1、第六章 微生物的生長(zhǎng)繁殖和生存因子,各類細(xì)菌都是傾向于群居（物以類聚）,提問：弱勢(shì)生物的群居優(yōu)勢(shì)是什么？ 生存狀況提高，攻防具佳 （攻）群居的細(xì)菌獲得營(yíng)養(yǎng)的能力大大高于游離的細(xì)菌， （防）群居的細(xì)菌不易被天敵傷害，還能釋放類似外激素的調(diào)節(jié)因子，使群體主動(dòng)適應(yīng)環(huán)境的變化，可有性生殖； 團(tuán)結(jié)就是力量,外界因素引起的細(xì)菌數(shù)量的增加、停滯、衰減等變化。 提問：如何研究呢？ 測(cè)菌數(shù)量變化與外因的關(guān)系,細(xì)菌群體力量改變環(huán)境 通常都是將細(xì)菌群體作為研究對(duì)象，考察細(xì)菌群體的生長(zhǎng)規(guī)律“生、老、病、死”。,提問：細(xì)菌群的“生、老、病、死”表現(xiàn)為何呢？,第一節(jié) 微生物的生長(zhǎng)繁殖,主要內(nèi)容： 微生物的生長(zhǎng)繁殖概念 細(xì)

2、菌的生長(zhǎng)曲線 微生物生長(zhǎng)曲線在污（廢）水生物處理中的應(yīng)用,一個(gè)微生物細(xì)胞,合適的外界條件，吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)行代謝。,如果同化作用的速度超過了異化作用,個(gè)體的生長(zhǎng) 原生質(zhì)的總量（重量、體積、大?。┚筒粩嘣黾?如果各細(xì)胞組分是按恰當(dāng)?shù)谋壤鲩L(zhǎng)時(shí)，則達(dá)到一定程度后就 會(huì)發(fā)生繁殖，引起個(gè)體數(shù)目的增加。,群體內(nèi)各個(gè)個(gè)體的進(jìn)一步生長(zhǎng),群體的生長(zhǎng),微生物細(xì)胞吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)行新陳代謝，當(dāng)同化作用異化作用時(shí)，生命個(gè)體的重量和體積不斷增大的過程。,生長(zhǎng),生命個(gè)體生長(zhǎng)到一定階段，通過特定方式產(chǎn)生新的生命個(gè)體，即引起生命個(gè)體數(shù)量增加的生物學(xué)過程。,繁殖,群體生長(zhǎng)的實(shí)質(zhì)是包含著個(gè)體細(xì)胞生長(zhǎng)與繁殖交替進(jìn)行的過程: 群體

3、生長(zhǎng) = 個(gè)體生長(zhǎng) + 個(gè)體繁殖,一、微生物生長(zhǎng)繁殖的概念,世代時(shí)間簡(jiǎn)稱代時(shí)（eneration time, G ） ： 就是一個(gè)世代所需的時(shí)間，因而也就是群體細(xì)胞數(shù)目擴(kuò)大1倍所需的時(shí)間，有時(shí)也被稱為倍增時(shí)間。 單細(xì)胞微生物的世代時(shí)間：兩次細(xì)胞分裂之間的時(shí)間。 多細(xì)胞生物的世代時(shí)間：兩次繁殖之間的時(shí)間。,世代時(shí)間的大小反映了一種微生物繁殖速度的快慢。,不同種的微生物，其生長(zhǎng)繁殖速度不同。原核微生物的繁殖速度一般比真核微生物快。,“生、老、病、死” （根據(jù)投食方式）分分批培養(yǎng)、連續(xù)式培養(yǎng)兩種情況 1.分批培養(yǎng) 只有開始時(shí)的一次性投料和接種細(xì)菌（其余時(shí)間細(xì)菌根據(jù)環(huán)境變化自行生滅）,（“坐吃山空型”

4、）,應(yīng)用：生理特性研究、生物發(fā)酵和生物治污,二、研究微生物生長(zhǎng)的方法,生長(zhǎng)曲線的制作：,接種 適溫培養(yǎng),定時(shí)取樣測(cè)定生長(zhǎng)量,將少量細(xì)菌的純培養(yǎng)，接種到一恒定容積的新鮮液體培養(yǎng)基中，在適宜條件下培養(yǎng)，每隔一定時(shí)間取樣，測(cè)菌細(xì)胞數(shù)目。以培養(yǎng)時(shí)間為橫坐標(biāo)，以細(xì)菌增長(zhǎng)數(shù)目的對(duì)數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制所得的一條反映細(xì)菌在整個(gè)培養(yǎng)期間菌數(shù)變化規(guī)律的曲線。,細(xì)菌純培養(yǎng)生長(zhǎng)曲線圖,靜止期,衰亡期,總菌數(shù),活菌數(shù),時(shí)期的劃分：按照生長(zhǎng)速率常數(shù)（growth race constant）不同,（1）停滯期,特點(diǎn)：代謝活躍，個(gè)體體積、重量增高。 不立即進(jìn)行細(xì)胞分裂、增殖，數(shù)量不變甚至減少,細(xì),菌,停,數(shù),滯,目,期,的,對(duì)

5、,數(shù),值,0,時(shí)間t,提問：為什么會(huì)出現(xiàn)停滯期呢？,適應(yīng)環(huán)境（合成相應(yīng)的酶），營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)備（用于復(fù)制合成）,？,崗前培訓(xùn),“萬事開頭難”,菌種 ： 繁殖速度較快的菌種的停滯期一般較短； 接種物菌齡 ： 用對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的菌種接種時(shí)，其停滯期較短，甚至檢查不到停滯期； 接種量：一般來說， 接種量增大可縮短甚至消除停滯期； 培養(yǎng)基成分： 在營(yíng)養(yǎng)成分豐富的天然培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的停滯期比在合成培養(yǎng)基上生長(zhǎng)時(shí)短； 接種后培養(yǎng)基成分有較大變化時(shí)，會(huì)使停滯期加長(zhǎng)。,影響停滯期長(zhǎng)短的因素：,提問：根據(jù)上述原因選擇接種何種狀態(tài)的細(xì)菌停滯期會(huì)較長(zhǎng)？ 對(duì)數(shù)期的細(xì)菌、靜止期或衰亡期、受損細(xì)胞、富集培養(yǎng)基的細(xì)菌 后三種,靜止期細(xì)胞

6、基本耗盡了各種輔酶或其他細(xì)胞成分,受損細(xì)胞養(yǎng)傷修復(fù),富集培養(yǎng)基細(xì)菌需要合成“自力更生”酶,在實(shí)際工作中如接種菌種以啟動(dòng)新的水處理設(shè)施，投加新鮮污泥時(shí)，接種的細(xì)菌不習(xí)慣于新環(huán)境，會(huì)出現(xiàn)或長(zhǎng)或短的停滯期，,采用處于高效菌群對(duì)數(shù)期的菌種、增大接種量、盡量保持接種前后所處的培養(yǎng)介質(zhì)和條件一致等方法來縮短或消除停滯期。,提問：我們可以通過哪些手段縮短停滯期呢？,停滯期的出現(xiàn)會(huì)增加操作時(shí)間，降低工作效率！,（2）對(duì)數(shù)期,細(xì),菌,數(shù),目,的,對(duì),對(duì),數(shù),數(shù),期,值,0,時(shí)間t,如大腸桿菌在20時(shí)其代時(shí)是35條件下的2倍； 傷寒桿菌在含0.125的蛋白胨培養(yǎng)基中的代時(shí)為800min，而在含1.0時(shí)僅為40mi

7、n。,特點(diǎn)：繁殖速度最快，代謝最旺盛，代時(shí)最短 應(yīng)用：接種用的好種子 ；代謝、生理研究的好材料,提問：細(xì)菌的代時(shí)與哪些因素有關(guān)？,種類遺傳、個(gè)體健康情況(營(yíng)養(yǎng)、環(huán)境條件),？,（青年）,G = (t2-t1) / n = (t2-t1) / 3.322(lgX2-lgX1),R = 1 /G = 3.322 (lgX2-lgX1) / (t2-t1),X2 = X1 2n 兩邊取對(duì)數(shù)： lgX2 = lgX1 + nlg2 （lg2 =0.301） n = 3.322 ( lgX2 - lgX1),Lg 細(xì)胞數(shù)/ml,培養(yǎng)時(shí)間,對(duì)數(shù)期三個(gè)重要參數(shù),（1）繁殖代數(shù)(n),（3）生長(zhǎng)速率常數(shù)(R)

8、,（2）代時(shí)(G),（3）靜止期（中年）,特點(diǎn)： 出生率死亡率 微生物的生長(zhǎng)速率處于動(dòng)態(tài)平衡，培養(yǎng)物中的細(xì)胞數(shù)目達(dá)到最高值 細(xì)胞分裂速度下降，開始積累內(nèi)含物，產(chǎn)芽孢的細(xì)菌開始產(chǎn)芽孢,細(xì),菌,停,數(shù),滯,目,期,的,對(duì),靜止期,對(duì),數(shù),衰亡期,數(shù),期,值,0 t,時(shí)間,產(chǎn)生原因： 營(yíng)養(yǎng)物尤其是生長(zhǎng)限制因子的耗盡； 營(yíng)養(yǎng)物的比例失調(diào)，如碳氮比不合適; 有害代謝廢物的積累（酸、醇、毒素等） 物化條件（pH、氧化還原勢(shì)等）不合適;,（4）衰亡期（老年）,特點(diǎn)：生長(zhǎng)速率負(fù)增長(zhǎng)，群體中的活菌數(shù)目急劇下降，死亡率出生率； 細(xì)胞形態(tài)多樣，出現(xiàn)畸形，形成衰退型； 蛋白水解酶活躍，出現(xiàn)菌體死亡、自溶等，發(fā)生自溶的

9、菌生長(zhǎng)曲線表現(xiàn)為向下跌落的趨勢(shì)； 芽孢細(xì)菌芽孢大量釋放。,細(xì),菌,延,數(shù),緩,目,期,的,對(duì),穩(wěn)定期,對(duì),數(shù),衰亡期,數(shù),期,值,0 t,時(shí)間,產(chǎn)生原因： 生長(zhǎng)條件的進(jìn)一步惡化，使細(xì)胞內(nèi)的分解代謝大大超過合成代謝，繼而導(dǎo)致菌體的死亡。,？,提問：如何給細(xì)菌延年益壽呢？,補(bǔ)營(yíng)養(yǎng)、環(huán)保（去除環(huán)境毒物）,如果把地球看作是封閉的間歇式培養(yǎng)基，人類看作是細(xì)菌，人口若不加控制，必將經(jīng)歷由于資源枯竭，污染物遍地而引發(fā)的大滅絕。 自救節(jié)約、節(jié)育防止“營(yíng)養(yǎng)物消耗過快”，環(huán)保防止“有害代謝物毒性抑制”。,人類群體有類似規(guī)律嗎 ？,2.連續(xù)培養(yǎng),連續(xù)培養(yǎng)類型,恒濁連續(xù)培養(yǎng),恒化連續(xù)培養(yǎng),一方面連續(xù)進(jìn)料，另一方面又連

10、續(xù)出料。 原理：進(jìn)料=補(bǔ)足營(yíng)養(yǎng)(“污染物”) 出料=稀釋菌濃度、毒物濃度,（1）恒濁連續(xù)培養(yǎng),恒濁培養(yǎng)基濁度恒定（實(shí)質(zhì)是細(xì)菌數(shù)量恒定）,新鮮培養(yǎng)基,光電池,光源,流速控制閥,出水,很少應(yīng)用,反饋控制,化？,新鮮培養(yǎng)基,流速控制閥,出水,應(yīng)用：環(huán)境工程、生物工程、實(shí)驗(yàn)室研究（細(xì)菌生理特性研究、細(xì)菌的快速篩選等）。,流速恒定,進(jìn)料營(yíng)養(yǎng)物總量,(2)恒化連續(xù)培養(yǎng),目前, 污水連續(xù)生物處理法均類似于恒化連續(xù)培養(yǎng)；（流速不完全恒定）,第二節(jié) 微生物的生存因子,適宜環(huán)境： 微生物能正常地進(jìn)行生命活動(dòng) 不適宜環(huán)境： 微生物的正常生命活動(dòng)受到抑制或被迫暫時(shí)改變?cè)械囊恍┨卣鳌?惡劣環(huán)境： 微生物死亡或發(fā)生遺傳

11、變異。,一、溫度 微生物的生長(zhǎng)要求有一定的溫度范圍： 最低生長(zhǎng)溫度、最適生長(zhǎng)溫度、最高生長(zhǎng)溫度。 根據(jù)細(xì)菌最適生長(zhǎng)溫度的不同，可把細(xì)菌分為：嗜冷菌、嗜中溫菌、嗜熱菌和嗜超熱菌。 大多數(shù)菌為嗜中溫菌。,溫度對(duì)微生物生長(zhǎng)速率的影響,廢水中的細(xì)菌一般都是嗜中溫菌，最適溫度多在30左右，嗜冷菌和嗜熱菌占少數(shù)。,低溫、中溫和高溫細(xì)菌的生長(zhǎng)溫度范圍,低溫型微生物（嗜冷微生物）: 最適生長(zhǎng)溫度在5-15,主要分布在地球的兩極、冷泉、深海、冷凍場(chǎng)所及冷藏食品中。 例：假單孢菌中的某些嗜冷菌在低溫下生長(zhǎng)，常引起冷藏食品的腐敗。,在低溫下生長(zhǎng)的機(jī)理： 具備低溫活性酶 細(xì)胞質(zhì)膜含有大量的不飽和脂肪酸，在低溫下能保持

12、半流動(dòng)性，使之能有效地集中必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。,現(xiàn)有的微生物保藏法,高溫型微生物： 最適生長(zhǎng)溫度為45-55,主要分布在溫泉、堆肥和土壤中。,在高溫下能生長(zhǎng)的原因： 酶蛋以及核糖體有較強(qiáng)的抗熱性 核酸具有較高的熱穩(wěn)定性（核酸中G+C含量高（tRNA），可提供形成氫鍵，增加熱穩(wěn)定性 ）。 細(xì)胞膜中飽和脂肪酸含量高，較高溫度下能維持正常的液晶狀態(tài)。 細(xì)胞生長(zhǎng)速率快，能迅速合成生物大分子，以彌補(bǔ)由于高溫造成的破壞。,二、pH,常見的四大類微生物中，對(duì)pH的最適（范圍） 細(xì)菌：6.5-7.5（4-10）； 放線菌：7-8（5-10）； 霉菌：3-6（1.5-10）； 酵母菌：5-6（1.5-10）。,微生

13、物對(duì)pH的要求存在最高、最低和最適三個(gè)點(diǎn)。,在廢水生物處理中，pH一般在6.5-8.5（6-9）。生物處理的主體是細(xì)菌，它要求pH略為偏堿。過高的pH會(huì)使原生動(dòng)物呆滯，菌膠團(tuán)解體，影響去除效果，而過低的pH，會(huì)使霉菌大量繁殖，造成污泥膨脹。,主要影響一些極性營(yíng)養(yǎng)物如脂肪酸、氨基酸 以乙酸的吸收為例，,細(xì)菌表面帶有電荷，如“”,1. 影響細(xì)胞膜蛋白及胞外水解酶的活性從而影響營(yíng)養(yǎng)物的正常吸收與轉(zhuǎn)運(yùn) 2.影響營(yíng)養(yǎng)物的解離與吸收,外界pH對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響,三、氧化還原電位（簡(jiǎn)稱ORP或Eh),某物質(zhì)與氫電極構(gòu)成原電池時(shí)的電壓高低,反映該物質(zhì)氧化性強(qiáng)弱。,提問：影響水樣氧化還原電位的因素有哪些？ 氧化

14、性物質(zhì)（主要是氧氣濃度）與還原性物質(zhì)（有機(jī)物、H2S等）的含量,不同細(xì)菌適宜的氧化還原電位(mv),3、Eh的改變方法 降低Eh 除氧及向培養(yǎng)基中添加還原性物質(zhì)：H2S、抗壞血酸、含巰基化合物（半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫蘇糖醇等） 升高Eh 通空氣或氧及向培養(yǎng)基中添加氧化性物質(zhì)：Fe(OH)3等,四、溶解氧 微生物可分為：好氧微生物、兼性厭氧微生物和厭氧微生物。,1好氧微生物（專性好氧和微量好氧） O2的作用有兩個(gè)，一是作為最終電子受體，二是參與甾醇類和不飽和脂肪酸的合成。 微生物只能利用溶解于水中的O2，即溶解氧（DO）。DO與水溫、大氣壓等因素有關(guān)，溫度越高，氧的溶解度越小。 在好氧生物處理

15、中，DO是個(gè)十分重要的因子，要求提供充足的氧，一般曝氣池中的DO要求控制在3-4mg/L。,2兼性微生物 即能在有氧條件下生存，又能在無氧條件下生存。但兩者所表現(xiàn)的生理狀態(tài)是很不同的。如酵母菌。 3厭氧微生物（專性厭氧和耐氧) 只有在無氧條件下才能生存。對(duì)于專性厭氧微生物，要求絕對(duì)無氧的條件，氧的存在會(huì)使微生物死亡，如產(chǎn)甲烷菌;另一些厭氧微生物(也叫耐氧微生物），氧的存在與否對(duì)它沒有影響，既不利用氧，也不中毒。如乳酸菌。,專性好氧菌 好氧菌 微好氧菌 兼性厭氧菌 耐氧厭氧菌 厭氧菌 (專性)厭氧菌,氧毒害厭氧菌的機(jī)制：超氧陰離子是活性氧的形式之一，帶奇數(shù)電子，負(fù)電荷。它即有分子性質(zhì)，也有離子性

16、質(zhì)，反應(yīng)力極強(qiáng)，性質(zhì)極不穩(wěn)定。在體內(nèi)可破壞各種重要生物高分子和膜，也可形成其他活性氧化物。在體內(nèi)，超氧陰離子自由基可以自由酶促(如黃嘌呤氧化酶) 或非酶促方式形成。,O2+e O2 (O2),生物體的針對(duì)措施：超氧化物歧化酶(superoxide dismutase-SOD)是其中之一。 好氧、耐氧微生物的超氧化物歧化酶將超氧陰離子轉(zhuǎn)化為毒性稍低的過氧化氫，過氧化氫酶再將過氧化氫轉(zhuǎn)化為無毒的水。厭氧微生物因?yàn)闆]有超氧化物歧化酶，超氧陰離子自由基可造成其損害。,H2O + O2 2 O2 + 2H+ O2 + H2O2 2H2O,O2 + e- O2 ( O2 ) 超氧陰離子在細(xì)胞內(nèi)可由酶促或非

17、酶促形成。 超氧物陰離子歧化酶是在生物進(jìn)化中發(fā)展出來的一種自我保護(hù)方式。 兼性厭氧菌E.coli在發(fā)生SOD缺失突變后，就會(huì)變成一種“嚴(yán)格厭氧菌”。,生物體中超氧陰離子的形成與去除,1 2,SOD 好氧生物 和耐氧細(xì)菌,過氧化氫酶 好氧生物,過氧化物酶 NADH2 NAD 耐氧菌,在培養(yǎng)不同類型的微生物時(shí)，要采用相應(yīng)的措施保證不同微生物的生長(zhǎng)。 培養(yǎng)好氧微生物：需震蕩或通氣，保證充足的氧氣。 培養(yǎng)專性厭氧微生物：需排除環(huán)境中的氧氣，同時(shí) 在培養(yǎng)基中添加還原劑，降低 培養(yǎng)基中的氧化還原電位勢(shì)。 培養(yǎng)兼性厭氧或耐氧微生物：可深層靜止培養(yǎng)。,五光線,1.陽光 提問：通常細(xì)菌在陰暗環(huán)境中能夠更好的生長(zhǎng)

18、，原因？,包括陽光和燈光,紫外線（波長(zhǎng)0.1400nm） 一般細(xì)菌在紫外線下照射5min即能被殺死，芽孢則需10min。紫外線波長(zhǎng)在260nm左右者殺菌力最強(qiáng) 提問：殺菌機(jī)理？ 蛋白質(zhì)和核酸變性,（二）X-射線、射線(不帶電),特點(diǎn)高能量，穿透力強(qiáng),已經(jīng)開始被用于油田注水殺細(xì)菌(腐蝕性細(xì)菌)。 殺菌機(jī)理？ 高能量激發(fā)水分解產(chǎn)生O自由基或H2O2等強(qiáng)氧化劑 優(yōu)缺點(diǎn)？ 一次性投資較大，但使用時(shí)成本較低，殺菌效果穩(wěn)定,六滲透壓,-是不同溶液被半透膜隔離開時(shí)，由于膜半透性及兩側(cè)水分子濃度差異形成的水壓 。,有半透膜,左水分子凈通量0 右側(cè)液位，直至平衡,衡量方法：通常以一定濃度溶液與純水間形成的滲透壓作為該溶液的滲透壓 提問：水將從 滲透壓一方流向 滲透壓的一方？ 低、高,滲透壓可影響細(xì)菌生存： 1.相同滲透壓溶液中 細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)水含量穩(wěn)定，細(xì)菌生活得最好。 等滲透壓溶液0.85的