主题:【资料】微生物的生长介绍

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4.连续培养(continuous culture)
  在分批培养和发酵时,微生物的生长和产物同时或分间段进行。若将新鲜的培养基连续加入均匀搅拌的培养物中,同时排出含有细胞和产物的发酵液,就可进行连续培养,并可在较长的时期内维持生长。而且,细胞浓度、比生长速率、培养环境(例如营养物和产物浓度)可不随时间而变化、维持稳定状态。这与培养环境不断变化的分批培养中的生长显然不同。所以连续培养为研究微生物对环境的响应以及在最佳环境条件下连续生产细胞和其它产物提供了一种独特的方法。
  连续培养的一个重要特征是使微生物的增殖速度和代谢活性处于某种稳定状态。连续培养的方法大致可以分为两类,即恒化器(chemostat)法和恒浊器(turidostat)法。“恒化”指的是恒定的化学环境,“恒浊”指的是反映细胞浓度的浊度恒定。
  恒化器和恒浊器装置相似,都有一个恒定体积的培养容器,并且都是依靠流加和排出来维持培养槽内液体体积的恒定的,只是培养过程中对微生物生长的控制方法不同。图3-12为简单的恒化器和恒浊器的示意图。



图3-12 恒化器与恒浊器简图
  恒化器法与恒浊器法都是在一固定容器内培养微生物,当微生物进入对数生长期时,要不断地加入新鲜的培养基,同时流出培养物,以使培养器中培养物的体积保持恒定。恒化器是通过调节培养液的流速来进行控制的。其最基本的操作条件是,由流速决定的稀释速率不等于或不超过微生物的最大比生长速率。
  恒浊器可以在恒化器的基础上添加浊度控制仪而构成。
  恒化器法是把微生物增殖所必须的一种营养源(如碳源、氮源、无机盐类、溶解氧等)作为限制条件(单一的限制性基质),通过控制其供给速度来限制微生物的增殖速度,从而实现连续培养的。由于营养料的最适供给速率比较难求,因而常以自控系统进行调节。在恒化器中进行连续培养时,在预定的培养基中,除了一种营养物外,其余都超过用于合成所要求浓度的细胞所需要的量,这一种营养物质在这里叫限制性基质。生长所需要的任何一种营养物都可以作为限制性基质,这样就给研究者通过调节生长环境来控制正在生长中的细胞生理特性带来了很大的灵活性,并使恒化器成为一种广泛采用的连续培养装置。
  恒浊器法是通过流加新鲜培养基,以保持培养器中微生物细胞的密度,从而实现连续培养的。微生物的密度若能表现为培养液的浊度,而浊度可以转变为光电信号,此信号与对应于预定浊度的光电信号比较,即可发出控制信号,使流加新鲜培养基的电磁阀开或关。由于培养器体积用溢流装置维持恒定,而且容器里的物料是均匀混合的,所以当电磁阀打开时,有些细胞从容器内溢出,培养物被稀释,浊度下降。流加到一定程度,当浊度产生的光电信号比预定的浊度光电信号小时,电磁阀即自动关闭。容器内微生物的生长又使浊度上升,上升到预定值,电磁阀又打开…如此不断地开、关电磁阀,从而实现恒浊控制。此法不适用于霉菌、放线菌等形成菌丝的微生物。
  发酵工业上采用多罐串联连续培养的方法,可以大大缩短发酵周期,提高设备的利用率。
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5. 高密度细胞培养(high cell density culture)
  一般是指在液体培养中细胞含量超过常规培养10倍以上的发酵技术。在采用毕赤酵母高密度细胞发酵时,生物量达到100g干重/L,代谢物的产量也大为提高,所以该技术能大大提高生产产率,并提高产物的分离和提取效率。但要达到高密度细胞培养,不仅要选育适合的菌种,而且在培养工艺技术上必须作相应的改进,如培养基的成分和比例的优化;补料技术的采用;溶氧浓度的提高和防止有害产物的生成等。图3-13是采用毕赤酵母高密度细胞发酵的对比照片。

图3-13 高密度细胞培养
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6. 双菌或多菌培养
  现代发酵工业以纯种发酵为主,而传统的固态白酒和酱油的发酵都是多菌培养发酵的结果。在自然界微生物之间的共生与互生关系也是双菌与多菌共同生存的常例,这种关系反映了微生物存在着代谢“接力捧”的依赖状态,能相互改善生存条件。
  维生素C的二步法生产是发酵工业双菌发酵的典型例子。如采用欧文氏菌(Erwinia sp.) 和棒状杆菌(Corynebacterium sp.)进行串联发酵,先将D-葡萄糖转化成2,5-二酮基-D-葡萄糖酸,再进一步转化产生2-酮基-L-古龙酸。另一路线是从葡萄糖高压加氢制成的D-山梨醇是发酵的主要原料,利用生黑葡萄糖酸杆菌(Gluconobacter melanogenus)或弱氧醋酸杆菌(Acetobacter suboxydans)先进行第一步发酵,所生成的L-山梨糖(醪液)于80℃加热几分钟后再加入消过毒的辅料(玉米浆,尿素及无机盐等),即可开始第二步的混合菌株发酵.初期pH约为7.0,两株菌生长均很正常;当作为伴生菌的芽孢杆菌开始形成芽孢时,产酸菌株(Gluconobacter oxydans)开始产酸。
  许多发酵是纯菌株无法实现的,只有混合菌株才能完成,所以采用混菌培养有可能获得新型的或优质的发酵产品,有时比单菌培养反应更快、更有效,更简便,当然混菌培养的反应机制较复杂。
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微生物生长的测定
  描述微生物生长,对不同的微生物和不同的生长状态可以选取不同的指标。通常对于处于旺盛生长期的单细胞微生物,既可选细胞数,又可以选细胞质量作为生长指标,因为这时这两者是成比例的。对于多细胞微生物的生长(以丝状真菌为代表),则通常以菌丝生长长度或者菌丝重量作为生长指标(图3-14)。

图3-14 霉菌菌丝生长(图中的数字为分钟)
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常用的测定或估计微生物生长的方法有下列几种(表3-24)。
(一)计数器法亦称血球计数板法(适用于单细胞)
  对酵母用Thoma血球计数板,对细菌用Petriff-Hausser计数器或Helber计数器,直接在显微镜下计数。这些计数器的底面都有棋盘式刻度,可以数一定面积内的菌数。Thoma计数小室和细菌计数小室的深度分别为0.1mm和0.02mm。每个方格的体积分别为2.5x10-4mm3和5x10-8mm3。 Petroff-Hausser计数小室的玻璃要薄一些,以便于进行暗视野照明。
  对细菌来说,视野照明的强弱也是重要的。不管是计数盘底上的菌还是上面存在的少数细菌,都要操纵微调装置,看清楚后加以计算,不要漏掉。对能运动的细菌,一般可以设法用4%聚乙烯醇停止其运动。
表3-24 常用菌数计数法比较
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(二)平皿活计数法
  这是采用平皿涂布或混合试样和培养基长出菌落测定活菌数的方法。其操作过程是试样
的逐级稀释和在培养基上涂布或试样与融化培养基混合,培养后计数菌落数,由于每一菌落系由一个细胞繁殖而成,故可按稀释度与加入试样量计算出活菌数。不过也并非所有的微生物都能在人工培养基上生长成菌落,这是个限制,也是必然要逐步解决的重要课题。
表3-25 为可能被培养微生物的比例。
表3-25 一些地域可能被培养微生物的比例

  平皿活计数法的稀释倍数很重要,因为每个平皿上长出的菌落数对数据的正确性影响很大,一般要求一个直径9cm的平皿上长出30-300个菌落,两稀释倍度之比接近1为佳。
表3-26为稀释度选择与菌落总数的记录方式。
表3-26 稀释度选择与菌落总数的记录方式
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注:
   1.以选取菌落数30、300之间的培养皿作为菌落总数测定的依据。酵母、细菌可采用菌落数偏大者,而霉菌则应选取菌落数偏小者。如:根、毛霉菌偏多,可于培养基内加入0.1%去氧胆酸钠,以限制它们迅速扩展。总之,菌落计数应以菌落间各个分开为度(例1)。
  2.若有两个稀释度,其生长的菌落均在30~300之间,则应视两者之比如何来决定。若其比值小于2,则应取其平均值;若大于2,则取其较小数(例2及例3)。
  3.若所有的稀释的平均菌落数大于300,或重行再次稀释分离培养,或取稀释度最高的平均菌落数乘以稀释倍数为菌落数(例4)。
  4.若所有的稀释度的平均菌落数均小于30,或重行再次稀释分离培养或取稀释度倍数最低的平均菌落数乘以稀释倍数,定为菌落数(例5)。
  5.若所有稀释度的平均菌落数均不在30~300之间,则以最接近30成300的平均数乘稀释倍数(例6)。
  6.菌落数在100以内,按实有数记录,若大于100时,采用二位有效数,二位有效数后的数值,以四舍五入法计算。一般以10的指数表示。
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  • 常用于大肠杆菌最可能数(MPN)液体试菅稀释法


  将检样以无菌操作接种于乳糖胆盐发酵管内,采用3个稀释度正[1m1(g)、0.1m1(g)和0.0lml(g)],每稀释度3管。置44±0.5℃水浴内,培养24±2h,经培养后,若乳糖胆盐发酵管有产气者,则进行证实试验。将所有产气发酵管,分别转种在伊红美蓝琼脂平板上,置36±1℃培养18-24h,并同时接种蛋白胨水,置44±0.5℃培养24h。在上述平板上观察有无典型菌落生长,并做革兰氏染色镜检。在蛋白胨水内加入靛基质试剂约0.5ml,观察靛基质反应。凡靛基质阳性,平板上有典型菌落者,则证实为粪大肠菌群阳性。根据证实为粪大肠菌群的阳性管数,查MPN检索表,报告每100m1(g)粪大肠菌群的最可能数。
(四)比色(比浊)法
  细胞悬浮液的浑浊度通常采用光波长为600~700nm的分光光度计测定。当应用浑浊度测量细胞重量时,很重要的一点是发酵产物和培养基的成分不能吸收在所用的波长范围内的光。如果在培养中有许多非细胞固体存在,那么这种技术是不能用的,除非预先除去非细胞颗粒(如家稀盐酸除去CaCO3)。当浑浊度用于估算菌丝体微生物时,在分析之前必须将样品捣碎均匀。
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