Chapter4微生物的生長繁殖與遺傳變異第一節微生物的生長生長：微生物在適宜的環境條件下，不斷吸收營養物質、按照自己的特點代謝。如果同化超過異化作用則表現為原生質增加，體積增大，細胞生長。繁殖：任何微生物細胞生長增大是有限度的，生長到一定階段，發生分裂。對于單細胞生物來說，分裂表現為個體數目增多，則是繁殖；對多細胞微生物，如果細胞增多而個體數不增多則仍是生長，只有增加個體數目才是繁殖。一般講，生長是指個體的生長，包括繁殖。微生物從生長到繁殖的過程稱為發育。一、細菌的生長曲線：一般來說，細菌的生長速度隨著時間和環境的改變而迅速改變，在適宜的條件下，細菌大量繁殖，使營養物質迅速消耗，而代謝產物、排泄物等有毒物質增加、或PH通氣等條件改變、生長速度則隨之下降，然后大量死亡。當少量的單細胞微生物（細菌）不能培養接種于新鮮的培養基中進行培養時，由于每一個體所處的環境條件相同，都能充分迅速的生長繁殖、在培養條件不變的情況下，定時取樣計算細胞數目，以時間為橫坐標，以菌數對數為縱坐標制成曲線，稱為細菌的生長曲線。從這以曲線可以看出明顯分為幾個時期。延遲期、對數生長期、穩定生長期和衰亡期（一）、延遲期當細菌被轉入一新鮮的液體培養基中后并不立即繁殖，而是需要一段時間來適應新的環境，最初菌數并不增加或減少，但它們仍然正常吸收營養物質，細胞體積隨之增大，原生質變得均勻，貯藏物質逐漸消失，然后開始繁殖，由慢到快。延遲期在初期階段細胞對外界環境不敏感，但處于延遲期后期階段，則極為敏感，如對高溫、低溫、高濃度鹽溶液等都是如此。這是因為接種新環境的細胞經短暫的適應后要合成大量的核酸蛋白質等以備迅速繁殖之用的結果。應用：誘變育種延遲期的長短受很多因素限制：1.細菌種類；2.接種量；3.前后培養基成分；4.培養條件。（二）對數生長期：延遲期末，細菌細胞開始分裂，基質中細胞迅速增加，進入對數生長期。在這一時期，細菌細胞數量呈幾何級數增加。細胞生長旺盛、細胞數量的增加與原生質量的增加及菌液混濁度的增加呈正相關。如果以時間為橫坐標，以菌數為縱坐標作圖，得一直線。因為細胞為一分為二的繁殖，所以菌體的增加也呈幾何倍數。即：1，21，22，23，24……2n。這里指數n表示細菌分裂的次數，單個細胞完成一次分裂所需的時間稱為世代時間（G）各種不同的細菌在不同的條件下的世代時間是不同的。但一種細菌在同一條件下則世代時間相對穩定，如果在一定時間t內細菌共繁殖了n次，則世代時間G表示為：因此：或t＝nG如果在一對數生長階段現測得細胞數為B，t時間后又測得細胞數為b則有：b＝B?2n取對數得：lgb=lgB+nlg2得：n=lgb-lbB/lg2∴.n=3.3lgb/B∵G＝t/n∴例：某細菌培養體第一次測得菌數104/ml，4小時后又測得菌數為108/ml，求此菌的世代時間及在此世代時間內的繁殖代數。解：因世代時間

T＝4小時＝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代一般細菌細胞世代時間為20～30分鐘，有些短，有些長。由于這一時間代謝旺盛，生長速率快，菌體中細胞形態化學組成生理特征較為一致，在微生物生產中常用這一時期的細胞作為種子，試驗及研究這也常以這一時期細胞做材料。（三）、最高穩定生長期：在一定體積的培養基中，由于營養的限制，細胞不可能按對數期無限生長，當大量繁殖后，營養被消耗及各種不良環境開始出現，因此細胞的死亡速率開始增加，繁殖速度開始下降，當繁殖與死亡速率相等時，細胞總數不再增加，培養液中單位體積的菌數達到最大值，并維持一定時間，這一時期就是最高穩定生長階段。這時培養基中的菌數為這一條件下所能養活的細菌的最高數額。特點：1、分裂速度降低；2、細胞內貯存物質大量積累；3、出現顆粒異集粒、脂肪粒等；4、芽孢細菌在這一階段形成芽孢5、細胞呈現衰亡。（四）、衰亡期最高穩定期后，由于營養物質缺乏、代謝產物及有毒物質大量積累，造成不良環境條件，細胞生長速率被限制，死亡速率迅速上升，這時時間與菌數的對數成反比。即：菌數呈幾何級數下降。特點：1、菌體出現多形態；2、生長曲線急劇下降；3、菌體顆粒更明顯；4、原生質中出現液泡；5、細胞常常自溶消亡。但這一時期少數細菌仍可存活相當常的時間，細胞處于休眠狀態。應用：

1、延遲期滅菌，選育優良品種（因為遺傳保守性差，易發生變異）

2、作為生產中的菌種種子，以提高產量

3、穩定期因積累大量產物、以產物為產品的生產，此時收獲產量高。

4、衰亡期菌體成熟、形成芽孢、孢子、便于保存菌種。二、微生物生長的測量方法：微生物，特別時單細胞微生物個體生長實際上很難測定、實際應用中靠測定整體的生長量。（一）、單細胞微生物數量的測定1、細胞總數的測定：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數，觀察10個以上視野，然后計算出每視野平均個數，再根據視野面積計算出總面積中的總菌數，乃至計算出原始菌液中的菌數。2）、細菌計數器顯微鏡觀察法：在特制的細菌計數器或血球計數板上進行計數，取一定量的菌液、置于計數器載玻片與蓋玻片之間的計數室內。這一計數室的體積室規定好的，在顯微鏡下計算一定面積的菌數，換算成計數室內的細菌數，再算出原始菌液之菌數。3）、過濾膜濃縮計算法：對于含菌較少的含菌液，把菌液通過膜的過濾，然后進行染色、計數，根據每視野的菌數及視野面積計算出原液中的含菌數。4）、比濁法：對于較濃的菌液，由于微生物的生長量與濁度之間又一定關系，利用光電比色計或濁度計迅速測定菌液的濁度，然后在標準曲線上查找出此濁度下的菌數值。2、活菌數的測定：1）、稀釋平板培養法：先將菌液做10倍系列稀釋、將最后三個稀釋度的菌液各取一定量與適當的固體培養基混勻后制成固體平板（或在固體平板上涂布），待培養、生長出菌落后，計算菌落數，求出平均值，然后乘以所稀釋的倍數，即得到原始菌液的菌數。2）、最可能計數（MPN）法：將菌液做10倍系列稀釋，菌數可以少到無菌、取3～5個，重復將各稀釋度在固體或液體培養基上培養后選取最后3個稀釋度中均生長的管或皿作為數量指數，由？？分配表中查出近似值。再乘以水朗指數的第一個指數對應的稀釋倍數即為菌數。3）、濾膜培養法：將菌種樣品通過帶有許多小孔又不讓細菌流出的微孔濾膜，借助膜的作用將細菌截留和濃縮，再將膜放于固體培養基表面培養，然后類似平板計數。（二）、生長量的測定：1、直接測定——干重法：測定單位體積培養物中細胞的干重，表示生長量。將菌體離心、洗滌、烘干，稱干重。2、間接測定：

1）、細胞含N量的測定，一般細菌含N量為原生質干重的14％，通過獲得純菌體，以凱氏定N法測定。

2）、生理指標法：以代謝作用消耗或產生的物質量表示微生物的生長量，如對蛋白質沉卵、糖發酵產酸的產量、對O2的吸收量表示生長量。第二節微生物的遺傳和變異遺傳：子代生物對其親代性狀的保持或生命在世代間的連續。變異：凡在遺傳物質水平上發生了改變，從而引起某些相應性狀發生變化。微生物靠遺傳保持特性的相對穩定，靠變異產生新種以適應新環境。一、微生物遺傳變異的特點：個體小、可直接與環境中的各種誘變因子作用，易于發生突變。由于繁殖快、生活周期短，因而發生的突變性狀見效快、有利與遺傳。由于微生物大多物性繁殖，因而變異后的個體易于保持并持續其新的特性。二、遺傳的物質基礎——DNA性狀的決定：

1、酶、生理性狀即形態結構的表現。

2、mRNA：酶及蛋白質結構及性質特征的決定。

3、DNA(RNA)：決定mRNA的結構遺傳密碼。（一）、DNA的分子結構：

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雙螺旋結構：兩個方向相反的單鏈分子嚴格地按堿基互補配對原則形成雙鏈。G＝C，A＝T，每個堿基對間的距離為3.4埃，直徑為20埃，但在單鏈分子中個核苷酸的位置是自由決定的。（二）基因：生物體內具有自我復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段。一個基因一般為1000個左右的核苷酸。基因控制各種蛋白質的合成，因而控制遺傳性質，而遺傳則并不是傳遞性狀，而是傳遞基因。為DNA的半保留復制。（三）DNA的功能：1、自體催化（自我復制）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的物質是RNA。（一）RNA：○1nRNA○2dRNA○3rRNA結構A、G、C、U結構，單鏈結構（二）遺傳密碼：指mRNA上特定的核苷酸順序，由三個核苷酸構成。一個密碼決定了一種特定的氨基酸，是運載信息的最基本單位。（三）遺傳信息的傳遞過程：轉錄和翻譯1、轉錄：以DNA為模板，按堿基互補原則在RNA合成酶的催化下，合成mRNA的過程稱為轉錄。通過轉錄DNA上的遺傳信息轉給mRNA，合成后帶遺傳信息的mRNA與蛋白體結合、構成蛋白質合成場所。2、翻譯：以mRNA為模板，在核蛋白體、基蛋白質合成酶作用下，按照遺傳密碼確定的（控制的）氨基酸順序指導蛋白質的合成。四、遺傳工程遺傳工程又稱基因工程，是通過人工手段，獲得一種生物的遺傳物質（DNA）的第一片段，在體外進行切割、重組、形成新的遺傳物質后再引入生物細胞中去，使這一遺傳性狀得到表達，從而得到新的生物品種的遺傳學技術。1、基因的分離：1).直接分離：