第五章 生长与繁殖

4.衰亡期（Death phase） 衰亡期（ ） 衰亡期
一个达到稳定生长期的微生物群体，由于生长环境的继续 一个达到稳定生长期的微生物群体， 恶化和营养物质的短缺，群体中细胞死亡率逐渐上升， 恶化和营养物质的短缺，群体中细胞死亡率逐渐上升， 以致死亡菌数逐渐超过新生菌数， 群体中活菌数下降， 以致死亡菌数逐渐超过新生菌数， 群体中活菌数下降， 曲线下滑。 曲线下滑。 衰亡期特点： 衰亡期特点： 细菌代谢活性降低； 1）细菌代谢活性降低； 细菌衰老并出现自溶； 2）细菌衰老并出现自溶； 许多胞内的代谢产物和胞内酶向外释放等,如氨基酸、 3）许多胞内的代谢产物和胞内酶向外释放等,如氨基酸、 转化酶、外肽酶或抗生素等。 转化酶、外肽酶或抗生素等。 菌体细胞呈现多种形态，有时产生畸形， 4）菌体细胞呈现多种形态，有时产生畸形，细胞大小 悬殊； 悬殊；有些革兰氏染色反应阳性菌此时会变成阴性反 应 .
第 五 章
微生物生长繁殖及其控制
Microbial Growth， Growth， Reproduction and Control
第一节
微生物的个体与 微生物的个体与 •群体生长和繁殖 群体生长和繁殖 • Microbial Growth and Reproduction物生长 微生物生长(Growth)：是指细胞物质有 微生物生长 ： 规律地、不可逆增加的生物过程。 规律地、不可逆增加的生物过程。 • §微生物繁殖 微生物繁殖(Reproduction)：是微生物生 微生物繁殖 ： 长到一定阶段由于细胞内各种细胞结构 的复杂和重建导致产生新的生命个体， 的复杂和重建导致产生新的生命个体， 即引起生命个体数量增加的整个生物学 过程。 过程。
延滞期所维持时间的长短，因微生物种 或菌株和培养条件的不同而异，实践已 知延滞期可从几分钟到几小时、几天， 甚至几个月不等；如大肠杆菌的延滞期 就比分枝杆菌短得多。同一种或菌株， 接种用的纯培养物所处的生长发育时期 不同，延滞期的长短也不一样。如接种 用的菌种都处于生理活跃时期，接种量 适当加大，营养和环境条件适宜，延滞 期将显著缩短，甚至直接进入对数生长 期。
第二节 微生物的培养与生长量测定
一、微生物纯培养技术
3.稳定期（Stationary phase） 稳定期（ 稳定期 ）
制约对数生长的主要因素有： 制约对数生长的主要因素有： ① 培养基中必要营养成分的耗尽或其浓度不能满足维持指数生 长的需要而成为生长限制因子（ growth长的需要而成为生长限制因子（ growth-limited factor 细胞的排出物在培养基中的大量积累， ② 细胞的排出物在培养基中的大量积累，以致抑制菌体生长 由上述两方面主要因素所造成的细胞内外理化环境的改变， ③ 由上述两方面主要因素所造成的细胞内外理化环境的改变， 如营养物比例的失调、 氧化还原电位的变化等。 如营养物比例的失调、 pH 、氧化还原电位的变化等。 虽然这些因素不一定同时出现，但只要其中一个因素存在， 虽然这些因素不一定同时出现，但只要其中一个因素存在，细胞 生长速率就会降低，这些影响生长因子的综合作用， 生长速率就会降低，这些影响生长因子的综合作用，致使群 体生长逐渐进入新增细胞与逐步衰老死亡细胞在数量上趋于 相对平衡状态，这就是群体生长的稳定期. 相对平衡状态，这就是群体生长的稳定期.
§ 特点： 特点： § 1）生长速度为零，新生 死亡，达到动态平衡； 死亡， ）生长速度为零，新生=死亡 达到动态平衡； § 2）活菌数的总量达到最大值； ）活菌数的总量达到最大值； § 3）胞内的储藏物开始形成（如肝糖粒、脂肪粒等）； ）胞内的储藏物开始形成（如肝糖粒、脂肪粒等）； § 4）某些芽孢菌的芽孢开始形成； ）某些芽孢菌的芽孢开始形成； § 5）某些细菌过量积累次级代谢产物，如抗生素、维生素等。 ）某些细菌过量积累次级代谢产物，如抗生素、维生素等。 稳定生长期时活菌数达到最高水平，如果为了获得大量活菌体， 稳定生长期时活菌数达到最高水平，如果为了获得大量活菌体， 就应在此阶段收获。在稳定期，代谢产物的积累开始增多， 就应在此阶段收获。在稳定期，代谢产物的积累开始增多，逐 渐趋向高峰。某些产抗生素的微生物， 渐趋向高峰。某些产抗生素的微生物，在稳定期后期时大量形 成抗生素。 成抗生素。 稳定期的长短与菌种和外界环境条件有关。生产上常常通过补料， 稳定期的长短与菌种和外界环境条件有关。生产上常常通过补料， 调整温度等措施来延长稳定生长期， 调节 pH ，调整温度等措施来延长稳定生长期，以积累更多的 代谢产物。 代谢产物。
• 处于对数生长期的细胞，由于代谢旺盛，生长 处于对数生长期的细胞，由于代谢旺盛， 迅速，代时稳定，个体形态、 迅速，代时稳定，个体形态、化学组成和生理 特性等均较一致，因此，在微生物发酵生产中， 特性等均较一致，因此，在微生物发酵生产中， 常用对数期的菌体作种子，它可以缩短延迟期， 常用对数期的菌体作种子，它可以缩短延迟期， 从而缩短发酵周期， 从而缩短发酵周期，提高劳动生产率与经济效 益。 • 对数生长期的细胞也是研究微生物生长代谢与 遗传调控等生物学基本特性的极好材料。 遗传调控等生物学基本特性的极好材料。
（一）、细菌纯培养生长曲线
§是将某种单细胞微生物少量接种到恒定容积的液体培养 是将某种单细胞微生物少量接种到恒定容积的液体培养 基中培养，定时取样分析。以菌数的对数为纵坐标， 基中培养，定时取样分析。以菌数的对数为纵坐标，生 长时间为横坐标作图,可得到一条定量描述液体培养基 长时间为横坐标作图 可得到一条定量描述液体培养基 中微生物生长规律的实验曲线， 中微生物生长规律的实验曲线，该曲线则称为生长曲线 （ growth curve)。 。 §生长曲线表现了细菌细胞及其群体在新的适宜的理化环 生长曲线表现了细菌细胞及其群体在新的适宜的理化环 境中，生长繁殖直至衰老死亡的动力学变化过程。 境中，生长繁殖直至衰老死亡的动力学变化过程。生长 曲线各个时期的特点，反映了所培养的细菌细胞与其所 曲线各个时期的特点， 处环境间进行物质与能量交流， 处环境间进行物质与能量交流，以及细胞与环境间相互 作用与制约的动态变化。 作用与制约的动态变化。深入研究各种单细胞微生物生 长曲线各个时期的特点与内在机制， 长曲线各个时期的特点与内在机制，在微生物学理论与 应用实践上都有着十分重大的意义。 应用实践上都有着十分重大的意义。
• 微生物的生长曲线，反映一种微生物在一 微生物的生长曲线， 如试管、摇瓶、 定的生活环境中 ( 如试管、摇瓶、发酵 生长繁殖和死亡的规律。 罐 ) 生长繁殖和死亡的规律。它既可作 为营养物和环境因素对生长繁殖影响的理 论研究指标， 论研究指标，也可用为调控微生物生长代 谢的依据，以指导微生物生产实践。 谢的依据，以指导微生物生产实践。 • 根据发酵目的的不同，确定在微生物发酵 根据发酵目的的不同， 的不同时期进行收获。 的不同时期进行收获。微生物生长曲线可 以用于指导微生物发酵工程中的工艺条件 优化以获得最大的经济效益。 优化以获得最大的经济效益。
因此，在微生物应用实践中，通常可采 取用处于快速生长繁殖中的健壮菌种 细胞接种、适当增加接种量、采用营 养丰富的培养基、培养种子与下一步 培养用的两种培养基的营养养成分以 及培养的其它理化条件尽可能保持一 致等措施，可以有效地缩短延滞期。
2.对数期（Log phase） 对数期（ ） 对数期
§单细胞微生物的纯培养物在被接种到新鲜培养基后， 单细胞微生物的纯培养物在被接种到新鲜培养基后， 单细胞微生物的纯培养物在被接种到新鲜培养基后 经过一段时间的适应， 经过一段时间的适应，即进入生长速度相对恒定的快 速生长与繁殖期，处于这一时期的单细胞微生物， 速生长与繁殖期，处于这一时期的单细胞微生物，其 细胞呈几何级数增长， 这里的指数“ 细胞呈几何级数增长，2 n ；这里的指数“ n ”则为 则为 细胞分裂的次数或增殖的代数。 细胞分裂的次数或增殖的代数。这一细胞增长以指数 式进行的快速生长繁殖期称为指数期，也称对数期 式进行的快速生长繁殖期称为指数期， （ logarithmic phase ） §特点 特点 §1）代时最短，生长速度最快； 1 代时最短，生长速度最快； §2）细胞稳定（平衡）生长：细胞内各种物质按比例 2 细胞稳定（平衡）生长： 生长，菌体成分均匀； 生长，菌体成分均匀； §3）酶活性高，代谢稳定，菌体大小基本一致。 3 酶活性高，代谢稳定，菌体大小基本一致。
• 在微生物发酵工业中，如果有较长的 延迟期，则会导致发酵设备的利用率 降低、能水耗增加、产品生产成本上 升，最终造成劳动生产力低下与经济 效益下降。只有缩短延滞期才有可能 缩短发酵周期，提高经济效益。因此 深入了解延滞期的形成机制，可为缩 短或延长延滞期提供指导实践的理论 基础，这对于工业、农业、医学、环 境微生物学及其应用等均有极为重要 的意义。
微生物的个体生长和群体生长
§个体生长：一个微生物个体应具备生长和繁殖 个体生长： 个体生长 的全能性。单细胞微生物如细菌、酵母菌等， 的全能性。单细胞微生物如细菌、酵母菌等， 一个细胞就是一个个体。 一个细胞就是一个个体。单细胞微生物的生长 即使细胞的增大. 即使细胞的增大 §在 适 宜 的 环 境 中 ， 一 种 微 生 物 如 大 肠 杆 菌 在 （ E.coli）， 从一个个体 （ 细胞 ） 出发 ， 通过生 ） 从一个个体（ 细胞）出发， 长与繁殖， 逐渐形成细胞总生物质量(biomass) 长与繁殖 ， 逐渐形成细胞总生物质量 与数量相应增加的群体， 与数量相应增加的群体 ， 这种现象与过程称为 群体生长。 群体生长 。 群体生长是微生物个体生长与个体 繁殖持续交替进行所导致的结果。 因此， 繁殖持续交替进行所导致的结果 。 因此 ， 群体 生长是以微生物的个体生长与繁殖为基础的。 生长是以微生物的个体生长与繁殖为基础的
微生物的群体生长规律
§对微生物群体生长的研究表明 ， 微生物 对微生物群体生长的研究表明， 对微生物群体生长的研究表明 的群体生长规律因其种类不同而异， 的群体生长规律因其种类不同而异 ， 单 细胞微生物与多细胞微生物的群体生长 表现出不同的生长动力学特性。 表现出不同的生长动力学特性 。 但就单 细胞微生物来说， 在特定的环境中， 细胞微生物来说 ， 在特定的环境中 ， 不 同种的微生物表现出趋势相近的生长动 力学规律。 力学规律。