微生物生理学chapter7a的生长1

1、学科专题四（学科专题四（3）作业）作业细胞自噬与人类健康细胞自噬与人类健康 （1000字左右字左右） 还没有交作业的同学，必需在12月19日之前以e-mail发至我的邮箱 ，过期无成绩，请相互转告！提醒！提醒！l第七章第七章 微生物的生长、繁殖及其微生物的生长、繁殖及其与环境的关系与环境的关系生长是一个逐渐发生的量变的过程，它是繁殖的基础；生长是一个逐渐发生的量变的过程，它是繁殖的基础；繁殖是一个质变的过程，是生长的结果。繁殖是一个质变的过程，是生长的结果。生长和繁殖的含义生长和繁殖的含义？生长生长生长是生长是细胞体积、内含物和细胞数目细胞体积、内含物和细胞数目的增加的增加繁殖繁殖产生新一代生

2、命个体的过程，是产生新一代生命个体的过程，是个体数目个体数目的的 增加。增加。高等生物、丝状真菌：生长和繁殖是两个可以分开的过高等生物、丝状真菌：生长和繁殖是两个可以分开的过 程程单细胞的微生物：生长和繁殖往往是难以区分的单细胞的微生物：生长和繁殖往往是难以区分的在多细胞的微生物中在多细胞的微生物中（如丝状真菌），如果细胞数目（如丝状真菌），如果细胞数目增加的同时并不伴有个体数目的增加，那么此过程只增加的同时并不伴有个体数目的增加，那么此过程只能称为能称为生长生长，只有形成有性和无性孢子的过程才能称，只有形成有性和无性孢子的过程才能称为为繁殖繁殖。在单细胞微生物中，在单细胞微生物中，细胞内的原

3、生质和各种细胞结构细胞内的原生质和各种细胞结构协调增加，细胞体积增大，这便是协调增加，细胞体积增大，这便是生长生长。当细胞增大到一定程度时，细胞开始分裂，最后形成当细胞增大到一定程度时，细胞开始分裂，最后形成两个基本相同的子细胞，这便是两个基本相同的子细胞，这便是繁殖繁殖。生长的过程也生长的过程也可以说是它的繁殖过程。可以说是它的繁殖过程。环境条件对微生物的环境条件对微生物的生长生长和和繁殖繁殖有着重要的影响有着重要的影响微生物不是被动地受环境的影响，也可通过自身微生物不是被动地受环境的影响，也可通过自身的活动而的活动而改变环境改变环境，或改变自身的某些结构和代，或改变自身的某些结构和代谢过程

4、以谢过程以适应新的环境适应新的环境。第一节第一节 细菌细胞的生长细菌细胞的生长一、细菌细胞的个体生长一、细菌细胞的个体生长细胞生长的细胞生长的中心问题是：组成细胞的各种大分子是中心问题是：组成细胞的各种大分子是如何合成和组装的？如何合成和组装的？ 细胞体积的增大是细胞物质增加的必然结果。细胞体积的增大是细胞物质增加的必然结果。细胞个体生长的细胞个体生长的外观标志外观标志是细胞体积的增加，是细胞体积的增加，内部内部标志标志为细胞物质的增加和细胞结构的组建。为细胞物质的增加和细胞结构的组建。细胞周期的定义：细胞周期的定义： 细胞周期通常由几个可以观察到的、能相互区分细胞周期通常由几个可以观察到的、

5、能相互区分的时期组成，每一个时期的开始都依赖于前一个时的时期组成，每一个时期的开始都依赖于前一个时期的结束。期的结束。 （一）细胞周期（一）细胞周期分为分为四个时期四个时期，即，即DNA合成期合成期S、细胞分裂期细胞分裂期M、DNA合成完合成完成到细胞分裂开始之间的成到细胞分裂开始之间的间隔期间隔期G2以及细胞分裂结束后到下一以及细胞分裂结束后到下一轮轮DNA合成开始之间的合成开始之间的间隔期间隔期G1。细胞周期中各个时期的长短会随环境条件改变，但主要的变化细胞周期中各个时期的长短会随环境条件改变，但主要的变化在在G1期。期。间期前期中期后期M期DNA复制SG1细胞分裂末期 G21. 真核细胞

6、的生活周期真核细胞的生活周期 2. 原核生物（细菌）的细胞周期原核生物（细菌）的细胞周期细菌细菌在低生长速率的条件下在低生长速率的条件下（即代时大于（即代时大于1h），细胞周期），细胞周期似乎和真核生物的相似。似乎和真核生物的相似。有一个明确的有一个明确的DNA合成期合成期C，一个细胞分裂期，一个细胞分裂期D（相当于（相当于G2+M），在细胞分裂结束后到下一轮），在细胞分裂结束后到下一轮DNA合成开始之间的合成开始之间的间隔期间隔期G1。C和和D不会随着细胞周期的改变而引起等比例的改变，主要不会随着细胞周期的改变而引起等比例的改变，主要的变化在的变化在G1期。期。大肠杆菌：大肠杆菌：D DNA

7、的复制过程所需的时间的复制过程所需的时间C是一个常数，是一个常数，C一般为一般为40min。D也是相当固定的，也是相当固定的，D通常为通常为1520min。 CG1（G2+M） D在在营养丰富营养丰富的培养基上，生长速度快，代时的培养基上，生长速度快，代时短，短，DNA的合成是连续的，的合成是连续的，S期似乎占据了期似乎占据了整个细胞周期，整个细胞周期，细胞周期各个时期的界限不细胞周期各个时期的界限不明显，是相互重叠的。明显，是相互重叠的。（二）染色体的复制与分离（二）染色体的复制与分离 1. 染色体复制机制染色体复制机制 2. 染色体的分离染色体的分离 3. 不同生长速度下细菌的细胞周期与染

8、色体复制不同生长速度下细菌的细胞周期与染色体复制E.coli：当代时大于当代时大于80100min时，细胞周期类似于真核细胞的时，细胞周期类似于真核细胞的细胞周期。细胞周期。 (1) 缓慢生长条件下的细菌细胞周期缓慢生长条件下的细菌细胞周期G1G1DNA合成期合成期细胞分裂期细胞分裂期在快速生长的细胞中，在快速生长的细胞中，C、D的最小值分别为的最小值分别为40min和和20min。当世代时间小于当世代时间小于C+D时，按照时，按照DNA原来的复制方式原来的复制方式就来不及在细胞分裂前完成复制，就不能保证子细就来不及在细胞分裂前完成复制，就不能保证子细胞获得一个完整的染色体。胞获得一个完整的染

9、色体。(2) 快速生长条件下的细菌细胞周期快速生长条件下的细菌细胞周期对代时小于对代时小于C+D（即小于（即小于60min）的细菌而言，其）的细菌而言，其细胞周期不仅是细胞周期不仅是相互重叠相互重叠的，而且是的，而且是相互交叉的相互交叉的。 DNA如何复制？如何复制？染色体进行提前复制，即一个细胞周期还没完成，染色体进行提前复制，即一个细胞周期还没完成，又开始又开始第二个细胞周期的第二个细胞周期的DNA合成合成。分裂产生的子细胞含有分裂产生的子细胞含有正在复制的染色体。正在复制的染色体。(a) 快速生长条件下的细菌细胞周期相互重叠快速生长条件下的细菌细胞周期相互重叠(b) 更快速生长条件下的细

10、菌细胞周期相互交叉更快速生长条件下的细菌细胞周期相互交叉1. 荧光抗体标记实验荧光抗体标记实验（三）细胞壁和横隔的形成（三）细胞壁和横隔的形成 含荧光抗体的培养基含荧光抗体的培养基不含荧光抗体的培养基不含荧光抗体的培养基洗洗正在分裂的酿脓链球菌快分裂完的酿脓链球菌自溶酶（自溶酶（A）水解）水解N-乙酰氨基葡萄糖（乙酰氨基葡萄糖（NAG）-N-乙酰胞乙酰胞壁酸（壁酸（NAM）之间的糖苷键及短肽之间的肽键）之间的糖苷键及短肽之间的肽键2. 新的肽聚糖亚单位插入到细胞壁的过程新的肽聚糖亚单位插入到细胞壁的过程老的肽聚糖层已被打开老的肽聚糖层已被打开 但是细菌也能够避免因扩增而破坏细胞但是细菌也能够避

11、免因扩增而破坏细胞壁的完整性和稳定性，有人认为这是因为细壁的完整性和稳定性，有人认为这是因为细胞壁在扩增过程中，肽聚糖层中双糖链是逐胞壁在扩增过程中，肽聚糖层中双糖链是逐步打开又逐步闭合的，因而在打开一层后，步打开又逐步闭合的，因而在打开一层后，其它几层仍保持其结构和功能的完整性。其它几层仍保持其结构和功能的完整性。 新壁的生长与新壁的生长与原细胞壁上肽聚糖的限制原细胞壁上肽聚糖的限制性降解有关性降解有关，不能自溶的粪链球菌、大肠杆，不能自溶的粪链球菌、大肠杆菌等菌株的突变体，如果不加入溶菌酶就不菌等菌株的突变体，如果不加入溶菌酶就不能生长和分裂。能生长和分裂。在每个细胞周期，对于每个复在每个

12、细胞周期，对于每个复制原点，只有当细胞的质量达制原点，只有当细胞的质量达到一定时，复制的起始才启动。到一定时，复制的起始才启动。对大多数的对大多数的E.coli菌株，对伤菌株，对伤寒沙门氏菌寒沙门氏菌Salmonella typhimurin 和枯草芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis来说，不管生来说，不管生长速率如何，长速率如何，每个复制原点所每个复制原点所对应的细胞质量是一定的。对应的细胞质量是一定的。（四）细胞的体积与生长速率之间的关系（四）细胞的体积与生长速率之间的关系伤寒沙门氏菌的细胞质量伤寒沙门氏菌的细胞质量和生长速度之间的关系和生长速度之间的关系快速生长的细胞

13、含有多个复制快速生长的细胞含有多个复制原点，因此生长速率的改变会原点，因此生长速率的改变会导致细胞质量（大小）的改变导致细胞质量（大小）的改变，快速生长的细胞比慢速生长，快速生长的细胞比慢速生长的细胞大几乎的细胞大几乎10倍。倍。因此通常是以群体数量的增加作为细菌生长的指因此通常是以群体数量的增加作为细菌生长的指标。标。二、细菌群体的生长二、细菌群体的生长由于细菌个体微小，难于测定其生长；个体生长由于细菌个体微小，难于测定其生长；个体生长时间很短，很快就进入繁殖期，生长和繁殖难于时间很短，很快就进入繁殖期，生长和繁殖难于分开。分开。（一）细菌群体的生长的测定方法（一）细菌群体的生长的测定方法群

14、体生长表现为群体生长表现为菌体数目的增多菌体数目的增多或或细胞物质的增加细胞物质的增加，所以群体生长的，所以群体生长的测定都是围绕测定都是围绕这这两方面进行的。两方面进行的。（1 1）显微镜直接计数法）显微镜直接计数法 1. 测量菌体数目的方法有：测量菌体数目的方法有：（4 4）电子计数仪计数）电子计数仪计数（2 2）稀释培养法）稀释培养法（3 3）比浊法）比浊法（2）测定细胞的某种成分如氮的含量，）测定细胞的某种成分如氮的含量，DNA或或 RNA的含量等。的含量等。 2. 测量菌体细胞物质的方法：测量菌体细胞物质的方法：（1）测定细胞的干物质。）测定细胞的干物质。（3）测代谢产物。以代谢产物

15、作为生长量的指标，）测代谢产物。以代谢产物作为生长量的指标，只限于那些与只限于那些与生长有密切相关性生长有密切相关性的代谢产物才比较的代谢产物才比较正确（如测定乳酸菌的产酸量），因为并不是所有正确（如测定乳酸菌的产酸量），因为并不是所有的代谢产物都和生长有着准量的关系。的代谢产物都和生长有着准量的关系。 方方 法法应应 用用注注 解解直接显微镜计数直接显微镜计数牛奶中细菌或细胞疫苗牛奶中细菌或细胞疫苗的计数的计数不能区分死的、活的细胞不能区分死的、活的细胞活细胞计数（菌落计数）活细胞计数（菌落计数）牛奶、土壤、食品、水牛奶、土壤、食品、水体、实验室培养物中细体、实验室培养物中细菌的计数菌的计数

16、如果培养基和培养条件合如果培养基和培养条件合适的话将是非常灵敏的适的话将是非常灵敏的浊度测定浊度测定清澈的液体培养基中细清澈的液体培养基中细菌数的估侧菌数的估侧快速而且不损伤细胞，但快速而且不损伤细胞，但细胞密度不能少于细胞密度不能少于107/毫升毫升总氮或总蛋白的测定总氮或总蛋白的测定测定高密度培养物中的测定高密度培养物中的总细胞产量总细胞产量只在研究实验室中应用只在研究实验室中应用离心后测定细胞的干重离心后测定细胞的干重或湿重或湿重培养物中总细胞产量的培养物中总细胞产量的测定测定 可能比测定总氮或总蛋白可能比测定总氮或总蛋白更准确更准确生化活性指标如生化活性指标如O2的吸的吸收，收，CO2

17、、ATP的产生的产生等的测定等的测定微生物学上的测定微生物学上的测定只适用于和细胞质量或数只适用于和细胞质量或数量有着准量的关系的生化量有着准量的关系的生化指标指标细菌群体生长的测定方法细菌群体生长的测定方法采用分批培养法采用分批培养法（Batch culture） 这种培养方法是将少量微生物接种到一定体积的液体培养这种培养方法是将少量微生物接种到一定体积的液体培养基中，让其自然生长直到养分耗尽。在细菌生长过程中随时取基中，让其自然生长直到养分耗尽。在细菌生长过程中随时取样测定细菌的数目，以细菌的对数对培养时间作图，绘制出细样测定细菌的数目，以细菌的对数对培养时间作图，绘制出细菌的数量和培养时

18、间之间的关系曲线。菌的数量和培养时间之间的关系曲线。（二）细菌的群体生长曲线（二）细菌的群体生长曲线 6.6.加速加速衰衰亡期亡期：死亡速率超过生长速率，并越来越大，活菌数目迅：死亡速率超过生长速率，并越来越大，活菌数目迅 速减少；速减少；7.7. 对数对数衰衰亡期亡期：死亡速率达到最大值并保持恒定：死亡速率达到最大值并保持恒定8.8.残留期残留期：死亡速率降低，从理论上讲，只要培养基不干枯，少数：死亡速率降低，从理论上讲，只要培养基不干枯，少数 细菌仍能存活很长时间。细菌仍能存活很长时间。以活菌数衡量的生长曲线可分为以下几个时期：以活菌数衡量的生长曲线可分为以下几个时期：1. 延滞期：细菌数

19、目保持不变或略有下降，倍增速率为延滞期：细菌数目保持不变或略有下降，倍增速率为0 0；2.2.加速生长期加速生长期：细菌开始增殖，倍增速率随时间不断增大；：细菌开始增殖，倍增速率随时间不断增大；3.3. 对数生长期对数生长期：倍增速率达到最大值倍增速率达到最大值，细菌数目以几何级数增长；，细菌数目以几何级数增长；4.4. 减速生长期减速生长期：倍增速率随时间而减少，平均世代时间延长；：倍增速率随时间而减少，平均世代时间延长；5.5. 稳定期稳定期：生长速率与死亡速率相等，倍增速率为：生长速率与死亡速率相等，倍增速率为0 0，活菌数目保，活菌数目保 持恒定；持恒定；加速和减速过程一般表现得不明显

20、。加速和减速过程一般表现得不明显。因此，通常将细菌的生长过程简化为因此，通常将细菌的生长过程简化为延滞期、对数生长期、稳定期和延滞期、对数生长期、稳定期和衰衰亡期。亡期。延滞期的长短和营养条件、菌种特性、菌龄以及接延滞期的长短和营养条件、菌种特性、菌龄以及接种量密切相关。种量密切相关。1. 延滞期延滞期 菌种接种于新鲜培养基后，微生物往往不立即进行菌种接种于新鲜培养基后，微生物往往不立即进行分裂，因此细胞数目不增加或增加很少，这一段时分裂，因此细胞数目不增加或增加很少，这一段时间称为延滞期。间称为延滞期。延滞期的细胞具有特殊的生理特性。延滞期的细胞具有特殊的生理特性。是细胞为了调整代谢以适应新

21、环境。是细胞为了调整代谢以适应新环境。如接种前后细菌所处的营养条件不同，如接种前后细菌所处的营养条件不同，需要重新合需要重新合成必需的酶类、辅酶或某些中间代谢产物，以适应成必需的酶类、辅酶或某些中间代谢产物，以适应新的环境而出现生长的延滞。新的环境而出现生长的延滞。 （2）延滞期出现的原因）延滞期出现的原因（1）延滞期的确定）延滞期的确定L生长的速率常数为零，生长的速率常数为零，（3）延滞期细胞的特性）延滞期细胞的特性延滞期的细胞有如下特点：延滞期的细胞有如下特点：单个菌体的体积和质量显著增加，其中尤以杆菌单个菌体的体积和质量显著增加，其中尤以杆菌的长轴增加最为明显，的长轴增加最为明显， 合成

22、代谢旺盛，核糖体、酶类的合成加快，尤其合成代谢旺盛，核糖体、酶类的合成加快，尤其是诱导酶的合成加快，为细胞分裂进行着极为复杂是诱导酶的合成加快，为细胞分裂进行着极为复杂的代谢上和生理上的准备，的代谢上和生理上的准备，延滞期的细菌对物理和化学因子极为敏感，抵抗延滞期的细菌对物理和化学因子极为敏感，抵抗力很低。力很低。例如：大肠杆菌细胞在例如：大肠杆菌细胞在53处理处理25min，发现延滞期，发现延滞期末的细胞存活率仅为末的细胞存活率仅为1%，而对数期末的细胞却几乎，而对数期末的细胞却几乎没有死亡。没有死亡。因此在测定物理化学因子对微生物的影响时，应考因此在测定物理化学因子对微生物的影响时，应考虑

23、微生物的生理状态。虑微生物的生理状态。1.微生物的特性微生物的特性a. 遗传特性遗传特性。各种微生物的延滞期长短不一，例如。各种微生物的延滞期长短不一，例如大肠杆菌的延滞期比结核分枝杆菌的延滞期短大肠杆菌的延滞期比结核分枝杆菌的延滞期短b. 接种的微生物的生理状态如菌龄的影响接种的微生物的生理状态如菌龄的影响 c. 接种量，接种量，一般情况下，接种量越大，延滞期越短一般情况下，接种量越大，延滞期越短（4）决定延滞期长短的因素）决定延滞期长短的因素发酵工业中可采取哪些措施来缩短延滞期，提供经发酵工业中可采取哪些措施来缩短延滞期，提供经济效益？济效益？2.环境因素的影响环境因素的影响a. 培养基的

24、营养成分培养基的营养成分 碳源、氮源、维生素、辅酶或金属离子等碳源、氮源、维生素、辅酶或金属离子等 b. 温度、温度、pH对数生长期最显著的特点是细胞数目以指数形式生长，对数生长期最显著的特点是细胞数目以指数形式生长，平均世代时间最短。平均世代时间最短。=nlgNtlgN0lg22. 对数生长期对数生长期 Nt= N02nlgNt=lgN0+nlg2=gtntlg2lgNt lgN0世代时间世代时间/倍增时间倍增时间（1 1）平均世代时间）平均世代时间Example: What is the generation time of a bacterial population that incr

25、eases from 10,000 cells to 10,000,000 cells in four hours of growth?g = 24 minutes 72.24 minutes 3 g = 240 minutes0.301 log 107/104g = t0.301 log b/Bg = =gtntlg2lgNt lgN0（2 2）影响细菌生长速率的因素）影响细菌生长速率的因素I.I.物理生长条件物理生长条件II.II.营养条件营养条件 III.III.遗传因素（微生物的种类）遗传因素（微生物的种类）一些常见细菌在最适生长条件下的代时一些常见细菌在最适生长条件下的代时菌株名称菌

26、株名称培养基培养基代时代时 (分钟分钟)Escherichia coliGlucose-salts17Bacillus megateriumSucrose-salts25Streptococcus lactisMilk26Streptococcus lactisLactose broth48Staphylococcus aureusHeart infusion broth27-30Lactobacillus acidophilusMilk66-87Rhizobium japonicumMannitol-salts-yeast extract344-461Mycobacterium tuberc

27、ulosisSynthetic792-932Treponema pallidumRabbit testes1980（3）比生长速率常数）比生长速率常数 （4）比生长速率与）比生长速率与限制性营养物限制性营养物的关系的关系 （5）比生长速率与温度的关系）比生长速率与温度的关系 在在对数生长条件对数生长条件下，微生物的群体生长类似下，微生物的群体生长类似于化学反应的一级自身催化反应，即某一时于化学反应的一级自身催化反应，即某一时刻的细胞数量（或菌体质量）的增加速率和刻的细胞数量（或菌体质量）的增加速率和该时刻的细胞数量（或质量）成正比。设单该时刻的细胞数量（或质量）成正比。设单位体积的位体积的细胞

28、数量为细胞数量为N，单位体积的，单位体积的菌体质菌体质量为量为M，则可列出下述一阶微分方程：，则可列出下述一阶微分方程：uNdtdNuMdtdM:比生长速率常数比生长速率常数（3）比生长速率常数）比生长速率常数 ttNNudtNdNt00lnNt lnN0= u(t-t0)Nt=N0eu(t-t0)(303. 2lglg00ttuNNt根据世代时间世代时间( (代时）代时）g g的定义，当N Nt t=2=2N N0 0时，g = g = t t- -t t0 0，ggu693. 02ln)(lglg00ttuNNt2.303 （） 微生物的生长是一个及其复杂的生命过程，为微生物的生长是一个及

29、其复杂的生命过程，为什么近似地遵循普通的一级化学反应呢？什么近似地遵循普通的一级化学反应呢？ 微生物体内进行着各种各样的分解和合成反应，微生物体内进行着各种各样的分解和合成反应，但但总反应速度取决于最慢的一步反应，这个步骤称总反应速度取决于最慢的一步反应，这个步骤称为生长限制反应或控制步骤为生长限制反应或控制步骤，由于该生长限制反应，由于该生长限制反应遵循一级反应规律，所以微生物的生长速率也遵循遵循一级反应规律，所以微生物的生长速率也遵循一级反应规律。一级反应规律。 上述指数形式的生长动力学公式主要适用于细上述指数形式的生长动力学公式主要适用于细菌、酵母菌等单细胞且以二分裂方式繁殖的微生物菌、

30、酵母菌等单细胞且以二分裂方式繁殖的微生物群体的生长。群体的生长。 限制性营养物浓度限制性营养物浓度S 比生长速率和限制性营养物浓度之间的关系比生长速率和限制性营养物浓度之间的关系反应速率反应速率（4）比生长速率与）比生长速率与限制性营养物限制性营养物的关系的关系 Monod公式 SKSuusmK Ks s ：当：当 =1/2 =1/2 m时的底物浓度，表示微生物对某时的底物浓度，表示微生物对某种限制性营养物的亲和力大小；种限制性营养物的亲和力大小；S S：限制性营养物浓度；：限制性营养物浓度； ：比生长速率：比生长速率； m：在限制性营养物浓度过量时的比生长速率常数，即最：在限制性营养物浓度过

31、量时的比生长速率常数，即最大比生长速率常数；大比生长速率常数；（1 1）当生长限制性营养物浓度很大时）当生长限制性营养物浓度很大时(S(SKs),KsKs),Ks往往往可以忽略不计。则往可以忽略不计。则K Ks s+S=S+S=S，这时，这时 = = m m，说明这时，说明这时细菌以最大生长速度生长，营养物浓度不限制生长。细菌以最大生长速度生长，营养物浓度不限制生长。（2 2）当生长限制性营养物浓度很低时（）当生长限制性营养物浓度很低时（S SKsKs），），则则K Ks s+S=K+S=Ks s，这时，这时 = = m m/K/Ks sS S，它表明这时细菌的比，它表明这时细菌的比生长速率与

32、限制性营养物的浓度成正比，营养物浓生长速率与限制性营养物的浓度成正比，营养物浓度限制菌体的生长。度限制菌体的生长。SKSuusm莫氏公式和米氏公式形式上相同，但所表示莫氏公式和米氏公式形式上相同，但所表示的意义是不同的的意义是不同的莫氏公式：莫氏公式： 表示的是细胞生长的速率和限制性底物浓表示的是细胞生长的速率和限制性底物浓度之间的关系。通过实验得出的经验公式。度之间的关系。通过实验得出的经验公式。米氏公式：米氏公式： 表示的是酶反应速率和底物浓度之间的关表示的是酶反应速率和底物浓度之间的关系。是应用酶反应理论推导得到的。系。是应用酶反应理论推导得到的。对同一种限制性营养物，不同的微生物对同一

33、种限制性营养物，不同的微生物有不同的有不同的um和和ks值。值。而同一种微生物在不同的限制性营养物而同一种微生物在不同的限制性营养物条件下，也有不同的条件下，也有不同的um和和ks值。值。Ks的意义的意义: : 可以衡量微生物对某种限制性营养物的亲可以衡量微生物对某种限制性营养物的亲和力大小。和力大小。ks值越小，表明它对底物的亲和力值越小，表明它对底物的亲和力越大。一般说，微生物对可被利用的底物的越大。一般说，微生物对可被利用的底物的ks值是很低的。例如大肠杆菌利用葡萄糖和色氨值是很低的。例如大肠杆菌利用葡萄糖和色氨酸的酸的ks值分别为值分别为110-6和和210-7mol/L。 因此，在正

34、常的分批培养中，从开始到对因此，在正常的分批培养中，从开始到对数期末，各种底物的浓度数期末，各种底物的浓度S远远大于远远大于Ks，所以，所以，这段时间很少会出现生长限制的情况，而一直这段时间很少会出现生长限制的情况，而一直保持其最高生长速率。只有当某些营养物耗尽保持其最高生长速率。只有当某些营养物耗尽并成为限制性底物时，底物浓度并成为限制性底物时，底物浓度S才对生长速率才对生长速率产生影响。产生影响。 大多数化学反应随温度的升高而加速。大多数化学反应随温度的升高而加速。微生物虽然是一个极为复杂的生命体系，但是实验发现，它的微生物虽然是一个极为复杂的生命体系，但是实验发现，它的生长速率与温度之间

35、的关系在一定范围内也符合生长速率与温度之间的关系在一定范围内也符合Arrhenius公公式：式： lnK=-E/RT+B 或或K=Ae-E/RTK：反应速率常数（比生长速率常数）反应速率常数（比生长速率常数）T：反应的绝对温度；：反应的绝对温度；R：气体常数；：气体常数；E：反应活化能；反应活化能；A：通常称为频率因子。通常称为频率因子。（5）比生长速率与温度的关系）比生长速率与温度的关系 中温性微生物的生长速率与温度的关系中温性微生物的生长速率与温度的关系高温高温低温低温适温适温dtdSYdtdNSSNNdtdSYdtdN00)(00SSYNNSSNNY00（6）生长得率）生长得率 （gro

36、wth yield ） 不同的营养物质由于所含的能量不同，培养微生物时的细不同的营养物质由于所含的能量不同，培养微生物时的细胞得率也就不相同。胞得率也就不相同。同一种营养物质，由于在好氧和厌氧条件下的产能不同，同一种营养物质，由于在好氧和厌氧条件下的产能不同，因此微生物的得率也不同。因此微生物的得率也不同。生长得率与培养基成分及生长条件密切相关生长得率与培养基成分及生长条件密切相关Y3=7.6Y2=20Y1=37.5底物消耗速率底物消耗速率mmol/L菌体增加量菌体增加量mg细胞细胞/L戊糖丙酸杆菌在不同培养基上的生长得率戊糖丙酸杆菌在不同培养基上的生长得率葡萄糖葡萄糖甘油甘油乳酸乳酸细胞活力

37、逐渐降低，细胞活力逐渐降低，生长速度显著下降生长速度显著下降。细胞内开始细胞内开始累积贮存物质累积贮存物质，如糖原、异染颗粒、，如糖原、异染颗粒、脂肪球等。脂肪球等。产芽孢的细菌在稳定期产生芽孢。产芽孢的细菌在稳定期产生芽孢。有些微生物在稳定期内有些微生物在稳定期内合成次生代谢产物。合成次生代谢产物。3. 稳定期稳定期 （1）稳定期的特征）稳定期的特征营养：营养：稳定期的出现常常是比较突然的，因为在对稳定期的出现常常是比较突然的，因为在对数期，原生质的增加是按对数增加的。对数数期，原生质的增加是按对数增加的。对数生长阶段中，细胞最后一次分裂将消耗占总生长阶段中，细胞最后一次分裂将消耗占总量二分

38、之一的营养物质，这种爆发性的消耗量二分之一的营养物质，这种爆发性的消耗意味着培养基突然变得意味着培养基突然变得不能再支持微生物群不能再支持微生物群体的下一次分裂体的下一次分裂。于是营养物（通常是碳源）。于是营养物（通常是碳源）成为生长的限制因子。成为生长的限制因子。（2）稳定期出现的原因）稳定期出现的原因6.0mg/ml4.02.01.00.50.2时间细胞产量营养物浓度、生长速率和细胞产量之间的关系影响生长影响生长速度和最速度和最大收获量大收获量只影响最只影响最大收获量大收获量营养物浓度超过一定后，对生长速率和生长量都没有影响，营养物浓度超过一定后，对生长速率和生长量都没有影响，表明稳定期的

39、出现还有其他原因。表明稳定期的出现还有其他原因。环境因素：环境因素： pH改变改变氧化还原电位改变氧化还原电位改变有毒物质积累有毒物质积累如果培养微生物的目的在于获得某种产物，如果培养微生物的目的在于获得某种产物，那么可以相应地定义那么可以相应地定义产物得率常数产物得率常数或底物或底物对产物的对产物的转化率转化率，它等于某种产物的净增，它等于某种产物的净增量与某种底物的消耗量之比，表示单位重量与某种底物的消耗量之比，表示单位重量的底物可以获得的产物量，以量的底物可以获得的产物量，以Y Yp p (yield of product)表示。表示。 SSPPYp00如何准确测定残留的细胞？如何准确测

40、定残留的细胞？4.衰亡期（微生物的死亡和残留期）衰亡期（微生物的死亡和残留期） （1）衰亡期的特征）衰亡期的特征如果细胞在不良条件下暂时不表现出活性而并未死如果细胞在不良条件下暂时不表现出活性而并未死亡，这种情况称为亡，这种情况称为残留残留。微生物经过稳定期生长后即进入死亡期。营养物质微生物经过稳定期生长后即进入死亡期。营养物质的消耗，有害代谢产物的积累、不适合生长的理化的消耗，有害代谢产物的积累、不适合生长的理化因子都会导致微生物的死亡。因子都会导致微生物的死亡。残留的细胞在适宜的条件下恢复活性，称为残留的细胞在适宜的条件下恢复活性，称为复活复活。微生物的群体死亡通常也类似于一级化学反应，即

41、微生物的群体死亡通常也类似于一级化学反应，即在微生物死亡过程中的任一时刻，活菌数的减少速在微生物死亡过程中的任一时刻，活菌数的减少速率与该时刻残留的活菌数成正比，可用下列公式表率与该时刻残留的活菌数成正比，可用下列公式表示：示：N:活菌数，活菌数，t:致致死因子的作用时间，死因子的作用时间，k：微生物的死微生物的死亡速率常数。亡速率常数。kNdtdNtNNkdtdtdN00kteNN0NNkt0ln1（2）微生物的死亡动力学）微生物的死亡动力学对数残留定律对数残留定律2.当当N0时，时，t，就是说在理论上要使一个微生，就是说在理论上要使一个微生物群体整体死亡，需要的时间为无穷大。这在实验物群体

42、整体死亡，需要的时间为无穷大。这在实验过程中实际上是达不到的，也是不必要的。残留菌过程中实际上是达不到的，也是不必要的。残留菌数只要达到某一特定值，如数只要达到某一特定值，如N=10-2，N=10-3等即可满等即可满足灭菌的要求。足灭菌的要求。 NNkt0ln1从对数残留定律可以看出：从对数残留定律可以看出：1. 1. k值越小，说明微生物对致死因子的抗性越大；值越小，说明微生物对致死因子的抗性越大；k值越大，表示对致死因子越敏感。值越大，表示对致死因子越敏感。死亡速率常数死亡速率常数k可可以衡量微生物对某一致死因子的抗性强弱，即可以以衡量微生物对某一致死因子的抗性强弱，即可以作为微生物在某一

43、致死条件下死亡的快慢、难易程作为微生物在某一致死条件下死亡的快慢、难易程度的指标。度的指标。 D = 1/10D = 1/10衰减时间衰减时间D D定义为微生物活细胞数减少到原来数目的十分之定义为微生物活细胞数减少到原来数目的十分之一所需的时间。一所需的时间。将将N=NN=N0 0/10/10代入代入 式，可得到式，可得到 D=1/kD=1/kln10=2.303/kln10=2.303/k这一定律只适用于单细胞的微生物。这一定律只适用于单细胞的微生物。 NNkt0ln1尽管微生物群体中各个细胞的残留时间有长有短，然而就整尽管微生物群体中各个细胞的残留时间有长有短，然而就整体而言，体而言，不管

44、开始时细胞数目多少，杀死不管开始时细胞数目多少，杀死90%细胞所需要的细胞所需要的时间是一个常数。时间是一个常数。第二节第二节 丝状微生物的生长丝状微生物的生长 丝状真菌的生长，首先是孢子的萌发，产生丝状真菌的生长，首先是孢子的萌发，产生一个短的芽管。然后以此为中心，向各个方向均一个短的芽管。然后以此为中心，向各个方向均等的长出菌丝。等的长出菌丝。菌丝的生长是以顶端生长方式进菌丝的生长是以顶端生长方式进行的行的。在菌丝体的生长过程中产生繁茂的分枝，。在菌丝体的生长过程中产生繁茂的分枝，而构成真菌的菌落。所以分枝现象也是真菌生长而构成真菌的菌落。所以分枝现象也是真菌生长过程中不可缺少的环节。过程

45、中不可缺少的环节。丝状菌的生长，主要表现在菌丝的延长和干重的增加丝状菌的生长，主要表现在菌丝的延长和干重的增加 将待测菌株点接于培养基平板将待测菌株点接于培养基平板的中心，或的中心，或U形管中，待菌丝生形管中，待菌丝生长一定时间后，将平板或长一定时间后，将平板或U形管形管置于显微镜下，每隔一段时间用置于显微镜下，每隔一段时间用目镜测微尺测定某根菌丝的长度，目镜测微尺测定某根菌丝的长度，根据时间和菌丝延长的长度作一根据时间和菌丝延长的长度作一条生长曲线，并求出生长速度条生长曲线，并求出生长速度（mm/h）。）。 菌丝生长的测定0:0045:2217:046:361:40一、丝状微生物生长的测定一

46、、丝状微生物生长的测定（一）菌丝生长速率的测定（一）菌丝生长速率的测定将待测菌株点接于培养基平板的中心，每隔一段时将待测菌株点接于培养基平板的中心，每隔一段时间间测量菌落的半径和面积测量菌落的半径和面积，直到菌落长满平板为止。，直到菌落长满平板为止。以时间和菌落半径或面积作图，得到生长曲线。在以时间和菌落半径或面积作图，得到生长曲线。在一定范围内，生长量和时间成正比。一定范围内，生长量和时间成正比。（二）菌落生长速率的测定（二）菌落生长速率的测定 不能测定菌丝厚度和基内菌丝，不能反映菌丝总量。不能测定菌丝厚度和基内菌丝，不能反映菌丝总量。 这是测定菌丝生长总量的方法。这是测定菌丝生长总量的方法

47、。（三）（三） 菌丝干重测定法菌丝干重测定法 也可测定在固体培养基上生长的菌丝。菌丝在固也可测定在固体培养基上生长的菌丝。菌丝在固体培养基上生长一定时间后，加热使琼脂融化，体培养基上生长一定时间后，加热使琼脂融化，滤出菌丝，用热水洗涤，再烘干测定重量。滤出菌丝，用热水洗涤，再烘干测定重量。将菌种接种到液体培养基内振荡培养，经过一定将菌种接种到液体培养基内振荡培养，经过一定时间后，时间后，收集菌丝并洗涤，然后置于收集菌丝并洗涤，然后置于80100烘箱烘干至恒重烘箱烘干至恒重，测定菌丝重量。，测定菌丝重量。当主菌丝形成初级分枝后，就开始了线性生长期。初级当主菌丝形成初级分枝后，就开始了线性生长期。

48、初级菌丝再产生二级分枝，二级分枝又产生三级分枝，依次菌丝再产生二级分枝，二级分枝又产生三级分枝，依次类推。分枝产生在上一级菌丝的两侧，每一个分枝都有类推。分枝产生在上一级菌丝的两侧，每一个分枝都有特殊的角度特殊的角度, , 所有的分支（初级的、次级的、三级菌丝所有的分支（初级的、次级的、三级菌丝）都是）都是按照向顶顺序性产生的，即最年轻的菌丝离顶点按照向顶顺序性产生的，即最年轻的菌丝离顶点最近。最近。在整个系统中，每个分支通过顶端延伸生长并按在整个系统中，每个分支通过顶端延伸生长并按照向顶顺序产生相同的侧向分支，产生的所有的菌丝就照向顶顺序产生相同的侧向分支，产生的所有的菌丝就叫做菌丝体。叫做

49、菌丝体。二、霉菌菌落的分化二、霉菌菌落的分化年轻的菌落由粗细一致的菌丝组成，以相同的速率生长年轻的菌落由粗细一致的菌丝组成，以相同的速率生长真菌孢子吸水膨胀，伸出芽管，芽管进一步长成菌丝。真菌孢子吸水膨胀，伸出芽管，芽管进一步长成菌丝。 气生菌丝的一部分或全部分化为无性或有性的繁殖结构。气生菌丝的一部分或全部分化为无性或有性的繁殖结构。该区占菌该区占菌落的大部分落的大部分。随着菌落直径的增加，菌落中心老化，菌丝发生自溶。随着菌落直径的增加，菌落中心老化，菌丝发生自溶。成熟的菌落至少可分为三个成熟的菌落至少可分为三个不同的形态区域不同的形态区域 又称边沿生长区又称边沿生长区，由基内菌丝构成，由基

50、内菌丝构成，无气生菌丝无气生菌丝。尽管随着菌丝的生长菌落。尽管随着菌丝的生长菌落直径不断扩大，但成熟菌落的边沿生长直径不断扩大，但成熟菌落的边沿生长区的宽度几乎保持恒定。区的宽度几乎保持恒定。 只有只有扩展区扩展区的生长才会促使菌落的的生长才会促使菌落的径向生长径向生长。 有气生菌丝有气生菌丝，其宽度大体上也是恒定的。该区的菌丝其原生质充分，其宽度大体上也是恒定的。该区的菌丝其原生质充分液泡化，并有糖原和脂类的积累。随着分支的形成，菌丝逐渐变细，径液泡化，并有糖原和脂类的积累。随着分支的形成，菌丝逐渐变细，径向生长较少。向生长较少。1.扩展区扩展区 2.生产区生产区3.结实区结实区 扩展区扩展

51、区 生产区生产区结实区结实区 真菌菌落的径向生长与菌落边沿生长区的宽度有关。径真菌菌落的径向生长与菌落边沿生长区的宽度有关。径向生长速率是边沿生长区宽度的函数。向生长速率是边沿生长区宽度的函数。 三、霉菌菌落径向扩展曲线三、霉菌菌落径向扩展曲线分为四个时期分为四个时期：（1 1）延滞期：即从接种到菌丝开始出现生长这段时间）延滞期：即从接种到菌丝开始出现生长这段时间（2 2）指数期：菌落）指数期：菌落以指数速率以指数速率作径向生长；作径向生长；（3 3）减速期：是指数期末和线性期初之间的一段时间）减速期：是指数期末和线性期初之间的一段时间（4 4）线性期：此期菌落）线性期：此期菌落以恒定的速率以

52、恒定的速率作径向生长。作径向生长。指数期和减速期持续的时间比较短，指数期和减速期持续的时间比较短，菌落的径向扩展主菌落的径向扩展主要在线性期。要在线性期。3. 衰亡期衰亡期 真菌生长进入真菌生长进入衰退期的标志是菌丝干重的下降衰退期的标志是菌丝干重的下降。一般是在一短。一般是在一短期内失重很快，以后不再变化。处于衰退期的菌丝细胞，除顶端期内失重很快，以后不再变化。处于衰退期的菌丝细胞，除顶端幼龄细胞的原生质比较稠密均匀外，大多数细胞都出现大的幼龄细胞的原生质比较稠密均匀外，大多数细胞都出现大的空泡空泡。但有些菌丝发生但有些菌丝发生自溶自溶，释放出细胞物质。菌丝自溶的程度与菌，释放出细胞物质。菌

53、丝自溶的程度与菌种的遗传特性和培养条件有关。种的遗传特性和培养条件有关。 四、液体培养条件下的菌丝生长曲线四、液体培养条件下的菌丝生长曲线1.1.延滞期延滞期 造成生长延滞的原因有两种：一是造成生长延滞的原因有两种：一是孢子萌发前的真正的延滞期，另一孢子萌发前的真正的延滞期，另一种是生长已开始但无法测量。种是生长已开始但无法测量。2.2.快速生长期快速生长期 此时菌丝体干重迅速增加，其此时菌丝体干重迅速增加，其立方立方根与时间成直线关系根与时间成直线关系。菌丝的繁殖菌丝的繁殖不以几何倍数增加，故而没有对数不以几何倍数增加，故而没有对数生长期。生长期。（一）菌丝顶端的结构（一）菌丝顶端的结构微管

54、微管微丝网微丝网大液泡大液泡小液泡小液泡线粒体线粒体菌丝壁菌丝壁类高尔基体类高尔基体微丝微丝细胞核细胞核横隔孔横隔孔顶端顶端亚顶端亚顶端基部基部菌丝的结构菌丝的结构五、菌丝体的顶端生长五、菌丝体的顶端生长u 顶端区域含有大量的分泌顶端区域含有大量的分泌泡，但如高尔基体，线粒泡，但如高尔基体，线粒体以及绝大部分内质网都体以及绝大部分内质网都被排除在这一区域之外，被排除在这一区域之外，所以人们称这一区域为所以人们称这一区域为“分泌泡富集区分泌泡富集区”。 u 顶端区域聚集有大量的顶端区域聚集有大量的分分泌泡泌泡，表明这一部位为细，表明这一部位为细胞的生长区域，细胞壁的胞的生长区域，细胞壁的扩张也发

55、生在此处。扩张也发生在此处。 菌丝顶端生长以菌丝顶端生长以细胞壁的伸展细胞壁的伸展与与膨压或细胞骨膨压或细胞骨架所产生的扩张力的作用架所产生的扩张力的作用之间的之间的动态平衡动态平衡为特征，为特征，这包括了细胞壁物质的局部沉积与交联这包括了细胞壁物质的局部沉积与交联, 原生质持续原生质持续向顶端迁移，细胞器极性分布的维持，微丝骨架系向顶端迁移，细胞器极性分布的维持，微丝骨架系统性的调节等一系列的生理过程。统性的调节等一系列的生理过程。（二）丝状真菌的顶端生长机制（二）丝状真菌的顶端生长机制 菌丝的顶端生长在很大程度上与细胞壁性质有菌丝的顶端生长在很大程度上与细胞壁性质有关。当菌丝进行顶端生长时

56、，菌丝顶端细胞壁必须关。当菌丝进行顶端生长时，菌丝顶端细胞壁必须维持一定的维持一定的可塑性可塑性，以便新的细胞壁物质加入，使，以便新的细胞壁物质加入，使壁不断向前延伸，但同时又必须具有一定的壁不断向前延伸，但同时又必须具有一定的刚性刚性，以抵抗胞内膨压，防止原生质从菌丝顶端喷出。以抵抗胞内膨压，防止原生质从菌丝顶端喷出。 1、定向分泌、定向分泌2、顶体、顶体(Spitzenkorper)的作用的作用3、细胞骨架的作用、细胞骨架的作用4、膨压的作用、膨压的作用5、Ca2+浓度梯度的作用浓度梯度的作用细胞内有细胞内有20多种受多种受CaM调节的酶，如腺苷酸环化酶、调节的酶，如腺苷酸环化酶、钙依赖性

57、磷酸二脂酶、钙依赖性磷酸二脂酶、Ca2+-ATPase、钙依赖性蛋白磷、钙依赖性蛋白磷酸酶和钙离子、酸酶和钙离子、CaM依赖的蛋白激酶（依赖的蛋白激酶（CaMKs）等）等。 6、钙调素（、钙调素（CaM）在顶端生长中的作用）在顶端生长中的作用（1） CaM的一般特点及功能的一般特点及功能CaM是作为一种耐热的脑环核苷酸磷酸二脂酶的激活是作为一种耐热的脑环核苷酸磷酸二脂酶的激活剂，它是普遍存在于真核细胞内，由剂，它是普遍存在于真核细胞内，由148个氨基酸残基个氨基酸残基组成的小分子（组成的小分子（MW16.7KD）酸性蛋白质，耐热，结）酸性蛋白质，耐热，结构和功能高度保守，无组织和种属特异性。构

58、和功能高度保守，无组织和种属特异性。CaM含有含有4个同源性个同源性Ca2+结合位点结合位点。X-射线晶体衍射分射线晶体衍射分析发现，每个结合位点都有基本的析发现，每个结合位点都有基本的“EF hand”结构。结构。 CaM对钙离子的亲和力与细胞内游离钙离子的浓度对钙离子的亲和力与细胞内游离钙离子的浓度密切相关。密切相关。当细胞内钙离子浓度在当细胞内钙离子浓度在10-7mol/L时，钙离子不能与时，钙离子不能与CaM结合；当细胞受到激素刺激后钙离子浓度升高结合；当细胞受到激素刺激后钙离子浓度升高到到10-6mol/L以上时，钙离子可与以上时，钙离子可与CaM可逆的结合。可逆的结合。 （2） C

59、aM在顶端生长过程中可能行使的作用在顶端生长过程中可能行使的作用Chen S et al., 2010, Fungal Genet Biol. 沟巢曲霉沟巢曲霉Saccharomyces cerevisiae(budding yeast/the beer yeast )出芽酵母出芽酵母Schizosaccharomyces pombe(fission yeast) 裂殖酵母裂殖酵母一、常见的酵母菌有一、常见的酵母菌有第三节第三节 酵母菌的生长酵母菌的生长 Candidiasis albicans 白色念珠菌白色念珠菌 Symptom 症状实例症状实例 Candida albicans, a h

60、uman pathogen集落生长集落生长-colony二、酵母菌的无性生殖二、酵母菌的无性生殖1). 出芽酵母出芽酵母成熟的酵母菌细胞成熟的酵母菌细胞(mother)，向外生，向外生出的突起，叫做芽体出的突起，叫做芽体(daughter)。芽体逐渐长大，。芽体逐渐长大，最后与母体脱离，成为一个新的酵母菌。最后与母体脱离，成为一个新的酵母菌。2).裂殖酵母裂殖酵母可通过类似细菌的二等分裂方式进行可通过类似细菌的二等分裂方式进行裂殖。其过程是母细胞先延长，到一定大小后，裂殖。其过程是母细胞先延长，到一定大小后，在细胞中间产生隔膜，形成两个子细胞。在细胞中间产生隔膜，形成两个子细胞。 酵母菌的无性繁殖属于