微生物生長動力學(xué)公開課課件

第五章微生物生長動力學(xué)第一節(jié)微生物生長的基本特征微生物的種類（可分為三大類）：Ⅰ、非細(xì)胞型微生物（病毒）；Ⅱ、原核細(xì)胞型微生物，僅有原始細(xì)胞核，如細(xì)菌、放線菌等；Ⅲ、真核細(xì)胞型微生物，霉菌、酵母菌和單細(xì)胞藻類，原生動物。

微生物的作用：

微生物是生物反應(yīng)過程的催化劑，催化原料轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品；微生物如同一個微小的容器，原料中的反應(yīng)物透過微生物細(xì)胞周圍的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜進(jìn)入微生物體內(nèi)，把反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，接著這些產(chǎn)物又被釋放出來。

一、生長現(xiàn)象與繁殖方式

微生物可分為成三大類：Ⅰ、非細(xì)胞型微生物學(xué)（病毒）；Ⅱ、是原核細(xì)胞型微生物，僅有原始細(xì)胞核，如細(xì)菌、放線菌等；Ⅲ、是真核細(xì)胞型微生物，霉菌、酵母菌和單細(xì)胞藻類，原生動物。

表5-1微生物的生長現(xiàn)象與繁殖方式類別生長特征繁殖方式細(xì)菌個體增重和增大

分裂繁殖放線菌、霉菌菌絲伸長和分支霉菌----無性孢子、有性孢子酵母菌個體增重和增大出芽生殖放線菌----無性孢子微生物細(xì)胞在生長過程中的變化：

其形態(tài)、組成、活性都處在動態(tài)變化過程中，使其經(jīng)歷生長、繁殖、維持、死亡等階段。并使反應(yīng)系統(tǒng)中的環(huán)境條件也處在動態(tài)變化之中。微生物細(xì)胞的基本組成：蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、核酸等。

2、測定細(xì)胞重量

細(xì)胞干重稱量法直接測定單位體積培養(yǎng)物的細(xì)胞干重，由此代表菌體細(xì)胞物質(zhì)總量的生長細(xì)胞堆積容積測量法

用錐形刻度管測量經(jīng)離心的細(xì)胞沉淀物的容積，由此間接表示細(xì)胞重量的生長細(xì)胞組成分析法測定一種大分子的細(xì)胞組成(蛋白質(zhì)、RNA、DNA等)，間接地算出細(xì)胞重量的生長

營養(yǎng)物消耗分析法測定培養(yǎng)基中不用于合成代謝產(chǎn)物的營養(yǎng)物（磷酸鹽、硫酸鹽等）的消耗，由此間接表示細(xì)胞重量的生長產(chǎn)物重量分析法測定培養(yǎng)中途形成的二氧化碳，氫，ATP等產(chǎn)物，由此間接地?fù)Q算出細(xì)胞重量的生長第二節(jié)微生物生長動力學(xué)

什么是微生物生長動力學(xué)？微生物生長動力學(xué)是研究微生物生長過程的速率及其影響速率的各種因素，從而獲得相關(guān)信息。微生物生長動力學(xué)可反映細(xì)胞適應(yīng)環(huán)境變化的能力。

一、微生物生長曲線

細(xì)胞的生長過程可以用細(xì)胞濃度的變化來描述和表達(dá)。若取細(xì)胞濃度的對數(shù)值與細(xì)胞生長時間對應(yīng)作圖，可得到分批培養(yǎng)時的細(xì)胞濃度變化曲線。分批培養(yǎng)細(xì)胞的五個生長階段延遲期：細(xì)胞濃度無明顯變化對數(shù)期：細(xì)胞濃度隨時間呈指數(shù)生長減速期：細(xì)胞的生長速率開始減緩靜止期：細(xì)胞濃度不再增加，為最大值衰亡期：細(xì)胞開始死亡，細(xì)胞生長速率為負(fù)值二、微生物生長動力學(xué)1、比生長速率若細(xì)胞物質(zhì)或細(xì)胞數(shù)目增長一倍的時間間隔是常數(shù)，則微生物是以指數(shù)速率增長，可用數(shù)學(xué)模型來描述。（1）

（2）

式（1）表明，細(xì)胞物質(zhì)隨時間的增加而增加式（2）表明，細(xì)胞數(shù)目隨時間的增加而增加若μ為常數(shù)，則：

對式（1）積分得：

在大多數(shù)情況下，生長是以物質(zhì)的增加衡量的，因而得到應(yīng)用。此式可在△t=td（td為倍增時間）時求得，td即在時所需時間，于是td=ln2/μ=0.693/μ。

為比生長速率，單位是h-1。

例題：某微生物的＝0.125h-1，求td。

比生長速率的意義

比生長速率是菌體繁殖速率與培養(yǎng)基中菌體濃度之比，它與微生物的生命活動有聯(lián)系

在對數(shù)生長期，是一個常數(shù)，這時

2、無抑制的細(xì)胞生長動力學(xué)

——Monod方程

現(xiàn)代細(xì)胞生長動力學(xué)的奠基人Monod在1942年指出，在培養(yǎng)基中無抑制劑存在的情況下，細(xì)胞的比生長速率與限制性基質(zhì)濃度的關(guān)系可用下式表示：

Monod方程是典型的均衡生長模型，其基本假設(shè)如下：①細(xì)胞的生長為均衡式生長，因此描述細(xì)胞生長的唯一變量是細(xì)胞的濃度；②培養(yǎng)基中只有一種基質(zhì)是生長限制性基質(zhì)，而其它組分為過量，不影響細(xì)胞的生長；③

細(xì)胞的生長視為簡單的單一反應(yīng)，細(xì)胞生長速率為一常數(shù)。

Monod方程中為比生長速率(h-1)；為最大比生長速率(h-1)，S為限制性基質(zhì)濃度(g／L)；Ks為飽和常數(shù)(g/L)，其值等于比生長速率為最大比生長速率一半時的限制性基質(zhì)濃度。

細(xì)胞的比生長速率與限制性基質(zhì)濃度的關(guān)系將Monod方程變?yōu)椴⒆鲌D。通過該圖，即可以獲得兩個重要的動力學(xué)參數(shù)。Ks和μm值隨菌種、限制性基質(zhì)種類

的變化微生物限制生長基質(zhì)Ksμm（hr）大腸桿菌葡萄糖0.22--大腸桿菌乳糖0.58--啤酒酵母乳糖2.6~3.00.18啤酒酵母葡萄糖0.56--纖維素分解菌葡萄糖0.860.125固氮菌葡萄糖0.16~0.330.13青霉菌氧氣0.0070.35Monod方程雖然表述簡單，但它不足以完整地說明復(fù)雜的生化反應(yīng)過程，并且已發(fā)現(xiàn)它在某些情況與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符，因此人們又提出了另外一些方程,歸納于下表

單基質(zhì)限制的細(xì)胞生長動力學(xué)模型三、生長的測定

微生物生長的測定，通常是測群體的重量或細(xì)胞數(shù)，而不是測細(xì)胞個體的重量或大小。生長的測定常用理化方法，分為測定細(xì)胞數(shù)和細(xì)胞重量兩類。1、計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)法濁度計(jì)比濁法

測定稀的細(xì)胞懸液的透光量，間接測出細(xì)胞數(shù)量的生長

計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)法

在顯微鏡下用血球計(jì)數(shù)器直接數(shù)出酵母菌或霉菌孢子數(shù)目，以及用細(xì)菌計(jì)數(shù)片直接測出細(xì)菌數(shù)的生長

2、測定細(xì)胞重量

細(xì)胞干重稱量法直接測定單位體積培養(yǎng)物的細(xì)胞干重，由此代表菌體細(xì)胞物質(zhì)總量的生長細(xì)胞堆積容積測量法

用錐形刻度管測量經(jīng)離心的細(xì)胞沉淀物的容積，由此間接表示細(xì)胞重量的生長細(xì)胞組成分析法測定一種大分子的細(xì)胞組成(蛋白質(zhì)、RNA