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1、2014-9-181环境微生物学第五章 微生物的生长 繁殖与生存因子? 1.微生物的生长繁殖，生长曲线，代时和代时的计算，活性污泥 的生长曲线及应用。微生物的各种培养特征、微生物的测定方法： 着重活细菌数的测定。?2.生存因子：温度、溶解氧、pH、渗透压、氧化还原电位、正面 生物效应的太阳辐射。内容提示生物效应的太阳辐射。?3.有害环境因子：极端温度、极端pH、紫外辐射、?高盐、重金属、超声波、几种有机物、抗生素对微生物的破坏。?4.微生物之间的关系。第一节 微生物的生长繁殖第二节 微生物的生存因子第三节 其他不利环境因子对微生物的影响第四节 微生物与微生物之间的关系第五节 菌种的退化、复壮与
2、保藏第一节 微生物的生长繁殖一、 生物的生长繁殖的概念生长：微生物在适宜的环境条件下，不断吸收营养物质，进行新陈代 谢活动。当同化作用大于异化作用，微生物的细胞质量不断迅速增长， 这叫生长。繁殖：当单细胞个体生长到一定程度时，由一个亲代细胞分裂为两个 大小、形状与亲代细胞相似的子代细胞，使得个体数目增加，这是单细 胞微生物的繁殖（称为裂殖）。发育：微生物的生长与繁殖是交替进行的，从生长到繁殖这个由量变 到质变的过程。一、 生物的生长繁殖的概念代时(世代时间)代时：细菌两次细胞分裂之间的时间。在这期间，包括细胞核物质和细胞质加倍增长，两者平均分配到两个新 细胞中。每一种微生物的代时由它的遗传性决
3、定，在一定的培养条件(如 营养组成、pH、温度和通气等)下形成；当环境条件发生改变，其代时营养组成、pH、温度和通气等)下形成；当环境条件发生改变，其代时 也会改变。?一种微生物在实验室的培养条件下与在自然条件下或在污水、有机固 体废物生物处理构筑物中的代时不同。?在相同培养条件下，营养成分不同，代时会不同。例如：大肠杆菌在37的肉汤培养基中培养时，代时为15min；在相同温度的牛 乳培养基中培养时，代时为12.5min。微生物代时/h普通变形杆菌（Proteusvulgaris） 大肠埃希氏菌（Echerichia coli） 产气气杆菌（Aerobacteraerogenes ） 沙门氏杆
4、菌（Salmonellatyphi） 肺炎链球菌型（Streptococcus pneumoniae,type） 丁酸梭菌（Clostridiumbutyricum） 枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis） 铜绿假单胞菌（Pseudomonasaeruginosa ） 深红红螺菌（ Rhodospirillumrubrum ）0.35 0.28 0.29 0.39 0.34 0.85 0.43 0.58 5表5-1 各种微生物的代时p 三叶草根瘤菌（Rhizobiumtrifolii） 大豆根瘤菌（Rhizobiumjaponicum） 啤酒酵母（Saccharomycescere
5、visiae） 大草履虫（Parameciumcaudalum） 天蓝喇叭虫(Stentorcoeruleus) 四膜虫（Tetrahymenageleil） 筒孢蓝细菌(Cylindrospermum) 纤细裸藻(Euglenagracilis Klebs) 三角角藻(Ceratiumtripos) 四尾栅藻(Scenedesmus quadricauda) 蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidesa) 美丽星杆藻(Asterionella formosaHass1.682.9 5.77.7 2 10.3 32 2.24.2 10.6 10.9 82.8 5.9 7.75 9.6
6、2014-9-182多细胞微生物的生长：多细胞微生物的生长：多细胞微生物的生长只是细胞数目增加，不伴随 个体数目增加。多细胞微生物的繁殖：多细胞微生物的繁殖：不但细胞数目增加，个体数目也增加，则称为多 细胞微生物繁殖。不同种的微生物其生长繁殖速度不同,其代时不同。不同种的微生物其生长繁殖速度不同,其代时不同。原核微生物的生长速度快于真核微生物，例如，大肠杆菌（原核）的代 时（为17min左右）快于天蓝喇叭虫（真核）代时（32h）。专性厌氧菌的代时长于好氧菌的，嗜树甲烷杆菌(Methanobacterium arbophilicum) 的代时为67 h。二氧化碳还原菌的代时为2d。索氏甲烷杆 菌
7、(Methanobacterium sehngenii)在33培养时平均代时为3.4d。二、研究微生物生长的方法微生物的生长可分为个体微生物生长和群体微生物生长。由于微生物个体很小，研究它们的生长有困难。所长。由于微生物个体很小，研究它们的生长有困难。所以，多数通过培养研究其群体生长。二、研究微生物生长的方法(一)分批培养?分批培养是将一定量的微生物接种在一个封闭的、盛有一定体积液体 培养基的容器内，保持一定的温度、pH和溶解氧量，微生物在其中生长 繁殖，结果出现微生物的数量由少变多，达到高峰后又由多变少，甚至 死亡的变化规律。?细菌的生长曲线：将少量细菌接种到一种新鲜的、定量的液体培养基?细
8、菌的生长曲线：将少量细菌接种到一种新鲜的、定量的液体培养基 中进行分批培养，定时取样(例如，每2h取样1次)计数。以细菌个数或细 菌数的对数或细菌的干重为纵坐标，以培养时间为横坐标，在坐标系上 各点连接成一条曲线，即细菌的生长曲线。?细菌的生长曲线反映微生物的数量由少变多，达到高峰后又由多变少 ，到死亡的变化规律。细菌的生长曲线图备注： 停滞期 加速期 对数期 减速期 静止期 衰亡期细菌的生长曲线细菌的生长繁殖期可细分为6个时期： 停滞期(或称适应期、迟滞期) 加速期 对数期 减速期 静止期 衰亡期由于加速期和减速期都历时很短，可 把加速期并入停滞期，把减速期并入静 止期。因此，细菌的生长繁殖
9、可粗分为 4个时期。 各种微生物的生长速率不一，各有自 己的生长曲线，但曲线的形状基本相同。细菌的生长曲线? 污(废)水生物处理中混合生长的活性污泥微生物也 有形状类似的生长曲线。? 细菌质量的变化比个数的变化更能在本质上反映生 长的过程，因为细菌个数的变化只反映了细菌分裂长的过程，因为细菌个数的变化只反映了细菌分裂 的数目，质量则包括细菌个数的增加和每个菌体细 胞物质的增长。2014-9-1831. 停滞期停滞期，即迟滞期或是适应期。?将少量细菌接种到某一种培养基中，细菌经一段适应期才能 在新的培养基中生长繁殖，在初始阶段，有的细菌产生适应酶 ，细胞物质开始增加，细菌总数尚未增加；有的细菌不
10、适应新 环境而死亡，故细菌数有所减少。?适应者便开始细胞分裂，进入加速期。?此时，细菌的生长繁殖速度逐渐加快，细菌总数有所增加。影响细菌停滞期的因素：不同种细菌的停滞期长短不同。促使细菌停滞期改变的因素： 接种量：大，停滞期短。 接种群体菌龄：对数期的细菌接种到新鲜、成分相同的培 养基中，不出现停滞期接种量，以相同速率继续生长。处于静止期 或衰亡期的细菌接种到不同成分的培养基中，其停滞期相应延长。 即使接种在相同成分培养基中也比接种处于对数期细菌的长。因为 静止期或衰亡期的细菌已耗尽了各种必要的辅酶或细胞成分（或因静止期或衰亡期的细菌已耗尽了各种必要的辅酶或细胞成分（或因 受代谢产物过多积累而
11、中毒），需要时间合成新的细胞物质，需要 时间修补损伤。 营养：一个群体从丰富培养基中转接到贫乏培养基中也出现 停滞期。因为细菌在丰富的培养基中可直接利用其中各种成分；而 在贫乏培养基中，细菌需要产生新的酶类以便合成所缺少的营养成 分。综上所述：接种量适中，群体菌龄处于对数期，营养和环境条件均 适宜，细菌的停滞期就短，代时短的细菌其停滞期也短。停滞期细菌细胞的特征?停滞期初期，一部分细菌适应环境，另一部分死亡，细菌 总数下降。?停滞期的末期，存活细菌的细胞物质增加，菌体体积增大 ，其长轴的增长速度特别快(例如，处于停滞期末期的巨大芽孢杆，其长轴的增长速度特别快(例如，处于停滞期末期的巨大芽孢杆
12、菌细胞平均长度为刚接种时的6倍)。细胞代谢活力强，细胞中 RNA含量高、嗜碱性强，对不良环境条件较敏感，其呼吸速率、 核酸及蛋白质的合成速率接近对数期细胞，并开始细胞分裂。2. 对数期(又叫指数期)?继停滞期的末期，细菌的生长速率增至最大，细菌数以几何级 数增加。当细菌总数与时间的关系在坐标系上成直线关系时， 细菌即进入对数期。?对数期细胞个数按几何级数增加：l 2 4 8 16 32 。即20 21 22 23 242n。指数n为细菌分裂的次。即20 21 22 23 24 2n。指数n为细菌分裂的次 数或增殖的代数。一个细菌繁殖n代后产生2n个细菌。如果知道t0 时细菌数为N0 ，经过一段
13、时间到tx时，繁殖n代后的细菌数Nx N0 2n，可通过下式求出细菌的代时(G )：细菌代时数的计算式中：n为繁殖的代数； N0为对数期开始(t0)时细菌数，CFU/mL； Nx为对数期后期(tx)时的细菌数，CFU/mL代时G 的计算要求某种细菌的代时（世代时间）G，先要测定该种细菌原始的细 菌数，假设t0时的原始细菌总数为103CFU/mL，将它置于适当的温 度条件下培养10h后，再测得tx=10h的细菌总数为109 CFU/mL，用 下式计算G 。由计算得知：繁殖一代细菌需要30min的时间。2014-9-184通过平均生长速率常数(k )计算代时(G )由此可知，平均代时G（即平均倍增
14、时间）是平均 生长速率常数k的倒数。通过平均生长速率常数(k)计算出代时(G)平均代时数可根据(5-4)式计算生长速率常数k，再求出代时数 G 。例如，某细菌经过培养10h后，细菌总数由t0 时的103 CFU/mL增加到tx=10h的109CFU/mL，求出代时数G是：细菌繁殖一代的时间是30min。表5-2 细菌群体的指数（对数）生长（假设起始细胞为1，代时数为30min)时间/h分裂次数2n细胞数( N02n )细胞数lgNx0 0.5 1 1.5 2 2.5 30 1 2 3 4 5 620=1 21=2 22=4 23=8 24=16 25=32 26=641 2 4 8 16 32
15、 640.000 0.301 0.602 0.903 1.204 1.505 1.806由表5.2可知：一个代时为30min的细菌繁殖10代后，其细菌总数为 1.1106 CFU/mL。3.5 4 4.5 5 7 8 9 10 27=128 28=256 29=512 210=1 024 128 256 512 1 024 2.107 2.408 2.709 3.010 1020220=1 048 5761 048 5766.021?对数期的细菌得到丰富的营养，代谢活力最强，合成新细 胞物质的速率最快，细菌生长旺盛。此时的细菌数以几何级 数增加，细胞分裂一次的时间间隔最短。?在单位时间内细胞分
16、裂次数越多，分裂速率越快，代时G对数期细菌的特征在单位时间内细胞分裂次数越多，分裂速率越快，代时 越小。?细菌细胞质的合成速率与活菌数的增加速率一致，细菌总 数的增加率和活菌数的增加率一致，细菌对不良环境因素的 抵抗力强，细菌很少死亡或不死亡。对数期细菌的特征?由于营养物质足以供给合成细胞物质用，有毒的代谢产物积累 不多，对生长繁殖影响极小，此时将对数期的细菌接种到新配制 的、成分相同的培养基中，则细菌不需经过停滞期就进入对数生 长，大量繁殖。要维持对数生长，需定时、定量地加入营养物， 同时排除代谢产物，或改用连续培养。就可在最短的时间内得到 最大的细菌量。?对数期的细菌不但代谢活力强，生长速率快，群体中的细胞化 学组分及形态、生理特性都比较一致。?教学实验一般用对数期细胞作实验材料，发酵工业用对数期细 胞作菌种。3. 静止期?由于处于对数期的细菌生长繁殖迅速，消耗了大量营养物质， 致使一定容积的培养基浓度降低。同时，代
