成信工环境工程微生物学教案第7章 微生物的生长繁殖及其控制

第7章微生物的生长繁殖及其控制

一、基本要求

⑴了解研究微生物生长的方法，掌握细菌生长曲线各阶段的特点及影响因素，理解细菌生长

曲线在污（废）水生物处理中的应用原理，掌握微生物生长量的测定方法；

⑵了解微生物的生存因子及其作用，了解其它不利环境因子对微生物的影响，理解灭菌、消

毒的含义；⑶掌握菌种的退化原因、亚壮与保藏方法。

二、教学重点与难点

重点：细菌生长曲线各阶段的特点及影响因素

三、教学内容

这一章主要包括三部分内容：

1.微生物的生长繁殖：这一部分主要向大家介绍一下微生物生长繁殖的概念、生长规律以

及培养方法等内容。让大家了解并掌握微生物生长繁殖的特点和一些规律性的东西。

2.环境因素对微生物生长的影响：我们知道，所有的微生物，它们的生命活动都直接受到

环境因素的影响，条件适宜，就有利于微生物的生长。条件异常呢，就会影响微生物的

正常发育，甚至引起它们的死亡，通过这一部分的学习，使大家了解环境因素对微生物

的作用规律，以便人们对微生物进行控制和改造，更好地为人类服务.

3.微生物生长的控制：在对微生物的研究和实际应用中，需要对干扰的、不利的微生物进

行抑制；同时，自然界中也存在大量的病原菌，为了保证人们的健康，也要采取一些措

施对这些有害病菌进行消灭，通过这一部分学习，使大家r解并掌握一下控制微生物生

长的一些物理的、化学的和生物的方法。

第I节内涉及的内容较多，也是本章的重点，将需要两节课的时间来讲解，第2.3部分

需要一节课的时间来进行阐述，

以上就是本章的内容和时间安排。

下面我们就开始第一节“微生物生长繁殖”的内容

（一）微生物生长繁殖的概念

（过渡引子）一提到“生长和繁殖”，大家都不陌生，因为它是每个生物体进行生命活动的

两个重要特征，微生物也不例外。但是微生物的生长繁殖和其他的高等生物相比有什么独特

的地方呢？下面我们具体的看一下微生物的生长和繁殖的定义。

1.生长：指微生物吸收营养物经代谢转化为自身细胞成分，使细胞体积扩大或细胞质

量增加的生物学过程，这就是微生物个体生长的定义。

2.繁殖：指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的方式产

生新个体一一即个体数目增加的生物学过程。

大家一定要注意区分微生物”生长和繁殖”这两个大同的概念，生长指的是“个体体积

由小到大或质量由轻到重”，是量变的的过程，而繁殖的特点是有“新个体生命的诞生”。是

一个质变的过程。

（过渡段）对于高等生物而言，生长和繁殖这两个过程可以明显分开，但是对微生物来

说，个体微小，并且它们的细胞一旦长大就立即繁殖，所以，微生物的生长与繁殖两个过程

密不可分，相互交替的。所以，我们在研究微生物的生长时，往往把个体生长和繁殖两个过

程放在一起讨论。就是研究它们的群体生长。

这里引入了“微生物群体生长”的概念，它的实质就是“微生物的个体生长与繁殖两个

过程持续交替所导致的结果。也就是说，微生物的群体生长既包括了“微生物的个体生长又

包括了个体繁殖这两个过程。

那么，微生物群体生长有什么规律呢？下面我以细菌为例来介绍一下细菌群体的生长规

律：

（二）微生物的生长规律——细菌的生长曲线（重点）

这里引入一个很重要的概念”细菌的生长曲线”：将少量纯种细菌细胞接种到一种新鲜

的、定量的液体培养基中，在一定的条件下进行培养，定期进行细胞计数，一时间为横坐标，

以细胞个数的对数为纵坐标，我们可以画出一条能够反映细菌在整个培养期间细胞数量变化

规律的曲线。这就是微生物的生长曲线。

在这个定义里，大家注意两个“限定词”，一个是“定量的液体培养基”指的是细菌在

有限的营养物中培养，二是“一定的条件”指的是“保证细菌生长适宜的环境条件，比如温

度、pH、Eh、渗透压、DO等等”。

这张图就是一张关于“细菌生长曲线”的示意图。

人们为了更好的研究细菌在培养期间细胞的增值规律，根据生长曲线变化的特点，认为

的把曲线分为6个时期：1.停滞期2.加速期3对数期4减速期5稳定期6衰亡期。但是由

于加速期和减速期经历的时间比较短，可以把加速期并入到停滞期，把减速期并入到稳定期

一起研究。所以，一条典型的细菌生长曲线可以粗略地分为4个时期：即

1.停滞期，2对数期，3稳定期，4衰亡期

卜.面我就介绍一卜这四个时期中每个时期内的细胞特征：

1）.停滞期：

当细菌进入新环境，他们往往不能立即生长繁殖,要经过•段的适应期,才能生长繁殖。

这段适应期就是生长停滞期。

停滞期的长短和接种菌的种类、菌龄、接种量以及接种前后环境条件等因素有关。

不同的菌种停滞期不同；并且接种菌的菌龄直接影响停滞期的长短。比如，我们把处「对数

期的细胞接种到成分完全相同的培养基内，接种量适中，并在相同的条件下进行培养，这时

细菌就不存在停滞期。

所以说我们在实际操作中，如果接种量适中，接种的群体细胞菌龄小，营养和环境条件

适宜，就能缩短停滞期。

这个时期细胞的特点：在停滞期初，一些细胞就适应新的环境生存下来，有的就死亡，

细胞数量不增加：停滞期后，生存下来的细胞代谢开始活跃，并合成大量的诱导酶，细胞物

质含量增加，体积增大。RNA含量高，细胞开始分裂。

2）.对数期：

细胞经停滞期末后，生长繁殖迅速，生长率达到最大，细胞数量以几何级数在增加，

细胞的个数和时间服从对数关系，这一时期，是生长对数期。

这一时期细胞的特点：

代谢活力最强，生长率最高，合成新细胞物质最快；死亡率低或几乎不死亡；抵抗不良环境

能力强；这一时期的细胞健壮、整齐，群体细胞的化学成分、形态和生理等特性比较一致，

所以呢，我们实际的教学实验和生产发醉工业往往采取这个时期的细胞作为实验材料。

3）.稳定期

细胞经过对数期的迅速繁殖，消耗了大量的营养物质，致使一定体积的液体培养基中的

营养成分浓度降低;同时加上代谢产物的积累，导致微生物生长环境条件的改变，比如:pH\Eh

的改变，这些因素都不利于微生物的生长繁殖。导致部分菌体死亡，死亡率上升，繁殖率下

降。当繁殖率和死亡率趋于平衡时，细胞活菌数维持在一个相对来说比较恒定的状态，这一

时期就是稳定期。在曲线上表现出一条水平线。

这一时期细胞的特点：

细胞活力降低，细胞开始诸存一些物质：如：肝汤、淀粉粒、脂肪粒、聚B羟基丁酸等。这

一时期细胞的个数最大，可以收获大量的菌体，所以生产菌种的发酵厂在这个时期初开始收

获菌体。

4）.衰亡期

稳定期过后，营养物质几乎被耗尽，此时细菌因缺乏营养利用自身储藏的物质进行内源

呼吸。并且代谢物和有毒物质的积累，抑制了细菌细胞的生长繁殖，生长率迅速下降，大部

分细菌死亡，生长曲线下降。

这一时期的细胞少繁殖、不繁殖或自溶；细胞形态不一，有的变成畸形，有的变成衰退性;

这个时期对细胞进行革兰氏染色，部分阳性菌变成阴性菌；另外,一些芽抱菌开始形成芽抱。

以上介绍的内容，就是生长曲线的4个不同时段的细胞特征。

（过渡段）通过对细菌生长曲线的介绍，使我们了解到生长曲线反应了2个方面的内容：一

是反映了细菌生长的增值规律即细胞数量的变化情况;二是反映了细菌所生长的环境中营养

物质浓度的变化情况。对细菌的生长曲线的研究对科研和生产实践具有重要的意义。

（三）生长曲线的意义：

微生物的生长曲线形象的描述微生物的群体增长规律及其环境中营养浓度的变化情况。

微生物生长曲线的研究对科研和生产实践具有重要的意义：

理论：它不仅可以作为控制微生物生长发育及环境因素对微生物影响的理论基础，

工程：而且对生长曲线变化规律及内涵的理解，对废水生物处理工艺的合理设计将具有

重要的指导意义。

由于废水生物处理（活性污泥）实际是连续运行，其微生物生长规律只能是处于生长曲

线的某一阶段。

一般把活性污泥生长曲线的划分成三个阶段：

生长上升阶段、生长下降阶段和内源呼吸阶段。

接触时间——一

图1.5-5活性污泥的生长曲线及其应用

①〜④活性污泥生长曲线四个时期；⑤常规活性污泥法:⑥生物吸附法;

⑦高负荷活性污泥法；⑧分散曝气；⑨延时曝气

微生物代谢速率与负荷的关系

所以呢，我们在废水生物处理设计时，根据废水的水质情况，可以利用不同生长阶段的

微生物处理废水。

在废水生物处理设计时，根据废水的水质情况（主要是有机物浓度），可以利用不同生长

阶段的微生物处理废水。

（1）高负荷活性污泥法：利用生长上升阶段（对数期）的微生物；

（2）常规的活性污泥法：利用生长下降阶段（稳定期）的微生物；

（3）对于有机物含量低，可生化性差的废水，可用延时曝气法处理，即利用内源呼吸

阶段（衰亡期）的微生物处理。

比如：常规的活性污泥法：主要是利用稳定期阶段的微生物来处理废水？有的人可能

要问，为什么常规的活性污泥法不利用对数期的微生物而主要是利用稳定期阶段的微生物来

处理废水呢？

其原因主要有三点：

1）对数期的微生物生长繁殖快，代谢活力强，能大量的去除废水中的有机物，但是它要求

进水的有机物浓度高，相应的出水中残留的有机物浓度也高，不易满足排放标准；

2）对数期的微生物生长繁殖旺盛，运动活跃，不易凝聚，污泥沉降性能不好，影响出水水

质。

3）而对数期的微生物代谢活力虽然比对数期的差，但是仍有相当的代谢活力，去除废水中的

有机物能力仍然很好，并且这个时期的细胞体内积累了大量的储存物质，并且细胞粘液层和

荚膜形成，有利于凝聚，污泥沉降效果好，出水水质好.

以吸附生物降解法（AB法）为例说明生长曲线的特点

A段特点：A段为高负荷（有机污染物浓度高）阶段。污泥的活性高，微生物吸附分解速

度快，增长速度很高。污泥中的微生物处于生长曲线的对数生长期。出水水质差

B段特点：经A段的废水有机浓度降低，微生物的生长速率开始下降，凝聚作用明显，污

泥易沉降，此时的污泥中的微生物处于生长曲线的稳定期。出水水质好

综合A、B两端工艺的生物特点，A段因负荷高、微生物活跃，呈对数生长，消耗废水中大

量的有机物，为后续B段有效工作提高了保障。

A、B两端工艺的巧妙配合（对数生长与平稳生长）对高浓度有机废水的处理从实践上取得

了理想的效果。

（四）微生物的培养方法

主要包括分批培养和连续培养。这两种方法既可以适用于纯种培养也适合于混合中的培

养。在废水的生物处理中这两种方法均有应用。

1.分批培养

分批培养的定义是：将少量微生物接种到一定体积的液体培养基中，使其在一定条件下生长

繁殖的培养方法。这种培养方法的特点是培养液一次加入，中间不更换或者补充。

这种方法培养的微生物经历了一个细胞数量由少到多直至达到最大数量，而后又从多到少直

至衰减死亡的生长过程。即前面细菌的生长曲线所描述的规律。

2.连续培养

其定义是：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。

从前面所讲的细菌的生长曲线可知，营养物质浓度的降低、代谢产物的积累是导致微生物停

止生长的主要原因。所以我们就可以在微生物培养期间通过“不断的补充营养物质并以相同

的速率移出代谢产物”这种方式，达到连续培养的目的。像这种方式就是定义中描述的“一

定的方式”，这也是连续培养的基本原则。

连续培养分两种方式：（D恒化连续培养（2）恒浊连续培养

（1）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（对细菌

生长有限制作用的成分要保持低浓度水平），保持微生物的比生长速率恒定的培养方式。

定义中培养基中某种营养物质一般是氨基酸、氨和钺盐等氮源，或是葡萄糖、麦芽糖等碳源

或者是无机盐，生长因子等物质

这种法应用得较多，通常用于环境工程（废水生物处理）实验室研究（细菌生理特性研究、

细菌的快速筛选等）。

（2）恒浊连续培养

通过控制培养液中菌体浓度恒定、以浊度为控制指标的一种培养方式。

用途少：一般用于发酵工业

❖目前，污水连续生物处理法均类似于恒化连续培养；（流速不完全恒定）

（五）微生物纯培养物的分离及生长的测定

1.纯培养物的分离

1）纯种分离的必要性

目前为了提高废水的处理效率，人们正着手研究采用特种纯种微生物处理废水，特别

是针对于含有含盐、特殊污染物的废水。

2）分离方法

a.稀拜平皿分离法

b.划线分离

c.选择分离

具体的操作，我们实验课再练习。

1、测定微生物的数量

（1）显微镜直接计数（涂片显微镜直接计数法）：将一已知体积（如1ml）的菌液滴一滴在

载破片上（一滴为0.05ml）,均匀涂布，经固定和染色后，在显微镜下观察，计数细胞数目，

推算出1ml的总菌数，最后推算出菌液的总菌数。

（2）稀释平板计数法：稀释，将菌液作若干次10倍稀释，达8次左右，取后面的3-5个

稀释液个一定量（常1ml）,与适当的固体培养基混合制成平板；或取0.1ml在固体培养基上

均匀涂布；待菌落形成后，计算菌落数目，看数值有无10倍的关系，取平均数，换算出相

应稀释倍数的活菌数。

（3）滤膜培养计数法：

（4）比浊法：测定细胞数使用较多的一种方法。悬液中细胞浓度与浊度成正比，与透光度

成反比。

利用微生物生长数量与菌液浊度的关系，通过浊度计或光电比色计迅速测定菌液中的菌

数。以光密度值表示菌液的细胞浓度。

具体做法：先将细菌在标准情况下培养液中菌数与浊度的关系作成标准曲线，再将待测

菌液的透光率在标准曲线上查出可能菌数。注意各次测定条件必须一致。

2、测定微生物的重量

（1）称重法：取一定容积的同一培养物相邻两个时间的样品，经相同速度的离心或过滤，

然后用无菌水或缓冲液冲洗，1-2次离心或过滤；离心或过滤的样品置80度温度下干燥24

小时（有条件可真空干燥），作后将两组样品用合适的衡器测出各自的重量，比较细胞干重，

了解生长情况。

优点是快速而相对准确；

缺点是不能区别细胞死活，要求菌液浓度高，

（2）定氮法:

（3）DNA含量的测定：

（六）理化因子对微生物生长的影响

微生物除需要营养外，还需要合适的环境生存因子。如果环境因子不正常，会造成微生

物生命活动不正常，甚至变异或死亡。

1、温度

微生物的生长要求有一定的温度范围：最低温度、最适温度、最高温度。

根据细菌最适温度的不同，可把细菌分为：嗜冷菌（5T0C）、嗜中温菌（25-40℃）、

嗜热菌（50-60℃）和嗜超热菌（70T05C）。大多数菌为嗜中温菌。不同微生物对温度的

要求不同，同一微生物在生长的不同时期对温度的要求也会不同。

极端温度对微生物的影响

极端温度分高温和低温，影响有所不同。

高温的影响

在高温时，微生物的蛋白质会发生凝固变性，呈不可逆的变性，导致微生物的死亡。

通常，可以利用高温对微生物的影响来达到杀灭微生物的目的。

灭菌是指杀死一切微生物；而消毒仅是杀死致病微生物。

高温灭菌的方法有：灼烧、干热灭菌和湿热灭菌。

应用：灭菌的效果取决于细菌中最耐热的结构一一芽抱。

高温消毒的方法：煮沸、巴氏消毒法等

低温的影响

低温下，微生物的代谢活力低，生长缓慢或停止，但不致死。处于低温下的微生物一旦获得

适宜的温度，即可恢复活性。

利用这一特性，各种冰箱成为生物实验中保存生物样品或试剂的重要手段。

一般冰箱的温度在4C~零下18℃,可以用于保存一般的生物样品。而有的样品需要比较低

的温度，甚至低达零下7Ct,或更低（如使用液氮，可以达到零下196℃）

应用：菌种的保藏。

2、pH

微生物的生命活动、物质代谢与川有密切关系。不同微生物对pH的要求有不同。微生物

对pH的要求也存在最高、最低和最适三个点。

常见的四大类微生物中，对pH的最适（范围）要求分别是，细菌：6.5-7.5（4-10）；放

线菌：7-8（5-10）；霉菌：3-6（1.5-10）：酵母菌：5-6（1.5-10）,>

应用：在废水生物处理中，pH一般在6.5-8.5（6-9）o生物处理的主体是细菌，它要求pH

略为偏碱。过高的pH会使原生动物呆滞，菌胶团解体，影响去除效果，而过低的pH,会使

霉菌大量繁殖，造成污泥影胀。

极端pH对微生物的影响

过高或过低的pH对微生物的影响：

(1)影响蛋白质的解离，从而影响细胞表面的电荷，影响营养物质的吸收；一一联想蛋白

质的性质

(2)影响营养物质的离子化，影响其进入细胞；一一联想细胞运输性质

(3)影响酶的活性；一一联想酶特性

］过酸时：加NaOH、N&£0,等碱中和

〔过破时；加HzSO八HCI等酸中和

pH调节措施V加适当氮源：如尿素，NaNO.(NHJsO4或蛋白质等

，过酸时32

提高通气量

治本”<

加适当碳源：糖、乳酸、油脂等

：过碱时

降低通，量

精类学更里也

脂肪一型5—-有机酸

r有机物

脱殁

蛋白质胺类

培养基内变酸

中性成分

ZH：离于选择吸收口仁八

(NHC,SO.变赚

I无机盐

NaZO,离子选择吸收一NaOH

3、氧化还原电位(Eh)对微生物的影响

氧化环境具有正电位，还原环境具有负电位。各种微生物对氧化还原电位的要求不同，

一般好氧微生物要求Eh在+300〜+400mV；专性厌氧的微生物要求在-200~-250mV；而兼性微

生物，在+l()0mV以上时进行好氧呼吸，在+100mV以下时进行无氧呼吸。

环境中的氧化还原电位受到氧分压和pH等因子的影响。

4、氧气：好氧微生物、厌氧微生物、兼性厌氧微生物

DO对微生物的影响

1).好氧微生物

2).兼性微生物：即能在有氧条件下牛.存，又能在无氧条件下生存。但两者所表现的生理

状态是很不同的。

3).厌氧微生物：只有在无氧条件下才能生存。对于专性厌氧微生物，要求绝对无氧的条

件，氧的存在会使微生物死亡；另一些厌氧微生物，氧的存在与否对它没有影响，既不利用

氧，也不中毒。

专性好氧菌：在正常大气压(0,2巴)下进行好氧呼吸产能

以呼吸为主，兼营发酵产能

好氧菌0兼性厌氧菌

微生物以呼吸为主，兼营厌氧呼吸产能

与氧的关系微好氧菌"：只能在0.01〜0.03巴的大气压F生活

耐氧菌：只能以发酵产能,但分子氧无毒害

厌氧菌

(专性)厌氧菌：只能生长在无氧或基本无氧条件下，氧剧毒

5、太阳辐射对微生物的影响

紫外幅射和电离辐射对微生物的影响

紫外线：对微生物有致死作用，可用以杀菌，但穿透力较差，只能用于空气和物体表面

的消毒；

紫外线的作用机理：形成T的二聚体，从而导致DNA复制出现错误。

电离辐射：低剂量时，有促进生长的作用；高剂量时，则有致死作用。

常用来进行诱变育种L

应用：X透射的危害

6、渗透压对微生物的影响

水的活度与渗透压

水的活度aw是用来衡量水的被吸附和溶液因子对水的正利用性的影响的指标，表示在一定

温度（如25℃）下，某溶液或物质在与一定空间空气相平衡时的含水展与饱和空气水鼠的

比值。大多数微生物在aw为0.95〜0.99时生长最好。

干燥能使微生物体内的蛋白质变性，引起代谢活动的停止，所以干燥会影响微生物的活性以

至生命力。

不同微生物对干燥的抗性差别很大，细菌的芽狗、藻类和真菌的范子及原生动物的胞囊抗性

较强。

也可以用干燥的方法来保存微生物样品。

微生物在不同渗透压的溶液中呈不同的反应：

等渗溶液；

低渗溶液：

高渗溶液：

7.其他因素对微生物的影响

・超声波对微生物的影响

超声波是频率超过200C0HZ的声波，人耳听不见。超声波具有强烈的生物学效应，能破坏

细胞。常用来破坏细胞壁，制成细菌裂解液。

•重金属对微生物的影响

汞、银、铜、铅及其化合物，能使蛋白质发生沉淀变性，使酸失去活性，而可以用来作为

杀菌和防腐。

•若干化学物质对微生物的影响

1）.醇

醉是脱水剂和脂溶剂，可使蛋白质脱水、变性，溶解细胞质膜的脂类物质，进而杀死微生物

机体。

体积分数为70%左右的乙静杀菌力最强。

2).甲醛

甲醛是很有效的杀菌剂，对细菌、真菌及其抱子和病毒均有效。甲醛是气体，质量浓度为

370-400g/L的甲醛水溶液称为福尔马林。

3).表面活性剂

常用的有酚、新洁尔火、合成洗涤剂及染料等。

表面活性剂能降低溶液的表面张力，从而对微生物产生影响。

•抗生素对微生物的影响

许多微生物在代谢过程中产生能杀死其他微生物或抑制其他微生物生长的化学物质，即抗生

素。

抗生素有广谱和狭谱之分

抗生素对微生物的影响有以下四方面：

(1)抑制微生物细胞壁合成:如青霉素、头胞菌素、万占毒素等；

(2)破坏微生物的细胞质膜:如多粘菌素；

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