06 第六章 微生物的生长繁殖及其控制.ppt

第1页：微生物的生长繁殖及其控制

第六章微生物的生长繁殖及其控制

第2页：生长与繁殖的概念

• 生长：生物个体物质有规律地、不可逆增加，导致个体体积扩大的生物学过程。
• 繁殖：生物个体生长到一定阶段，通过特定方式产生新的生命个体，即引起生命个体数量增加的生物学过程。
• 在高等生物里这两个过程可以明显分开，但在低等特别是在单细胞的生物里，由于细胞小，这两个过程是紧密联系又很难划分的过程。微生物生长:在一定时间和条件下细胞数量的增加（微生物群体生长）

第3页：细菌的个体生长

• 细菌的个体生长
• 细菌的个体生长包括细胞结构的复制与再生、细胞的分裂与控制。一、染色体DNA的复制与分离二、细胞壁的扩增三、细菌的分裂与调解

第4页：细菌繁殖示意图

细菌繁殖示意图

第5页：细菌的群体生长繁殖

第二节细菌的群体生长繁殖一、细菌群体生长的规律把少量纯种单细胞微生物接种到恒容积的液体培养基中后，在适宜的条件下【温度、通气（厌氧菌则不通气）等】培养，它们的群体就会有规律地生长起来。如以细胞数目的对数值作纵坐标，以培养时间作横坐标，就可以画出一条有规律的曲线，这就是微生物的典型生长曲线.

第6页：细菌生长曲线图

细菌生长曲线图

第7页：细菌群体生长的规律

一、细菌群体生长的规律一般可把典型生长曲线粗分为延滞期、指数期、稳定期和衰亡期等四个时期。

第8页：稳定期对数期迟缓期衰亡期

稳定期对数期迟缓期衰亡期

第9页：细菌群体生长的规律

一、细菌群体生长的规律1、延滞期分裂迟缓,代谢活跃1）特点:①生长速率常数等于零②细胞形态变大③细胞内RNA尤其是rRNA含量增高④合成代谢活跃，核糖体、酶类和ATP合成加快⑤对外界不良条件，如盐浓度、温度和抗生素等化学药物的反应敏感

第10页：影响延滞期长短的因素

• 影响延滞期长短的因素:(1)菌种特性(2)接种龄即“种子”的群体生长年龄，亦即它处在生长曲线上的哪一阶段。实验证明，如果以对数期接种龄的“种子”接种，则子代培养物的延滞期就短；
• 反之，如以延滞期或衰亡期的“种子”接种，则子代培养物的延滞期就长；

第11页：接种量的影响

（3）接种量接种量的大小明显影响延滞期的长短。一般说来，接种量大，则延滞期短，反之则长。（4）培养基成分接种到营养丰富的天然培养基中的微生物，要比接种到营养单调的组合培养基中的延滞期短。所以，在发酵生产中，常使发酵培养基的成分与原培养基的成分尽量接近。

第12页：缩短迟缓期的措施①通过遗传

• 缩短迟缓期的措施①通过遗传学方法改变种的遗传特性；
• 利用对数生长期的细胞作为“种子”；
• 尽量使接种前后所使用的培养基组成差别不大；
• 适当扩大接种量；

第13页：细菌群体生长的规律

• 细菌群体生长的规律2、对数生长期菌体数目按几何级增加
• 特点: ①生长速率最大②细胞进行平衡生长，菌体内各种成分最为均匀③酶系活跃，代谢旺盛

第14页：应用:指数期的微生物群体

应用

指数期的微生物群体的生理特性较一致，细胞成分平衡发展，生长速率恒定，故①为代谢、生理等研究的良好材料，②增殖噬菌体的最适宿主菌龄，③发酵生产中用作“种子”的最佳种龄。

第15页：细菌群体生长的规律

• 细菌群体生长的规律3、稳定生长期菌体产量达到了最高点。
• 特点:①生长速率常数等于0②细胞开始贮存糖原、异染颗粒和脂肪等贮藏物③多数芽孢杆菌在这时开始形成芽孢④有的微生物在稳定期时还开始合成抗生素等次级代谢产物

第16页：稳定期到来的原因

稳定期到来的原因

①营养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④pH、氧化还原势等物化条件越来越不适宜

第17页：细菌群体生长的规律

应用

稳定期是以生产菌体或与菌体生长相平行的代谢产物，例如单细胞蛋白、乳酸等为目的的一些发酵生产的最佳收获期此外，由于对稳定期到来的原因进行研究，还促进了连续培养技术的设计和研究。

第18页：衰亡期

一、细菌群体生长的规律4、衰亡期整个群体呈现负生长特点:①个体死亡速度超过新生速度②细胞形态多样,部分自溶③产生或释放抗生素等次生代谢产物；芽孢释放

第19页：细菌群体生长的规律

一、细菌群体生长的规4、衰亡期产生衰亡期的原因主要是外界环境对生长越来越不利，从而引起细胞内的分解代谢大大超过合成代谢，继而导致菌体死亡。

第20页：细菌的群体生长繁殖

• 细菌的群体生长繁殖二、生长的数学模型
• 对数生长期中微生物生长是平衡生长，即微生物细胞数量呈对数增加和细胞各成分按比例增加。
• 对数生长期中微生物的生长可用数学模型表示：
• N：每毫升培养液中细胞的数量；
• t: 培养时间（h)；
• μ ：比生长速率，即每单位数量的细菌或物质在单位时间内增加的量；dt—＝μNdN

第21页：生长的数学模型

—＝μNdN对进行积分，得

lnNt -lnN0＝μ（t1–t0)将上式转换成以10为底的对数：μ（t1–t0)lgNt–lgN0= ——————2.303dt

第22页：个体生长中，细菌分裂繁殖

• 个体生长中，细菌分裂繁殖一代所需时间称代时；
• 群体生长里，细菌数量增加一倍所需时间称倍增时间；以G表示；∵G = t -t0Nt=2N0 lnNt -lnN0＝μ（t1–t0)∴G =---------------= -----= --------lnNt-lnN0μμln2μ0.693

第23页：代时

代时在微生物中变化很大，一般1小时左右，但生长快的微生物在条件适宜的情况下不到10分钟。

第24页：主要生长参数

三、主要生长参数1、迟缓时间

微生物在生长过程中，在实际条件下达到对数生长期所需时间与理想条件（无迟缓期）下达到对数生长期所需时间之差；2、总生长量：在某一时间里，通过培养所获得的微生物总量与原来接种的微生物量之差值。产量常数K = ----------------3、莫诺经验公式μ＝μm ( ------)SKS+S总生长量所消耗基质总量

第25页：同步培养

• 同步培养
• 同步培养：使群体中的细胞生长发育均处于同一阶段上，即大多数细胞能同时进行生长或分裂的培养方法。
• 同步生长：以同步培养方法使群体细胞能处于同一生长阶段，并同时进行分裂的生长。
• 通过同步培养方法获得的细胞被称为同步细胞或同步培养物；
• 同步培养物常被用来研究在单个细胞上难以研究的生理与遗传特性和作为工业发酵的‘种子’，是一种理想的材料。

第26页：同步培养机械方法离心方法

二、同步培养机械方法离心方法过滤分离法硝酸纤维素滤膜法环境条件控制技术温度培养基成份控制其他（如光照和黑暗交替培养、芽孢培养）

第27页：细菌的群体生长繁殖

第二节细菌的群体生长繁殖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。

第28页：连续培养

• 连续培养
• 连续培养(Continous culture ）：在微生物的整个培养期间，通过一定的方式使微生物能以恒定的比生长速率生长并能持续生长下去的一种培养方法。
• 培养过程中不断的补充营养物质和以同样的速率移出培养物是实现微生物连续培养的基本原则。

第29页：连续培养控制连续培养的方法

五、连续培养控制连续培养的方法恒浊连续培养不断调节流速而使细菌培养液浊度保持恒定恒化连续培养保持恒定的流速

第30页：连续培养

• 连续培养（一）恒浊连续培养测定所培养微生物的光密度值自动调节新鲜培养基流入和培养物流出培养室的流速使培养物维持在某一恒定浊度当培养室中的浊度超过预期数值时，流速加快，使浊度降低；
• 当培养室中的浊度低于预期数值时，流速减慢，使浊度升高；
• 恒浊培养器的工作精度是由光电控制系统的灵敏度来决定的如果所用培养基中有过量的必需营养物，就可以使菌体维持最高的生长速率。；

第31页：一般用于菌体以及与菌体生长

• 一般用于菌体以及与菌体生长平行的代谢产物生产的发酵工业（连续发酵）连续发酵与单批发酵相比的优点：缩短发酵周期，提高设备利用率；
• 便于自动控制；
• 降低动力消耗及体力劳动强度；
• 产品质量较稳定；
• 缺点：杂菌污染和菌种退化；

第32页：连续培养

五、连续培养（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。

第33页：恒化连续培养

• 恒化连续培养中，必需将某种必需的营养物质控制在较低的浓度，以作为限制性因子，而其他营养物均过量。（菌的生长速率取决于限制性因子的浓度，并低于最高生长速率）限制性因子必须是机体生长所必需的营养物质，因而可在一定浓度范围内能决定该机体生长速率。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；

第34页：真菌的生长与繁殖

第三节真菌的生长与繁殖一、丝状真菌的生长繁殖1、断裂繁殖2、无性孢子繁殖3、有性孢子繁殖4、丝状真菌的生活史

第35页：丝状真菌的生长繁殖

• 丝状真菌的生长繁殖2、无性孢子繁殖
• 厚垣孢子
• 节孢子
• 分生孢子
• 孢囊孢子
• 游动孢子

第36页：孢囊孢子

囊轴孢子囊孢囊孢子孢子囊梗孢囊孢子孢子囊囊轴孢子囊梗孢囊孢子

第37页：分生孢子

青霉曲霉分生孢子梗顶囊初生小梗次生小梗分生孢子分生孢子头

第38页：厚垣孢子

厚垣孢子

第39页：节孢子

节孢子

第40页：真菌的生长与繁殖

第三节真菌的生长与繁殖二、酵母菌的生长繁殖无性繁殖有性繁殖芽殖(bidding)裂殖(fission)产无性孢子—掷孢子(ballistospore)产子囊孢子(ascospore)

第41页：环境对生长的影响及生长的测定

第四节环境对生长的影响及生长的测定一、环境微生物生长的影响1、营养物质2、水的活性3、温度4、pH5、氧

第42页：营养物质的影响

营养物质缺乏时，微生物会

1）降低或停止物质合成2）诱导合成特定的运输系统3）降解非必需成分

第43页：水的活性

2、水的活性（参见P80）微生物不同，生长所需最适aw不同；若aw过低或过高，会影响培养基的渗透压，从而影响微生物的生长速率。一定温度和压力下，溶液的蒸气压力与该条件下纯水蒸气压力之比。

第44页：环境对微生物生长的影响

一、环境对微生物生长的影响3、温度温度对微生物的影响：1）影响酶活性2）影响细胞质膜的流动性3）影响物质的溶解度根据微生物生长最适温度的不同，可分为嗜冷、兼性嗜冷、嗜温、嗜热、和超嗜热五种不同类型。生长速度温度停此生长致死最低最高最适

第45页：环境微生物生长的影响

一、环境微生物生长的影响3、温度嗜冷机制

1）Ｅ系在低温下仍能起催化作用2）细胞膜含较多的不饱合脂肪酸，在低温下仍具有通透性。嗜热机制：1）细胞内的Ｅ具强抗热性2）产生的多胺，热亚胺和高温精胺物质对蛋白质等组织结构具有保护作用。3）核酸也具有热稳定性的保护结构。4）细胞膜含有较多的饱和脂肪酸和直链脂肪酸，使膜具有稳定性。

第46页：环境对微生物生长的影响

一、环境对微生物生长的影响4、pH影响微生物生长、繁殖，发育；1）影响细胞膜透性与稳定性2）影响物质溶解度3）影响细胞表面电荷分布各类微生物能够生长的pH值较宽，但细胞内部pH值却接近中性。（嗜酸性微生物、嗜碱性微生物）微生物的活动也能改变环境中的pH值

第47页：环境微生物生长的影响

一、环境微生物生长的影响5、氧根据与氧的关系，可将微生物分为五种类型：好氧菌、微好氧菌、耐氧菌、兼性厌氧菌、厌氧菌；（1）专性好氧菌必须在有分子氧的条件下才能生长，有完整的呼吸链，以分子氧作为最终氢受体铜绿假单胞菌

第48页：环境对微生物生长的影响

一、环境对微生物生长的影响（2）微好氧菌（microaerophilicbacteria）只能在较低的氧分压（0.01～0.03巴，而正常大气中的氧分压为0.2巴）下才能正常生长的微生物霍乱弧菌

第49页：环境微生物生长的影响

• 环境微生物生长的影响（3）耐氧菌一类可在分子氧存在下进行厌氧生活的厌氧菌，即它们的生长不需要氧，分子氧对它也无毒害
• 乳酸菌多数是耐氧菌

第50页：环境对微生物生长的影响

• 环境对微生物生长的影响（4）兼性厌氧菌在有氧或无氧条件下均能生长，但有氧情况下生长得更好
• 许多酵母菌和产气肠杆菌

第51页：厌氧菌

5）厌氧菌厌氧菌有以下几个特点

分子氧对它们有毒，即使短期接触空气，也会抑制其生长甚至致死；双歧杆菌属

第52页：超氧化物歧化酶

超氧化物歧化酶（SOD）功能

使好氧菌免受超氧化物阴离子自由基的毒害

第53页：超氧化物歧化酶（续）

2H2O2_Catalase_»2H2O + O2过氧化氢酶

第54页：厌氧菌

厌氧菌（anaerobes）O2. -超氧阴离子自由基普遍存在H2O+1/2O2过氧化氢酶（好氧菌）2H2O过氧化氢酶（耐氧菌）NADH2NADO2. +2H+H2O2+O2-SOD（好氧菌及耐氧菌）A.+B. A:B共价结合均裂

第55页：环境对生长的影响及生长的测定

第四节环境对生长的影响及生长的测定二、微生物生长的测定1、计数法1）直接计数法2）间接计数法3）其他计数法2、重量法3、生理指标法

第56页：生长测定的方法

• 以数量变化对微生物生长情况进行测定1）显微镜直接计数法采用细菌计数板或血球计数板，在显微镜下对微生物数量进行直接计数（计算一定容积里样品中微生物的数量）。缺点：不能区分死菌与活菌；
• 不适于对运动细菌的计数；
• 需要相对高的细菌浓度；
• 个体小的细菌在显微镜下难以观察；

第57页：微生物生长的测定

二、微生物生长的测定1、计数法2）间接计数法

第58页：

第59页：微生物生长的测定（续）

• 微生物生长的测定3）其他计数法
• 膜过滤法当样品中菌数很低时，可以将一定体积的湖水、海水或饮用水等样品通过膜过滤器。然后将滤膜干燥、染色，并经处理使膜透明，再在显微镜下计算膜上(或一定面积中)的细菌数；
• 比浊法一定范围内，菌悬液浓度与浑浊度成正比，即与光密度成正比，菌越多，光密度越大。

第60页：比浊法在一定波长下，测定

比浊法在一定波长下，测定菌悬液的光密度，以光密度(optical density, 即O.D.)表示菌量。实验测量时应控制在菌浓度与光密度成正比的线性范围内，否则不准确。

第61页：重量法

• 重量法以干重、湿重直接衡量微生物群体的生物量；
• 通过样品中蛋白质、核酸含量的测定间接推算微生物群体的生物量；
• 测定多细胞及丝状真菌生长情况的有效方法；

第62页：生理指标法微生物的生理指标

3、生理指标法微生物的生理指标，如呼吸强度，耗氧量、酶活性、生物热等与其群体的规模成正相关。样品中微生物数量多或生长旺盛，这些指标愈明显，因此可以借助特定的仪器如瓦勃氏呼吸仪、微量量热计等设备来测定相应的指标。（参见P354，表12-12）常用于对微生物的快速鉴定与检测

第63页：微生物生长繁殖的控制

• 微生物生长繁殖的控制
• 控制（有害）微生物的生长速率或消灭不需要的微生物，在实际应用中具有重要的意义。相关术语：抑制：生长停止，但不死亡；死亡：生长能力不可逆丧失；防腐：防止或抑制霉腐微生物在食品等物质上的生长；消毒：杀死或灭活病原微生物（营养体细胞）；灭菌：杀死包括芽孢在内的所有微生物；化疗：杀死或抑制宿主体内的病原微生物；

第64页：控制微生物的化学物质

第五节微生物生长繁殖的控制一、控制微生物的化学物质1、抗微生物剂2、抗代谢物3、抗生素

第65页：一类能够杀死微生物

• 一类能够杀死微生物或抑制微生物生长的化学物质，可以是人工合成，也可以是天然产物。1）抑菌剂与核糖体结合，抑制蛋白质合成；
• 杀菌剂结合到细胞的作用靶上，杀死细胞；
• 溶菌剂诱导细胞裂解；

第66页：（杀菌剂

（杀菌剂）消毒剂

通常用来杀死非生物材料上的微生物；在临床上最早使用的消毒剂----石炭酸（石炭酸系数）防腐剂：具杀死微生物或抑制微生物生长的能力，但对于动物或人体的组织无毒害作用。

第67页：抗代谢物是生长因子的结构

• 抗代谢物是生长因子的结构类似物，因此能干扰机体的正常代谢，以达到抑制微生物生长的目的。
• 例：磺氨类药物
• 磺胺药物是最早发现，也是最常见的化学疗剂，抗菌谱广，能治疗多种传染性疾病。

第68页：抗代谢物磺胺药物是最早发现

（二）抗代谢物磺胺药物是最早发现，也是最常见的化学疗剂，抗菌谱广，能治疗多种传染性疾病。大多数革兰氏阳性细菌（如肺炎球菌、溶血性链球菌等）某些革兰氏阴性细菌（如痢疾杆菌、脑膜炎球菌、流感杆菌等）对放线菌也有一定的作用。1934年，德国I. G. Farben染料厂的G. Domagk一种红色染料（prontosil），白鼠静脉注射，可治疗因链球菌引起的感染，但在体外却无作用。1935年，进一步证明prontosil对人的链球菌病也有效。法国人Trefouel和英国人Fullerprontosil在体内转化成了具有抑菌作用的磺胺

第69页：控制微生物的化学物质

一、控制微生物的化学物质（二）抗代谢物磺胺是叶酸组成部分对氨基苯甲酸的结构类似物作用机理：磺胺的抑菌作用是因为很多细菌需要自己合成叶酸而生长。磺胺对人体细胞无毒性，因为人缺乏从对氨基苯甲酸合成叶酸的相关酶----二氢叶酸合成酶，不能用外界提供的对氨基苯甲酸自行合成叶酸，而必须直接利用叶酸为生长因子进行生长。

第70页：抗生素

3、抗生素由某些生物合成或半合成的次级代谢产物或衍生物，能通过抑制细胞壁合成、破坏细胞膜、干扰呼吸链及抑制蛋白质和核酸的的合成来抑制或杀死其他微生物；

第71页：抗生素的诞生1928年

抗生素的诞生1928年A. Fleming发现青霉素1940弗罗里提纯出青霉素各种抗生素被相继发现并应用人工合成半合成抗生素被相继开发出来青霉素（penicillin）青霉素能与转肽酶结合，并将酶灭活，肽链之间无法彼此连接，抑制了细胞壁的合成。

第72页：抗生素的诞生1928年（续）

A.Fleming爵士

第73页：弗莱明

与弗莱明共同获得1945年诺贝尔生理学和医学奖.1940提纯出青霉素澳大利亚病理学家霍华德.弗罗里

第74页：

第75页：细菌抗药性的产生

细菌抗药性的产生：

第76页：抗生素效价测定

白点是强度各异的抗生素，最底下的青霉素完全没有黑环，显示它对链球菌已毫无作用抗药性(antibiotic resistance)菌体内产生了钝化或分解药物的酶F改变细胞膜的透性而导致抗药性细胞内被药物作用的部位发生了改变，目前典型的例子是核糖体发生了改变。J救护途径泵出机制

第77页：抗生素

3、抗生素抗生素使用时注意事项

1）第一次使用剂量要足2）避免在一个时期或多次使用同种抗生素3）不同的抗生素（或与其他药物）混合使用4）对现有抗生素进行改造5）筛选更多有效的抗生素

第78页：微生物生长繁殖的控制

第五节微生物生长繁殖的控制二、控制微生物的物理因素1、高温灭菌2、辐射作用3、过滤作用4、高渗作用5、干燥6、超声波

第79页：十倍致死时间

• 十倍致死时间（D ）：在一定温度下微生物数量十倍减少所需要的时间。
• 当温度超过微生物生长的最高温度或低于生长的最低温度都会对微生物产生杀灭作用或抑制作用。
• 高温使蛋白质、核酸等重要生物大分子发生变性、破坏，以及破坏细胞膜上的类脂成分，导致微生物死亡。

第80页：干热灭菌烘箱内热空气灭菌

1）干热灭菌烘箱内热空气灭菌火焰灼烧干热灭菌160℃，2小时1、高温灭菌

第81页：巴斯德消毒法

• 湿热灭菌1）巴斯德消毒（pasteurization）2）煮沸消毒3）间歇灭菌4）常规高压灭菌121℃，15分钟；
• 115℃，30分钟；
• 135-150℃，5-15秒，工业上发酵培养基135-150℃，2-6秒，牛奶或其它液态食品该法比干热灭菌效果好，因为蛋白质在有水的情况下容易凝固，如含水50％，蛋白质凝固温度为56ºＣ；
• 含水６％蛋白质凝固温度为160-170ºＣ；

第82页：高压蒸汽灭菌

高压蒸汽灭菌是湿热灭中最好方法，通常在1.05kg/cm2,的压力下面（此时温度121ºＣ）处理15－30min。要排冷，否则会形成假压，虽然压力达到要求，温度却达不到相应高度，而影响灭菌效果。

第83页：控制微生物的物理因素

• 控制微生物的物理因素2、辐射作用
• 紫外线：诱导核酸形成胸腺嘧啶二聚体，从而干扰了核酸的复制；
• X射线和γ射线能使其它物质氧化或产生自由基破坏和改变生物大分子的结构，以抑制或杀死微生物。

第84页：过滤作用对不耐热液体培养基

• 过滤作用对不耐热液体培养基和空气灭菌进行过滤除菌；硝酸纤维素膜和醋酸纤维素膜（
• 0.22
• 0.45μm）核孔滤器（聚碳酸胶片）

第85页：高渗作用

• 高渗作用
• 等渗溶液对微生物生长有利；
• 细菌处于低渗液中会吸水膨胀乃至破裂
• 细胞处于高渗液中会脱水引起质壁分离导致死亡。

第86页：控制微生物的物理因素

• 控制微生物的物理因素5、干燥6、超声波空穴作用；
• 振动产生热能；

第87页：本章小结

• 本章小结代时、倍增时间、同步培养、连续培养、恒浊连续培养、恒化连续培养、芽痕、抑制、死亡、防腐、消毒、灭菌、化疗、抗生素、间歇灭菌法、生长曲线的定义以及各期的特点、应用；
• 缩短迟缓期的方法；
• 实现同步培养的方法；
• 厌氧菌厌氧的原因；
• 磺氨类药物的作用机制；
• 细菌对抗生素产生抗性的原因及临床使用如何避免抗性的产生；