13、14第七章微生物生长繁殖及控制.ppt
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1、第七章 微生物的生长繁殖及其控制,本章主要内容,微生物生长研究方法?微生物如何进行生长?影响微生物生长的因素是什么?如何控制微生物的生长?,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。,生长:,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。,繁殖:,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.,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。,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
2、的生长原生质的总量(重量、体积、大小)不断增加,如果各细胞组分是按恰当的比例增长时,则达到一定程度后就会发生繁殖,引起个体数目增加.,群体内各个个体的进一步生长,群体的生长,群体生长=个体生长+个体繁殖,个体生长 个体繁殖 群体生长,在一定时间和条件下细胞数量的增加(微生物群体生长),微生物生长:,在微生物学中提到的“生长”,一般均指群体生长,这一点与研究大生物时有所不同。,一、微生物纯培养方法,纯培养(pure culture)微生物学中把从一个细胞经过培养繁殖而得到的后代,称纯培养。,第一节 微生物生长的研究方法,平板涂布分离法(Spread Plate),简单易行,但易造成机械损伤,平板
3、划线分离法(Streak Plate),特点:快速、方便。分区划线(适用于浓度较大的样品)连续划线(适用于浓度较小的样品),稀释倒平板法(Pour Plate),1ml,1ml,1ml,1ml,1ml,1ml,9ml,9ml,9ml,9ml,首先将待分离的样品进行连续稀释,目的是得到高度稀释的效果,使一支试管中分配不到一个微生物.这种方法适合于细胞较大的微生物.,液体稀释法,选择性培养分离法,为了从混杂的微生物群体中分离出某种微生物,可以根据该微生物的特点,包括营养、生理、生长条件等,采用选择培养的方法进行分离。,利用选择培养基进行直接分离富集培养,单细胞(单孢子)分离法,毛细管法:用毛细管提
4、取微生物个体,适合于较大微生物。显微操作仪:用显微针、钩、环等挑取单个细胞或孢子以获得纯培养。小液滴法:将经过适当稀释后的样品制成小液滴,在显微镜下选取只含一个细胞的液滴来进行纯培养物的分离。,二、微生物的培养方法,通常情况下,微生物的培养方法根据培养过程中对氧的需要与否分为好氧培养和厌氧培养;根据所用培养基的物理特性分为固体培养和液体培养。(一)、好氧培养方法1、固体培养方法2、液体培养方法(二)、厌氧培养方法实验室中常用厌氧手套箱、Hungate滚管及厌氧罐,通常用来测定细菌、酵母菌等单细胞微生物的生长情况或样品中所含微生物个体的数量(细菌、孢子、酵母菌),三、生长繁殖测定方法,(一)、计
5、数法,1、显微镜直接计数法,1)常规方法:,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;,2)其它方法:,将已知颗粒浓度的样品(例如血液)与待测细胞细胞浓度的样品混匀后在显微镜下根据二者之间的比例直接推算待测微生物细胞浓度。,比例计数:,2、涂布平板计数法,采用培养平板计数法要求操作熟练,准确,否则难以得到正确的结果:,样品充分混匀;,每支移液管及涂布棒只能接触一个稀释度的菌液;,同一稀释度三个以上重复,取平均值;,每个平板上的菌落数
6、目合适,便于准确计数;,一个菌落可能是多个细胞一起形成,所以在科研中一般用菌落形成单位(colony forming units,CFU)来表示,而不是直接表示为细胞数。,3、倒平板计数法(Pour Plate),1ml,1ml,1ml,1ml,1ml,1ml,9ml,9ml,9ml,9ml,4、膜过滤培养法,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,然后将将膜转到相应的培养基上进行培养,对形成的菌落进行统计。,(二)、生物量法,1、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
7、度与光密度成正比的线性范围内,否则不准确。,2、重量法,干重法:将微生物菌体或离心得到的细胞沉淀物置100105的烘箱中干燥至水份去除,然后再称重。湿重法:收集微生物菌体,或将微生物培养液离心,收集细胞沉淀物,然后称重。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,(三)、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。,常用于对微生物的快速鉴定与检测,四、同步培养,同步培
8、养(Synchronous culture):,使群体中的细胞处于比较一致的,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:,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.,获得同步生长的方法:,获得同步生长的方法主要有两类:1、选择法:选择性过滤、梯度离心、膜洗脱法。2、诱导法:变换温度、光线、培养基等,造成与正常细胞周期不同的周期变化。,五、连续培养,将微生物置于一定容积的培养基中,经过培养生长,最后一次收获。,分批培养(batch culture)或封闭培养(closed culture),培养基一次加入,不予补充,不再更换。,连续培养(Con
9、tinous 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。,控制连续培养的方法,不断调节流速而使细菌培养液浊度保持恒定,恒浊连续培养,保持恒定的流速,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。,恒化连续培养,(一)恒浊连续培养(恒浊器),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,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。,(一)恒浊连续培养,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
10、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,(二)恒化连续培养(恒化器),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。,(二)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。,细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,如氨基酸和氨等氮源,或是葡萄糖、麦芽糖等碳源或者是无机盐。,通过控制流速可以得到生长速率不同但密度基本恒定
11、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;,恒浊器与恒化器的比较,第二节 微生物的生长 微生物的生长表现在微生物的个体生长与群体生长两个水平上。,微生物个体生长表现为个体质量和体积的增加。微生物群体生长是以微生物细胞的数量或微生物群体细胞物质量的增加作为生长的指标。,一、细菌的个体生长,(1)DNA的复制和分离 双向方式连续复制,复制区,(2)细胞壁扩增 杆菌中是新合成的肽聚糖在新旧Cw均有分布,而球菌是在赤道板插入,固定位置。,(一)无分支单细胞微生物的群体生长,二微生物的群体生长,细胞呈指数增长,特征:每经历一个代时,细
12、胞的数目就增加1倍,呈指数增加,因而被称为指数生长,这就是无分支单细胞微生物的群体生长特征。,1.无分支单细胞微生物群体生长的特征,细胞数目的对数与生长时间呈正比直线关系,2、生长曲线(Growth Curve):,细菌接种到定量的液体培养基中,定时取样测定细胞数量,以培养时间为横座标,以菌数为纵座标作图,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。,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。,迟缓期(Lag phase):,将少量菌种接入新鲜培养基后,在开始一段时间内菌数不立即增加,或增加很少,生长速度接近于零.也称延迟期、适应期。,迟缓期的特点:,
13、分裂迟缓、代谢活跃,细胞形态变大或增长细胞内RNA,尤其是rRNA含量增高,合成代谢活跃,核糖体、酶类和ATP的合成加快,易产生诱导酶。对外界不良条件反应敏感。,细胞处于活跃生长中,只是分裂迟缓;在此阶段后期,少数细胞开始分裂,曲线略有上升。,迟缓期出现的原因:,微生物接种到一个新的环境,暂时缺乏分解和催化有关底物的酶,或是缺乏充足的中间代谢产物等.为产生诱导酶或合成中间代谢产物,就需要一段适应期。,调整代谢,迟缓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,短的只需要几分钟,长的需数小时.,在生产实践中的常用以下手段缩短迟缓期:,(1)通过遗传学方法改变种的遗传特性使迟缓
14、期缩短;,(2)利用对数生长期的细胞作为种子;,(3)尽量使接种前后所使用的培养基组成不要相差太大;,(4)适当扩大接种量,对数生长期(Log phase):,又称指数生长期(Exponential phase)以最大的速率生长和分裂,细菌数量呈 对数增加,细菌内各成分按比例有规律地增加,表现为平衡生长。,应用意义:增殖噬菌体的最适菌龄;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。,由于营养物质消耗,代谢产物积累和pH等环境变化,逐步不适宜于细菌生长,导致生长速率降低直至零.,
15、稳定生长期(Stationary phase):,细胞重要的分化调节阶段 储存糖原等细胞质内含物,芽孢杆菌在此阶段形成芽孢或建立自然感受态等.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.生产上常通过补充营养物质(补料)或取走代谢产物、调节pH、调节温度、对好氧菌增加通气、搅拌或振荡等措施延长稳定生长期,以获得更多的菌体物质或积累更多的代谢产物。,衰亡期(Decline或Death phase):,营养物质耗尽和有毒代谢产物的大量积累,细菌死亡速率超过新生速率,整个群体呈现出负增长。,细菌代谢活性降低,细菌衰老并出现自溶,产生或释放出一些产物,如氨基酸、转化酶、外肽
16、酶或抗生素等.细胞呈现多种形态,有时产生畸形,细胞大小悬殊,有些革兰氏染色反应阳性菌变成阴性反应等。,(二).丝状微生物的群体生长,丝状微生物的纯培养采用孢子接种,在液体培养基中震荡培养或深层通气加搅拌培养,菌丝体通过断裂繁殖不形成产孢结构。可以用菌丝干重作为衡量生长的指标,即以时间为横坐标,以菌丝干重为纵坐标,绘制生长曲线,可分为三个阶段:1)、生长停滞期:2)、迅速生长期:3)、衰退期:菌丝体干重下降,到一定时期不再变化。,三、生长的数学模型,对数生长期中微生物的生长可用数学模型表示。由一个细胞分裂成为两个细胞的时间间隔称为世代,一个世代所需的时间就是代时(eneration time,G
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