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§ 1 微生物生长与调节 § 1.1 微生物的生长 活细胞最基本的生命特征是生长和繁殖。 关于生长的定义，不同学科的学者有不同的见解。细胞生物学家关注单细胞的形态变化，特别是细胞的分裂方式。生化学者对成千上万个与生长有关的酶反应动力学及代谢途径感兴趣，认为生长是所有化学成分有秩序地相互作用的结果。生物物理学家则认为，细胞是热力学不平衡的开放系统，与其周围环境进行物质与能量的交流，特别表现在熵的溢流上。生化工程师把生长看做是生物催化剂数量的增长，通常以质量和细胞数目的增长来表达细胞的生长。 分化（differentiation）则是生物的细胞形态和功能向不同的方向发展，由一般变为特殊的现象。 一、生长的形式 1、细菌的生长 裂殖、细胞壁合成方式（G+菌沿着中纬带；G-菌沿着整个细胞壁，以居间并生方式合成的）、菌龄（一般以培养时间表示，真实菌龄应以繁殖的代数表示）。 2、酵母的生长 芽殖（按芽痕出现位置芽殖分两类：两极性与多极性）、菌龄（由芽痕数量确定）、假菌丝（子细胞不与母细胞分离，形成链状）、胞内膜系统（把细胞分隔成几个能就地进行高效生化反应的间室，并建立了输送适当材料到各间室的系统）、泡囊运输（一种连接细胞中大多数主要细胞器的投递系统，高尔基体占据了内质网与核内体、液泡和质膜之间的交通中心位置：待分泌蛋白质从内质网被集中于外衣的COPⅡ泡囊，然后输送到早期高尔基体间室，在那里被修饰、分类和输送到其最终目的地。可溶性蛋白与膜蛋白通过其固有的固位机制维持其适当的定位作用。这类固位机制部分涉及蛋白-蛋白的相互作用与逆行输送到罩上外衣的COPⅠ光囊处）。 3、霉菌和放线菌菌丝的生长 生长方式（菌丝末梢伸长、分枝或交错成网，称为菌丝体）、分生孢子（真菌形成）、菌丝长度（受遗传控制并与生长环境有关）、菌丝团（以产黄青霉为例，其密实程度受搅拌、供氧和温度等培养条件的影响，特别与碳源的性质有关。菌丝团变得密实的条件有：添加易利用的碳源，如葡萄糖；搅拌加快；供氧改善。反之，用乳糖、搅拌缓慢或供氧不善，则菌丝团变得疏松。菌丝团内部营养物质的缺乏与代谢产物的积累会使菌的生长处于不利环境之中。） 4、细胞群体的生长 倍增时间（以td表示）、比生长速率（μ=ln2/td=0.693/ td）。 5、细菌群体的生长周期 ⑴停滞期 通常地，从不太能满足需求的培养基移种到能满足需求的培养基其停滞期缩短；相反如培养物从丰富培养基移种到贫乏的培养基，停滞期一般会延长，这是由于受丰富培养基组分阻遏的生物合成必需重新启动后生长才能恢复。但这种情况对自养菌不适用，因复合有机养分会抑制其生长。 ⑵指数（对数）生长期 通常，在补充有机碳源，特别是葡萄糖的矿物盐培养基中的生长比其他碳源快些。对兼性厌氧菌来说，有氧下的生长通常比无氧快些，这反映出在有氧条件下微生物合成ATP的效率更高。生长在需要花费更多能量来同化的基质中（如硝酸盐）比花费能量少的（如氨）通常要慢些。温度、pH和渗透压等环境条件对生长也有影响。 ⑶静止期 一种情况，待主要或必需养分耗竭，生长也就中止。在含碳-能源有限的合成培养基中从指数生长期转到静止期是突然的，但对生长在复合培养基的培养物则其过渡时间较长，一些辅助的碳基质（主要是氨基酸）先后耗竭。进入静止期常出现很大的代谢变化：对产芽孢的细菌（如枯草芽孢杆菌，某些养分的耗竭启动相继的形态变化，在母细胞内形成高度稳定的休眠芽孢）、对不产芽孢的细菌（DNA再合成一段时间后细胞净重的增加停止，细胞分裂后子细胞个体变小，其RNA含量低。在静止期合成许多蛋白质，包括胞外酶。若生长受外源碳基质或可利用氮源缺少的限制，便不能形成RNA与蛋白质合成所需的中间体。但是，饥饿单细胞通常能从非必需的RNA和蛋白质的水解产物中获得中间体，这是随饥饿开始，胞内核酸酶和蛋白酶的作用所致。这种循环被称为周转（turnover），是一种能使细胞存活和适应环境改变的重要特性。） 另一种情况，静止期的出现也不总是必需养分缺乏的缘故。生长通常伴随pH改变，有时这一改变也会抑制细胞的进一步合成。即使生长在中性糖中且产生唯一的分解代谢终产物CO2，也可能引进pH的显著移动。这可能是由于阳离子（NH4+、K+和Mg2+）与阴离子（SO42-、PO43-）的吸收比例失调。例如，枯草芽孢杆菌可能含有占干物质12%的氮和5%的钾，而细胞的磷和硫含量分别为细胞干重的3.5%和0.5%，因此被同化的NH4+、K+与SO42-、PO43-的分子比为7，其电荷比为2.5。在革兰氏阴性菌中也存在类似的不平衡，尽管细胞对钾和磷的需求低许多。细胞生长在葡萄糖为唯一碳源中会使培养液pH不断下降；相反，生长在乙酸盐、乳酸盐或琥珀酸盐中会使pH升高，这是由于阴离子的消耗比阳离子多所致，生长常因pH升高而停止。 二、生长的测量