微生物生长及控制课件

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1、,第4章 微生物的生长,4.1 微生物生长的概念 生长：微生物个体重量的增加和体积增 大的现象。 繁殖：单细胞生物细胞数目的增多；多细胞生物通过形成有性、无性孢子使个体数目增多.,生长是一个逐步发生的量变过程； 繁殖是一个产生新的生命个体的质变过程。,生长、繁殖就是保证微生物获得巨大数量 的必要前提，没有一定的数量就等于没有 微生物的存在。 微生物生长一般指群体生长 群体生长=个体生长+个体繁殖 “以数取胜”或“以量取胜”,一个微生物细胞,合适的外界条件，吸收营养物质，进行代谢。,如果同化作用的速度超过了异化作用,个体的总量（重量、体积、大小）就不断增加。,如果各细胞组分是按恰当的比例增长时，

2、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,4.2 微生物生长量的测定,4.2.1 测生长量：适合于所有的微生物 一、直接法 测体积（在刻度离心管中测沉降量） 称干重 （1012细菌细胞约1g，只适合菌体浓度较高且不含杂质的样品） 菌体内重要组成测定法,含N量法,DNA/RNA法,叶绿素法,测体积:在刻度离心管中测沉降量.,11,二、间接法 比浊法 ： 用光密度（OD450-650nm ）表示菌悬液的浓度 测含氮量 生理指标法 测含碳量 其它,比浊法:分光光度法,测浊度,4.2.2 计数法,比例计数法 血球计数法,直接法 间接法,液体稀释法 平板

3、菌落计数法,(用计数板在显微镜下观察计数),适合于单细胞微生物,直接法：计数法,（如：血球计数板法、细胞计数板） 缺点：死活细胞都有 用染色剂可区别死活 酵母用美蓝 细菌用丫叮橙（紫外光）,间接法：液体稀释法,一些厌氧菌在普通平板生长不好，可以用液体稀释法 ，液体样品10极差稀释,间接法：平板菌落计数法（活菌）,好氧菌使用较好 操作同稀释分离过程 计数结果比直接计数低 操作烦琐,水中微生物测定,4.3 微生物的群体生长规律,4.3.1 单细胞微生物的典型生长曲线 4.3.2 微生物的连续培养 4.3.3 同步生长,4.3.1 单细胞微生物的典型生长曲线,单细胞微生物主要包括细菌和酵母菌 其群体

4、生长是以群体中细胞数量的增加来表示的,典型生长曲线,典型生长曲线： 少量菌种接种到一恒定容积的液体培养基中，提供最适培养条件培养，定时测定培养液中的细胞数，以培养时间为横座标，以细胞数的对数或生长速率为纵座标作图 。,典型指它只适合单细胞微生物,一条典型的生长曲线至少可以分为： 延滞期，对数期，稳定期和衰亡期等四个生长时期,根据微生物的生长速率常数, 即每小时的分裂代数（R）的不同。,典型生长曲线,延滞期,指数期,衰亡期,稳定期,1、延滞期(lag phase),（缓慢期、停滞期、调整期、适应期） 1）现象： 活菌数没增加， 曲线平行于横轴,2）出现延滞期的原因,把细菌接种到新鲜的培养基中培养

5、时，并不立即进行分裂繁殖，细菌增殖数为，这时需要合成多种酶，辅酶和某些中间代谢产物，要经过一个调整和适应过程 。,3）生理特性,分裂迟缓，代谢活跃 （1）生长速率常数等于零（R=0）。 （2）菌体内物质的重量明显增加，菌体体积增大，杆菌明显伸长。 （3）含量增加 （4）代谢机能活跃，易产生大量的诱导酶 （5）延滞期末期和对数期前期的细胞，对不良条件的抵抗力减低。,4）影响延滞期长短的因素,（1）菌种本身（代时短，延滞期短 ） 细菌、酵母菌的延滞期较短 霉菌次之 放线菌最长 （2）接种龄 即“种子”的群体生长年龄，即处在生长曲线上的哪一个阶段，这是一种生理年龄。,（3）接种量： 一般接种量大，则

6、延滞期短。 发酵工业上一般采用1/10的接种量 （4）培养基成分：接种到营养丰富的天然培养基中的微生物延滞期短。,5）缩短延滞期的意义和方法,在发酵工业上需设法尽量缩短延迟期 接种对数生长期的菌种，采用最适菌龄 加大接种量 用与培养菌种相同组分的培养基 选用繁殖快的菌种 在食品工业上，尽量在此期进行消毒或灭菌,2、指数期（对数期）,1）现象：细胞数目以几何级数增加，其对数与时间呈直线关系。 2）生理特性： R最大，G（代时）最短 细胞代谢活动比较稳定，菌体内各种成分最均匀，生理特性较一致。 酶活力最高，酶系活跃，代谢旺盛 活菌数几乎接近于总菌数,指数期的细胞是进行生理、代谢、遗传等研究的最好材

7、料。,3）指数期细胞高速生长的原因： 细胞完成生理调整，基质营养和环境适宜 ，且代谢产物还不足以影响生长。 4）影响指数期长短的因素： 菌种 营养成分 营养物浓度 培养温度,营养物浓度与对数期生长速率和产量的影响,作用方式：影响微生物的生长速率和总生长量 生长限制因子：凡是处于较低浓度范围内，可影响生长速率和菌体产量的营养物,5）应用意义：,由于此时期的菌种比较健壮，生产上用作接种的最佳菌龄； 发酵工业上尽量延长该期，以达到较高的菌体密度 食品工业上尽量使有害微生物不能进入此期 是生理代谢及遗传研究或进行染色、形态观察等的良好材料。,3、稳定期(平衡期),1）生理特性： （1）R=0，即新繁殖

8、的细胞数等于衰亡的细胞数 （2）细胞质内开始积累细胞贮存物。多数产芽孢菌在此期产生芽孢。 （3）产生更多的代谢产物。放线菌的抗生素在此阶段大量形成。 （4）如果要收获菌体，应在此阶段收获，因此阶段菌体细胞数量最多。,2）出现稳定期的原因：,营养的消耗 营养物比例失调 有害代谢产物积累 pH值等理化条件不适,3）应用意义：,发酵生产形成的重要时期（抗生素、氨基酸等），生产上应尽量延长此期，提高产量，措施如下： 补充营养物质（补料） 调pH 调整温度 稳定期细胞数目及产物积累达到最高。,4、衰亡期,1）生理特点： R0，活菌数明显下降。 因细胞本身所产生的酶和代谢产物的作用，而使菌体分解死亡 ，有

9、的开始自溶。 有些微生物产生或释放对人类有用的抗生素，氨基酸等次级代谢产物。芽孢开始释放。 细胞出现多形态,大小不等的畸形,变成衰退型。,2）原因： 菌体老化、生长环境进一步恶化 3）影响因素 环境不利，分解代谢速度合成速度；低温、隔绝空气（对好氧菌）均能延长此时期。,4.3.2 微生物的连续培养,连续培养又称开放培养，是相对于上述绘制典型生长曲线时所采用的那种单批培养或密闭培养而言的。 原理：通过认识稳 定期的到来，并采取 相应的有效措施： 反“稳定期”的到来。,一、定义： 连续培养指在微生物培养的过程中，不断地供给新鲜的营养物质，同时排除死菌体及代谢产物的发酵液，让培养的微生物长时间地处于

10、对数生长期，以利于微生物的增殖速度和代谢活性处于某种稳定状态。,连续培养是在研究生长曲线的基础上，通过认识稳定期到来的原因，并采取有效措施而实现的。,一方面，以一定速度连续流进新鲜培养基，并立即搅拌均匀。,另一方面，利用溢流的方式，以同样的流速不断流出培养物。,动态平衡,实现微生物连续培养的基本原则。,二、连续培养优缺点,1、优点： 1)高效：简化了操作 2)自控：便于各种仪表进行自动控制 3)产品质量稳定： 4)节约大量动力、人力、水和蒸汽,2、缺点： 1)菌种易于退化； 2)易于遭到杂菌污染； 3)营养物利用率低于单批培养。 连续发酵，一般只能维持数月 1年。,三、连续培养的应用：连续发酵

11、,酵母菌体的生产：单细胞蛋白SCP 乙醇、乳酸、丙酮、丁醇生产 石油脱蜡（解脂假丝酵母）、污水处理,四、连续培养的分类,按控制方式 恒浊器（控制菌体密度内控制） 恒化器（培养液流速外控制） 按培养器的级数 单级 多级 按细胞状态 一般 固定化细胞 按用途 连续培养器（实验室） 发酵罐（工厂）,实现连续培养的方法,恒浊法：其原理是根据培养容器内微生物的生长密度，用光电系统来检测培养液的浊度，并进行控制的培养方法。 恒化法：使培养液流速保持不变，微生物始终在低于最高生长速率条件下进行生长繁殖的培养方法，主要用于实验室的科学研究中,恒浊器与恒化器的比较,44,恒化器结构示意图,同步生长：一个细胞群体

12、中各个细胞都在同一时间进行分裂的状态。 同步细胞：进行同步分裂的细胞。 意义：同步细胞群体任何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。,4.3.3 同步生长,时间,同步生长和非同步生长,同步培养的方法,1. 选择法 离心沉降分离法： 过滤分离法： 硝酸纤维素薄膜法： 2.诱导法 温度调整法 营养条件调整法 用最稳定期的培养物接种,由于细胞个体间存在着差异，同步生长只能维持1至2代，不能长久维持。,18,4.4 环境因素对微生物生长的影响,微生物的一切生命活动都离不开环境，同一种微生物在不同的环境中会有不同的表现。 环境因子对微生

13、物的影响大致有三种情况： 1.适应的环境：微生物能正常进行生命活动 2.不适应的环境：微生物在这种环境中生命活动受抑制或被迫暂时改变原有的特性。 3.恶劣环境：微生物死亡或发生遗传变异。,影响微生物生长的物理化学因素,物理因素：温度、水分、辐射、气体、压力、超声波 化学因素：酸、碱、氧化还原电位、化学药物等 生物因素：寄生、互生、共生、拮抗等,有害微生物的控制,防腐、消毒、灭菌,1、防腐： 利用理化因素完全抑制霉腐微生物的生长繁殖，从而达到防止物品发生霉腐的措施，称为防腐。 2、消毒：采用较温和的理化因素，仅杀死物体表面或内部的一部分对人体有害的病原菌，而对被处理物体基本无害的措施，称为消毒。

14、,3、灭菌（sterilization） 采用强烈的理化因素使任何物体内外部的一切微生物永远丧失其生长繁殖能力的措施，称为灭菌。,4.4.1 温度,由于微生物的生命活动是由一系列生物化学反应组成的， 而这些反应受温度的影响极为明显。,温度是影响微生物生长的最重要的因素之一,1、微生物三种温度类型,微生物生长的温度范围一般在-10 -100 极端下限为-30 ，极端上限105-300 对于特定微生物，只能在一定温度范围内生长，在这个范围内，每种微生物都有自己的生长温度三基点: 即最低、最适、最高生长温度,为什么最适温度不在最低与最高温度的中点？,根据微生物的最适生长温度的不同，可将微生物划为三个类型 低温型微生物（嗜冷微生物） 中温型微生物（嗜温微生物） 高温型微生物（嗜热微生物）,2、温度对微生物生长的影响机理,影响酶活性。 影响细胞膜的流动性。温度高，流动性大，有利于物质的运输。 影响物质的溶解度。,1）低温对微生物的影响,微生物对低温的敏感性较差 低温时 低温不能作为杀菌的手段。 低温可以保存菌种。低温抑制生长；当温度升高时，抑制又可解除，功能又可恢复。,生长少数嗜冷菌 抑制大多数微生物 呈休眠状态 死亡少部分,