水处理微生物学教案

课程名称：水处理微生物学使用教材：水处理微生物学主 编：顾夏声 李献文 竺建荣编 中国建筑工业出版社 专业班级：给水排水工程0902201、0902202（66人）课 时：理论24学时，实验8学时，合计：32学时授课教师：李国辉授课时间：2011年上学期 水处理微生物学（Microbiology of Water Treatment）课程简介教学目的与要求：目前，水污染问题日益严重。城市污染水和工业废水排放造成大部分水体的污染。水是宝贵的资源，人类生活和社会发展都离不开它。要提供合格的生产生活用水，必须对水进行处理。水处理微生物学研究的是如何利用微生物处理水中的污染物和如何消除水中的病原微生物。通过教学使学生了解微生物的基本概念, 水微生物的形态、生理特性和控制方法；了解水微生物在水处理中的作用机理和规律；了解水微生物的检验方法；判定水体污染和自净能力以及水处理效果的好坏。通过实验教学撑握微生物实验的基本操作，如显微镜的使用，微生物形态的观察,培养基的制备、灭菌，微生物的接种和纯种分离等，掌握水中细菌、大肠菌群和病毒的检验方法.教学方法：主要以课堂讲述与实验相结合为主。教学手段采用多媒体、口述、板书相结合，课堂提问、自学等多种方式结合。课时安排：总课时：32 理论课时：24 实验课时：8学分数：1.5学分考核方式：考试。平时作业和课堂问答占期末总成绩的10%，实验成绩占期末总成绩的20%,期末考试占总成绩的70%。主要参考文献：1、微生物学教程 周庆德编 高等教育出版社2、环境微生物学 王家玲编 高等教育出版社3、微生物与水处理工程 李军等编著 化学工业出版社4、环境工程微生物学 周群英等编 高等教育出版社5、微生物学 复旦大学、武汉大学主编 高等教育出版社6、环境微生物周凤霞编 化学工业出版社7、水污染控制与废水生物处理. 马占青编 中国水力水电出版社8、环境和资源微生物学（面向世纪课程教材）沈德中主编. 中国环境出版社绪论一、 微生物学的研究对象微生物：是指一大群个体体积微小（直径小于1毫米），结构简单，大多是单细胞，少数是多细胞，还有些没有细胞结构的低等生物。只有在显微镜下才能看清它们的形态结构。微生物学：研究微生物的形态、结构、分类、生理、代谢、遗传变异及生态等方面。生态主要是指微生物与环境、生物之间的关系。微生物学是研究微生物的“衣食住行”的科学衣什么是微生物，长什么样？（形态、结构）食能吃、爱吃什么、如何消化？（营养、代谢或称生理）住喜欢住在哪？为什么？（环境影响或称生态）行能有何种行为、作为？是敌是友？如何监测、控制或使用呢？水处理微生物学：研究水微生物的形态、生理特性和控制方法；研究水微生物在水处理中的作用机理和规律；研究水微生物的检验方法；判定水体污染和自净能力以及水处理效果的好坏。重点：微生物的形态、生理代谢、变异及与水处理相关的问题。二、 微生物的类型及其特点1、 分类水中的生物非细胞形态的微生物病毒（包括噬菌体）细胞形态的微生物原核生物真核生物细菌放线菌蓝细菌（蓝藻）真菌酵母菌霉菌原生动物后生动物藻类（除蓝藻）这些生物中，大部分是单细胞的，原生动物及后生动物属于无脊椎动物范围，藻类属于植物学范围，病毒个体小于0.2微米,称超显微生物.2、微生物的特点（一）个体极小，比表面积大（二）繁殖快、代谢速率快（三）数量多（四）适应外界环境能力强；易变异（五）种类多、分布广、代谢类型多样 (一)个体极小，比表面积大光学显微镜的分辨率为0.2um，可以看见大部分微生物的轮廓例如杆菌的长度约2um，故1500个杆菌头尾衔接起来仅有一颗芝麻长(3mm)。 (二)代谢速率快、繁殖快生物界中，微生物具有最高的繁殖速度。尤其是以二分裂方式繁殖的细菌，其速度更是惊人。在适宜的环境条件下，十几分钟至二十分钟就可繁殖一代。伤寒杆菌在含0.125的蛋白胨培养基中的代时为800min，而在含1.0时仅为40min。大肠杆菌每20-30分钟可以繁殖一代，一天内可以繁殖72代，培养4-5天，细胞的重量一地球相仿。在物种竞争上取得优势，这是生存竞争的保证。（三）数量多因为繁殖速度快，所以数量多凡有微生物生存的地方，它们通常都拥有巨大的数量。例如： （1）土壤是微生物的“大本营”，其中细菌数量达数亿个g，放线菌孢子达数千万个g，霉菌孢子达数百万个g，酵母菌达数十万个g;(2) 全世界海洋中微生物的总重量约280亿吨(3) 人体肠道内菌体总数达100万亿个左右。(4) 新鲜叶子表面微生物数量达100多万个g(5) 每张纸币上的细菌数平均多达900万个，大肠杆菌检出率达879。(6) 一个喷嚏约含菌4，500150，000个，感冒患者的一个喷嚏含细菌多达8，500万个。一系列的调查数据表明，我们是生活在一个被大量微生物包围着的环境中，只是因为肉眼不可见而常常“身在菌中不知菌”。(四)适应外界环境能力强，易变异提问：为什么微生物较其他生物容易变异呢？ 各种生物自发变异频率一样十分低(如10-510-10）保护能力差、数量大多数微生物为单细胞，结构简单，整个细胞直接与环境接触，易受环境因素影响，引起遗传物质DNA的改变而发生变异；由于数量庞大，可以在短时间内出现大量变异后代，当环境变化时，微生物会大量死亡，活下来的微生物往往会发生结构和生理特性的变异以适应变化了的环境。(五) 种类多、分布广、代谢类型多样种类多世界生物多样性现状目前地球上究竟有多少物种还很难准确断定。据不完全统计，被科学上描述过的物种约140万种，其中脊椎动物4万余种，昆虫75万种，高等植物25万种，其他为无脊椎动物真菌和微生物等，还有很多物种没有被人类发现微生物的已知种数和估计总种数类群已知种数估计总种数已知种百分数（）病毒50001300004细菌47604000012真菌7200015000005分布在地球的每一个毛孔，地球真正的主人代谢类型极其多样凡自然界存在的有机物，都能被微生物利用、分解。例如，假单胞菌属的某些种，甚至能分解90种以上的有机物，可利用其中的任何一种作为唯一的碳源和能源进行代谢。有些微生物还可利用有毒物质如酚、氰(脂)化物等作为营养。微生物的“生物界之最”结合微生物的特点，为什么它是治污的王牌？数量多、代谢快、繁殖快？易变异、代谢类型多？分布广、无处不在？三、 微生物学的发展简史1、 我国古代利用微生物4000多年前，利用微生物酿酒、制醋等。以发霉的谷物作为曲种，载种豆科植物可以肥沃土壤。2、微生物的发现1676年，荷兰人列文虎克，用270-300倍显微镜，观察雨水的过程中发现了球状、杆状、螺旋状等物质。大约100多年后，对观察到的物质进行了描述、分类和鉴定，这是微生学的启蒙时代。3、 微生物学的创立19世纪末，法国的酿酒和蚕丝业十分发达，但突然遇到了酒的变质和蚕的微粒子病问题。巴斯德在研究以上问题时证明：由于酵母的存在，使糖溶液发酵成酒精，在此过程中如遇到杂菌（乳酸菌和醋酸菌）会使酒变质，在研究蚕的微粒子病时，认为传染病是由病原菌引起的，并发明了疫苗。当时知道久置于空气中的食物会变质，这是由微生物引起的，但微生物来自于哪里？有两种说法：一是来自于空气中；另一种说法是来自于食品和溶液中的无生命物质，巴斯德通过一个巴斯德烧瓶所进行的实验否认了后一种说法，从而导致了有效的灭菌方法的产生。柯赫是一名德国医生，在研究牛的炭疽病时，发明了琼脂固体培养基，染色观察方法等。因巴斯德、柯赫的研究，有了有效的灭菌方法和发明了琼脂固体培养基、染色观察等手段，使得微生物学在19世纪末真正创立起来。4、 微生物学的现代发展 主要发展有两个方面：一量研究传染病与免疫学，研究疾病的防治和化学治疗剂的功效，即微生物学与生物化学统一起来，另一方面是和遗传学结合。5、 今后的发展生物工程学：应用活的生物体，在最适的条件下进行生产，以最少的原料，最短的时间，消耗最少的能源，生产最高质量的产品。基因工程在生物工程中具有重要作用四、 微生物在给水排水工程中的作用1、 水中的病原微生物会传染疾病。给水工程中要去除病原微生物，满足供水水质要求。2、 藻类会使水变浑浊，并产生颜色和不良气味。3、 在水厂里，大量微生物的存在可能阻塞滤池，工业用水中大量微生物的存在会堵塞管道等设备，影响产品质量。4、 微生物对废水有净化作用。由于生物处理法经济有效,迄今为止,仍是有机污水处理的主力军。5、 水处理的微生物检查是生物处理功能判断的重要指标。6、 微生物在水体自净中具有重要作用。7、 另外微生物在造酒、生产抗菌素等方面有着非常重要的作用。第一章 细菌的形态和构造要求：对细菌的形态和大小作简单了解，对细菌细胞的一般构造及其功能作一般了解，重点掌握细菌细胞的特殊构造（包括功能、特点）第一节 细菌的外形和大小一、细菌的形态细菌：是微小的，单细胞的没有真正细胞核的原核生物。目前发现的细菌其大小只几个微米，且本身是无色半透明的，不经染色不易看清，一般是染色后观察，可分为三大类型：1、 球菌:单球、四联球、八叠球、链球、葡萄球（根据分裂面）2、 杆菌：链杆、杆菌3、 螺旋状螺旋体：弯曲次数很多，无细胞壁螺菌：弯曲次数很少，有细胞壁弧菌：弯曲次数只一次二、细菌的大小及表示方法球菌：d=0.52um杆菌：宽长 0.51um15um螺旋菌：宽长 0.55um515um (长为弯曲后的长度)第二节 细菌细胞的结构细菌细胞的构造可分为基本构造和特殊构造两种，特殊构造仅有一部分细菌所具有。一、 基本构造 细胞壁 细菌的基本结构 细胞膜 原生质体 细胞质 核质 内含物包括：细胞壁、细胞质膜、细胞质、细胞核（拟核或原核）、细胞质里的内含物。（一）、细胞壁（比较坚硬）（细胞壁厚度为1020nm，约占菌体干重的1025。）一般细菌都有细胞壁，嗜盐菌和产甲烷菌无细胞壁1、组成G+菌：只一层，肽聚糖层（N-乙酰氨基葡萄糖、N-乙酰胞壁酸、短肽聚合而成）G-菌：二层，外层为蛋白质、脂多糖、脂类；内层为肽聚糖层革兰氏染色法的操作过程如下：结晶紫初染碘液媒染酒精脱色番红或沙黄复染结果表1-1-1革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌的特征特征 革兰氏阳性细菌 革兰氏阴性细菌内壁层 外壁层壁厚度（nm） 158023 812肽聚糖含量 占细胞壁干重4095 1020无肽聚糖亚单位的交联度 75 30 磷壁酸有或无 无 无脂多糖 14 无1122脂蛋白 无 有或无 有对青霉素的敏感性 强革兰氏阳性与阴性菌细胞壁比较2、功能 使细胞具有一定的外形 保护作用：具有弹性和韧性，防止由于渗透作用过渡吸水而将细菌胀破 与鞭毛的运动有关 分子筛作用。只允许一定大小的物质通过，细胞壁上有很多微小的小孔，直径为1nm溶解性物质能够通过。 与抗原性、毒性和噬菌体敏感性有关注：抗原是一种物质，必须具以下两个条件：一是刺激机体产生抗体（这一过程称抗体免疫反应或称免疫原性），二是能与抗体进行特异性结合（这一过程称反应原性），只具有反应原性的物质称半抗原，如药物。微生物对人而言具有抗原性。3、青霉素、溶菌酶的敏感性溶菌酶：能除去细胞壁中肽聚糖层，糖苷键断裂对G+菌：除去后就形成原生质体对G-菌：除去后，还有一层，形成球形体青霉素：干扰短肽中肽键的形成，从而使肽聚糖不 能合成，对G+菌效果好。（二）细胞膜：是一层紧贴着细胞壁，而包围着细胞质的薄膜，厚7.5nm（占细胞干重的10）1、 组成和结构成分：蛋白质6070 脂类2030 糖类2结构为双层磷脂，蛋白质有些穿过磷脂层，有些位于表面，蛋白质种类多，起酶和载体的作用。2、 功能 起渗透屏障作用并进行物质的运输 参与细胞壁的生物合成 参与参量的产生，进行氧化磷酸化或光合磷酸化的产能基地 与细菌分裂有关 与细胞的运动有关。鞭毛的着生和生长点 许多代谢酶和运输酶以及电子呼吸链组分的所在地（三）细胞质及内含物1、 细胞质：是一种无色透明的粘稠胶体，主要成分是：水、蛋白质、核酸和脂类。 功能：合成蛋白质的场所。细胞质内具有各种酶系统，能不断的进行新陈代谢活动。幼龄菌的细胞质非常稠密、均匀、容易着色；成熟细胞的细胞质内含不少颗粒状的贮藏物，且因生命活动产生了许多空泡，着色力差且差色不均匀，据此可以判断菌龄。2、 内含物：是细菌新陈代谢的产物。如糖原、淀粉原、硫粒等。可作碳原和能原。（四）核质（拟核）：一般细菌仅具有分散而不固定形态的核质。核或核质内几乎集中有全部与遗传变异有关系的某些核酸（如DNA）功能：贮存遗传信息。 二、 特殊构造（一）、荚膜和粘液层1、概念细胞表面有一层粘液性物质，这层粘液性物质叫荚膜或粘液层，是细胞的分泌物。荚膜：有一定外形，质地均匀，稠密粘液层：靠近细胞较粘稠，外层较稀，无一定外形荚膜或粘液层的硬度和弹性远远小于细胞壁，有的细菌的粘液性物质会逐渐硬化而形成所谓的鞘。如铁细菌。2、组成：水、多糖或多肽3、 生理功能 保护。防干、防噬菌体的侵袭，防真核生物吞食 增强细菌的致病力 营养物的贮存物 形成菌胶团中起作用4、 菌胶团及其作用菌胶团：许多细菌通过荚膜和粘液层粘合在一起，称为菌胶团。能形成菌胶团的细菌称为菌胶团细菌，不同细菌形成不同形状的菌胶团。几种不同形态的菌胶团如下：菌胶团的作用：防止被动物吞食；能增强对不良环境的抵抗能力；在废水处理中具有重要作用。菌胶团是活性污泥的重要组成部分，有较强的吸附和氧化有机物的能力，可以净化污水。活性污泥的好外，主要决定于活性污泥中菌胶团的多少、大小及结构。新生的菌胶团颜色浅，生命力强；老化了的菌胶团颜色深，象一团烂泥，生命力差。在废水处理中，要求菌胶团结构紧密、吸附沉降性能良好，吸附分解杂质能力强。这就须有适宜的营养及环境条件。活性污泥中：细菌107-108个/ml，原生动物103个/ml（纤毛虫居多）；活性污泥绒粒粒径为0.02-0.2mm,有利于对污染物的吸附。（二）芽孢1、 概念细菌生长到一定阶段，在细胞内形成一种圆形或椭圆形的抵抗不良环境的休眠体。没有形成芽孢时的菌体叫营养体，形成芽孢后的菌体叫芽孢体，芽孢有的在菌体的中央，有的在菌的一端。2、 芽孢的形成在形成芽孢前，一个菌体往往有两个核，当产生芽孢时，两个核结合为一，接着在靠近细胞一端细胞膜由两侧向中央内陷，从而形成一个大细胞和一个小细胞，小细胞发育为芽孢，大细胞以细胞膜包围小细胞，使小细胞形成两层膜，两层膜之间发育成皮层。3、 芽孢的组成和结构芽孢有多层结构，主要包括孢外壁、芽孢衣、皮层和核心。其结构如图所示特点：a.芽孢是抵抗恶劣环境的一个休眠体；b.壁厚；c.水分少，一般在40%左右；d.不易透水；e.含有特殊的抗热性物质和耐热性酶，对高温、低温、干燥和化学药剂有很高的耐受力和抵抗力，生存能力强；芽孢在120-140能生存几小时，对于5%苯酚，芽孢可以生存15天之久，一般细菌很快死亡。芽孢是鉴定菌种的形态特征之一，芽孢杆菌均为G+（三）鞭毛：起源于细胞膜，穿过细胞壁伸出菌体外的丝状体。鞭毛非常细，一般为1020nm，使用电子显微镜才能观察到。鞭毛由基体、鞭毛钩、鞭毛丝组成着生位置有端生、周生、有一根、有的数根，比较长成分：蛋白质99%、碳水化合物和类脂组成功能：运动纤毛：短，使许多细菌结合在一起形成菌膜作业：P37 3，4，5，6，8第二章 细菌的生理特性要求：重点掌握细菌的营养，细菌的呼吸以及细菌生长过程中其它环境因素的影响，了解酶的作用特性，简单了解酶的分类及命名。第一节 细菌的营养细菌的种类多，对营养物的要求不同，细菌的营养物质包括组成细胞的各种原料以及维持其生命活动所必须的能量物质。1、化学组成：C、H、O、N、P、S六大元素和各种矿物元素; 细菌的化学式为：C60H87O23N12P80%-85%水（芽孢40%水）碳水化合物4% 细胞湿重90%有机物 蛋白质80%15-20%干物质脂肪5%DNARAN10%无机物（灰分）细菌细胞由：80%-85%水份 15-20%干物质，干物质中蛋白质80%，碳水化合物4%，脂肪5-7%，灰分元素10%，少量维生素以及镁、铁、锰、铜、锌等微量元素。组成细菌菌体蛋白质的等电点在PH2-5之间，因此，在中性、碱性、弱酸性溶液中，细菌是带负电的。一、 细菌所需的营养物质及其作用细菌所需的营养物质包括：水份、碳源、氮源、无机盐类（包括微量元素）、生长因素。（一） 碳源作用：1、构成细胞物质2、能量物质（二） 氮源：含氮元素的物质作用：1、构成细胞物质2、 个别以此作为能量物质如硝化细菌以氨气作为能量物质（三） 矿质元素作用：1、细胞的组成成分2、 有些作为能量物质3、 酶的组成成分4、 酶的激活剂，如淀粉酶需氯离子。5、 调节细菌细胞的渗透压、PH和氧化还原电位（四） 水作用：1、细胞的组成成分2、 进行生化反应的介质3、 良好的溶剂4、 调节细胞的温度（五）生长因素微生物生长不可缺少的微量有机物称生长因素。如氨基酸、维生素等。不同的生长因素作用不同，可作为氢受体、反应的载体。生长因素的主要功能是辅酶的组成成分，大多数微生物可以自己合成生长因素，对不能合成的微生物，通常作为辅助素来源的物质有：酵母膏、玉米浆、肝脏浸出液等，另外许多作为C源和N源的成分都含有生长因素，在废水处理中，生长因素废水中已够用，不需考虑。微量元素与酶的活动密切相关，是酶的活性基成分或是酶的活化剂，一般用量少，混杂于其它营养物质中，不需另加。细胞的化学式C60H87O23N12P，在废水生物处理中，微生物的营养元素比例一般取BOD5：N：P=100：5：1，以此估算N和P的需量，其中BOD5则用来间接表示C的量。工业废水中应适当加些生活污水以补充营养，但不宜加得过多，以便把细菌养娇。二、 微生物的营养类型根据C源和能源来分：光能自养型、光能异养型、化能自养型、化能异养型。（一） 光能自养型特点：1、含光合色素，能进行光合作用2、 利用光能3、 以二氧化碳作为碳源4、 供氢体为水、硫化氢等如绿硫细菌：CO2+2H2S 光 C.H2O+H2O+S2蓝细菌: C.H2O CO2+H2O 光 C.H2O +O2(二)光能异养型特点：具有光合色素；利用光能；以有机物作为碳源。（三）化能无机营养型利用无机物氧化时释放的能量作为能源，利用二氧化碳作为碳源合成细胞物质。如亚硝酸细菌：2NH3 + 2O2 2HNO2 + 4H + Q CO2 +4H C.H2O + H2O(四)化能有机营养型以有机物作为C源,利用有机物氧化过程中产生的能量作为能源来合成细胞物质。第二节 酶及其作用一、 酶的分类及命名酶是一种生物催化剂1、根据酶作用的场所不同：胞内酶、胞外酶胞外酶能透过细胞，作用于细胞外面的物质，起催化水解作用，胞内酶在细胞内部起作用，催化细胞的合成和呼吸作用。2、根据催化反应的类型可分为：水解酶、氧化还原酶、转移酶、同分异构酶、裂解酶、合成酶等。3、 根据酶组成成份可分为：单成份酶和双成份酶。单成分酶：完全由蛋白质组成，多数为胞外酶双成分酶：由蛋白质和非蛋白质两部分组成，前者为主酶，后者为辅酶，两者构成全酶，不能单独起作用，氧化还原酶为胞内酶。4、固有酶和适应酶二、酶的特点1、 酶的催化效率高同一反应，酶催化反应速度比一般催化剂的速度快106-1013倍。如：CO2 + H2O H2CO3一个碳酸酐酶分子每秒能催化6*107个二氧化碳分子，比一般催化剂快107倍。2、 酶有高度的专一性酶对其作用的物质有着严格的选择性。一种酶只能作用于一些结构近似的化合物，甚至只能作用一种化合物发生一定的反应。3、 酶对环境条件极为敏感酶在高温、高压、强酸、强碱、重金属盐、紫外线等条件下都会失去其催化活性，同时也因温度、PH等的变动或抑制剂的存在而使其活性发生变化。4、 酶的作用条件较温和5、 酶的作用是可逆的。三、 影响酶促反应速度的因素1、 酶浓度的影响当底物足够过量，而又不受其它因素的影响时，则酶促反应速度V=KE2、 底物浓度的影响设定E是酶,S是基质,ES是酶与基质的复合物,P是产物，K1,K2,K3分别为各步反应的速度常数。酶催化的过程是一个两步过程，即 K1 K3 E + S ES E +P K2 根据后一步反应的速度，酶促反应生成产物的最终速度v为： v=k3ES上式中ES的浓度往往不知道，但可以导出E、S 与ES的关系 设：E0=酶的总浓度 S= 基质的总浓度 ES=中间复合物浓度 则 E0ES=游离态酶的浓度根据质量作用定律，在平衡状态下： ES生成反应的速度=k1 E0ESS ES分解反应的速度=K2ES+K3ES在平衡时，有： = KM ES= E0S(KM+S) v=k3 ES代入得v= k3E0S( KM+S)=VMAXS( KM+S) -米门公式当ES= E0时，所有的酶分子都与基质形成了结合状态，即： Vmax=K3E0式中: V反应速度；S基质浓度Vmax最大反应速度；Km米氏常数。根据化学速率表达式，可推出产物形成速度V = Vm.S/(KM + S)米氏公式。当S很小时，则V = VmS/Km = KvS当S很高时，则 V = Vm3、 PH的影响，大部分酶的最适PH值在67左右,废水生物处理中的混合微生物最适PH在69。4、 温度的影响微生物各种酶的最适温度在30-60，过高温度会破坏酶蛋白，过低温度会破坏酶活性。在最适温度范围内,温度每升高10,酶催化 反应速度可提高12倍.5、 活化剂的影响活化剂能提高酶的活力，如一些金属离子或其它无机离子。如脱羧酶需镁离子、二价锰离子、二价估离子，淀粉酶需氯离子。在废水生物处理中，微量金属元素的存在，对微生物来说亦是相当重要的，可以提高酶的活性。6、 抑制剂的影响重金属离子：破坏酶中的巯基有机磷：破坏羟基在废水处理中，对重金属离子或其它毒物应加以控制。产物的影响，除了某些对酶无害的气体或反应产生的不溶固体物质以外，一般反应产物对酶反应速度均有抑制作用，这种反应产物抑制酶的作用叫反馈抑制。非竞争性抑制剂：破坏酶的作用，使酶分子分解变性，叫非竞争性抑制剂竞争性抑制剂：有些化学药品的构造与基质相似，因而争先与酶作用，以致减少与基质结合的机会。叫竞争性抑制剂。第三节 细菌的呼吸一、 呼吸作用的本质本质：呼吸作用是生物的氧化和还原的统一过程，在这一过程中产生能量。在此过程中发生以下现象：1、 呼吸作用使复杂的有机物变成二氧化碳、水和其它简单物质2、 呼吸过程中产生的能量，一部份用来进行物质合成，另一部份供维持生命活动，还有一部份变成热释放出来3、 通过呼吸，产生一些中间产物，这些中间产物一部份分解，一部份作合成细胞物质的原料4、 在呼吸过程中，吸收和同化各种营养二、 细菌的呼吸类型：好氧呼吸和厌氧呼吸1、 好氧呼吸：以氧作为最终电子受体的生物氧化过程实质：好氧呼吸作用过程是当营养物质进入好氧菌细胞后，在氧的存在下，通过一系列氧化还原反应获得能量的过程A-H2 辅酶 H2O 脱氢酶 氧化酶 A 辅酶-H2（+2e-） 1/2O2 特点：分子氧参与，以氧作为最终电子受体脱氢酶参与，活化基质上的氢氧化酶参与，活化分子氧有细胞色素参与，电子传递体基质氧化一般较彻底，放出的能量较多，被氧化后的产物积累较少不同基质，不同条件氧化产物不一样。如：C6H12O6 + O2 6CO2 + 6H2O +2872KJ 好氧异养型微生物H2S + 2O2 H2SO4 + Q 好氧自养型微生物4NH3 + 9O2 4NO3- + 6H2O + Q 消化细菌2、 厌氧呼吸微生物以有机物质作为氧化基质，除氧以外的无机物作为最终电子受体的生物氧化过程。A-H2 辅酶 受氢体-H2 脱氢酶 A 辅酶-H2（+2e-） 受氢体（氧以外的无机物）特点：无氧参与有细胞色素参与（电子传递体）有脱氢酶参与无氧化酶系统基质氧化获得能量少 除氧以外的无机物作为最终电子受体 如：C6H12O6 + 4NO3- 6CO2 +6H2O + 12NO2- + Q 以NO3-作为最终电子受体：NO3-+ 2 e- + 2H+ NO2- + H2O3、 发酵：微生物以有机物作为氧化基质，以有机物作为最终电子受体的生物氧化过程。如： C6H12O6 + 乳酸菌 2CH3CHOHCOOH + QC6H12O6 +脱氢酶 + 辅酶 2CH3COCOOH + 辅酶-H2CH3COCOOH+ 辅酶-H2 CH3CHOHCOOH+ 辅酶特点：无氧参与有细胞色素参与（电子传递体）有脱氢酶参与无氧化酶系统基质氧化获得能量少 以有机物作为最终电子受体氧气对厌氧微生物的生长有毒害作用，因由脱氢酶活化的氢与分子氧结合成双氧水，而这类微生物不含过氧化氢分解酶，积累的过氧化氢对细胞发生毒害作用。呼吸过程中是否需要氧气，可分为好氧菌、厌氧菌和兼性菌好氧菌：好氧呼吸来产生能量厌氧菌：厌氧呼吸或发酵来产能兼性菌：有氧时好氧呼吸，无氧时厌氧呼吸或发酵来产能三、 呼吸过程中的能量问题 腺嘌呤-OP-OP-O腺嘌呤-OP -O7300卡磷酸酐键呼吸和发酵过程中放出的能量有40-60%被利用，而一般机器利用率仅为20%左右，这是因为在生物体内有一套完善的能量转移系统联结放能反应和需能反应。电子传递流动的过程中，逐级释放能量，释放的能量供ADP磷酸化之用，电子从链的前一环传到后一环一步一步地进行，而高能磷酸化合物都在这个链的不同位置上生成。 能（合成）ADT ATP 能（呼吸或发酵）四、 代谢产物微生物从环境中吸收了营养物质，获得了能量，在酶的作用下起了种种变化，产物一部份转化为细胞物质，另一部份无用的排到外界，作为代谢产物，主要有：1、气体物质：二氧化碳、氢气、甲烷、硫化氢、氨气等，前面主要是糖发酵产物，后者为蛋白质分解产物2、有机代谢产物：醇、酮、酸、胺、维生素、抗菌素、毒素、色素等3、分解产物：复杂物质水解后的简单物质，一部份进入细胞，另一部份作为代谢产物。如蛋白胨、氨基酸、纤维二糖等4、其它：自养微生物的生长过程中有氢氧化铁、硝酸根、亚硝酸根等第四节 其它环境因素对细菌生长的影响细菌的生长除了营养物质和氧外，还与温度、PH、氧化还原电位、干燥、渗透压、光、化学药剂有关。一、温度：多数细菌最佳温度20401、 高温的影响高温能使蛋白质凝固变性，而细菌细胞的组成成份和酶的成份是蛋白质，所以高温能灭菌。湿热灭菌比干热灭菌好，其原因有：菌在有水的情况下，蛋白质更易凝固变性；热蒸气的穿透力强；蒸气有潜热，当水蒸气在物体表面凝结为水时要放出热量。2、 低温的影响低温能降低细菌的代谢活力，一般在5以下，细菌的代谢作用大大受阻，而处于休眠状态，只能维持生命而不能发育，所以一般用冰箱保存菌种，4左右为保存菌种的适宜温度。超低温也能使细菌死亡。二、PH的影响，大多数细菌最适的PH=6-8不同的微生物所要求的PH不同，细菌在中性、偏碱性中，酵母菌在中性偏酸性中，放线菌在中性偏碱性中。因此在水处理中应调节水的PH值。三、氧化还原电位各种细菌生活时要求的氧化还原电位不同，氧化还原条件的高低可用氧化还原电位E表示。E0.1V好氧菌才可生长 0.3-0.4V正常生长E0.1V厌氧菌才可生长四、 干燥的影响水是生物生存的必要条件，因细胞中含80%的水，环境过于干燥，细菌就不能生长。一般有荚膜、芽孢的细菌较耐干燥，因在干燥条件下，细菌不能生长发育，以此防止食品腐败.五、 渗透压的影响渗透压：两种溶液用半透膜分隔时，出现的液面高差，溶液浓差越大，渗透压越强。当细菌周围的水溶液与细胞内液体的渗透压相等时，细菌生活得最好。在高渗溶液中，细菌失水发生质壁分离，而影响其生命活动，甚至死亡。在低渗溶液中，细菌吸水膨胀，甚至破裂。微生物实验中一般用0.85%的氯化钠溶液维持微生物的正常生活,这种浓度的盐水叫生理盐水.六、 光线的影响一般细菌不喜光线（除光合细菌），特别是许多病原微生物，在日光直接照射下容易死亡，起杀菌作用的是日光中的紫外线，260nm左右杀菌力最强，但紫外线的穿透性弱，所以只适于表面杀菌，如空气消毒，一般细菌只需照5分钟，芽孢10分钟。紫外线杀菌的原理：干扰核酸的复制，由于紫外线引起核酸形成胸腺嘧啶二聚体，从而干扰了核酸的复制；紫外线可使空气中氧变成臭氧，而臭氧易分解放出氧化力很强的新生态原子氧，有杀菌作用。七、 化学药剂 强氧化剂可使细胞物质氧化而使正常代谢受阻，甚至死亡。如：高锰酸钾、漂白粉、液氯等重金属盐可成为细菌的抑制剂或杀菌剂，带正电荷的重金属离子易与带负电荷的菌体蛋白质结合而使蛋白质变性。如：红汞（二价汞）、销酸银、铜盐等有些有机物能损伤细胞的膜和壁，抑制某些酶系统（如脱氢酶、氧化酶），使蛋白质变性。如甲醛能与蛋白质的氨基结合。石炭酸、福尔马林（2%甲醛溶液）、乙醇70%-75%（太高，细胞膜脱水收缩，网孔变小，乙醇难以进去）带正电性的染料阳离子可与带负电的细菌蛋白质结合而具有抑菌杀菌作用，如龙胆紫可用于皮肤和伤口消毒。P117 1,5,8,12,14,16第三章 细菌的生长繁殖、遗传与变异要求：重点掌握细菌的生长曲线以及在不同生长阶段的特征，掌握细菌变异的方法和和遗传工程在环境工程中的应用，对细菌的遗传作一般性了解。第一节 细菌的繁殖和生长曲线一、 生长曲线：将细菌接种在液体培养基中，隔一定时间取样分析，计算菌数或重量，以菌数的对数或活细菌重量为纵坐标，以时间为横坐标所绘制而成的曲线。1、 按细菌数目的对数绘制的生长曲线 迟缓期（停滞期）当菌种接种到新鲜培养基上后，经过一段调整和适应，以合成多种酶，并完善体内的酶系统和其它成份，细胞并不立即繁殖。特点：A、细胞质均匀，代谢活力强；B、菌体体积显著增大（在迟缓期末期，细菌的长度是接种时的6倍多）C、细菌数目基本不增加，只在后期有个别菌体繁殖D、对热、化学物质等不良条件的抵抗力差E、细菌的生长不受食料的影响 对数期：这个时期的细胞是用作研究工作的理想材料特点：A、细菌数目按指数增长；B、活菌数和总菌数非常接近；C、细菌的生长速度达到高峰，世代时间最短；D、细胞的代谢活力强，代谢稳定；E、细菌的生长不受食料的影响。 稳定期特点：A、营养物质不断消耗和代谢毒物的积累，致使细菌分裂的速率降低，世代时间延长，细胞活力减退；B、菌体死亡数目逐渐上升，最后达到新增殖的细胞数等于死亡数，活菌数保持相对稳定，总菌数达到最高；C、产生代谢产物的时期，芽孢菌开始形成芽孢；D、有些细菌因营养物不够死亡。 死亡期（衰老期）特点：A、细菌因食料少，死亡速率大大增加，新生细胞数少于死亡细胞数，活菌数逐渐减少；B、细菌的代谢活力弱，细胞质不均匀，镜检时可发现细胞内颗粒状物质增多；C、出现细菌自溶现象2、按重量绘制的曲线分为三个阶段：生长率上升阶段、生长率下降阶段和内源呼吸阶段。 生长率上升阶段：食料（营养物）过剩，细菌生长不受食料的影响，只受自身生理机能限制。（肉多狼少）上升阶段初期：不繁殖，菌体增大上升阶段：细菌的生长不受食料的影响，菌数按指数递增上升阶段后期：生长率达到最大值，分解培养基中有机物的速率也最快， 生长率下降阶段：食料降低和减少，导致食料不足，限制细菌的生长（狼多肉少） 内源呼吸阶段：食料耗尽，细菌代谢自己体内的营养物或利用死亡的细菌作为营养物。（狼多没肉）3、 究生长曲线的意义a) 对数期接种，可以缩短培养时间；b) 不断补充营养，调节PH，去掉有害代谢产物，可使菌体总数达到较高的数量。如处于稳定期的细菌如加入营养物，去掉代谢产物又可恢复到对数期。c) 用于废水处理时，须使微生物生长处于生长率下降阶段或内源呼吸阶段初期，在此期间微生物的沉降性能好，而在对数期，微生物活力强，不易凝聚沉淀且需充分的食料，即废水中必须有较高浓度的有机物，处理过的废水所含有机物较多。注：X2=X1*2n n=(lgx2-lgx1)/lg2 n为世代数生长速度（R）=n/(t2-t1)=3.3(lgx2-lgx1)/(t2-t1)4、 混合微生物群的生长曲线在废水生物处理中，微生物是一个群体，各种微生物在群体中相互影响共处于一个生态平衡的环境中，不同生物，通过镜检可以得出不同的生长曲线，都有着它自己的形状和位置，这一切都和环境中的营养情况以及微生物之间的相互依存情况有关。如有机物多时，则以有机物为食料的细菌占优势，数量多。细菌多时，必然出现以细菌为食料的原生动物，而细菌少时，才出现以细菌和原生动物为食料的后生动物。混合微生物群的生长曲线所反映的生长规律，有助于我们通过微生物的镜检去推知废水处理过程中的水质情况。如发现大量鞭毛虫，说明废水中有机物含量仍较高，还须进一步处理，这一情况一般出现在废水生物处理的初期；如发现游泳型纤毛虫不多，发现固着型纤毛虫时，表明水中有机物和细菌相当少，废水的稳定已接近完成；如发现轮虫时，表明质已很稳定，水质已得到净化。以上只是对水质的定性检测，因观察方便，便于迅速了解处理过程中的水质情况。有机物 游泳型纤毛虫细菌微生物的数量 鞭毛虫固着型纤毛虫轮虫 培养时间第二节 细菌的遗传与变异一、 细菌的遗传（自学）二、 细菌的变异变异：任何一种生物的亲代与子代以及个体之间在形态结构和生理机能方面都有所差异。造成变异的原因：基因重组和基因突变（一） 基因重组1、 定义：两个不同性状的个体细胞，其中一个细胞（供体）的DNA与另一个细胞（受体）的DNA融合，使基因重新排列，遗传给后代，产生新品种或表达新的遗传性状。这一过程叫基因重组。2、 基因重组的三种形式：转化、转导、接合（1） 转化：是供体细胞研碎物中的DNA片段直接被受体细胞吸收而进入活的受体细胞的基因重组方式。S肺炎双球菌与小白鼠的实验中发现了转化：R活菌 小白鼠 活小白鼠 R活菌死S菌 小白鼠 活小白鼠 无S菌R活菌死S菌孔不入 小白鼠 死小白鼠 活S菌 多数R活菌培养 其后在体外进行转化实验：少量活S菌研碎的死S菌 提取出其中的DNA+ R活菌 死细胞 （DNA）+ R S菌加DNA酶 有些R细胞吸收S细胞的DNA R细胞活S菌 R供体生物游离的DNA片段叫转化因子，一般为双链DNA片段特点：A、受体细胞须处于感受态阶段，才能进行转化B、基因重组率很底C、加DNA酶可以阻止转化作用的进行D、不需细胞直接接触，也不需媒介物质，DNA直接进入受体细胞注：感受态阶段是由细胞的遗传性以及细胞的生理状态、菌龄和培养条件等决定的。肺炎双球菌的感受态阶段处于对数生长期的中期。（2） 接合：细胞的接合是遗传物质通过细胞与细胞的直接接触而进行的转移和重组。美国科学家利用两类营养缺陷型菌株作实验发现了接合，一类基因型为B-M-T+L+，另一类为B+M+T-L-，B为生物素，M为甲硫氨酸，T为苏氨酸，L为亮氨酸。把两类幼龄细胞混合后，涂在不含B、M、T、L四种成份的培养基上，长出基因型为B+M+T+L+的菌株，这是两类营养缺陷型菌株，通过交配进行了基因重组的结果。用U型管试验，可以排除上面结果不是转化作用所致。 B-M-T+L+ B+M+T-L- 滤板，只允许游离DNA通过，而使两类细胞隔开 使两端溶液来回流动一段时间后，两端取出菌液分别接种于不含上述四种成份的培养基上，结果不能长出B+M+T+L+菌株。特点：A、需要两个细胞直接接触，才能产生接合作用 B、基因重组率很低。（3） 转导：遗传物质通过噬菌体的携带而转移的基因重组。是在研究鼠沙门氏伤寒杆菌重组时发现的受体，不具有合成色氨酸，能合成组氨酸 try+ try- his- his+ 只允许噬菌本通过受体细胞上有噬菌体的DNA，培养时放出噬菌体，噬菌体通过滤片感染供体，使供体裂解，产生“滤过因子”，大部份是温和噬菌体，也有极少数包裹了供体的DNA片段（含合成try+基因），并通过滤片再度感染受体，使得由噬菌体携带来的DNA片段与受体细胞进行重组。特点：A、通过噬菌体转移遗传物质；B、基因重组率低。（二） 基因突变1、 定义：由于环境条件和物理化学因素的影响，使得生物体内的DNA链上碱基缺乏或者置换或者插入，改变了基因内部原有的碱基排列顺序，而使后代突然表现和亲代显然不同的性状，这种变异称为基因突变。2、 基因突变的类型：自发突变和诱变（1） 自发突变：凡是在没有特设的诱变条件下，由外界环境的自然作用如辐射或微生物体内的生理和生化变化（如代谢产物过氧化氢的产生）而发生的基因突变称自发突变。自发突变率极低，一万次至一百亿次繁殖中，才出现一个突变体。自发突变无定向，有时对人类有益，有时有害，如任其自然发展，导致菌种退化，可以通过纯种分离而使菌种复壮。（2） 诱变：人为地利用物理化学因素，引起细胞DNA分子中碱基对发生变化叫诱变。也是无定向的。诱变剂有：紫外线、亚硝酸、5-溴尿嘧啶等可以通过诱变获得性能良好的菌株。三、 遗传工程（基因工程）1、 定义：用人工方法，把所需的供体生物的遗传物质-DNA大分子提取出来，在离体条件下切割，把它和载体的DNA分子连接起来，然后引入到某一受体细胞进行正常的复制和表达，从而获得新物种的育种技术。载体一般为质粒，受体细胞用大肠杆菌较好，因繁殖快。2、 步骤A、 提取目的基因B、 对目的基因用限制性内切酶处理。限制性内切酶能识别DNA分子中的一定部位，把DNA切断，并形成粘性末端。C、 从载体细胞中取出质粒，并用内切酶切断，形成粘性末端。D、 在DNA连接酶的作用下，将供体细胞DNA粘性末端与质粒的DNA粘性末端粘起来，形成一个新的重组的载体DNA分子。E、 将重组的载体DNA分子引入受体细胞，进入受体细胞的目的基因随受体细胞的繁殖而得到表达。载体DNA分子加入到受体细胞培养液中，被吸入受体细胞里。四、 遗传工程在环境工程中的作用通过基因工程可获得超级细菌。超级细菌：通过遗传工程，把具有某些特性的质粒剪切后，引入到受体细胞中，而培养出多质粒、多功能的新菌种称超级细菌。如70年代美国研制了降解石油的超级细菌，可以降解原油中三分之二的烃。含降解脂（质粒A）的假单胞菌作受体细胞，分别引入质粒B（降解芳烃）、质粒C（萜烃）、质粒D（多环芳烃）。用此超级细菌只需几小时即可把海里浮油去除，如不用超级细菌，则需一年以上时间。1983年瑞士科学家，获得了降解染料的质粒，两种假单胞菌分别具有降解1号橙偶氮染料、2号橙偶氮染料的质粒。他们把两个菌株的两种质粒接合到一个菌株内，获得了具有降解2种染料的新菌种。遗传工程示意图：重组的DNA分子受体细胞受体细胞受体细胞作业：P160 9 11 12 第四章 其它微生物要求：重点掌握放线菌、丝状细菌、真菌、藻类、病毒、原生动物、后生动物在给水排水中的作用；重点掌握原生动物、后生动物的外形特征以及水中微生物的控制方法，了解微生物之间的关系和放线菌、丝状细菌、真菌、藻类、病毒的生理特性。第一节 放线菌和丝状细菌丝状菌：把菌体细胞能相连而形成丝状的微生物一、 放线菌1、 定义：大多数单细胞菌丝状的原核微生物，菌丝是放射状的伸装叫放线菌。菌丝较长，约为50-600um。属G+2、 生长环境：水份少，有机物多，中性偏碱的环境中，多数为腐生，少数为寄生。放线菌为好氧菌，最适PH为7-8，最适温度为25-303、组成整个菌丝体为一个细胞，菌丝体分为两部份：营养菌丝、气生菌丝和孢子丝。营养菌丝：伸入营养物质内或漫生于营养物表面吸取养料的菌丝气生菌丝：营养菌丝生长到一定程度后长出的伸向空中的菌丝。繁殖作用孢子丝：气生菌丝的顶端能形成孢子丝，产生孢子。孢子遇到适宜条件发育成营养菌丝。4、特征菌落：由单一细胞在固体培养基上培养一段时间后所形成的群体形态菌落特征：坚实、多皱、干燥、致密、牢固、正反面有不同的颜色，不易挑起。5、放线菌的应用A、 产生抗生素。2/3的抗生素由此菌产生如链霉素、氯霉素、土霉素、四环素等B、 有些放线菌能分解无机氰化物二、 铁细菌水中的铁细菌有：多孢泉发菌、赭色纤发菌、赭色嘉利翁氏菌1、 外形特征铁细菌1 多孢泉发菌 2 赭色纤发菌 3 赭色嘉利翁氏菌多孢泉发菌：丝状体不分枝，附着在坚固的基质上，基部和顶端有区别，鞘顶端薄而无色，基部厚并被铁包围，细胞有圆筒形的和球形的赭色纤发菌：丝状体有鞘，呈现黄色或褐色，被氢氧化铁包围，在地面水中分布较广赭色嘉利翁氏菌：有柄的细菌，绞绳状对生分枝，无鞘。2、 生活特征生活在多铁质和二氧化碳的水中，在含氧少的环境中也能生存，自养菌。4FeCO + O2 + 6H2O =4Fe(OH)3 + 4CO2 + Q铁细菌的存在，会使水管堵塞，因需大量的亚铁作为营养，使水管不断地溶入水中，加速腐蚀，还能造成水浑浊呈颜色。三、 硫磺细菌硫磺细菌：贝日阿托氏菌、发硫细菌1、 外形特征贝日阿托氏菌贝日阿托氏菌：丝状体是一串细胞相联并为共同的衣鞘所包围，细胞内含有很多硫磺颗粒，不分枝，单个分散