發(fā)酵技術(shù)與調(diào)控,郭美錦生物工程學(xué)院,課程內(nèi)容,1 微生物生長分化調(diào)節(jié)的規(guī)律(1)細(xì)胞周期內(nèi)有關(guān)生長的活動，DNA合成與細(xì)胞分裂的調(diào)節(jié)(2)絲狀菌生長分化的調(diào)節(jié)2 初級代謝的調(diào)節(jié)機(jī)制(1)調(diào)節(jié)的生化基礎(chǔ)(2)代謝調(diào)節(jié)的方式與內(nèi)容：誘導(dǎo)、分解代謝物調(diào)節(jié)、反饋調(diào)節(jié),課程內(nèi)容,3 次級代謝物的生物合成的調(diào)節(jié)(1)次級代謝物的概念(2)生物合成的前體(3)次級代謝物的生物合成(4)抗生素生物合成的控制,課程內(nèi)容,4 發(fā)酵過程控制(1)控制的策略(2)參數(shù)的指導(dǎo)作用(3)參數(shù)相關(guān)分析(4)過程控制的評價(jià),主要參考書,現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學(xué)，儲炬，李友榮，化學(xué)工業(yè)出版社，北京。2002年1月Biotechnology, 2nd ed. Vol.1; Biological Fundamentals. Rehm H-JBBiotechnology, 3nd ed Vol.3;Bioprocessing. Rehm H-JB,緒論,一、發(fā)酵調(diào)控 學(xué)開設(shè)的必要性、目的意義全稱：發(fā)酵過程微生物的內(nèi)在調(diào)節(jié)與外部控制發(fā)酵工藝向來被認(rèn)為是門藝術(shù)而不是科學(xué)，完全憑經(jīng)驗(yàn)操縱。盡管生物系統(tǒng)發(fā)酵過程極其復(fù)雜，但由于有許多相關(guān)學(xué)科(生物化學(xué)、分子遺傳學(xué)、計(jì)算科學(xué))的迅速發(fā)展，有可能把一些表面現(xiàn)象和菌的內(nèi)在本質(zhì)聯(lián)系起來。,發(fā)酵(Fermentation ),定義：細(xì)菌和酵母等微生物在無氧條件下，酶促降解糖分子產(chǎn)生能量(ATP)的過程。(底物水平磷酸化),發(fā)酵(Fermentation ),通過微生物（或動植物細(xì)胞）的生長培養(yǎng)和化學(xué)變化，大量產(chǎn)生和積累專門的代謝產(chǎn)物的反應(yīng)過程 (電子水平氧化),NADH,微生物生理學(xué)嚴(yán)格定義的“發(fā)酵”,有機(jī)物被生物體氧化降解成氧化產(chǎn)物并釋放能量的過程統(tǒng)稱為生物氧化。 微生物生理學(xué)把生物氧化區(qū)分為和發(fā)酵.呼吸(Rispiration): 有機(jī)體利用氧氣通過代謝分解有機(jī)化合物釋放化學(xué)能的過程 呼吸又可進(jìn)一步區(qū)分為有氧呼吸和無氧呼吸。因此，發(fā)酵是生物氧化的一種方式。,工業(yè)生產(chǎn)上定義的發(fā)酵“工業(yè)發(fā)酵”,工業(yè)生產(chǎn)上籠統(tǒng)地把一切依靠微生物的生命活動而實(shí)現(xiàn)的工業(yè) 生產(chǎn)均稱為“發(fā)酵”。這樣定義的發(fā)酵就是“工業(yè)發(fā)酵”。工業(yè)發(fā)酵要依靠微生物的生命活動，生命活動依靠生物氧化提供的代謝能來支撐，因此工業(yè)發(fā)酵應(yīng)該覆蓋微生物生理學(xué)中生物氧化的所有方式： 有氧呼吸: C6H12O6+6O2CO2+12H2O+ATP 無氧呼吸:C6H12O62C2H5OH+2CO2+ATP,發(fā)酵的類型,按發(fā)酵原料來區(qū)分：糖類物質(zhì)發(fā)酵、石油發(fā)酵及廢水發(fā)酵等類型。 按發(fā)酵產(chǎn)物來區(qū)分：如氨基酸發(fā)酵、有機(jī)酸發(fā)酵、抗生素發(fā)酵、酒精發(fā)酵、維生素發(fā)酵等。 按發(fā)酵形式來區(qū)分，則有：固態(tài)發(fā)酵和深層液體發(fā)酵。 按發(fā)酵工藝流程區(qū)分則有：分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和流加發(fā)酵。 按發(fā)酵過程中對氧的不同需求來分，一般可分為：厭氧發(fā)酵和通風(fēng)發(fā)酵兩大類型。,發(fā)酵工程在生物工程中的位置,基因工程細(xì)胞工程酶工程蛋白質(zhì)工程發(fā)酵工程,微生物發(fā)酵代謝調(diào)控與發(fā)酵過程優(yōu)化技術(shù),代謝調(diào)控學(xué)是生物工程中的重要研究方向，是進(jìn)行過程優(yōu)化的基礎(chǔ)。其內(nèi)涵及研究深度也隨著生物技術(shù)的飛速發(fā)展而擴(kuò)增，會派生出新的分支，如代謝工程等。只有深入研究微生物的內(nèi)部調(diào)節(jié)規(guī)律和體內(nèi)各種反應(yīng)的啟動、中止、前后連接、耦合的次序及方式，充分了解微生物的代謝調(diào)節(jié)規(guī)律，掌握微生物生理和代謝的協(xié)調(diào)，才能打破其固有的遺傳守恒，充分表達(dá)其潛在的遺傳型。,微生物發(fā)酵代謝調(diào)控與發(fā)酵過程優(yōu)化技術(shù),世界上借助細(xì)胞培養(yǎng)的產(chǎn)品已占生物技術(shù)的40以上，達(dá)數(shù)百億元的產(chǎn)值。要提高生產(chǎn)水平，無不涉及到細(xì)胞代謝與及其調(diào)控的研究。由此生產(chǎn)的抗生素、氨基酸、維生素等在整個(gè)醫(yī)藥產(chǎn)品中占很大比例。,微生物發(fā)酵代謝調(diào)控與發(fā)酵過程優(yōu)化技術(shù),膜過濾發(fā)酵與分泌機(jī)制的研究都是圍繞如何除去對產(chǎn)物合成有害的代謝物，與避開終產(chǎn)物的反饋調(diào)節(jié)作用。膜過濾與發(fā)酵耦合成功地應(yīng)用于解除對產(chǎn)物合成的不利作用，導(dǎo)致葡萄糖氧化酶的總產(chǎn)量提高2倍；利用超聲波等因素促進(jìn)產(chǎn)物的分泌，使慶大霉素發(fā)酵單位提高1.7倍。,微生物發(fā)酵代謝調(diào)控與發(fā)酵過程優(yōu)化技術(shù),目前大量生物技術(shù)已從實(shí)驗(yàn)室成果走向產(chǎn)業(yè)化，特別時(shí)基因工程藥物、疫苗、單克隆抗體等進(jìn)入商品化階段，成為國民經(jīng)濟(jì)重要的支柱產(chǎn)業(yè)。由于生物過程特點(diǎn)表現(xiàn)在檢測參數(shù)的多樣性，相關(guān)耦合性，時(shí)變性，如果進(jìn)一步與實(shí)驗(yàn)室手工參數(shù)結(jié)合，就可對過程工藝進(jìn)行深入分析。,過程優(yōu)化為目標(biāo)的相關(guān)參數(shù)分析與控制,發(fā)酵是各種生化反應(yīng)的綜合過程，只要某一因素成為限制條件，就會對生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如何認(rèn)識和發(fā)現(xiàn)這些限制因素就成為重要的研究課題。必須從物料或能量流的變化才能發(fā)現(xiàn)其中的本質(zhì)。發(fā)酵過程調(diào)控與計(jì)算機(jī)在線傳感控制相結(jié)合，達(dá)到過程優(yōu)化。,微生物發(fā)酵代謝調(diào)控與發(fā)酵過程優(yōu)化技術(shù),我們在紅霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程優(yōu)化研究中，把生物反應(yīng)器的物料流與細(xì)胞內(nèi)的代謝流結(jié)合起來，進(jìn)而把發(fā)酵過程的生理調(diào)控研究與發(fā)酵過程優(yōu)化控制聯(lián)系起來，發(fā)現(xiàn)了許多長期以來有經(jīng)驗(yàn)總結(jié)但又無法進(jìn)一步解釋的現(xiàn)象，在15L規(guī)模達(dá)到了發(fā)酵水平提高60以上的幅度。,微生物發(fā)酵代謝調(diào)控與發(fā)酵過程優(yōu)化技術(shù),在向生產(chǎn)規(guī)模放大時(shí)，提出了放大后的差異以參數(shù)相關(guān)理論從工藝上調(diào)整給補(bǔ)的方法，實(shí)現(xiàn)了從15L直接成功地放大到50M3規(guī)模。,微生物發(fā)酵代謝調(diào)控與發(fā)酵過程優(yōu)化技術(shù),在畢赤酵母表達(dá)重組人血清白蛋白時(shí)，研究了以甘油為基質(zhì)的菌體生長階段和以甲醇誘導(dǎo)產(chǎn)物表達(dá)階段的物料流變化特性，進(jìn)而解決了由于高密度培養(yǎng)所引起的供氧問題，在50L發(fā)酵罐規(guī)模從數(shù)百mg/L的水平提高了數(shù)十倍，并進(jìn)一步放大到500L規(guī)模，避免了通純氧問題。最近在肌苷、鳥苷發(fā)酵研究方面又取得的突破，也是在這些理論指導(dǎo)下取得的。,微生物發(fā)酵代謝調(diào)控與發(fā)酵過程優(yōu)化技術(shù),代謝調(diào)控是研究內(nèi)在的調(diào)節(jié)機(jī)制，而過程優(yōu)化則是外在控制，是建立在相關(guān)參數(shù)的分析上的，這兩個(gè)方向相輔相成，前者為后者的基礎(chǔ)，而后者是使理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的手段。,The general layout of a biotechnical production process,二十一世紀(jì)的生命科學(xué),Renewable raw materials,BiofuelsBiomaterialsChemicals,Cell Factory,Industrial biotechnology: Gateway to a more sustainable future,Figure1.Idealized biorefinery concept.(Image courtesy of Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN, USA.),1 微生物生長與調(diào)節(jié),為了控制菌體的生長，需要了解生長的方式，細(xì)胞分裂和調(diào)節(jié)的規(guī)律，測量微生物生長的各種辦法，微生物生長繁殖的形式與工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系，環(huán)境變化對微生物生長的影響。因此，研究微生物的生長分化規(guī)律無疑是發(fā)酵調(diào)控原理的一個(gè)重要組成部分。,常用工業(yè)微生物郭美錦,一、細(xì)菌 （Bacteria）,概念：細(xì)菌是一類細(xì)胞細(xì)而短，結(jié)構(gòu)簡單， 細(xì)胞壁堅(jiān)韌，以二等分裂方式繁殖，水生性較強(qiáng)的原核微生物。分為：1球菌Coccus2桿菌Bacillus3螺旋菌Spirilla,細(xì)胞個(gè)體呈球形或橢圓形，不同種的球菌在細(xì)胞分 裂時(shí)會形成不同的空間排列方式，常被作為分類依據(jù)。0.51.0m 有單球菌、雙球菌、鏈球菌、四聯(lián)球菌、八疊球菌、葡萄球菌等。如金黃色葡萄球菌、淋病奈瑟氏球菌、肺炎鏈球菌等。,1球菌Coccus,2桿菌（Bacillus ）,寬0.41.0m 長0.74.0m 常見有短桿狀、棒狀、梭狀、梭桿狀、月亮狀、分枝狀、竹節(jié)狀等。細(xì)胞呈桿狀或圓柱形，一般其粗細(xì)（直徑）比較穩(wěn)定，而長度則常因培養(yǎng)時(shí)間、培養(yǎng)條件不同而有較大變化。,芽孢桿菌B. subtilis,大腸桿菌 E.coli,Eg. 枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、銅綠假單胞菌（綠膿桿 菌）、結(jié)核分枝桿菌、炭疽病的病原菌（炭疽桿菌）、 破傷風(fēng)梭菌等。,細(xì)菌菌落形態(tài)（Clone Morphology),大腸桿菌菌落（E. coli Colonies grown on LB plates）,3螺旋菌Spirilla,有弧菌、螺旋菌、螺旋體菌等。弧菌Vibrio：菌體只有一個(gè)彎曲，其程度不足一圈，形似“C”字或逗號，鞭毛偏端生。如寄生性弧菌（蛭弧菌）、霍亂弧菌等。,二、細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu),放線菌 Actinomyces,放線菌是一類呈絲狀生長，主要以孢子繁殖和陸生較強(qiáng)的原核生物。在形態(tài)上具有分枝狀菌絲、菌落形態(tài)與霉菌相似，以孢子進(jìn)行繁殖。“介于細(xì)菌與絲狀真菌之間又接近細(xì)菌的一類絲狀原核生物”；是抗生素的主要產(chǎn)生菌：Walksman 鏈霉素。抗生素（其中90%由鏈霉菌產(chǎn)生）。,放線菌的形態(tài)構(gòu)造 包括基內(nèi)菌絲，氣生菌絲，孢子絲及孢子各部分組成。,S.rimosus colonies,Mycelium of Streptomyces in submerged culture,酵母狀真菌 -酵母（Yeast）,酵母菌（yeast）是一群單細(xì)胞的真核微生物。這個(gè)術(shù)語也是無分類學(xué)意義的普通名稱，通常用于以芽殖或裂殖來進(jìn)行無性繁殖單細(xì)胞真菌，以與霉菌區(qū)分開。,啤酒酵母（Saccharomyces cerevisae）,個(gè)體形態(tài),卵圓、圓、圓柱、梨形等單細(xì)胞，其細(xì)胞直徑一般比細(xì)菌粗10倍左右。有的酵母菌子代細(xì)胞連在一起成為鏈狀，稱為假絲酵母,Pichia pastoris,絲狀真菌霉菌（Mold）,霉菌（mold）即發(fā)霉的真菌，通常指那些菌絲體比較發(fā)達(dá)而又不產(chǎn)生大型子實(shí)體的真菌。 應(yīng)用：風(fēng)味食品、酒精、抗生素（青霉素、灰黃霉素）、有機(jī)酸（檸檬酸、葡萄糖酸、延胡索酸等）、酶制劑（淀粉酶、果膠酶、纖維素酶等）、維生素、甾體激素等；飼料發(fā)酵、植物生長刺激素（赤霉素）、殺蟲農(nóng)藥（白僵菌劑）,：,霉菌的形態(tài)結(jié)構(gòu),霉菌菌體均由分枝或不分枝的菌絲(hyphae)構(gòu)成。許多菌絲交織在一起，稱為菌絲體(mycelium)。菌絲在光學(xué)顯微鏡下呈管狀，直徑約2-10微米，比一般細(xì)菌和放線菌菌絲大幾倍到幾十倍，與酵母菌的相似。,根霉屬(Rhizopus)俗稱面包霉 孢子絲和孢子,無性孢子,曲霉,青霉孢子,金針菇,香菇,紅曲霉菌絲培養(yǎng)圖,Thanks for your listening!,細(xì)胞周期,對于個(gè)體細(xì)胞行為，主要關(guān)心染色體啟動、復(fù)制和分離新細(xì)胞壁材料的合成與插入?yún)f(xié)調(diào)染色體復(fù)制和細(xì)胞分裂的信號,細(xì)胞周期,細(xì)胞周期(Cell cycle)： 細(xì)胞的一系列可鑒別的周而復(fù)始的生長活動。這些活動的順序不變, 完成一個(gè)活動后才能進(jìn)行下一個(gè)活動。,圖1 細(xì)胞周期,細(xì)胞周期,典型的真核生物細(xì)胞周期如圖所示: S, M和G1, G2分別代表DNA 合成, 有絲分裂期和兩次間隙。若生長速率因養(yǎng)分多寡而改變, S, G2 和M 幾乎不變, 只有G1改變。MTG: mean generation time,細(xì)胞周期,原核生物在低生長速率下的細(xì)胞周期, 與真核生物相似。其染色體復(fù)制期C 相當(dāng)于 S；細(xì)胞分裂期 D相當(dāng)于G2+M；C 和D 不隨生長速率變化, 只有G1可變動。細(xì)胞周期的各項(xiàng)活動怎樣去適應(yīng)生長速率變化的需要？,染色體復(fù)制與細(xì)胞分裂的調(diào)節(jié),染色體復(fù)制怎樣與細(xì)胞分裂協(xié)調(diào)？ 在高速生長下, 如細(xì)胞周期為30 min, 染色體復(fù)制不能在一個(gè)周期內(nèi)完成。為此，未等前一輪復(fù)制結(jié)束，后一輪復(fù)制又在原點(diǎn)上啟動。可以把C 期的啟動和終止,以及細(xì)胞分裂看作是不可更改的活動順序, 稱為C+D 周期。,染色體復(fù)制與細(xì)胞分裂的調(diào)節(jié),若增代時(shí)間少于 C+D時(shí)間, C+D 周期重疊，其重要特征是分配到子細(xì)胞的染色體已開始新的一輪復(fù)制。這類染色體稱為二叉染色體(dichotomous)。,圖2大腸桿菌的染色體復(fù)制和細(xì)胞分裂的時(shí)間分配示意圖,染色體復(fù)制和細(xì)胞分裂的調(diào)節(jié)規(guī)律,染色體復(fù)制未完成， 細(xì)胞就不會分裂。不管生長速率如何，大腸桿菌的細(xì)胞分裂總是出現(xiàn)在染色體復(fù)制完成之后。不管生長速率如何，C 和D 所需時(shí)間大致不變。C 和 D可以依次或同時(shí)(指上一輪的 D和下一輪的C ) 進(jìn)行。,思考題,加倍時(shí)間最小為多少？C40， D20時(shí)，時(shí)間如何分配？,染色體復(fù)制的啟動,染色體復(fù)制的啟動受啟動因子(origin), 一種特異調(diào)節(jié)性蛋白的正向控制。當(dāng)啟動因子增加到某一臨界水平, 啟動便開始。在這以后啟動因子被毀或稀釋。合成啟動因子達(dá)到有效濃度所需的時(shí)間恰好等于培養(yǎng)物增代時(shí)間。,染色體復(fù)制的啟動,大腸桿菌在啟動時(shí)的啟動因子數(shù)量與細(xì)胞質(zhì)量之比在各種生長速率下是一樣的。這一比例實(shí)際上是染色體啟動因子的濃度。細(xì)胞似乎能檢出啟動因子的濃度。當(dāng)它達(dá)到一臨界值時(shí)便啟動新一輪的復(fù)制。啟動的直接后果是啟動因子的濃度提高一倍。,染色體復(fù)制的啟動,啟動不會重新發(fā)生直到其濃度因生長而降到臨界值。這種控制機(jī)制構(gòu)成一種生物鐘。它是以細(xì)胞體積或其它有關(guān)參數(shù)為依據(jù)。據(jù)此，染色體復(fù)制的啟動頻率是DNA 合成速率的控制步驟。,染色體復(fù)制的啟動,O/M=I 啟動， 啟動后，2O/M=I,II 不再啟動， M增加，M 2M，使I逐漸下降， 2O/2M=O/M=I，又開始啟動。,啟動和復(fù)制是性質(zhì)截然不同的兩種過程,啟動的過程需要蛋白質(zhì)合成，如蛋白質(zhì)合成受阻，已啟動的DNA合成能完成，但不能啟動新一輪DNA合成 。曾檢出其產(chǎn)物負(fù)責(zé)啟動而不負(fù)責(zé)隨后復(fù)制的基因；加入利福平或氯霉素抑制RNA或蛋白質(zhì)合成或除去營養(yǎng)缺陷型所需的氨基酸都能阻止啟動，但允許復(fù)制繼續(xù)完成；培養(yǎng)物進(jìn)入穩(wěn)定生長期后，中止生長的細(xì)胞含有完整的染色體。,染色體復(fù)制的啟動,啟動總是在染色體上的專一位置上進(jìn)行。此位點(diǎn)稱為復(fù)制或染色體原點(diǎn)。在大腸桿菌此位點(diǎn)很靠近ilv座位。在大腸桿菌和枯草桿菌中復(fù)制叉以兩個(gè)方向沿染色體運(yùn)行，大約在離原點(diǎn)180度地方相遇。,染色體復(fù)制的啟動,啟動的頻率取決于細(xì)胞量增長的速率，即生長停止，啟動也隨著停止是預(yù)料中的事。,細(xì)胞周期的研究方法,1 鏡檢法 用電子顯微鏡觀察單個(gè)細(xì)胞的生長，定時(shí)拍照。由此發(fā)現(xiàn)大腸桿菌在分裂時(shí)細(xì)胞個(gè)子的變化不大。,細(xì)胞周期的研究方法,1 鏡檢法 說明似乎存在一種控制細(xì)胞個(gè)子大小的因子，即尺寸因子(size factor), 可能是啟動細(xì)胞質(zhì)量(initiation mass)。,1 鏡檢法,缺點(diǎn):細(xì)胞由培養(yǎng)液轉(zhuǎn)移到固體表面,會受到干擾。 細(xì)胞年齡變化較大時(shí),細(xì)胞大小變化不大。,2 同步培養(yǎng)(Synchrony)法,(1) 密度梯度離心沉降法 按細(xì)胞的大小/年齡把在對數(shù)生長期的培養(yǎng)物分級。 H2O/D2O密度梯度沉降法: 能應(yīng)用于任何品種, 不會施加滲透壓強(qiáng) 的影響。 從某一密度帶便可分離出同質(zhì)的細(xì)胞群體，隨后培養(yǎng)。,細(xì)胞大小的分布頻率與蛋白質(zhì)合成速率的關(guān)系,細(xì)胞大小的分布頻率與蛋白質(zhì)合成速率的關(guān)系,蛋白質(zhì)合成速率與細(xì)胞長度(體積)成正比，從而與細(xì)胞年齡成正比。,(2)過濾洗脫法,將細(xì)胞粘附在固體支持物，如硝化纖維膜上，然后將其倒置，讓生長培養(yǎng)基從上到下通過，新生的細(xì)胞便被洗脫到培養(yǎng)基中，呈一種特征性的振蕩模式，見圖123。,過濾洗脫法,(2)過濾洗脫法,在初始沖洗(wash-off)期后從濾膜上洗脫下來的主要是新分裂的細(xì)胞。在洗脫曲線高峰下從膜上洗下的細(xì)胞是沉積在膜上的新生細(xì)胞后代，那些在低峰下的是其沉積時(shí)正要分裂細(xì)胞后代。,過濾洗脫法,洗脫(wash- off)的振蕩模式可以測出細(xì)胞周期。,3 同位素示蹤法,如親本培養(yǎng)物沉積在濾膜上之前用氚標(biāo)記的胸苷使細(xì)胞帶上標(biāo)記，則結(jié)合到洗脫細(xì)胞的標(biāo)記量與結(jié)合到親本培養(yǎng)物那一年齡細(xì)胞的標(biāo)記量成正比。,細(xì)胞周期,細(xì)胞周期,其一個(gè)洗脫峰(后代)帶有比前一代少一倍的放射性標(biāo)記。 可以分別求得C和D值,3 同位素示蹤法,另一種研究細(xì)胞周期的方法是通過蔗糖密度梯度離心，使一對數(shù)生長的培養(yǎng)物沉淀, 收集最上層的細(xì)胞，在含有氚-標(biāo)記胸苷的生長培養(yǎng)基上生長，測量其DNA合成速率。,3 同位素示蹤法,洗脫前在無標(biāo)記培養(yǎng)基中生長，洗脫時(shí)用帶標(biāo)記的培養(yǎng)基，得到的帶標(biāo)記DNA呈階梯上升狀。,細(xì)胞周期,4 生長速率與細(xì)胞個(gè)子大小的關(guān)系,生長培養(yǎng)基越豐富，細(xì)菌生長速率加快，其細(xì)胞的個(gè)子也越大。 如在同一種培養(yǎng)基內(nèi)改變溫度也會影響生長速率，但對細(xì)胞個(gè)子大小幾乎沒有多大影響。,4 生長速率與細(xì)胞個(gè)子大小的關(guān)系,如一細(xì)胞的增代時(shí)間為60min，在細(xì)胞分裂時(shí)染色體復(fù)制便開始啟動。假設(shè)細(xì)胞這時(shí)具有質(zhì)量為M (啟動細(xì)胞量=1/啟動因子濃度)。,4 生長速率與細(xì)胞個(gè)子大小的關(guān)系,個(gè)體細(xì)胞的量在指數(shù)地增加，直到2M，細(xì)胞便開始分裂。 此時(shí)從培養(yǎng)液中檢出新生的細(xì)胞，置于較豐富的培養(yǎng)基 (能使菌快速生長, 增代時(shí)間為35 min) 中，并假定細(xì)胞迅速調(diào)整到新的生長速率。,4 生長速率與細(xì)胞個(gè)子大小的關(guān)系,這樣，個(gè)體細(xì)胞量增長速率往上移動，如C+D規(guī)律還適用，下一個(gè)細(xì)胞分裂的時(shí)間不會變動，但細(xì)胞個(gè)子會增大。 新一輪復(fù)制的啟動將在細(xì)胞分裂前便開始。,4 生長速率與細(xì)胞個(gè)子大小的關(guān)系,換句話說，C+D 周期現(xiàn)在開始重疊。快速生長經(jīng)一個(gè)細(xì)胞周期后便達(dá)到新的平衡。生長速率越快，細(xì)胞個(gè)子的差異也越大。,生長速率對細(xì)胞個(gè)子和染色體復(fù)制啟動時(shí)間的影響,生長速率對細(xì)胞個(gè)子和染色體復(fù)制啟動時(shí)間的影響,可用式1-27 表示細(xì)胞周期t對指數(shù)培養(yǎng)物的細(xì)胞個(gè)子平均大小M 的影響。 M = K2(C+D/t) (1-27) 曲線的形狀將取決于C，D 和K 是否變，只有在簡單情況下logM與t作曲線才會得一直線。,細(xì)菌培養(yǎng)物的生長周期,在一來自靜止期細(xì)胞的培養(yǎng)物的生長期間，在細(xì)胞數(shù)目開始增加以前有一相當(dāng)長的停滯期。細(xì)胞量開始增長的滯后現(xiàn)象短一些。,細(xì)菌培養(yǎng)物的生長周期,如達(dá)到物態(tài)的指數(shù)生長，則所有可測的參數(shù)也將平行地增長。當(dāng)培養(yǎng)物進(jìn)入靜止期便發(fā)生與上述相反的活動順序。因啟動速率比細(xì)胞分裂早減速CD分鐘。細(xì)胞量增長下降時(shí)，細(xì)胞分裂繼續(xù)指數(shù)進(jìn)行，細(xì)胞漸漸變小。,細(xì)菌培養(yǎng)物的生長周期,細(xì)菌培養(yǎng)物的生長周期,新的一輪DNA復(fù)制的啟動頻率取決于新細(xì)胞量的積累速率，則吸光度與細(xì)胞數(shù)目至少有CD分鐘不平行。,生長速率和DNA濃度,細(xì)胞中的DNA%隨生長速率的增加而下降，可用式1-28表示:G/M=/(KC ln2)(1-2-C/) (1-28)式中G 是基因組的當(dāng)量，為每個(gè)細(xì)胞的DNA 平均值。,生長速率對DNA濃度和平均染色體構(gòu)型的影響,展示了3種質(zhì)量倍增時(shí)間：a) 70 min，b) 40 min，c) 20 min,生長速率對DNA濃度和平均染色體構(gòu)型的影響,一個(gè)啟動細(xì)胞量單位含有一個(gè)剛開始一輪復(fù)制的染色體。用一水平線C 分鐘長度表示。它在縱軸上所處高度代表細(xì)胞量。假定細(xì)胞量的復(fù)制時(shí)間為70 min，見圖1-28a，將出現(xiàn)輪與輪復(fù)制的間隙。當(dāng)細(xì)胞量增加到三倍時(shí)它將完成4 個(gè)復(fù)制好的染色體。,生長速率對DNA濃度和平均染色體構(gòu)型的影響,如在零小時(shí)把細(xì)胞置于增代時(shí)間為40 min的培養(yǎng)基內(nèi)，見圖1-28b，則新一輪復(fù)制將緊跟在上一輪復(fù)制完成之后開始，輪與輪之間不存在間隙。待細(xì)胞量增到3個(gè)單位時(shí)，第二輪的復(fù)制將不會完成。結(jié)果得到2條復(fù)制了一半的染色體，DNA濃度下降到3/3。,生長速率對DNA濃度和平均染色體構(gòu)型的影響,如將細(xì)胞置于增代時(shí)間為20 min的培養(yǎng)基內(nèi), 在第一輪復(fù)制還未完成前第二輪復(fù)制已開始。當(dāng)細(xì)胞量達(dá)到3 時(shí), 只有一個(gè)帶三個(gè)復(fù)制叉的染色體，見圖1-28c，DNA 濃度進(jìn)一步下降到2.25/3。,生長速率對DNA濃度和平均染色體構(gòu)型的影響,生長速率影響染色體上不同位置的相對基因拷貝數(shù),在一隨機(jī)的指數(shù)培養(yǎng)物中，接近原點(diǎn)處的基因，其拷貝數(shù)總是居多，靠近兩端的較少。 這種相對基因劑量的傾斜度隨生長速率的增加而提高。,生長速率影響染色體上不同位置的相對基因拷貝數(shù),DNA的濃度隨生長速率的增加而下跌，從而不同程度地影響基因濃度。那些靠近染色體原點(diǎn)的基因濃度沒有變化；位于中間的基因平均濃度則只有原點(diǎn)周圍的一半左右；處在染色體復(fù)制近末端的基因濃度最低。,生長速率影響染色體上不同位置的相對基因拷貝數(shù),在一個(gè)細(xì)胞周期內(nèi)，一個(gè)基因濃度相對另一個(gè)而言，可相差4倍。生長速率對不同作用，提供了一種解釋非隨機(jī)基因次序的理由。,生長速率影響染色體上不同位置的相對基因拷貝數(shù),據(jù)此，對生長速率有限制作用的應(yīng)位于靠近染色體原點(diǎn)處。其實(shí)，這是為什么大腸桿菌中有6 個(gè)拷貝編碼核糖體RNA的基因都聚集在原點(diǎn)的附近的緣故。,生長速率對細(xì)胞組分的影響,每個(gè)細(xì)胞RNA隨生長速率的變化可以達(dá)10倍之多。在快速生長的細(xì)胞中RNA的含量可以達(dá)到細(xì)胞重量的30。每個(gè)細(xì)胞的DNA也隨生長速率的提高而增加，但程度低一些。因此，以細(xì)胞重量衡量，DNA含量是減少的。細(xì)胞的外殼的厚度通常不變，胞壁和質(zhì)膜在整個(gè)細(xì)胞中的比例隨細(xì)胞個(gè)子的增大而減小。,絲狀菌生長分化的調(diào)節(jié),微生物的生長調(diào)節(jié) 微生物的生長分化受其自身和外界多種因素的調(diào)節(jié)。這里以真菌為對象，闡述菌絲體形態(tài)調(diào)節(jié)的規(guī)律。,絲狀菌生長分化的調(diào)節(jié),霉菌和放線菌均為絲狀微生物。其生長方式是菌絲 (hyphae) 末梢伸長、分枝 (圖1-5) 和交錯(cuò)成網(wǎng) (圖1-6)，稱為菌絲體 (mycelium)。一定長度的真菌菌絲，其橫切面有間隔膜。真菌屬真核生物，為多細(xì)胞，且每個(gè)細(xì)胞含有多個(gè)細(xì)胞核和各種細(xì)胞器。,絲狀菌生長分化的調(diào)節(jié),細(xì)胞一旦形成后便保持其完整性，且與其相鄰細(xì)胞的菌齡不同，越靠近末梢的菌絲，越年輕。 放線菌、鏈霉菌和諾卡氏菌屬均屬于放線菌屬，為原核生物，革蘭氏染色呈陽性。它們無核膜和細(xì)胞器，其菌絲直徑 (約1 m) 比霉菌 (2-10m) 細(xì)，易折斷。許多真菌能形成孢子，稱為分生孢子。,產(chǎn)黃青霉分散的菌絲體,放線菌菌絲體,放線菌菌絲體,Forms of morphology found in typical submerged cultures of filamentous fungi and actinomycetes,菌絲頂端生長(Apical growth of haphae),菌絲僅在頂端(末梢)生長, 其余部分的菌絲壁加厚，但不擴(kuò)展。 居間生長(intercalary growth)的細(xì)胞的任何部分均能擴(kuò)展與分裂。,菌絲頂端生長機(jī)制,大多數(shù)菌絲頂端生長機(jī)制都與泡囊(vesicles)在頂端的聚集有關(guān)。一旦生長停止，泡囊在頂端消失，并分布在次頂部生長區(qū)。,菌絲頂端生長機(jī)制,一種推測的細(xì)胞壁單位的生長活動,a) 含有細(xì)胞壁溶解酶的泡囊與質(zhì)膜融合；b) 細(xì)胞壁的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)局部拆開，從而取得塑性；c) 細(xì)胞壁由于原生質(zhì)內(nèi)部壓力而擴(kuò)展，泡囊與質(zhì)膜融合，釋放出細(xì)胞壁合成酶；d)新細(xì)胞壁的合成前體由泡囊提供，細(xì)胞壁的合成從質(zhì)膜向外擴(kuò)展；e) 新細(xì)胞壁單元被合成。,泡囊是什么?,泡囊是一種由單層膜包裹的細(xì)胞器, 可把它看作是溶酶體復(fù)合物或內(nèi)膜復(fù)合物的一部分。 還含有細(xì)胞壁合成酶以及細(xì)胞壁的若干前體。它在胞內(nèi)起運(yùn)輸材料的作用。,泡囊如何在菌絲頂端聚集,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生泡囊的區(qū)域位于菌絲的次頂部, 藉化學(xué)或電化學(xué)濃度梯度(推動力)移動的。菌絲頂端全靠發(fā)酵維持。因無線粒體，頂部以外的細(xì)胞靠線粒體進(jìn)行正常呼吸。,泡囊如何在菌絲頂端聚集,用細(xì)胞松弛素(Cytochalasin)可以完全抑制細(xì)胞質(zhì)的流動，從而阻止泡囊的移動和生長。故細(xì)胞質(zhì)的流動是生長的推動力，使泡囊流向菌絲頂端。,泡囊如何在菌絲頂端聚集,如菌絲頂端同其次頂部區(qū)域被隔離, 則生長便緩慢下來； 如切斷的地方離開頂端遠(yuǎn)些, 對生長的影響便小得多。 據(jù)此，可測定末稍生長區(qū)域的長度。粗糙鏈孢霉頂端生長的低限長度為10 mm。,兩種形式的胞質(zhì)流動,一種是導(dǎo)向菌絲頂端的快速流動。菌絲頂端失水, 造成頂端與次頂端之間的水勢梯度，從而加速這種流動。 另一種形式的胞質(zhì)流動為雙向流動或環(huán)流 (Cyclosis) , 其流動速率要慢得多。,泡囊的形成,泡囊的形成是由高爾基(Golgi)體或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(Endoplasmic reticulum) 的特定區(qū)域釋放，再輸送到生長點(diǎn)，與質(zhì)膜結(jié)合。,泡囊的三種作用,1) 運(yùn)輸各種負(fù)責(zé)把細(xì)胞壁拆開和擴(kuò)建的酶； 2) 運(yùn)輸新的細(xì)胞壁成分, 其前體或預(yù)制單位； 3) 運(yùn)輸合成。,菌絲生長過程,對孢子發(fā)芽的研究可獲得有關(guān)頂端生長的有用的信息。 如圖所示, 開始孢子吸水膨脹, 這時(shí)細(xì)胞壁合成材料散布在孢子周圍內(nèi)表面, 隨后長出芽管，新材料便聚結(jié)在芽管的頂端。,菌絲生長過程,故極性生長并不是一開始就有的特性，而是在非極性(各向同性)生長過后才出現(xiàn)的。在不利條件下有些真菌的極性生長(非各向同性)被無限地推遲。,菌絲生長過程,黑曲霉的孢子在44下生長，它繼續(xù)膨脹，形成巨細(xì)胞。如這時(shí)再轉(zhuǎn)移到30下生長，它會表現(xiàn)得很特殊。從巨細(xì)胞中伸出芽管，隨后形成孢子，見圖1-37。,菌絲生長過程,菌絲生長過程,這說明在孢子膨脹期間黑曲霉也能正常地成熟，甚至產(chǎn)生孢子，只是要等到適合于極性生長時(shí)機(jī)才能表達(dá)這種潛在能力。,菌絲頂端生長過程,研究頂端生長過程的另一種實(shí)驗(yàn)方法是用水浸沒鐮刀菌菌落，觀察其頂端生長情況。,菌絲頂端生長過程,菌絲頂端生長過程,結(jié)果有半數(shù)菌絲末梢停滯1 分鐘后重新生長，只是在膨脹的菌絲頂端長出較細(xì)的菌絲。其余菌絲停止生長幾分鐘后在菌絲頂端又長出一個(gè)以上的較細(xì)的芽。,菌絲頂端生長過程,重復(fù)以上試驗(yàn)，但這次加水后,等40秒，再加入等滲溶液(即與瓊脂的滲透壓一樣的溶液)。這會使它膨脹，暫停出芽。過后又長出一個(gè)以上的細(xì)芽。,菌絲頂端生長過程,這些現(xiàn)象說明，生長可能包含兩個(gè)過程:1) 塑性頂端的延伸：2) 細(xì)胞壁的硬化，即隨頂端延伸后的硬化。,菌絲頂端生長過程,在正常生長情況下這兩個(gè)過程以同樣的速率進(jìn)行，只是硬化緊隨頂端延伸之后，故總是只有一小段延伸區(qū)域呈塑性。,菌絲頂端生長過程,菌絲浸水試驗(yàn)的第一種情況可解釋為浸水后生長延伸停止，菌絲頂端在重新調(diào)整其新的滲透壓期間，細(xì)胞壁的硬化繼續(xù)進(jìn)行，在頂端還未完全封住前，在剩下的還未硬化的當(dāng)中塑性部位繼續(xù)長出一細(xì)芽；,菌絲頂端生長過程,對第二種情況，生長再次受到干擾，耽誤了在剩余部位出芽的時(shí)機(jī)，最終頂端全被封住。這期間胞質(zhì)繼續(xù)流動的結(jié)果菌絲頂端膨脹，過幾分鐘便會在其它薄弱部位找到突破口，抽出一個(gè)以上完全新的細(xì)芽。,菌絲頂端生長過程,細(xì)胞壁的硬化是指胞壁的加厚或完全新的細(xì)胞壁的沉著, 而塑性頂端的延伸要靠溶解酶類的作用才能實(shí)現(xiàn)。 因此，如這些酶不穩(wěn)定，或被蛋白酶降解，或因滲透壓改變，阻止泡囊與菌絲頂端的結(jié)合，結(jié)果便出現(xiàn)胞壁的硬化。,菌絲分枝規(guī)律,菌絲分枝一般離生長著的菌絲頂端有些距離的后方進(jìn)行。真菌如同高等植物那樣顯示出頂端生長的優(yōu)勢。但怎樣維持這種優(yōu)勢知道的很少。,菌絲分枝規(guī)律,菌絲分枝一般均朝向菌落的邊緣擴(kuò)展生長， 并偏離其親本菌絲和相互岔開生長。,菌絲分枝規(guī)律,這是多余的細(xì)胞質(zhì)用于生長的結(jié)果，并且在細(xì)胞質(zhì)體積，核分裂和分枝數(shù)目之間存在著明顯的關(guān)系。在其它真菌中也確定了細(xì)胞體積和分枝之間的類似關(guān)系。,分枝的形成,分枝需要從已成熟的細(xì)胞中產(chǎn)生。這伴隨著泡囊在菌絲頂端的聚集。分枝在菌絲的哪一部位產(chǎn)生? 這似乎有一中意點(diǎn), 往往位于間隔的附近。通過試驗(yàn)可證實(shí)這一點(diǎn)。,完整菌絲斷片的出芽位置,Figure 3. Integrated model for the formation of aerial hyphae in the filamentous bacterium Streptomyces coelicolor. (a) Extracellular signalling and environmental signals exert the Ir influence on development through the bld cascade. This cascade induces the formation of Ram R, the chaplins ChpE and ChpH(redcircles), and components of the sky pathway, such as a sensor of aerial growth (bluecircles). Ram R activates the synthesis of RamS, which is converted to SapB (yellowcircles). This morphogenetic peptide is secreted by the RamA B transporter purpleovals) and, together with ChpE and ChpH, initiates aerial growth by lowering the water surface tension. (b) From this moment, the sky pathway takes over regulation of development. This pathway would include a sensor of aerial growth (bluecircles). As a consequence,the rodlin and chaplin genes, and probably other genes, are activated. Rodlins (green circles) and chaplins (red circles) assemble into ahydrophobic rodlet coat at the outer surface of aerial hyphae.This layer provides surface hydrophobicity and prevents aggregation of aerial hyphae. The insert shows the typical appearance of the rodlet layer, as assessed by scanning electron microscopy.,分枝的形成,將菌絲打碎，只要得到含有完整間室的碎片，便能如圖1-39 那樣產(chǎn)生新的分枝。新分枝總是產(chǎn)生在這些碎片的靠間隔處，故即使在菌絲內(nèi)其個(gè)體細(xì)胞也有某些程度的極性。,菌絲生長單位(hyphal growth unit) G(=m),G 菌絲總長度/菌絲分枝數(shù)目 經(jīng)最初的波動后G隨菌落的生長而變化。因此，分枝的數(shù)目總是與菌絲總長，從而與細(xì)胞質(zhì)的體積成正比。 由此可見，新分枝是在胞液體積超過現(xiàn)有分枝數(shù)所能容納的體積時(shí)產(chǎn)生的。,菌絲生長單位,在瓊脂中生長的不同階段攝下年輕菌落的發(fā)育照片，按公式可求的菌絲生長單位（G）,菌絲生長單位,從生長單位的確立可看出胞液體積與分枝之間有如下規(guī)律：1) 每一分枝連同其有關(guān)的一定量的細(xì)胞質(zhì)可當(dāng)作一個(gè)菌絲單位(unit)，就像對待個(gè)體細(xì)胞，如酵母那樣。故一真菌菌落是靠假想的單位生長的。實(shí)際上它們是連在一起，分不清的；2) 由于新的分枝是多余細(xì)胞質(zhì)形成的，分枝的數(shù)目基本上取決于菌落的營養(yǎng)狀況，從而取決于細(xì)胞質(zhì)的數(shù)量；,菌絲生長單位,3) 因現(xiàn)有的分枝能優(yōu)先得到細(xì)胞質(zhì)，故一分枝的形成對已有的分枝的生長速率影響很小；4) 真菌菌落容易適應(yīng)一定范圍的養(yǎng)分濃度變化。它在養(yǎng)分貧乏的瓊脂培養(yǎng)基中散開的速度幾乎同豐富培養(yǎng)基上的一樣，但分枝少一些。,菌絲生長單位,菌絲生長單位,生長初期，菌絲總長度和分枝數(shù)目均以指數(shù)的速率增加，這時(shí)的菌絲體間隔較長。菌絲生長單位的變化幅度隨生長而減小，最后穩(wěn)定。,微生物生長分化的調(diào)節(jié),微生物的生長分化受其自身和外界多種因素的調(diào)節(jié)。以真菌為對象闡述菌絲體形態(tài)的調(diào)節(jié)。以下的規(guī)律主要適用于固體培養(yǎng)基上生長的未分化菌絲。,微生物生長分化的調(diào)節(jié),真菌孢子在培養(yǎng)基上發(fā)芽，形成未分化的菌絲，繼續(xù)生長，分化為成熟的菌絲。,微生物生長分化的調(diào)節(jié),絲狀菌的形態(tài)上的優(yōu)勢:菌能無限擴(kuò)增而無需改變細(xì)胞質(zhì)的體積與表面積之比；菌絲體與培養(yǎng)基之間的物質(zhì)交換只需通過較短的距離；菌絲以有規(guī)律的分枝確保它能高效地復(fù)蓋在固體培養(yǎng)基上。,微生物生長分化的調(diào)節(jié),微生物生長分化的調(diào)節(jié),未分化菌絲的生長調(diào)節(jié)至少包含三種機(jī)制,1)菌絲極化的調(diào)節(jié) 生長是極化的, 菌絲的伸長僅限于菌絲頂端；2)分枝啟動的調(diào)節(jié) 芽管伸長，形成主桿菌絲, 并由此形成初級分枝, 再由此形成次級, 一直分枝下去。從菌絲體的形態(tài)特征說明存在著一種調(diào)節(jié)分枝啟動頻率的機(jī)制；3)菌絲空間分布的調(diào)節(jié) 未分化菌絲趨向于分散獨(dú)立生長，相鄰菌絲間的接觸因 回避作用 而減少。這稱為向自性 (autotropism)。,極化生長的調(diào)節(jié),菌絲極化生長是指孢子或菌絲細(xì)胞的一端發(fā)芽，伸長，長成菌絲。培養(yǎng)條件，如溫度不適，或在厭氧，含CO2濃度較高的條件下會阻止極化生長，并以非極化(即各向同性)方式, 像酵母那樣生長。非極化生長是與不利的生長條件相聯(lián)系的。,極化生長的調(diào)節(jié),菌絲極化生長受若干內(nèi)源調(diào)節(jié)機(jī)制的控制。菌絲生長(孢子發(fā)芽，頂端生長，分枝)總是與泡囊的活動相聯(lián)系。 調(diào)節(jié)是通過向菌絲頂端輸送泡囊，泡囊與細(xì)胞膜融合發(fā)揮作用的。 擾亂這兩種作用會導(dǎo)致各向同性生長。,菌絲分枝啟動的調(diào)節(jié),從孢子發(fā)芽后未分化菌絲體起先在大致恒定的環(huán)境條件下生長，隨后其生長環(huán)境，即培養(yǎng)基的物化條件有較大的改變。在固體培養(yǎng)基上菌絲體的初期生長階段與分批培養(yǎng)的初期指數(shù)生長條件相似，所形成的菌絲也基本相同。以下的分枝啟動規(guī)律除特別注明外均指未分化菌絲。,微生物生長分化的調(diào)節(jié),菌絲平均伸長速率(E) E=2(Ht-H0) / (BtB0) = G (1-36)Ho和Ht分別為零和1 h的菌絲體的總長度； Bo和Bt分別為零和1 h的分枝數(shù)目。G 為菌絲生長單位；為比生長速率。在標(biāo)準(zhǔn)的培養(yǎng)基中測定不同霉菌的E，其標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過12%。,微生物生長分化的調(diào)節(jié),E是未分化菌絲的分類特征，見表1-22。 未分化菌絲體的總長度起初以指數(shù)速率增長，直到菌絲體總長超過15 mm (以凍土毛霉為例)為止。 接下去是生長速率的累進(jìn)期。,微生物生長分化的調(diào)節(jié),指數(shù)期的長短通常受霉菌菌絲生長單位的影響，如形成稠厚菌絲體的產(chǎn)黃青霉(G =48m) 比形成稀疏菌絲體的凍土毛霉(G = 95m)減速早一些。 這大概與培養(yǎng)基成分的不利變化，如pH，次級代謝物或養(yǎng)分濃度的變化，和菌絲體的分化有關(guān)。,微生物生長分化的調(diào)節(jié),環(huán)境條件對菌絲生長單位（G）的影響,a 溫度 菌絲生長單位不受溫度的影響，和E均隨溫度的改變而以相同的速率變化，即E/為一常數(shù)。故溫度影響菌絲生長單位的復(fù)制速率，而不是長度。,環(huán)境條件對菌絲生長單位的影響,b 培養(yǎng)基成分 營養(yǎng)成分的改變會影響G和，但對E的作用不大，從表1-23可見，不同培養(yǎng)基對的影響恰好與對G的影響相反。,環(huán)境條件對菌絲生長單位的影響,環(huán)境條件對菌絲生長單位的影響,c 分枝誘導(dǎo)劑 L-山梨糖抑制粗糙鏈孢霉的E，對影響不大，因而使G下降，誘導(dǎo)粗糙鏈孢霉茂盛分枝。用L-山梨糖處理過的的菌絲體，其max保持不變，但其空間分布改變，霉菌以群生(成團(tuán))或半群生方式生長。,環(huán)境條件對菌絲生長單位的影響,d 抑制劑 霉菌生長抑制劑對G的影響取決于抑制劑的性質(zhì)和劑量，如G不受影響，說明這種抑制劑同時(shí)影響E和，因而G = E /不變。 環(huán)己酰胺則會使G減小。,菌絲空間分布的調(diào)節(jié),菌絲傾向于散開單獨(dú)生長，部分原因是向自性(autotropism)的結(jié)果。向自性是一種確保同類菌絲高效地覆蓋固體培養(yǎng)基的機(jī)制。,菌絲空間分布的調(diào)節(jié),對這種現(xiàn)象有兩種解釋：1)菌對聚集于環(huán)境中的未知因素的負(fù)向化性反應(yīng)； 2)對氧或其它營養(yǎng)要素的正向化性反應(yīng)。 所謂向(趨)化性是指一種以化學(xué)物質(zhì)為刺激源的向性，負(fù)則表示避開的意思。,二、微生物生長環(huán)境（Environment of Microorganism Growth）環(huán)境因子：溫度(Temperature)、 酸堿度（pH）、 滲透壓、 水的活度(Activity of water)、 壓力(Pressure)等,(h-1) 嗜冷菌 中溫菌 嗜熱菌 026 1543 3765 T()從上圖可知：（1）任何微生物生長溫度范圍都小于30；,（一）、溫度對生長的影響,（2）生長速率隨溫度的升高而緩慢增加，直到達(dá)到最高的生長速率；(3)超過此值時(shí)生長速率隨溫度的進(jìn)一步提高而訊速下降。(4)溫度與生長的關(guān)系符合Arrhenius方程： When Growth: Specific Growth Rate =Ae- Ea/RT When Death: Specific Death Rate =Ae Ea/RT (where Ea=1530Kcal/Mol, Ea=6090Kcal/Mol ) Growth Modelling: dX/dT=X-X,問題（Questions）:1.如何解釋最適生長溫度與最適產(chǎn)物形成不一致？ 2.如何解釋獲得最大比生長速率（max）溫度與獲得最大菌體得率系(Yx/s)數(shù)溫度不一致？,（二）pH對生長的影響 (h-1) pH 圖 pH與微生物生長關(guān)系圖Fig. Relationship of pH and Cell growth由上圖可知：（1）微生物生長一般的pH范圍為36，不超過8.5； （2）最大生長速率時(shí)的pH變化范圍為0.51；從上二圖可知pH與最適溫度之間關(guān)系：生長最適溫度高的菌種，其最適pH也高。,參數(shù)變化： pH上升超過最適值，表示細(xì)胞處饑餓狀態(tài)，需補(bǔ)加碳源，補(bǔ)糖過量又會下降；pH控制策略：（1）補(bǔ)氨水，但過量氨水會使菌體中毒，引起呼吸速率急速下降，即CER下降； （2）控制補(bǔ)碳源速率,pH動態(tài)變化,溶氧（DO）,（a）氣泛狀態(tài)（b）氣載狀態(tài)（c）完全分散態(tài),氣 體,C*P/H, 與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度 H:亨利系數(shù),Kl: 以氧濃度為推動力的總傳遞系數(shù) (m/h),再令：單位體積的液體中所具有的氧的傳遞面積為 a (m2/m3),Nv：體積傳氧速率 kmol/m3.hKla: 以(C*-C)為推動力的體積溶氧系數(shù) h-1,二、發(fā)酵液中氧的平衡,發(fā)酵液中供氧和需氧始終處于一個(gè)動態(tài)的平衡中,傳遞(OTR)：,消耗(OUR)：,OUR= QO2 .X,氧的平衡最終反映在發(fā)酵液中氧的濃度(DO)上面 DO = OTR- OUR,Oxygen trnsfer rate, OTR,OUR與氧傳遞,菌體與氧傳遞,氧傳遞,氧傳遞,氧傳遞= f( T R P F 菌體形態(tài) 親和常數(shù) 代謝活性),徐慶陽等 微生物學(xué)通報(bào)，2007,5%,20%50%70%,谷 氨 酸 發(fā) 酵,產(chǎn)酸 轉(zhuǎn)化率標(biāo)準(zhǔn)(40-50) 122.0 63.7%低 (20左右） 115.2 57.0%,徐凱等，中國調(diào)味品，2007,郜培等，食品工業(yè)發(fā)酵，2005,郜培等，食品工業(yè)發(fā)酵，2005,GLU,OD,a-KG,過程分析,（三）滲透壓對生長的影響 根據(jù)耐受鹽濃度的大小可將微生物分為四類： A. 非嗜鹽菌 0-1.0g/L; B海洋細(xì)菌 0.15.0g/L; C. 中等嗜鹽細(xì)菌 2.3-20.5g/L; D. 極端嗜鹽菌 12-36g/L(飽和),一般耐滲透性越強(qiáng)的細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)與胞外K+濃度之比越大，例如：1. E.coli K+吸收能力增加，細(xì)胞內(nèi)滲透壓亦增加，這了維持大致恒定的離子強(qiáng)度，于是排出腐胺，2.甘油發(fā)酵，則利用耐高滲透壓酵母進(jìn)行，代謝途徑為： 葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 1,6-二磷酸果糖 戊糖途徑（HMP Pathway） 丙酮酸 磷酸二羥丙酮 TCA 厭氧CO2 乙醇 甘 油 多 醇 圖 甘油代謝示意圖（Glycerol Metabolic Pathways）,阿卡波糖由游動放線菌(Actinoplanes sp .SE 50)產(chǎn)生。對腸道內(nèi)的蔗糖酶、麥芽糖酶、糊精酶和葡萄糖淀粉酶都有強(qiáng)烈的抑制作用，并對a一淀粉酶有微弱的抑制作用。,aC7N單位 b4,6-二脫氧己糖,c麥芽糖,阿卡波糖由阿卡波糖特征基團(tuán)acarviose和麥芽糖組成，acarviose由雙脫氧葡萄糖和有效霉胺（即不飽和氨基環(huán)醇C7N結(jié)構(gòu)）兩部分組成。,氨基環(huán)醇（a組分）來自于磷酸戊糖途徑中的7磷酸景天庚酮糖,轉(zhuǎn)化酶由abcC、M、O、R編碼。其中