7-微生物的生长繁殖与控制及细胞分化

μ(t1-t0) 2.303
μ= lgNt - lgN0 ×2.303 t1-t0
在对数生长期，假设在某一时刻细菌的数量为N0，由于细菌是二分 裂繁殖，所以在t小时(h)内经多代分裂繁殖（n)，其细菌数量Nt应
为： Nt = N0×2n
lgNt = lgN0 + nlg2
n=
lgNt-lgN0 lg2
（二）转肽酶与DD-羧肽酶的活性比较调节
待生长的细胞内，转肽酶活性高于DD-羧肽酶； 将分裂的细胞内，DD-羧肽酶活性高于转肽酶。 所以当转肽酶活性高于DD-羧肽酶活性时，新合成的肽聚糖分子中 五肽链的比率高于四肽链，有利于细胞壁扩增，导致细胞生长。
四、细菌细胞分裂繁殖的调节控制
（一）染色体DNA准确分离的调控机制
（一）菌丝的生长方式
菌丝变态
假根
附着胞
吸器
孢子 萌动 芽管 菌丝
附着垫
捕食环
附属丝
菌落
菌丝有旺盛的顶端生
菌 丝
长和分支生长，并以
组 织
菌丝长度或干重的增 菌丝体
加作为菌丝生长的标
志和测70年Grove等人提出“泡囊假说”
实验证据：粗糙脉孢菌25℃，每分 钟顶端生长40μm，估计37500个泡 囊与质膜融合。
第二节 细菌的群体生长繁殖
一、细菌的群体生长规律——生长曲线（growth curve）
单细胞、二分裂（binary fission）繁殖的细菌群体细胞，接 种到营养物质与体积恒定的液体培养基中，在适宜的条件下 进行分批培养（batch culture）。在培养过程中，定时取培 养液检测细菌数量。以培养时间为横坐标，以细菌数量为纵 坐标，可绘制一条在不同培养时间反映细菌数量变化规律的 曲线，称为生长曲线。
快速生长
二、细菌细胞壁合成与扩增生长模式
球菌和杆菌细胞壁其扩增生长位点明显不同
球菌：新合成的肽聚糖在赤道板附近插入 杆菌；沿着杆状细胞长轴其细胞壁有多个相间的扩增生长位点
缓慢生长
1．生长速度对生长周期的控制 2．染色体DNA复制与分离对生
长周期的控制
三、细菌细胞壁扩增生长的调节控制
（一）自溶素酶活性调节 细胞壁肽聚糖分子发生局部裂解和闭合 。 自溶素（autolysin）是细菌细胞内的一种复合酶，主要包括作用 于肽聚糖链的溶菌酶、N-乙酰葡萄糖胺酶和N-乙酰胞壁酸酰胺 酶，作用于短肽链交联的转肽酶、DD-羧肽酶等。
下次有性生殖前进行减数分裂。
B、进行减数分裂，形成4个子囊孢子，而原有的营养 细胞就成为子囊。子囊孢子萌发形成单倍体营养细胞。
（三）酵母菌的生活史
酵母菌单倍体和双倍体细胞均可独立存在，有三种类型： 1）营养体主要以单倍体形式存在（核配后立即进行减数分裂） 2）营养体主要以双倍体形式存在（核配后不立即进行减数分裂） 3）营养体既可以单倍体也可以双倍体形式存在，都可进行出芽繁殖
3. 无性孢子
掷孢酵母属产生的掷孢子； 地霉属产生节孢子； 假丝酵母属产生厚垣孢子或芽生孢子
（二）酵母的有性生殖
子囊孢子（有性孢子） 子囊
a
质配、核配
减数分裂
α
有丝分裂
融合
子囊孢子
1）两个性别不同的单倍体细胞靠近，相互接触； 2）接触处细胞壁消失，质配； 3）核配，形成二倍体核的接合子： A、以二倍体方式进行营养细胞生长繁殖，独立生活；
（三）稳定期（Stationary phase）
由于营养物质消耗，代谢产物积累和pH等环境变化，逐步不适宜 于细菌生长，导致生长速度降低直至零(即细菌分裂增加的数量等 于细菌死亡数)。
细胞重要的分化调节阶段； 储存糖原等细胞质内含物，芽孢杆菌在此阶段形成芽孢或建立自然 感受态等。也是发酵过程积累代谢产物的重要阶段，某些放线菌抗 生素的大量形成也在此时期。 生产上常通过补充营养物质（补料）或取走代谢产物、调节pH、 调节温度、对好氧菌增加通气、搅拌或振荡等措施延长稳定生长 期，以获得更多的菌体物质或积累更多的代谢产物。
如果各细胞组分是按恰当的比例增长时，则达到一定程度后就 会发生繁殖，引起个体数目的增加。
群体内各个个体的进一步生长
群体的生长
第一节 细菌的个体生长与调控 一、细菌的个体生长与生长周期
细菌的个体生长包括生长与繁殖两个过程。
细菌生长周期（bacterial growth cycle）又称细菌的细胞循 环，是指从一个新产生的子代细胞开始，经生长和一次细胞分 裂而形成新一代子细胞的连续过程。
(1)通过遗传学方法改变种的遗传特性使迟缓期缩短； (2)利用对数生长期的细胞作为种子； (3)尽量使接种前后所使用的培养基组成不要相差太大； (4)适当扩大接种量
（二）对数生长期（Log phase）或指数生长期(Exponential phase)
菌体细胞代谢旺盛，生长速度最快，数量急剧增加，细 菌内各成分按比例有规律地增加，表现为平衡生长。适宜作 发酵菌种或提取初级代谢产物。
1.机械法
过滤法 区带离心法 硝酸纤维素滤膜法
2.环境条件控制法
温度 培养基成分控制 其他（如光照和黑暗交替培养）
同步培养物：用同步培养方法使群体细胞处于同一生长阶段， 并同时分裂生长，其细胞为同步培养物或同步细胞
硝酸纤维素滤膜法 是最经典的获得同 步生长的方法
由于细胞的个体差 异，同步生长往往只 能维持2-3个世代， 随后又逐渐转变为随 机生长。
影响微生物代时（增代时间）的因素
1）菌种，不同的微生物 及微生物的不同菌株代 时不同 2）营养成分，在营养丰 富的培养基中生长代时 短 3）营养物浓度，在一定 范围内，生长速率与营 养物浓度呈正比 4）温度，在一定范围， 生长速率与培养温度呈 正相关
在微生物发酵工程研究与生产实践中，分批培养中的迟缓时间，比
二、生长的计算公式和主要参数
（一）生长计算公式
比生长速率（specific growth rate）是指单位数量的细菌或物 质在单位时间（h小时）内所增加的数量，用μ表示；
代时（generation time），也称世代时间或增代时间是指一个 细菌分裂繁殖一次或细菌数量增倍所需的时间，用G表示。 对数生长期微生物平衡生长的数学模型表示为：
生长速率和总生长量等生长参数皆有重要的参考和指导意义。
三、二次生长、同步培养和连续培养 （一）二次生长（diauxic growth）
当培养液中同时存在速效和迟效碳源（或氮源）时，微生物首先利用 速效营养物而进行对数生长，待速效营养物耗尽而进入稳定期后，微 生物经短暂的适应，才开始利用迟效营养物再次进入对数生长，直至 进入新的稳定期，表现为二阶式双峰生长曲线，称为二次生长。
第七章
微生物的生长繁殖 与控制及细胞分化
微生物的生长与繁殖
细菌、真菌的生长和繁殖
环境对生长的影响及生长的 测定
微生物生长繁殖的控制
微生物细胞的分化
生长： 繁殖：
生物个体物质有规律地、不可逆增加，导致个体 体积逐渐增大的生物学过程。
生物个体生长到一定时期，以特定方式产生新个 体，而引起个体数量增加的生物学过程。
（四）衰亡期(Decline或Death phase) 营养物质耗尽和有毒代谢产物的大量积累，细菌死亡速率超过
新生速率，整个群体呈现出负增长。 该时期死亡的细菌以对数方式增加，但在衰亡期的后期，由于部
分细菌产生抗性也会使细菌死亡的速率降低，仍有部分活菌存在。
细菌代谢活性降低，细菌衰老并出现自溶，产生或释放出一些产物， 如氨基酸、转化酶、外肽酶或抗生素等。细胞呈现多种形态，有时产生畸 形，细胞大小悬殊，有些革兰氏染色反应阳性菌变成阴性反应等。
= 3.3(lgNt-lgN0)
因G =
t n
所以 G =
t 3.3(lgNt-lgN0)
=
0.301t lgNt-lgN0
纳米细菌（nanobacteria） ，三天才分裂一次；
九十年代初期从地下数公里发 现的超微型细菌，用代谢产生 的CO2作指标，计算出这些超 微菌的代谢速率仅为地上正常 细菌的10-15，有人认为它们 需要100年才能分裂一次。
大肠杆菌对葡萄糖和乳糖 的吸收，出现的双峰生长 曲线
（二）同步培养
群体细胞中，每个个体处于生长的不同阶段，其生长与分裂不同步
同步生长(synchronous culture)是指创造条件使群体中个体细胞处 于相同的生长阶段，呈现一致的形态结构和生理生化特征。实现同 步生长的关键是分离处于相同生长阶段的同步细胞并进行同步培养
（三）连续培养
分批培养（batch culture）or封闭培养（closed culture） 培养基一次加入，不予补充，不再更换。
连续培养(continous culture ）
如果采用不断补充营养物质并以同样速 率移出培养物的开放系统培养，可保持 细菌以恒定的比生长速率持续对数生 长，这样的培养方式称连续培养
芽体脱落之后，形成芽体的部位上新合成的壁像汽球膨胀一 样又形成一个新芽体，然后在母体和芽体之间形成隔膜，芽 体与母体分离，并在母体上留下芽痕
酵母菌的芽殖过程
2. 裂殖（fission）
裂殖开始之前，母体的一端 或两端拉长，形成一个园柱 体并进行有丝分裂。在接近 母体中间的部位产生一个隔 膜，然后从这一隔膜的中间 劈开，产生两个相等大小的 子细胞
a.细胞质的泡囊是从内质网上水 泡状的形式转移至高尔基体
b.在高尔基体内进行浓缩加工， 并把泡囊的类内质网膜转化 成类原生质膜
c.泡囊从高尔基体释放并转移至 菌丝顶端
d.与原生质膜融合，并释放所含 的菌丝细胞壁和原生质膜合 成前体物、壁水解酶和壁多 糖合成酶，使菌丝顶端细胞 壁和原生质膜同时扩增和生 长，呈现菌丝顶端生长
以DNA复制终止和二倍长度细胞特定阈值为双重信号，启动 染色体DNA准确分离。该过程需要调控蛋白与细胞分裂蛋白 的参与及相互作用，也需要多种“力的产生”机制 （二）横隔壁形成的调控机制