一文了解细菌生长曲线的定义、阶段、影响因素以及应用
细菌作为生命体的一种，其生长过程并非一成不变，而是遵循着一定的生长曲线。这一曲线不仅是生物学研究的重要基础，同时也对于医药、农业、食品工业等多个领域具有深远影响。本文将从细菌生长曲线的定义、阶段、影响因素以及应用等方面进行详细阐述。
一、细菌生长曲线的定义
细菌生长曲线，是指细菌在特定环境下，随时间的推移，其数量增长所呈现出的变化趋势。这一曲线通常通过实验室条件下对细菌生长过程的连续观察和测量得到，并以时间为横坐标，细菌数量为纵坐标绘制而成。细菌生长曲线反映了细菌在生长过程中的动态变化，是研究细菌生长规律的重要工具。
二、细菌生长曲线的阶段
细菌生长曲线通常可分为四个阶段：迟缓期、对数生长期、稳定期和衰亡期。
1.迟缓期：细菌接种至新鲜培养基后，并不立即开始生长和繁殖，而是有一个短暂的适应期。在这一阶段，细菌主要进行细胞内代谢的调整和准备，为接下来的对数生长期做准备。迟缓期的长短取决于细菌的种类、接种量、培养基的种类和条件等因素。
2.对数生长期：迟缓期过后，细菌开始迅速生长和繁殖，数量呈几何级数增加。在这一阶段，细菌的生长速度最快，代谢最为旺盛。对数生长期是细菌生长的主要阶段，也是实验室研究和工业生产中最为关注的时期。
3.稳定期：随着细菌数量的不断增加，培养基中的营养物质逐渐消耗殆尽，同时代谢产物积累，细菌生长速度逐渐下降，进入稳定期。在稳定期，细菌数量基本保持稳定，不再有明显的增加。
4.衰亡期：当培养基中的营养物质被完全消耗，且代谢产物的积累达到一定程度时，细菌的生长环境变得恶劣，细菌开始大量死亡，数量迅速下降，进入衰亡期。
三、影响细菌生长曲线的因素
细菌生长曲线受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：
1.细菌的种类和特性：不同种类的细菌具有不同的生长特性和需求，对环境的适应性也不同，因此其生长曲线也会有所差异。
2.培养基的成分和条件：培养基是细菌生长的基础，其成分和条件对细菌的生长速度和数量有着重要影响。例如，营养物质的种类、浓度、pH值、温度、氧气浓度等因素都会影响细菌的生长曲线。
3.接种量和接种时间：接种量和接种时间对细菌的生长曲线也有一定影响。接种量过大或过小，接种时间过早或过晚，都可能影响细菌的生长速度和数量。
4.环境因素：环境因素如温度、湿度、光照、气压等也会对细菌的生长曲线产生影响。适宜的环境条件可以促进细菌的生长和繁殖，而不利的环境条件则会抑制细菌的生长。
四、细胞培养期生长的影响因素
温度
一般哺乳类及禽类细胞体外培养的适宜温度是37~38℃。温度过高或过低都会影响到细胞的生长。细胞耐受低温的能力比抗热的能力强，在低温下，细胞的代谢活力及核分裂降低。
温度不低于0℃时，虽影响细胞代谢，但并无伤害作用；
把细胞置于25～35℃时，细胞仍能生存和生长，但速度减缓；
放在40℃数小时后，再置回37℃培养细胞仍能继续生长；
如果在40℃下暴露时间太长，对细胞生长不利，甚至变圆脱落于瓶壁；
若温度过低，在降到冰点以下时，细胞因胞外水和胞质结冰而受损死亡；
但若向培养液中加入甘油或二甲亚砜等保护剂，封入安瓿中后，置于液氮中，可起保护作用，此时细胞可耐受-70℃以下温度，能长期储存，解冻后细胞复苏，仍能继续生长增殖，细胞生物性状不受任何影响。此为保存细胞的主要手段。
细胞在39～40℃培养1小时，能受到一定损伤，但仍有可能恢复，但不能忍受温度再升高2℃，持续数小时，即在41～42℃中培养1小时，细胞损伤严重，温度至43℃以上时细胞多数被杀死。高温主要引起酶的灭活、类脂质破坏，核分裂的破坏，产生凝固酶使细胞发生凝固，另外使蛋白质变性。因此，体外培养细胞时一定要避免高温。
渗透压
细胞在高渗溶液或低渗溶液中，可以立即发生皱缩或肿胀、破裂。所以，渗透压是体外培养细胞的重要条件之一。哺乳动物和其他动物组织细胞体外培养的渗透压的维持主要与NaCl有关，但不能忽视其他电介质渗透压的关系。渗透压与单位体积溶媒内溶质的分子数和离子数成正比。为此，按一定比例控制培养液中离子平衡，维持正常渗透压是很重要的。这不仅是为了维持细胞张力，而且是为了调节细胞的代谢。因为细胞外离子输送和离子浓度改变着其他营养物质的输送(如氨基酸、蔗糖等)，直接影响细胞基本合成系统。
理想的渗透压因细胞的类型及种族而异，人血浆渗透压为290mmol/L，被视为是体外培养人类细胞的理想渗透压。哺乳类动物细胞的渗透压一般为290～300mmol/L。人胚肺成纤维细胞为250～325mmol/L，鼠则为310mmol/L左右。在实际应用中，260～320mmol/L的渗透压可适于大多数细胞。体外培养细胞需要理想的气体环境，
氧和二氧化碳
氧和二氧化碳是细胞生存必须的条件之一。氧参加细胞的三羧酸循环，产生能量以供给细胞生长、增殖和合成各种所需成分。有些细胞在低氧条件下，可借糖酵解取得能量，但多数细胞低氧时不能生存。氧张力通常维持在略低于大气状态，若氧分压超过大气中氧的含量可能对有些细胞有害。采用开放式培养时(碟皿或培养瓶松盖培养或培养板培养)，一般要把细胞置于95%空气加5%二氧化碳的混合气体环境中。
CO2既是细胞的代谢产物，又是细胞生长所必需的成分，并与维持培养液的pH有关。在密闭瓶中CO2浓度偏低的情况下，细胞容易生长；一般不能低于1%，否则有损细胞。CO2增加将使pH下降。大多数细胞适于在pH6.8~pH7.4条件下生长，低于pH6.8或高于pH7.6对细胞有害，甚至退变或死亡。
各种细胞对pH的要求不尽相同。一般原代培养细胞对pH的变动耐受性差，永生性细胞系和恶性细胞对pH的变动耐力强。但总的来说，细胞对碱性不如对酸性的变化耐受，偏酸的条件比偏碱的环境对细胞生长有利。细胞在生长过程中随细胞数量的增多和代谢活动的加强，不断释放CO2，使培养基变酸，pH发生变化。所以，为了维持培养环境恒定的pH，多采用在培养液中加入磷酸盐等缓冲剂的方法。磷酸缓冲剂中的NaHCO3可供给CO2，但CO2易于逸出，故只适用于封闭式培养。若开放式培养还是置于含有5%CO2的气体环境中为宜。
可见光
可见光的波长是3900~7800Å。可见光的各种有色光能引起细胞退变，延长核分裂的间期，还可显著降低贴壁细胞的附壁能力。因此，体外培养细胞应避免日光直接照射，最好在黑暗中进行培养或短期存放。
紫外线
弱紫外线下耐受能力强的细胞变化不大，但对敏感的细胞有损害。紫外线强时，新分离的细胞显示：
不能进行完全的有丝分裂；
在有丝分裂时增加了脱水收缩；
在有丝分裂时细胞质的起泡减少。
研究发现，腹水癌细胞经紫外线照射后，用飞点紫外线显微镜观察发现被照射表面形成水泡，随后细胞膨胀，损害也渐变严重。
放射线
X射线对细胞有明显损伤；
β射线可影响细胞核的分裂；
γ射线使核分裂数减少并出现不正常的核分裂，可使细胞死亡；
超声波和振动
在超声波振动下，细胞很快会破裂，开始是胞质发生紊乱的流动，原生质胶体结核也有明显变化，若停止超声波振动可回复。细胞致死的原因是由于产生空化作用所致。
当超声波在2.5W/cm2时，细胞受损，染色体发生畸变，首先发生畸变的是核染色体。在体外培养细胞中，细胞接种数对细胞的生长有影响，适宜的接种密度，可以促使细胞增殖，接种密度太低或太高都不利于细胞的生长增殖。
搅拌转速
当悬浮搅拌培养细胞时，搅拌速度既不能太快，也不能太慢。
如太慢，细胞易结团、下沉和贴壁，氧气混合效果差，不利于细胞在悬浮状态下增殖；
如果太快，容易起泡沫，细胞易窒息致死，同时，强烈地搅动易使细胞因机械损伤而破裂。所以选择适宜的搅拌速度很重要，一般不同规模的反应器会有不同的反应器的搅拌转速，根据PV相等原则规模放大，综合考虑定不同的转速。
五、细菌生长曲线的应用
细菌生长曲线在多个领域具有广泛的应用价值。在医药领域，细菌生长曲线的研究有助于了解细菌的生长规律和耐药机制，为抗生素的研发和应用提供科学依据。在农业领域，细菌生长曲线的研究有助于了解作物病原菌的生长特性，为病害防治提供有效手段。在食品工业领域，细菌生长曲线的研究有助于了解食品中微生物的生长规律和安全性评估，为食品安全控制提供重要参考。此外，细菌生长曲线还在环境监测、生物工程等领域具有广泛应用。
六、实例
牛奶中细菌的生长情况
从健康乳牛刚挤出的牛乳，温度一般为37℃，从理论上讲细菌含量并不高，但在一般奶牛场的环境条件下，能够使牛乳腐败的细菌到处皆有，污染的机会及途径很多，如挤奶过程中不讲究卫生，没有做好必要的清洁卫生工作，其每毫升乳中的细菌数可达100万以上，甚至出现无法计数。
细菌的繁殖细菌一般通过裂殖进行无性繁殖
1.繁殖的速度。在正常情况下，细菌的裂殖周期为20-30分钟，因此，从理论上讲，繁殖的模型如下：
在0.5小时2个细菌在1小时后4个
在1.5小时以后8个
在2小时以后16个
在11小时以后1000万个
但是，在实际上，细菌的生长速度很快地被营养的缺乏、代谢毒物的积聚、不适宜的温度条件等所抑制，最后繁殖停止，细菌大量死亡。
2.细菌的生长曲线在细菌开始繁殖的时候通常是较缓慢，因为她们必须首先适应新环境，以后细菌开始迅速繁殖，此时繁殖以对数速度进行，随之细菌的繁殖速度又减慢，此时同时细菌不断死亡，处于平衡状态，最后，细菌的繁殖完全停止，老的细菌相继死亡。该曲线的形状，即各个阶段的长度和梯度变化因温度、营养供应和其他生长参数的不同而变化。
牛乳中细菌的变化
1.鲜乳中细菌数的减少：挤出后的牛奶，在一定时间内细菌数反而减少，这是因为新鲜牛乳中存在着细菌抑制物质，但这种细菌抑制物质经70℃20分钟加热后即被破坏。
2.鲜牛乳保存期间细菌的繁殖及其变化：鲜乳继自体抑菌阶段后，接着，乳中的乳酸菌、蛋白分解菌或大肠菌开始繁殖，以致产生酸败、碱化、胨化以及产气等现象。首先是乳酸菌繁殖最旺盛，产生酸凝固，接着乳酸菌受所产酸的抑制，因此耐酸的丙酸菌、孢子形成菌、酵母菌、霉菌等变成优势，最后由于孢子形成菌和腐败菌的作用，牛乳出现败坏现象。
牛乳中细菌生长与温度的关系
1.牛乳温度在35-60℃时，嗜热性细菌最易生长，如嗜热性的乳酸链球菌、酸性乳酸杆菌等。当牛乳在20℃左右时，乳中所有细菌都能生长，此时，牛乳中的细菌一般在20分钟左右繁殖一代，经12-24小时后，乳中的细菌可增殖约600倍。当牛乳在4-10℃条件下，则嗜冷菌细菌适宜生长，如芽孢杆菌荧光细菌等，经12-24小时，乳中的细菌可增殖约5-15倍，当牛乳在1-6℃条件下，乳中大部分细菌都被抑制生长。
温度的作用可由下列说明：
挤奶后立即取样，40000个细菌/毫升；
在5℃下贮存24小时后，90000个细菌/毫升；
在10℃下贮存24小时后180000个细菌/毫升；
在15℃下贮存24小时后4500000个细菌/毫升。
2.冷却温度与牛乳保存时间的关系，见下表
为了抑制细菌繁殖，必须尽快将牛乳冷却，随着温度的下降，细菌繁殖速度也将逐渐下降。
综上所述，细菌生长曲线是研究细菌生长规律的重要工具，对于医药、农业、食品工业等多个领域具有深远影响。
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