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1、 第四章 微生物的生理第一节第一节 微生物的酶微生物的酶第二节第二节 微生物的营养微生物的营养第三节第三节 微生物的产能代谢微生物的产能代谢第四节第四节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢知知识识回回顾顾第五章第五章微生物的生长繁殖微生物的生长繁殖与生存因子与生存因子第五章第五章 微生物的生长繁殖与生存微生物的生长繁殖与生存因子因子l第一节第一节 微生物的生长繁殖微生物的生长繁殖l第二节第二节 微生物的生存因子微生物的生存因子l第三节第三节 不利环境因子对微生物的影响不利环境因子对微生物的影响l第四节第四节 微生物之间的关系微生物之间的关系问题问题1分批培养和连续培养在提供营养条件方面有什么区别
2、？分批培养和连续培养在提供营养条件方面有什么区别？这种区别造成微生物的生长状态的什么不同？这种区别造成微生物的生长状态的什么不同？细菌的生长曲线可分为哪几个时期？细菌的生长曲线可分为哪几个时期？各时期的细菌生长各有什么特点？各时期的细菌生长各有什么特点？问题问题3在废水处理中，我们是如何应用生长曲线的各个不同时期的？在废水处理中，我们是如何应用生长曲线的各个不同时期的？问题问题4抗生素是如何对微生物产生效应的？抗生素是如何对微生物产生效应的？问题问题5微生物与微生物之间的关系包括哪几种？微生物与微生物之间的关系包括哪几种？问题问题6举例说明生物之间的共生关系与互生关系的异同。举例说明生物之间的
3、共生关系与互生关系的异同。第一节第一节 微生物的生长繁殖微生物的生长繁殖一、生长繁殖的概念一、生长繁殖的概念 二、研究微生物生长的方法二、研究微生物生长的方法 三、细菌生长曲线在废水处理中的应用三、细菌生长曲线在废水处理中的应用四、微生物生长量的测定方法四、微生物生长量的测定方法 一、生长繁殖的概念一、生长繁殖的概念 这些毛是啥？这些毛是啥？A植物植物 B细菌细菌C真菌真菌 D病菌病菌剥开还能吃吗？剥开还能吃吗？为什么？为什么？生长？生长？繁殖？繁殖？如何衡量如何衡量微生物生长微生物生长一、生长繁殖的概念一、生长繁殖的概念 生生 长长繁繁 殖殖生物生物个体由小到大个体由小到大的增长，的增长，即
4、表现为细胞组分与结构在量方面的增加即表现为细胞组分与结构在量方面的增加 指生物指生物个体数目的增加个体数目的增加 两者两者什么关系？什么关系？l生长是繁殖的生长是繁殖的基础基础l繁殖则是生长的繁殖则是生长的结果结果发育发育一、生长繁殖的概念一、生长繁殖的概念 群体生长群体生长衡量微生物生长的指标衡量微生物生长的指标个体细胞生长个体细胞生长与与繁殖繁殖交替进行交替进行l多细胞微生物的生长只是细胞数目多细胞微生物的生长只是细胞数目增加，不伴随个体数目增加；增加，不伴随个体数目增加；l如果细胞数目增加，个体数目也增如果细胞数目增加，个体数目也增加，则称为多细胞微生物的繁殖加，则称为多细胞微生物的繁殖
5、 一个微生物细胞一个微生物细胞合适的外界条件，吸收营养物质，进行代谢合适的外界条件，吸收营养物质，进行代谢个体的生长个体的生长原生质的总量原生质的总量(重量、体积、大小重量、体积、大小)就不断增加就不断增加个体的繁殖个体的繁殖如果各细胞组分是按恰当的比例增长时，则达到一定程如果各细胞组分是按恰当的比例增长时，则达到一定程度后就会发生繁殖，引起个体数目的增加度后就会发生繁殖，引起个体数目的增加群体内各个个体的进一步生长群体内各个个体的进一步生长 群体的生长群体的生长微生物生长过程微生物生长过程一、生长繁殖的概念一、生长繁殖的概念 世代时间（世代时间（世代时间（世代时间（GG）细菌两次细胞分裂之间
6、的时间，称为世代时间。细菌两次细胞分裂之间的时间，称为世代时间。指数生长：指数生长：NxN02n式中：式中：Nx、N0为时间为时间tx和和t0时的细胞数，时的细胞数，n为世代数为世代数世代时间会随着环境条件发生改变，世代时间会随着环境条件发生改变，l 在适宜的人工条件下，在适宜的人工条件下，多数细菌的世代时间为多数细菌的世代时间为2030min。l如果按如果按20min繁殖一代计算，繁殖一代计算，10h后，一个细菌后，一个细菌可以繁殖可以繁殖10亿个以上的细菌亿个以上的细菌6.1 微生物的生长繁殖微生物的生长繁殖指数生长：指数生长：NxN02n一、生长繁殖的概念一、生长繁殖的概念 l缩短世代时
7、间，以提缩短世代时间，以提高处理效率。高处理效率。问题问题1：环境工程中需要选取世代环境工程中需要选取世代时间长的、还是短的菌种时间长的、还是短的菌种？l环境工程中需要选取环境工程中需要选取世代时间短的菌种；世代时间短的菌种；问题问题2：为了使所选菌种达到高效为了使所选菌种达到高效的处理效率应缩短还是延的处理效率应缩短还是延长世代时间？长世代时间？二、研究微生物生长的方法二、研究微生物生长的方法个体生长个体生长 个体繁殖个体繁殖 群体生长群体生长群体生长群体生长 个体生长个体生长 个体繁殖个体繁殖除了特定的目的以外，在微生物的研究和应用中，除了特定的目的以外，在微生物的研究和应用中，只有群体的
8、生长才有意义只有群体的生长才有意义。培养方法：培养方法：u 分批培养（分批培养（batch culture）u 连续培养（连续培养（continuous culture）二、研究微生物生长的方法二、研究微生物生长的方法（一）分批培养（一）分批培养 batch culturebatch culture将一定量的微生物接种在一个封闭将一定量的微生物接种在一个封闭的、盛有一定量液体培养基的容器的、盛有一定量液体培养基的容器内，保持一定的温度、内，保持一定的温度、pH和溶解氧和溶解氧量，微生物在其中生长繁殖。量，微生物在其中生长繁殖。一次收获一次收获应用：生理特性研究应用：生理特性研究 生物发酵生物发
9、酵 生物治污。生物治污。静止期静止期 衰衰亡亡期期 细细菌菌数数目目的的对对数数值值 0时间时间t t细菌的数量很大，都是细菌的数量很大，都是10的的n次方次方，取对数作图时方便，取对数作图时方便总菌数总菌数总菌数总菌数活菌数活菌数活菌数活菌数 停停 滞滞 期期对对数数期期0+_典型生长曲线（典型生长曲线（growth curve）定量描述液定量描述液体培养基中体培养基中微生物群体微生物群体生长规律的生长规律的实验曲线实验曲线1、停滞期（迟滞期或适应期）、停滞期（迟滞期或适应期）为什么会出现停滞期？为什么会出现停滞期？细细菌菌 数数 停停滞滞期期目目 的的 对对 数数 值值0时间时间t缺乏分解
10、或催化有关底物的酶或辅酶缺乏分解或催化有关底物的酶或辅酶缺乏充足的中间代谢物缺乏充足的中间代谢物特征：特征：n生长速率为零，不立即进行细胞分生长速率为零，不立即进行细胞分裂、增殖，裂、增殖，数量不变甚至减少数量不变甚至减少n细胞内细胞内RNARNA含量高，原生质呈嗜碱性含量高，原生质呈嗜碱性n代谢活跃，代谢活跃，个体体积、重量增高个体体积、重量增高n细胞形态变大或增长细胞形态变大或增长n对外界不良环境敏感对外界不良环境敏感分批培养分批培养停滞期（迟滞期或适应期）停滞期（迟滞期或适应期）影响停滞期长短的因素：影响停滞期长短的因素：n菌种：菌种：遗传特性遗传特性 繁殖速度较快的菌种的延迟期一般较短
11、；繁殖速度较快的菌种的延迟期一般较短；n接种量：接种量：接种量大，停滞期短。接种量大，停滞期短。n营养：营养：从富集培养基转移到贫乏培养基中也出现停滞期。从富集培养基转移到贫乏培养基中也出现停滞期。（尽量保持尽量保持接种前后所处的培养介质和条件一致接种前后所处的培养介质和条件一致）。）。分批培养分批培养还有还有其他因素吗？其他因素吗？2、对数期、对数期细细菌菌 数数 目目 的的 对对 对对 数数 数数 期期值值0时间时间t 特征：特征：n生长速率常数最大，生长速率常数最大，代时最短代时最短n酶系活跃，代谢旺盛酶系活跃，代谢旺盛n对不良环境的抵抗力强对不良环境的抵抗力强n群体中细胞的化学组分及形
12、群体中细胞的化学组分及形态、生理特性都比较一致态、生理特性都比较一致指数生长：指数生长：NxN02n分批培养分批培养 采用处于采用处于高效菌群对数期高效菌群对数期的菌种、的菌种、增大接种量增大接种量、尽量、尽量保持保持接种前后所处的培养介质和条件一致接种前后所处的培养介质和条件一致等方法来缩短或等方法来缩短或消除停滞期。消除停滞期。分批培养分批培养问题：问题：污水处理过程中应接种什么时期污水处理过程中应接种什么时期的菌种，保证处理效率？的菌种，保证处理效率？停滞期（迟滞期或适应期）停滞期（迟滞期或适应期）影响停滞期长短的因素：影响停滞期长短的因素：n菌种：遗传特性菌种：遗传特性 繁殖速度较快的
13、菌种的延迟期一般较短；繁殖速度较快的菌种的延迟期一般较短；n接种量：接种量大，停滞期短。接种量：接种量大，停滞期短。n营养：从富集培养基转移到贫乏培养基中也出现停滞期。营养：从富集培养基转移到贫乏培养基中也出现停滞期。n接种群体菌龄：接种群体菌龄：接种对数期的细菌，停滞期大大缩短。接种对数期的细菌，停滞期大大缩短。分批培养分批培养为什么不能用为什么不能用静止期和衰亡期静止期和衰亡期的微生物？的微生物？3、静止期、静止期特征：特征：n新生率死亡率新生率死亡率n活菌数达最高，且保持相对稳定活菌数达最高，且保持相对稳定n开始积累贮存物质（开始积累贮存物质（PHBPHB、异染粒、异染粒、糖原、淀粉粒、
14、脂肪粒等）糖原、淀粉粒、脂肪粒等）细细菌菌 数数 目目 的的 静止期静止期对对 数数 值值0 t 时间时间原因：原因：n营养物尤其是生长限制因子营养物尤其是生长限制因子的耗尽的耗尽n营养物比例失调营养物比例失调n有害代谢产物累积有害代谢产物累积npHpH、氧化还原电位等物理化、氧化还原电位等物理化学条件变化学条件变化问题：问题：获得更多的菌体物质或代谢产物获得更多的菌体物质或代谢产物采取措施？采取措施？（即怎么突破静止期？）（即怎么突破静止期？）补充营养物质或取走代谢补充营养物质或取走代谢产物或改善培养条件，如产物或改善培养条件，如对好氧菌进行通气、搅拌对好氧菌进行通气、搅拌或振荡等。或振荡等
15、。4、衰亡期、衰亡期特征：特征：n新生率新生率死亡率死亡率n活菌数减少活菌数减少n细胞出现多形态、畸形细胞出现多形态、畸形或衰退型或衰退型原因：原因：n内源呼吸，即自溶内源呼吸，即自溶n有毒代谢产物大量积累有毒代谢产物大量积累细细菌菌 数数 目目 的的 衰亡期衰亡期对对 数数 值值0 t 时间时间什么时期菌体代谢产物最多？什么时期菌体代谢产物最多？什么时期细菌细胞代谢活性最强？什么时期细菌细胞代谢活性最强？什么时候细菌细胞总数最多？什么时候细菌细胞总数最多？什么时期细菌细胞生长速度最快？什么时期细菌细胞生长速度最快？什么时期世代时间短而稳定？什么时期世代时间短而稳定？对数生长期对数生长期静止期
16、（最高生长量）静止期（最高生长量）静止期（最高生长量）静止期（最高生长量）对数生长期对数生长期对数生长期对数生长期小小 结结典型生长曲线（典型生长曲线（growth curve）二、研究微生物生长的方法二、研究微生物生长的方法（二）连续培养（二）连续培养 continous culture 连续培养是在微生物的整个培养期连续培养是在微生物的整个培养期间，通过一定的方式使微生物能以间，通过一定的方式使微生物能以恒定的比生长速率恒定的比生长速率生长并能持续生生长并能持续生长下去的一种培养方法。长下去的一种培养方法。多次收获多次收获连续发酵的优点连续发酵的优点优点：优点：缩短发酵周期，提高设备利用率
17、；缩短发酵周期，提高设备利用率；便于自动控制；便于自动控制；降低动力消耗及体力劳动强度；降低动力消耗及体力劳动强度；产品质量较稳定。产品质量较稳定。缺点：缺点：杂菌污染和菌种退化杂菌污染和菌种退化连续培养类型连续培养类型恒浊连续培养恒浊连续培养恒化连续培养恒化连续培养保持细菌培养液保持细菌培养液浊度浊度保持细菌培养液保持细菌培养液营养物质浓度营养物质浓度光电池光电池光源光源流速控制阀流速控制阀出出出出水水水水反反反反馈馈馈馈控控控控制制制制u 恒浊恒浊 培养基浊度培养基浊度恒定（实质是细菌数量恒定（实质是细菌数量恒定恒定-不断调节流速使培养液浊度保不断调节流速使培养液浊度保持恒定持恒定。u 发
18、酵生产较多（发酵生产较多（收获收获大量菌体和代谢产物大量菌体和代谢产物）u生物治污很少应用生物治污很少应用恒浊连续培养恒浊连续培养u 恒化恒化 维持进水中的营养维持进水中的营养成分恒定成分恒定-恒定流速，及时补充营养，营养物浓恒定流速，及时补充营养，营养物浓恒定流速，及时补充营养，营养物浓恒定流速，及时补充营养，营养物浓度基本恒定，从而保持恒定生长速率。度基本恒定，从而保持恒定生长速率。度基本恒定，从而保持恒定生长速率。度基本恒定，从而保持恒定生长速率。又称恒组成连续培养。培养基成分中，又称恒组成连续培养。培养基成分中，又称恒组成连续培养。培养基成分中，又称恒组成连续培养。培养基成分中，必须将
19、某种必需的营养物控制在较低的必须将某种必需的营养物控制在较低的必须将某种必需的营养物控制在较低的必须将某种必需的营养物控制在较低的浓度，以作为限制性因子，而其它营养浓度，以作为限制性因子，而其它营养浓度，以作为限制性因子，而其它营养浓度，以作为限制性因子，而其它营养物过量。常用的有氨、氨基酸、葡萄糖、物过量。常用的有氨、氨基酸、葡萄糖、物过量。常用的有氨、氨基酸、葡萄糖、物过量。常用的有氨、氨基酸、葡萄糖、生长因子、无机盐等。生长因子、无机盐等。生长因子、无机盐等。生长因子、无机盐等。u 应用：环境工程、生物工程、应用：环境工程、生物工程、实验室研究（细菌生理特性研究、实验室研究（细菌生理特性
20、研究、细菌的快速筛选研究等）细菌的快速筛选研究等）流速控制阀流速控制阀出出出出水水水水恒化连续培养恒化连续培养不同点：不同点：分批培养：经历四个时期分批培养：经历四个时期 连续培养：理论上，对数生长期连续培养：理论上，对数生长期分批培养与连续培养特征的比较分批培养与连续培养特征的比较恒化连续培养恒化连续培养目前目前,污水连续生物处理法均类似于污水连续生物处理法均类似于恒化连续培养恒化连续培养。（流速不完全恒定）。（流速不完全恒定）除了除了SBRSBR法外，其余的污废水生物处理一般均采用恒化连续培养。法外，其余的污废水生物处理一般均采用恒化连续培养。恒浊连续培养与恒化连续培养恒浊连续培养与恒化连
21、续培养区别区别三、细菌生长曲线在废水处理中的应用三、细菌生长曲线在废水处理中的应用问题问题1：常规活性污泥法选用静止常规活性污泥法选用静止期的微生物，为什么？期的微生物，为什么？问题问题2：延时曝气法选用衰亡期的延时曝气法选用衰亡期的微生物，为什么？微生物，为什么？对数期的行不行对数期的行不行？三、细菌生长曲线在废水处理中的应用三、细菌生长曲线在废水处理中的应用问题问题1：常规活性污泥法选用静止常规活性污泥法选用静止期的微生物，为什么？期的微生物，为什么？原因一：原因一：优势：优势：对数期微生物：生长繁殖快，代谢活力强，对数期微生物：生长繁殖快，代谢活力强，能大量去除废水中的有机物，相应的，要
22、求进水能大量去除废水中的有机物，相应的，要求进水有机物浓度高。有机物浓度高。缺点：缺点：进水有机物浓度高，出水有机物浓度也相进水有机物浓度高，出水有机物浓度也相应提高，且这时期微生物应提高，且这时期微生物不易自行凝聚成菌胶团，不易自行凝聚成菌胶团，沉淀性能差沉淀性能差，导致出水水质差。，导致出水水质差。原因二：原因二：静止期微生物代谢活力比对数静止期微生物代谢活力比对数期差，但仍有相当的代谢活力，期差，但仍有相当的代谢活力，且且生物吸附能力强，泥水分离生物吸附能力强，泥水分离效果好效果好，出水水质好。，出水水质好。进水进水对数期对数期衰老期衰老期平平推推流流式式活活性性污污泥泥法法稳定期稳定期
23、占优势占优势三、细菌生长曲线在废水处理中的应用三、细菌生长曲线在废水处理中的应用问题问题2：延时曝气法选用衰亡期的延时曝气法选用衰亡期的微生物，为什么？微生物，为什么？l由于由于低浓度有机物满足不了静止期微生物的低浓度有机物满足不了静止期微生物的营养要求营养要求，处理效果不好。，处理效果不好。l若采用延时曝气法，若采用延时曝气法，延长水力停留时间延长水力停留时间，适，适当增加进水量，提高有机负荷，满足微生物当增加进水量，提高有机负荷，满足微生物的营养要求，从而取得较好的处理效果。的营养要求，从而取得较好的处理效果。连续生物处理中的细菌状态表连续生物处理中的细菌状态表细菌细菌生长阶段生长阶段应用
24、举例应用举例特点特点连续化稳定操作中没有这一阶段连续化稳定操作中没有这一阶段生长繁殖快，代谢活力强，能大量生长繁殖快，代谢活力强，能大量去除废水中有机物。去除废水中有机物。（缺点是细菌缺点是细菌表面的粘液层和荚膜尚未形成，运表面的粘液层和荚膜尚未形成，运动很活跃，动很活跃，不易自行凝聚成菌胶不易自行凝聚成菌胶团，沉淀性能差，致使出水水质有团，沉淀性能差，致使出水水质有机物浓度相对较高机物浓度相对较高）虽然比对数生长期的差，但仍有相虽然比对数生长期的差，但仍有相当的代谢活力，细菌体内积累了大当的代谢活力，细菌体内积累了大量贮存物，如异染粒、聚量贮存物，如异染粒、聚羟基羟基丁酸等，体表的粘液层和荚
25、膜强化丁酸等，体表的粘液层和荚膜强化了细菌的生物吸附能力，了细菌的生物吸附能力，自我絮自我絮凝、聚合能力强，在二沉池中泥水凝、聚合能力强，在二沉池中泥水分离效果好，出水水质好。分离效果好，出水水质好。营养物浓度过低，难以满足其他阶营养物浓度过低，难以满足其他阶段细菌的生长需要段细菌的生长需要无无高负荷高负荷活性污泥法活性污泥法(大部分区域大部分区域)生物膜法生物膜法常规活性污泥法常规活性污泥法 (大部分区域大部分区域)低浓度污水延时低浓度污水延时曝气法曝气法污泥的厌氧消化污泥的厌氧消化迟缓期迟缓期对数对数生长期生长期稳定期稳定期衰老期衰老期总结：总结：常规活性污泥法：利用静止期；常规活性污泥法
26、：利用静止期；常规活性污泥法：利用静止期；常规活性污泥法：利用静止期；生物吸附法：静止期；生物吸附法：静止期；生物吸附法：静止期；生物吸附法：静止期；高负荷活性污泥法：对数期和高负荷活性污泥法：对数期和高负荷活性污泥法：对数期和高负荷活性污泥法：对数期和静止期静止期静止期静止期；延时曝气法延时曝气法延时曝气法延时曝气法(氧化沟氧化沟氧化沟氧化沟)：衰亡期。：衰亡期。：衰亡期。：衰亡期。四、微生物生长量的测定方法四、微生物生长量的测定方法 评价不同的抗菌物质对微生物产生抑制评价不同的抗菌物质对微生物产生抑制(或杀死或杀死)作用的效果；作用的效果；客观地反映微生物生长的规律。客观地反映微生物生长的
27、规律。评价培养条件、营养物质等对微生物生评价培养条件、营养物质等对微生物生长的影响；长的影响；微微生生物物生生长长微生物生长量微生物生长量微生物生长量微生物生长量的测定的测定的测定的测定数量数量的测定的测定显微镜直接计数法显微镜直接计数法稀释平板计数法稀释平板计数法比浊法比浊法最大概率法最大概率法称重法（如称重法（如MLSS）含含N量测定法量测定法DNA含量测定法含量测定法ATP含量测定法含量测定法代谢活性法代谢活性法重量重量的测定的测定1.1.个体计数法个体计数法a.a.直接法直接法利用血球利用血球计数板或计数板或计数框，计数框，在显微镜在显微镜下计算一下计算一定容积里定容积里样品中微样品中
28、微生物的数生物的数量。量。缺点：缺点：不能区分死菌与活菌；不能区分死菌与活菌；不适于对运动细菌的计数；不适于对运动细菌的计数；需要相对高的细菌浓度；需要相对高的细菌浓度；个体小的细菌在显微镜下难以观察；个体小的细菌在显微镜下难以观察；10-310-510-410-6b.b.间接法间接法 稀释平板计数法稀释平板计数法原原 理：理：每个活细菌在适宜的培养基和良好的生长条件下可每个活细菌在适宜的培养基和良好的生长条件下可以通过生长形成菌落。以通过生长形成菌落。优优 点：点：传统计数方法，对设备要求不高。传统计数方法，对设备要求不高。2.2.重量法重量法b.b.含氮量测定法：含氮量测定法：通过样品中蛋
29、白质、核酸含量的测定间接通过样品中蛋白质、核酸含量的测定间接推算微生物群体的生物量。推算微生物群体的生物量。原原 理：（理：（1 1）微生物蛋白质含量稳定）微生物蛋白质含量稳定 （2 2）氮是蛋白质的稳定成分）氮是蛋白质的稳定成分 (蛋白质量蛋白质量=6.25=6.25总含总含N N量量)优优 点：测定准确。点：测定准确。测定多细胞及丝状真菌生长情况的有效方法。测定多细胞及丝状真菌生长情况的有效方法。a.a.用离心或过滤的方法将菌体从培养基中分离、用离心或过滤的方法将菌体从培养基中分离、洗净，称湿重或干重。洗净，称湿重或干重。优优 点：简单可靠。点：简单可靠。3.生理指标测定法生理指标测定法样
30、品中微生物数量多或生长旺盛，这些指标愈明显，因样品中微生物数量多或生长旺盛，这些指标愈明显，因此可以借助特定的仪器如瓦勃氏此可以借助特定的仪器如瓦勃氏呼吸仪、微量量热计呼吸仪、微量量热计等等设备来测定相应的指标。设备来测定相应的指标。常用于对微生物的常用于对微生物的快速鉴定与检测。快速鉴定与检测。微生物的生理指标，如微生物的生理指标，如呼吸强度，耗氧量、酶活性、呼吸强度，耗氧量、酶活性、生物热生物热等与其群体的规模成正相关。等与其群体的规模成正相关。第一节第一节 微生物的生长繁殖微生物的生长繁殖一、生长繁殖的概念一、生长繁殖的概念 二、研究微生物生长的方法二、研究微生物生长的方法 三、细菌生长曲线在废水处理中的应用三、细菌生长曲线在废水处理中的应用四、微生物生长量的测定方法四、微生物生长量的测定方法