呤对抗物 6 巯基嘌呤 苯丙氨酸对抗物 对氟苯丙氨酸 尿嘧啶对抗物 5 氟尿嘧啶 胸腺嘧啶对抗物 5 溴胸腺嘧啶 磺胺药物是最早发现 也是最常见的化学疗剂 抗菌谱广 能治疗多种传染性疾病 大多数革兰氏阳性细菌 如肺炎球菌 溶血性链球菌等 某些革兰氏阴性细菌 如痢疾杆