微生物的生長及影響因素

微生物的生長及影響因素第一頁，共五十五頁，2022年，8月28日一、微生物的生長個體生長：細胞體積增大，重量增加。個體生長→個體繁殖→群體生長除了特定的目的以外，在微生物的研究和應(yīng)用中提到的“生長”，均指群體生長。第二頁，共五十五頁，2022年，8月28日細菌的繁殖方式Binaryfission-growthcycle第三頁，共五十五頁，2022年，8月28日二、微生物群體的生長規(guī)律把少量純種單細胞微生物接種到恒容積的液體培養(yǎng)基中后，在適宜的條件下，它們的群體就會有規(guī)律的生長起來。以細胞數(shù)目的對數(shù)值作縱坐標，以培養(yǎng)時間作橫坐標，就得到微生物的典型生長曲線。根據(jù)微生物的生長速率常數(shù)R不同，可分為：Lagphase（延滯期、調(diào)整期、適應(yīng)期）Exponentialphase（指數(shù)期、對數(shù)期）Stationaryphase（穩(wěn)定期、平衡期）Deathphase（衰亡期）第四頁，共五十五頁，2022年，8月28日第五頁，共五十五頁，2022年，8月28日Growthcycleofpopulations

inbatchculture第六頁，共五十五頁，2022年，8月28日1、延滯期特點生長速率常數(shù)R=0細胞形態(tài)變大或增長細胞內(nèi)RNA尤其是rRNA含量增高，原生質(zhì)呈堿性。合成代謝活躍，易產(chǎn)生誘導(dǎo)酶。對外界不良條件反應(yīng)敏感影響因素：菌種特性接種齡接種量培養(yǎng)基成分第七頁，共五十五頁，2022年，8月28日（1）接種齡的影響接種齡：種子的群體生長年齡，即它處在生長曲線的哪一個階段，這是一種生理年齡。若以對數(shù)期接種齡的種子接種，則子代培養(yǎng)物的延滯期就短。若以延滯期或衰亡期的種子接種，則子代培養(yǎng)物的延滯期就長。若以穩(wěn)定期的種子接種，則延滯期居中。第八頁，共五十五頁，2022年，8月28日（2）接種量的影響一般說來，接種量大，則延滯期短，因此，在發(fā)酵工業(yè)上，為縮短不利于提高發(fā)酵效率的延滯期，一般采用10%的接種量。第九頁，共五十五頁，2022年，8月28日（3）培養(yǎng)基成分的影響接種到營養(yǎng)豐富的天然培養(yǎng)基中的微生物，要比接種到營養(yǎng)單調(diào)的組分培養(yǎng)基中的延滯期短。在發(fā)酵生產(chǎn)中，常使發(fā)酵培養(yǎng)基的成分與種子培養(yǎng)基的成分盡量接近。第十頁，共五十五頁，2022年，8月28日2、對數(shù)生長期特點：R最大，增代時間（代時G）或倍增時間最短。細胞進行平衡生長，菌體內(nèi)各種成分最為均勻。酶系活躍，代謝旺盛。影響因素：菌種特性營養(yǎng)成分營養(yǎng)物濃度培養(yǎng)溫度第十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日（1）營養(yǎng)成分的影響同一種細菌，在營養(yǎng)物豐富的培養(yǎng)基中生長，其代時較短，反之則長。第十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日（2）營養(yǎng)物濃度的影響在營養(yǎng)物濃度很低的情況下，營養(yǎng)物的濃度才會影響生長速率；隨著營養(yǎng)物濃度的提高，生長速率不受影響，而只影響最終的菌體產(chǎn)量；進一步提高營養(yǎng)物濃度，則生長速率和菌體產(chǎn)量兩者均不受影響。凡是處于較低濃度范圍內(nèi)，可影響生長速率和菌體產(chǎn)量的營養(yǎng)物，稱為生長限制因子。第十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日（3）培養(yǎng)溫度的影響E.coli在不同溫度下的代時溫度℃代時（分）溫度℃代時（分）108603522151204017.520904520254047.5773029第十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日特征參數(shù)繁殖代數(shù)n：x2=x1·2nn=3.322(lgx2

–lgx1)生長速率常數(shù)R：單位時間內(nèi)的繁殖代數(shù)R=n/(t2

–t1)=3.322(lgx2

–lgx1)/(t2

–t1)代時G：繁殖一代所需的時間G=1/R=(t2

–t1)/3.322(lgx2

–lgx1)

第十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日3、穩(wěn)定期特點：R=0，菌體產(chǎn)量達到最高點（細胞繁殖數(shù)=死亡數(shù)）。細胞開始儲存糖原、異染顆粒和脂肪等儲藏物。以生產(chǎn)菌體或與菌體生長相平行的代謝產(chǎn)物的最佳收獲期。穩(wěn)定期到來的原因：營養(yǎng)物尤其是生長限制因子的耗盡；營養(yǎng)物的比例失調(diào)；有害代謝產(chǎn)物累積；pH、氧化還原電勢等物化條件不適宜。第十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日第十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日4、衰亡期特點：個體死亡速度>新生速度，群體呈現(xiàn)負生長；細胞形態(tài)多樣；細胞產(chǎn)生自溶；產(chǎn)生或釋放抗生素；芽孢桿菌中芽孢的釋放。衰亡期到來原因：環(huán)境條件越來越不利，從而引起細胞內(nèi)分解代謝大大超過合成代謝，導(dǎo)致菌體死亡。第十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日生長曲線的應(yīng)用縮短延滯期，以縮短發(fā)酵周期取對數(shù)生長期的種子接種延長對數(shù)生長期，有利于形成大量的微生物細胞采用連續(xù)培養(yǎng)延長穩(wěn)定期，有利于代謝產(chǎn)物積累根據(jù)細胞內(nèi)含物判斷菌齡；根據(jù)生長期控制培養(yǎng)條件。第十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日三、連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)：當微生物以單批培養(yǎng)的方式培養(yǎng)到對數(shù)期的后期時，一方面以一定速度連續(xù)流進新鮮培養(yǎng)基，并立即攪拌均勻；另一方面，利用溢流的方式，以同樣的流速不斷流出培養(yǎng)物。這樣，培養(yǎng)物就達到動態(tài)平衡，其中的微生物可長期保持在指數(shù)期的平衡生長狀態(tài)和穩(wěn)定的生長速率上。第二十頁，共五十五頁，2022年，8月28日單批培養(yǎng)與連續(xù)培養(yǎng)的關(guān)系第二十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日連續(xù)培養(yǎng)器的類型內(nèi)控制（控制菌體濃度）：恒濁器外控制（控制培養(yǎng)液流速，以控制生長速率）：恒化器單級連續(xù)培養(yǎng)器多級連續(xù)培養(yǎng)器一般連續(xù)培養(yǎng)器固定化細胞連續(xù)培養(yǎng)器實驗室科研用：連續(xù)培養(yǎng)器發(fā)酵生產(chǎn)用：連續(xù)發(fā)酵罐按控制方式分按培養(yǎng)器的級數(shù)分按細胞狀態(tài)分按用途分第二十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日恒濁器與恒化器恒濁器（turbidostat）：根據(jù)培養(yǎng)器內(nèi)微生物的生長密度，并借光電控制系統(tǒng)來控制培養(yǎng)液流速，以取得菌體密度高、生長速度恒定的微生物細胞的連續(xù)培養(yǎng)器。恒化器（chemostat）：一種設(shè)法使培養(yǎng)液流速保持不變，并使微生物始終在低于其最高生長速率條件下進行生長繁殖的一種連續(xù)培養(yǎng)裝置。第二十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日恒化器第二十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日恒濁器與恒化器的比較裝置控制對象培養(yǎng)基培養(yǎng)基流速生長速率產(chǎn)物應(yīng)用范圍恒濁器菌體密度無限制不恒定最高速率大量菌體生產(chǎn)為主（內(nèi)控制）生長因子或與菌體相平行的代謝產(chǎn)物恒化器培養(yǎng)基有限制恒定低于不同生長實驗室流速生長因子最高速率速率菌體為主（外控制）第二十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)缺點優(yōu)點高效自控產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定節(jié)約了大量動力、人力、水和蒸汽缺點菌種易于退化易遭雜菌污染營養(yǎng)物的利用率低第二十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日四、影響微生物生長的主要因素溫度氧氣pH滲透壓水活度第二十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日1、溫度基本原理溫度通過影響蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能以及細胞膜的流動性及完整性來影響微生物的生長、繁殖和新陳代謝。過高的環(huán)境溫度會導(dǎo)致蛋白質(zhì)或核酸的變性失活過低的環(huán)境溫度會抑制酶活力，降低細胞的新陳代謝活動。應(yīng)用：高溫滅菌，低溫保藏菌種。第二十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日Heatdenaturationofproteins第二十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日最低生長溫度：一般為-5~-10℃，極端為-30℃嗜冷菌：＜20℃生長溫度最適生長溫度嗜溫菌：20~45℃嗜熱菌：＞45℃最高生長溫度：一般為80~95℃最適生長溫度：分裂代時最短或生長速率最高時的培養(yǎng)溫度。最適生長溫度≠發(fā)酵速度最高時的培養(yǎng)溫度≠代謝產(chǎn)物量最高時的溫度≠生長量最高時溫度第三十頁，共五十五頁，2022年，8月28日微生物各生理過程的不同最適溫度菌名生長溫度℃發(fā)酵溫度℃累積產(chǎn)物溫度℃嗜熱鏈球菌374737乳酸鏈球菌3440產(chǎn)細胞：25~30產(chǎn)乳酸：30灰色鏈霉菌3728—北京棒桿菌3233~35—丙酮丁醇梭菌3733—產(chǎn)黃青霉302520第三十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日第三十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日Cardinaltemperatures第三十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日Temperatureclasses第三十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日2、氧氣根據(jù)微生物與氧的關(guān)系，可分為：

專性好氧菌：必需在有氧條件下生長

好氧菌兼性厭氧菌：在有氧及無氧條件下均能生長，但在有氧條件下生長得更好。微好氧菌：生長需要少量的氧，過量的氧常導(dǎo)致這類微生物死亡。耐氧菌：生長不需要氧，但氧對其也無毒害。厭氧菌（專性）厭氧菌：只能生長在無氧條件下，氧劇毒，即使短期接觸空氣，也會抑制其生長甚至致死。第三十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日(a)專性好氧菌；(b)厭氧菌；(c)兼性厭氧菌；(d)微好氧菌；(e)耐氧菌第三十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日第三十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日厭氧菌的氧毒害機制O2+eO2

.2O2

.+2H+H2O2+O2

NADH2NADSOD好氧生物及耐氧菌2H2O過氧化氫酶好氧生物過氧化物酶耐氧菌H2O+?O2

第三十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日3、pH值基本原理使蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子所帶電荷發(fā)生變化，從而影響其生物活性；引起細胞膜電荷變化，導(dǎo)致微生物細胞吸收營養(yǎng)物質(zhì)能力改變；改變環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)的可給性及有害物質(zhì)的毒性。第三十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日pH：-lg[H+]，指外界環(huán)境的pH值。嗜堿微生物最適生長pH值偏于堿性（如多數(shù)放線菌）耐堿微生物微生物（如鏈霉菌）嗜酸微生物最適生長pH值偏于酸性（多數(shù)真菌）耐酸微生物（乳酸桿菌）第四十頁，共五十五頁，2022年，8月28日不同微生物的生長pH范圍微生物pH值最低最適最高氧化硫硫桿菌0.52.0~3.56.0嗜酸乳桿菌4.0~4.65.8~6.66.8大豆根瘤菌4.26.8~7.011.0褐球固氮菌4.57.4~7.69.0一種亞硝化單胞菌7.07.8~8.69.4醋化醋桿菌4.0~4.55.4~6.37.0~8.0金黃色葡萄球菌4.27.0~7.59.3泥生綠菌6.06.87.0水生棲熱菌6.07.5~7.89.5黑曲霉1.55.0~6.09.0一般放線菌5.07.0~8.010.0一般酵母菌3.05.0~6.08.0第四十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日幾種抗生素產(chǎn)生菌的生長與發(fā)酵的最適pH抗生素產(chǎn)生菌生長最適pH合成抗生素最適pH灰色鏈霉菌6.3~6.96.7~7.3紅霉素鏈霉菌6.6~7.06.8~7.3產(chǎn)黃青霉6.5~7.26.2~6.8金霉素鏈霉菌6.1~6.65.9~6.3龜裂鏈霉菌6.0~6.6 5.8~6.1灰黃青霉6.4~7.06.2~6.5第四十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日pH微生物在生命活動過程中，會改變外界環(huán)境中的pH值。糖類發(fā)酵、氧化有機酸有機物脂肪水解有機酸培養(yǎng)基內(nèi)蛋白質(zhì)脫羧胺類中性成分(NH4)2SO4NH4+選擇吸收H2SO4無機鹽

NaNO3NO3-選擇吸收NaOH第四十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日pH調(diào)節(jié)方法過酸時：加NaOH、Na2CO3等堿中和過堿時：加H2SO4、HCl等酸中和加適當?shù)矗喝缒蛩?、NaNO3、過酸時NH4OH或蛋白質(zhì)等

“

治本”提高通氣量過堿時加適當碳源：糖、乳酸、甘油等降低通氣量加磷酸緩沖液（K2HPO4

—KH2PO4）

加CaCO3或NaHCO3外源調(diào)節(jié)“治標”內(nèi)源調(diào)節(jié)第四十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日4、滲透壓滲透壓：由于溶質(zhì)濃度差而在細胞膜兩側(cè)造成的壓力差。滲透壓的大小與溶液中分子或離子的質(zhì)點數(shù)有關(guān)。等重的物質(zhì)，其分子或離子越小，則質(zhì)點數(shù)越多，滲透壓越大。低滲溶液：外界濃度<細胞內(nèi)濃度，細胞吸水膨脹。等滲溶液：外界濃度=細胞內(nèi)濃度，適宜微生物生長。高滲溶液：外界濃度>細胞內(nèi)濃度，細胞失水，發(fā)生質(zhì)壁分離。絕大多數(shù)微生物在0.5%~3%的鹽濃度范圍內(nèi)可正常生長，10%~15%的鹽濃度能抑制大部分微生物的生長。第四十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日5、水活度aw水活度aw：表示在天然環(huán)境中，微生物可實際利用的自由水或游離水的含量。自由水：微生物可利用。 細胞內(nèi)水分狀態(tài)結(jié)合水：微生物不能利用。

aw定量：在相同溫度和壓力下，某溶液的蒸汽壓P與純水蒸汽壓P0之比，也等于溶液的百分相對濕度。

aw=P/P0=ERH/100

純水：aw=1，無水：aw=0，∴0<aw<1

各種微生物生長繁殖的aw值范圍：0.998~0.6第四十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日微生物生長的最低aw細菌一般：0.90~0.98嗜鹽菌：0.75酵母菌一般；0.87~0.91高滲酵母：0.61~0.65霉菌一般：0.80~0.87耐旱菌：0.65~0.75第四十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日若干事物的aw新鮮水果：0.97~0.99鮮肉（家畜）：0.97面包：0.86蔗糖飽和液：0.76大米、面粉（含水量14%）：0.65奶粉：0.2第四十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日6、化學(xué)因素對微生物的影響常用的化學(xué)消毒劑主要有重金屬及其鹽類、有機溶劑（酚、醇、醛等）、鹵族元素及其化合物、染料和表面活性劑等。重金屬離子：可與菌體蛋白質(zhì)結(jié)合而使之變性或與某些酶蛋白的巰基相結(jié)合而使酶失活；重金屬鹽是蛋白質(zhì)沉淀劑，還可與代謝產(chǎn)物發(fā)生鰲合作用而使之變?yōu)闊o效化合物。有機溶劑：可使蛋白質(zhì)及核酸變性，也可破壞細胞膜透性使內(nèi)含物外溢。碘：可與蛋白質(zhì)酪氨酸殘基不可逆結(jié)合而使蛋白質(zhì)失活。氯氣：與水反應(yīng)產(chǎn)生的強氧化劑具有殺菌作用。染料：在低濃度條件下可抑制細菌生長，革蘭氏陽性菌普遍比革蘭氏陰性菌對染料更加敏感。表面活性劑：能降低溶液表面張力，改變微生物細胞膜透性，使蛋白質(zhì)變性。第四十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日五、微生物培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展從少量培養(yǎng)發(fā)展到大規(guī)模培養(yǎng)從淺層培養(yǎng)發(fā)展到厚層（固體）或深層（液體）培養(yǎng)從以固體培養(yǎng)技術(shù)為主發(fā)展到以液