第五章微生物的生长繁殖

第五章微生物的生长繁殖与生存因子环境工程微生物学第一节微生物的生长繁殖第二节微生物的生存因子第三节其他不利环境因子对微生物的影响第四节微生物与微生物之间的关系第五节菌种的退化、复壮与保藏本章内容1.生长繁殖2.测量微生物生长的方法3.微生物的生长曲线4.生长曲线的应用第一节微生物的生长繁殖环境工程微生物学环境工程微生物学一、微生物生长繁殖的概念生长：微生物在适宜的环境下，不断吸收营养物质，按照自己的代谢方式进行新陈代谢活动，微生物的细胞不断迅速增长。繁殖：当细胞个体生长到一定程度时，由一个亲代细胞分裂为两个大小，形状与亲代细胞相似的子代细胞，使得个体数目增加。发育：从生长到繁殖的这个量变到质变的过程。环境工程微生物学群体生长：个体的进一步生长，就引起了群体的生长；群体的生长可以用重量、体积、个体浓度或密度指标来测定。群体生长＝个体生长+个体繁殖一般微生物的研究和应用中，只有群体的生长才有意义，所以通常讲的“生长”是指群体生长。关于微生物的个体和群体个体生长个体繁殖环境工程微生物学世代时间：细胞两次分裂之间的时间。专性厌氧菌的世代时间比好氧菌的长。当微生物的培养时间一定时，它的世代时间基本上也是稳定的。但是如果外界条件发生变化，世代时间也会变化。世代时间越短，繁殖速度越快。一般，原核微生物的繁殖速度大于真核微生物。好氧微生物快于厌氧微生物。环境工程微生物学举例：大肠杆菌在37℃的肉汤培养基中的培养时，世代时间是15min，在相同温度的牛乳培养基中，世代时间为12.5min。举例：原核微生物繁殖速度比真核微生物快，大肠杆菌的世代时间17min，天蓝喇叭虫的世代时间是32h。多细胞微生物的繁殖：细胞数目增加，个体数目也增加。多细胞微生物的生长：细胞数目增加，个体数目不增加；环境工程微生物学环境工程微生物学二、研究微生物生长的方法生长单个体微生物生长群体微生物生长分批培养连续培养环境工程微生物学（一）分批培养概念：将定量的微生物接种到封闭的具有定量培养基的容器中，保持一定的温度、pH、DO，微生物进行生长繁殖。生长曲线：将菌种接种在液体培养基中隔一定时间取样，计算细菌的个数、对数、干重为纵坐标，时间为横坐标的曲线。环境工程微生物学生长速率细菌数目的对数值0时间t0+_细菌生长的阶段可分为停滞期，加速期，对数期，减速期，静止期，衰亡期。环境工程微生物学细菌数目的对数值时间t提问：为什么会出现停滞期呢？特征：不立即进行细胞分裂、增殖，数量不变甚至减少适应环境（合成相应的）营养储备（用于复制合成）停滞期1.停滞期－“万事开头难”停滞期的特点环境工程微生物学①生长速率常数等于零；②细胞形态变大或增长；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；⑤对外界不良条件反应敏感。环境工程微生物学1.接种龄:1)对数期“种子”，停滞期较短；2)静止期期或衰亡期“种子”,停滞期较长；2.接种量：1)接种量大，停滞期较短；2)接种量小，停滞期较长。3.培养基成分:1)培养基成分丰富的,停滞期较短；2)培养基成分与种子培养基一致,停滞期较短。影响停滞期长短的因素环境工程微生物学在实际工作中，接种菌种以启动新的水处理设施，会出现或长或短的停滞期，增加操作时间，降低工作效率。提问：可以通过哪些手段缩短停滞期呢？引入高效菌群对数期的菌种增大接种量尽量保持接种前后所处的培养介质和条件一致环境工程微生物学2.对数期生长速率细菌数目的对数值0时间t0+_生长速率常数最大，细胞分裂的代时G最短；细菌总数的增加率和活菌数的增加率一致；对外界不良环境因素的抵抗力强；代谢活力强。指数期的微生物可作为代谢、生理等研究的良好材料，是发酵生产中用作“种子”的最佳种龄。环境工程微生物学x1，x2、t1,t2和t可由实验获得，n可通过上式计算得出。指数生长期的三个参数指数生长方式：1248……2n设接种时细胞数为x1,时间为t1,到时间t2后，繁殖n代，细胞数为x2，它们之间的相互关系为：X2=X1×2n以对数表示：logX2=logX1+nlog2n=3.3(logX2-logX1)■世代时间G生长速率常数R环境工程微生物学环境工程微生物学提问：细菌的代时与哪些因素有关？•如大肠杆菌在20℃时其代时是35℃条件下的2倍；•伤寒杆菌在含0.125％的蛋白胨培养基中的代时为800min，而在含1.0％时仅为40min。•菌种：不同菌种的代时差异极大•营养成分：营养越丰富，代时越短•营养物浓度：影响微生物的生长速率和总生长量•培养温度：影响微生物的生长速率环境工程微生物学3.静止期生长速率细菌数目的对数值0时间t0+_特点：★细胞数目不增加(R=0)，即处于新繁殖的细胞数与衰亡的细胞数相等，或正生长与负生长相等的动态平衡之中。又称最高生长期。★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一定的比例关系；★细胞长、大；★代谢旺盛(RNA含量增加)；★诱导酶迅速合成；★对不良条件敏感，抵抗力降低；环境工程微生物学稳定期到来的原因主要是：①营养物尤其是生长因子的耗尽；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。环境工程微生物学在稳定期时，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。应用稳定期是生产菌体或与菌体生长相平行的代谢产物的最佳收获期，也是对某些生长因子例如维生素和氨基酸等进行生物测定的必要前提。此外，由于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。注意三条曲线：生长曲线、底物消耗曲线、代谢产物合成曲线。环境工程微生物学4.衰亡期1.R为负值;2.细胞形态发生变化,出现不规则的衰退;生长速率细菌数目的对数值0时间t0+_特点3.细菌利用贮存物质进行内源呼吸;4.释放次生代谢产物，芽孢等;5.菌体开始自溶.环境工程微生物学•生长条件的进一步恶化，使细胞内的分解代谢大大超过合成代谢；•代谢毒物的累积。产生原因：☆活性污泥法的微生物的生长规律和纯菌种的一致，生长曲线也相似；一般划为三个阶段：生长上升阶段、生长下降阶段、内源呼吸阶段。环境工程微生物学（二）连续培养原理：进料=补足营养(“污染物”)出料=稀释菌浓度、毒物浓度其方式分为两种：1)恒浊连续培养2)恒化连续培养一方面连续进料，另一方面又连续出料。连续培养装置示意图环境工程微生物学恒浊——培养基浊度恒定（实质是细菌数量恒定）以浊度为控制指标。当浊度大时，加大进水流速，降低浊度；当浊度小时，降低流速，提高浊度。1）恒浊连续培养2）恒化连续培养恒化——进料营养物总量恒定恒定的流速进水，恒定流速出水；尤其适合污水生物处理。恒浊器：这是根据培养器内微生物的生长密度，并借光电控制系统来控制培养液流速，以取得菌体密度高、生长速度恒定的微生物细胞的连续培养器。在恒浊器中的微生物，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。连续培养的设备环境工程微生物学恒化器：与恒浊器相反，恒化器是一种设法使培养液流速保持不变，并使微生物始终在低于其最高生长速率条件下进行生长繁殖的一种连续培养装置。通过控制某一种营养物的浓度，使其始终成为生长限制因子的条件下达到的。环境工程微生物学环境工程微生物学目前,污水连续生物处理法均类似于恒化连续培养；（进料营养物总量,流速不完全恒定）环境工程微生物学在连续培养中，微生物的生长状态和规律与分批培养不同，往往是处在相当于分批培养中生长曲线的某一生长阶段。如：废水生物处理的连续运行过程中，活性污泥中的微生物处在相当于分批培养生长曲线的生长阶段：加速期或对数期，或静止期或衰亡期。连续培养微生物的生长规律环境工程微生物学活性污泥法污水处理系统，选择处于何种生长期的微生物？原则：根据进水水质有机物含量，利用不同生长阶段的微生物处理废水。三、细菌生长曲线在污(废)水生物处理中的应用污(废)水连续处理中的细菌生长状态跟具体的生物处理方法有关，不同的生物反应构筑物，细菌的生长状态可能不同，甚至在同一个构筑物中，不同位置的细菌生长状态也不同，但要以某种状态为主。环境工程微生物学常规的活性污泥法利用静止期的微生物原因：静止期的微生物代谢活力较强，体内储存的内含物，有利于絮凝和自行沉降。对数期的微生物，要求水质中高有机物含量，代谢最强，不利于自行絮凝。进水对数期衰老期稳定期占优势环境工程微生物学高负荷活性污泥法利用对数期的微生物生长繁殖快，能大量去除有机物延长曝气时间在8小时以上，有时1-3天，延长水力停留时间，增大进水量提高有机负荷细胞物质被氧化，没有污泥外排。延时曝气活性污泥法利用衰亡期的微生物P171图5-4，5-5环境工程微生物学一、测生长量直接法间接法测体积称干重比浊法生理指标法（测含氮量）比例计数法血球计数法直接法间接法液体稀释法平板菌落计数法二、测繁殖数2.微生物生长的测定方法P172-174最大或然数(mostprobablenumber，MPN)计数又称稀释培养计数，适用于测定在一个混杂的微生物群落中虽不占优势，但却具有特殊生理功能的类群。其特点是利用待测微生物的特殊生理功能的选择性来摆脱其他微生物类群的干扰，并通过该生理功能的表现来判断该类群微生物的存在和丰度。本法特别适合于测定土壤微生物中的特定生理群（如氨化、硝化、纤维素分解、固氮、硫化和反硫化细菌等）的数量和检测污水、牛奶及其他食品中特殊微生物类群（如大肠菌群）的数量，缺点是只适于进行特殊生理类群的测定，结果也较粗放，只有在因某种原因不能使用平板计数时才采用。环境工程微生物学MPN