典型生長曲線

微生物的生長第三節(jié)微生物的群體生長一、單細(xì)胞微生物的典型生長曲線將少量單細(xì)胞微生物接種到新鮮液體培養(yǎng)基中，在最適的條件下培養(yǎng)，培養(yǎng)過程中定時測定細(xì)胞數(shù)量，以細(xì)胞數(shù)的對數(shù)作縱坐標(biāo)，以培養(yǎng)時間為橫坐標(biāo)，畫出的曲線，就是單細(xì)胞微生物的典型生長曲線。典型生長曲線根據(jù)微生物的生長速率常數(shù)R（即每小時的分裂次數(shù)）的不同，一般可分為遲緩期（延滯期）、指數(shù)期、穩(wěn)定期和衰亡期等四個時期。1.延滯期（Lagphase），也稱遲緩期、延遲期、適應(yīng)期。菌數(shù)不立即增加,或增加很少；生長速度接近于零。此時細(xì)胞特點可概括為：分裂遲緩、代謝活躍。該期的具體特點為：①生長速率常數(shù)為零；②細(xì)胞形態(tài)變大或增長；③細(xì)胞內(nèi)的RNA尤其是rRNA含量增高，原生質(zhì)呈嗜堿性；④合成代謝十分活躍，核糖體、酶類和ATP的合成加速，容易產(chǎn)生各種誘導(dǎo)酶；⑤對外界條件如NaCl溶液濃度、溫度和抗生素等理化因素反應(yīng)敏感。遲滯期出現(xiàn)的原因：微生物接種到一個新的環(huán)境，暫時缺乏分解和催化有關(guān)底物的酶，或是缺乏充足的中間代謝產(chǎn)物等。為產(chǎn)生誘導(dǎo)酶或合成中間代謝產(chǎn)物，就需要一段適應(yīng)期。調(diào)整代謝遲滯期的長短與菌種的遺傳性、菌齡以及移種前后所處的環(huán)境條件等因素有關(guān)，短的只需要幾分鐘，長的需數(shù)小時。縮短遲滯期的常用手段：(1)通過遺傳學(xué)方法改變種的遺傳特性使遲緩期縮短；(2)利用對數(shù)期的細(xì)胞作為種子；(3)盡量使接種前后所使用的培養(yǎng)基組成不要相差太大；(4)適當(dāng)擴(kuò)大接種量。2.指數(shù)期（Exponentialphase），又稱對數(shù)期（Logphase)生長速度呈幾何級數(shù)增長。指數(shù)期的特點：①生長速率常數(shù)R最大且為常數(shù)，代時(G)最短且穩(wěn)定；②細(xì)胞進(jìn)行平衡生長，菌體各部分的成分十分均勻；③酶系活躍，代謝旺盛。三個重要參數(shù)的計算：繁殖代數(shù)(n)、生長速率常數(shù)(R)、代時(G)

t1

–t01G=——————=—————

nR注意：只有處于指數(shù)期，才符合以上計算公式采用木醋桿菌生產(chǎn)細(xì)菌纖維素，培養(yǎng)的第5h進(jìn)入對數(shù)生長期，此時活菌數(shù)是1×105個/ml，總菌數(shù)是1.1×105個/ml,培養(yǎng)的第10個小時進(jìn)入穩(wěn)定期，此時活菌數(shù)是1×107個/ml，總菌數(shù)是1.2×107個/ml，請計算代數(shù)（n)和代時（G）影響代時的因素：1）菌種：不同的微生物及微生物的不同菌株代時不同；2）營養(yǎng)成分：在營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基中生長代時短；3）營養(yǎng)物濃度：在一定范圍內(nèi)，生長速率與營養(yǎng)物濃度呈正比；凡是處于較低濃度范圍內(nèi)，可影響生長速率的營養(yǎng)物成分，就稱為生長限制因子。4）溫度：在一定范圍，生長速率與培養(yǎng)溫度呈正相關(guān)。指數(shù)期細(xì)胞的應(yīng)用：適宜作“種子”；研究基礎(chǔ)代謝的材料；噬菌體增殖的最好階段；革蘭氏染色；誘變育種。3.穩(wěn)定期（Stationaryphase）指數(shù)期之后，培養(yǎng)液中活細(xì)菌數(shù)最高并維持穩(wěn)定的階段(可能由于細(xì)菌分裂增加的數(shù)量等于細(xì)菌死亡數(shù)，或者細(xì)胞僅停止分裂而保持代謝活性)。穩(wěn)定期特點：①生長速率常數(shù)R降低至0；②代時G延長；③細(xì)胞重要的分化階段；細(xì)胞開始衰老，原生質(zhì)分布不均勻，出現(xiàn)液泡；開始積累糖原等內(nèi)含物；產(chǎn)芽孢的菌開始形成芽孢；次生代謝產(chǎn)物（抗生素等）開始大量合成④菌體的最大收獲期穩(wěn)定期到來的原因①營養(yǎng)物質(zhì)尤其是生長限制因子的耗盡②有害代謝產(chǎn)物的累積③營養(yǎng)物的比例失調(diào)④pH、氧化還原勢等條件不適宜①穩(wěn)定期如果及時采取措施，補充營養(yǎng)物質(zhì)或取走代謝產(chǎn)物或改善培養(yǎng)條件（調(diào)整pH、溫度、通氣），可以獲得更多的菌體物質(zhì)或代謝產(chǎn)物。②對以收獲菌體或與菌體生長相平行的代謝產(chǎn)物（SCP、乳酸等）為目的的發(fā)酵生產(chǎn)來說，穩(wěn)定期是產(chǎn)物的最佳收獲期。③通過對穩(wěn)定期到來原因的研究，促使了連續(xù)培養(yǎng)原理的提出和工藝、技術(shù)的創(chuàng)建。微生物在穩(wěn)定期的生長規(guī)律對于生產(chǎn)實踐的指導(dǎo)意義：4.衰亡期（Decline或Deathphase）營養(yǎng)物質(zhì)耗盡和有毒代謝產(chǎn)物的大量積累，細(xì)菌死亡速率超過新生速率，整個群體呈現(xiàn)出負(fù)增長。該時期死亡的細(xì)菌以對數(shù)方式增加，但在衰亡期的后期，由于部分細(xì)菌產(chǎn)生抗性也會使細(xì)菌死亡的速率降低，仍有部分活菌存在。衰亡期特點：①生長速率常數(shù)R小于0；②細(xì)胞形態(tài)發(fā)生多形化

出現(xiàn)畸形或細(xì)胞大小懸殊；有些微生物因蛋白酶活力的增強而發(fā)生自溶，有些微生物產(chǎn)生或釋放出一些代謝產(chǎn)物如氨基酸、轉(zhuǎn)化酶、外肽酶或抗生素等；芽孢桿菌往往在此期釋放芽孢。

在實際工作中多采用分光光度計測定OD值的方法繪制細(xì)菌的生長曲線，但該法繪制的生長曲線不能反映衰亡期。二.絲狀真菌的生長曲線絲狀真菌是以菌絲干重（mg）作為衡量生長狀況的縱坐標(biāo)，時間為橫坐標(biāo)，繪制生長曲線。三個時期：延滯期，快速生長期，衰亡期絲狀真菌不是單細(xì)胞，其繁殖不以幾何級數(shù)增加，故沒有指數(shù)生長期1、典型生長曲線也適于描述絲狀菌的生長規(guī)律（）2、一般來說，用指數(shù)生長期的細(xì)胞作為“種子”（）3、對于細(xì)菌來說，可以用直接計數(shù)法和間接計數(shù)法來測定細(xì)胞的生長量（）4、對霉菌來說，可以采用稀釋平板菌落計數(shù)法來測定其生長量（)三、連續(xù)培養(yǎng)(Continousculture）分批培養(yǎng)（batchculture）封閉培養(yǎng)（closedculture）培養(yǎng)基一次加入，不予補充，不再更換連續(xù)培養(yǎng)(Continousculture）培養(yǎng)基連續(xù)加入，發(fā)酵液以相同的流速連續(xù)流出，從而達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡。若在一個開放的系統(tǒng)中(恒定容積的流動系統(tǒng))培養(yǎng)微生物，培養(yǎng)過程中不斷補充營養(yǎng)物質(zhì)和以同樣的速率移出培養(yǎng)物，是實現(xiàn)微生物連續(xù)培養(yǎng)的基本原則。培養(yǎng)系統(tǒng)中的細(xì)胞數(shù)量和營養(yǎng)狀態(tài)恒定，即處于穩(wěn)態(tài)。單細(xì)胞微生物的生長符合典型的生長曲線最簡單的連續(xù)培養(yǎng)裝置包括：培養(yǎng)室、無菌培養(yǎng)基儲存器和調(diào)節(jié)流速的控制系統(tǒng)。連續(xù)培養(yǎng)的主要參數(shù)稀釋率D（h-1）：即培養(yǎng)基每小時流過培養(yǎng)容器的體積數(shù)。D==培養(yǎng)基的流動速率培養(yǎng)室的容積FV無菌培養(yǎng)基儲存器培養(yǎng)室調(diào)節(jié)流速的控制閥1.連續(xù)培養(yǎng)的類型根據(jù)控制培養(yǎng)基流入培養(yǎng)容器方式的不同可分兩種類型：恒濁器連續(xù)培養(yǎng)和恒化器連續(xù)培養(yǎng)。A.恒濁培養(yǎng)系統(tǒng)B.恒化培養(yǎng)系統(tǒng)1.盛無菌培養(yǎng)基的容器2.控制流速閥3.培養(yǎng)室4.排出管5.光源6.光電池7.排出物恒濁器：根據(jù)培養(yǎng)室內(nèi)微生物的生長密度，借光電控制系統(tǒng)來控制培養(yǎng)基的流速，以取得菌體密度高、生長速率恒定的微生物細(xì)胞的連續(xù)培養(yǎng)器。恒化器：培養(yǎng)基流速恒定，通過控制培養(yǎng)基中某一生長限制性底物的濃度來調(diào)節(jié)微生物的生長速率,使微生物維持恒定生長速率的連續(xù)培養(yǎng)裝置。兩種連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)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)用恒濁器菌體密度無限制生長因子不恒定最高菌體或與菌體相平行的代謝產(chǎn)物生產(chǎn)恒化器培養(yǎng)基流速有限制生長因子恒定低于最高速率不同生長速率的菌體實驗室科研恒化器中的菌體濃度不由稀釋率決定，而由生長限制性底物濃度決定。通過控制流速可得到生長速率不同但密度基本恒定的培養(yǎng)物，微生物始終在低于其最高生長速率下進(jìn)行生長繁殖。遺傳學(xué)：突變株分離；生理學(xué)：不同條件下的代謝變化；生態(tài)學(xué)：模擬自然營養(yǎng)條件建立實驗?zāi)Ｐ腿绻鶕?jù)連續(xù)培養(yǎng)器串聯(lián)的數(shù)目分，也可分為兩種類型：單級連續(xù)培養(yǎng)多級連續(xù)培養(yǎng)適用于：代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生速率與菌體生長速率相平行的培養(yǎng)微生物代謝產(chǎn)物與菌體生長不平行，例如丙酮、丁醇或某些次級代謝產(chǎn)物（抗生素、維生素等）的生產(chǎn)，應(yīng)采取多級連續(xù)培養(yǎng)法，第一級發(fā)酵罐中