一文了解細菌生長曲線的定義、階段、影響因素以及應用
細菌作為生命體的一種，其生長過程并非一成不變，而是遵循著一定的生長曲線。這一曲線不僅是生物學研究的重要基礎，同時也對于醫藥、農業、食品工業等多個領域具有深遠影響。本文將從細菌生長曲線的定義、階段、影響因素以及應用等方面進行詳細闡述。
一、細菌生長曲線的定義
細菌生長曲線，是指細菌在特定環境下，隨時間的推移，其數量增長所呈現出的變化趨勢。這一曲線通常通過實驗室條件下對細菌生長過程的連續觀察和測量得到，并以時間為橫坐標，細菌數量為縱坐標繪制而成。細菌生長曲線反映了細菌在生長過程中的動態變化，是研究細菌生長規律的重要工具。
二、細菌生長曲線的階段
細菌生長曲線通常可分為四個階段：遲緩期、對數生長期、穩定期和衰亡期。
1.遲緩期：細菌接種至新鮮培養基后，并不立即開始生長和繁殖，而是有一個短暫的適應期。在這一階段，細菌主要進行細胞內代謝的調整和準備，為接下來的對數生長期做準備。遲緩期的長短取決于細菌的種類、接種量、培養基的種類和條件等因素。
2.對數生長期：遲緩期過后，細菌開始迅速生長和繁殖，數量呈幾何級數增加。在這一階段，細菌的生長速度最快，代謝最為旺盛。對數生長期是細菌生長的主要階段，也是實驗室研究和工業生產中最為關注的時期。
3.穩定期：隨著細菌數量的不斷增加，培養基中的營養物質逐漸消耗殆盡，同時代謝產物積累，細菌生長速度逐漸下降，進入穩定期。在穩定期，細菌數量基本保持穩定，不再有明顯的增加。
4.衰亡期：當培養基中的營養物質被完全消耗，且代謝產物的積累達到一定程度時，細菌的生長環境變得惡劣，細菌開始大量死亡，數量迅速下降，進入衰亡期。
三、影響細菌生長曲線的因素
細菌生長曲線受到多種因素的影響，主要包括以下幾個方面：
1.細菌的種類和特性：不同種類的細菌具有不同的生長特性和需求，對環境的適應性也不同，因此其生長曲線也會有所差異。
2.培養基的成分和條件：培養基是細菌生長的基礎，其成分和條件對細菌的生長速度和數量有著重要影響。例如，營養物質的種類、濃度、pH值、溫度、氧氣濃度等因素都會影響細菌的生長曲線。
3.接種量和接種時間：接種量和接種時間對細菌的生長曲線也有一定影響。接種量過大或過小，接種時間過早或過晚，都可能影響細菌的生長速度和數量。
4.環境因素：環境因素如溫度、濕度、光照、氣壓等也會對細菌的生長曲線產生影響。適宜的環境條件可以促進細菌的生長和繁殖，而不利的環境條件則會抑制細菌的生長。
四、細胞培養期生長的影響因素
溫度
一般哺乳類及禽類細胞體外培養的適宜溫度是37~38℃。溫度過高或過低都會影響到細胞的生長。細胞耐受低溫的能力比抗熱的能力強，在低溫下，細胞的代謝活力及核分裂降低。
溫度不低于0℃時，雖影響細胞代謝，但并無傷害作用；
把細胞置于25～35℃時，細胞仍能生存和生長，但速度減緩；
放在40℃數小時后，再置回37℃培養細胞仍能繼續生長；
如果在40℃下暴露時間太長，對細胞生長不利，甚至變圓脫落于瓶壁；
若溫度過低，在降到冰點以下時，細胞因胞外水和胞質結冰而受損死亡；
但若向培養液中加入甘油或二甲亞砜等保護劑，封入安瓿中后，置于液氮中，可起保護作用，此時細胞可耐受-70℃以下溫度，能長期儲存，解凍后細胞復蘇，仍能繼續生長增殖，細胞生物性狀不受任何影響。此為保存細胞的主要手段。
細胞在39～40℃培養1小時，能受到一定損傷，但仍有可能恢復，但不能忍受溫度再升高2℃，持續數小時，即在41～42℃中培養1小時，細胞損傷嚴重，溫度至43℃以上時細胞多數被殺死。高溫主要引起酶的滅活、類脂質破壞，核分裂的破壞，產生凝固酶使細胞發生凝固，另外使蛋白質變性。因此，體外培養細胞時一定要避免高溫。
滲透壓
細胞在高滲溶液或低滲溶液中，可以立即發生皺縮或腫脹、破裂。所以，滲透壓是體外培養細胞的重要條件之一。哺乳動物和其他動物組織細胞體外培養的滲透壓的維持主要與NaCl有關，但不能忽視其他電介質滲透壓的關系。滲透壓與單位體積溶媒內溶質的分子數和離子數成正比。為此，按一定比例控制培養液中離子平衡，維持正常滲透壓是很重要的。這不僅是為了維持細胞張力，而且是為了調節細胞的代謝。因為細胞外離子輸送和離子濃度改變著其他營養物質的輸送(如氨基酸、蔗糖等)，直接影響細胞基本合成系統。
理想的滲透壓因細胞的類型及種族而異，人血漿滲透壓為290mmol/L，被視為是體外培養人類細胞的理想滲透壓。哺乳類動物細胞的滲透壓一般為290～300mmol/L。人胚肺成纖維細胞為250～325mmol/L，鼠則為310mmol/L左右。在實際應用中，260～320mmol/L的滲透壓可適于大多數細胞。體外培養細胞需要理想的氣體環境，
氧和二氧化碳
氧和二氧化碳是細胞生存必須的條件之一。氧參加細胞的三羧酸循環，產生能量以供給細胞生長、增殖和合成各種所需成分。有些細胞在低氧條件下，可借糖酵解取得能量，但多數細胞低氧時不能生存。氧張力通常維持在略低于大氣狀態，若氧分壓超過大氣中氧的含量可能對有些細胞有害。采用開放式培養時(碟皿或培養瓶松蓋培養或培養板培養)，一般要把細胞置于95%空氣加5%二氧化碳的混合氣體環境中。
CO2既是細胞的代謝產物，又是細胞生長所必需的成分，并與維持培養液的pH有關。在密閉瓶中CO2濃度偏低的情況下，細胞容易生長；一般不能低于1%，否則有損細胞。CO2增加將使pH下降。大多數細胞適于在pH6.8~pH7.4條件下生長，低于pH6.8或高于pH7.6對細胞有害，甚至退變或死亡。
各種細胞對pH的要求不盡相同。一般原代培養細胞對pH的變動耐受性差，永生性細胞系和惡性細胞對pH的變動耐力強。但總的來說，細胞對堿性不如對酸性的變化耐受，偏酸的條件比偏堿的環境對細胞生長有利。細胞在生長過程中隨細胞數量的增多和代謝活動的加強，不斷釋放CO2，使培養基變酸，pH發生變化。所以，為了維持培養環境恒定的pH，多采用在培養液中加入磷酸鹽等緩沖劑的方法。磷酸緩沖劑中的NaHCO3可供給CO2，但CO2易于逸出，故只適用于封閉式培養。若開放式培養還是置于含有5%CO2的氣體環境中為宜。
可見光
可見光的波長是3900~7800?。可見光的各種有色光能引起細胞退變，延長核分裂的間期，還可顯著降低貼壁細胞的附壁能力。因此，體外培養細胞應避免日光直接照射，最好在黑暗中進行培養或短期存放。
紫外線
弱紫外線下耐受能力強的細胞變化不大，但對敏感的細胞有損害。紫外線強時，新分離的細胞顯示：
不能進行完全的有絲分裂；
在有絲分裂時增加了脫水收縮；
在有絲分裂時細胞質的起泡減少。
研究發現，腹水癌細胞經紫外線照射后，用飛點紫外線顯微鏡觀察發現被照射表面形成水泡，隨后細胞膨脹，損害也漸變嚴重。
放射線
X射線對細胞有明顯損傷；
β射線可影響細胞核的分裂；
γ射線使核分裂數減少并出現不正常的核分裂，可使細胞死亡；
超聲波和振動
在超聲波振動下，細胞很快會破裂，開始是胞質發生紊亂的流動，原生質膠體結核也有明顯變化，若停止超聲波振動可回復。細胞致死的原因是由于產生空化作用所致。
當超聲波在2.5W/cm2時，細胞受損，染色體發生畸變，首先發生畸變的是核染色體。在體外培養細胞中，細胞接種數對細胞的生長有影響，適宜的接種密度，可以促使細胞增殖，接種密度太低或太高都不利于細胞的生長增殖。
攪拌轉速
當懸浮攪拌培養細胞時，攪拌速度既不能太快，也不能太慢。
如太慢，細胞易結團、下沉和貼壁，氧氣混合效果差，不利于細胞在懸浮狀態下增殖；
如果太快，容易起泡沫，細胞易窒息致死，同時，強烈地攪動易使細胞因機械損傷而破裂。所以選擇適宜的攪拌速度很重要，一般不同規模的反應器會有不同的反應器的攪拌轉速，根據PV相等原則規模放大，綜合考慮定不同的轉速。
五、細菌生長曲線的應用
細菌生長曲線在多個領域具有廣泛的應用價值。在醫藥領域，細菌生長曲線的研究有助于了解細菌的生長規律和耐藥機制，為抗生素的研發和應用提供科學依據。在農業領域，細菌生長曲線的研究有助于了解作物病原菌的生長特性，為病害防治提供有效手段。在食品工業領域，細菌生長曲線的研究有助于了解食品中微生物的生長規律和安全性評估，為食品安全控制提供重要參考。此外，細菌生長曲線還在環境監測、生物工程等領域具有廣泛應用。
六、實例
牛奶中細菌的生長情況
從健康乳牛剛擠出的牛乳，溫度一般為37℃，從理論上講細菌含量并不高，但在一般奶牛場的環境條件下，能夠使牛乳腐敗的細菌到處皆有，污染的機會及途徑很多，如擠奶過程中不講究衛生，沒有做好必要的清潔衛生工作，其每毫升乳中的細菌數可達100萬以上，甚至出現無法計數。
細菌的繁殖細菌一般通過裂殖進行無性繁殖
1.繁殖的速度。在正常情況下，細菌的裂殖周期為20-30分鐘，因此，從理論上講，繁殖的模型如下：
在0.5小時2個細菌在1小時后4個
在1.5小時以后8個
在2小時以后16個
在11小時以后1000萬個
但是，在實際上，細菌的生長速度很快地被營養的缺乏、代謝毒物的積聚、不適宜的溫度條件等所抑制，最后繁殖停止，細菌大量死亡。
2.細菌的生長曲線在細菌開始繁殖的時候通常是較緩慢，因為她們必須首先適應新環境，以后細菌開始迅速繁殖，此時繁殖以對數速度進行，隨之細菌的繁殖速度又減慢，此時同時細菌不斷死亡，處于平衡狀態，最后，細菌的繁殖完全停止，老的細菌相繼死亡。該曲線的形狀，即各個階段的長度和梯度變化因溫度、營養供應和其他生長參數的不同而變化。
牛乳中細菌的變化
1.鮮乳中細菌數的減少：擠出后的牛奶，在一定時間內細菌數反而減少，這是因為新鮮牛乳中存在著細菌抑制物質，但這種細菌抑制物質經70℃20分鐘加熱后即被破壞。
2.鮮牛乳保存期間細菌的繁殖及其變化：鮮乳繼自體抑菌階段后，接著，乳中的乳酸菌、蛋白分解菌或大腸菌開始繁殖，以致產生酸敗、堿化、胨化以及產氣等現象。首先是乳酸菌繁殖最旺盛，產生酸凝固，接著乳酸菌受所產酸的抑制，因此耐酸的丙酸菌、孢子形成菌、酵母菌、霉菌等變成優勢，最后由于孢子形成菌和腐敗菌的作用，牛乳出現敗壞現象。
牛乳中細菌生長與溫度的關系
1.牛乳溫度在35-60℃時，嗜熱性細菌最易生長，如嗜熱性的乳酸鏈球菌、酸性乳酸桿菌等。當牛乳在20℃左右時，乳中所有細菌都能生長，此時，牛乳中的細菌一般在20分鐘左右繁殖一代，經12-24小時后，乳中的細菌可增殖約600倍。當牛乳在4-10℃條件下，則嗜冷菌細菌適宜生長，如芽孢桿菌熒光細菌等，經12-24小時，乳中的細菌可增殖約5-15倍，當牛乳在1-6℃條件下，乳中大部分細菌都被抑制生長。
溫度的作用可由下列說明：
擠奶后立即取樣，40000個細菌/毫升；
在5℃下貯存24小時后，90000個細菌/毫升；
在10℃下貯存24小時后180000個細菌/毫升；
在15℃下貯存24小時后4500000個細菌/毫升。
2.冷卻溫度與牛乳保存時間的關系，見下表
為了抑制細菌繁殖，必須盡快將牛乳冷卻，隨著溫度的下降，細菌繁殖速度也將逐漸下降。
綜上所述，細菌生長曲線是研究細菌生長規律的重要工具，對于醫藥、農業、食品工業等多個領域具有深遠影響。
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