微生物生长动力学课件.ppt

第五章第五章 微生物生长动力学微生物生长动力学第一节第一节 微生物生长的基本特征微生物生长的基本特征微生物的种类（可分为三大类）：、非细胞型微生物（病毒）；、原核细胞型微生物，仅有原始细胞核，如细菌、放线菌等；、真核细胞型微生物，霉菌、酵母菌和单细胞藻类，原生动物。微生物的作用：微生物的作用：微生物是生物反应过程的催化剂，催化原料转化为有用的产品；微生物如同一个微小的容器，原料中的反应物透过微生物细胞周围的细胞壁和细胞膜进入微生物体内，把反应物转化为产物，接着这些产物又被释放出来。一、生长现象与繁殖方式一、生长现象与繁殖方式微生物可分为成三大类：、非细胞型微生物学（病毒）；、是原核细胞型微生物仅有原始细胞核，如细菌、放线菌等；、是真核细胞型微生物，霉菌、酵母菌和单细胞藻类，原生动物。表表5-1 5-1 微生物的生长现象与繁殖方式微生物的生长现象与繁殖方式类 别生长特征繁殖方式细菌个体增重和增大 分裂繁殖放线菌、霉菌菌丝伸长和分支霉菌-无性孢子、有性孢子酵母菌个体增重和增大 出芽生殖放线菌-无性孢子n n微生物细胞在生长过程中的变化：微生物细胞在生长过程中的变化：其形态、组成、活性都处在动态变化过程中，其形态、组成、活性都处在动态变化过程中，使其经历生长、繁殖、维持、死亡等阶段。使其经历生长、繁殖、维持、死亡等阶段。并使反应系统中的环境条件也处在动态变化之并使反应系统中的环境条件也处在动态变化之中。中。n n微生物细胞的基本组成：微生物细胞的基本组成：蛋白质、脂肪、碳水化合物、核酸等。蛋白质、脂肪、碳水化合物、核酸等。二、生长的测定二、生长的测定 n n微生物生长的测定，通常是测群体的重量或细胞数，而不是测细胞个体的重量或大小。n n生长测定的常用理化方法，分为测定细胞数和细胞重量两类。n n营养物消耗分析法营养物消耗分析法 测定培养基中不用于合成代谢产物的营养物（磷酸盐、硫酸盐等）的消耗，由此间接表示细胞重量的生长 n n产物重量分析法产物重量分析法 测定培养中途形成的二氧化碳，氢，ATP等产物，由此间接地换算出细胞重量的生长 第二节第二节 微生物生长动力学微生物生长动力学 n n什么是微生物生长动力学？什么是微生物生长动力学？微生物生长动力学是研究微生物生长过程的速微生物生长动力学是研究微生物生长过程的速率及其影响速率的各种因素，从而获得相关信率及其影响速率的各种因素，从而获得相关信息。微生物生长动力学可反映细胞适应环境变息。微生物生长动力学可反映细胞适应环境变化的能力。化的能力。一、微生物生长曲线微生物生长曲线n n 细胞的生长过程可以用细胞浓度的变化来描述和表达。若取细胞浓度的对数值与细胞生长时间对应作图，可得到分批培养时的细胞浓度变化曲线。分批培养细胞的五个生长阶段n n延迟期：细胞浓度无明显变化n n对数期：细胞浓度随时间呈指数生长n n减速期：细胞的生长速率开始减缓n n静止期：细胞浓度不再增加，为最大值n n衰亡期：细胞开始死亡，细胞生长速率 为负值二、微生物生长动力学二、微生物生长动力学1 1 1 1、比生长速率、比生长速率、比生长速率、比生长速率 若细胞物质或细胞数目增长一倍的时间间隔是常数，则微生物是以指数速率增长，可用数学模型来描述。（1）（2）式（式（1 1）表明，细胞物质随时间的增加而增加）表明，细胞物质随时间的增加而增加 式（式（2 2）表明，细胞数目随时间的增加而增加）表明，细胞数目随时间的增加而增加 若为常数，则：对式（1）积分得：在大多数情况下，生长是以物质的增加衡量的，因而 得到应用。此式可在t=td（td为倍增时间）时求得，td即在 时所需时间，于是td=ln2/=0.693/。为比生长速率，单位是 h-1。例题：某微生物的 0.125 h-1，求td。比生长速率的意义比生长速率的意义 比生长速率是菌体繁殖速率与培养基中菌体浓度之比，它与微生物的生命活动有联系 在对数生长期，是一个常数，这时 2、无抑制的细胞生长动力学、无抑制的细胞生长动力学 Monod方程方程 现代细胞生长动力学的奠基人Monod在1942年指出，在培养基中无抑制剂存在的情况下，细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系可用下式表示：Monod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设如下：细胞的生长为均衡式生长，因此描述细胞 生长的唯一变量是细胞的浓度；培养基中只有一种基质是生长限制性基 质，而其它组分为过量，不影响细胞的生长；细胞的生长视为简单的单一反应，细胞生长 速率为一常数。Monod方程中 为比生长速率(h-1)；为最大比生长速率(h-1)，S为限制性基质浓度(gL)；Ks为饱和常数(g/L)，其值等于比生长速率为最大比生长速率一半时的限制性基质浓度。细胞的比生长速率与限制性基质浓度的细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系关系 将Monod方程变为 并作图。通过该图，即可以获得两个 重要的动力学参数。Ks和和m值随菌种、限制性基质种类值随菌种、限制性基质种类的变化的变化微生物限制生长基质Ksm（hr）大肠杆菌葡萄糖0.22-大肠杆菌乳糖0.58-啤酒酵母乳糖2.63.00.18啤酒酵母葡萄糖0.56-纤维素分解菌葡萄糖0.860.125固氮菌葡萄糖0.160.330.13青霉菌氧气0.0070.35 Monod方程虽然表述简单，但它不足以完整地说明复杂的生化反应过程，并且已发现它在某些情况与实验结果不符，因此人们又提出了另外一些方程,归纳于下表 单基质限制的细胞生长动力学模型单基质限制的细胞生长动力学模型三、生长的测定三、生长的测定 n n微生物生长的测定，通常是测群体的重量或细胞数，而不是测细胞个体的重量或大小。n n生长的测定常用理化方法，分为测定细胞数和细胞重量两类。1、计数器计数法 n n浊度计比浊法浊度计比浊法 测定稀的细胞悬液的透光量，间接测出细胞测定稀的细胞悬液的透光量，间接测出细胞数量的生长数量的生长 n n计数器计数法计数器计数法 在显微镜下用血球计数器直接数出酵母菌或在显微镜下用血球计数器直接数出酵母菌或霉菌孢子数目，以及用细菌计数片直接测出霉菌孢子数目，以及用细菌计数片直接测出细菌数的生长细菌数的生长 2、测定细胞重量测定细胞重量n n细胞干重称量法细胞干重称量法 直接测定单位体积培养物的细胞干重，由此代表菌体细胞物质总量的生长n n细胞堆积容积测量法细胞堆积容积测量法 用锥形刻度管测量经离心的细胞沉淀物的容积，由此间接表示细胞重量的生长 n n细胞组成分析法细胞组成分析法 测定一种大分子的细胞组成(蛋白质、RNA、DNA等)，间接地算出细胞重量的生长 n n营养物消耗分析法营养物消耗分析法 测定培养基中不用于合成代谢产物的营养物（磷酸盐、硫酸盐等）的消耗，由此间接表示细胞重量的生长 n n产物重量分析法产物重量分析法 测定培养中途形成的二氧化碳，氢，ATP等产物，由此间接地换算出细胞重量的生长