微生物生长曲线详解：迟缓期、对数期、稳定期、衰亡期的特征与意义

 

来源公众号：微生物菌种网

微生物生长曲线描述了在封闭系统（如分批培养）中微生物群体随时间变化的典型规律，分为四个主要阶段：迟缓期、对数期、稳定期、衰亡期。理解这些阶段对微生物学基础研究、工业发酵、食品保藏、环境工程和医疗等领域至关重要。

以下是对四个阶段的详细解析：

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1. 迟缓期

特征：

细胞数量基本不变：微生物接种到新环境后，需要时间适应，不立即分裂繁殖。

细胞代谢活跃：细胞体积增大，合成大量新的酶、辅酶、ATP、RNA（尤其是rRNA）等物质，为分裂做准备。

对外界不良条件敏感：此时细胞代谢旺盛但尚未分裂，抵抗力相对较弱。

原因：

需要适应新的物理化学环境（如温度、pH、渗透压）。

需要合成利用新培养基中营养物质的酶系。

可能修复接种过程中受到的损伤。

意义：

应用上：是生产或实验中不希望出现的阶段，会延长周期。可通过使用对数期种子液、增大接种量、使新旧培养基成分尽量一致等方法来缩短或消除迟缓期。

生理上：是细胞进行必要生理调整和物质积累的关键准备期。

时长： 从几小时到几天不等，取决于菌种、菌龄、接种量和环境适应度。

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2. 对数期

特征：

生长速率最快：细胞以恒定的最大速率进行分裂繁殖。

几何级数增长：细胞数目呈指数增长（N_t = N_0 * 2ⁿ，其中n为世代数）。

平衡生长：细胞各组分（蛋白质、RNA、DNA等）按恒定比例协调合成，细胞大小、形态、生理活性相对均一。

代谢旺盛：酶系活跃，呼吸强度高，对营养物质消耗快。

对环境条件敏感：对温度、pH、营养物质浓度、抗生素等理化因素变化非常敏感。

意义：

生理研究的黄金期：细胞生理状态高度一致，是研究微生物基本代谢、遗传特性、生化反应、测定代时、筛选突变体等的理想材料。

工业应用的关键期：对于以获得菌体本身（如单细胞蛋白、面包酵母）或初级代谢产物（如乙醇、乳酸）为目的的发酵，常在此期后期收获，以获取最高生物量产率。

代时：此期可精确计算代时（增代时间），是衡量微生物生长速率的重要参数。

限制因素： 主要受营养物质浓度和环境条件（温度、pH、O₂）影响。

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3. 稳定期

特征：

营养物质（特别是碳源、氮源）逐渐耗尽或比例失调。

有害代谢废物（如有机酸、醇、毒素、H₂O₂）积累，pH等环境条件改变。

细胞内开始积累储存物质（如糖原、脂肪、聚-β-羟丁酸PHB）。

某些微生物开始形成芽孢（细菌）或孢子（真菌）。

许多次级代谢产物（如抗生素、色素、生物碱）在此期大量合成。

生长速率降为零：新增殖的细胞数与死亡的细胞数达到动态平衡，活菌总数达到最高点并维持相对稳定。

代谢发生变化：

原因： 营养物匮乏和/或有害代谢产物积累导致生长环境恶化。

意义：

生存策略体现：微生物启动应对不良环境的机制（如储存能量、形成休眠体）。

次级代谢产物生产期：工业发酵中许多有价值的次级代谢产物（尤其是抗生素）主要在稳定期合成和积累，是生产的收获期。

生态指示：反映了环境中资源有限和废物积累的自然状态，是自然界更常见的状态。

总生物量峰值：群体达到最大密度。

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4. 衰亡期

特征：

死亡速率 > 生长速率：活菌数量呈指数下降趋势。

细胞自溶：大量细胞死亡并发生自溶（Autolysis），释放出胞内物质。培养液中活菌数下降，但总菌数（活菌+死菌）可能在一段时间内变化不大。

形态异常：存活的细胞可能形态不规则，出现膨大、梨形、丝状等退化形态。

代谢停滞：代谢活性极低，仅有少数耐受力强的细胞存活或以休眠体形式存在。

原因： 营养物质极度匮乏，有害物质大量积累，环境条件严重恶化。

意义：

生存极限与淘汰：体现了群体在极端恶劣环境下的衰亡过程，不适者被淘汰。

物质循环：死亡细胞自溶释放的有机物可被其他微生物利用，在自然界物质循环中起重要作用。

研究价值：研究细胞死亡机制、自溶酶活性、极端胁迫响应等。

应用上需避免：在发酵工业和菌种保藏中，应尽量避免进入衰亡期，及时终止发酵或转接保存。

注意： 在自然界或连续培养中，由于资源输入和废物移除，通常不会出现明显的衰亡期。衰亡期在分批培养中表现最明显。

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生长曲线的整体意义与应用

基础研究： 理解微生物群体生长的基本规律和动力学，研究不同因素对生长的影响。

工业发酵：

优化工艺：缩短迟缓期（如用对数期种子），控制对数期（以获得大量菌体），延长稳定期（以生产次级代谢产物如抗生素），及时在衰亡期前放罐。

计算产率、确定最佳收获时间。

食品保藏： 利用环境因素（低温、干燥、高渗、酸、防腐剂等）延长迟缓期和/或抑制对数期生长，防止食品腐败。

环境工程： 设计污水处理系统（如活性污泥法），使微生物处于旺盛生长状态（对数期/稳定期）高效降解污染物。

疾病诊断与治疗： 理解病原体在宿主体内的生长规律；抗生素通常在生长旺盛的对数期效果最好（针对细胞壁或蛋白质合成的药物）。

菌种保藏： 通常选择稳定期的细胞（代谢相对不活跃，内含物丰富）或形成的休眠体进行保藏。

总结： 微生物生长曲线揭示了封闭系统中微生物群体适应、高速增殖、应对压力直至衰亡的动态过程。掌握这四个阶段的特征、原因和意义，是有效利用和控制微生物的基础，对理论研究与实际应用具有广泛的指导价值。

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