ch4 微生物的生長(zhǎng)繁殖與遺傳變異

Chapter4微生物的生長(zhǎng)繁殖與遺傳變異第一節(jié)微生物的生長(zhǎng)生長(zhǎng)：微生物在適宜的環(huán)境條件下，不斷吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、按照自己的特點(diǎn)代謝。如果同化超過(guò)異化作用則表現(xiàn)為原生質(zhì)增加，體積增大，細(xì)胞生長(zhǎng)。繁殖：任何微生物細(xì)胞生長(zhǎng)增大是有限度的，生長(zhǎng)到一定階段，發(fā)生分裂。對(duì)于單細(xì)胞生物來(lái)說(shuō)，分裂表現(xiàn)為個(gè)體數(shù)目增多，則是繁殖；對(duì)多細(xì)胞微生物，如果細(xì)胞增多而個(gè)體數(shù)不增多則仍是生長(zhǎng)，只有增加個(gè)體數(shù)目才是繁殖。一般講，生長(zhǎng)是指?jìng)€(gè)體的生長(zhǎng)，包括繁殖。微生物從生長(zhǎng)到繁殖的過(guò)程稱為發(fā)育。一、細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線：一般來(lái)說(shuō)，細(xì)菌的生長(zhǎng)速度隨著時(shí)間和環(huán)境的改變而迅速改變，在適宜的條件下，細(xì)菌大量繁殖，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)迅速消耗，而代謝產(chǎn)物、排泄物等有毒物質(zhì)增加、或PH通氣等條件改變、生長(zhǎng)速度則隨之下降，然后大量死亡。當(dāng)少量的單細(xì)胞微生物（細(xì)菌）不能培養(yǎng)接種于新鮮的培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)時(shí)，由于每一個(gè)體所處的環(huán)境條件相同，都能充分迅速的生長(zhǎng)繁殖、在培養(yǎng)條件不變的情況下，定時(shí)取樣計(jì)算細(xì)胞數(shù)目，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以菌數(shù)對(duì)數(shù)為縱坐標(biāo)制成曲線，稱為細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線。從這以曲線可以看出明顯分為幾個(gè)時(shí)期。延遲期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、穩(wěn)定生長(zhǎng)期和衰亡期（一）、延遲期當(dāng)細(xì)菌被轉(zhuǎn)入一新鮮的液體培養(yǎng)基中后并不立即繁殖，而是需要一段時(shí)間來(lái)適應(yīng)新的環(huán)境，最初菌數(shù)并不增加或減少，但它們?nèi)匀徽Ｎ諣I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，細(xì)胞體積隨之增大，原生質(zhì)變得均勻，貯藏物質(zhì)逐漸消失，然后開(kāi)始繁殖，由慢到快。延遲期在初期階段細(xì)胞對(duì)外界環(huán)境不敏感，但處于延遲期后期階段，則極為敏感，如對(duì)高溫、低溫、高濃度鹽溶液等都是如此。這是因?yàn)榻臃N新環(huán)境的細(xì)胞經(jīng)短暫的適應(yīng)后要合成大量的核酸蛋白質(zhì)等以備迅速繁殖之用的結(jié)果。應(yīng)用：誘變育種延遲期的長(zhǎng)短受很多因素限制：1.細(xì)菌種類；2.接種量；3.前后培養(yǎng)基成分；4.培養(yǎng)條件。（二）對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期：延遲期末，細(xì)菌細(xì)胞開(kāi)始分裂，基質(zhì)中細(xì)胞迅速增加，進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期。在這一時(shí)期，細(xì)菌細(xì)胞數(shù)量呈幾何級(jí)數(shù)增加。細(xì)胞生長(zhǎng)旺盛、細(xì)胞數(shù)量的增加與原生質(zhì)量的增加及菌液混濁度的增加呈正相關(guān)。如果以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以菌數(shù)為縱坐標(biāo)作圖，得一直線。因?yàn)榧?xì)胞為一分為二的繁殖，所以菌體的增加也呈幾何倍數(shù)。即：1，21，22，23，24……2n。這里指數(shù)n表示細(xì)菌分裂的次數(shù)，單個(gè)細(xì)胞完成一次分裂所需的時(shí)間稱為世代時(shí)間（G）各種不同的細(xì)菌在不同的條件下的世代時(shí)間是不同的。但一種細(xì)菌在同一條件下則世代時(shí)間相對(duì)穩(wěn)定，如果在一定時(shí)間t內(nèi)細(xì)菌共繁殖了n次，則世代時(shí)間G表示為：因此：或t＝nG如果在一對(duì)數(shù)生長(zhǎng)階段現(xiàn)測(cè)得細(xì)胞數(shù)為B，t時(shí)間后又測(cè)得細(xì)胞數(shù)為b則有：b＝B?2n取對(duì)數(shù)得：lgb=lgB+nlg2得：n=lgb-lbB/lg2∴.n=3.3lgb/B∵G＝t/n∴例：某細(xì)菌培養(yǎng)體第一次測(cè)得菌數(shù)104/ml，4小時(shí)后又測(cè)得菌數(shù)為108/ml，求此菌的世代時(shí)間及在此世代時(shí)間內(nèi)的繁殖代數(shù)。解：因世代時(shí)間

T＝4小時(shí)＝240分鐘，b＝108/ml，B＝104/ml∴

＝＝18.2分鐘又：n＝t/GG＝18.2∴n＝240/18.2＝13.2代一般細(xì)菌細(xì)胞世代時(shí)間為20～30分鐘，有些短，有些長(zhǎng)。由于這一時(shí)間代謝旺盛，生長(zhǎng)速率快，菌體中細(xì)胞形態(tài)化學(xué)組成生理特征較為一致，在微生物生產(chǎn)中常用這一時(shí)期的細(xì)胞作為種子，試驗(yàn)及研究這也常以這一時(shí)期細(xì)胞做材料。（三）、最高穩(wěn)定生長(zhǎng)期：在一定體積的培養(yǎng)基中，由于營(yíng)養(yǎng)的限制，細(xì)胞不可能按對(duì)數(shù)期無(wú)限生長(zhǎng)，當(dāng)大量繁殖后，營(yíng)養(yǎng)被消耗及各種不良環(huán)境開(kāi)始出現(xiàn)，因此細(xì)胞的死亡速率開(kāi)始增加，繁殖速度開(kāi)始下降，當(dāng)繁殖與死亡速率相等時(shí)，細(xì)胞總數(shù)不再增加，培養(yǎng)液中單位體積的菌數(shù)達(dá)到最大值，并維持一定時(shí)間，這一時(shí)期就是最高穩(wěn)定生長(zhǎng)階段。這時(shí)培養(yǎng)基中的菌數(shù)為這一條件下所能養(yǎng)活的細(xì)菌的最高數(shù)額。特點(diǎn)：1、分裂速度降低；2、細(xì)胞內(nèi)貯存物質(zhì)大量積累；3、出現(xiàn)顆粒異集粒、脂肪粒等；4、芽孢細(xì)菌在這一階段形成芽孢5、細(xì)胞呈現(xiàn)衰亡。（四）、衰亡期最高穩(wěn)定期后，由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏、代謝產(chǎn)物及有毒物質(zhì)大量積累，造成不良環(huán)境條件，細(xì)胞生長(zhǎng)速率被限制，死亡速率迅速上升，這時(shí)時(shí)間與菌數(shù)的對(duì)數(shù)成反比。即：菌數(shù)呈幾何級(jí)數(shù)下降。特點(diǎn)：1、菌體出現(xiàn)多形態(tài)；2、生長(zhǎng)曲線急劇下降；3、菌體顆粒更明顯；4、原生質(zhì)中出現(xiàn)液泡；5、細(xì)胞常常自溶消亡。但這一時(shí)期少數(shù)細(xì)菌仍可存活相當(dāng)常的時(shí)間，細(xì)胞處于休眠狀態(tài)。應(yīng)用：

1、延遲期滅菌，選育優(yōu)良品種（因?yàn)檫z傳保守性差，易發(fā)生變異）

2、作為生產(chǎn)中的菌種種子，以提高產(chǎn)量

3、穩(wěn)定期因積累大量產(chǎn)物、以產(chǎn)物為產(chǎn)品的生產(chǎn)，此時(shí)收獲產(chǎn)量高。

4、衰亡期菌體成熟、形成芽孢、孢子、便于保存菌種。二、微生物生長(zhǎng)的測(cè)量方法：微生物，特別時(shí)單細(xì)胞微生物個(gè)體生長(zhǎng)實(shí)際上很難測(cè)定、實(shí)際應(yīng)用中靠測(cè)定整體的生長(zhǎng)量。（一）、單細(xì)胞微生物數(shù)量的測(cè)定1、細(xì)胞總數(shù)的測(cè)定：1）、涂片染色法：將定量的菌液在玻片上涂布成一定面積、干燥、固定、染色后在顯微鏡下直接計(jì)數(shù)，觀察10個(gè)以上視野，然后計(jì)算出每視野平均個(gè)數(shù)，再根據(jù)視野面積計(jì)算出總面積中的總菌數(shù)，乃至計(jì)算出原始菌液中的菌數(shù)。2）、細(xì)菌計(jì)數(shù)器顯微鏡觀察法：在特制的細(xì)菌計(jì)數(shù)器或血球計(jì)數(shù)板上進(jìn)行計(jì)數(shù)，取一定量的菌液、置于計(jì)數(shù)器載玻片與蓋玻片之間的計(jì)數(shù)室內(nèi)。這一計(jì)數(shù)室的體積室規(guī)定好的，在顯微鏡下計(jì)算一定面積的菌數(shù)，換算成計(jì)數(shù)室內(nèi)的細(xì)菌數(shù)，再算出原始菌液之菌數(shù)。3）、過(guò)濾膜濃縮計(jì)算法：對(duì)于含菌較少的含菌液，把菌液通過(guò)膜的過(guò)濾，然后進(jìn)行染色、計(jì)數(shù)，根據(jù)每視野的菌數(shù)及視野面積計(jì)算出原液中的含菌數(shù)。4）、比濁法：對(duì)于較濃的菌液，由于微生物的生長(zhǎng)量與濁度之間又一定關(guān)系，利用光電比色計(jì)或濁度計(jì)迅速測(cè)定菌液的濁度，然后在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查找出此濁度下的菌數(shù)值。2、活菌數(shù)的測(cè)定：1）、稀釋平板培養(yǎng)法：先將菌液做10倍系列稀釋、將最后三個(gè)稀釋度的菌液各取一定量與適當(dāng)?shù)墓腆w培養(yǎng)基混勻后制成固體平板（或在固體平板上涂布），待培養(yǎng)、生長(zhǎng)出菌落后，計(jì)算菌落數(shù)，求出平均值，然后乘以所稀釋的倍數(shù)，即得到原始菌液的菌數(shù)。2）、最可能計(jì)數(shù)（MPN）法：將菌液做10倍系列稀釋，菌數(shù)可以少到無(wú)菌、取3～5個(gè)，重復(fù)將各稀釋度在固體或液體培養(yǎng)基上培養(yǎng)后選取最后3個(gè)稀釋度中均生長(zhǎng)的管或皿作為數(shù)量指數(shù)，由？？分配表中查出近似值。再乘以水朗指數(shù)的第一個(gè)指數(shù)對(duì)應(yīng)的稀釋倍數(shù)即為菌數(shù)。3）、濾膜培養(yǎng)法：將菌種樣品通過(guò)帶有許多小孔又不讓細(xì)菌流出的微孔濾膜，借助膜的作用將細(xì)菌截留和濃縮，再將膜放于固體培養(yǎng)基表面培養(yǎng)，然后類似平板計(jì)數(shù)。（二）、生長(zhǎng)量的測(cè)定：1、直接測(cè)定——干重法：測(cè)定單位體積培養(yǎng)物中細(xì)胞的干重，表示生長(zhǎng)量。將菌體離心、洗滌、烘干，稱干重。2、間接測(cè)定：

1）、細(xì)胞含N量的測(cè)定，一般細(xì)菌含N量為原生質(zhì)干重的14％，通過(guò)獲得純菌體，以凱氏定N法測(cè)定。

2）、生理指標(biāo)法：以代謝作用消耗或產(chǎn)生的物質(zhì)量表示微生物的生長(zhǎng)量，如對(duì)蛋白質(zhì)沉卵、糖發(fā)酵產(chǎn)酸的產(chǎn)量、對(duì)O2的吸收量表示生長(zhǎng)量。第二節(jié)微生物的遺傳和變異遺傳：子代生物對(duì)其親代性狀的保持或生命在世代間的連續(xù)。變異：凡在遺傳物質(zhì)水平上發(fā)生了改變，從而引起某些相應(yīng)性狀發(fā)生變化。微生物靠遺傳保持特性的相對(duì)穩(wěn)定，靠變異產(chǎn)生新種以適應(yīng)新環(huán)境。一、微生物遺傳變異的特點(diǎn)：個(gè)體小、可直接與環(huán)境中的各種誘變因子作用，易于發(fā)生突變。由于繁殖快、生活周期短，因而發(fā)生的突變性狀見(jiàn)效快、有利與遺傳。由于微生物大多物性繁殖，因而變異后的個(gè)體易于保持并持續(xù)其新的特性。二、遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)——DNA性狀的決定：

1、酶、生理性狀即形態(tài)結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。

2、mRNA：酶及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)特征的決定。

3、DNA(RNA)：決定mRNA的結(jié)構(gòu)遺傳密碼。（一）、DNA的分子結(jié)構(gòu)：

1、基本分子組成：脫氧核糖

2、DNA單鏈：由各種核苷酸、磷酸及堿基連接而成多核苷酸

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)：兩個(gè)方向相反的單鏈分子嚴(yán)格地按堿基互補(bǔ)配對(duì)原則形成雙鏈。G＝C，A＝T，每個(gè)堿基對(duì)間的距離為3.4埃，直徑為20埃，但在單鏈分子中個(gè)核苷酸的位置是自由決定的。（二）基因：生物體內(nèi)具有自我復(fù)制能力的一串功能單位叫基因。是指由特定核苷酸順序的核酸區(qū)段。一個(gè)基因一般為1000個(gè)左右的核苷酸?；蚩刂聘鞣N蛋白質(zhì)的合成，因而控制遺傳性質(zhì)，而遺傳則并不是傳遞性狀，而是傳遞基因。為DNA的半保留復(fù)制。（三）DNA的功能：1、自體催化（自我復(fù)制）2、異體催化（控制Pr合成）三：遺傳信息的傳遞DNA序列的多樣性決定了蛋白質(zhì)的多樣性，從而決定了遺傳性狀的多樣性。將DNA的遺傳信息傳遞給蛋白質(zhì)的物質(zhì)是RNA。（一）RNA：○1nRNA○2dRNA○3rRNA結(jié)構(gòu)A、G、C、U結(jié)構(gòu)，單鏈結(jié)構(gòu)（二）遺傳密碼：指mRNA上特定的核苷酸順序，由三個(gè)核苷酸構(gòu)成。一個(gè)密碼決定了一種特定的氨基酸，是運(yùn)載信息的最基本單位。（三）遺傳信息的傳遞過(guò)程：轉(zhuǎn)錄和翻譯1、轉(zhuǎn)錄：以DNA為模板，按堿基互補(bǔ)原則在RNA合成酶的催化下，合成mRNA的過(guò)程稱為轉(zhuǎn)錄。通過(guò)轉(zhuǎn)錄DNA上的遺傳信息轉(zhuǎn)給mRNA，合成后帶遺傳信息的mRNA與蛋白體結(jié)合、構(gòu)成蛋白質(zhì)合成場(chǎng)所。2、翻譯：以mRNA為模板，在核蛋白體、基蛋白質(zhì)合成酶作用下，按照遺傳密碼確定的（控制的）氨基酸順序指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。四、遺傳工程遺傳工程又稱基因工程，是通過(guò)人工手段，獲得一種生物的遺傳物質(zhì)（DNA）的第一片段，在體外進(jìn)行切割、重組、形成新的遺傳物質(zhì)后再引入生物細(xì)胞中去，使這一遺傳性狀得到表達(dá)，從而得到新的生物品種的遺傳學(xué)技術(shù)。1、基因的分離：1).直接分離：