微生物的生长繁殖与生存因子.ppt
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1、第五章 微生物的生长繁殖 与生存因子,5.1 微生物的生长繁殖,5.1.1 微生物生长繁殖的概念生长 微生物细胞吸收营养物质,进行新陈代谢,当同化作用异化作用时,生命个体的重量和体积不断增大的过程。繁殖生命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。发育从生长到繁殖,是生物的构造和机能从简单到复杂、从量变到质变的发展变化过程,这一过程称为发育。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。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。,1.单细胞微生物的生长繁殖生长:同化作用大于异化作用,细胞不
2、断增长。繁殖:单细胞个体生长到一定程度时,一个亲代细胞分裂为两个大小、性状与亲代细胞相似的子代细胞,使得个体数目增加。世代时间:细菌的两次细胞分裂之间的时间。2.多细胞微生物的生长繁殖生长:细胞数目增加,个体数目不增加。繁殖:细胞数目增加,个体数目也增加。,5.1.2 研究微生物生长的方法(一)分批培养(batch culture)1.概念:分批培养是将一定量的微生物接种在一个封闭的、盛有一定量液体培养基的容器内,保持一定的温度、pH和DO,微生物在其中生长繁殖。培养基一次性加入,不更换。2.细菌生长曲线 以培养时间为横坐标,以计数获得的细菌数目的对数为纵坐标,可得到一条定量描述液体培养基中微
3、生物生长规律的实验曲线,该曲线则称为生长曲线。(growth curve)。,生长曲线的制作,将少量单细胞的纯培养,接种到一恒定容积的新鲜液体培养基中,在适宜条件下培养,每隔一定时间取样,测细菌细胞数目。以培养时间为横坐标,以细菌增长数目的对数为纵坐标,绘制所得的曲线。,其它名称:迟滞期、调整期、适应期1.现象:活菌数几乎没增加,曲线平行于横轴。2.特点:初始阶段:细菌要适应新的环境,细菌总数有所减少末期:生长繁殖速度加快,细菌总数有所增加细胞内RNA特别是rRNA含量增高,原生质嗜碱性增强合成代谢活跃(核糖体、酶类、ATP合成加快),开始细胞分裂对外界不良条件敏感,(如氯化钠浓度、温度、抗生
4、素等化学药物)3.原因:适应新的环境条件,合成新的酶,积累必要的中间产物,.停滞期(lag phase),接种群体菌龄:用对数生长期的菌种接种时,其停滞期较短,甚至检查不到停滞期接种量:一般来说,接种量增大可缩短甚至消除停滞期培养基成分:在营养成分丰富的天然培养基上生长的延滞期比在合成培养基上生长时短;接种后培养基成分有较大变化时,会使延滞期加长,所以发酵工业上尽量使发酵培养基的成分与种子培养基接近。世代时间:世代时间短,即繁殖速度较快的菌种的停滞期一般较短,影响停滞期长短的因素,应用,在发酵工业上需设法尽量缩短延迟期;采取的缩短lag phase 的措施有:增加接种量;(群体优势-适应性增强
5、)采用对数生长期的健壮菌种;调整培养基的成分,在种子培养基中加入发酵培养基的某些成分。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,.对数期(log phase),其他名称:指数期 现象:细胞数目以几何级数增加,其对数与时间呈直线关系。特点:生长速率常数最大,世代时间最短,细胞数目以几何级数增加菌体大小形态、生理特征等比较一致代谢最旺盛对不良环境因素的抵抗力强影响因素:菌种、营养成分、营养物浓度培养温度、DO、抑制剂世代时间G=(t2-t1)/3.3(lg X2-lg X1),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
6、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。,.静止期(stationary phase),又称:稳定期、恒定期或最高生长期特点:新增殖的细胞数与老细胞的死亡数几乎相等,微生物的生长速率处于动态平衡,培养基中的细胞数目达到最高值。细胞分裂速度下降,开始积累内含物,芽孢杆菌开始产芽孢。对于发酵生产来说,一般在稳定期的后期产物积累达到高峰,是最佳的收获时期。原因:对数期消耗了营养物质,使其浓度降低;有害代谢废物的大量积累(酸、醇、毒素等);营养物的比例失调,如碳氮比不合适;理化条件(pH、DO、氧化还原势等)有所改变。,.衰亡期(decline pha
7、se),特点:细菌利用贮存物进行内源呼吸(自身溶解)。细胞死亡数增加,死亡数大大超过新增殖的细胞数,群体中的活菌数目急剧下降,出现“负生长”。细胞内颗粒更明显,细胞出现多形态、畸形或衰退形。衰亡期比其他各时期时间长,它的长短也与菌种和环境条件有关。产生原因:生长条件的进一步恶化,使细胞内的分解代谢大大超过合成代谢,继而导致菌体的死亡,分批培养的应用:序批式间歇曝气器(SBR),(二)连续培养(continous culture)1.概念:在细菌进入对数生长期时,以一定的速率不断地补充新鲜营养物质,同时以同样的速率排除培养物(含菌体及代谢产物),让培养的微生物长时间地处于对数生长期,以利于微生物
8、的增殖速率和代谢活性处于某种稳定状态。,2.连续培养方法的分类(1)恒浊连续培养 是通过连续培养装置中的光电系统控制培养液中菌体浓度恒定,使细菌生长连续进行的一种培养方式。应用:发酵工艺采用该法以获得大量菌体和有经济价值的代谢产物。,(2)恒化连续培养 以恒定流速进水,以相同流速流出代谢产物,以维持进水中的营养成分恒定,使细菌处于最高生长速率状态的培养方法。应用:污水生物处理(除SBR法)。,3.连续培养运行参数 稀释率DD流动速率/容积过低:新鲜营养补充不及时,导致大量细菌饥饿而死亡;过高:生长速率低于排出速率,5.1.3 生长曲线在污水生物处理中的应用,1.活性污泥的生长曲线,迟缓期 对数
9、生长期 减速生长期 内源呼吸期,2.活性污泥生长曲线对废水生物处理的指导意义,常规活性污泥不利用对数生长期的微生物而利用静止期的微生物的原因:处于对数期的微生物代谢活力强,能去除大量有机物,但对进水有机物浓度需求高,使出水不易达到排放标准;处于对数期的微生物生长繁殖旺盛,沉淀性能差,致使出水水质差;处于静止期的微生物活力相对较差,但仍有相当的活力,去除有机物的效果仍较好;处于静止期的微生物体内积累了大量贮存物,强化了微生物的生物吸附能力,自我絮凝、凝合能力强,在二沉池中泥水分离效果好,出水水质好。,5.1.4 微生物生长量的测定方法,一、细胞数目的测定二、微生物生物量的测定,一、细胞数目的测定
10、 1.测定微生物的总数(直接计数法)计数器直接计数 染色涂片计数 比例计数法 比浊法 2.测定活菌数(间接计数法),1.测定微生物的总数(直接计数法)计数器(血球计数板)测定法,适用范围:测定个体较大的细菌或原生动物测定细胞个体形态较小的则采用细菌计数板。,1.测定微生物的总数(直接计数法)涂片染色法,1视野菌液(ml)(0.01ml 1cm2)视野面积(cm2),1.测定微生物的总数(直接计数法)比例计数法,比例样品菌液与等体积的血液混合,观测二者比例,提问:如果平均每个视野中细菌数量/红血球的数量比例为5.5:1,则细菌数量=?5.5400万个/m l=2.2107个/mL样品,红血球数已
11、知(男性400500万个ml,女性350450万个ml),平均400万个/ml,1.测定微生物的总数(直接计数法)比浊计数法,浊细菌悬浮液的浊度,细菌不完全透光,一定范围内细菌溶液的混浊度与细菌数量成正比,常用仪器:浊度计、分光光度计,一、细胞数目的测定 2.测定活菌数(间接计数法)载玻片薄琼脂层培养计数 平板菌落计数 液体稀释培养计数 薄膜过滤计数,29,菌样被无菌水不同稀释倍率后平板培养图,2.活菌计数法(间接计数法)平板菌落计数法,第一步:菌样巧妙稀释,无菌水,得到不同稀释度(10-x)菌液,各取1ml,均匀涂布于冷固体培养基平板上或与温热液态固体培养基混合冷却。,第三步:培养,稀释度过
12、低,菌落密集无法计数,可以计数,但数量过多,费时费力,数量合适,统计计算,作为结果,数量太少,误差因素太大,不做计数,第二步:接种平板,每一个细菌会生成一个菌落,一般计数平板的细菌生长菌落数以30300个为宜。,第四步:计数,细菌数量=?细菌数量=数出的菌落数/稀释度例如:10-5稀释度时菌落数为125个细菌数量=125/10-5=1.25107个/mL 平板计数法是采用最广的一种活菌计数法,平均,二、微生物生物量的测定 测细胞干重法 含N量测定法 DNA测定法 生理指标法,5.2 微生物的生长因子,5.2.1 温度1.温度对微生物的影响具体表现在:影响酶活性。温度变化影响酶促反应速率,最终影
13、响细胞合成。影响细胞膜的流动性。温度高,流动性大,有利于物质的运输;温度低,流动性降低,不利于物质运输,因此,温度变化影响营养物质的吸收与代谢产物的分泌。影响物质的溶解度。对生长有影响。,2.微生物按温度需求分类3.各类微生物生长的适宜温度,4.嗜冷微生物在低温下生长的机理 它们体内的酶能在低温下有效地催化,在高温下酶活性丧失 主动运输物质的功能良好,能有效地集中必需营养物 细胞膜中的不饱和脂肪酸含量高,低温下也能保持半流动状态,可以进行物质的传递,5.低温对微生物的影响 当环境温度低于微生物的最适生长温度时,微生物的代谢极其微弱,基本处于休眠状态,当微生物的原生质结构并未破坏时,不会很快造成
14、死亡并能在较长时间内保持活力,当温度提高时,可以恢复正常的生命活动。应用:低温保藏菌种 当温度过低,造成微生物细胞冻结时,有的微生物会死亡,有些则并不死亡。6.高温对微生物的影响 高温下蛋白质发生不可逆变性,膜受热出现小孔,破坏细胞结构,小结:微生物的培养应该在最佳温度范围进行;超过最高温度会对细菌造成伤害甚至导致死亡;低温有抑制细菌作用,可以让微生物休眠,但不会导致死亡。温度升高时,活性即可恢复。,5.2.2 pH,1.环境pH对微生物的影响影响膜表面电荷的性质及膜的通透性,进而影响对物质的吸收能力。改变酶活性、酶促反应的速率及代谢途径:如:酵母菌在pH4.55产乙醇,在pH6.5以上产甘油
15、、酸。环境pH值还影响培养基中营养物质的离子化程度,从而影响营养物质吸收,或有毒物质的毒性。,2.微生物适宜的pH范围 大多数细菌、藻类和原生动物的最适生长pH6.57.5,它们能适应pH410之间的环境。,3.污水生物处理时pH宜维持在6.58.5 大多数细菌、藻类、放线菌和原生动物在此范围内均能生长繁殖,有利于细菌形成菌胶团互相凝聚形成良好的絮凝体,可取得良好的净化效果;pH6.5的酸性环境有利于霉菌和酵母菌的生长,若霉菌在活性污泥中大量繁殖,因其不能分泌粘性物质于细胞表面,而降低了活性污泥的吸附能力,其絮凝性较差,结构松散不易沉降,处理效果下降,甚至导致活性污泥丝状膨胀。,4.培养基pH
16、的变化原因 a 分解葡萄糖、乳糖有机酸,pH b 分解蛋白质、蛋白胨及氨基酸NH3和胺类,pH c 细胞选择性地吸收阴阳离子,pH解决方法 在配制培养基时应加入缓冲物质,如KH2PO4和K2HPO4。,在废水和污泥厌氧消化过程中,要控制好产酸阶段和产甲烷阶段的产量,pH很关键,通常应控制pH6.67.6之间,pH6.87.2为最佳。城市生活污水、污泥若不含蛋白质、氨等物质,处理之前就要投加缓冲物质;若连续运行则在运行期间也应投加,以碳酸氢钠为佳。pH低的工业废水可采用霉菌和酵母菌处理,无需调节pH,其所引起的丝状膨胀可通过改革工艺来解决,如采用生物膜法、接触氧化法等。,小结:污水生物处理的构筑
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