“微生物学”视域下“影响延滞期长短的 因素”教学策略探析

史鹏

摘 要：目前很多微生物学教材都提出“适当地增大接种量是缩短延滞期的一种手段”，但很少有教材对这一问题进行深入探讨。“增大接种量”这种方法与其他一些缩短延滞期的方法不同，其出发点并非种子液中的菌体细胞，而是重点考虑种子培养期间菌体细胞向种子液中分泌的各种胞外酶和各种代谢产物对菌体生长的复杂影响。在授课时对学生将这些问题进行很好的分析与解释，将有助于他们对延滞期及接种量等概念和相关规律的理解。

关键词：微生物学；延滞期；生长曲线

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2018）03-0036-02

细菌的生长曲线常被用来描述细菌群体生长的规律，生长曲线的绘制方法和其所反应的细菌生长规律也是“微生物学”“微生物生理学”和“发酵工程”等课程中的重要内容。一般来说，单细胞微生物的典型生长曲线可被分为6个时期：延滞期、加速期、指数生长期、减速期、稳定期和衰亡期[1]。由于加速期和减速期时间较短，因此很多教材没有提及。绝大多数教师讲授生长曲线这部分内容时，也是以延滞期、指数生长期、稳定期和衰亡期这4个时期作为教学的重点。在各种涉及微生物生长曲线的教材中，对于菌体生长所经历的这4个时期及其产生原因和细胞生长所表现出的特点的描述大同小异。但作者在教学中发现，不同教材对于延滞期的一些观点存在分歧，特别是在“缩短延滞期的方法”这个问题上的表述有很大差异，导致部分同学在学习该内容时出现了一些误解。为此，本文主要针对在延滞期教学中存在的这些问题进行讨论。

一、缩短延滞期的方法

延滞期，也称“停滞期”或“迟缓期”。教师在讲授生长曲线延滞期这部分内容时，通常会从三个方面进行讨论。

一是延滞期的定义。沈萍等主编的“微生物学”认为延滞期是“细菌接种到新鲜培养基后处于一个新的生长环境，在一段时间里并不马上分裂，细胞的数量维持恒定，或增加很少”[2]，其他教材对该时期的定义也大同小异。

二是延滞期产生的原因。各种教材对延滞期产生的原因的解释也基本相同，主要包括以下两点：接种前后培养基成分改变，细菌需要一段时间适应新的环境；接种时如果细菌细胞活性较低或细胞有损伤，则需要一段时间提高细胞活力或对细胞进行修复[3]。

三是影响延滞期长短的因素。延滞期的长短对于细菌培养所需时间的影响很大，特别是在发酵生产的培养过程中，延滞期过长会影响到生产效率，因此很多细菌培养过程中都要求采取一定的措施来缩短延滞期。对于如何缩短延滞期这个问题，有些教材提出如果不考虑菌体本身遗传因素，而只从培养方式和接種方法的角度出发，可以采用以下两种方法：第一种方法，选择处于指数生长期的活性较强的细胞进行接种；第二种方法，尽量给菌体提供一个适宜的培养条件，并保证接种前后培养基的组成和培养条件相同[4-7]。但也有另外一些教材的说法与这些教材不同，他们提出除了这两种方法之外还有第三种方法，即可以通过适当增大接种量来缩短延滞期[8]。那么，哪些教材的说法是正确的？增大接种量是否能够有助于缩短延滞期？有些同学在看过这两种不同的教材后提出了这样的问题。

二、接种量与延滞期的关系

应该说，这些教材上有关缩短延滞期的方法的相关分析都是正确的，只是因为看待问题的出发点不同，导致了有些教材提出适当增大接种量能缩短延滞期，而另一些教材则在分析延滞期时没有考虑接种量这个因素。

要正确理解“通过适当提高接种量来缩短延滞期”这种方法，我们先来看一下另外两个得到大家公认的能缩短延滞期的方法——选择处于指数生长期的活性较强的细胞进行接种和保证接种前后培养基的组成和培养条件尽可能的相似。如前所述，延滞期产生的原因主要有两个：菌体活性差和接种前后培养环境差异。从菌体活性差这个原因来看，通过接种具有较强活性的处于指数生长期的种子，可以有效地解决这个问题。从接种前后培养环境差异这个原因来看，给菌体提供一个适宜的培养条件，保证接种前后培养基的组成和培养条件相同或相似，这是解决这一问题的很好方法。可见，这两种缩短延滞期的方法是从理论分析的角度，针对延滞期产生的主要原因提出的，其分析的重点放在了菌种细胞本身的活性和适应能力上。与这两种方法不同，增大接种量以缩短延滞期这种方法似乎无法与延滞期产生的原因联系起来，从表面来看，接种量的大小与菌体本身的活力是无关的，也不会影响到接种前后的环境条件。那么为什么我们还说适当增大接种量可以缩短延滞期，提高细胞培养的效率呢？

所谓接种量是指移入种子液的体积和接种后培养液体积的比例。在很多时候，我们在讨论种子的相关问题，如种龄、种子活力和接种前后培养基成分时，重点关注的是其中的菌体细胞的活性和适应性。如果我们在分析接种量与延滞期的关系时，仅仅考虑接种液中的菌体细胞，那么接入的细胞数量与其活力是无关的，也不会影响到培养基的环境条件，我们确实可以得出接种量大小与延滞期长短无关这个结论，这也是一些教材没有谈及增大接种量与缩短延滞期的相关性的主要原因。但在实际操作中，我们接种时不但会接入菌体细胞，还会将种子液中携带的其他物质带入新的培养基中。众所周知，在种子液中，除了有大量的菌体细胞外，还有这些细胞在种子培养过程中向周围环境释放的各种分泌物，这些分泌物中有很多对细菌的正常生命活动是非常重要的，特别是各种胞外水解酶，这些酶是细菌利用环境中的一些营养物质所必需的。因此，在我们进行接种操作时，接种量的不同会导致带入到新培养基中的这些胞外水解酶数量的差异，如果接种量合适，有适量的水解酶进入新培养基，则有利于菌体在新培养环境下快速利用各种营养物质，从而缩短了延滞期；相反，如果接种量不合适，进入新培养基的水解酶过少，则会使菌体无法有效地利用一些营养物质，迫使菌体细胞首先合成相关的酶，然后才能对这些物质进行分解和利用，这就延长了延滞期[9]。

在分析接种量与延滞期关系的时候，我们也不能忽略增大接种量的负面影响。接种液中除了有利于菌体生长的各种酶外，也会有一些在种子培养期间产生的不利于菌体生长的有害代谢产物。如果接种量过大，有过多的这些有害物质被带入新培养基，则可能会对菌体的生长造成抑制，从而延长延滞期。因此只有根据种子液的实际情况适当地提高接种量，才有利于缩短延滞期。

从以上分析，我们不难看出，适当增大接种量确实有缩短延滞期的作用，但这种方法与另外两种缩短延滞期的方法却有很大不同，其对延滞期的作用不像另外两种方法一样直接和单纯，而是和其他很多因素有关。只有当菌体在种子培养期间能在种子液中累积一定量的水解酶等有利于菌体迅速度过延滞期的胞外物质时，增大接种量才能缩短延滞期，而这些胞外物质的累积又与菌体本身的遗传特性及种子培养的条件有关。此外，确定适宜的接种量还要考虑这些有益胞外物质的浓度，更要考虑种子液中有害物质的种类和浓度。只有综合考虑这些因素，才能谈及以适当增大接种量来缩短延滞期。但目前由于绝大多数教材没有对这些问题进行分析和解释，造成一些同学在学习这部分内容时容易出现理解上的偏差，无法真正认识到接种量与延滞期的关系。

三、接种量与菌体培养的效率

缩短延滞期的主要目的是减少菌体培养所需的时间，让菌体的数量尽快达到高峰，从而提高培养效率。从这个角度讲，提高接种量除了能缩短延滞期外，还能缩短菌体生长至细胞数量高峰期所需的时间。下面指数生长期细胞生长时间的公式。

由此可知，在一个理想且稳定的环境中，菌体细胞培养时间是由初始的细胞量N0和培养后的细胞量Nt所决定的。因此，在分批培养中，如果最终的培养目标，即培养后要求达到的最高细胞量Nt是确定的，则提高接种量就能提高N0，从而有效地缩短培养细胞所需要的时间。从这个角度来看，即使在某些情况下，提高接种量没有影响到延滞期的长短，但其从实际效果上也缩短了菌体数量达到高峰所需的时间，提高了培养的效率。

四、關于“缩短延滞期的方法”的教学建议

综上所述，很多教材在“缩短延滞期的方法”这部分内容中提到了适当增大接种量这种方法，但缺乏对这种方法的解释，容易造成学生的疑惑和混淆，影响他们对接种量和延滞期的正确的理解。为此，我们建议在关于“延滞期”的教学中，对缩短延滞期的三种方法要加以解释。特别是对接种量与延滞期的关系这个问题，要将它与另外两种方法区别开，要对这一关系的复杂性进行深入分析，帮助学生更好地认识这一问题，这有助于他们在今后从事发酵工艺研究等相关的菌体培养工作时，能更好地利用接种量这一工具提高培养效率。

参考文献：

[1]Stanbury PF，Whitaker A，Hall SJ.Principle of Fermentation Technology（2nd Edition）[M].Oxford：Butterworth-Hein-emann，1995：15.

[2]沈萍，陈向东.微生物学[M].北京：高等教育出版社，2009：151-152.

[3][美]Prescott.L.M.，Harley JP，Klein DA；沈萍，彭珍荣译.微生物学：第5版[M].北京：高等教育出版社，2003：115-116.

[4]杨生玉，王刚，沈永红.微生物生理学[M].北京：化学工业出版社，2013：236-237.

[5]姜巨全，郝林.微生物生理学[M].北京：中国农业大学出版社，2014：212-215.

[6]李颖，关国华.微生物生理学[M].北京：科学出版社，2013：309.

[7]周德庆.微生物学：第二版[M].北京：高等教育出版社，2004：153-154.

[8][美]Madigan MT，Martinko JM，Parker J；杨文博等译.微生物生物学[M].北京：科学出版社，2004：191-192.

[9]俞俊棠，唐孝宣，邬行彦等.新编生物工艺学：上册[M].北京：化学工业出版社，2003：201.