微生物的生长及其控制

微生物的生长及其控制知识导图，介绍了测定生长繁殖的方式、微生物的生长规律、影响微生物生长的主要因素、微生物培养法等。

微生物的生长及其控制

• 测定生长繁殖的方式
  • 测生长量
    • 直接法
      • 测体积法
      • 称干重法
    • 间接法
      • 比浊法：可用分光光度法对无色微生物悬浮液进行测定
      • 生理指标法：根据测量与微生物生长量相平行的生理指标测量微生物生长量，常测指标有：含氮、碳、磷、DNA、RNA、ATP、DAP、几丁质量等
  • 计繁殖数
    • 直接法：用计数板在光学显微镜下直接观察细胞并进行计数的方法
    • 间接法
      • 平板菌落计数法：把稀释后的一定量样通过浇灌琼脂培养基或在琼脂平板上涂布的方法，让其内的微生物单细胞一一分散在琼脂平板上(内)，待培养后，每一活细胞就形成一个单菌落，此即“菌落形成单位”
      • 厌氧菌的菌落计数法：其主要原理是试管中的深层半固体琼脂有良好的厌氧性能，并利用其凝固前可作稀释用、凝固后又可代替琼脂平板作菌落计数用的良好性能
• 微生物的生长规律
  • 微生物的个体生长和同步生长
  • 单细胞微生物的典型生长曲线
    • 定义：以细胞数目的对数值作纵坐标，以培养时间作横坐标，就可画出一条由延滞期、指数期、稳定期和衰亡期4个阶段组成的曲线，这就是微生物的典型生长曲线
    • 延滞期
      • 特点
        • ①生长速率常数为零
        • ②细胞形态变大或增长，许多杆菌可长成丝状
        • ③细胞内的RNA尤其是rRNA含量增高，原生质呈碱性
        • ④合成代谢十分活跃，核糖体、酶类和ATP合成加速，易产生各种诱导酶
        • ⑤对外界不良条件如NaCl溶液浓度、温度和抗生素等理化因素反应敏感
      • 形成原因：代谢系统适应新环境的需要，细胞数目没有增加
      • 影响延滞期长短的因素
        • ①接种龄
        • ②接种量
        • ③培养基成分
        • ④种子损伤度
    • 指数期
      • 特点
        • ①生长速率常数R最大，因而细胞每分裂一次所需的时间——代时或原生质增加一倍所需的倍增时间最短
        • ②细胞进行平衡生长，故菌体各部分的成分十分均匀
        • ③酶系活跃，代谢旺盛
      • 影响指数期长短的因素
        • ①菌种
        • ②营养成分
        • ③营养物浓度
        • ④培养温度
    • 稳定期
      • 特点：生长速率常数R等于零，菌体产量达到了最高点，而且菌体产量与营养物质的消耗间呈现出有规律的比例关系，细胞内开始积聚糖原、异染颗粒和脂肪等内含物
      • 稳定期到来的原因
        • 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比不合适等
        • ③酸、醇、毒素或过氧化氢等有害代谢产物的累积
        • ④pH、氧化还原电势等物理化学条件越来越不适等
    • 衰亡期
      • 特点：微生物的个体死亡速度超过新生速度，细胞形态多发生变化
      • 原因：外界环境对微生物继续生长越来越不利，从而引起细胞内的分解代谢明显超过合成代谢，继而导致大量菌体死亡
  • 微生物的连续培养
    • 按控制方式分
      • 内控制（控制菌体密度）：恒浊器
      • 外控制（控制培养液流速及R）：恒化器
    • 按培养器串联级数分
      • 单级连续培养器
      • 多级连续培养器
    • 按细胞状态分
      • 一般连续培养器
      • 固定化细胞连续培养器
    • 按用途分
      • 实验室科研用：连续培养皿
      • 发酵生产用：大型连续发酵罐
  • 微生物的高密度培养
    • 指微生物在液体培养条件下细胞群体密度超过常规培养10倍以上时的生长状态或培养技术
    • 培养方法
      • ①选取最佳培养基成分和各成分含量
      • ②适时补料
      • ③提高溶解氧的浓度
      • ④防止有害代谢产物的生成
      • ⑤保持合适的pH
• 影响微生物生长的主要因素
  • 温度
    • 微生物的生命活动由生物化学反应组成，受温度影响及其明显，同时温度还影响生物大分子的物理状态
    • 3个指标
      • 最低生长温度
      • 最适生长温度
      • 最高生长温度
  • 氧气
    • 好氧菌
      • 专性好氧菌：需氧，在正常大气压下通过呼吸产能
      • 兼性厌氧菌
        • 以呼吸为主，兼营发酵产能
        • 以呼吸为主，兼营厌氧呼吸产能
      • 微好氧菌：需在微量氧下生活
    • 厌氧菌
      • 耐氧菌：不需氧，只以发酵产能，氧无毒害
      • （严格）厌氧菌：氧有害或致死，以发酵或无氧呼吸产能
  • pH
    • 不同微生物的生长pH存在最低、最适与最高3个数值
    • 调节
      • “治标”
        • 过酸时：加NaOH、NaCO3等碱液中和
        • 过碱时：加H2SO4、HCl等酸液中和
      • “治本”
        • 过酸时
          • 加适当氮源：加尿素、硝酸钠、一水合氨或蛋白质等
          • 提高通气量
        • 过碱时
          • 加适当碳源：加糖、乳酸、乙酸、柠檬酸或油脂等
          • 降低通气量
• 微生物培养法
  • 实验室培养法
    • 固体培养法
      • 好氧菌：主要使用试管斜面、培养皿琼脂平板以及较大型的克氏扁瓶、茄子瓶等进行平板培养
      • 厌氧菌
        • 培养基中加入适当还原剂，必要时加入刃天青等氧化还原电势指示剂
        • 具体方法
          • 高层琼脂柱
          • 厌氧培养皿
          • 亨盖特滚管技术
          • 厌氧罐
          • 厌氧手套箱
    • 液体培养法
      • 好氧菌
        • 原理：增加培养液与氧的接触面积或提高氧的分压来提高溶氧速率
        • 具体措施
          • ①浅层液体静止培养
          • ②将三角瓶内培养物放在摇床上作摇瓶培养
          • ③在深层液体底部通入加压空气，并用气体分布器使其形成均匀、密集的微小气泡
          • ④对培养液进行机械搅拌，并在培养器的壁上设置阻挡装置
        • 好氧培养法
          • (1)试管液体培养 装液量可多可少。此法通气效果不够理想，仅适合培养兼性厌氧菌。
          • (2)三角瓶浅层液体培养在静止状态下，其通气量与装液量和通气塞的状态关系密切。此法一般仅适用于兼性厌氧菌的培养。
          • (3)摇瓶培养又称振荡培养。一般将三角瓶内培养液的瓶口用8层纱布包扎，以利通气和防止杂菌污染，同时减少瓶内装液量，把它放在往复式或旋转式摇床上作有节奏的振荡，以达到提高溶氧量的目的。
          • (4)台式发酵罐 这是一种利用现代高科技制成的实验室研究用的发酵罐，体积一般为数升至数十升(1~150L)，有良好的通气、搅拌及其他各种必要装置，并有多种传感器，自动记录和用计算机的调控装置。
      • 厌氧菌：厌氧菌的液体培养在实验室中对厌氧菌进行液体培养时，若放入上述厌氧罐或厌氧手套箱中培养，就不必提供额外的培养措施；若单独放在有氧环境下培养，则在培养基中必须加入巯基乙酸、半胱氨酸、维生素C或庖内(牛肉小颗粒)等有机还原剂，或加入铁丝等能显著降低氧化还原电势的无机还原剂，在此基础上，再用深层培养或同时在液面上封一层石蜡油或几土林-石蜡油，则可保证培养基的氧化还原电势
  • 生产实践中培养微生物的装置
    • 固态培养法
    • 液体培养法
• 有害微生物的控制
  • 控制有害菌的措施
    • 杀灭法
      • 灭菌：彻底杀灭
        • 杀菌
        • 溶菌
      • 消毒：部分杀灭（仅杀灭病原体）
    • 抑制法
      • 防腐：抑制霉腐微生物
      • 化疗：抑制宿主体内的病原菌
  • 物理灭菌因素
    • 高温灭菌
      • 干热灭菌法
        • 火焰灼烧法
        • 烘箱内热空气灭菌法
      • 湿热灭菌（消毒）法
        • 常压法
          • 巴氏消毒法
            • LTH法
            • HTST法
          • 煮沸消毒法
          • 间歇灭菌法
        • 加压法
          • 常规加压蒸汽灭菌法
          • 连续加压蒸汽灭菌法
    • 影响加压蒸汽灭菌效果的因素
      • ①被灭菌体含菌量
      • ②灭菌锅内空气排除程度
      • ③灭菌对象的pH
      • ④灭菌对象的体积
      • ⑤加热与散热速度
    • 高温对培养基成分的有害影响及其防治
      • 有害影响
        • 形成沉淀物
          • 有机物：如多肽类沉淀
          • 无机物：如 磷酸盐、碳酸盐等沉淀物
        • 破坏营养，提高色泽
          • 褐变：产生氨基糖、焦糖或黑色素
          • 毒变
        • 改变培养基的pH（一般为降低）
        • 降低培养基浓度（气温低时会增加冷凝水）
      • 防止方法
        • 采用特殊加热灭菌法
          • ①对易破坏的的含糖培养基进行灭菌时，应将糖液与其他成分作分别灭菌，待灭菌后再予以合并
          • ②含钙离子或铁离子的培养基应与磷酸盐成分作分别灭菌，灭菌后再混合，这样就不易形成磷酸盐沉淀
          • ③对含有易被高温破坏成分的培养基，应进行抵押灭菌或间歇灭菌
          • ④在大规模发酵工业中，对培养基可采用连续加压蒸汽灭菌法
        • 过滤除菌法：使用过滤器对培养液中某些不耐热的成分进行过滤法除菌，无法过滤病毒和噬菌体
        • 其他方法
  • 化学杀菌剂、消毒剂和治疗剂
    • 表面消毒剂：表面消毒剂对一切活细胞、病毒粒和生物大分子都有毒性，不能作用于活细胞或机体内治疗，是化学药剂
    • 化学治疗剂
      • 抗代谢药物
        • 定义：是指一类在化学结构上与细胞内必要代谢物的结构相似，并可干扰正常代谢活动的化学物质
        • 作用
          • ①与正常代谢物一起共同竞争酶的活性中心，从而使微生物正常代谢所需的重要物质无法正常合成
          • ②“假冒”正常代谢物，使微生物合成出无正常生理活性的假产物
          • ③某些抗代谢药物与某一生化合成途径的终产物的结构类似，可通过反馈调节破坏正常代谢调节机制
        • 代表——磺胺类药物：磺胺为PABA的结构类似物，两者发生竞争性拮抗作用，TMP能增强磺胺的抑制作用
      • 抗生素
        • 定义：抗生素是一类由微生物或其他生物在生命活动过程中合成的次生代谢产物或其人工衍生物，它们在很低浓度时就能抑制或干扰他种生物(包括病原菌、病毒、癌细胞等)的生命活动，因而可用作优良的化学治疗剂。
        • 种类
          • 抑制细胞壁的合成
          • 引起细胞壁降解
          • 干扰细胞膜功能
          • 抑制蛋白质合成
          • 抑制DNA合成
          • 抑制DNA复制
          • 抑制RNA转录
          • 抑制RNA合成