微生物的生长规律

一、细菌群体生长规律

    细菌接种到均匀的液体培养基后，当细菌以二分裂法繁殖，分裂后的子细胞都具有生活能力。在不补充营养物质或移去培养物，保持整个培养液体积不变条件下，以时间为横坐标，以菌数为纵坐标，根据不同培养时间时细菌数量的变化，可以作出一条反映细菌在整个培养期间菌数变化规律的曲线，这种曲线称为生长曲线称为生长曲线 (growth curve) 。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。

1 ．迟缓期 (1ag phase) ．

    又称延滞期、适应期。细菌接种到新鲜培养基而处于一个新的生长环境，因此在一段时间里并不马上分裂，细菌的数量维持恒定，或增加很少。此时胞内的 RNA 、蛋白质等物质含量有所增加，相对地此时的细胞体最大，说明细菌并不是处于完全静止的状态。产生迟缓期的原因，认为是微生物接种到一个新的环境，暂时缺乏足够的能量和必需的生长因子，“种子”老化 ( 即处于非对数生长期 ) 或未充分活化，接种时造成的损伤等。在工业发酵和科研中迟缓期会增加生产周期而产生不利的影响，但是迟缓期无疑也是必需的，因为细胞分裂之前，细胞各成分的复制与装配等也需要时间，因此应该采取一定的措施： ① 通过遗传学方法改变种的遗传特性使迟缓期缩短； 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 适当扩大接种量等方式缩短迟缓期，克服不良的影响。

2 ．对数生长期 (log phase)

    又称指数生长期 (exponential Phase) 。细菌经过迟缓期进入对数生长期，并以最大的速率生长和分裂，导致细菌数量呈对数增加，而且细菌内各成分按比例有规律地增加，此时期内的细菌生长是平衡生长。对数生长期细菌的代谢活性、酶活性高而稳定，大小比较一致，生活力强，因而它广泛地在生产上用作“种子”和在科研上作为理想的实验材料。

3 ．稳定生长期 (stationary phase)

    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 ( 即细菌分裂增加的数量等于细菌死亡数量 ) ，结束对数生长期，进入稳定生长期。稳定生长期的话细菌数最高并维持稳定。如果及时采取措施，补充营养物质或取走代谢产物或改善培养条件，如对好氧菌进行通气、搅拌或振荡等可以延长稳定生长期，获得更多的菌体物质或代谢产物。

4 ．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，细菌死亡速率逐步增加和活细菌逐步减少，标志进入衰亡期。该时期细菌代谢活性降低，细菌衰老并出现自溶。该时期死亡的细菌以对数方式增加，但在衰亡期的后期，由于部分细菌产生抗性也会使细菌死亡的速率降低。

    此外，不同的微生物，甚至同一种微生物对不同物质的利用能力是不同的。有的物质可直接被利用 ( 例如葡萄糖或 NH 4 + 等 ) ；有的需要经过一定的适应期后才能获得利用能力 ( 例如乳糖或 NO 3 - 等 ) 。前者通常称为速效碳源 ( 或氮源 ) ，后者称为迟效碳源 ( 或氮源 ) 。当培养基中同时含有这两类碳源 ( 或氮源 ) 时，微生物在生长过程中会产生二次生长现象。

二、同步培养

    微生物个体生长是微生物群体生长的基础。但群体中每个个体可能分别是处于个体生长的不同阶段，因而它们的生长、生理与代谢活性等特性不一致，出现生长与分裂不同步的现象。同步培养 (synchronous culture) 是一种培养方法，它能使群体中不同步的细胞转变成能同时进行生长或分裂的群体细胞。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方式称为同步生长。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。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，它是一种理想的材料。

    用一般培养方法获得的细胞通常是不完全同步的细胞，就是同步培养方法获得的同步细胞经几次传代之后，也会出现不同步的现象。如何使不同步转变为同步，以及如何使用同步细胞能较长时间地保持同步，这是同步培养中要研究的课题。

    同步培养方法很多，可归纳为机械法与环境条件控制两类。

1 ．机械方法

    这是一类根据微生物细胞在不同生长阶段的细胞体积与质量或根据它们同某种材料结合能力不同的原理设计出来的方法。其中常用的有：

(1) 离心方法

    将不同步的细胞培养物悬浮在不被这种细菌利用的糖或葡聚糖的不同梯度溶液里，通过密度梯度离心将不同细胞分布成不同的细胞带，每一细胞带的细胞大致是处于同一生长期的细胞，分别将它们取出进行培养，就可以获得同步细胞。

(2) 过滤分离法

    将不同步的细胞培养物通过孔径大小不同微孔滤器，从而将大小不同的细胞分开，分别将滤液中的细胞取出进行培养，获得同步细胞。

(3) 硝酸纤维素滤膜法

    根据细菌能紧紧结合到硝酸纤维素滤膜上的特点，将细菌悬液通过垫有硝酸纤维素滤膜的过滤器，然后将滤膜颠倒过来，再将培养基流过滤器，以洗去末结合的细菌，然后将滤器放入适宜条件

    下培养一段时间，其后仍将培养基流过滤器，这时新分裂产生的细菌被洗下，分部收集并通过培养获得同步细胞。

2 ．环境条件控制技术

    这类技术是根据细菌生长与分裂对环境因子要求不同的原理设计的一类获得同步细胞的方法。

(1) 温度

    最适生长温度有利于细菌生长与分裂，不适宜温度如低温不利于细菌生长与分裂。通过适宜与不适宜温度的交替处理之后，通过培养可获得同步细胞。

(2) 培养基成分控制

    培养基中的碳、氮源或生长因子不足，可导致细菌缓慢生长直至生长停止。因此将不同步的细菌在营养不足的条件下培养一段时间，然后转移到营养丰富的培养基里培养，能获得同步细胞。另外也可以将不同步的细胞转接到含有一定浓度的，能抑制蛋白质等生物大分子合成的化学物质如抗生素等的培养基里，培养一段时间后，再转接到完全培养基里培养也能获得同步细胞。

(3) 其他

    对于光合细菌可以将不同步的细菌经光照培养后再转到黑暗中培养，这样通过光照和黑暗交替培养的方式可获得同步细胞；对于不同步的芽孢杆菌培养至绝大部分芽孢形成，然后经加热处理，杀死营养细胞，最后转接到新的培养基里，经培养可获得同步细胞。

    环境条件控制获得同步细胞的机理不完全了解。这种处理可能是导致胞内某些物质合成，它合成和积累可导致细胞分裂，从而获得同步细胞。

三、连续培养

    连续培养 (continous culture of microorganisms) 是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。根据生长曲线，营养物质的消耗和代谢产物的积累是导致微生物生长停止的主要原因。因此在微生物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。

    在连续培养里，培养容器中细菌的数量一方面以比生长速率的数量增加，同时又在以稀释率的数量减少。

    连续培养有两种类型，恒化器连续培养和恒浊器连续培养。前者是在整个培养过程中通过控制培养基中某种营养物质的浓度基本恒定的方式，保持细菌的比生长速率恒定，使生长“不断”进行。培养基中的某种营养物质通常是作为细菌比生长速率的控制因子，这类因子一般是氨基酸、氨和铵盐等氮源，或是葡萄糖、麦芽糖等碳源或者是无机盐，生长因子等物质。恒化器连续培养通常用于微生物学的研究，筛选不同的变种。后者主要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。菌液浓度大小通过光电系统调节稀释率来维持菌数恒定，此种培养方式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，从而获得更好的经济效益。

恒浊器连续培养与恒化器连续培养的比较

    连续培养如用于生产实践上，就称为连续发酵，连续发酵与单批发酵相比有许多优点： ① 高效，它简化了装料，灭菌、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、人力等资源。

    连续培养或连续发酵也有其缺点。最主要的是菌种易于退化。其次易遭杂菌污染。此外营养的利用率一般亦低于单批培养。

    在生产实践上，连续培养技术已广泛用于酵母菌体的生产，乙醇、乳酸和丙酮 - 丁醇等发酵。以及用假丝酵母进行石油脱蜡或是污水处理中。