水处理生物学 第7章 生物的生长和遗传变异ppt课件 133页

第七章微生物的生长和遗传变异主要教学内容：第一节微生物的生长及其特性第二节微生物的遗传第三节微生物的变异第四节遗传工程第五节微生物的驯化与保藏\n教学目的要求：掌握:1、微生物生长的常用测定方法。2、微生物间歇培养时的生长曲线。3、微生物年龄段的划分及决定微生物生长处于哪一个阶段或时期的主要因素。4、微生物的世代时间及世代时间的测定时期。第一节微生物的生长及其特性\n5、微生物生长阶段（或时期）与污水生物处理效果的关系及稳定期在废水处理过程中的具体应用。6、生物膜的定义。7、生物膜的生长特性。第一节微生物的生长及其特性\n一、生长与繁殖的基本概念微生物体积小，相对面积较大，物质吸收快，转化快。微生物（如细菌）的生长与繁殖迅速，适应性强。（一）、微生物的生长微生物的生长——指微生物在适宜的环境条件下，不断地吸收营养物质，并按照自已的代谢方式进行代谢活动，如果同化作用大于异化作用，则细胞质量不断增加，体积得以增大，表现在细胞自身就是体积或重量的不断增加，这种现象叫生长。第一节微生物的生长及其特性\n（二）、微生物的繁殖微生物的繁殖——微生物生长到一定阶段，便分裂成子细胞（细菌主要是以二分裂的方式），子细胞重复以上过程，这就是繁殖。微生物繁殖很快，多数在20~30min繁殖一代（大肠杆菌37℃，18min；硝化细菌，8~24小时；只有少数可以长达几十小时，甚至几天。）（三）、微生物生长指标的确定微生物生长量法；微生物计数法。第一节微生物的生长及其特性\n二、微生物生长的测定方法微生物生长的测定方法主要有计数法、测生长量法、其它生理生化指标法。为什么要测定微生物的生长？原因：评价特定废水处理时污泥驯化效果的好坏；评价特定细菌培养条件是否合适；评价水处理构筑物（如曝气池）是否正常运转等。第一节微生物的生长及其特性\n（一）、计数法计数法有显微镜直接计数法、荧光染色计数法、活菌计数法、特定微生物计数法等。目前普遍采用的是显微镜直接计数法、活菌计数法。1、显微镜直接计数法显微镜直接计数法是常用的微生物生长测定方法，特点是测定过程迅速，但不能确定微生物的死活。（微生物的死活不分）第一节微生物的生长及其特性\n显微镜直接计数法有涂片染色法、计数器测定法、比例计数法等，目前普遍采用的是计数器测定法。第一节微生物的生长及其特性\n*（1）、计数器测定法计数器测定法采用特殊的微生物或血球计数板（器）进行测定。操作过程是取一定体积的待测样品放于计数器的测定小室与盖玻片之间，在显微镜的高倍镜下直接计数。由于测定小室的体积是已知的，因此根据得到的计数值就可以计算出微生物或细菌的数量。血球计数板上的计数室体积为0.1mm3，通过简单的数学换算可以计算出细菌或微生物的含量。(个/mL)。计数器构造见下图。第一节微生物的生长及其特性\n血球计数板示意图槽槽槽槽第一节微生物的生长及其特性记数室内微生物或细菌的分布见下图。\n记数室内微生物或细菌的分布第一节微生物的生长及其特性\n2、活菌计数法特点：不含死的细菌细胞，但测定所需的时间较长。活菌计数法有平板计数法、液体计数法、薄膜计数法。其中以平板计数法最为常用。第一节微生物的生长及其特性\n*（1）、平板计数法将样品作一系列10倍梯度稀释,然后将相应稀释度的样品（如1mL，平行做2~3次）涂布到平板中，或与已经融化好的固体培养基混合、摇匀、凝固。将待培养的平板倒置于培养箱中培养，一定时间后观察并计数生长的微生物的菌落数，最终根据微生物的菌落数、取样量、稀释度并经过简单的换算得出样品微生物的浓度。平板计数法具体做法见下图。第一节微生物的生长及其特性\n平板计数法具体做法9ml无菌水第一节微生物的生长及其特性\n皿底皿盖第一节微生物的生长及其特性\n第一节微生物的生长及其特性细菌固体培养基上的典型群体特征\n平板计数法的主要注意事项：一般取菌落数在30~300个的平板进行计数。过多或过少均不采用。原因：菌落数太多，计数费时费力；菌落数太少，计数误差太大。培养皿倒置于培养箱中培养。原因：为了防止培养基内水分蒸发到皿盖上而使培养基变干，影响微生物的培养。限用于能够在培养基上形成菌落的微生物。第一节微生物的生长及其特性\n稀释度菌液（mL)菌落数细菌浓度(个/mL)10-41142.044×104或4.4×105246.0平均44.0平板计数法试验实例第一节微生物的生长及其特性\n（2）液体计数法（如三管法或五管法）液体计数法主要用于不能在平板培养基上形成菌落的微生物。具体做法是：将待测样品作10倍梯度稀释，取相应稀释度的样品（1mL）分别接种到3管或5管一组的数组液体培养基中，培养一定时间后，观察各管及各组中细菌是否生长，记录结果，根据读数规则，查已专门处理好的最可能数表，得出细菌的最终含量。第一节微生物的生长及其特性\n试验结果举例根据试验结果及读数规则，查表得出微生物或细菌的含量。第一节微生物的生长及其特性\n\n\n（3）薄膜计数法对于某些细菌含量较低的测定样品（如空气或饮用水），可以采用薄膜计数法。该方法是将一定体积的待测样品通过带有许多小孔但又不让细菌流出的微孔滤膜，借助膜的作用将微生物截留，再将膜（有细菌的一面向上）放于固体培养基表面培养，然后类似平板计数法计算结果。第一节微生物的生长及其特性\n滤器装置第一节微生物的生长及其特性上述活菌计数法所用的样品必须成分散的悬浮状态，否则要强化分散。\n（二）测生长量法测生长量法有测重量法、光密度法、测元素法、测其它生理生化指标法法等。目前普遍采用的是测重量法、光密度法、测其它生理生化指标法。*1、重量法（测定细胞干重）过程：取经过培养一段时间的待测微生物样品，用离心机离心后收集生长后的微生物细胞，或用滤纸、滤膜过滤截取生长后的微生物细胞，然后在105~110℃下进行干燥（恒重），称取干燥后的重量，以此代表微生物生长量的多少。第一节微生物的生长及其特性\n活性污泥水处理构筑物内微生物生长量通常用这种细胞干重测定法。活性污泥法中微生物的生长量指标是混合液悬浮固体浓度MLSS或混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）。测定MLSS具体做法1：取一定体积的待测活性污泥样品，放于蒸发皿中干燥，然后称重。（恒重）测定MLSS具体做法2：取一定体积的待测活性污泥样品（一般用量筒量取100mL），经过滤→干燥（105~110℃左右）→称重。（恒重）第一节微生物的生长及其特性\nMLSS不仅包括细菌或微生物，还包括无机颗粒等。因此MLVSS能更精确地表示细菌或微生物的生长量。MLVSS测定过程是：将已测得干重的污泥样品，放于马福炉内550℃下灼烧2h，微生物中含有的各种有机物就被分解成为CO2和H2O并蒸发掉。因此烧掉的部分就是挥发性悬浮固体重量。实际水处理中，MLSS用的较多（原因：测定方便、迅速）。第一节微生物的生长及其特性\n*2、光密度法（比浊计数法）光密度法是测定悬浮细胞的快速方法。原理是：溶液的吸光度与溶液的混浊度即微生物悬浮细胞浓度正比。根据悬浮溶液的吸光度，查已经绘制好的标准曲线，（吸光度与微生物浓度的关系曲线），可以得到溶液中微生物的浓度。第一节微生物的生长及其特性\n*3、其它生理生化指标法微生物生长过程中，要吸收和消耗一些物质，同时产生和分泌另外一些物质。通过测定这些物质的变化，可以间接表示或估计微生物的生长情况。如测定待测样品中营养物质（COD）的消耗，溶解氧的消耗，有机酸的产生，H2和CH4的产生（厌氧微生物的生长及活性测定）。第一节微生物的生长及其特性\n（三）其它元素法（如测细胞含氮量、蛋白质、DNA含量等）、荧光染色计数法等。以上测定法均需要按照实验指导书进行。第一节微生物的生长及其特性\n三、微生物的生长特性（一）、间歇培养间歇培养的特点：营养物质一次性投加。*1、间歇培养生长曲线间歇培养的方法：将少量微生物接种于一定量的液体培养基内，在适宜的温度下培养，在培养过程中不加入也不取出培养基和微生物。微生物间歇培养模式见下图。第一节微生物的生长及其特性\n微生物间歇培养模式菌种和液体培养基一次性加入。第一节微生物的生长及其特性\n间歇培养生长曲线的测定：在间歇培养过程中定时取样测定活微生物数目或重量的变化，以活微生物个数或微生物重量为纵坐标，培养时间为横坐标，即可绘制出一曲线，此曲线称为微生物的生长曲线。微生物的生长曲线分为：按活微生物重量绘制和按微生物数目的对数绘制两种。按活微生物重量绘制的曲线见下图。第一节微生物的生长及其特性\n微生物生长曲线（按活微生物重量绘制）第一节微生物的生长及其特性\n曲线特点：将微生物或细菌的生长分为3个阶段：生长率上升阶段，生长率下降阶段，内源呼吸阶段。生长率上升阶段：上升阶段初期，食料充足，微生物或细菌是在适应新的环境，一般不进行分裂，菌数不增加，但菌体逐渐增大，以后很快进入迅速繁殖的阶段，到上升阶段后期，生长率达到最高，此时分解培养基中有机物的速率也最高。（生长率上升阶段，微生物数目的对数同培养时间呈直线关系，所以生长率上升阶段又称为对数生长阶段。）第一节微生物的生长及其特性\n生长率下降阶段：经过一定时间后，由于食料减少和对微生物有毒代谢产物的积累，环境逐渐不利于微生物的生长，微生物生长繁殖速度逐渐下降，进入生长率下降阶段。（用于废水处理时菌体聚集效果好，活性污泥絮体能较好地形成，二沉池中容易沉淀，出水效果好。）内源呼吸阶段：培养基中的食料已经很少，菌体内贮藏的物质，甚至体内的酶被都被当作营养物质来利用，此时微生物新合成的细胞质不足以因内源呼吸而耗去的细胞质，因此，微生物重量逐渐减少（因微生物死亡和内源呼吸）。第一节微生物的生长及其特性\n*微生物年龄段的划分：上述3个阶段中，生长率上升阶段是微生物或细菌的年轻阶段，生长繁殖快、动能大；生长率下降阶段是微生物或细菌的中年阶段，生长活跃性、繁殖速度、动能均小于年轻阶段；内源呼吸阶段是微生物或细菌的衰老阶段，死亡速度大于繁殖速度，生长不活跃，动能小。第一节微生物的生长及其特性\n细菌的年龄表征法与人的不同，是用其群体特征来表征。按微生物数目的对数绘制的生长曲线见下图。第一节微生物的生长及其特性\n微生物生长曲线（按微生物数目的对数绘制）第一节微生物的生长及其特性把曲线分为四个时期，即：缓慢增长期、对数增长期、稳定增长期、衰老期。与重量生长曲线的对应关系如下：\n缓慢增长期对数增长期稳定增长期衰老期生长率上升阶段生长率下降阶段内源呼吸阶段生长率上升阶段初期第一节微生物的生长及其特性\n生长曲线上每一时期的主要特点：缓慢期:生长率上升阶段初期,微生物不繁殖，数目不增加，但菌体体积增长很快，其后期只有个别菌体繁殖。对数期：微生物繁殖速度迅速增加。稳定期：食料减少供不应求和细菌有毒代谢产物的积累，微生物生长繁殖速度逐渐下降，同时菌体死亡数目逐渐上升，最后达到新增加的微生物数与死亡数基本相等，活菌数保持相对平衡并处于最大值。第一节微生物的生长及其特性\n衰老期（内源呼吸阶段）：微生物或细菌死亡速度大大增加，超过其繁殖速度，只有少数菌体进行繁殖，微生物进行内源呼吸，，所以活微生物曲线显著下降。*决定微生物生长处于哪一个阶段或时期的主要因素是：微生物周围营养物质的多少，即食料/微生物——F/M，如下图。第一节微生物的生长及其特性\n（沉降性能好）第一节微生物的生长及其特性\n曝气池中活性污泥混合液的絮凝沉降性能可用污泥沉降比SV、污泥沉降指数SVI来评价。污泥沉降比SV——是指曝气池混合液在100mL量筒中沉淀30min，污泥体积与原混合液体积之比，用百分数表示。一般生活污水和城市污水的SV为15%~30%。第一节微生物的生长及其特性\nt=0mint=30min水第一节微生物的生长及其特性污泥沉降比SV测定示意图\nSVI(污泥体积指数)：指曝气池混合液经30min静沉后,相应的1g干污泥所占的容积(以mL计)。即:SVI=SV30/MLSS,SVI正常以70~100为宜0min15min30min46\n*2、微生物的世代时间（以对数期为准）微生物的世代时间——指微生物繁殖一代所需的时间。或微生物个体数目增加一倍的时间。或微生物细胞两次分裂之间的时间间隔。*细菌的世代时间测定计算如下：第一节微生物的生长及其特性\n\n微生物繁殖的一般规律是：好氧菌比厌氧菌的世代时间短；单细胞比多细胞的世代时间短；原核微生物比真核微生物的世代时间短。第一节微生物的生长及其特性\n*3、微生物生长阶段与污水生物处理微生物生长阶段（或时期）与污水处理处理效果的关系对数期（生长率上升阶段）：在废水处理过程中，如果维持微生物在对数期，此时微生物繁殖很快，活力很强，代谢速率高，处理废水的能力较高；但对数期微生物活力强大不易凝聚和沉淀，且对数期要求废水中有机物的浓度较高，则相对处理过的水中有机物浓度必将较高，所以利用此阶段进行污水的生化学处理难于得到较好的出水。第一节微生物的生长及其特性\n稳定期：稳定期的微生物或污泥代谢活性和凝聚沉降性能均较好，在二沉池中泥水分离效果好，出水水质好。因此，处理效果好的活性污泥法构筑物中普遍运行在这一范围（即利用稳定期的微生物）。稳定期应用举例：水处理构筑物是连续进水和出水，完全混合活性污泥法水处理构筑物是利用稳定期的微生物。第一节微生物的生长及其特性\n进水回流污泥菌胶团或活性污泥（微生物群体）生化处理后曝气池剩余污泥出水二沉池好氧活性污泥法处理废水第一节微生物的生长及其特性\n衰老期（内源呼吸期）：处于衰老期的微生物代谢速率低，动能小，容易凝聚沉降，但水中有细小的泥花（死亡的细菌所致），水处理指标比稳定期差。衰老期只出现在某些特殊水处理的场合，如延时曝气和污泥消化。延时曝气活性污泥法利用内源呼吸期的微生物是因为此工艺可以不排泥或少排泥，主要用于不宜采用污泥处理技术的小城镇的废水处理。第一节微生物的生长及其特性\n图3-11图3-11高负荷活性污泥法（沉降性能好）第一节微生物的生长及其特性\n特殊情况缓慢期可出现在下列情况：水处理系统投产前，污泥的培养或驯化（活性污泥被接种到与原来生长条件不同的废水中，营养类型发生改变，污泥需培养或驯化）；污水处理厂因故中断运行后再运行。应采取措施缩短缓慢期，如利用对数生长期代谢旺盛的污泥接种、增加接种量、利用相同类型反应器的污泥接种等。第一节微生物的生长及其特性\n对数期可出现在下列情况：进水有机物浓度突然增高，污泥回流量不变时。此时，应该调整工艺。如增加污泥回流量，同时增加曝气量。衰老期可出现在下列情况：进水BOD突然减少，污泥回流不变时。此时需调整工艺。如减少污泥回流，同时减少曝气量。第一节微生物的生长及其特性\n四、微生物膜的生长特性微生物膜存在于生物滤池、生物转盘等附着型反应器系统中。（一）、微生物膜的定义和成分*生物膜——是一种不可逆的黏附于固体表面的，被微生物胞外多聚物包裹的有组织的微生物群体。成分：生物膜中有水（分含量可高达97%）、微生物、多聚糖、吸附的营养物质、微生物代谢产物和裂解产物等。第一节微生物的生长及其特性\n（二）、生物膜的生长特性*生物膜的形成主要包括三个阶段。见下图。第一节微生物的生长及其特性生物膜形成的三个阶段示意图\n教学目的要求：掌握:1、微生物遗传性的概念及遗传的物质基础。2、微生物质粒的概念及其特性、在环境工程中的应用举例。第二节微生物的遗传\n微生物或细菌同其它生物一样，有其固有的遗传性。*微生物的遗传性——是指在一定的环境条件下，微生物的形态、结构、代谢、繁殖和对异物的敏感等性状相对稳定，并能代代相传，子代与亲代之间表现出相似性的现象。例如：第二节微生物的遗传\n大肠杆菌是短杆菌，生活条件要求pH7.2，温度37℃，在糖类物质存在的条件下产酸、产气。大肠杆菌的亲代能将这些特性传给子代，这就是大肠杆菌的遗传性。降解废水中六价铬的细菌等。微生物的保守遗传性的规律是：老龄菌比幼龄菌大。营养和外界条件的剧烈变化将导致遗传性不适应而引起死亡，缓慢变化可导致变异，即诱变。第二节微生物的遗传\n一、遗传的物质基础及其存在形式(一)、遗传的物质基础*遗传学的研究表明，一切生物遗传的物质基础是核酸。根据核酸戊糖和碱基的差异分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA），见下表。第二节微生物的遗传\n第二节微生物的遗传表7-2\n核酸的结构核酸是一种多聚核苷酸：第二节微生物的遗传\n第二位碳原子\nDNA分子中的碱基有:A第二节微生物的遗传\nRNA分子中的碱基有:A、G、C、UU第二节微生物的遗传\n含有DNA的微生物中遗传物质是DNA，不含有DNA，只含有RNA（核糖核酸）的微生物中，遗传物质是RNA（如某些病毒）。DNA中多核酸链的一个小片段如下：第二节微生物的遗传\n第二节微生物的遗传\n（二）、DNA的分子结构及其多样性1、DNA的双螺旋结构图7-16DNA的二维结构第二节微生物的遗传\n（1）、两条走向相反的多核苷酸链，盘绕成双螺旋结构，螺旋直径为2nm。（2）、两条链间借碱基对的氢键相连。（3）、一个DNA分子可含有几十万或几百万个碱基对，两个相邻的碱基对之间的距离为0.34nm，每个螺旋的距离为3.4nm。2、DNA的多样性生物中的DNA均有4种脱氧核糖核苷酸变化排列组成，但各种生物DNA的4种碱基含量往往是不均等的，4种碱基的含量之比也不同，体现了不同生物间DNA分子具有高度的多样性。第二节微生物的遗传\n（三）遗传物质在微生物细胞中的主要存在形式遗传物质在微生物细胞中存在的主要形式有染色体、真核微生物的细胞器、染色体外的质粒、RNA（某些病毒）等。1、染色体染色体是遗传物质的主要载体，DNA是主要成分。原核微生物中（如细菌）染色体中的DNA不与蛋白质结合，也没有核膜包围，而是以单独裸露状态存在于细胞质中的DNA分子，拉直时比细胞长许多倍。第二节微生物的遗传\n如大肠杆菌的长度为2μm，其DNA长度为1l00μm至1400μm，它在细胞中央高度折叠形成具有空间结构的一个核区。由于含有磷酸根，而带有很高的负电荷。真核微生物细胞核中染色体的DNA与蛋白质结合，真核微生物DNA的量大于原核微生物。第二节微生物的遗传\n*2、质粒（携带某些次要的遗传信息）质粒——是微生物染色体外或附加于染色体的携带有某种特异性遗传信息的DNA分子。第二节微生物的遗传\n质粒目前发现存在于原核微生物和真核微生物的酵母。质粒一般是小型环状DNA分子，携带少数遗传信息，在细胞分裂中能进行复制，传给后代，并表现一定的遗传特性。质粒的存在与否不影响微生物细胞的生存，丧失质粒仅丧失由其决定的某些特性。即质粒不是细胞生死存亡所必需，可以消失。微生物中的质粒还具有以下特性：第二节微生物的遗传\n（1）、可转移性某些质粒可以通过细胞间的接合作用或其他途径从供体细胞向受体细胞转移。（受体细胞即获得该质粒所决定的遗传性状。）举例：第二节微生物的遗传\n图7-17质粒的转移细菌2细菌1第二节微生物的遗传\n（2）、可整合性在某种特定条件下，质粒DNA可以整合到染色体上，并可以重新脱离。（3）、可重组性不同来源的质粒之间，质粒与染色体之间的基因可以发生重组，形成新的重组质粒，从而使细胞具有新的表现性状。（4）、可消除性经过某些理化因素处理如加热、或加入化学药剂等质粒可以被消除。质粒也可能不明原因地自行消失。第二节微生物的遗传\n质粒的分类如下：抗药性质粒、抗生素产生质粒、降解质粒等等。与环境工程有关的主要是降解质粒。降解质粒——指携带分解某种化合物酶系基因的质粒，能赋予宿主细胞降解某种化合物的能力。质粒在环境工程中的应用举例：如：降解辛烷的质粒、降解二甲苯的质粒、降解甲苯的质粒等。第二节微生物的遗传\n3、细胞器DNA如存在于真核微生物线粒体、叶绿体等细胞器中的少量DNA，携带有编码相应酶的基因。4、RNA某些病毒和微生物噬菌体是以RNA为遗传物质的。5、其他第二节微生物的遗传\n二、遗传物质的复制遗传物质有DNA、RNA，多数生物体内的遗传物质是DNA，只有少数病毒的遗传物质是RNA。DNA、RNA均具自我复制的能力。（一）、DNA的复制第二节微生物的遗传\n图7-18第二节微生物的遗传\n在不产生变异的情况下，通过DNA复制形成的两个新的DNA分子与原来的DNA分子是完全相同。因此，子代的遗传性状与亲代相同。如果由于某种原因，DNA的分子发生了变化，导致合成的蛋白质或生物酶发生变化，则细菌子代所表现的性状将不同于亲代，此时细菌产生了变异。（一）、RNA的复制单链复制。第二节微生物的遗传\n三、遗传信息的传递和表达遗传信息的传递和表达有三个步骤：复制、转录、翻译。遗传信息转录、翻译均需要RNA的参与。*（一）、RNA在细胞里的三种类型及其功能1、信使RNA（mRNA）以一条DNA的单链为模板，按碱基互补原则合成的，由于传达了DNA的信息（DNA合成蛋白质的信息），称为信使RNA。第二节微生物的遗传\n转录过程中DNA的胸腺嘧啶T变为尿嘧啶U）图7-19第二节微生物的遗传\n2、转移RNA（tRNA）tRNA根据mRNA的指令（遗传密码）转移细胞内的氨基酸以合成蛋白质。即在蛋白质合成过程中起转移相应氨基酸的作用。每一个遗传密码对应一个tRNA。tRNA结构举例：第二节微生物的遗传\n次黄嘌呤核苷酸图7-20\n多核苷酸单链结构。但通过自身回折，使链内一些可以配对的碱基相遇而形成较短的双螺旋结构，不能配对的碱基区则形成突环。第二节微生物的遗传图7-21\n3、核糖体RNA蛋白质合成的主要场所。有大小两个亚基。小亚基：在合成蛋白质时，识别mRNA的启动密码和终止密码。大亚基蛋白质的合成基地。第二节微生物的遗传\n（二）、遗传信息的传递与表达过程1、将携带遗传信息的DNA复制；2、将DNA携带的遗传信息转录到mRNA上；（以形成合成蛋白质中氨基酸的密码子以及合成过程中的启动密码和终止密码。用于合成蛋白质的遗传密码的编码字典见P141表）第二节微生物的遗传\n每种氨基酸有1~6个密码不等。最多如丝氨酸6个密码；最少如色氨酸1个密码。3、将mRNA获得的遗传信息翻译成蛋白质。图7-22第二节微生物的遗传\n蛋白质的合成过程图7-23\n细菌遗传性的应用？（此时不希望产生变异）分离所得的纯种用于特定废水的处理含氰化物废水处理的菌种、含六价铬废水处理的菌种、硫酸渣的微生物脱硫菌种（氧化亚铁硫杆菌）等。第二节微生物的遗传\n四、基因表达的调控据前述（第六章）：按与营养基质存在是否有关可将生物酶分为组成酶和诱导酶。组成酶与营养物质（基质）存在与否无关，在微生物体内都存在着相当的数量。如分解葡萄糖的酶。诱导酶需要经诱导物诱导产生，这些酶称为诱导酶。如分解乳糖的酶等。第二节微生物的遗传\n例如，葡萄糖和乳糖共存时，不合成降解乳糖的酶，而利用现成的葡萄糖组成酶分解葡萄糖作碳源、能源，葡萄糖利用完毕，分解乳糖的酶才被乳糖诱导合成。诱导酶的诱导合成受结构基因、调节基因、操纵基因的控制。即基因表达的调控。废水处理？第二节微生物的遗传\n教学目的要求：掌握:1、微生物变异发生的途径：基因突变和基因重组2、自发突变、诱发突变。第三节微生物的变异\n微生物的变异主要是基因变异造成的，基因变异分为基因突变和基因重组。基因——是指一段编码蛋白质多肽链的DNA。（某些病毒基因为RNA）基因变化源于DNA分子的变化。*微生物变异的发生途径：第三节微生物的变异\n微生物变异的发生途径同一个细胞DNA分子上的变化。不同细胞间DNA的融合。第三节微生物的变异\n一、基因突变基因突变——是由于某种原因引起生物体内的DNA链上碱基的缺失、置换或插入，改变了基因内部原有的碱基排列顺序，引起后代表现型突然发生了可遗传的变化。（一）、基因突变的发生机理与途径1、基因突变的类型自发突变、诱发突变。第三节微生物的变异\n（1）、自发突变*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或微生物体内的生理和生化变化而发生的基因突变。（是指微生物在自然条件而没有人工参与时发生的突变。）自发突变的主要特性：无定向性、自发性、稀有性、可逆性等等。第三节微生物的变异\n（2）、诱发突变*诱发突变──是指人为地利用物理化学因素，引起细胞DNA分子中碱基对发生的变化。物理因素引起基因突变称为物理诱变。物理诱变因素有紫外线、X射线、γ射线、快中子、激光和高温等。化学物质引起基因突变称为化学诱变。例如：在亚硝酸作用下，腺嘌呤氧化脱氨形成烯醇式次黄嘌呤He，互变异构形成酮式次黄嘌呤Hk，从而引起的化学突变。第三节微生物的变异\n图7-25烯醇式次黄嘌呤He互变异构形成酮式次黄嘌呤Hk第三节微生物的变异HK只能与C配对\n其它化学物质的诱变？诱发突变的主要特性：诱发性、突变率高等。微生物诱变的应用？（此时希望产生变异）含酚废水用生活污水处理系统的污泥进行生物处理时的微生物驯化过程。含盐度较高的工业废水用生活污水处理系统的污泥进行生物处理时的微生物驯化过程。生活污水处理系统的污泥中，微生物发生诱发突变，产生突变体，降解废水中酚或处理高盐度工业废水。其它难降解有机物的微生物驯化过程？第三节微生物的变异\n2、基因突变发生的机理与途径基因突变发生的机理与途径分为点突变、染色体畸变两大类。点突变是由于DNA链上的一对或少数几对碱基被另一个或少数几个碱基对取代发生改变的突变类型，包括碱基置换和移码突变。染色体畸变是DNA链上大段发生变化或损伤所引起的突变类型，包括DNA链上的碱基插入、缺失、碱基的重复、碱基的易位、碱基的倒位等。第三节微生物的变异\n碱基片段的变化（一段染色体发生的）图3-15基因突变的类型图7-26第三节微生物的变异\n以增加一个碱基为例说明碱基变化引起的移码突变RNA\n（二）突变类型形态突变型、生化突变型、致死突变型等等。生化突变型中的抗性突变型对环境工程治理有重要意义，如抗某种药物、抗某种有机有毒化合物、抗高盐度等。第三节微生物的变异\n二、基因重组基因重组——两个不同性状的个体细胞，其中一个细胞（供体细胞）的DNA与另一个细胞（受体细胞）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，称为基因重组。重组后的生物体与基因突变一样也表现出新的遗传性状。第三节微生物的变异\n原核微生物或细菌的基因重组只是部分遗传物质的转移和重组，如转化、接合、转导等，其中接合得到了应用。（一）转化转化——是供体细胞研碎物中的DNA片段直接吸收进入活的受体细胞的基因重组方式。受体细胞获得了供体细胞的部分遗传性状。第三节微生物的变异\n图7-27\n（二）接合*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。大肠杆菌F质粒的转移图7-28第三节微生物的变异\n把两种质粒接合到一个细菌内，可获得同时具有降解两种染料的新菌种。见下图。图7-29两种不同的质粒接合到一个细菌中的模式第三节微生物的变异\n（三）转导转导——遗传物质通过噬菌体的携带而转移的基因重组。B菌A菌噬菌体DNA第三节微生物的变异图7-30转导过程示意图\n教学目的要求：掌握:1、超级微生物的概念。第四节遗传工程\n一、基因工程基因工程又叫重组DNA技术。主要是筛选出微生物细胞中能降解某一种污染物的基因，去执行净化相应的污染物。基因工程典型示意图如下图。第四节遗传工程\n第四节遗传工程图7-31\n二、遗传工程在水污染控制及环境工程中的应用应用举例：同时降解氯化芳香化合物和甲基芳香化合物的基因工程菌的构建成功。降解石油烃的基因工程菌的构建成功。用于清除大面积海洋石油污染。降解木质素的基因工程菌的构建成功。用于生物制浆造纸的清洁生产工艺等。超级微生物的构建。第四节遗传工程\n*超级微生物——用人工方法选出的多质粒、多功能的新菌种。（一）降解石油的超级微生物例如降解石油的超级微生物接合第四节遗传工程\n石油是由饱和、不饱和、直链、支链、芳香烃类等化合物组成，不溶于水，成分复杂。美国科学家将能降解脂（含质粒A）且能在海水中存活的铜绿假单胞菌作受体细胞，分别将能降解芳烃的质粒B、萜烃的质粒C和多环芳烃质粒D，用人工接合进入受体细胞，获得了能在海水中存活且降解石油的多质粒“超级细菌”。第四节遗传工程\n4种不同降解质粒接合在同一受体假单胞菌中的模式超级微生物1234第四节遗传工程\n（二）降解染料的质粒降解不同染料的质粒接合。通过接合，同时获得降解两种染料的新菌种等。第四节遗传工程\n教学目的要求：掌握:1、菌种保藏的常用方法。第五节微生物的驯化与保藏\n一、微生物的驯化微生物的驯化过程主要是微生物诱发突变的过程。微生物或活性污泥的驯化过程主要包括：（1）微生物细胞启动诱导酶的合成菌种投入到新的环境以后，微生物细胞启动诱导酶的合成，以使其适应新的环境。（2）随着驯化时间的延长，微生物群落正向突变得以积累部分微生物发生变异产生诱导酶，降解原来不能降解的酚等污染物，微生物群落正向突变得以积累。（3）、最大污染物负荷阈值出现，污泥驯化结束第五节微生物的驯化与保藏\n污泥或微生物驯化时注意的问题：待降解污染物的浓度要缓慢提高。如果浓度提高过快，则有可能全面杀死所用的微生物，造成驯化失败。（浓度提高的幅度要具体做试验确定）第五节微生物的驯化与保藏\n二、微生物的保藏与复壮（一）菌种的保藏菌种的保藏方法有：斜面冰箱保藏法、石蜡油封藏法、冷冻干燥保藏法等等。目前常用的是斜面冰箱保藏法、石蜡油封藏法。第五节微生物的驯化与保藏\n*1、斜面冰箱保藏法将待保藏的菌种接种在斜面固体培养基上，充分生长后，放在约4℃的冰箱中（低温微生物？），根据不同菌种的需要每隔一定时间转接到新鲜培养基上以免死亡。不产芽胞的细菌最好一个月移种一次。酵母菌、霉菌、放线菌及有芽孢的细菌是2~6个月。缺点：保藏时间较短。第五节微生物的驯化与保藏\n*2、石蜡油封藏法在斜面培养基等的顶端，覆盖灭过菌的液体石蜡，并应高于斜面1cm，垂直放在4℃的冰箱中保藏。优点：保藏时间较长，1~2年或更长。缺点：对能分解烃类的微生物或厌氧微生物保藏效果较差第五节微生物的驯化与保藏\n3、其它保藏方法第五节微生物的驯化与保藏\n液氮冷冻保藏菌种方法步骤（1）将菌种用10％的甘油蒸馏水溶液制成菌悬液，装入已灭菌的安瓿管；霉菌菌丝体则可用灭菌打孔器，从平板内切取菌落圆块，放入含有保护剂的安瓿管内，然后用火焰熔封。浸入水中检查有无漏洞。（2）冻结再将已封口的安瓿管以每分钟下降1℃的慢速冻结至-30℃。若细胞急剧冷冻，则在细胞内会形成冰的结晶，因而降低存活率。（3）保藏经冻结至-30℃的安瓿管立即放入液氮冷冻保藏器的小圆筒内，然后再将小圆筒放入液氮保藏器内。液氮保藏器内的气相为-150℃，液态氮内为-196℃。（4）恢复培养保藏的菌种需要用时，将安瓿管取出，立即放入38～40℃的水浴中进行急剧解冻，直到全部融化为止。再打开安瓿管，将内容物移入适宜的培养基上培养。\n液氮冷冻保藏菌种的优缺点优点保藏期长（15年以上），且适合保藏各类微生物，尤其适宜于保存难以用冷冻干燥保藏法保藏的微生物，如支原体、衣原体、不产孢子的真菌、微藻和原生动物等。缺点需要液氮罐等特殊设备，且管理费用高、操作较复杂、发放不便等。\n一、名词解释1、细菌的世代时间2、质粒3、自发突变4、诱发突变二、问答题1、简述采用血球板计数法、平板计数法、光密度法（比浊计数法）、细胞干重测定法、其它生理生化法测定细菌生长的方法。习题\n2、简述细菌间歇培养曲线四个时期的主要特点及形成原因，并说明决定细菌处于各个时期的主要影响因素。3、试述影响缓慢期长短的主要因素。在废水处理时，什么情况下会出现缓慢期？应该延长缓慢期还是缩短缓慢期？4、试述微生物在对数生长期、稳定期和内源呼吸期与废水处理效果的关系。习题\n5、简述蛋白质合成过程三种RNA的功能。6、举例说明细菌的变异在环境工程中的应用。7、菌种有哪些保存方法，各有什么优缺点？三、思考题1、怎样利用细菌的变异来定向进行工业废水的生物处理？或怎样进行活性污泥的驯化工作？习题