微生物的生長規律

一、細菌群體生長規律

    細菌接種到均勻的液體培養基後，當細菌以二分裂法繁殖，分裂後的子細胞都具有生活能力。在不補充營養物質或移去培養物，保持整個培養液體積不變條件下，以時間為橫坐標，以菌數為縱坐標，根據不同培養時間時細菌數量的變化，可以作出一條反映細菌在整個培養期間菌數變化規律的曲線，這種曲線稱為生長曲線稱為生長曲線 (growth curve) 。一條典型的生長曲線至少可以分為遲緩期、對數期、穩定期和衰亡期等四個生長時期。

1 ．遲緩期 (1ag phase) ．

    又稱延滯期、適應期。細菌接種到新鮮培養基而處於一個新的生長環境，因此在一段時間裏並不馬上分裂，細菌的數量維持恒定，或增加很少。此時胞內的 RNA 、蛋白質等物質含量有所增加，相對地此時的細胞體最大，說明細菌並不是處於完全靜止的狀態。產生遲緩期的原因，認為是微生物接種到一個新的環境，暫時缺乏足夠的能量和必需的生長因子，“種子”老化 ( 即處於非對數生長期 ) 或未充分活化，接種時造成的損傷等。在工業發酵和科研中遲緩期會增加生產周期而產生不利的影響，但是遲緩期無疑也是必需的，因為細胞分裂之前，細胞各成分的複製與裝配等也需要時間，因此應該采取一定的措施： ① 通過遺傳學方法改變種的遺傳特性使遲緩期縮短； ② 利用對數生長期的細胞作為“種子”； ③ 盡量使接種前後所使用的培養基組成不要相差太大； ④ 適當擴大接種量等方式縮短遲緩期，克服不良的影響。

2 ．對數生長期 (log phase)

    又稱指數生長期 (exponential Phase) 。細菌經過遲緩期進入對數生長期，並以最大的速率生長和分裂，導致細菌數量呈對數增加，而且細菌內各成分按比例有規律地增加，此時期內的細菌生長是平衡生長。對數生長期細菌的代謝活性、酶活性高而穩定，大小比較一致，生活力強，因而它廣泛地在生產上用作“種子”和在科研上作為理想的實驗材料。

3 ．穩定生長期 (stationary phase)

    由於營養物質消耗，代謝產物積累和 pH 等環境變化，逐步不適宜於細菌生長，導致生長速率降低直至零 ( 即細菌分裂增加的數量等於細菌死亡數量 ) ，結束對數生長期，進入穩定生長期。穩定生長期的話細菌數最高並維持穩定。如果及時采取措施，補充營養物質或取走代謝產物或改善培養條件，如對好氧菌進行通氣、攪拌或振蕩等可以延長穩定生長期，獲得更多的菌體物質或代謝產物。

4 ．衰亡期 (decline 或 death Phase)

    營養物質耗盡和有毒代謝產物的大量積累，細菌死亡速率逐步增加和活細菌逐步減少，標誌進入衰亡期。該時期細菌代謝活性降低，細菌衰老並出現自溶。該時期死亡的細菌以對數方式增加，但在衰亡期的後期，由於部分細菌產生抗性也會使細菌死亡的速率降低。

    此外，不同的微生物，甚至同一種微生物對不同物質的利用能力是不同的。有的物質可直接被利用 ( 例如葡萄糖或 NH 4 + 等 ) ；有的需要經過一定的適應期後才能獲得利用能力 ( 例如乳糖或 NO 3 - 等 ) 。前者通常稱為速效碳源 ( 或氮源 ) ，後者稱為遲效碳源 ( 或氮源 ) 。當培養基中同時含有這兩類碳源 ( 或氮源 ) 時，微生物在生長過程中會產生二次生長現象。

二、同步培養

    微生物個體生長是微生物群體生長的基礎。但群體中每個個體可能分別是處於個體生長的不同階段，因而它們的生長、生理與代謝活性等特性不一致，出現生長與分裂不同步的現象。同步培養 (synchronous culture) 是一種培養方法，它能使群體中不同步的細胞轉變成能同時進行生長或分裂的群體細胞。以同步培養方法使群體細胞能處於同一生長階段，並同時進行分裂的生長方式稱為同步生長。通過同步培養方法獲得的細胞被稱為同步細胞或同步培養物。同步培養物常被用來研究在單個細胞上難以研究的生理與遺傳特性和作為工業發酵的種子，它是一種理想的材料。

    用一般培養方法獲得的細胞通常是不完全同步的細胞，就是同步培養方法獲得的同步細胞經幾次傳代之後，也會出現不同步的現象。如何使不同步轉變為同步，以及如何使用同步細胞能較長時間地保持同步，這是同步培養中要研究的課題。

    同步培養方法很多，可歸納為機械法與環境條件控製兩類。

1 ．機械方法

    這是一類根據微生物細胞在不同生長階段的細胞體積與質量或根據它們同某種材料結合能力不同的原理設計出來的方法。其中常用的有：

(1) 離心方法

    將不同步的細胞培養物懸浮在不被這種細菌利用的糖或葡聚糖的不同梯度溶液裏，通過密度梯度離心將不同細胞分布成不同的細胞帶，每一細胞帶的細胞大致是處於同一生長期的細胞，分別將它們取出進行培養，就可以獲得同步細胞。

(2) 過濾分離法

    將不同步的細胞培養物通過孔徑大小不同微孔濾器，從而將大小不同的細胞分開，分別將濾液中的細胞取出進行培養，獲得同步細胞。

(3) 硝酸纖維素濾膜法

    根據細菌能緊緊結合到硝酸纖維素濾膜上的特點，將細菌懸液通過墊有硝酸纖維素濾膜的過濾器，然後將濾膜顛倒過來，再將培養基流過濾器，以洗去末結合的細菌，然後將濾器放入適宜條件

    下培養一段時間，其後仍將培養基流過濾器，這時新分裂產生的細菌被洗下，分部收集並通過培養獲得同步細胞。

2 ．環境條件控製技術

    這類技術是根據細菌生長與分裂對環境因子要求不同的原理設計的一類獲得同步細胞的方法。

(1) 溫度

    最適生長溫度有利於細菌生長與分裂，不適宜溫度如低溫不利於細菌生長與分裂。通過適宜與不適宜溫度的交替處理之後，通過培養可獲得同步細胞。

(2) 培養基成分控製

    培養基中的碳、氮源或生長因子不足，可導致細菌緩慢生長直至生長停止。因此將不同步的細菌在營養不足的條件下培養一段時間，然後轉移到營養豐富的培養基裏培養，能獲得同步細胞。另外也可以將不同步的細胞轉接到含有一定濃度的，能抑製蛋白質等生物大分子合成的化學物質如抗生素等的培養基裏，培養一段時間後，再轉接到完全培養基裏培養也能獲得同步細胞。

(3) 其他

    對於光合細菌可以將不同步的細菌經光照培養後再轉到黑暗中培養，這樣通過光照和黑暗交替培養的方式可獲得同步細胞；對於不同步的芽孢杆菌培養至絕大部分芽孢形成，然後經加熱處理，殺死營養細胞，最後轉接到新的培養基裏，經培養可獲得同步細胞。

    環境條件控製獲得同步細胞的機理不完全了解。這種處理可能是導致胞內某些物質合成，它合成和積累可導致細胞分裂，從而獲得同步細胞。

三、連續培養

    連續培養 (continous culture of microorganisms) 是在微生物的整個培養期間，通過一定的方式使微生物能以恒定的比生長速率生長並能持續生長下去的一種培養方法。根據生長曲線，營養物質的消耗和代謝產物的積累是導致微生物生長停止的主要原因。因此在微生物培養過程中不斷的補充營養物質和以同樣的速率移出培養物是實現微生物連續培養的基本原則。

    在連續培養裏，培養容器中細菌的數量一方麵以比生長速率的數量增加，同時又在以稀釋率的數量減少。

    連續培養有兩種類型，恒化器連續培養和恒濁器連續培養。前者是在整個培養過程中通過控製培養基中某種營養物質的濃度基本恒定的方式，保持細菌的比生長速率恒定，使生長“不斷”進行。培養基中的某種營養物質通常是作為細菌比生長速率的控製因子，這類因子一般是氨基酸、氨和銨鹽等氮源，或是葡萄糖、麥芽糖等碳源或者是無機鹽，生長因子等物質。恒化器連續培養通常用於微生物學的研究，篩選不同的變種。後者主要是通過連續培養裝置中的光電係統控製培養液中菌體濃度恒定、使細菌生長連續進行的一種培養方式。菌液濃度大小通過光電係統調節稀釋率來維持菌數恒定，此種培養方式一般用於菌體以及與菌體生長平行的代謝產物生產的發酵工業，從而獲得更好的經濟效益。

恒濁器連續培養與恒化器連續培養的比較

    連續培養如用於生產實踐上，就稱為連續發酵，連續發酵與單批發酵相比有許多優點： ① 高效，它簡化了裝料，滅菌、生產時間和提高了設備的利用率； ② 自控，便於利用各種儀表進行自動控製； ③ 產品質量較穩定； ④ 節約了大量動力、人力等資源。

    連續培養或連續發酵也有其缺點。最主要的是菌種易於退化。其次易遭雜菌汙染。此外營養的利用率一般亦低於單批培養。

    在生產實踐上，連續培養技術已廣泛用於酵母菌體的生產，乙醇、乳酸和丙酮 - 丁醇等發酵。以及用假絲酵母進行石油脫蠟或是汙水處理中。