水处理微生物课件第六章 70页

第六章细菌的生理特性第一节细菌的营养第二节酶及其作用第三节细菌的呼吸第四节其它环境因素对细菌生长的影响\n第一节细菌的营养新陈代谢同化作用——从外界环境摄取营养物质，生长繁殖异化作用——产生代谢产物排泄到外界环境\n一细菌细胞的化学组成及所需的营养物质细胞重量（湿重）水75~90%干物质10~25%无机盐10%有机物90%碳水化合物蛋白质脂肪DNARNA等组成微生物细胞（一）化学组成\n（二）营养物质可被细菌吸收利用的物质。1碳源2氮源3矿质元素4生长因素5水分\n碳源有机碳源糖类蛋白质脂肪有机酸无机碳源CO2CO3=多数微生物最好的碳源：葡萄糖、果糖、麦芽糖、淀粉生产中常见的碳源：玉米粉、麸皮、米糠、酒糟。废水处理：诺卡氏菌降解含氰的废水。（提供细胞碳素来源的物质）\n2氮源提供细菌细胞氮素来源的物质。有机氮源蛋白质蛋白胨氨基酸无机氮源NH4ClNH4NO3实验室常用氮源：牛肉膏、蛋白胨生产上常用氮源：尿素、玉米浆、饼粕。3矿质元素构成细菌细胞的各种组分大量元素：C、H、O、N、P、S微量元素：Mn、Co、Cu、Zn、Mo\n4生长因素概念：某些细菌在生长过程中不能自身合成，同时又是生长必需的有机物质。？有三类氨基酸类嘌呤、嘧啶类维生素类实验室常用：酵母膏、蛋白胨作为综合生长素硫辛酸、VC、VK是重要的生长因子。5水营养物质的溶剂，而后被吸收。生物化学反应的场所。作用？\n细菌往往优先利用易被吸收的有机物质。如果这种物质的量已经满足要求，它就不再利用其它的物质了。在工业废水的生物处理中，常加入生活污水补充工业废水中某些营养物质的不足。加多少酌情而定，否则不利于工业废水的处理。因为生活污水中的有机物比工业废水中的有机物易被吸收利用。微生物利用废水营养的情况\n二细菌的营养类型根据细菌所需碳源和能源的不同，营养类型分四类：自养型光能无机营养型化能无机营养型异养型光能有机营养型化能有机营养型\n1光能无机营养型(Photolithotroph)又叫自养微生物。又称光能自养型微生物。藻类、蓝细菌、光合细菌（紫硫细菌、绿硫细菌）碳源——以CO2为惟一碳源能源——光转变为ATP如：蓝细菌、藻类CO2+H2O[CH2O]+O2↑光能叶绿素如何将无机物还原为有机物的？\n2化能无机营养型（chemolithotroph)又叫自养微生物。又称化能自养型微生物。氢细菌、硫化细菌、铁细菌、硝化细菌。分布在土壤、水域中，在自然界物质转化中作用重大。碳源——以CO2为惟一碳源。能源——无机物氧化产生能量。产能有限，生长迟缓。硝化细菌2NH3+2O2CO2+4H+2HNO2+4H++ATP[CH2O]+H2O\n3光能有机营养型（photorganotroph)又叫异养微生物。又称光能异养型微生物。碳源——有机物作供氢体和碳源，要有CO2存在。能源——光该类菌能利用低分子有机物迅速增殖，利用此菌净化高浓度的有机废水。如果和活性污泥法合用，净化效率高。在废水处理中有重要的作用。\nCO2＋2CH3CH3CHOH[CH2O]+2CH3COCH3+H2O光能光合色素红螺菌红螺菌在湖泊、池塘、淤泥中含有，在缺氧时能利用有机酸、醇等有机物。同时该菌含有蛋白质65%，和大量的氨基酸、抗生素。常用工业废水和农业废弃物生产该菌，既保护了环境消除污染，又生产了单细胞蛋白变废为宝。\n4化能有机营养型(chemoorganotroph)又叫异养微生物。又称化能异养型微生物。绝大多数细菌、放线菌和全部真菌、病毒。如大肠杆菌，枯草杆菌，链霉菌，根霉，曲霉。碳源——有机物能源——有机物氧化获得。\n三培养基（实验课）在实验中，我们常利用培养基来培养各种细菌进行科学研究。1概念：人工配制的适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质2培养基的配制原则△根据不同需要配制不同的培养基细菌：牛肉膏蛋白胨培养基真菌：马铃薯糖培养基放线菌：高氏一号培养基\n△调节不同pH值△物美价廉△各营养物质的浓度及配比。牛肉膏蛋白胨培养基牛肉膏3g蛋白胨10gNaCl5g琼脂18-20g水1000mlpH7.0-7.2马铃薯糖培养基马铃薯200g葡萄糖或蔗糖20g琼脂18-20g水1000mlpH自然\n3培养基的分类(1)根据物理状态分类液体培养基：不加凝固剂。水处理中的废水。液体发酵。半固体培养基：液体培养基中加入0.5-1%的凝固剂观察细菌的运动状态。固体培养基：液体培养基中加入2%左右的凝固剂。分离、鉴定、计数、菌种保藏。凝固剂：琼脂（★）、明胶、硅胶▼成分为多缩半乳糖▼绝大多数微生物不能利用▼融化温度96℃，凝固温度45℃▼对微生物无毒性琼脂的特性\n（2）根据化学组成分类▲天然培养基：动、植物、细菌或它们的提取液。如酸奶、饮料酒、腐乳、酱类的发酵生产特点——化学组分不知道，营养丰富，配制容易。▲合成培养基：完全以化学药品配制而成。如KH2PO4、NaCl特点——组分确定▲半合成培养基：天然成分和化学药品都有。分析牛肉膏蛋白胨培养基马铃薯糖培养基属于哪种培养基？？\n（3）根据用途分类◆鉴别培养基：根据物理化学因素的反应特性设计的可籍助肉眼直接判断细菌的培养基。◆选择培养基：按照某种细菌特殊营养要求专门设计。分离的细菌由劣势种变为优势种。◆加富培养基：根据营养要求人为地强化投加多种营养物质。分析伊红美蓝培养基远藤氏培养基属于哪种培养基？？\n第二节酶及其作用一酶及其命名和分类二酶的作用特性三酶促反应的影响因素及动力学\n一酶及其命名和分类1酶的概念：生物催化剂。细胞中自己制成，基本成分是蛋白质。2酶的命名和分类胞内酶胞外酶存在部位组成酶诱导酶存在方式单成分酶双成分酶组成成分催化的反应类型水解酶、氧化还原酶、转移酶、合成酶、裂解酶等\n组成酶：与基质存在与否无关。在体内有相当的数量。诱导酶：受到各种持续的物理化学因素影响，在体内产生的适应新环境的酶。诱导酶的产生在废水生物处理中有重要意义。可以通过环境的诱导产生能处理相应物质的细菌等微生物（驯化）。胞内酶：在细胞内部起作用，催化细胞的合成和呼吸。胞外酶：能透过细胞，作用于细胞外的物质（大分子）细菌无摄食器官，遇到的是简单的溶解物质，通过胞内酶的作用；若遇到的是复杂的固体物质，利用胞外酶将吸附在细胞周围的大分子物质水解为简单的小分子物质。\n二酶的作用特性1酶的作用特点具有蛋白质的各种特性分子量大、两性化合物、不耐高温、易被毒物破坏量少，催化效率高专一性强温和。常温、常压、接近中性就可以起作用酶活力的可调性。离体酶具活性。\n2酶的活性酶活性即是酶活力。指催化一定化学反应的能力。反应速度越快，酶活性越高。如何确定酶活性的大小？酶活性单位习惯酶活性单位比酶活性国际酶学会议1961条规定：1酶活性单位是指在25℃最适pH及底物浓度等条件下，在1min内转化1μmol底物的酶量比酶活性是指单位重量酶蛋白所具有的酶活性单位数。在水处理中，常采用比酶活性★来判断不同来源污泥的活性大小\n三酶促反应的影响因素及动力学酶促反应与酶活力有关。影响酶促反应（酶活力）的因素有：1温度2pH值3基质浓度4酶的总浓度E05毒物或抑制剂\n1温度★要求：保证酶最适宜的温度条件。每种酶都有自己的最适温度。最适反应温度：能形成最大反应速度的温度.微生物体内30～60℃1β-半乳糖苷酶2酰化氨基酸水解酶3葡萄糖异构酶\n废水生物处理中的污泥消化法和生物滤池法在设计时都考虑了温度的因素。活性污泥曝气池运行时影响因素复杂，要综观考虑。\n2pH值★大多数酶pH6~7废水生物处理保持pH6~9（利用的是土壤微生物混合群）为什么pH值影响酶活力？？酶蛋白是两性电解质。酶活性在特定的电荷状态下发挥。酸性系统，越倾向于酸，正电荷越多。碱性系统，越倾向于碱，负电荷越多。酸碱都会降低酶活甚至失活最适PH值：能保持最大酶活性的PH值约在6～9中性居多。\n3基质浓度[S]★υ：反应速度V最大:最大反应速度Km:米氏常数S：基质浓度米－门公式：υ=V最大SKm+S[S]浓度对反应速度的影响是酶促反应动力学的重要内容。[S]浓度如何影响酶促反应？？\n米－门公式：υ=V最大SKm+S（1）当Km=S时，υ=，当基质浓度等于米氏常数时，酶促反应速度为最大反应速度的一半。（2）当S《Km时，υ=，υ与S成正比，反应速度随S增大而增大。一级反应。（3）当S》Km时，υ=V最大，随基质浓度的增大，反应速度不变，为最大反应速度。零级反应V最大2V最大SKm\n米门公式图示在一定范围内反应速度随基质浓度的提高而加快，但当基质浓度很大时，反应速度就与基质浓度无关了。\n4酶的总浓度E0υ=K3[E0][S]Km+[S]V=K3[E0]酶的总浓度[E0]影响米-门方程中υ和V的大小。在水处理中为了加快反应速度，往往需要培养尽可能多的细菌用以提高酶的总浓度。从而增加反应器的处理能力和速率。\n5毒物或抑制剂（1）可逆的化学结构与基质相似，争先与酶结合，减少了酶与正式基质结合的机会。（2）不可逆的与蛋白质化合形成不溶性盐类沉淀，破坏酶的作用。如重金属盐类Fe3+、Hg2+、Ag+与带负电的酶蛋白结合沉淀。\n微生物产生的酶的作用极端微生物产生的具特殊功能的酶可用于洗衣粉等日用品的生产中；用于生物试剂生产（Taq酶）。用于三废治理方面，脂肪酶净化生活污水，多酚氧化酶检出酚并可除去酚。注意：将微生物和酶两者相区别。微生物的酶是微生物机体合成的。\n有关微生物酶的几个概念：酶制剂：从微生物体中分离出来制成的水溶性酶。固相酶：水溶性酶经过理、化处理与载体结合形成。稳定性增加，可反复使用多次，寿命长。固定化微生物细胞：把微生物细胞直接固定在载体上，免去酶分离提纯的工艺，提高酶的收率。\n第三节细菌的呼吸一呼吸作用的本质二细菌的呼吸类型三细菌与氧气的关系四细菌的呼吸类型在废水生物处理中的应用\n一呼吸作用的本质高等生物的呼吸作用：需氧气呼吸细菌的呼吸作用：需氧气呼吸；不需氧气呼吸？1呼吸作用的本质生物的氧化和还原的统一过程。即，在生物氧化中，呼吸基质脱下的氢和电子经载体传递，最终交给受体的生物学过程。2发生哪些生物学现象呢？（酶的催化）复杂的有机物变成简单的物质CO2、H2O等。发生能量的转换（合成物质、维持生命活动）产生中间产物（继续分解、作为原料合成机体物质。吸收、同化各种营养。\n二细菌的呼吸类型1好氧呼吸respiration（1）最终电子受体：游离的氧气（O2）脱下氢和电子——氧化接受氢和电子——还原最终接受电子的物质是谁？？根据是否是氧气来分类（2）反应模式基质－H2基质（葡萄糖）－2e-－2H+脱氢酶脱氢酶－2H传递体－2H传递体－2e—2H+－2e—2H++2e+2H+O2H2O等氧化酶\n（4）举例自养微生物硫磺细菌氧化H2S（无机物）：H2S+2O2H2SO4+ATP异养微生物大肠杆菌氧化葡萄糖（有机物）：C6H12O6+6O26CO2+6H2O+ATP在好氧呼吸过程中，基质被氧化较彻底，获得的ATP多，最终产物积累少。活性污泥法处理有机废水，即采用好氧呼吸。\n2厌氧呼吸（anaerobicrespiration)最终电子受体：除氧气以外的物质？无机物（NO3-、NO2-、SO4=、CO2=）有机物（小分子）（1）分子内无氧呼吸类型（又称发酵）最终电子受体：小分子有机物常见的发酵有乙醇发酵乳酸发酵\n乙醇发酵（生产酒精）葡萄糖3－磷酸甘油醛1，3－二磷酸甘油酸2NAD2NADH2丙酮酸脱羧酶乙醛乙醇ATPCO2底物：葡萄糖最终电子受体：乙醛（代谢的中间产物）产能量少（2个ATP)，大部分储存在乙醇中。\n（2）分子外无氧呼吸类型(无氧呼吸）最终电子受体：无机物（NO3-、NO2-、SO4=、CO2=）基质－H2基质（葡萄糖）－2e-－2H+脱氢酶脱氢酶－2H传递体－2H传递体－2e－2e+2eNO3-NO2-+H2O特殊氧化酶\n三细菌与氧气的关系（微生物与氧气的关系）1需氧（好气）菌2厌氧（嫌气）菌3兼性厌氧菌\n1好氧菌呼吸类型－有氧呼吸，生活时需要氧气培养方式－固体表面，液体浅层，通气，振荡。如－多数细菌（枯草杆菌等）、真菌、藻类。有机物CO2+H2O好氧分解\n2厌氧菌呼吸类型－无氧呼吸和发酵，在无氧气的环境生长培养方式－抽真空；在N2、H2条件下。如：乳酸杆菌，梭状芽孢杆菌，产甲烷杆菌为生么有氧气不能生活？？原因：有氧存在，代谢产生H2O2和O2-,H2O2有毒，该类微生物没有分解H2O2的氧化酶\n3兼性厌氧菌培养方式－具体实验要求而定。如：肠道细菌（大肠杆菌），人及很多动物的病原菌。呼吸类型水中DO＞0.2-0.3mg/L，发酵、无氧呼吸水中DO＜0.2-0.3mg/L，有氧呼吸\n四细菌的呼吸类型在废水生物处理中的应用活性污泥法和生物滤池利用好氧微生物或兼性微生物进行好氧呼吸，分解物质彻底。产物是没有异味的物质，不破坏正常环境。供应氧气，设备复杂。厌氧消化法利用厌氧微生物和兼性微生物的厌氧呼吸对有机污泥和高浓度有机废水进行发酵。分解物质不彻底，产物有臭味。没有氧气，需要时间长，设备简单。\n第四节其它环境因素对细菌（微生物）生长的影响专业术语灭菌：消毒防腐无菌操作无菌应用及研究彻底杀灭—灭菌(杀菌、溶菌)部分杀灭—消毒抑制霉腐微生物—防腐抑制宿主体内的病菌—化疗杀灭抑制\n第四节其它环境因素对细菌（微生物）生长的影响专业术语灭菌：消毒防腐无菌操作无菌应用及研究彻底杀灭—灭菌(杀菌、溶菌)部分杀灭—消毒抑制霉腐微生物—防腐抑制宿主体内的病菌—化疗杀灭抑制\n本节主要内容一温度二氢离子浓度三氧化还原电位四水分五渗透压六光线七化学药剂\n一温度所有的微生物生长有三种基本温度最低生长温度最适生长温度最高生长温度下限上限最适温温度一定时间内的生长量\n是否所有的微生物的生活温度都一样呢？？不（一）根据最适生长温度分类细菌（微生物）1低温型微生物psychrophiles（嗜冷微生物）2中温型微生物mesophiles（嗜温微生物）3高温型微生物thermophiles（嗜热微生物）\n1低温型微生物psychrophiles（-5℃~+30℃）雪藻专性：环境温度不超过20℃。两极地区极端嗜冷微生物。兼性：河流、湖泊，适温10～20℃。\n2中温型微生物mesophiles（5℃-50℃）最适温范围25～30℃。分布：土壤、植物、温血动物及人体中的微生物大部分属于该类型。大肠杆菌、伤寒杆菌、痢疾杆菌等\n3高温型微生物thermophiles（25℃～80℃）热泉中的细菌污泥消化的高温厌氧处理利用该类菌最适温度50℃～60℃。极端嗜热微生物最适温度70～90℃（温泉、火山喷口）分布：堆肥、沼气、发酵池。\n（二）高温灭菌、低温抑菌高温灭菌干热灭菌湿热灭菌火焰灭菌★烘箱内干燥热空气灭菌★巴斯德消毒法间歇灭菌法高压蒸汽灭菌法★★高温灭菌：高温蛋白质凝固变性，酶失活。\n1干热灭菌(dryheatsterilization)2）干燥热空气箱灭菌用法：160-170℃,2小时（利用热空气灭菌)特点：由于空气传热穿透力差，菌体在脱水状态下不易杀死。所以温度高、时间长。适用：玻璃器皿、金属器械等耐高温的固体物。1）火焰灭菌：常用酒精灯、接种环特点：彻底、迅速。\n2湿热灭菌(moistheatsterilization)（主讲高压蒸汽灭菌法）利用水的沸点随水蒸气压力的增加而上升，以达到高温灭菌目的的方法。a方法：一般121℃（1kg/cm2或15磅/英寸2）20-30min。b适用：耐高温物品如培养基，无菌水，培养皿。c注意事项：灭菌开始排净冷空气；灭菌终了，缓慢降压回零；灭菌结束，趁热取出物品。\n★湿热灭菌较干热灭菌效果好1)特点：温度低、时间短、灭菌效果好。2)灭菌效果好的原因：菌体内含水量越高凝固温度越低。蒸汽冷凝会放出潜热。饱和水蒸汽穿透力强。湿热易破坏细胞内蛋白质大分子的稳定性，主要破坏氢键结构。\n低温抑菌低温可延缓微生物的生理活动(故采用低温保藏微生物)。◆.酶在低温下仍起作用◆.微生物质膜中不饱和脂肪酸含量高(低温下仍保持半流体状态)低温下微生物为什么能生存？？注：温度的调整对工业废水生物处理意义重大。\n二氢离子浓度（pH值）1、细菌：pH7.0-7.62、酵母、霉菌:pH5-63、放线菌:pH7.6-8微生物生活的PH在4.0～9.0之间微生物在酸性太强或碱性太强的环境里，一般不能生活。工业废水的pH值过高或过低应该加以中和，作适当调整。1配制培养基时调节好PH，适于培养的微生物需要。2培养基中的蛋白胨、氨基酸有一定的缓冲能力。3加入缓冲物质——磷酸盐、碳酸盐等？\n三氧化还原电位（Eh值）V氧化还原电位与氧气多少有关。成正比。氧气含量高，Eh值高；氧气含量低，Eh值低。好氧微生物＊大于0.1V生长。＊0.3～0.4V最适宜厌氧微生物＊低于0.1V生长兼性厌氧微生物＊大于0.1V好氧生活＊小于0.1V厌氧生活\nEh值在废水处理中的作用1氧化还原电位用来探测有毒物质和工业废水是否存在2观察生物处理构筑物的工作情况（充氧是否正常）活性污泥法系统：Eh值+200~+600mv之间。污泥消化法系统：Eh值-100~-200mv之间。\n四水分微生物细胞含有大量水分。生活在水分大的环境中。过于干燥，细菌不能生长。但细菌的芽孢和微生物的孢子耐干燥能力强，在干燥环境中可以保存几十年。用干燥保存食品，防止物品腐败。烘干、晒干、薰干。\n五渗透压细菌的细胞膜是半透性。细菌体外水溶液的渗透压=细胞内的渗透压正常生活。生活在高渗压液中，失水、质壁分离生活在低渗压液中，吸水膨胀。用盐腌或蜜饯保存食品。\n六光线日光中的紫外线杀菌。CATCGAAATTTTTTAAAGGGGGCCCCGC1杀菌波长范围：¤240～300nm。最强作用波长265～266nm。2杀菌原理：¤（1）作用于相邻的胸腺嘧啶（T），形成二聚体引起DNA结构变形，阻碍正常的碱基配对，从而造成菌的变异或死亡.（光复活酶可修复，避光操作）¤（2）有氧时，使氧变为新生态氧－[O]杀菌。3应用：¤表面消毒或空气灭菌、浅层水的灭菌。¤育种的诱变剂¤不能穿透玻璃。\n七化学药剂1强氧化剂氧化细菌的细胞物质，正常代谢受阻，死亡。▲0.1%KMnO4，公共茶具、水果▲0.5~1%的漂白粉、液氯，饮水、游泳池水的消毒。▲1份生石灰+4至8份水制成石灰乳，粪便和排泄物消毒。\n2有机物石炭酸（苯酚）:0.1%，抑菌1%，20min杀死菌3~5%，几分钟杀死菌来苏尔：3~6%，消毒器械2%，洗手酒精：60~75%，杀菌力最强纯酒精无杀菌力。纯酒精会使细胞表面很快脱水至硬化，阻止酒精分子继续渗入细胞。\n3染料碱性染料比酸性染料杀菌力强。1%龙胆紫液用于皮肤消毒。\n复习思考题1细菌有哪几种营养类型？它们的碳源和能源分别是什么？2细菌有哪几种呼吸类型？它们的最终电子受体分别是什么？3微生物的呼吸类型在废水生物处理中如何应用？4对米-门公式加以说明。5影响酶促反应的因素有哪些？6环境因素如何影响细菌的生长（综合分析）？7紫外线杀菌的机理和适用范围是什么？8灭菌、消毒、抑菌、无菌操作的概念。