第五章 微生物的生长及其影响因素 第一节 微生物生长 一、微生物生长的概念 一个微生物细胞在合适的外界环境条件下，不断地吸收营养物质， 并按其自身的代谢方式进行新陈代谢。如果同化作用的速度超过了 异化作用，则其原生质的总量（重量、体积、大小）就不断增加， 于是出现了个体的生长现象。如果这是一种平衡生长，即各细胞组 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，从而 引起个体数目的增加，这时，原有的个体已经发展成一个群体。随 着群体中各个个体的进一步生长，就引起了这一群体的生长，这可 从其重量、体积、密度或浓度作指标来衡量。所以： 个体生长→个体繁殖→群体生长 群体生长＝个体生长＋个体繁殖
第五章 微生物的生长及其影响因素 第一节 微生物生长 一、微生物生长的概念 一个微生物细胞在合适的外界环境条件下，不断地吸收营养物质， 并按其自身的代谢方式进行新陈代谢。如果同化作用的速度超过了 异化作用，则其原生质的总量（重量、体积、大小）就不断增加， 于是出现了个体的生长现象。如果这是一种平衡生长，即各细胞组 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，从而 引起个体数目的增加，这时，原有的个体已经发展成一个群体。随 着群体中各个个体的进一步生长，就引起了这一群体的生长，这可 从其重量、体积、密度或浓度作指标来衡量。所以： 个体生长→个体繁殖→群体生长 群体生长＝个体生长＋个体繁殖
二、微生物生长量的测定 （一）稀释平板菌落计数法 是一种最常用的活菌计数法。 （二）血球计数板法 这种方法的特点是测定简便、直接、快速，但测定的对象有一 定的局限性，只适合于个体较大的微生物种类，如酵母菌、霉菌 的孢子等；此外测定结果是微生物个体的总数 （三）称干重 这种方法较适合于丝状微生物的生长量的测定，对于细菌来说， 一般在实验室或生产实践中较少使用。 （四）比浊法
二、微生物生长量的测定 （一）稀释平板菌落计数法 是一种最常用的活菌计数法。 （二）血球计数板法 这种方法的特点是测定简便、直接、快速，但测定的对象有一 定的局限性，只适合于个体较大的微生物种类，如酵母菌、霉菌 的孢子等；此外测定结果是微生物个体的总数 （三）称干重 这种方法较适合于丝状微生物的生长量的测定，对于细菌来说， 一般在实验室或生产实践中较少使用。 （四）比浊法
微生物生长曲线 把一定微生物接种到一定量的液体 培养基中，在一定条件下进行一次 性培养，定时取样测定活菌数，以 活菌数的对数值为纵坐标，以培养 时间为横坐标，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（growth curve）。 一般把典型生长曲线划分为适应期、 对数增长期（指数期）、稳定期和 衰亡期等四个时期。 该生长曲线只适用于单细胞微生物， 包括细菌和酵母菌。 活菌数的对数 （一）适应期（adaptivephase） 适应期的出现，可能是因为在接种到新 鲜培养液的细胞中，一时还缺乏分解或 催化有关底物的酶，或是缺乏充足的中 间代谢物。 该时期有几个特点： ①生长繁殖的速度几乎等于零。 ②细胞形态增大； ③细胞内RNA尤其是rRNA含量增高， 原生质呈嗜碱性。 ④合成代谢活跃，核糖体、酶类和ATP 的合成加快，易产生诱导酶。 ⑤对外界不良条件反应敏感。 影响适应期长短的因素很多，除菌种外， 主要有三。 1．菌种的菌龄 菌龄即“种 子”(inoculum)的群体生长年龄，亦即 它处在生长曲线上的哪一个阶段。 2．接种量 接种量的大小明显影响适 应期的长短。 3．培养基成分 活菌数的对数 适应期 对数增长期 稳定期 衰亡期 （二）对数增长期(logarithmic phase) 又称为指数增长期（exponential phase），是指在生长曲线中，紧接着适 应期的一个细胞以几何级数速度分裂的 一段时期。 对数增长期有以下几个特点：①生长 繁殖的速度很快，世代时间均匀一致； ②酶系活跃，代谢旺盛。 ③菌细胞的形态特征均匀一致，最代表 种的特征； ④此时期内的微生物的生化特性均匀一 致，并且典型。 稳定期（stationary phase） 稳定期到来的原因主要是： 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 适宜等等。 在稳定期时，细胞开始贮存糖原、异 染颗粒和脂肪等贮藏物；多数芽孢杆菌 在这时开始形成芽孢；有的微生物在稳 定期时还开始合成抗生素等次生代谢产 物。 在此时期内主要表现为： （1）细胞内开始积累贮藏物，如肝糖颗 粒、异染颗粒、脂肪颗粒等； （2）大多数能形成芽孢的细菌在此时期 内形成芽孢； （3）在此时期内，细胞的次级代谢产物 大量积累，菌细胞的总数也达到最高峰。 如何延长稳定期，促进代谢产物的积 累，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。 衰亡期（decline phase或death phase） 在衰亡期中，个体死亡的速度超过新生 的速度，因此，整个群体就呈现出负生长 (R为负值)。 在这个时期内，细胞形态出现不正常， 呈多样性，细胞种的特征典型； 生理生化出现异常现象，例如会产生 很多膨大、不规则的退化形态； 有的微生物因蛋白水解酶活力的增强 就发生自溶(autolysis) ，芽孢释放往往也 发生在这一时期。 在衰亡期，菌细胞很容易发生变异
微生物生长曲线 把一定微生物接种到一定量的液体 培养基中，在一定条件下进行一次 性培养，定时取样测定活菌数，以 活菌数的对数值为纵坐标，以培养 时间为横坐标，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（growth curve）。 一般把典型生长曲线划分为适应期、 对数增长期（指数期）、稳定期和 衰亡期等四个时期。 该生长曲线只适用于单细胞微生物， 包括细菌和酵母菌。 活菌数的对数 （一）适应期（adaptivephase） 适应期的出现，可能是因为在接种到新 鲜培养液的细胞中，一时还缺乏分解或 催化有关底物的酶，或是缺乏充足的中 间代谢物。 该时期有几个特点： ①生长繁殖的速度几乎等于零。 ②细胞形态增大； ③细胞内RNA尤其是rRNA含量增高， 原生质呈嗜碱性。 ④合成代谢活跃，核糖体、酶类和ATP 的合成加快，易产生诱导酶。 ⑤对外界不良条件反应敏感。 影响适应期长短的因素很多，除菌种外， 主要有三。 1．菌种的菌龄 菌龄即“种 子”(inoculum)的群体生长年龄，亦即 它处在生长曲线上的哪一个阶段。 2．接种量 接种量的大小明显影响适 应期的长短。 3．培养基成分 活菌数的对数 适应期 对数增长期 稳定期 衰亡期 （二）对数增长期(logarithmic phase) 又称为指数增长期（exponential phase），是指在生长曲线中，紧接着适 应期的一个细胞以几何级数速度分裂的 一段时期。 对数增长期有以下几个特点：①生长 繁殖的速度很快，世代时间均匀一致； ②酶系活跃，代谢旺盛。 ③菌细胞的形态特征均匀一致，最代表 种的特征； ④此时期内的微生物的生化特性均匀一 致，并且典型。 稳定期（stationary phase） 稳定期到来的原因主要是： 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 适宜等等。 在稳定期时，细胞开始贮存糖原、异 染颗粒和脂肪等贮藏物；多数芽孢杆菌 在这时开始形成芽孢；有的微生物在稳 定期时还开始合成抗生素等次生代谢产 物。 在此时期内主要表现为： （1）细胞内开始积累贮藏物，如肝糖颗 粒、异染颗粒、脂肪颗粒等； （2）大多数能形成芽孢的细菌在此时期 内形成芽孢； （3）在此时期内，细胞的次级代谢产物 大量积累，菌细胞的总数也达到最高峰。 如何延长稳定期，促进代谢产物的积 累，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。 衰亡期（decline phase或death phase） 在衰亡期中，个体死亡的速度超过新生 的速度，因此，整个群体就呈现出负生长 (R为负值)。 在这个时期内，细胞形态出现不正常， 呈多样性，细胞种的特征典型； 生理生化出现异常现象，例如会产生 很多膨大、不规则的退化形态； 有的微生物因蛋白水解酶活力的增强 就发生自溶(autolysis) ，芽孢释放往往也 发生在这一时期。 在衰亡期，菌细胞很容易发生变异
微生物的连续培养 连续培养(continuous culture) 连续培养是在研究生长曲线的基础上,当微生物以单批培养的 方式培养到指数期的后期时，一方面以一定速度连续流加新鲜培 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。这样，培养物就达到动态平衡，其中的微 生物可长期保持在指数期的平衡生长状态和稳定的生长速率上. 其优点：①高效，它简化了装料、灭菌、出料、清洗发酵罐等许 多单元操作，从而减少了非生产时间和提高了设备的利用率； ②自控，便于利用各种仪表进行自动控制； ③产品质量较稳定； ④节约了大量动力、人力、水和蒸汽，且使水、汽、电的负荷均 匀合理
微生物的连续培养 连续培养(continuous culture) 连续培养是在研究生长曲线的基础上,当微生物以单批培养的 方式培养到指数期的后期时，一方面以一定速度连续流加新鲜培 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。这样，培养物就达到动态平衡，其中的微 生物可长期保持在指数期的平衡生长状态和稳定的生长速率上. 其优点：①高效，它简化了装料、灭菌、出料、清洗发酵罐等许 多单元操作，从而减少了非生产时间和提高了设备的利用率； ②自控，便于利用各种仪表进行自动控制； ③产品质量较稳定； ④节约了大量动力、人力、水和蒸汽，且使水、汽、电的负荷均 匀合理
第三节 环境因素对微生物生长的影响 一、温度 每种微生物都有自己的生长温度三基点： 最低生长温度: 最适生长温度: 最高生长温度: 在生长温度三基点内，微生物都能生长，但生长速率 不一样。微生物只有处于最适生长温度时，生长速度 才最快，代时最短。一般情况下，每种微生物的生长 温度三基点是恒定的，但也常受其它环境条件的影响 而发生变化。 最低温度 最适温度 最高温度 嗜热液化芽孢杆菌 37 60 70 嗜热纤维芽孢杆菌 50 60 68 丙酮丁醇梭菌 20 37 47 植物乳杆菌 10 30 40 干酪乳杆菌 10 30 40 大肠杆菌 10 37 47 乳脂链球菌 10 30 37 嗜热链球菌 20 40~50 53 枯草杆菌 15 30~37 55 黑曲霉 7 30~39 47 啤酒酵母 10 28 40 根据微生物最适生长温度的不同，可将它们分为三个类型。 1．嗜低温微生物（psychrophiles） 多数在零度条件下能够生长,一般最 适生长温度在10～15℃，最高生长温度为20℃； 2．嗜中温微生物（mesophiles） 这类微生物的最适生长温度一般在 20～45℃之间。 在这一类中又可分为室温型微生物和体温型微生物。前者多数是腐生型 微生物,它们的最适生长温度一般为20～28℃；人和温血动物的寄生菌属于 体温性微生物，它们的最适生长温度与其宿主体温接近，在37～45℃之间。 3.嗜高温微生物（thermophiles） 能在45℃以上生长的微生物均属这一 大类。它们常存在于温泉、堆肥中，土壤中也有高温菌。在发酵工业中， 如果能找到好热菌作为菌种，可以缩短生产周期，防止杂菌污染
第三节 环境因素对微生物生长的影响 一、温度 每种微生物都有自己的生长温度三基点： 最低生长温度: 最适生长温度: 最高生长温度: 在生长温度三基点内，微生物都能生长，但生长速率 不一样。微生物只有处于最适生长温度时，生长速度 才最快，代时最短。一般情况下，每种微生物的生长 温度三基点是恒定的，但也常受其它环境条件的影响 而发生变化。 最低温度 最适温度 最高温度 嗜热液化芽孢杆菌 37 60 70 嗜热纤维芽孢杆菌 50 60 68 丙酮丁醇梭菌 20 37 47 植物乳杆菌 10 30 40 干酪乳杆菌 10 30 40 大肠杆菌 10 37 47 乳脂链球菌 10 30 37 嗜热链球菌 20 40~50 53 枯草杆菌 15 30~37 55 黑曲霉 7 30~39 47 啤酒酵母 10 28 40 根据微生物最适生长温度的不同，可将它们分为三个类型。 1．嗜低温微生物（psychrophiles） 多数在零度条件下能够生长,一般最 适生长温度在10～15℃，最高生长温度为20℃； 2．嗜中温微生物（mesophiles） 这类微生物的最适生长温度一般在 20～45℃之间。 在这一类中又可分为室温型微生物和体温型微生物。前者多数是腐生型 微生物,它们的最适生长温度一般为20～28℃；人和温血动物的寄生菌属于 体温性微生物，它们的最适生长温度与其宿主体温接近，在37～45℃之间。 3.嗜高温微生物（thermophiles） 能在45℃以上生长的微生物均属这一 大类。它们常存在于温泉、堆肥中，土壤中也有高温菌。在发酵工业中， 如果能找到好热菌作为菌种，可以缩短生产周期，防止杂菌污染
二、水分 1．水分活性值的概念 Aw值是指在密闭容器内含有水溶性物质 的蒸汽压与相同条件下纯水蒸汽压的比值。以纯水的蒸汽压为P0， 水溶性物质的蒸汽压为P，则Aw=P/P0。 不含任何固形物成分的纯水的P= P0，即Aw=1；绝对不含水分的 物品的 P=0，即Aw=0， 因此Aw值最大为1，最小为0。所以Aw 值在0与1之间。 一些微生物主要类群的最低水分活度(AW) 第三节 环境因素对微生物生长的影响 微生物 最低Aw值 微生物 最低Aw值 一般细菌 0．90 嗜盐细菌 0．75 一般酵母菌 0．88 干生性霉菌 0．65 一般霉菌 0．80 耐渗透压酵母菌 0．60
二、水分 1．水分活性值的概念 Aw值是指在密闭容器内含有水溶性物质 的蒸汽压与相同条件下纯水蒸汽压的比值。以纯水的蒸汽压为P0， 水溶性物质的蒸汽压为P，则Aw=P/P0。 不含任何固形物成分的纯水的P= P0，即Aw=1；绝对不含水分的 物品的 P=0，即Aw=0， 因此Aw值最大为1，最小为0。所以Aw 值在0与1之间。 一些微生物主要类群的最低水分活度(AW) 第三节 环境因素对微生物生长的影响 微生物 最低Aw值 微生物 最低Aw值 一般细菌 0．90 嗜盐细菌 0．75 一般酵母菌 0．88 干生性霉菌 0．65 一般霉菌 0．80 耐渗透压酵母菌 0．60
氧气对微生物生长的影响 1．需氧微生物（aerobe） 绝大多数丝状真菌、放线菌和部分细菌属于这个类型。 2．厌氧微生物（anaerobe） 主 要 是 一 些 细 菌 属 于 这 一 类 群 ， 如 梭 状 芽 孢 杆 菌 属 （Clostridium）、产甲烷杆菌属（Matharobacterium）等。 3．兼性需氧微生物（facultative aerobe） 绝大多数酵母菌和部分细菌属于这种类型。 4．微量需氧微生物（microaerophilic） 只有少数细菌属于此类型，如拟杆菌属（Bacteriodes）中的个 别种。 5．耐氧性厌氧微生物（aerotolerant anaerobe） 主要是一些乳酸菌属于该呼吸类型。 第三节 环境因素对微生物生长的影响
氧气对微生物生长的影响 1．需氧微生物（aerobe） 绝大多数丝状真菌、放线菌和部分细菌属于这个类型。 2．厌氧微生物（anaerobe） 主 要 是 一 些 细 菌 属 于 这 一 类 群 ， 如 梭 状 芽 孢 杆 菌 属 （Clostridium）、产甲烷杆菌属（Matharobacterium）等。 3．兼性需氧微生物（facultative aerobe） 绝大多数酵母菌和部分细菌属于这种类型。 4．微量需氧微生物（microaerophilic） 只有少数细菌属于此类型，如拟杆菌属（Bacteriodes）中的个 别种。 5．耐氧性厌氧微生物（aerotolerant anaerobe） 主要是一些乳酸菌属于该呼吸类型。 第三节 环境因素对微生物生长的影响