微生物的生长及影响因素

1、一、微生物的生长一、微生物的生长n个体生长：细胞体积增大，重量增加。个体生长：细胞体积增大，重量增加。n个体生长个体生长个体繁殖个体繁殖群体生长群体生长n除了特定的目的以外，在微生物的研究和应用中提到的除了特定的目的以外，在微生物的研究和应用中提到的“生长生长”，均指群体生长。，均指群体生长。细菌的繁殖方式细菌的繁殖方式Binary fission-growth cycle二、微生物群体的生长规律二、微生物群体的生长规律n把少量纯种单细胞微生物接种到恒容积的液体培养基中后，把少量纯种单细胞微生物接种到恒容积的液体培养基中后，在适宜的条件下，它们的群体就会有规律的生长起来。以在适宜的条件下，它们

2、的群体就会有规律的生长起来。以细胞数目的对数值作纵坐标，以培养时间作横坐标，就得细胞数目的对数值作纵坐标，以培养时间作横坐标，就得到微生物的典型生长曲线。到微生物的典型生长曲线。n根据微生物的生长速率常数根据微生物的生长速率常数R不同，可分为：不同，可分为：Lag phase（延滞期、调整期、适应期）延滞期、调整期、适应期）Exponential phase（指数期、对数期）指数期、对数期）Stationary phase（稳定期、平衡期）稳定期、平衡期）Death phase（衰亡期）衰亡期）Growth cycle of populations in batch culture1、延滞期、

3、延滞期n特点特点生长速率常数生长速率常数R = 0细胞形态变大或增长细胞形态变大或增长细胞内细胞内RNA尤其是尤其是rRNA含量增高，原生质呈碱性。含量增高，原生质呈碱性。合成代谢活跃，易产生诱导酶。合成代谢活跃，易产生诱导酶。对外界不良条件反应敏感对外界不良条件反应敏感n影响因素：影响因素：菌种特性菌种特性接种龄接种龄接种量接种量培养基成分培养基成分（1）接种龄的影响）接种龄的影响n接种龄：种子的群体生长年龄，即它处在生长曲线的接种龄：种子的群体生长年龄，即它处在生长曲线的哪一个阶段，这是一种生理年龄。哪一个阶段，这是一种生理年龄。n若以对数期接种龄的种子接种，则子代培养物的延滞若以对数期接

4、种龄的种子接种，则子代培养物的延滞期就短。期就短。n若以延滞期或衰亡期的种子接种，则子代培养物的延若以延滞期或衰亡期的种子接种，则子代培养物的延滞期就长。滞期就长。n若以稳定期的种子接种，则延滞期居中。若以稳定期的种子接种，则延滞期居中。（2）接种量的影响）接种量的影响n一般说来，接种量大，一般说来，接种量大，则延滞期短，因此，则延滞期短，因此，在发酵工业上，为缩在发酵工业上，为缩短不利于提高发酵效短不利于提高发酵效率的延滞期，一般采率的延滞期，一般采用用10%的接种量。的接种量。（3）培养基成分的影响）培养基成分的影响n接种到营养丰富的天然培养基中的微生物，要比接种接种到营养丰富的天然培养基

5、中的微生物，要比接种到营养单调的组分培养基中的延滞期短。到营养单调的组分培养基中的延滞期短。n在发酵生产中，常使发酵培养基的成分与种子培养基在发酵生产中，常使发酵培养基的成分与种子培养基的成分尽量接近。的成分尽量接近。2、对数生长期、对数生长期n特点：特点：R最大，增代时间（代时最大，增代时间（代时G）或倍增时间最短。或倍增时间最短。细胞进行平衡生长，菌体内各种成分最为均匀。细胞进行平衡生长，菌体内各种成分最为均匀。酶系活跃，代谢旺盛。酶系活跃，代谢旺盛。n影响因素：影响因素：菌种特性菌种特性营养成分营养成分营养物浓度营养物浓度培养温度培养温度（1）营养成分的影响）营养成分的影响n同一种细菌，

6、在营养物丰富的培养基中生长，其代时同一种细菌，在营养物丰富的培养基中生长，其代时较短，反之则长。较短，反之则长。（2）营养物浓度的影响）营养物浓度的影响n在营养物浓度很低的情况在营养物浓度很低的情况下，营养物的浓度才会影下，营养物的浓度才会影响生长速率；随着营养物响生长速率；随着营养物浓度的提高，生长速率不浓度的提高，生长速率不受影响，而只影响最终的受影响，而只影响最终的菌体产量；进一步提高营菌体产量；进一步提高营养物浓度，则生长速率和养物浓度，则生长速率和菌体产量两者均不受影响。菌体产量两者均不受影响。n凡是处于较低浓度范围内，凡是处于较低浓度范围内，可影响生长速率和菌体产可影响生长速率和菌

7、体产量的营养物，称为生长限量的营养物，称为生长限制因子。制因子。（3）培养温度的影响）培养温度的影响E.coli在不同温度下的代时在不同温度下的代时温度温度 代时（分）代时（分） 温度温度 代时（分）代时（分） 10 860 35 22 15 120 40 17.5 20 90 45 20 25 40 47.5 77 30 29特征参数特征参数n繁殖代数繁殖代数 n： x2=x12nnn = 3.322 (lgx2 lgx1)n生长速率常数生长速率常数 R：单位时间内的繁殖代数单位时间内的繁殖代数nR = n / (t2 t1) = 3.322 (lgx2 lgx1) / (t2 t1)n代时

8、代时G：繁殖一代所需的时间繁殖一代所需的时间nG = 1/ R = (t2 t1) / 3.322 (lgx2 lgx1) 3、稳定期、稳定期n特点：特点：R = 0，菌体产量达到最高点（细胞繁殖数菌体产量达到最高点（细胞繁殖数=死亡数）。死亡数）。细胞开始储存糖原、异染颗粒和脂肪等储藏物。细胞开始储存糖原、异染颗粒和脂肪等储藏物。以生产菌体或与菌体生长相平行的代谢产物的最佳收获期。以生产菌体或与菌体生长相平行的代谢产物的最佳收获期。n稳定期到来的原因：稳定期到来的原因：营养物尤其是生长限制因子的耗尽；营养物尤其是生长限制因子的耗尽；营养物的比例失调；营养物的比例失调；有害代谢产物累积；有害代

9、谢产物累积；pH、氧化还原电势等物化条件不适宜。氧化还原电势等物化条件不适宜。4、衰亡期、衰亡期n特点：特点：个体死亡速度个体死亡速度 新生速度，群体呈现负生长；新生速度，群体呈现负生长；细胞形态多样；细胞形态多样；细胞产生自溶；细胞产生自溶；产生或释放抗生素；产生或释放抗生素；芽孢杆菌中芽孢的释放。芽孢杆菌中芽孢的释放。n衰亡期到来原因：衰亡期到来原因： 环境条件越来越不利，从而引起细胞内分解代谢大大超环境条件越来越不利，从而引起细胞内分解代谢大大超过合成代谢，导致菌体死亡。过合成代谢，导致菌体死亡。生长曲线的应用生长曲线的应用n缩短延滞期缩短延滞期，以缩短发酵周期以缩短发酵周期n取对数生长

10、期的种子接种取对数生长期的种子接种n延长对数生长期延长对数生长期，有利于形成大量的微生物细胞有利于形成大量的微生物细胞n采用连续培养采用连续培养n延长稳定期，有利于代谢产物积累延长稳定期，有利于代谢产物积累n根据细胞内含物判断菌龄；根据细胞内含物判断菌龄；n根据生长期控制培养条件。根据生长期控制培养条件。三、连续培养三、连续培养n连续培养：当微生物以单批培养的方式培养到对数期连续培养：当微生物以单批培养的方式培养到对数期的后期时，一方面以一定速度连续流进新鲜培养基，的后期时，一方面以一定速度连续流进新鲜培养基，并立即搅拌均匀；另一方面，利用溢流的方式，以同并立即搅拌均匀；另一方面，利用溢流的方

11、式，以同样的流速不断流出培养物。这样，培养物就达到动态样的流速不断流出培养物。这样，培养物就达到动态平衡，其中的微生物可长期保持在指数期的平衡生长平衡，其中的微生物可长期保持在指数期的平衡生长状态和稳定的生长速率上。状态和稳定的生长速率上。单批培养与连续培养的关系单批培养与连续培养的关系连续培养器的类型连续培养器的类型 内控制（控制菌体浓度）：恒浊器内控制（控制菌体浓度）：恒浊器 外控制（控制培养液流速，以控制生长速率）：恒化器外控制（控制培养液流速，以控制生长速率）：恒化器 单级连续培养器单级连续培养器 多级连续培养器多级连续培养器 一般连续培养器一般连续培养器 固定化细胞连续培养器固定化细

12、胞连续培养器 实验室科研用：连续培养器实验室科研用：连续培养器 发酵生产用：连续发酵罐发酵生产用：连续发酵罐按控制方式分按控制方式分按培养器的级数分按培养器的级数分按细胞状态分按细胞状态分按用途分按用途分恒浊器与恒化器恒浊器与恒化器n恒浊器（恒浊器（turbidostat）：）：根据培养器内微生物的生长密根据培养器内微生物的生长密度，并借光电控制系统来控制培养液流速，以取得菌体密度，并借光电控制系统来控制培养液流速，以取得菌体密度高、生长速度恒定的微生物细胞的连续培养器。度高、生长速度恒定的微生物细胞的连续培养器。n恒化器（恒化器（chemostat）：）：一种设法使培养液流速保持不变，一种设

13、法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条件下进行生长繁并使微生物始终在低于其最高生长速率条件下进行生长繁殖的一种连续培养装置。殖的一种连续培养装置。恒化器恒化器恒浊器与恒化器的比较恒浊器与恒化器的比较装置装置 控制对象控制对象 培养基培养基 培养基流速培养基流速 生长速率生长速率 产物产物 应用范围应用范围恒浊器恒浊器 菌体密度菌体密度 无限制无限制 不恒定不恒定 最高速率最高速率 大量菌体大量菌体 生产为主生产为主 （内控制）（内控制） 生长因子生长因子 或与菌体或与菌体 相平行的相平行的 代谢产物代谢产物恒化器恒化器 培养基培养基 有限制有限制 恒定恒定 低于低于 不同

14、生长不同生长 实验室实验室 流速流速 生长因子生长因子 最高速率最高速率 速率菌体速率菌体 为主为主 （外控制）（外控制）连续培养的优缺点连续培养的优缺点n优点优点n高效高效n自控自控n产品质量较稳定产品质量较稳定n节约了大量动力、人力、水和蒸汽节约了大量动力、人力、水和蒸汽n缺点缺点n菌种易于退化菌种易于退化n易遭杂菌污染易遭杂菌污染n营养物的利用率低营养物的利用率低四、影响微生物生长的主要因素四、影响微生物生长的主要因素n温度温度n氧气氧气npHn渗透压渗透压n水活度水活度1、温度、温度n基本原理基本原理n温度通过影响蛋白质、核酸等生物大分子的结构与功能温度通过影响蛋白质、核酸等生物大分子

15、的结构与功能以及细胞膜的流动性及完整性来影响微生物的生长、繁以及细胞膜的流动性及完整性来影响微生物的生长、繁殖和新陈代谢。殖和新陈代谢。n过高的环境温度会导致蛋白质或核酸的变性失活过高的环境温度会导致蛋白质或核酸的变性失活n过低的环境温度会抑制酶活力，降低细胞的新陈代谢活过低的环境温度会抑制酶活力，降低细胞的新陈代谢活动。动。n应用：高温灭菌，低温保藏菌种。应用：高温灭菌，低温保藏菌种。Heat denaturation of proteins 最低生长温度：一般为最低生长温度：一般为-5-10，极端为，极端为-30 嗜冷菌：嗜冷菌：20生长温度最适生长温度生长温度最适生长温度 嗜温菌：嗜温菌

16、：2045 嗜热菌：嗜热菌：45 最高生长温度：一般为最高生长温度：一般为8095v最适生长温度：分裂代时最短或生长速率最高时的培养温度。最适生长温度：分裂代时最短或生长速率最高时的培养温度。v最适生长温度最适生长温度发酵速度最高时的培养温度发酵速度最高时的培养温度代谢产物量最高代谢产物量最高时的温度时的温度生长量最高时温度生长量最高时温度微生物各生理过程的不同最适温度微生物各生理过程的不同最适温度 菌菌 名名 生长温度生长温度 发酵温度发酵温度 累积产物温度累积产物温度 嗜热链球菌嗜热链球菌 37 47 37 乳酸链球菌乳酸链球菌 34 40 产细胞：产细胞：2530 产乳酸：产乳酸：30

17、灰色链霉菌灰色链霉菌 37 28 北京棒杆菌北京棒杆菌 32 3335 丙酮丁醇梭菌丙酮丁醇梭菌 37 33 产黄青霉产黄青霉 30 25 20Cardinal temperaturesTemperature classes2、氧气、氧气n根据微生物与氧的关系，可分为：根据微生物与氧的关系，可分为： 专性好氧菌：必需在有氧条件下生长专性好氧菌：必需在有氧条件下生长 好氧菌好氧菌 兼性厌氧菌：在有氧及无氧条件下均能生长，但在有氧条件下生兼性厌氧菌：在有氧及无氧条件下均能生长，但在有氧条件下生 长得更好。长得更好。 微好氧菌：生长需要少量的氧，过量的氧常导致这类微生物死微好氧菌：生长需要少量的氧，

18、过量的氧常导致这类微生物死 亡。亡。 耐氧菌：生长不需要氧，但氧对其也无毒害。耐氧菌：生长不需要氧，但氧对其也无毒害。厌氧菌厌氧菌 （专性）厌氧菌：只能生长在无氧条件下，氧剧毒（专性）厌氧菌：只能生长在无氧条件下，氧剧毒 ，即使短期，即使短期 接触空气，也会抑制其生长甚至致死。接触空气，也会抑制其生长甚至致死。(a)专性好氧菌；专性好氧菌；(b)厌氧菌；厌氧菌；(c)兼性厌氧菌；兼性厌氧菌；(d)微好氧菌；微好氧菌；(e)耐氧菌耐氧菌厌氧菌的氧毒害机制厌氧菌的氧毒害机制nO2 + e O2 .n2 O2 . + 2H+ H2O2 + O2 NADH2 NAD SOD好氧生物及耐氧菌好氧生物及耐

19、氧菌2H2O过氧化氢酶过氧化氢酶好氧生物好氧生物过氧化物酶过氧化物酶耐氧菌耐氧菌H2O + O2 3、 pH值值n基本原理基本原理n使蛋白质、核酸等生物大分子所带电荷发生变化，从而使蛋白质、核酸等生物大分子所带电荷发生变化，从而影响其生物活性；影响其生物活性；n引起细胞膜电荷变化，导致微生物细胞吸收营养物质能引起细胞膜电荷变化，导致微生物细胞吸收营养物质能力改变；力改变；n改变环境中营养物质的可给性及有害物质的毒性。改变环境中营养物质的可给性及有害物质的毒性。npH：-lgH+，指外界环境的指外界环境的pH值。值。 嗜碱微生物嗜碱微生物 最适生长最适生长pH值偏于碱性值偏于碱性 （如多数放线菌

20、）（如多数放线菌） 耐碱微生物耐碱微生物n微生物微生物 （如链霉菌）（如链霉菌） 嗜酸微生物嗜酸微生物 最适生长最适生长pH值偏于酸性值偏于酸性 （多数真菌）（多数真菌） 耐酸微生物耐酸微生物 （乳酸杆菌）（乳酸杆菌） 不同微生物的生长不同微生物的生长pH范围范围 微生物微生物 pH值值 最低最低 最适最适 最高最高氧化硫硫杆菌氧化硫硫杆菌 0.5 2.03.5 6.0 嗜酸乳杆菌嗜酸乳杆菌 4.04.6 5.86.6 6.8大豆根瘤菌大豆根瘤菌 4.2 6.87.0 11.0褐球固氮菌褐球固氮菌 4.5 7.47.6 9.0一种亚硝化单胞菌一种亚硝化单胞菌 7.0 7.88.6 9.4醋化醋

21、杆菌醋化醋杆菌 4.04.5 5.46.3 7.08.0金黄色葡萄球菌金黄色葡萄球菌 4.2 7.07.5 9.3泥生绿菌泥生绿菌 6.0 6.8 7.0水生栖热菌水生栖热菌 6.0 7.57.8 9.5黑曲霉黑曲霉 1.5 5.06.0 9.0一般放线菌一般放线菌 5.0 7.08.0 10.0一般酵母菌一般酵母菌 3.0 5.06.0 8.0几种抗生素产生菌的生长与发酵的最适几种抗生素产生菌的生长与发酵的最适pH抗生素产生菌抗生素产生菌 生长最适生长最适pH 合成抗生素最适合成抗生素最适pH 灰色链霉菌灰色链霉菌 6.36.9 6.77.3 红霉素链霉菌红霉素链霉菌 6.67.0 6.87

22、.3 产黄青霉产黄青霉 6.57.2 6.26.8 金霉素链霉菌金霉素链霉菌 6.16.6 5.96.3 龟裂链霉菌龟裂链霉菌 6.06.6 5.86.1 灰黄青霉灰黄青霉 6.47.0 6.26.5pHn微生物在生命活动过程中，会改变外界环境中的微生物在生命活动过程中，会改变外界环境中的pH值。值。 糖类糖类 发酵、氧化发酵、氧化 有机酸有机酸 有机物有机物 脂肪脂肪 水解水解 有机酸有机酸 培养基内培养基内 蛋白质蛋白质 脱羧脱羧 胺类胺类 中性成分中性成分 (NH4)2SO4 NH4+选择吸收选择吸收 H2SO4 无机盐无机盐 NaNO3 NO3-选择吸收选择吸收 NaOHpH调节方法调

23、节方法 过酸时：加过酸时：加NaOH、Na2CO3等碱中和等碱中和 过碱时：加过碱时：加H2SO4、HCl等酸中和等酸中和 加适当氮源：如尿素、加适当氮源：如尿素、NaNO3、 过酸时过酸时 NH4OH或蛋白质等或蛋白质等 “ 治本治本” 提高通气量提高通气量 过碱时过碱时 加适当碳源：糖、乳酸、甘油等加适当碳源：糖、乳酸、甘油等 降低通气量降低通气量 加磷酸缓冲液（加磷酸缓冲液（K2HPO4 KH2PO4） 加加CaCO3或或NaHCO3外外源源调调节节“治标治标”内源调节内源调节4、渗透压、渗透压n渗透压：由于溶质浓度差而在细胞膜两侧造成的压力差。渗透渗透压：由于溶质浓度差而在细胞膜两侧造

24、成的压力差。渗透压的大小与溶液中分子或离子的质点数有关。等重的物质，其压的大小与溶液中分子或离子的质点数有关。等重的物质，其分子或离子越小，则质点数越多，渗透压越大。分子或离子越小，则质点数越多，渗透压越大。 低渗溶液：外界浓度低渗溶液：外界浓度细胞内浓度，细胞失水，发生质壁分离。细胞内浓度，细胞失水，发生质壁分离。绝大多数微生物在绝大多数微生物在0.5%3%的盐浓度范围内可正常生长，的盐浓度范围内可正常生长，10%15%的盐浓度能抑制大部分微生物的生长。的盐浓度能抑制大部分微生物的生长。5、水活度、水活度awn水活度水活度aw：表示在天然环境中，微生物可实际利用的表示在天然环境中，微生物可实

25、际利用的自由水或游离水的含量。自由水或游离水的含量。 自由水：微生物可利用。自由水：微生物可利用。 细胞内水分状态细胞内水分状态 结合水：微生物不能利用。结合水：微生物不能利用。 aw定量：在相同温度和压力下，某溶液的蒸汽压定量：在相同温度和压力下，某溶液的蒸汽压P与与纯水蒸汽压纯水蒸汽压P0之比，也等于溶液的百分相对湿度。之比，也等于溶液的百分相对湿度。 aw = P/ P0 = ERH/100纯水：纯水： aw = 1，无水：无水： aw = 0， 0 aw1各种微生物生长繁殖的各种微生物生长繁殖的aw值范围：值范围：0.9980.6微生物生长的最低微生物生长的最低awn细菌细菌 一般：一

26、般：0.900.98 嗜盐菌：嗜盐菌：0.75n酵母菌酵母菌 一般；一般；0.870.91 高渗酵母：高渗酵母：0.610.65n霉菌霉菌 一般：一般：0.800.87 耐旱菌：耐旱菌：0.650.75若干事物的若干事物的awn新鲜水果：新鲜水果：0.970.99n鲜肉（家畜）：鲜肉（家畜）：0.97n面包：面包：0.86n蔗糖饱和液：蔗糖饱和液：0.76n大米、面粉（含水量大米、面粉（含水量14%）：）：0.65n奶粉：奶粉：0.26、化学因素对微生物的影响、化学因素对微生物的影响n常用的化学消毒剂主要有重金属及其盐类、有机溶剂（酚、醇、醛等）、常用的化学消毒剂主要有重金属及其盐类、有机溶剂

27、（酚、醇、醛等）、卤族元素及其化合物、染料和表面活性剂等。卤族元素及其化合物、染料和表面活性剂等。n重金属离子：可与菌体蛋白质结合而使之变性或与某些酶蛋白的巯基重金属离子：可与菌体蛋白质结合而使之变性或与某些酶蛋白的巯基相结合而使酶失活；重金属盐是蛋白质沉淀剂，还可与代谢产物发生相结合而使酶失活；重金属盐是蛋白质沉淀剂，还可与代谢产物发生鳌合作用而使之变为无效化合物。鳌合作用而使之变为无效化合物。n有机溶剂：可使蛋白质及核酸变性，也可破坏细胞膜透性使内含物外有机溶剂：可使蛋白质及核酸变性，也可破坏细胞膜透性使内含物外溢。溢。n碘：可与蛋白质酪氨酸残基不可逆结合而使蛋白质失活。碘：可与蛋白质酪氨

28、酸残基不可逆结合而使蛋白质失活。n氯气：与水反应产生的强氧化剂具有杀菌作用。氯气：与水反应产生的强氧化剂具有杀菌作用。n染料：在低浓度条件下可抑制细菌生长，革兰氏阳性菌普遍比革兰氏染料：在低浓度条件下可抑制细菌生长，革兰氏阳性菌普遍比革兰氏阴性菌对染料更加敏感。阴性菌对染料更加敏感。n表面活性剂：能降低溶液表面张力，改变微生物细胞膜透性，使蛋白表面活性剂：能降低溶液表面张力，改变微生物细胞膜透性，使蛋白质变性。质变性。五、微生物培养技术的发展五、微生物培养技术的发展n从少量培养发展到大规模培养从少量培养发展到大规模培养n从浅层培养发展到厚层（固体）或深层（液体）培养从浅层培养发展到厚层（固体）

29、或深层（液体）培养n从以固体培养技术为主发展到以液体培养技术为主从以固体培养技术为主发展到以液体培养技术为主n从静止式液体培养发展到通气搅拌式的液体培养从静止式液体培养发展到通气搅拌式的液体培养n从单批培养发展到连续培养以至多级连续培养从单批培养发展到连续培养以至多级连续培养n从利用分散的微生物细胞发展到利用固定化的细胞集团从利用分散的微生物细胞发展到利用固定化的细胞集团n从单纯利用微生物细胞到大量培养、利用高等动植物细胞从单纯利用微生物细胞到大量培养、利用高等动植物细胞n从单菌发酵发展到混菌发酵从单菌发酵发展到混菌发酵n从利用野生菌种发展到利用变异株以及从利用野生菌种发展到利用变异株以及“工程菌工程菌”等等等等1、微生物的实验室培养、微生物的实验室培养n固体培养固体培养n好氧菌的培养：主要有试管斜面、培养皿平板及较大型好氧菌的培养：主要有试管斜面、培养皿平板及较大型的茄子瓶等的平板培养方法。的茄子瓶等的平板培养方法。n厌氧菌的培养厌氧菌的培养n高层琼脂柱：用加有还原剂的固体或半固体培养基高层琼脂柱：用加有还原剂的固体或半固体培养基装入试管中，以培养相应的厌氧菌。在这种培养基装入试管中，以培养相应的厌氧菌。在这种培养基中，越是深层，其氧化还原势越低，因而越有