微生物的生长规律
微生物的生长规律
微生物的生长规律微生物特别是单细胞微生物，体积很小，个体的生长很难测定，而且也没有什么实际应用价值。
因此，测定它们的生长不是依据细胞个体的大小，而是测定群体的增加量，即群体的生长。
以培养时间为横坐标，以细菌数目的对数或生长速度为纵坐标作图，所得到的曲线，称为微生物的生长曲线。
根据细菌生长繁殖速率的不同，可将生长曲线大致分为延迟期、对数期、调整期或滞留适应期。
一、延迟期处于延迟期细菌细胞的特点可概括为8个字：分裂迟缓、代谢活跃。
细胞体积增长较快，尤其是长轴，在延迟期末，细胞平均长度比刚接种时大6倍以上；细胞中RNA含量增高，原生质嗜碱性加强；对不良环境条件较敏感，对氧的吸收、二氧化碳的释放以及脱氨作用也很强，同时容易产生各种诱导酶等。
这些都说明细胞处于活跃生长中，只是细胞分裂延迟。
在此阶段后期，少数细胞开始分裂，曲线略有上升。
延迟期的长短与菌种的遗传性、菌龄以及移种前后所处的环境条件等因素有关，短的只需几分钟，长的可达几小时。
因此，深入了解延迟期产生的原因，采取缩短延迟期的措施，在发酵工业上具有十分重要的意义。
在生产实践中，通常采取的措施有增加接种量，在种子培养中加入发酵培养基的某些营养成分，采用最适种龄(即处于对数期的菌种)的健壮菌种接种以及选用繁殖快的菌种等措施，以缩短延迟期，加速发酵周期，提高设备利用率。
二、对数期对数期又称指数期。
在此期中，细胞代谢活性最强，组成新细胞物质最快，所有分裂形成的新细胞都生活旺盛。
这一阶段的突出特点是细菌数以几何级数增加，代时稳定，细菌数目的增加与原生质总量的增加，与菌液混浊度的增加均呈正相关性。
这时，细菌纯培养的生长速率也就是群体生长的速率，可用代时(generation time)表示。
所谓代时，即单个细胞完成一次分裂所需的时间，亦即增加一代所需的时间(也叫增代时间或世代时间)。
在此阶段，由于代时稳定，因此，只要知道了对数期中任何两个时间的菌数，就可求出细菌的代时。
微生物的生长及影响因素
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1.温度
基础原理 温度经过影响蛋白质、核酸等生物大分子结构与功效以及细
胞膜流动性及完整性来影响微生物生长、繁殖和新陈代谢。 过高环境温度会造成蛋白质或核酸变性失活 过低环境温度会抑制酶活力，降低细胞新陈代谢活动。 应用: 高温灭菌，低温保藏菌种。
微生物的生长及影响因素
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一、微生物生长
个体生长: 细胞体积增大，重量增加。 个体生长→个体繁殖→群体生长 除了特定目标以外，在微生物研究和应用中提到“生长”，
均指群体生长。
微生物的生长及影响因素
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细菌繁殖方式
Binary fission-growth cycle
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单批培养与连续培养关系
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连续培养器类型
按控制方式分
内控制（控制菌体浓度）: 恒浊器 外控制（控制培养液续培养器 按培养器级数分
多级连续培养器
普通连续培养器 按细胞状态分
固定化细胞连续培养器
试验室科研用: 连续培养器 按用途分 发酵生产用: 连续发酵罐
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（3）培养温度影响
温度℃ 10 15 20 25 30
E.coli在不一样温度下代时
代时（分）
温度℃
860
35
120
40
90
45
40
47.5
29
代时（分） 22 17.5 20 77
微生物的生长及影响因素
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特征参数
繁殖代数 n: x2=x1·2n
微生物学课件第六章第二节微生物的生长规律
(三）稳定期
特点：
•活细胞总数维持不变，即新繁殖的细胞数与 衰亡的细胞数相等，菌体总数达到最高点。
•细胞生长速率为零
•细胞生理上处于衰老，代谢活力钝化，细胞 成分合成缓慢。
（一）多重环境因子影响微生物生长的规律
1、Liebig 最低浓度定律：即微生物总生物量由环境中满 足于微生物生长所需营养物质的最低浓度所决定。当环境 中某种营养物质被消耗饴尽或至一定浓度以下时，可使微 生物的生长停止，即使此时培养基中没有任何毒性物质存 在，而且其他营养物质仍很丰富，当添加少量这种营养物 质时则微生物的生长可以重新开始。
• ③ 用生活力旺盛的对数生长期细胞接种，可以 缩短延迟期，加速进入对数生长期。
• ④ 补充营养物，调节因生长而改变了环境 pH 、 氧化还原电位，排除培养环境中的有害代谢产物， 可延长对数生长期，提高培养液菌体浓度与有用 代谢产物的产量。
• ⑤ 对数生长期以菌体生长为主，稳定生长期以 代谢产物合成与积累为主。根据发酵目的的不同， 确定在微生物发酵的不同时期进行收获。
影响延滞期长短的因素与实践意义
• 接种龄:
对数期“种子”，延滞期较短
；
延滞期或衰亡期“种子”,延滞
期
较长；
• 接种量： 接种量大，延滞期较短；
接种量小，延滞期较长；
• 培养基成分:培养基成分丰富的， 延滞期较
短；
培养基成分与种子培养基一致,
影响指数期的因素
• 菌种： 不同菌种的代时差异极大 • 营养成分：营养越丰富，代时越短 • 营养物浓度：影响微生物的生长速率和总生长量 • 培养温度：影响微生物的生长速率
微生物的生长规律
Lactobacillus acidophilus
Milk
Rhizobium japonicum
Mannitol-salts-yeast extract
Mycobacterium tuberculosis
Synthetic
Treponema pallidum
Rabbit testes
Generation Time (minutes)
第二节 微生物的生长规律
一、微生物的个体生长和同步生长
由于微生物细胞极其微小，研究其个体生长存在着技 术上的困难。 •同步生长的概念：一个细胞群体中各个细胞都在同一 时间进行分裂的状态，称为同步生长（synchronous growth） ，进行同步分裂的细胞称为同步细胞。 •同步细胞群体在任何一时刻都处在细胞周期的同一相， 彼此间形态、生化特征都很一致，因而是细胞学、生 理学和生物化学等研究的良好材料
S. lactis
Salmonella typhi（伤寒沙门氏菌）
Azotobacter chroococcum（褐球固氮菌）
Mycobacterium tuberculosis（结核分枝杆 菌）
Nitrobacter agilis（活跃硝化杆菌）
培养基 肉汤 牛奶 肉汤或牛奶 组合 肉汤 肉汤 牛奶 牛奶 乳糖肉汤 肉汤 葡萄糖 组合
2.无分支单细胞微生物的群体生长 曲线
☆以细菌为例介绍无分支单细胞微生物群体生长规律， 其结论也基本适用于酵母菌。
☆生长曲线代表了细菌在新的环境中从开始生长、分裂 直至死亡的整个动态变化过程。
☆每种细菌都有各自的典型生长曲线，但它们的生长过 程却有着共同的规律性。一般可以将生长曲线划分为四 个时期。
★影响延迟期长短的因 素
微生物生理—微生物生长规律
一、生长与繁殖的概念
4、个体生长：微生物细胞个体吸收营养物质，进行新陈 代谢，原生质与细胞组分的增加为个体生长。
5、群体生长：群体中个体数目的增加。可以用重量、体 积、密度或浓度来衡量
群体生长 = 个体生长 + 个体繁殖
二、微生物的生长曲线
一条典型的生长曲线至少可以分为： 迟缓期，对数期，稳定期和衰亡期等四个生长时期
新的培养基，最终可全部死亡。此期细菌的菌体变形或 自溶，染色不典型，难以进行鉴定。
小结
1)生长与繁殖的概念：生长、繁殖、发育、 个体生长、群体生长
2)微生物的生长曲线：迟缓期、对数期、稳 缓期 是细菌植入到新环境后的一个适应阶段。此时菌
体增大，代谢活跃，合成并积累所需酶系统。RNA含 量明显增多，但DNA的量无变化，此时细菌数并不增 加。这一过程一般约需1~4 h。
二、微生物的生长曲线
2、对数期 细菌此时生长迅速，以恒定速度进行分裂繁殖，
活菌数以几何级数增长，达到顶峰，生长曲线接近一 条斜的直线。一般而言，该期的病原菌致病力最强， 其形态、染色特性及生理活性均较典型，对抗菌药物 等的作用较为敏感。大肠杆菌的对数期可持续6~10 h。
二、微生物的生长曲线
3、稳定期 此时因营养的消耗、代谢产物的蓄积等，细菌繁殖
速度下降，死亡数逐步上升，新繁殖的活菌数与死菌数 大致持平。该期细菌的形态及生理性状常有改变，革兰 氏阳性菌此时可染成阴性。毒素等代谢产物大多此时产 生。大肠杆菌的稳定期持续约8 h。
二、微生物的生长曲线
4、衰亡期 细菌开始大量死亡，死菌数超过活菌数。如不移植到
微生物的生长规律
主要内容
生长与繁殖的概念 微生物的生长曲线
一、生长与繁殖的概念
微生物的生长规律
（3）微生物的生长对环境pH值的影响
微生物在生长过程中，由于代谢作用，会产生酸性或 碱性的代谢物，从而改变培养基或周围环境的pH值。为了 避免pH值大幅度改变，而影响微生物生命活动的正常进行， 通常采用添加缓冲剂或加入不溶解的碳酸盐的方法。在中 性培养基内常加入磷酸盐缓冲剂；当培养物中产生大量酸 时，可在配制培养基时加入不溶性的碳酸盐。
三、连续培养
第二节 细菌的群体生长繁殖
二）恒化连续培养
使培养液流速保持不变，并使微生物始终在低于其最高 生长速率下进行生长繁殖。
三、连续培养
第二节 细菌的群体生长繁殖
通过控制流速可以得到生长速率不同但密度基本恒定的培养物 多用于科研 遗传学：突变株分离；
生理学：不同条件下的代谢变化； 生态学：模拟自然营养条件建立实验模型；
为什么氧气存在能够抑制甚至杀死厌氧菌？
氧气进入菌体后，能接受电子而产生不同还原性的氧 离子，如过氧离子、过氧化物自由基。
过氧化物自由基和过氧离子都是很强的氧化剂，对微 生物有毒，能氧化微生物过程中所必需的酶。好氧菌、兼 性需氧菌以及微量需氧菌体内含有过氧化物歧化酶（SOD) 和过氧化氢酶。这两种酶能将过氧化物自由基和过氧离子 还原成没有毒性的水分子，所以它们不会被氧气所杀死。 耐氧菌虽没有过氧化氢酶，但有过氧化物酶，能合成SOD， 而不会被氧毒害。
1、延滞期（或称延迟期、滞留适应期） 指少量微生物接种到新培养基中，在开始培养
的一段时间内细胞数目不增加的时期。 （1）原因：合成新的代谢酶类，适应新环境。 （2）影响延迟期长短的因素：
菌种、接种龄、接种量、培养基成分。
（3）特点： ① 群体生长速度近于零； ② 细胞重量增加，体积增大，但不分裂繁殖； ③ 细胞内的RNA特别是rRNA含量增高，原生质
微生物生长规律
④ 培养温度，在一定范围，生长速率与培养温度呈正相关。
（三）稳定期（ stationary phase）
稳定期
又称恒定期或最高生长期。其特点是生长速率常数R
等于0，即处于新繁殖的细胞数与衰亡的细胞数相等，或正生 长与负生长相等的动态平衡之中。
这时的菌体产量达到了最高点，而且菌体产量与营 养物质的消耗间呈现出一定的比例关系，这一关系就是
以培养时间为横座标
作图
以菌数为纵座标
得到的一条反映细菌在整个培养期间菌数变化规律的曲线！
延滞期
指数期
稳定期
衰亡期
根据微生物的生长速率常数（growthrateconstant），即
每小时的分裂次数（R）的不同，一般可把典型生长曲线粗分为
延滞期、指数期、稳定期和衰亡期等4个时期 。
稳定期
延滞期
指数期
长
期 以稳定期为主的代谢产物物尤其是生长限制因子的耗尽； ② 营养物的比例失调，例如C／N比值不合适等； ③ 酸、醇、毒素或H2O2等有害代谢产物的累积； ④ pH、氧化还原势等理化条件越来越不适宜等。
对生产实践的指导意义
以生产菌体或与菌体生长相平行的代谢产物（SCP、 乳酸等）为目的的某些发酵生产来说，稳定期是产物的
菌体培养密度
提
产物的比生产率
（单位体积单位时间内产物的产量）
重
高
“下游工程”（down-stream processing
要
）中分离、提取的效率
的
实
培养容器的体积
践
减 培养基的消耗
价
少 生产周期
值
设备投入
生产成本
高密度培养的具体方法：
（1）选取最佳培养基成分和各成分含量。 （2）补料，这是工程菌高密度培养的重要手段之一。 （3）提高溶解氧的浓度，提高好氧菌和兼性厌氧
微生物的生存环境和生长规律
微生物的生存环境和生长规律微生物，是指无法肉眼直接观察到的微小生物体，包括细菌、真菌、病毒等。
微生物在地球上生存了数十亿年，是地球生命进化史上最早的生物。
微生物活跃在地球的各个角落，从极寒的北极到火山喷发的区域，从河底深处到空气中，无处不在，形成了微生物的生态系统。
微生物也是自然循环中重要的组成部分之一，它们可以分解、利用有机物质，产生氧气和一些重要的化学物质。
微生物的生存环境微生物的生存环境主要包括温度、水分、pH、氧气和营养物质等要素。
1. 温度微生物对温度的要求比较严格，不同种类的微生物对温度的要求也不同。
一般来说，微生物可以分为以下几类：嗜寒菌（0℃-20℃）、中温菌（20℃-45℃）、嗜热菌（45℃-85℃）和超嗜热菌（>85℃）。
微生物的生长速率和代谢活动都与温度密切相关。
2. 水分水分对微生物生存也是极为重要的，水分不足或过多都会对微生物的生长产生影响。
水分过多会导致微生物无氧代谢，而水分过少会使微生物处于休眠状态。
3. pH微生物对酸碱度的适应性也较为具体。
酸性菌适应在酸性条件下（pH 2.0-5.5）生长，碱性菌适应在碱性条件下（pH 8.0-10.0）生长。
但有些微生物也可在广泛的酸碱度范围内存活。
4. 氧气氧气对微生物的生长也至关重要。
微生物主要分为需氧菌、厌氧菌和兼性厌氧菌三类。
需氧菌需要氧气才能进行呼吸作用，而厌氧菌则不能在含氧或氧气限制的环境下生长。
5. 营养物质微生物的生长还需要各种营养物质，包括有机化合物、氮、磷、钾等。
微生物需要通过利用这些元素来合成细胞物质，从而进行生长和繁殖。
微生物的生长规律微生物在特定的环境下会进行生长和繁殖，其生长规律一般包括潜伏期、对数生长期和稳态期。
微生物的生长速率和代谢活动随着生长规律的不同而各不相同。
1. 潜伏期潜伏期是微生物从营养环境中适应环境和利用营养物质的过程，也称增殖前期。
这个时期微生物的数量几乎不变，但对环境的适应和营养物质的利用能力得以增强。
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微生物的生长规律
微生物特别是单细胞微生物，体积很小，个体的生长很难测定，而且也没有什么实际应用价值。
因此，测定它们的生长不是依据细胞个体的大小，而是测定群体的增加量，即群体的生长。
以培养时间为横坐标，以细菌数目的对数或生长速度为纵坐标作图，所得到的曲线，称为微生物的生长曲线。
根据细菌生长繁殖速率的不同，可将生长曲线大致分为延迟期、对数期、调整期或滞留适应期。
一、延迟期
处于延迟期细菌细胞的特点可概括为8个字：分裂迟缓、代谢活跃。
细胞体积增长较快，尤其是长轴，在延迟期末，细胞平均长度比刚接种时大6倍以上；细胞中RNA
含量增高，原生质嗜碱性加强；对不良环境条件较敏感，对氧的吸收、二氧化碳的释放以及脱氨作用也很强，同时容易产生各种诱导酶等。
这些都说明细胞处于活跃生长中，只是细胞分裂延迟。
在此阶段后期，少数细胞开始分裂，曲线略有上升。
延迟期的长短与菌种的遗传性、菌龄以及移种前后所处的环境条件等因素有关，短的只需几分钟，长的可达几小时。
因此，深入了解延迟期产生的原因，采取缩短延迟期的措施，在发酵工业上具有十分重要的意义。
在生产实践中，通常采取的措施有增加接种量，在种子培养中加入发酵培养基的某些营养成分，采用最适种龄(即处于对数期的菌种)的健壮菌种接种以及选用繁殖快的菌种等措施，以缩短延迟期，加速发酵周期，提高设备利用率。
二、对数期
对数期又称指数期。
在此期中，细胞代谢活性最强，组成新细胞物质最快，所有分裂形成的新细胞都生活旺盛。
这一阶段的突出特点是细菌数以几何级数增加，代时稳定，细菌数目的增加与原生质总量的增加，与菌液混浊度的增加均呈正相关性。
这时，细菌纯培养的生长速率也就是群体生长的速率，可用代时(generation time)表示。
所谓代时，即单个细胞完成一次分裂所需的时间，亦即增加一代所需的时间(也叫增代时间或世代时间)。
在此阶段，由于代时稳定，因此，只要知道了对数期中任何两个时间的菌数，就可求出细菌的代时。
单细胞微生物，在对数期细胞数据按几何级数增加，1→2→4→8→……，若以乘方的形式表示，即20→21→22→23→2n。
很清楚，这里的指数"n"就是细菌分裂的次数或增殖的代数。
也就是1个细菌繁殖"n"代产生了2n个细菌。
如果在时间t
时菌数为x，
经过一段时间，到t
1
时，繁殖"n"代后，菌数为y则代时(G)可以下式表示：例如，设大肠杆菌在接种时的细胞浓度为100/个ml，经400分钟的培养，细胞浓度增至10ml，求该菌的世代时间和繁殖代数。
根据公式G=t
1-t
/3.3(lgy-lgx)
t
为接种的时间x=100
t
1
为培养时间(400分钟)
y=1，000，000，000
n=3.3(lg109-lg102)=3.3×7=23.1
代入上式G=400/23.1=17.3
即在上述培养物中，大肠杆菌的代时为17.3分钟，400分钟内共繁殖了23.1代。
不同的细菌，其对数期的代时不同，同一种细菌，由于培养基组成和物理条件的影响，如培养温度、培养基pH、营养物的性质等，代时也不相同。
但是，在一定条件下，各种菌的代时又是相对稳定的，多数种为20-30分钟，有的长达33小时，而有的繁殖极快，增代时间只9.8分左右。
表6-4示不同细菌的代时。
三、稳定期
又称恒定期或最高生长期。
处于稳定期的微生物，新增殖的细胞数与老细胞的死亡数几乎相等，整个培养物中二者处于动态平衡，此时生长速度，又逐渐趋向零。
此阶段初期，细菌分裂的间隔时间开始延长，曲线上升逐渐缓慢。
随后，部分细胞停止分裂，少数细胞开始死亡，致使细胞的新生与死亡速率处于动态平衡。
这时培养物中细胞总数达到最高水平，接着死亡细胞数大大超过新增殖细胞数，曲线出现下降趋势。
稳定期的细胞内开始积累贮藏物，如肝糖、异染颗粒、脂肪粒等，大多数芽孢细菌也在此阶段形成芽孢。
如果为了获得大量菌体，就应在此阶段收获，因这时细胞总数量最高；这一时期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。
可以看出，稳定期的微生物，在数量上的达到了最高水平，产物的积累也达到了高峰，此时，菌体的总产量与所消耗的营养物质之间存在着一定关系，这种关系，生产上称为产量常数，可用下式表示：
γ=菌体总生长量/消耗营养物质总量式中γ值的大小可说明该种细菌同化效率的高低。
根据这一原理，可用适当的微生物作为指示，对维生素、氨基酸或核苷酸等进行定量的生物测定。
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、调节pH、调整温度等措施，延长稳定期，以积累更多的代谢产物。
四、衰亡期
稳定期后如再继续培养，细菌死亡率逐渐增加，以致死亡数大大超过新生数，群体中活菌数目急剧下降，出现了"负生长"，此阶段叫衰亡期。
这一阶段的细胞，有的开始自溶，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。
菌体细胞也呈现多种形态，有时产生畸形，细胞大小悬殊，有的细胞内多液泡，革兰氏染色反应的阳性菌变成阴性反应等。