史鵬

摘 要：目前很多微生物學(xué)教材都提出“適當(dāng)?shù)卦龃蠼臃N量是縮短延滯期的一種手段”，但很少有教材對(duì)這一問題進(jìn)行深入探討?！霸龃蠼臃N量”這種方法與其他一些縮短延滯期的方法不同，其出發(fā)點(diǎn)并非種子液中的菌體細(xì)胞，而是重點(diǎn)考慮種子培養(yǎng)期間菌體細(xì)胞向種子液中分泌的各種胞外酶和各種代謝產(chǎn)物對(duì)菌體生長(zhǎng)的復(fù)雜影響。在授課時(shí)對(duì)學(xué)生將這些問題進(jìn)行很好的分析與解釋，將有助于他們對(duì)延滯期及接種量等概念和相關(guān)規(guī)律的理解。

關(guān)鍵詞：微生物學(xué)；延滯期；生長(zhǎng)曲線

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2018）03-0036-02

細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線常被用來(lái)描述細(xì)菌群體生長(zhǎng)的規(guī)律，生長(zhǎng)曲線的繪制方法和其所反應(yīng)的細(xì)菌生長(zhǎng)規(guī)律也是“微生物學(xué)”“微生物生理學(xué)”和“發(fā)酵工程”等課程中的重要內(nèi)容。一般來(lái)說(shuō)，單細(xì)胞微生物的典型生長(zhǎng)曲線可被分為6個(gè)時(shí)期：延滯期、加速期、指數(shù)生長(zhǎng)期、減速期、穩(wěn)定期和衰亡期[1]。由于加速期和減速期時(shí)間較短，因此很多教材沒有提及。絕大多數(shù)教師講授生長(zhǎng)曲線這部分內(nèi)容時(shí)，也是以延滯期、指數(shù)生長(zhǎng)期、穩(wěn)定期和衰亡期這4個(gè)時(shí)期作為教學(xué)的重點(diǎn)。在各種涉及微生物生長(zhǎng)曲線的教材中，對(duì)于菌體生長(zhǎng)所經(jīng)歷的這4個(gè)時(shí)期及其產(chǎn)生原因和細(xì)胞生長(zhǎng)所表現(xiàn)出的特點(diǎn)的描述大同小異。但作者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，不同教材對(duì)于延滯期的一些觀點(diǎn)存在分歧，特別是在“縮短延滯期的方法”這個(gè)問題上的表述有很大差異，導(dǎo)致部分同學(xué)在學(xué)習(xí)該內(nèi)容時(shí)出現(xiàn)了一些誤解。為此，本文主要針對(duì)在延滯期教學(xué)中存在的這些問題進(jìn)行討論。

一、縮短延滯期的方法

延滯期，也稱“停滯期”或“遲緩期”。教師在講授生長(zhǎng)曲線延滯期這部分內(nèi)容時(shí)，通常會(huì)從三個(gè)方面進(jìn)行討論。

一是延滯期的定義。沈萍等主編的“微生物學(xué)”認(rèn)為延滯期是“細(xì)菌接種到新鮮培養(yǎng)基后處于一個(gè)新的生長(zhǎng)環(huán)境，在一段時(shí)間里并不馬上分裂，細(xì)胞的數(shù)量維持恒定，或增加很少”[2]，其他教材對(duì)該時(shí)期的定義也大同小異。

二是延滯期產(chǎn)生的原因。各種教材對(duì)延滯期產(chǎn)生的原因的解釋也基本相同，主要包括以下兩點(diǎn)：接種前后培養(yǎng)基成分改變，細(xì)菌需要一段時(shí)間適應(yīng)新的環(huán)境；接種時(shí)如果細(xì)菌細(xì)胞活性較低或細(xì)胞有損傷，則需要一段時(shí)間提高細(xì)胞活力或?qū)?xì)胞進(jìn)行修復(fù)[3]。

三是影響延滯期長(zhǎng)短的因素。延滯期的長(zhǎng)短對(duì)于細(xì)菌培養(yǎng)所需時(shí)間的影響很大，特別是在發(fā)酵生產(chǎn)的培養(yǎng)過程中，延滯期過長(zhǎng)會(huì)影響到生產(chǎn)效率，因此很多細(xì)菌培養(yǎng)過程中都要求采取一定的措施來(lái)縮短延滯期。對(duì)于如何縮短延滯期這個(gè)問題，有些教材提出如果不考慮菌體本身遺傳因素，而只從培養(yǎng)方式和接種方法的角度出發(fā)，可以采用以下兩種方法：第一種方法，選擇處于指數(shù)生長(zhǎng)期的活性較強(qiáng)的細(xì)胞進(jìn)行接種；第二種方法，盡量給菌體提供一個(gè)適宜的培養(yǎng)條件，并保證接種前后培養(yǎng)基的組成和培養(yǎng)條件相同[4-7]。但也有另外一些教材的說(shuō)法與這些教材不同，他們提出除了這兩種方法之外還有第三種方法，即可以通過適當(dāng)增大接種量來(lái)縮短延滯期[8]。那么，哪些教材的說(shuō)法是正確的？增大接種量是否能夠有助于縮短延滯期？有些同學(xué)在看過這兩種不同的教材后提出了這樣的問題。

二、接種量與延滯期的關(guān)系

應(yīng)該說(shuō)，這些教材上有關(guān)縮短延滯期的方法的相關(guān)分析都是正確的，只是因?yàn)榭创龁栴}的出發(fā)點(diǎn)不同，導(dǎo)致了有些教材提出適當(dāng)增大接種量能縮短延滯期，而另一些教材則在分析延滯期時(shí)沒有考慮接種量這個(gè)因素。

要正確理解“通過適當(dāng)提高接種量來(lái)縮短延滯期”這種方法，我們先來(lái)看一下另外兩個(gè)得到大家公認(rèn)的能縮短延滯期的方法——選擇處于指數(shù)生長(zhǎng)期的活性較強(qiáng)的細(xì)胞進(jìn)行接種和保證接種前后培養(yǎng)基的組成和培養(yǎng)條件盡可能的相似。如前所述，延滯期產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè)：菌體活性差和接種前后培養(yǎng)環(huán)境差異。從菌體活性差這個(gè)原因來(lái)看，通過接種具有較強(qiáng)活性的處于指數(shù)生長(zhǎng)期的種子，可以有效地解決這個(gè)問題。從接種前后培養(yǎng)環(huán)境差異這個(gè)原因來(lái)看，給菌體提供一個(gè)適宜的培養(yǎng)條件，保證接種前后培養(yǎng)基的組成和培養(yǎng)條件相同或相似，這是解決這一問題的很好方法。可見，這兩種縮短延滯期的方法是從理論分析的角度，針對(duì)延滯期產(chǎn)生的主要原因提出的，其分析的重點(diǎn)放在了菌種細(xì)胞本身的活性和適應(yīng)能力上。與這兩種方法不同，增大接種量以縮短延滯期這種方法似乎無(wú)法與延滯期產(chǎn)生的原因聯(lián)系起來(lái)，從表面來(lái)看，接種量的大小與菌體本身的活力是無(wú)關(guān)的，也不會(huì)影響到接種前后的環(huán)境條件。那么為什么我們還說(shuō)適當(dāng)增大接種量可以縮短延滯期，提高細(xì)胞培養(yǎng)的效率呢？

所謂接種量是指移入種子液的體積和接種后培養(yǎng)液體積的比例。在很多時(shí)候，我們?cè)谟懻摲N子的相關(guān)問題，如種齡、種子活力和接種前后培養(yǎng)基成分時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注的是其中的菌體細(xì)胞的活性和適應(yīng)性。如果我們?cè)诜治鼋臃N量與延滯期的關(guān)系時(shí)，僅僅考慮接種液中的菌體細(xì)胞，那么接入的細(xì)胞數(shù)量與其活力是無(wú)關(guān)的，也不會(huì)影響到培養(yǎng)基的環(huán)境條件，我們確實(shí)可以得出接種量大小與延滯期長(zhǎng)短無(wú)關(guān)這個(gè)結(jié)論，這也是一些教材沒有談及增大接種量與縮短延滯期的相關(guān)性的主要原因。但在實(shí)際操作中，我們接種時(shí)不但會(huì)接入菌體細(xì)胞，還會(huì)將種子液中攜帶的其他物質(zhì)帶入新的培養(yǎng)基中。眾所周知，在種子液中，除了有大量的菌體細(xì)胞外，還有這些細(xì)胞在種子培養(yǎng)過程中向周圍環(huán)境釋放的各種分泌物，這些分泌物中有很多對(duì)細(xì)菌的正常生命活動(dòng)是非常重要的，特別是各種胞外水解酶，這些酶是細(xì)菌利用環(huán)境中的一些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)所必需的。因此，在我們進(jìn)行接種操作時(shí)，接種量的不同會(huì)導(dǎo)致帶入到新培養(yǎng)基中的這些胞外水解酶數(shù)量的差異，如果接種量合適，有適量的水解酶進(jìn)入新培養(yǎng)基，則有利于菌體在新培養(yǎng)環(huán)境下快速利用各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而縮短了延滯期；相反，如果接種量不合適，進(jìn)入新培養(yǎng)基的水解酶過少，則會(huì)使菌體無(wú)法有效地利用一些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，迫使菌體細(xì)胞首先合成相關(guān)的酶，然后才能對(duì)這些物質(zhì)進(jìn)行分解和利用，這就延長(zhǎng)了延滯期[9]。

在分析接種量與延滯期關(guān)系的時(shí)候，我們也不能忽略增大接種量的負(fù)面影響。接種液中除了有利于菌體生長(zhǎng)的各種酶外，也會(huì)有一些在種子培養(yǎng)期間產(chǎn)生的不利于菌體生長(zhǎng)的有害代謝產(chǎn)物。如果接種量過大，有過多的這些有害物質(zhì)被帶入新培養(yǎng)基，則可能會(huì)對(duì)菌體的生長(zhǎng)造成抑制，從而延長(zhǎng)延滯期。因此只有根據(jù)種子液的實(shí)際情況適當(dāng)?shù)靥岣呓臃N量，才有利于縮短延滯期。

從以上分析，我們不難看出，適當(dāng)增大接種量確實(shí)有縮短延滯期的作用，但這種方法與另外兩種縮短延滯期的方法卻有很大不同，其對(duì)延滯期的作用不像另外兩種方法一樣直接和單純，而是和其他很多因素有關(guān)。只有當(dāng)菌體在種子培養(yǎng)期間能在種子液中累積一定量的水解酶等有利于菌體迅速度過延滯期的胞外物質(zhì)時(shí)，增大接種量才能縮短延滯期，而這些胞外物質(zhì)的累積又與菌體本身的遺傳特性及種子培養(yǎng)的條件有關(guān)。此外，確定適宜的接種量還要考慮這些有益胞外物質(zhì)的濃度，更要考慮種子液中有害物質(zhì)的種類和濃度。只有綜合考慮這些因素，才能談及以適當(dāng)增大接種量來(lái)縮短延滯期。但目前由于絕大多數(shù)教材沒有對(duì)這些問題進(jìn)行分析和解釋，造成一些同學(xué)在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時(shí)容易出現(xiàn)理解上的偏差，無(wú)法真正認(rèn)識(shí)到接種量與延滯期的關(guān)系。

三、接種量與菌體培養(yǎng)的效率

縮短延滯期的主要目的是減少菌體培養(yǎng)所需的時(shí)間，讓菌體的數(shù)量盡快達(dá)到高峰，從而提高培養(yǎng)效率。從這個(gè)角度講，提高接種量除了能縮短延滯期外，還能縮短菌體生長(zhǎng)至細(xì)胞數(shù)量高峰期所需的時(shí)間。下面指數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)胞生長(zhǎng)時(shí)間的公式。

由此可知，在一個(gè)理想且穩(wěn)定的環(huán)境中，菌體細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)間是由初始的細(xì)胞量N0和培養(yǎng)后的細(xì)胞量Nt所決定的。因此，在分批培養(yǎng)中，如果最終的培養(yǎng)目標(biāo)，即培養(yǎng)后要求達(dá)到的最高細(xì)胞量Nt是確定的，則提高接種量就能提高N0，從而有效地縮短培養(yǎng)細(xì)胞所需要的時(shí)間。從這個(gè)角度來(lái)看，即使在某些情況下，提高接種量沒有影響到延滯期的長(zhǎng)短，但其從實(shí)際效果上也縮短了菌體數(shù)量達(dá)到高峰所需的時(shí)間，提高了培養(yǎng)的效率。

四、關(guān)于“縮短延滯期的方法”的教學(xué)建議

綜上所述，很多教材在“縮短延滯期的方法”這部分內(nèi)容中提到了適當(dāng)增大接種量這種方法，但缺乏對(duì)這種方法的解釋，容易造成學(xué)生的疑惑和混淆，影響他們對(duì)接種量和延滯期的正確的理解。為此，我們建議在關(guān)于“延滯期”的教學(xué)中，對(duì)縮短延滯期的三種方法要加以解釋。特別是對(duì)接種量與延滯期的關(guān)系這個(gè)問題，要將它與另外兩種方法區(qū)別開，要對(duì)這一關(guān)系的復(fù)雜性進(jìn)行深入分析，幫助學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)這一問題，這有助于他們?cè)诮窈髲氖掳l(fā)酵工藝研究等相關(guān)的菌體培養(yǎng)工作時(shí)，能更好地利用接種量這一工具提高培養(yǎng)效率。

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