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微生物的生理微生物的生理微生物的生理微生物的生理3.1 3.1 微生物的营养微生物的营养3.2 3.2 微生物的生长微生物的生长3.3 3.3 微生物生长的控制微生物生长的控制3.4 3.4 微生物的代谢微生物的代谢微生物的生理微生物的生理 大量矿物质元素是磷、硫、钾、钠、钙、镁、铁等。磷和硫需要量最大，磷在微生物生长与繁殖过程中起着重要的作用。它既是合成核酸、核蛋白、磷脂与其他含磷化合物的重要元素，也是许多酶与辅酶的重要元素。硫是胱氨酸、半胱氨酸、甲硫氨酸的组成元素之一，因而它也是构成蛋白质的主要元素之一。钠、钙、镁等是细胞中某些酶的激活剂。微生物的生理微生物的生理 微量元素是锌、钼、锰、钴、硼、碘、镍、铜、钒等，这些元素一般是参与酶蛋白的组成，或者能使许多酶活化，它们的存在会大大提高机体的代谢能力，如果微生物在生长过程中，缺乏这些元素，会导致机体生理活性降低，或导致生长过程停止。微量元素通常混杂存在其他营养物质中，如果没有特殊原因，在配制培养基的过程中没有必要另外加入，因为过量的微量元素反而对微生物起到毒害作用。微生物的生理微生物的生理3.1.1.4 生长因子 生长因子（growth factor）通常指那些微生物生长所必需而且需要量很小的，但微生物自身不能合成的，必须在培养基中加入的有机营养物。生长因子是指维生素、氨基酸、嘌呤、嘧淀等。而狭义的生长因子仅指维生素。缺少这些生长因子会影响各种酶的活性，新陈代谢就不能正常进行。微生物的生理微生物的生理3.1.1.5 水 水是微生物细胞主要的组成成分，它大约占鲜重的70%90%。不同种类微生物细胞含水量不同。同种微生物处于生长的不同时期或不同的环境其水分含量也有差异，幼龄菌含水量较多，衰老和休眠体含水量较少。微生物所含的水分以游离水和结合水两种状态存在，两者的生理作用不同。结合水不具有一般水的特性，不能流动，不易蒸发，不冻结，不能作为溶剂，也不能渗透。游离水则与之相反，具有一般水的特性，能流动，容易从细胞中排出，并能作为溶剂，帮助水溶性物质进出细胞。微生物的生理微生物的生理3.1.2 3.1.2 微生物的营养类型微生物的营养类型 由于各种微生物的生活环境和对不同营养物质的利用能力不同，它们的营养需要和代谢方式也不尽相同。根据微生物所要求的碳源不同（无机碳化合物或有机碳合化物），可以将它们分为自养微生物和异养微生物两大类。自养微生物以CO2为唯一的碳源，能够在完全无机的环境中生长。而异养微生物的生长则至少需要有一种有机物存在，它们不能以CO2作为唯一的碳源。微生物的生理微生物的生理 根据微生物所利用的能源的不同，又可将微生物分为两种能量代谢类型，一种是吸收光能来维持其生命活动的，称为光能微生物，另一类是利用吸收的营养物质降解产生化学能，称为化能微生物。将以上两种分类方法结合起来，我们可以把微生物的营养类型归纳为光能自养型、化能自养型、光能异养型和化能异养型四种类型。微生物的生理微生物的生理3.2.1.1 光能自养型微生物 这类微生物利用光作为生长所需要的能源，以CO2作为碳源。光能自养微生物都含有光合色素，能够进行光合作用。但是必须注意，光合细菌的光合作用与高等绿色植物的光合作用有所区别。在高等绿色植物的光合作用中，水是同化CO2时的还原剂，同时释放出氧。而在光合细菌中，则是以H2S、Na2S2O3等无机化合物作为供氢体来还原CO2，从而合成细胞有机物的。例如绿硫细菌以H2S为供氧体，它们的光合作用可以概括为：微生物的生理微生物的生理3.1.2.2 化能自养型微生物 这类微生物的能源来自无机物氧化所产生的化学能。碳源是CO2或碳酸盐。常见的化能自养微生物有硫化细菌、硝化细菌、氢细菌、铁细菌、一氧化碳细菌和甲烷氧化细菌等。它们分别以硫、还原态硫化物、氨，亚硝酸、氢、二价铁、一氧化碳和甲烷作为能源。硝化细菌在自然界的氮素循环中起着重要作用，它们使自然界中的氨转化为亚硝酸、硝酸，提高了土壤的肥力。硫化细菌可用来处理矿石，浸出一些金属矿物。这样的处理方法被叫做湿法冶金。在农业上，硫化细菌则被用来改造碱性土壤。微生物的生理微生物的生理 化能自养微生物一般需消耗ATP，促使电子沿电子传递链逆向传递，以取得固定CO2时所必需的NADHH+。因此这类菌的生长较为缓慢。3.1.2.3 光能异养型微生物 这类微生物利用光作为能源。不能在完全无机化合物的坏境中生长，需利用有机化合物作为供氢体来还原CO2，合成细胞有机物质。例如，红螺细菌利用异丙醇作为供氢体，进行光合作用，并积累丙酮酸。微生物的生理微生物的生理3.1.2.4 化能异养型微生物 这类微生物所需要的能源来自有机物氧化所产生的化学能，它们只能利用有机化合物。如；淀粉、糖类、纤维素、有机酸等。因此有机碳化物对这类微生物来说既是碳源也是能源。它们的氮素营养可以是有机物，如蛋白质，也可以是无机物，如硝酸铵等。化能异养微生物又可分为腐生的和寄生的两类。前者是利用无生命的有机物，而后者则是寄生在活的有机体内，从寄主体内获得营养物质，在腐生和寄生之间存在着不同程度的既可腐生又可寄生的中间类型，称为兼性腐生或兼性寄生。微生物的生理微生物的生理3.1.3 3.1.3 微生物对营养的吸收方式微生物对营养的吸收方式 外界环境或培养基中的营养物质只有被微生物吸收到细胞内，才能被微生物逐步分解与利用。微生物对营养物质的吸收是借助于细胞膜的半渗透特性及其结构特点，以不同的方式来吸收营养物质和水分的。但不同的物质对细胞膜的渗透性不一样，根据对细胞膜结构以及物质传递的研究，目前一般认为营养物质主要以单纯扩散、促进扩散、主动运输和基团转位四种方式透过微生物细胞膜。微生物的生理微生物的生理3.1.3.1 单纯扩散 在微生物营养物质的吸收方式中，单纯扩散是通过细胞膜进行内外物质交换最简单的一种方式。营养微生物通过分子不规则运动通过细胞膜中的小孔进入细胞，其特点是物质由高浓度的细胞外向低浓度的细胞内扩散（浓度梯度），这是一种单纯的物理扩散作用。一旦细胞膜内外的物质浓度达到平衡（即浓度梯度消失），简单扩散也就达到动态平衡。微生物的生理微生物的生理 但实际上，进入微生物细胞的物质不断地被生长代谢所利用，浓度不断降低，细胞外的物质不断地进入细胞。这种扩散是非特异性的，没有运载蛋白质（渗透酶）的参与，也不与膜上的分子发生反应，本身的分子结构也不发生变化。但膜上的小孔的大小和形状对被扩散的营养物质分子大小有一定的选择性。由于单纯扩散不需要能量的作用，因此，物质不能进行逆浓度交换。单纯扩散的物质的主要是一些小分子的物质，如水、一些气体（O2、CO2）、有些无机离子及水溶性的小分子物质（甘油、乙醇等）。微生物的生理微生物的生理3.1.3.2 促进扩散 促进扩散也是一种物质运输方式，它与单纯扩散的方式相类似，营养物质在运输过程中不需要能量，物质本身在分子结构上也不会发生变化，不能进行逆浓度运输，运输的速率随着细胞内外该物质浓度差的缩小而降低，直至膜内外的浓度差消失，从而达到动态平衡。所不同的是这种物质运输方式需要借助于细胞膜上的一种称为渗透酶的特异性蛋白（运载营养物质）参与物质的运输，这样加速了营养物质的透过程度，以满足微生物细胞代谢的需要。而且每种渗透酶只运输相应的物质，即对被运输的物质有高度的专一性。微生物的生理微生物的生理3.1.3.3 主动运输 如果微生物仅依靠单纯扩散和促进扩散这两种方式对营养物质的吸收只能从高浓度到低浓度的扩散，这样微生物就不能吸收低于细胞内浓度的外界营养物质，生长代谢就会受到限制。实际上微生物细胞中的有些物质以高于细胞外的浓度在细胞内积累。如大肠杆菌在生长期中，细胞中的钾离子浓度比细胞外环境高许多倍。以乳糖为碳源的微生物，细胞内的乳糖浓度比细胞外高于500倍。可见主动运输的特点是营养物质由低浓度向高浓度进行，是逆浓度梯度的。微生物的生理微生物的生理 因此这种物质的运输过程不仅需要渗透酶，还需要代谢能量（ATP）的参与。目前研究的比较深入的是大肠杆菌对乳糖的吸收，其细胞膜的渗透酶为-半乳糖苷酶，它可以在细胞内外特异性地与乳糖结合（在膜内结合程度比膜外小），在代谢能（ATP）的作用下，酶蛋白构型发生变化而使乳糖达到膜内，并在膜内降低其对乳糖的亲和力而在膜内释放出来，从而实现乳糖由细胞外的低浓度向细胞内的高浓度运输。微生物的生理微生物的生理3.1.3.4 基团转位 在微生物对营养物质的吸收过程中，还有一种特殊的运输方式叫基团转位，这种方式除了具有主动运输的特点外，主要是被运输的物质改变的其本身的性质，有些化学基团被转移到被运输的营养物质上。如许多的糖及糖的衍生物在运输中由细菌的磷酸酶系统催化，使其磷酸化，这样磷酸基团被转移到糖分子上，以磷酸糖的形式进入细胞。基团转位可转运葡萄糖、甘露糖、果糖、和-半乳糖苷以及嘌呤、嘧淀、乙酸等，但不能运输氨基酸。这个运输系统主要存在于兼厌氧菌和厌氧菌中，也有研究表明，某些好氧菌，如枯草杆菌和巨大芽孢杆菌也利用磷酸转移酶系统将葡萄糖运输到细胞内。微生物的生理微生物的生理3.1.4 3.1.4 培养基培养基 培养基是经人工配制而成的并适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质。是研究微生物的形态构造、生理功能以及生产微生物制品等方面的物质基础。由于各种微生物所需要的营养物质不同，所以培养基的种类很多，但无论何种培养基，都应当具备满足所要培养的微生物生长代谢所必需的营养物质。我们配制培养基不但需要根据不同微生物的营养要求，加入适当种类和数量的营养物质，并要注意一定的碳氮比（C/N），还要调节适宜的酸碱度(pH)，保持适当的氧化还原电位和渗透压。微生物的生理微生物的生理3.1.4.1 配制培养基的基本原则 （1）根据不同微生物的对营养的要求 所有的微生物的生长每殖都需要培养基中含有碳源、氮源、无机盐、生长因子等，但不同的微生物对营养物质的需求是不一样的。因此，在配制培养基时，首先要考虑不同微生物的营养需求，如果是自养型的微生物则主要考虑无机碳源，异养型的微生物主要提供有机碳源外，还要考虑加入适量的无机矿物质元素，有些微生物在培养时还需加入一定的生长因子，如在培养乳酸细菌时，要求在培养基中加入一些氨基酸和维生素等才能很好地生长。微生物的生理微生物的生理 （2）根据营养物质的浓度及配比 只有培养基中营养物质的浓度合适时微生物才能生长良好。营养物质过低时，不能满足微生物生长需要，浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用。如培养基中高浓度的糖类、无机盐、生长因子不仅不能促进微生物生长，反而对微生物有杀死或抑制其生长。另外，培养基中营养物质的配比也直接影响微生物的生长繁殖及代谢产物的积累。尤其是碳氮比（C/N）影响最明显。如在利用微生物发酵生产谷氨酸时，C/N为4/l时菌体大量繁殖，积累少量谷氨酸；当C/N为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸的产量则明显增加。微生物的生理微生物的生理 不同的微生物菌种要求不同的C/N比，同一菌种，在不同的生长时期也有不同的要求，一般在发酵工业，在配制发酵培养基时对C/N比的要求比较严格，因为C/N比例对发酵产物的积累影响很大。种子培养基营养越丰富对菌体生长越有利，尤其是N源要丰富。微生物的生理微生物的生理 （3）适当的pH 培养基的pH必须控制的不同范围内，才能满足不同微生物的生长繁殖或产生代谢产物。不同类型的微生物的生长繁殖或积累代谢产物的最适pH条件各不相同。一般来说，大多数细菌的最适pH 值在7.08.0范围，放线菌要求pH 值在 7.58.5，酵母要求pH 值在3.86.0，霉菌适宜的pH值在4.05.8。另外，微生物在生长代谢过程中，由于营养物质被分解和代谢产物的形成与积累，可引起pH值的变化，对于大多数的微生物来说，主要是由于酸性产物使培养基pH下降，这种变化往往影响微生物的生长和繁殖。所以在配制培养基中需加一些缓冲剂来维持培养基pH的相对恒定。常用的缓冲剂有磷酸盐类或碳酸钙缓冲剂。微生物的生理微生物的生理 （4）培养基中原料的选择 在配制培养基时，应尽量利用廉价且获得的原料作为培养基的成分，特别是发酵工业中，培养基用量大，选择培养基的原料时，除了必须考虑容易被微生物利用以及满足工艺要求外，还应考虑经济价值。尤其是应尽量减少主粮的利用，采用以副产品代用原材料的方法。如微生物单细胞蛋白的生产中主要是以纤维水解物，废糖蜜等代替淀粉，葡萄糖等。大量的农副产品如麸皮、米糠、花生饼、豆饼、酒糟、酵母浸膏等都是常用的发酵工业培养基的原料。微生物的生理微生物的生理3.1.4.2培养基的类型及应用 （1）根据营养成分划分 天然培养基。指利用天然的有机物配制而成的培养基。例如牛肉膏、麦芽汁，豆芽汁、麦曲汁，马铃薯，玉米粉，麸皮，花生饼粉等制成的培养基。天然培养基的特点是配制方便、营养全面而丰富、价格低廉，适合于各类异养微生物生长，并适于大规模培养微生物之用。缺点是它们的成分复杂，不同单位生产的或同一单位不同批次所提供的产品成分也不稳定，一般自养型微生物则不能在这类培养基上生长。微生物的生理微生物的生理 合成培养基。是由化学成分完全了解的物质配制而成的培养基，也称化学限定培养基。如高氏1号培养基和查氏培养基就属于此种类型。此类培养基优点是成分精确、重复性较强，一般用于实验室进行营养代谢、分类鉴定和菌种选育等工作。缺点是配制料复杂，微生物在此类培养基上生长缓慢，成本较高，不适宜用于大规模的生产。半合成培养基。用一部分天然的有机物作为碳源、氮源及生长素等物质，并适当补充无机盐类，这样配制的培养基称为半合成培养基。如实验室中使用的马铃薯蔗糖培养基属于半合成培养基。此类培养基用途最广，大多数微生物都在此类培养基上生长。微生物的生理微生物的生理 （2）根据物理状态来划分 液体培养基。把各种营养物质溶于水中，混合制成水溶液，调节适当的pH，成为液体状的培养基质。液体培养基培养微生物时，通过搅拌可以增加培养基的通气量，同时使营养物质分布均匀，有利于微生物的生长和积累代谢产物。常用于大规模工业化生产和实验室观察微生物生长特征及应用方面的研究。固体培养基。在液体培养基中加入一定量的凝固剂，如琼脂（1.5%2.0%）、明胶等煮沸冷却后，使其凝成固体状态。常作为观察、鉴定、活菌计数和分离纯化微生物的培养基。微生物的生理微生物的生理 半固体培养基。加入少量的凝固剂（0.5%0.8%的琼脂）则成半固体状的培养基。常用来观察微生物的运动特征、分类鉴定及噬菌体效价滴定等。（3）根据用途划分 增殖培养基(加富培养基)。根据某种微生物的生长要求，加入有利于这种微生物生长繁殖而不适合其他微生物生长的营养物质配制的培养基，这种培养基称为增殖培养基或称为加富培养基。这种培养基常用于菌种分离筛选。微生物的生理微生物的生理 鉴别培养基。根据微生物代谢特点通过指示剂的显色反应以鉴定不同种类的微生物的培养基，称为鉴别培养基。选择培养基。是用来将某种微生物从混杂的微生物群体中分离出来的培养基。根据不同种类微生物的特殊营养要求或对某种化学物质的敏感性不同，在培养基中加入特殊的营养物质或化学物质以抑制不需要微生物的生长，而促进某种需要菌的生长，这类培养基叫选择培养基。微生物的生理微生物的生理3.2 3.2 微生物的生长微生物的生长 3.2.1 3.2.1 微生物生长与繁殖微生物生长与繁殖 微生物在适宜的条件下，不断从周围环境中吸收营养物质，并转化为细胞物质的组分和结构。同化作用的速度超过了异化作用，使个体细胞质量和体积增加，称为生长。单细胞微生物，如细菌个体细胞增大是有限的，体积增大到一定程度就会分裂，分裂成两个大小相似的子细胞，子细胞又重复上述过程，使细胞数目增加，称为繁殖。单细胞微生物的生长实际是以群体细胞数目的增加为标志的。霉菌和放线菌等丝状微生物的生长主要表现为菌丝的伸长和分枝，其细胞数目的增加并不伴随着个体数目的增多而增加。微生物的生理微生物的生理 因此，其生长通常以菌丝的长度、体积及重量的增加来衡量，只有通过形成无性孢子或有性孢子使其个体数目增加才叫繁殖。生长与繁殖的关系是：个体生长个体繁殖群体生长群体生长个体生长个体繁殖 除了特定的目的以外，在微生物的研究和应用中只有群体的生长才有实际意义，因此，在微生物学中提到的“生长”均指群体生长。这一点与研究高等生物时有所不同。微生物的生理微生物的生理3.2.2微生物生长量的测定方法 研究微生物生长的对象是群体，那么测定微生物生长繁殖的方法既可以选择测定细胞数量，也可以选择测定细胞生物量。3.2.2.1 细胞数量的测定 （1）稀释平板菌落计数法 是一种最常用的活菌计数法。在大多数的研究和生产活动中，人们往往更需要了解活菌数的消长情况。从理论上讲,在高度稀释条件下每一个活的单细胞均能繁殖成一个菌落，因而可以用培养的方法使每个活细胞生长成一个单独的菌落，并通过长出的菌落数去推算菌悬液中的活菌数，因此菌落数就是待测样品所含的活菌数。此法所得到的数值往往比直接法测定的数字小。微生物的生理微生物的生理 稀释平板计数法可分为两种方法：一种是涂布法，另一种是倾注法。涂布平板法是将一定体积样品菌液稀释后取一定量涂布于平板表面，在最适条件下培养后，从平板上出现的菌落数乘菌液的稀释度，即可算出原菌液的含菌数。倾注法是将经过灭菌冷却至4550的琼脂培养基与稀释后一定量的样品在平皿中混匀，凝固后进行培养，然后进行计数。微生物的生理微生物的生理 这种方法在操作时，有较高的技术要求。其中最重要的是应使样品充分混匀，并让每支移液管只能接触一个稀释度的菌液。有人认为，对原菌液浓度为109个/mL的微生物来说，如果第一次稀释即采用10-4级（用10l菌液至100mL无菌水中），第二次采用10-2级（吸1mL上述稀释液至100mL无菌水中），然后再吸此菌液0.2mL进行表面涂布和菌落计数，则所得的结果最为精确。其主要原因是，一般的吸管壁常因存在油脂而影响计数的精确度（有时误差竟高达15）。该法的缺点是程序麻烦,费工费时，操作者需有熟练的技术。而且在混合微生物样品中只能测定占优势并能在供试培养基上生长的类群。微生物的生理微生物的生理 （2）血球计数板法 血球计数板是一块特制的载玻片，计数是在计数室内进行的，即将一定稀释度的细胞悬液加到固定体积的计数器小室内，在显微镜下观测小室内细胞的个数，计算出样品中细胞的浓度，稀释浓度以记数室中的小格含有45个细胞为宜。由于计数室的体积是一定（0.1mL）的，这样可根据计数出来的数字，就可以算出单位体积菌液内的菌体总数。但一般情况下，要取一定数量的计数室进行计数，在算出计数室的平均菌数后，再进行计算。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，其中包括死亡的个体和存活的个体，要想测定活菌的个数，还必须借助其他方法配合。微生物的生理微生物的生理 （3）液体稀释培养法 对未知菌样作连续10倍系列稀释。根据估计数，从最适宜的3个连续10倍稀释液中各取5mL试样，接种到3组共15支装有培养液的试管中（每管接入1mL）。经培养后，记录每个稀释度出现生长的试管数，然后查MPN（most probable number）表，再根据样品的稀释倍数就可以算出其中的活菌量。该法常用于食品中微生物的检测，例如饮用水和牛奶的微生物限量检查。微生物的生理微生物的生理 （4）比浊法 在细菌培养生长过程中，由于细胞数量的增加，会引起培养物混浊度的增高，使光线透过量降低。在一定浓度范围内，悬液中细胞的数量与透光量成反比，与光密度成正比。比浊管是用不同浓度的BaCl2与稀H2SO4配制成的10支试管，其中形成的BaSO4有10个梯度，分别代表10个相对的细菌浓度（预先用相应的细菌测定）。某一未知浓度的菌液只要在透射光下用肉眼与某一比浊管进行比较，如果两者透光度相当，即可目测出该菌液的大致浓度。如果要作精确测定，则可用分光光度计进行。在可见光的450650nm波段内均可测定。微生物的生理微生物的生理3.2.2.2 细胞生物量的测定 （1）称干重法 即测定单位体积的培养物中细菌的干质量。该法要求培养物中没有除菌体外的固体颗粒，对单细胞及多细胞均适用。可用离心法或过滤法测定，一般菌体干重为湿重的10%20%。在离心法中，将待测培养液放入离心管中，用清水离心洗涤15次后，进行干燥。干燥温度可采用105、100或红外线烘干，也可在较低的温度（80或40）下进行真空干燥，然后称干重。以细菌为例，一个细胞一般重约10-1210-13g。微生物的生理微生物的生理 另一种方法为过滤法。丝状真菌可用滤纸过滤，而细菌则可用醋酸纤维膜等滤膜进行过滤。过滤后，细胞可用少量水洗涤，然后在40下真空干燥，称干重。以大肠杆菌为例，在液体培养物中，细胞的浓度可达2109个/mL。100mL培养物可得1090mg干重的细胞。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。（2）总氮量测定 大多数细菌的含氮量为其干重的12.5，酵母菌为7.5，霉菌为6.0。根据其含氮量再乘以6.25，即可测得粗蛋白的含量（其中包括杂环氮和氧化型氮），然后再换算成生物量。微生物的生理微生物的生理 （3）DNA含量测定 DNA在各种细胞内的含量最为稳定，不会因加入营养物而发生变化。尽管DNA测定方法较繁琐，费用也高，但在某些特殊情况下，DNA测定可发挥其特殊的的优势，如固定化载体内的微生物含量一般无法用直接法测定，但可以将载体粉碎后测定DNA来估算微生物的细胞数 （4）代谢活动法 从细胞代谢产物来估算，在有氧发酵中，CO2是细胞代谢的产物，它与微生物生长密切相关。在全自动发酵罐中大多采用红外线气体分析仪来测定发酵产生的CO2量，进而估算出微生物的生长量。微生物的生理微生物的生理3.2.3微生物生长规律3.2.3.1 微生物群体的生长规律 根据对某些单细胞微生物在封闭式容器中进行分批（纯）培养的研究，发现在适宜条件下，不同微生物的细胞生长繁殖有严格的规律性。单细胞的微生物，如细菌、酵母菌在液体培养基中，可以均匀地分布，每个细胞接触的环境条件相同，都有充分的营养物质，故每个细胞都迅速地生长繁殖。霉菌多数是多细胞微生物，菌体呈丝状，在液体培养基中生长繁殖的情况与单细胞微生物不一样。如果采取摇床培养，则霉菌在液体培养中的生长繁殖情况，近似于单细胞微生物，因液体被搅动，菌丝处于分布比较均匀的状态，而且菌丝在生长繁殖过程中不会象在固体培养基上那样有分化现象，孢子产生也较少。微生物的生理微生物的生理 （1）微生物的生长曲线 将少量单细胞微生物纯菌种接种到新鲜的液体培养基中，在最适条件下培养，在培养过程中定时测定细胞数量，以细胞数的对数为纵坐标，时间为横坐标，可以画出一条有规律的曲线，这就是微生物的生长曲线（growth curve）。生长曲线严格说应称为繁殖曲线，因为单细胞微生物，如细菌等都以细菌数增加作为生长指标。这条曲线代表了细菌在新的适宜环境中生长繁殖至衰老死亡的动态变化。根据细菌生长繁殖速度的不同可将其分为四个时期（见图3-1）。微生物的生理微生物的生理1适应期；2对数生长期；3稳定期；4衰亡期 图3-1 细菌的生长曲线 微生物的生理微生物的生理 延滞期（lag phase）又叫适应期。是指微生物接种到新的培养基中，一般不立即进行繁殖，生长速率常数为零，需要经一段时间自身调整，诱导合成必要的酶、辅酶或合成某些中间代谢产物。此时，细胞重量增加，体积增大，但不分裂繁殖，细胞长轴伸长（如巨大芽孢杆菌的长度由3.4m增长到9.119.8m），细胞质均匀，DNA含量高。细胞内RNA尤其是rRNA含量增高，原生质体嗜碱性。对外界不良条件的反应敏感。微生物的生理微生物的生理 在发酵工业，为提高生产效率，除了选择合适的菌种外，常要采取措施缩短延滞期。其主要方法有：a.以对数期的种子接种，因对数期的菌种生长代谢旺盛，繁殖力强，则子代培养期的适应期就短。b.适当增加接种量。生产上接种量的多少是影响延滞期的的一个重要因素。接种量大，延滞期短，反之则长。一般采用3%8%，接种量，根据不同的微生物及生产具体情况而定，一般不超过1/10接种量。微生物的生理微生物的生理 c.培养基成分。现在发酵生产中，常采用发酵培养的成分与种子培养基的成分相近。因为微生物生长在营养丰富的天然培养基中要比生长在营养单调的合成培养基中延滞期短。适应期的出现，可能是微生物刚被接种到新鲜培养基的中，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产物，为产生诱导或合成有关的中间代谢物，就需要有一适应过程，于是就出现了生长的延滞。微生物的生理微生物的生理 对数生长期（logarithmic phase）又称指数生长期。是指在生长曲线中，紧接着延滞期后的一段时期。此时的菌体通过对新的环境适应后，细胞代谢活性最强，生长旺盛，分裂速度按几何级数增加，群体形态与生理特征最一致，抵抗不良环境的能力最强。其生长曲线表现为一条上升的直线。在对数生长期，每一种微生物的世代时间（细胞每分裂一次所需要的时间）是一定的，这是微生物菌种的一个重要特征。以分裂增殖时间t除以分裂增殖代数（n），即可求出每增一代所需的时间（G）。微生物的生理微生物的生理 设对数期开始时的时间为t1，活菌数为，经培养时间t2后，活菌数为，则 两边到对数得：所以：世代时间：则 微生物的生理微生物的生理 从上式可以看出，在一定时间内，菌体细胞分裂次数愈多，世代时间越短，分裂速度越快。不同微生物菌体其对数生长期中的世代时间不同，同一种微生物在不同培养基组分和不同环境条件下，如培养温度、培养基pH值、营养物性质等，世代时间也不同。但每种微生物在一定条件下，其世代时间是相对稳定的。繁殖最快的世代时间只有9.8min左右，最慢的世代时间长达33h，多数种类世代时间为2030min。如表3-2。微生物的生理微生物的生理 影响微生物对数期增代时间的因素很多，主要有：菌种、营养成分、营养物浓度、培养温度。细菌 培养基 温度（）代时（min）漂浮假单胞菌 肉汤 27 9.8 大肠杆菌 肉汤 37 17 乳酸链球菌 牛乳 37 26 金黄色葡萄球菌 肉汤 37 2730 枯草芽孢杆菌 肉汤 25 2632 嗜酸乳杆菌 牛乳 376687 嗜热芽孢杆菌 肉汤 55 18.3 大豆根瘤菌 葡萄糖 25 344461 表3-2几种细菌在最适条件下生长的世代时间 微生物的生理微生物的生理 稳定期(stationary phase)又称最高生长期。在一定溶剂的培养基中，由于微生物经对数生长期的旺盛生长后，某些营养物质被消耗，有害代谢产物积累以及pH值、氧化还原电位、无机离子浓度等变化，限制了菌体继续高速度增殖，初期细菌分裂间隔的时间开始延长，曲线上升逐渐缓慢。随后，部分细胞停止分裂，少数细胞开始死亡，使新增殖的细胞数与老细胞死亡数几乎相等，处于动态平衡，细菌数达到最高水平，接着死亡数超过新增殖数，曲线出现下降趋势。这时，细胞内开始积累贮藏物质如肝糖原、异染颗粒、脂肪滴等，大多数芽孢细菌在此时形成芽孢。同时，发酵液中细菌的产物的积累逐渐增多，是发酵目的产物生成的重要阶段（如抗生素等）。微生物的生理微生物的生理 衰亡期(decay phase)。稳定期后，环境变得不适合于细菌的生长，细胞生活力衰退，死亡率增加，以致细胞死亡数大大超过新生数，细菌总数急剧下降，这时期称为衰亡期。这个时期细胞常出现多形态等畸形以及液泡，有许多菌在衰亡期后期常产生自溶现象，使工业生产中后处理过滤困难。产生衰亡期的原因主要是外界环境对继续生长的细菌越来越不利，从而引起细菌细胞内的分解代谢大大超过合成代谢，导致菌体死亡。微生物的生理微生物的生理 （2）细菌的个体生长与同步生长 在分批培养中，细菌群体以一定速率生长，但所有细胞并非同时进行分裂，即使培养中的细胞处于同一生长阶段，它们的生理状态和代谢活动也不完全一样。要研究每个细胞所发生的变化是很困难的。为了解决这一问题，就必须设法使微生物群体处于同一发育阶段，使群体和个体行为变得一致，所有的细胞都能同时分裂，因而发展了单细胞的同步培养技术。即设法使群体中的所有细胞尽可能都处于同样细胞生长和分裂周期中，然后分析此群体的各种生物化学特征，从而了解单个细胞所发生的变化。微生物的生理微生物的生理 获得细菌同步培养的方法主要有两类，其一是通过调整环境条件来诱导同步性，如通过变换温度、光线或对处于稳定期的培养物添加新鲜培养基等来诱导同步；其二是选择法（又称机械法），它是利用物理方法从不同步的细菌群体中选择出同步的群体，一般可用过滤分离法或梯度离心法来达到。在这两种方法中，由于诱导法可能导致与正常细胞循环周期不同的周期变化，所以不及选择法好，这在生理学研究中尤其明显。微生物的生理微生物的生理 在选择法中，有代表性的是硝酸纤维素薄膜法。其大致过程为：将菌液通过装有硝酸纤维素滤膜的过滤器，由于细菌与滤膜带有不同的电荷，所以处于不同生长阶段的细菌均附着在膜上；将膜翻转，再用新鲜的培养液滤过培养；附着在膜上的细菌开始分裂，分裂的子细胞不能与薄膜直接接触，由于菌体自身重量，加上它附带的培养液的重量，使菌体下落到收集器内；收集器在短时间内获得的细菌都处于同一分裂阶段的新细胞，用这些细胞接种培养，于是就获得了同步生长。微生物的生理微生物的生理3.2.3.2 微生物连续培养法 连续培养又叫开放培养，是相对分批培养或密闭培养而言的。在分批培养中，培养基是一次性加入，不再补充，随着微生物的生长繁殖活跃，营养物质逐渐消耗，有害代谢产物不断积累，细菌的对数生长期不可能长时间维持。连续培养是在研究生长曲线的基础上，认识到了稳定期到来的原因，采取在培养器中不断补充新鲜营养物质，并搅拌均匀；另一方面，及时不断地以同样速度排出培养物（包括菌体和代谢产物）。这样，培养物就达动态平衡，其中的微生物可长期保持在对数期的平衡生长状态和稳定的生长速率上。此法是目前发酵工业的发展方向。微生物的生理微生物的生理 连续培养的方法主要有恒浊连续培养和恒化连续培养两类。（1）恒浊连续培养 用浊度计来检测培养液中菌液浓度，使培养液中细菌的浓度恒定的培养方法称为恒浊培养。所涉及的培养和控制装置称为恒浊器。当恒浊器中浊度超过预期数值时，可促使培养液流速加快，使浊度下降；浊度计低于预期数值时，流速减慢，使浊度增加。这种方法可自动地进行控制，使培养物维持一定的浊度。浊度下降，表明体系中有丰富营养物质，浊度的改变是培养物中的菌体数量的标志。微生物的生理微生物的生理 在恒浊器中通过控制培养液的流速，从而获得密度高、生长速度恒定的微生物细胞的连续培养液。微生物在恒浊器中，始终能以最高生长速率进行生长，并可在允许范围内控制不同的菌体密度。在生产实践上，为了获得大量菌体或与菌体生长相平行的某些代谢产物如乳酸、乙醇时，可以采用恒浊法。微生物的生理微生物的生理 （2）恒化连续培养 控制恒定的流速，使培养器内营养物质的浓度基本恒定，使细菌生长所消耗的物质及时得到补充，从而维持细菌恒定的生长速率的一种连续培养方法称为恒化培养。当营养物浓度偏高时，并不影响微生物的生长速度，而当营养物浓度较低时，则影响菌体生长速度，而且在一定范围内，生长速率与营养物浓度成正比关系。营养物质浓度的确定往往是将培养基中的一种微生物生长所必需的营养物控制在较低的浓度下，作为限制生长的因子，其他营养物是过量的。通过控制生长因子的浓度，来保持菌体恒定的生长速率。常用的限制性生长因子一般是氮源、碳源、无机盐或其他生长因子等。微生物的生理微生物的生理 恒化法主要用于实验室的科学研究中，特别是用于与生长速率相关的各种理论研究中。连续培养如用于发酵工业中，就称为连续发酵。连续发酵与分批发酵相比有许多优点：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；自控。便于利用各种仪表进行自动控制；产品的质量较稳定；节约了大量动力、人力、水和蒸气，且使水、汽、电的负荷均匀合理。微生物的生理微生物的生理 连续培养或连续发酵也有一定的缺点。最主要的缺点是菌种易于退化，处于长期高速繁殖下的微生物，即使其自发突变率极低，也无法避免变异的发生，尤其易发生比原生产菌株生长速率更高、营养要求低和代谢产物少的负变类型；其次是易受杂菌污染，在长期运转中，要保持各种设备无渗漏，尤其是通气系统不出任何故障，是极其困难的。因此，连续培养是有时间限制的，一般可达数月至一二年。此外，在连续培养中，营养物质的利用率一般也低于分批培养。微生物的生理微生物的生理3.2.3.3 影响微生物生长的环境因素 影响微生物生长的外界因素很多，除了营养物质，还有许多物理、化学因素。当环境条件的改变在一定限度内，可引起微生物形态、生理、生长、繁殖等特征的改变；当环境条件的变化超过一定极限时，则导致微生物的死亡。研究环境条件与微生物之间的相互关系，有助于了解微生物在自然界的分布与作用，也可指导人们在食品加工过程中有效地控制微生物的生命活动，保证食品的安全性，延长食品的货架期。影响微生物生长的环境因素主要是温度、水、pH、氧气等。微生物的生理微生物的生理 （1）温度 温度是影响微生物生长繁殖最重要的因素之一。在一定温度范围内，机体的代谢活动与生长繁殖随着温度的上升而增加，当温度上升到一定程度，开始对机体产生不利的影响，如再继续升高，则细胞功能急剧下降以至死亡。与其他生物一样，任何微生物的生长温度尽管有高有低，但总有最低生长温度、最适生长温度和最高生长温度这三个重要指标，这就是生长温度的三个基本点。最低生长温度是指微生物能进行繁殖的最低温度界限。处于这种温度条件下的微生物生长速率很低，如果低于此温度则生长完全停止。微生物的生理微生物的生理 最适生长温度是指某微生物分裂的世代时间最短或生长速率最高时的培养温度。但是，同一微生物，不同的生理生化过程有着不同的最适温度，也就是说，最适生长温度并不等于生长量最高时的培养温度，也不等于发酵速度最高时的培养温度或累积代谢产物量最高时的培养温度。因此，生产上要根据微生物不同生理代谢过程温度的特点，采用分段式变温培养或发酵。例如，嗜热链球菌的最适生长温度为37，最适发酵温度为47，累积产物的最适温度为37。最高生长温度是指微生物生长繁殖的最高温度界限。在此温度下，微生物细胞易于衰老和死亡。微生物所能适应的最高生长温度与其细胞内酶的性质有关。例如细胞色素氧化酶以及各种脱氢酶的最低破坏温度常与该菌的最高生长温度有关。微生物的生理微生物的生理 微生物按其生长温度范围可分为低温型微生物、中温型微生物和高温型微生物三类，见表3-3。微生物类型 生长温度范围（）分布的主要处所 最低 最适 最高 低温型 专性嗜冷 12 515 1520 两极地区 兼性嗜冷 50 1020 2530 海水及冷藏食品上 中温型 室温 1020 2035 4045 腐生环境 体温 1020 3540 4045 寄生环境 高温型 2545 5060 7095 温泉、堆肥、土壤 表3-3不同温型微生物的生长温度范围 微生物的生理微生物的生理 低温型微生物，又称嗜冷微生物。可在较低的温度下生长。它们常分布在地球两极地区的水域和土壤中，即使在其微小的液态水间歇中也有微生物的存在。常见的产碱杆菌属、假单胞菌属、黄杆菌属、微球菌属等常使冷藏食品腐败变质。有些肉类上的霉菌在零下10仍能生长，如芽枝霉；荧光极毛菌可在零下4生长，并造成冷冻食品腐败变质。低温也能抑制微生物的生长。在0以下，菌体内的水分冻结，生化反应无法进行而停止生长。有些微生物在冰点下就会死亡，主要原因是细胞内水分变成了冰晶，造成细胞脱水或细胞膜的物理损伤。因此，生产上常用低温保藏食品，各种食品的保藏温度不同，分为寒冷温度、冷藏温度和冻藏温度。微生物的生理微生物的生理 寒冷温度：指在室温（1415）和冷藏温度之间的温度。嗜冷微生物能在这一温度范围内生长，但生长比较缓慢，保藏食品的有效期较短，一般仅适宜于保藏果蔬食品。冷藏温度：指在05之间的温度。在这一温度范围内，微生物的生命活动已显著减弱，可用于储存果蔬、鱼肉、禽蛋、乳类等食品。冻藏温度：指低于0以下的温度。在-18以下的