注册公共设备工程师——水处理微生物学课件

水处理微生物学 1.绪论1.1微生物概论 一、什么是微生物一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总称。是一些个体微小、构造简单的低等生物。微生物的菌落细菌的显微图样 微生物小µm级：光学显微镜下可见（细胞）Nm级：电子显微镜下可见（细胞器、病毒）简单细胞简单多细胞非细胞（即“分子生物”，如病毒）原核类：细菌，放线菌、蓝细菌，支原体、立克次氏体，衣原体等低(进化地位低)真核类：真菌，原生动物，显微藻类非细胞：病毒，亚病毒（朊病毒、类病毒、拟病毒） 二、人类对微生物的认识史（1）一个难以认识的微生物世界艾滋病，12～13年的潜伏期，人类免疫缺陷病毒（HIV）引起；艾滋病病毒模拟图 发霉的玉米、花生等胚附近，生长能产生剧毒真菌毒素的黄曲霉。花生上的黄曲霉黄曲霉菌落 （2）微生物学发展史史前期：约8000年前～1676，制曲、酿酒等初创期：1676～1861，形态描述阶段，列文虎克自制显微镜奠基期：1861～1897，生理水平研究，巴斯德，科赫发展期：1897～1953，生化水平研究，E.BÜchner成熟期：1953～至今，分子生物学水平研究，J.Watson和F.Crick 三、微生物的分类和命名三个概念1.分类（classification）：解决从个别到一般或从具体到抽象的问题。2.鉴定（identification）：与分类的概念相反。3.命名（nomenclature）：为新发现的微生物确定一个新学名。 （1）通用的分类单元界（Kingdom）门（Phylum）纲（Class）目（Order）科（Family）属（Genus）种（Species） 大肠埃希氏菌在分类学中的地位例：细菌界（Bacteria）朊细菌门（Protobacteria）发酵细菌纲（Zymobacteria）肠杆菌目（Enterobacteriales）埃希氏菌属（Escherichia）大肠埃希氏菌（E.coli）《系统手册》2000年 界是最大的分类单位，往下依次递小在越是大的分类单位中，生物彼此的共同特征越少，亲缘关系越远；在越是小的分类单位中，共同特征越多，亲缘关系越近。 微生物的常用分类系统细菌：伯杰氏鉴定细菌学手册（第八、第九版）、细菌系统学手册（第一版）放线菌：中国科学院微生物研究所编著的放线菌目分科、分属检索表真菌：Smith、Alexopoulos、Ainsworth的分类系统 补充两个知识点1.种：微生物的种是一个基本分类单元，它是一大群表形特征高度相似、亲缘关系及其接近、与同属那的其他物种有着明显的差异的一大群菌株的总称。新种：指权威性的分类、鉴定手册中从未记载过得一种新分离并鉴定过的微生物。 2.界两界系统：动物界和植物界三界：菌物界、动物界和植物界四界：原始生物界、菌界、植物界、动物界（由Copeland提出） 五界：Whittaker提出生物五界分类系统，后被Margulis修改为：原核生物界，原生生物界，真菌界，动物界和植物界我国王大耜教授对生物分类提出六界：病毒界、原核生物界、真核原生生物界、真菌界、动物界和植物界 分类依据：形态学特征、表型特征、生理特征、生态特征、血清反应、噬菌体反应等DNA中G+C%，DNA杂交，DNA-rRNA杂交，16SrRNA碱基序列分析等 （2）水处理中常见的微生物微生物病毒界：病毒，亚病毒原核生物界蓝藻门细菌门真细菌放线菌古菌立克次氏体、衣原体、支原体真菌界酵母菌霉菌动物界微型后生动物微型原生动物 （3）微生物命名通常以学名命名：常采用二名法即：一个属名+一个种名（均为拉丁字）注意：属名和种名都要用斜体表示属名在前，第一个字母大写种名在后，第一个字母小写 例子：1.大肠埃希氏杆菌：Escherichiacoli分类学文献中，上述两部分还应加写3项内容，即首次定名人，现定名人和现名的定名年分如：Escherichiacoli（Migula）CastellanietChalmers1919大肠杆菌 2.枯草芽孢杆菌（枯草杆菌）Bacillussubtilis（Ehrenberg）Cohn18723.浮游球衣菌SpgaerotilusnatansKiitzing4.甲烷杆菌属Methanobacterium枯草芽孢杆菌菌落 若该菌鉴定到属，没有鉴定到种，则只有属名，如：芽孢杆菌属的名称是Bacillus芽胞杆菌的几种形态 有关命名的其他知识1.属名2.种名加词 四、微生物的特点1.体积小，面积大比面值：某一物体单位体积所占的表面积，物体的体积越小，其比表面积越大如：1cm3豌豆，总表面积6cm2，1cm3球菌，总表面积6m2 2.吸收多，转化快如：Escherichacoli在1h内可分解其自重1000～10000倍的乳糖；Candidautilis（产朊假丝酵母）合成蛋白质的能力比大豆强100倍，比牛强10万倍。 3.生长旺，繁殖快例：E.coli合适条件下，细胞分裂一次仅需12.5～20min，每昼夜可分裂72次，这时产生4722366500万亿个后代，总重约可达4722吨。 4.适应强，易变异适应极端环境如高温、高酸、高辐射等；变异频率低，但短时间能产生大量变异的后代。 5.分布广，种类多物种多样性生理代谢类型的多样性代谢产物的多样性遗传基因的多样性生态类型的多样性 1.2环境工程微生物学的研究对象和任务 一、研究对象1.微生物学及环境微生物学的基础知识、理论、原理等；2.多样性的微生物资源3.有益微生物4.可用于污染治理的新微生物物种的发现、创造5.病原微生物及其他不利环境的微生物 二、研究任务1.充分利用有益资源，防止有害活动2.微生物对废物的处理、净化环境…………… 思考1.微生物是如何分类的？2.生物的分界有几种分法，是如何划分的？4.微生物是如何命名的？5.微生物有哪些特点？6.写出大肠埃希氏杆菌和枯草芽孢杆菌的拉丁文全称。 第二章病毒和亚病毒 拟病毒：只含有不具独立侵染性的RNA或DNA组分非细胞生物真病毒：至少含有核酸和蛋白质两种组分亚病毒类病毒：只含独立侵染性的RNA组分朊病毒：只含单一蛋白质组分 2.1病毒的特征与分类 1892年，俄罗斯学者伊万诺夫斯基首次发现了烟草花叶病的感病因子可通过细菌滤器1935年，美国生物化学家斯坦莱从烟草花叶病叶中提取出了病毒结晶 病毒：没有细胞结构专性寄生在活的敏感细胞内0.2µm以下电镜下的病毒 2.1.1病毒的特点形体极其微小没有细胞构造每种病毒只含一种核酸专性寄生以核酸和蛋白质的装配实现大量繁殖离体条件，为无生命的生物大分子，长期保持侵染活力对抗生素不敏感，对干扰素敏感有的病毒核酸可整合到宿主基因组，诱发潜伏性感染 2.1.2病毒的分类按专性宿主分类：1.动物病毒寄生在人体和动物体内，引起疾病艾滋病病毒非典冠状病毒肝炎病毒引起的疾病有：流感、艾滋病、麻疹、腮腺炎、甲肝、乙肝等 2.植物病毒寄生在植物体内，引起疾病如烟草花叶病、番茄丛矮病、马铃薯退化病、水稻萎缩病和小麦黑穗病等烟草花叶病毒 3.细菌病毒－噬菌体1917年D.Herelle在人的粪便中发现；环境毒理学中将其作为模式病毒；可评价水与废水的处理效率；杀菌。噬菌体 3.放线菌病毒4.藻类病毒5.真菌病毒 DNA病毒细小病毒组的成员一般是ssDNA其余病毒都是dsDNARNA病毒呼肠孤病毒组的成员是dsRNA其余的病毒都是ssRNA注：动物病毒以线状的为dsDNA和ssRNA多，植物病毒以ssRNA为多，噬菌体以线状的为dsRNA多按核酸分类 2.2病毒的形态和结构 1.病毒的大小多数能通过细菌过滤器，直径多数在100nm（20～200nm）上下；最大的病毒：牛痘苗病毒，直径200nm最小的病毒：口蹄疫病毒，直径22nm 2.病毒的形态动物病毒的形态有：球形、卵圆形、砖形等植物病毒的形态有：杆状、丝状和球状噬菌体的形态有：蝌蚪状和丝状 粘病毒痘病毒疱疹病毒噬菌体病毒的形态和相对大小 病毒的群体形态（小知识）大量聚集并使宿主细胞发生病变时，就形成了具有一定形态、构造并能用光学显微镜观察和识别的特殊“群体”。如：动植物细胞中的病毒包涵体植物病毒在植物叶片上的枯斑这类“群体形态”有助于病毒的分离、纯化、鉴别和计数等 3.病毒的化学组成和结构（1）化学组成蛋白质和核酸个体大的病毒除含蛋白质和核酸，还含脂类和多糖 病毒粒子的结构图(2)结构 病毒粒子：成熟的或结构完整的、具有感染力的病毒体病毒粒子有两种：不具被膜的裸露病毒粒子在核衣壳外面有被膜包围所构成的病毒粒子 病毒粒的对称体制病毒粒的对称体制只有两种，即螺旋对称和二十面对称；另外一些结构复杂的病毒，实质上是上述两种对称结合的结果，也称为复合对称。 二十面对称代表病毒为腺病毒（Adenovirus）二十面体腺病毒模式图 B.螺旋对称型代表病毒为烟草花叶病毒（TMV）该病毒核酸外由蛋白质衣壳包裹和保护，结构十分稳定，室温下保存50年不丧失侵染力TMV模式图 C.复合对称型二十面体对称螺旋对称代表病毒为T偶数噬菌体，有3种，即T2、T4和T6T系噬菌体模式图 2.3病毒的繁殖 2.3.1病毒的繁殖动物病毒、植物病毒和噬菌体的繁殖过程基本相似，此处以大肠杆菌T系噬菌体为例介绍繁殖过程有如下四步：吸附，侵入，复制，聚集与释放 1.吸附T系噬菌体以尾部末端吸附到敏感细胞表面的某一特定的化学成分；噬菌体与大肠杆菌相对大小吸附侵入2.侵入尾部酶水解细胞壁的肽聚糖形成孔，尾鞘消耗ATP获得能量而收缩将尾髓压入大肠杆菌细胞，尾髓将头部的DNA注入宿主细胞 3.复制与聚集装配噬菌体的装配 4.噬菌体的释放噬菌体粒子成熟后，其水解酶水解宿主细胞壁而使宿主细胞裂解，噬菌体粒子被释放，进而重新感染新的宿主细胞。噬菌体的释放 2.3.2病毒的溶原性毒（烈）性噬菌体侵入宿主细胞后，能引起宿主细胞裂解的噬菌体。 温和噬菌体侵入宿主细胞后，其核酸附着并整合在宿主染色体上，和宿主的核酸同步复制，宿主细胞不裂解而继续生长宿主DNA噬菌体DNA噬菌体DNA和宿主染色体整合病毒的溶原性反应 原噬菌体在溶原细胞内的温和噬菌体核酸称为原噬菌体。原噬菌体随宿主细胞分裂传给子代细胞，子代也成为溶原细胞。溶原性是遗传特性。原噬菌体没有感染力，一旦脱离溶原性细菌的染色体后即恢复复制能力，形成毒性噬菌体。 溶原性噬菌体的命名在敏感菌株的名称后加括号，括号内写上λ，如：大肠杆菌溶原性噬菌体的全称EscherichiacoliK12(λ)株名表示溶原性噬菌体 2.4病毒的培养 2.4.1病毒的培养特征1.液体培养敏感菌株接种液体培养基培养液变混浊噬菌体接种培养液变透明 2.固体培养基敏感细菌感染噬菌体形成空斑 2.4.2病毒的培养基敏感细胞具备的条件（1）活的敏感细胞（2）能提供病毒附着的受体（3）敏感细胞内没有破坏特异性病毒的限制性核酸内切酶 动物病毒的培养基植物病毒的培养基噬菌体的培养基 2.4.3病毒的培养动物病毒的培养动物接种方法鸡胚接种方法组织培养技术 病毒的滴度指能产生培养管中的50％CPE（细胞病理效应）的最高病毒稀释度（最少的病毒量），称为TCLD50（组织培养感染剂量）若是敏感动物，则用ID50（使50％敏感动物发生变化的感染剂量）或LD50（引起50％敏感动物死亡的致死剂量）表示病毒的滴度。 2.5环境因素对病毒的影响及在污水处理过程中的去除效果 2.5.1物理因素对病毒的影响1.温度宿主细胞外的病毒，55～65℃范围内1h可灭活高温灭活病毒的机理高温使病毒的核酸和蛋白质均受损伤，但灭活蛋白质更快；蛋白质变性阻碍了病毒吸附在宿主细胞上，削弱其感染力。注：低温不会灭活病毒 2.光及其他辐射（1）紫外辐射灭活部位是病毒的核酸，使核酸中的嘧啶环受到影响。（2）可见光日光对肠道病毒有灭活作用。（3）离子辐射X射线等 3.干燥相对湿度（RH）病毒存活时间7％腺病毒2型8周柯萨奇病毒B32周35％肠病毒20周 2.5.2化学因素对病毒的影响1.破坏病毒蛋白质的化学物质酚、低渗缓冲溶液环境2.破坏核酸的化学物质甲醛，亚硝酸，氨3.影响病毒脂类被膜的化学物质醚，十二烷基硫酸钠，氯仿等 2.5.3抗菌物质对病毒的影响一般抗菌物质对病毒无灭活作用 2.5.4病毒在污水处理过程的去除效果一级处理30％二级处理90～99％三级处理滴度常用对数值下降4～6 2.6亚病毒 1.类病毒只含RNA一种成分、专性寄生在活细胞内的分子病原体 2.拟病毒又称类类病毒、壳内类病毒或病毒卫星指一类包裹在真病毒粒中的有缺陷的类病毒。一般仅由裸露的RNA或DNA所组成 3.朊病毒（Prion）又称普利昂或蛋白侵染子是一类不含核酸的蛋白质分子可引起宿主体内现成的同类蛋白质分子发生与其相似的构象变化，从而使宿主致病。引起的疾病：羊搔痒病，疯牛病，人的早老年性痴呆病，震颤病等 思考题1.病毒的特点2.病毒分类依据是什么？分为哪些类病毒？3.病毒的化学组成和结构是什么？对称体制如何？4.大肠杆菌T系噬菌体的繁殖过程。5.毒性噬菌体与温和噬菌体，溶原性细胞，原噬菌体的概念。6.不同培养方式中病毒的培养特征。7.物理化学因素如何影响病毒？ 第三章原核微生物 指一类细胞核无核膜包裹，只存在称作核区的裸露DNA的原始单细胞生物原核生物 原核微生物细菌门蓝细菌门真细菌、古菌、粘细菌、放线菌衣原体、支原体、立克次氏体、螺旋体蓝细菌 3.1细菌 细菌（Bacteria）细菌是一类细胞细而短（细胞直径约0.5μm，长度约0.5～5μm）、结构简单、细胞壁坚韧、以二等分裂方式繁殖和水生性较强的原核微生物是给水与废水处理中最重要的一类微生物！ 3.1.1细菌的个体形态和大小1.细菌的形态（1）球状（2）杆状（3）螺旋状（4）丝状（仅有少数） （1）球菌葡萄球菌根据分裂方向及相互间连接方式又分为单球菌、双球菌、链球菌、四联球菌、八叠球菌、葡萄球菌等。是分类的一个依据。右图自上而下：双球菌、链球菌、四联球菌、八叠球菌、葡萄球菌 电镜下的球菌葡萄球菌球菌的形态 （2）杆菌细胞呈杆状或圆柱形，一般其粗细（直径）比较稳定，而长度则常因培养时间、培养条件不同而有较大变化。杆菌的几种形态球杆菌链杆菌双杆菌 电镜下的杆菌梭状芽孢杆菌乳酸杆菌杆菌的形态 （3）螺旋菌霍乱弧菌螺旋菌弧菌（vibrio)：螺旋周数不足一圈细菌螺菌（spirillum)：2～6圈小型、坚硬的螺旋状细菌螺旋体（spirochaeta)：螺旋周数超6周，体长柔软 （4）丝状菌分布在水生境，潮湿土壤和活性污泥中。丝状体是丝状菌分类的特征。水处理中的丝状菌 细菌的大小以µm计，如：E.Coli长2µm，宽0.5µm，1500个相当一粒芝麻长2.细菌的大小 较大细菌，1997年在纳米比亚海岸沉积物中发现的硫细菌（Thiomargaritanamibiensis）0.1～0.3mm，肉眼可见。较小细菌，1998年芬兰学者E.O.Kajander发现引起尿结石的纳米细菌（Nanobacteria），直径仅50nm，为E.Coli的1/10，与病毒大小类似。分裂缓慢，三天才分裂一次，是目前所知最小的具有细胞壁的细菌。 细菌大小的测量及表示方法如下图所示利用显微镜测微尺，显微照相后根据放大倍数进行测算 3.1.2细菌的细胞结构细菌是单细胞微生物。所有细菌的结构：细胞壁，原生质体。原生质体包括：细胞质膜，细胞质及其内含物，拟核部分细菌的特殊结构：芽孢、鞭毛、荚膜、粘液层、菌胶团、衣鞘及光合作用片层 细菌细胞构造模式图在细菌细胞内，虽然没有细胞核，仍然有核物质，核物质DNA盘绕成一团，用染色方法可以看到，称拟核。 1.细胞壁（cellwall）细胞最外一层坚韧厚实的外被，主要由肽聚糖构成。细胞壁的生理功能：1）维持外形，提高机械强度2）为细胞生长、分裂、和鞭毛运动必需3）阻碍大分子有害物质进入细胞4）赋予抗原性、对抗生素和噬菌体的敏感性 （1）细胞壁的化学组成和结构丹麦医生C.Gram（革兰）于1884年发明的一种鉴别不同类型细菌的染色方法。根据此染色法，细菌可分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌 特征G–G+强度疏松坚韧厚度薄，5～10nm厚，20～80nm肽聚糖层数少，1～3层多，多达50层肽聚糖含量少（10～20％）高（50～90％）磷壁酸－＋脂多糖＋－脂肪含量较高一般无蛋白质含量较高无革兰氏阳性和阴性细菌细胞壁构造的比较 革兰氏阳性和阴性细菌细胞壁构造的比较肽聚糖磷壁酸多糖孔蛋白质脂质外膜磷壁酸肽聚糖 2.原生质体（1）细胞质膜（protoplasmicmembrane）细胞质膜及化学组成：紧贴在细胞壁内侧，包围细胞质的一层薄膜，柔软而富有弹性，半渗透膜。含60％～70％的蛋白质，含30％～40％的脂类，约2％的多糖。 细胞质膜 细胞质膜的蛋白质具运输作用的整合蛋白（integralprotein)或内在蛋白（intrinsicprotein）具酶促作用的周边蛋白（peripheralprotein）或膜外蛋白（extrinsicprotein） 脂类是磷脂，由磷酸、甘油、脂肪酸和含胆碱组成细胞质膜的磷脂 细胞膜的结构：液态镶嵌模型（fluidmosaicmodel）1）膜主体脂双分子层，亲水基团在表面，疏水基团在内部2）双分子层有流动性3）蛋白镶嵌或贯穿或浮在表面4）不对称性1972年，辛格和尼科尔森提出该模型 1）选择运输2）维持渗透压3）合成细胞壁和糖被重要基地4）细胞产能场所5）鞭毛基体着生点和旋转供能细胞质膜的生理功能不同种类细菌的膜在其结构和功能方面存在很大差异。这种差异非常巨大且具有特征性，因此膜化学可被用于对细菌进行鉴定。 细胞质（cytoplasm)：除核区外的半透明、胶状、颗粒状物质总称。含水量80％左右。内含物（inclusionbody）：颗粒状构造，如：贮藏物、气泡等。（2）细胞质及内含物细胞质主要成分为核糖体、贮藏物、多种酶类和中间代谢物、质粒、各种营养物和大分子的单体等。 核糖体(1)化学组成：由核糖核酸（RNA）和蛋白质两种化学成分组成。(2)染色特性：核糖体易被碱性染料染色，在光镜下细胞质中核糖体丰富的部位嗜碱性较强。(3)电镜结构：是近似球形的致密颗粒，直径为20nm。(4)功能：合成蛋白质。核糖体结构模式图 贮藏物（reservematerials）不同化学成分累积成的不溶沉淀颗粒，贮藏营养物。贮藏物碳源及能源氮源：蓝细菌的藻青素、藻青蛋白磷源（异染粒）：聚磷菌、白喉棒杆菌、结核分枝杆菌糖原：E.Coli、芽孢杆菌、蓝细菌等PHB：固氮菌、产碱菌、肠杆菌硫粒：紫硫细菌、丝硫细菌、贝氏硫杆菌 聚－ß－羟丁酸（PHB）类脂性质的碳源贮藏物，不溶于水，溶于有机溶剂，可用尼罗兰或苏丹黑染色，具有贮藏能量、碳源和降低细胞内渗透压等作用。Bacillusmegaterium（巨大芽孢杆菌）在合适的条件下，其体内PHB可达细胞干重的60％左右。PHB是由生物合成的高聚物，具有无毒、可塑和易降解等特点，正在大力开发应用于医用塑料和快餐盒等的优质原料。贮藏物 异染粒由多聚偏磷酸、核糖核酸、蛋白质、脂类及Mg2+组成，可用甲苯胺或甲烯蓝染成紫红色。一般在含磷丰富的环境中形成，具有贮藏磷元素和能量以及降低细胞渗透压等作用。聚磷菌富含异染颗粒，可用于废水中无机磷的处理。贮藏物 硫粒含硫粒的细菌能利用H2S做能源，氧化H2S为硫粒积累在菌体内。当缺乏营养时，氧化体内硫粒为SO42-，从中取得能量。硫粒具有强的折光性，在光学显微镜下极易看到。含硫粒的细菌，可以处理含H2S类的污染物。贮藏物 又叫核质体、原始核、细菌染色体，无核膜核仁的原始细胞核结构。富尔根染色为紫色的形态不定，环状ds-DNA，少量蛋白结合，0.25～3mm长。功能：遗传物质。（3）拟核 拟核（nucleoid） 3.特殊结构（1）荚膜（capsule）荚膜：某些细菌在其表面分泌的一种粘性物质，把细胞壁完全包围封住。荚膜一般很厚，有的细菌荚膜很薄，在200µm以下，称为微荚膜。荚膜是分类特征之一。 荚膜－－作为分类鉴定的依据荚膜 （1）荚膜（capsule）荚膜的化学组成：含水率90～98％，有的含多糖、或多肽，还有的含脂类或脂类蛋白复合体。荚膜难染色，可用负染色法染色。荚膜的功能：A.保护致病菌免受宿主吞噬细胞的吞噬，保护细胞免受干燥的影响；B.可作为碳源和能源或氮源；C.废水处理中，细菌荚膜有吸附作用。 （2）粘液层（slimelayer）为粘性多糖，疏松的附着在细菌细胞壁表面。废水生物处理中，有吸附作用，在曝气池中因曝气搅拌和水的冲击力容易把细菌粘液冲刷入水中，增加水中有机物，可被其他微生物利用 （3）菌胶团（zoogloea）有些细菌由于其遗传特性决定，细菌之间按一定的排列方式互相粘集在一起，被一个公共荚膜包围形成一定形状的细菌集团。活性污泥中常有细菌胶团。 （3）芽孢（spore）圆形或椭圆、厚壁、含水少、抗逆强的休眠体。无繁殖能力。耐热、辐射、化学试剂，等不良环境。如：肉毒梭菌100℃5个小时以上杀死；芽孢抗紫外线一般是营养细胞的一倍。芽孢是细菌的休眠体，条件适宜可萌发；多为杆菌，是分类鉴定依据之一；可通过芽孢染色在普通显微镜下观察到。 芽孢的形态 1.DNA浓缩，束状染色质形成2.细胞膜内陷，不对称分裂，小的为前芽孢（forespore）3.前芽孢双层隔膜形成，抗辐射增强4.在双层隔膜之间填充芽孢肽聚糖，合成DPA－Ca，形成皮层，脱水5.芽孢衣合成结束6.皮层合成结束，芽孢成熟7.芽孢囊裂解芽孢形成－环境缺乏营养或有害物质过多枯草芽孢杆菌芽孢形成需8h，200个gene参与，系列化学成分和生理功能变化。 （4）鞭毛（flagella）某些细菌体表长丝状、波曲的蛋白附属物，使细菌具运动功能。是分类上重要特征之一。暗视野显微镜观察、鞭毛染色光学显微镜观察、半固体穿刺接种、固体接种可以判断是否有鞭毛鞭毛着生方式 （4）鞭毛（flagella）鞭毛大小：直径0.001～0.02µm，长度在2～50µm；具有鞭毛的细菌能运动，不具鞭毛的细菌不能运动。鞭毛的运动是靠细胞质膜上的ATP酶水解ATP提供能量。 鞭毛（flagellum）结构--阳性与阴性菌不同细菌鞭毛着生于细胞膜上，但运动支点由细胞壁提供。 鞭毛（flagellum）组成包括：基体、钩形鞘、鞭毛丝。G＋和G－基体构造有所不同；G－基体（basalbody）四个环（ring），从外至内：L环：连在细胞壁外的外膜；P环：连在肽聚糖；S－M环：嵌埋在细胞膜，被一对Mot蛋白包围，驱动SM旋转。SM基部还有一Fli蛋白，起按钮作用，决定正转或逆转。鞭毛运动动力：质子动势。 有关鞭毛运动的机制曾有过“旋转论”（rotationtheory）和“挥鞭论”（bendingtheory）的争议。1974年，美国学者西佛曼（M.Silverman）和西蒙（M.Simon）曾设计了一个“拴菌”试验(tethered-cellexperiment)，设法把单毛菌鞭毛的游离端用相应抗体牢牢“拴”在载玻片上，然后在光学显微镜下观察细胞的行为。发现，该菌是在载玻片上不断打转（而非伸缩挥动），从而肯定了“旋转论”是正确的。鞭毛（flagellum）运动机制 思考1）细菌有哪几种形态？举例说明？2）细菌的一般结构和特殊结构是什么？各具有哪些生理功能？3）革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的细胞壁结构有什么异同？各有哪些化学组成？4）细菌的鉴定依据有哪些？试总结说明。…… 个体体积的增大——单个细菌生长数目的增多——群体生长1生长3.1.3细菌的生长繁殖 2繁殖主要为裂殖，是无性繁殖，一个母细胞分裂成两个子细胞细菌分裂过程：①核复制后分裂②形成横隔③子细胞分离 3.细菌的培养特征（1）固体培养基上的培养特征菌落特征：细菌在固体培养基上的培养特征。菌落：由一个细菌繁殖起来的，由无数细菌组成具有一定形态特征的细菌集团。可用稀释平板法和平板划线法接种形成菌落。 不同种的细菌菌落特征 菌落的特征是分类鉴定的依据。可以从三方面看菌落的特征：（1）菌落的表面特征（2）菌落的边缘特征（3）纵剖面的边缘特征 凝胶状、表面较光滑、湿润、与培养基结合不紧密，易挑取，正反颜色一致。细菌菌落一般特点 光滑型菌落肺炎克雷伯氏菌在DHL培养基上菌落形态粘膜肺炎球菌在血琼脂平板上菌落 枯草芽孢杆菌菌落形态－粗糙型菌落 菌苔（1）定义纯种菌体在固体培养基上生长繁殖时形成的肉眼可见的群体。菌苔是由许多菌体繁殖形成。同一菌体的菌苔特征和菌落特征是相同的，若有异样，则菌体受污染或变异，应分离纯化。菌苔与菌落有什么不同？ 2.明胶培养基中的培养特征用穿刺接种法将细菌接种在明胶培养基中培养，能产生明胶水解酶水解明胶，不同的细菌将明胶水解成不同形态的溶菌区，依据这些不同形态，可将细菌进行分类。 3.半固体培养基中的培养特征穿刺接种，根据细菌的生长状态判断细菌的呼吸类型和鞭毛有无，能否运动。呼吸类型与培养特征 4.液体培养基中的培养特征细菌在液体培养基中的培养特征是分类依据之一。因细胞特征、比重、运动能力和对氧气等关系的不同，而形成不同的群体形态，多数表现混浊，部分表现沉淀，好氧细菌则在液面大量生长，形成菌膜或环状等 1.细菌表面电荷和等电点定义：等电点：氨基酸所带的正电荷和负电荷相等时的pH值，称为该氨基酸的等电点。3.1.4细菌的物理化学性质 细菌的等电点在pH为2～5；革兰氏阳性菌的等电点在pH为2～3；革兰氏阴性菌的等电点在pH为4～5：pH为3～4之间的为革兰氏染色不稳定性菌；一般培养中，细菌所处的pH值都高于细菌的等电点，表面带负电荷。1.细菌表面电荷和等电点 2.细菌的染色原理及染色方法细菌细胞微小透明，染色后易于观察。细菌在通常培养情况下总是带负电荷，故用带正电的碱性染料染色 A简单染色：常用来观察细菌的形态、大小和排列方式。用一种染液染色菌体。一般菌体被染上染料的颜色。B复合染色法：两种染料染色，以区别细菌的革兰氏染色反应或抗酸性反应，或将菌体和某一结构染成不同颜色。常用的染色法有： 复合染色之革兰氏染色1884年丹麦细菌学家创造了革兰氏染色法。将一大类细菌染上色，而另一类染不上色，以便将两大类细菌分开，作为分类鉴定的重要依据。也称为鉴别染色法。 1234 阳性菌阴性菌 革兰氏染色机制：（1）与等电点有关：革兰氏阳性菌pH2～3，阴性菌pH4～5，加I-－KI媒染，等电点降低，阳性菌降低的更低，与结晶紫结合得更牢固；阴性菌结合力弱，易被乙醇脱色。 （2）与细胞壁有关：革兰氏阴性菌细胞壁薄、脂类物质高，易被乙醇溶解增加细胞通透性；革兰氏阳性菌细胞壁厚、肽聚糖含量高、脂类物质含量低，肽聚糖被乙醇脱水使降低细胞通透性；因此复染后表现不同的染色效果。 3.细菌悬液的稳定性两种状态：稳定S型，不稳定R型。S型菌均匀分布于培养基中，不发生凝聚，只在电解质浓度高时才发生凝聚；R型很容易发生凝聚而沉淀在瓶底。 菌悬液稳定性与水处理污水、废水生物处理中的二沉池，沉淀效果与细菌悬液的稳定性密切相关；可采取投加强电解质等方式改善活性污泥的沉淀效果 3.2古菌 古菌是最古老的生命体，如果将地球约４６亿年的年龄比作一年，那么古菌早在３月２０日就出现了，而人类诞生不过是１２月３１日的事。它们多生长于极端环境，如热泉、高压的海底火山口、盐湖等。 古生菌在进化谱系上与真细菌及真核生物相互并列，且与后者关系更近，而其细胞构造却与真细菌较为接近，同属于原核生物。 3.2.1古菌的特点1.形态：薄，扁平；2.细胞结构：多含脂蛋白，不含二氨基庚二酸和胞壁酸；3.代谢：多样性，代谢中有特殊的辅酶；4.呼吸类型：多数厌氧5.繁殖：繁殖速度慢，进化速度慢6.生活习性：极端环境生活。 3.2.2古菌的分类按生活习性和生理特征分类三类：产甲烷菌，嗜热嗜酸菌，极端嗜盐菌《伯杰氏系统细菌学手册》（第三卷），将古菌分为五大群。 （一）产甲烷菌细胞结构包括：细胞封套（细胞壁、表面层、鞘和荚膜）、细胞膜、细胞质和核质 （一）产甲烷菌2.培养方法专性厌氧，需要在特殊环境下操作；目前最好的是厌氧手套箱厌氧培养箱可进行分装厌氧培养基，倒制平板，离心厌氧微生物收集菌体，对氧敏感的酶的分离纯化等 （二）嗜热嗜酸菌包括：古生硫酸还原菌和极端嗜热古菌特点：专性嗜热、好氧、兼性厌氧、严格厌氧，革兰氏阳性、杆状、丝状或球状。最适生长温度在70～105℃嗜酸性和嗜中性，自养或异氧生长。多数是硫代谢菌 （三）极端嗜盐古菌生活环境高盐环境，如：晒盐场，天然盐湖，高盐腌渍食物等；通常需盐下限为1.5mol/L的NaCl，多数需要NaCl为2～4mol/L （三）极端嗜盐古菌特点：细胞呈链状、杆状或球状；靠钠、氯和镁离子维持细胞结构和硬度；革兰氏阴性或阳性，好氧或兼性厌氧，化能有机营养型；生长温度可高达55℃。 3.3放线菌 在固体培养基上呈辐射状生长；多数为腐生菌，少数为寄生菌；在自然界物质循环中起积极作用。放线菌与人类的关系极为密切，至今从微生物中发现了几千种抗生素，其中2/3是由放线菌产生的。有些放线菌还用于生产维生素和酶制剂、处理污水等。 1、形态：呈菌丝状，是由单细胞延生分枝而成。2、结构：根据菌丝作用分为：营养菌丝→气生菌丝→孢子菌丝。链霉菌属是放线菌中种类最多、分布最广、形态特征最典型的类群。（一）形态结构 （1）营养菌丝（基内菌丝）：生长在营养基内，直径在0.2-0.8µm；有的产生色素（菌落背面呈现不同颜色），主要的生理功能是吸收养分。（2）气生菌丝：比营养菌丝粗，直径约1-1.4µm，有的产生色素。（3）孢子菌丝：孢子丝产生孢子，可随风传播，萌发成基内菌丝；其形状有螺旋形、枝形。 放线菌的形态模式图 孢子丝着生方式可作为鉴别的依据放线菌孢子丝的类型 1、多为需O2型（抗生素生长需要氧）2、生长温度分：中温型（23-37℃）、高温型（50-65℃）3、主要通过形成无性孢子的方式进行繁殖，也可利用菌丝片断进行繁殖。（二）一般特性： （三）菌落形态固体培养基中，放线菌菌丝相互交错缠绕形成质地致密的小菌落，干燥、不透明、难以挑取；当大量孢子覆盖于菌落表面时，就形成表面为粉末状或颗粒状的典型放线菌菌落；由于基内菌丝和孢子常有颜色，使得菌落的正反面呈现出不同的色泽。 放线菌的菌落形态 3.4蓝细菌 蓝细菌是古老的生物，能产生氧气，使地球由无氧环境转为有氧环境；分布广泛，淡水、海水、潮湿土壤等均有生长，耐高温和干燥；在污水处理、水体自净中起积极作用，也是水体富营养化的指示生物 1、个体形态差异大：球形、杆状；多形态；有单细胞，也有丝状体形态，直径约为1-3µm。2、吸收二氧化碳、无机盐和水合成有机物供自身营养，放出氧气。3、特殊结构：具光合器、气泡、异形胞。4、呈蓝、绿、红等颜色，蓝细菌的颜色随光照条件改变而改变特征 3.4其他原核微生物 比细菌小（0.2-0.5µm），多不能通过细菌过滤器；细胞壁与细菌相似，G-，不运动，形态随发育阶段不同而不同。可通过寄主传播疾病。寄生原因：1、酶系统不完整，故要借助寄主酶系统来完成自身活动；2、细胞膜疏松，细胞质易泄露而失去活力，故只有生活在另一个细胞中，利用寄主细胞的细胞质的营养物质；3、抗性差。100℃死亡。（一）立克次氏体： 有细胞壁，细胞壁与细菌相似，大小比立克次氏体小（0.2-0.3um）G-；能通过细菌过滤器。寄生原因：1、产能系统不完整，必须依靠寄主细胞获得能量。2、抗性差。60℃死亡。对四环素、红霉素、氯霉素等敏感。（二）衣原体 最小的可以独立生活的细胞生物（0.2-0.25µm），无细胞壁，形态多样化（球、杆、环、丝）；对青霉素、溶菌酶不敏感，对干扰素也不敏感；要求的营养环境高，常需血清，生长缓慢，菌落小。（三）、支原体 介于细菌和原生动物之间的单细胞微生物。菌体柔软细长，呈螺旋状，无鞭毛，有细胞壁，但无细菌坚韧，一段有一根轴索（轴丝状），靠其运动。分密螺旋和疏螺旋。如：梅毒螺旋体，钩端螺旋体。分别引起梅毒和钩端螺旋体病。（四）、螺旋体 一假单胞菌属（Pseudomonas）水中极常见二动胶菌属（Zoogloea）聚集成絮毛状菌胶团三产碱杆菌属（Alcaligenes）反硝化四黄杆菌属（Flavobacterium）分解蛋白质五芽孢杆菌属（Bacillus）起重要作用六埃希氏菌属（Escherichia）E.coli重要的粪便菌七甲烷杆菌属（Methanobacterium）厌氧生物处理八甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）厌氧生物处理水处理涉及的细菌种类 思考1）在pH为6、7和7.5的溶液中，细菌各带什么电荷？在pH为1.5的溶液中，细菌带什么电荷？为什么？2）革兰氏染色的机制和步骤是什么？3）细菌菌落的概念；细菌有哪些培养特征？4）古菌包括哪几种？生活习性各是什么？5）用什么培养技术判断细菌的呼吸类型和能否运动？如何判断？ 第四章真核微生物 回顾生物细胞生物非细胞生物：、亚病毒原核生物：、、、螺旋体、立克次氏体等。 原核微生物原核微生物细胞无细胞核，只有或；病毒属于类生物。 （？）（？）（？）（？）（？）（？） 真核生物是一大类细胞核具有核膜，能进行有丝分裂，细胞质中存在线粒体或同时存在叶绿体等多种细胞器的生物。真菌、显微藻类和原生动物等属于真核生物类的微生物，称为真核微生物真核微生物概述 比较：原核微生物和真核微生物原核微生物细胞无细胞核，只有原始核或拟核；真核微生物细胞的主要特征是有细胞核和细胞器及复杂的内膜系统。 原核生物细胞无核膜，有一个明显的核区，核区集中了主要遗传物质，由一条与类组蛋白相联系的双链DNA构成的染色体组成。真核生物细胞则是由一条或一条以上的双链DNA与组蛋白等结合成的染色体，并由核膜包围。核、核膜、染色体原核细胞没有独立的内膜系统，与代谢有关的酶如呼吸酶合成酶等位于细胞膜上，因此它的能量代谢在质膜上进行。真核细胞不仅有独立的内膜系统，还有细胞骨架，呼吸酶在线粒体中，有专用的细胞器来完成各项生理功能，如线粒体、叶绿体。代谢场所原核细胞和真核细胞的区别 典型的真核细胞结构（动物）典型的真核细胞结构（植物） 无论是真核细胞还是原核细胞、动物细胞还是植物细胞，它们都具有细胞质膜、DNA和RNA、核糖体等等，各种细胞都可以通过一分为二的分裂方式来形成新细胞，使生命得以延续。 真核微生物的主要类群真核微生物植物界：显微藻类动物界：原生动物菌物界粘菌假菌真菌单细胞：酵母菌丝状：霉菌大型子实体：蕈菌或原生生物界 4.1原生动物 4.1.1原生动物的一般特征1.概念动物中最原始、最低等、结构最简单的单细胞动物。动物学中列为原生动物门。淡水阿米巴（变形虫） 2.大小10～300µm3.细胞结构单细胞生物，无细胞壁，有细胞膜、细胞质，有分化的细胞器，细胞核有核膜细菌、病毒的大小？ 4.功能有独立生活的生命特征和生理特征。如：摄食、营养、呼吸、排泄、生长、繁殖、运动即对刺激的反应等各种功能由相应的细胞器执行。 5.原生动物的营养类型（1）全动性营养－－绝大多数吞食其他生物和有机颗粒为食（2）植物性营养有色素的原生动物如绿眼虫等，进行光合作用。（3）腐生性营养某些无色鞭毛虫或寄生的原生动物，借助体表的原生质膜吸收环境和寄主的有机物 6.原生动物的繁殖营养丰富、环境良好的条件下,大量繁殖。分为有性生殖和无性生殖。 4.1.2原生动物的分类早期，根据细胞器和其他特点分为四个纲：鞭毛纲、肉足纲、纤毛纲和孢子纲。后将原吸管纲并如纤毛纲。动物学分类：鞭毛纲、肉足纲、纤毛纲（包括吸管纲）及孢子纲。 鞭毛纲、肉足纲和纤毛纲存于水中，在废水生物处理中起到重要作用；而孢子纲中的孢子虫寄生在人体和动物体内，可随粪便排到污水中，需要消灭 具有一根或多根鞭毛；有三种营养类型：全动性营养、植物性营养和腐生性营养。大小从几微米到几十微米，可依据形态和运动方式辨认。鞭毛纲在自然水体中，鞭毛虫喜欢在多污带和α－中污带生活。活性污泥培养初期或处理效果差，鞭毛虫大量出现，可作为污水处理的指示生物。 代表动物——眼虫（Euglena）生活在有机物质丰富的水沟、池沼或缓流中。温暖季节可大量繁殖，常使水呈绿色。眼虫体呈绿色，梭形，长约60μm，前端钝圆，后端尖。眼虫在运动中有趋光性，这是因为在鞭毛基部紧贴着储蓄泡有一红色眼点，靠近眼点近鞭毛基部有一膨大部分，能接受光线，称光感受器。 肉足纲机体表面仅有细胞质形成的一层薄膜。形体小，无色透明，多没有固定形态。叫变形虫。少数呈球形，有伪足。形成伪足作为运动和摄食的细胞器。全动性营养。 肉足纲可分为两个亚纲，即根足亚纲和辐足亚纲图4太阳虫图1.淡水阿米巴（变形虫）图2，动态中的食物泡.食物泡中充满了酶，用来消化猎物。图3.细胞核，还能看到许多不同阶段的食物泡 变形虫食性广，单细胞藻类、细菌、小原生动物、真菌、有机碎片等皆是它们的食物。变形虫生命力强，在条件不好时，可以形成一个包囊(休眠体)度过难关。在污水生物处理系统中，变形虫在活性污泥培养中期出现。 纤毛纲纤毛纲的原生动物叫纤毛虫。有游泳型和固定型两种以纤毛作为运动和摄食的细胞器。是原生动物中最高级的一类，有固定的、结构细致的摄食细胞器。 草履虫喇叭虫游泳型纤毛虫，属全毛目 钟虫固着型纤毛虫，属缘毛目，虫体呈典型的钟罩形，故称钟虫类。钟虫类的虫体在不良环境中发生变态，运动前进方向由向前运动改为向后运动 纤毛纲中的游泳型纤毛虫多在中污带，少数在寡污带。污水生物处理中，在活性污泥培养中期或在处理效果较差时出现。固着型纤毛虫，喜在寡污带生活，是水体自净程度高、污水生物处理好的指示生物。 4.1.3原生生物的胞囊形成原因环境条件变坏，可以使原生动物不能正常生活而形成胞囊。环境变坏指：如水干枯、水温和pH值过高或过低，溶解氧不足，缺乏食物或排泄物积累过多，废水中的有机物浓度超过它的适应能力等。所有原生动物在污水生物处理中起到指示生物的作用。一旦形成胞囊，就可判断污水处理不正常 4.2微型后生动物 原生动物以外的多细胞动物叫后生动物。形体微小的，需借助显微镜观察的后生动物称为微型后生动物。如：轮虫、线虫、寡毛虫等 轮虫轮虫的形态长度4～4000µm，多数在500µm左右；身体为长型，分头部、躯干和尾部，头部有纤毛组成的能转动的轮盘。轮盘是运动和摄食器官。 大多数以细菌、霉菌、藻类、原生动物及有机颗粒为食；猪吻轮虫为肉食性，在污水处理中若大量出现，会将活性污泥蚕食光。轮虫可作为水生动物的食料，如鱼饲料等生活习性轮虫要求有较高的溶解氧，是水体寡污带和污水生物处理效果好的指示生物 线虫线虫的形态长型，多数在1mm以下；线虫前端口上有感觉器官，体内有神经系统，有消化道和食道。荧光显微镜下的秀丽线虫线虫有三种营养类型：腐食型、植食型和肉食型；线虫有寄生和自由活动两种方式；污水处理中出现的多是自由活动的。线虫的习性 污水处理中常见的线虫线虫是污水处理净化程度差的指示生物 寡毛类动物污水处理中常见的的寡毛虫污水生物处理中出现的多为红斑顠体虫颤蚓和水丝蚓为河流、湖泊底泥污染的指示生物 4.3藻类 4.3.1藻类的一般特征1.形态大小和细胞结构形体大小和结构差异大，小的藻类只能在光学显微镜下观察；有单细胞的个体和群体，群体是若干个个体以胶质相连，大小以微米计；2.习性真核藻类具有叶绿体，光能自养，可进行光合作用；少树腐生，极少数共生。生长条件：阳光、pH4～10 4.3.2藻类的分类及简介根据藻类的光合色素的种类、个体形态、细胞结构、生殖方式和生活史等分为10门：原核：蓝藻门真核：裸藻门、绿藻门、轮藻门、金藻门、黄藻门、硅藻门、甲藻门、红藻门及褐藻门 裸藻门特点：（1）不具有细胞壁（2）有鞭毛，能运动（3）多数具有叶绿体（4）繁殖方式为纵裂（4）环境恶化，裸藻失去鞭毛形成胞囊 但是，它也有不足之处。特别是没有反映现代生物的两个最基本和最进步类群——动物与植物的系统关系及其历史渊源。实际上，植物与动物的祖先类型不仅都可以在原生生物中找到，而且它们在原始生物中的祖先类型甚至具有一定的同一性。这种同一性在现代的一种原始生物--眼虫身上还可以找到。眼虫是一种生活在水中的单细胞原生生物。身体呈长梭形或圆柱形，前端有一个凹口，由此伸出一根鞭毛，其摆动在水中产生的反作用力能够推动身体运动；凹口的下方有一个具有感光机能的红色的眼点（眼虫的名称就因具有眼点而得）。如果把它们放在含有有机物的水中，眼虫能够靠细胞膜吸取水里的有机物“食物”，过着动物式的异养生活。这些性质使动物学家认为，眼虫是一种“原生动物”。但是同时，眼虫的细胞却又有含叶绿素的叶绿体，能够进行光合作用，自己制造营养。因此，植物学家认为，它是一种“原生植物”；由于它的细胞外面没有细胞壁，植物学家给它起了另外一个名字——裸藻。眼虫的这种“动物植物双重性”使许多科学家相信，动物与植物有共同的祖先——它很可能就是与眼虫类似的、某种生活在远古水域中的单细胞原生生物。在漫长的进化过程中，它们当中的某些个体伴随着基因组的变化加强了运动、摄食的结构和功能，同时逐步“丢失”了进行光合作用的结构和功能，最终生活方式转变成为完全的异养；另外一些个体则伴随着基因组的其它方式的变化向着完全自养的方式转变。前一种方式代表着最早的动物的产生，后一种方式代表着最早的植物的出现。原始的原生动物和原生植物分异伊始都是单细胞的，随后，它们分别向多细胞方向发展。生长环境生长在有机物丰富的静止水体或缓慢的流水中，对温度的适应范围广，大量繁殖时形成绿色、红色或褐色的水华是水体富营养化的指示生物 绿藻门特点：形体多样，有单细胞体、群体、多细胞丝状体、多细胞片状体等类型；绿藻的细胞内，都具有真核，有核膜、核仁；细胞壁分两层，内层主要是纤维素组成，外层为果胶质，常常粘液化。多含叶绿素a、b，也含有叶黄素、泥黄素等；贮藏物为淀粉和油类；有无性生殖和有性生殖单细胞：衣藻 石莼绿管浒苔团藻错综根枝藻刺松藻不同形状的绿藻 绿藻鸡汤竹荪卷脆皮绿藻乳酪芥末绿藻珊瑚花小球藻和栅藻富含蛋白质，可作为食品绿藻是藻类生理生化研究的材料及宇宙航行的供氧体绿藻在水体自净中起净化和指示生物作用 轮藻门具有大型顶细胞，其他特点大致与绿藻相同，也有人将其归于绿藻门。卵配生殖，在淡水和半咸水中生长轮藻可烟熏驱蚊，轮藻生长的水中无孑孓生长。 硅藻门硅藻为单细胞，形体像小盒，由上壳和下壳组成；硅藻的细胞壁由硅质和果胶质组成；细胞内有一个核和两个以上的色素体。硅藻的形态硅藻的细胞有些硅藻可作土壤和水体盐度、腐殖质含量和酸碱度的指示生物；是水中动物的食料。 甲藻门甲藻多为单细胞的个体；有细胞壁，细胞核大，细胞质中有大液泡；有色素体，藻体呈棕黄色或黄绿色甲藻在短期内大量繁殖会造成海洋“赤潮”甲藻死后沉在海底形成生油地层中的主要化石 赤潮 褐藻门海带属、裙带属含碘量高，可供食用红藻门江篱属、石花菜属、麒麟属可提取琼脂，供食用、医药用及制生化试剂江篱石花菜海带裙带 思考1.从细胞大小、结构、生理特性等方面，比较真核微生物与原核微生物有哪些异同点？2.原生动物中各纲在水体自净和污水生物处理中如何其指示作用？3.污水生物处理中的指示生物有哪些？试总结说明，并比较各有何特点。4.水体富营养化与哪些藻类有关？ 4.4真菌 4.4.1概述真菌(Fungi)分布广泛，类群庞大，形态差异极大，约有十几万种。菌体形态大小差别很大。生殖方式为无性或有性，同宗或异宗配合。生活循环简单或复杂。生活习性，兼性或专性腐生，寄生或共生。在有机物的生物处理中起积极作用。电镜下的酵母菌电镜下的红曲霉肉眼可见的蘑菇包含哪几大类? ①有边缘清楚的核膜包围着细胞核，而且在一个细胞内有时可以包含多个核，其它真核生物很少出现这种现象；②不含叶绿素，营养方式为异养吸收型；③以产生大量孢子进行繁殖；④除酵母菌为单细胞外，一般具有发达的菌丝体。陆生性较强真菌是一类低等真核生物，主要有4个特点： 异养方式多样，凡从活的动物、植物吸收养分的称为寄生(Parasitism)；从死的动、植物体或其他无生命的有机物中吸取养分的称为腐生(saprophytism)；从活的有机体吸取养分，同时又提供该活体有利的生活条件，从而彼此间互相受益、互相依赖的称为共生(symbiosis)。三种营养方式异养吸收：通过细胞表面自周围环境中吸收可溶性营养物质 4.4.2酵母菌酵母菌(yeast)一般泛指能发酵糖类的各种单细胞真菌。在分类系统中分别属于担子菌纲、子囊菌纲和半知菌纲。有氧化型和发酵型两种。发酵型：发酵糖为乙醇（或甘油、有机酸等）和二氧化碳，用于面包、馒头和酿酒氧化型：无发酵能力或发酵能力弱而氧化能力强 ①个体多以单细胞状态存在；②多数出芽生殖，也有裂殖；③能发酵糖类产能；④细胞壁常含甘露聚糖；⑤喜在含糖量较高的偏酸性环境中生长。酵母菌的特点： 在自然界分布很广，主要分布于偏酸性含糖环境中。如水果、蔬菜、蜜饯的表面和果园土壤中最常见。不少酵母菌可以利用烃类物质，故在炼油厂附近的土层中可以找到这类可利用石油的酵母菌。酵母菌的分布 酵母菌的应用酵母菌是人类利用最早的微生物，与人类关系密切。如各种酒类生产，面包制作，甘油发酵，饲用、药用及食用单细胞蛋白生产，从酵母菌体提取核酸、麦角甾醇、辅酶A、细胞色素C、凝血质和维生素等生化药物。少数酵母菌能引起人或其它动物的疾病；在石油加工工业中脱蜡，降低石油凝固点，处理炼油厂含油废水、含酚废水及其他高含有机物的废水均有应用；用于监测重金属。 酵母菌的形态基本形态：球形、卵圆形、腊肠形、椭圆形等。特殊形状：假菌丝。假菌丝是由酵母菌在繁殖时子细胞没有脱离母体而与母细胞线连成链，形成假丝状。图3-5假丝酵母菌与白地霉(1.细胞；2.假菌丝) 酵母菌的大小比细菌的单细胞个体要大得多，一般为直径为1~5微米，长约5~30微米。如酿酒酵母(Saccharomycescervisiae)细胞大小为2.5～10μm×4.5～21μm。 酵母菌的细胞结构酵母菌细胞结构模式图 1.细胞壁厚约25nm，重量达细胞干重的25％，主要成分为“酵母纤维素”细胞壁有三层结构，呈三明治状：外层为甘露聚糖，中间为蛋白质，内层为葡聚糖；酵母菌细胞壁可用玛瑙螺胃液制成的蜗牛消化酶水解，形成原生质体酵母菌的细胞壁结构原生质体的形状？ 2.细胞膜位于细胞壁内侧，厚约7nm，结构与原核微生物相似；电子显微镜下呈3层结构，主要成分为：蛋白质（干重的50％），类脂（40％）和少量糖类；酵母细胞膜上的类脂中含有甾醇，其中麦角甾醇居多，经紫外线照射形成维生素D2。酵母菌的细胞膜结构 3.细胞核酵母菌具有真核—多孔核膜包裹起来的细胞核。在电子显微镜下，可看到核膜是一种双层单位膜，其上存在着大量直径40～70nm的圆形小孔，细胞核与细胞质间的物质交换通过该通道进行，核内合成的RNA通过核孔转移到细胞质中，为蛋白质合成提供模板。酵母菌的细胞核酵母细胞核是其遗传信息的主要贮存库。 4.细胞器—线粒体(Mitochondria)通常呈杆状，数量1～20个，横断面直径约0.3～1μm，长0.5～3μm。线粒体具双层膜，内膜向内卷曲折叠成崤，崤上有小圆形颗粒。线粒体含丰富的类脂、磷酸、麦角甾醇、RNA、DNA和蛋白质，并含有RNA聚合酶和呼吸酶，后者与三羧酸循环和电子传递有关。线粒体 5.其他结构成熟的酵母菌细胞中，有一个大型的液泡。老龄菌细胞质由于营养过剩，形成一些内含物，如：异染颗粒、脂肪粒、蛋白质和多糖。少数酵母菌还存在微体等细胞器。液泡 酵母菌的繁殖酵母菌的繁殖方式多样，对科学研究、菌种鉴定和菌种选育工作十分重要。繁殖方式无性繁殖有性繁殖：芽殖：各属酵母均存在裂殖：在裂殖酵母菌中存在产无性孢子节孢子：地霉属等产生掷孢子：掷孢酵母属等产生厚垣孢子：Candidaalbicans等产生如酵母属、接合酵母属等代表性的繁殖方式 1.无性繁殖之一：芽殖芽体形成过程：（1）水解酶分解芽体部位的细胞壁多糖，使细胞壁变薄；（2）核物质(染色体)和细胞质等在芽体起始部位堆积，芽体逐步长大；（3）芽体达到最大体积时在芽体与母细胞之间形成隔离壁；子细胞与母细胞在隔离壁处分离。（4）在母细胞上留下一个芽痕，在子细胞上留下一蒂痕。 光学显微镜下无法直接看到酵母菌的芽痕。用钙荧光素(calcafluor)或樱草灵(Primulin)等荧光染料染色，可在荧光显微镜下看到芽痕、蒂痕。通过扫描电镜摄影，可以清晰地看到芽痕和蒂痕的细微结构。芽痕的观察 酵母菌以形成子囊和子囊孢子的方式进行有性繁殖。2.有性生殖过程：两个邻近的形态相同、性别不同的细胞各伸出一根管状原生质突起，然后相互接触并融合而成一个通道，细胞质结合(质配)，两个核在此通道内结合(核配)，形成双倍体细胞，并随即进行减数分裂，形成4个或8个子核，每一子核和其周围的原生质形成孢子。各种类型酵母菌的子囊孢子含有孢子的细胞称为子囊，子囊内的孢子称为子囊孢子。 酵母菌的培养特征固体培养基上的培养特征大多数酵母菌的菌落特征与细菌相似，但比细菌菌落大而厚；菌落表面光滑、湿润、粘稠，容易挑起，菌落质地均匀，正反面和边缘、中央部位的颜色都很均一，菌落多为乳白色，少数为红色，个别为黑色。啤酒酵母的菌落红酵母的菌落酵母菌菌落 不同形态的酵母菌菌落 可用于生物处理的酵母菌能以尿素和硝酸盐为氮源，不需任何生长因子。能利用五碳和六碳糖，即能利用造纸工业的亚硫酸废液、木材水解液及糖蜜等生产人畜食用的蛋白质。1.产朊假丝酵母产朊假丝酵母能发酵葡萄糖、蔗糖、棉子糖，不发酵麦芽糖、半乳糖、乳糖和蜜二糖。不分解脂肪，能同化硝酸盐。 2.解脂假丝酵母从黄油、人造黄油、石油井口黑油土、炼油厂及动植物油脂生产车间等处采样，可分离到解脂假丝酵母。解脂假丝酵母能利用石油等烷烃，是石油发酵脱蜡和制取蛋白质的较优良的菌种。 3.热带假丝酵母能发酵葡萄糖、蔗糖、麦芽糖和半乳糖，不利用乳糖、蜜二糖和棉子糖。不能同化硝酸盐，不分解脂肪。热带假丝酵母氧化烃类能力强，可利用煤油，为石油蛋白生产的重要酵母。也可用农副产品和工业废料生产饲料酵母。 4.白地霉＊属于丛梗孢科、地霉属。对葡萄糖、甘露糖及果糖弱发酵，有的弱发酵半乳糖。同化甘油、乙醇、山梨醇及甘露醇。不利用杨梅苷，分解果胶及油脂。不同化硝酸盐。白地霉的菌体蛋白营养价值高，可供食用及饲料用，也可提取核酸。还可合成脂肪。能利用糖厂、酒厂及其他食品厂的有机废水生产饲料蛋白。＊注：本教材中将其归于霉菌，多数参考资料认为其为酵母菌 5.其他如：出芽短梗霉，属于酵母菌短梗霉属，可以利用啤酒厂废水、制糖厂下脚料、农业废弃物等发酵生产多糖，可以用来作为生物絮凝剂、医疗塑料代替品、食品添加剂等。 4.4.3霉菌霉菌(mould,mold)属于丝状真菌(filamentousfungi)。通常指那些菌丝体较发达又不产生大型子实体结构的真菌。霉菌包括分类学上许多不同纲或类的真菌，它们分别属于藻状菌纲、子囊菌纲、担子菌纲和半知菌类。霉菌的菌落 霉菌在自然界分布极为广泛，只要存在有机物就有他们的踪迹；在自然界中，霉菌是最重要的有机物分解者，把其他生物难以利用的复杂有机物如纤维素和木质素彻底分解转化，成为绿色植物可以重新利用的养料。霉菌的分布 霉菌与人类的关系在工农业生产、医疗实践、环境保护等方面有密切的关系。①工业应用：有机酸，酶制剂，抗生素，维生素，生物碱，真菌多糖和植物生长刺激素(赤霉素)等产品的生产；生产甾体激素类药物；②食品酿造：酿酒、制酱及酱油等；③环境保护：如镰刀霉分解无机氰化物能力强，对废水中氰化物的去除率达90％以上；有的霉菌还可以处理硝基化合物废水；④危害：霉菌能引起粮食等农副产品及各种工业原料、产品、电器和光学设备的发霉或变质，也能引起植物和动物疾病。 1.霉菌的形态与构造（1）菌丝霉菌是由分支和不分支的菌丝交织形成的菌丝体。菌丝可无限伸长，直径约3～10微米。根据形态菌丝有两类：一类菌丝中无横隔，整个菌丝体就是一个单细胞，含有多个细胞核。另一类菌丝有横隔，每一段就是一个细胞，整个菌丝体是由多个细胞构成，横隔中央留有极细的小孔，使细胞质和养料互相沟通。 根据功能分，菌丝体有两种类型：营养菌丝：密布在营养基质内部，执行营养物质和水分吸收功能的菌丝体称为营养菌丝体或基内菌丝体；气生菌丝：伸展到空气中的菌丝体称为气生菌丝体。（2）菌丝体菌丝体：指真菌孢子在适宜固体培养基上发芽、伸长、分枝及其相互交织而成的菌丝集团。 （3）细胞结构与酵母菌细胞结构相似，由细胞壁、细胞膜、细胞核、细胞质和内含物等组成。在细胞壁与细胞膜之间还有一种由单层膜包围而成的特殊膜结构——膜边体，其形状为管状、囊状、球状、卵圆或多层折迭状，该结构分布于细胞周围，类似于细菌的间体。霉菌大多数是多细胞的，少数是单细胞的。 2.霉菌的繁殖方式霉菌有多种繁殖方式，可以由一段任意菌丝生长成新的菌丝体外，还可通过有性或无性方式产生孢子进行繁殖。霉菌主要通过无性孢子繁殖。 分生孢子：是霉菌中普遍存在的一类无性孢子，由菌丝顶端或分生孢子梗出芽或缢缩形成，其形状、大小、颜色、结构以及着生情况多样。无性孢子之分生孢子青霉具有明显分化的分生孢子梗。分生孢子梗顶端多次分枝成帚状。分枝顶端着生小梗，小梗上形成串生的分生孢子。青霉的分生孢子红曲霉的分生孢子着生在菌丝或其分枝的顶端，单生、成链或成簇，具有无明显分化的分生孢子梗；红曲霉的分生孢子 3.霉菌的菌落特征（1）霉菌的气生菌丝间无毛管水，其菌落与细菌和酵母菌不同，与放线菌接近。（2）霉菌菌落形态较大，质地比放线菌疏松，外观干燥，不透明，呈现或紧或松的蛛网状、绒毛状或棉絮状。放线菌－链霉菌的菌落细菌的菌落霉菌的菌落酵母菌的菌落 （3）菌落正反面的颜色及边缘与中心的颜色常不一致。是由于气生菌丝及其分化出来的孢子的颜色比营养菌丝的颜色深。（4）菌落中心气生菌丝的生理年龄大于菌落边缘的气生菌丝，其发育分化和成熟度较高，颜色较深，形成菌落中心与边缘气生菌丝在颜色与形态结构上的明显差异。平板上霉菌的菌落 四大类微生物的菌落和细胞形态特征（表一）项目单细胞微生物丝状微生物细菌酵母菌放线菌霉菌细胞核原核真核真核真核排列状况单个分散或有一定排列方式单个分散或假丝状丝状交织丝状交织形态特征小而均匀*,个别有芽孢大而分化细而均匀粗而分化细胞生长速度很快较快慢较快气味一般有臭味多带酒香味常有泥腥味往往有霉味*“均匀”指在高倍镜下看到的细胞只是均匀一团；而“分化”指可看到细胞内部的一些模糊结构。 项目单细胞微生物丝状微生物细菌酵母菌放线菌霉菌菌落含水状态很湿或较湿较湿干燥或较干燥干燥外观形态小而突起或大而平坦大而突起小而紧密大而疏松或大而致密透明度透明或稍透明稍透明不透明不透明与培养基结合程度不结合不结合牢固较牢固颜色多样单调,一般呈乳白色,少数红或黑色多样多样正反面颜色差别无无有有边缘**一般看不到细胞可见球状,卵圆状或假丝状细胞有时可见细丝状细胞可见粗线状细胞**用低倍镜观察。四大类微生物的菌落和细胞形态特征（表二） 霉菌的常见属霉菌的各个属在工业应用非常广泛，在环境保护领域也有着巨大的应用前景。请参考课本上霉菌的常见属的介绍和其他资料，查阅相关科技文献，写一篇霉菌在环境保护中的应用的课程论文。要求：格式包括：论文题目，摘要，正文，结论，参考文献 4.4.4蕈菌蕈菌俗称伞菌，通常指能形成大型肉质子实体的真菌。在分类上属于子囊菌纲和担子菌纲，均为丝状真菌。它包括食用菌和药用菌，其中多数为食用菌，蛋白质含量很高，氨基酸种类齐全，还含有多种维生素，营养丰富，；有的含抗癌物质，可药用。少数有毒或引起木材腐烂。 木耳大白口蘑金针菇香菇双孢蘑菇食用菌 灵芝药用 毒蝇鹅膏菌美丽粘草菇毒蘑菇毛头乳菇臭黄菇（可药用）毒粉褶菌 思考1.真菌的一般特点有哪些？2.解释寄生、腐生和共生的概念。解释酵母菌、霉菌和蕈菌。4.真菌包括那些微生物，在废水生物处理中起什么作用？5.酵母菌有什么特点？有哪些细胞结构？6.如何区别酵母菌与细菌的菌落？7.霉菌有几种菌丝？如何区别霉菌、放线菌的菌落？8.酵母菌和霉菌的繁殖方式有哪几种？主要方式是什么？ 第五章微生物的生理 内容提要基本概念酶的基本概念，本质，催化特性酶的分类，影响酶活的因素微生物细胞的元素组成微生物的营养物质微生物的营养类型微生物的培养基及类型营养物质进入细胞的方式 5.1微生物的酶 1857年,巴斯德等提出酒精发酵是细胞活动的结果。1878年，提出“酶”的名称；Liebig等提出发酵现象是由于溶解于细胞液中的酶引起的；1897年，Büchner兄弟用不含细胞的酵母汁实现了发酵，证明了发酵与细胞无关；1913年，Michaelis等提出了酶促动力学原理；1926年，Sumner第一次从刀豆中提出了脲酶结晶，并证明其具有蛋白质性质；20世纪30年代，Northrop又分离出结晶的蛋白酶、胰蛋白酶及胰凝乳蛋白酶，确立了酶的蛋白质本质。…………….. （1）用量少而催化效率高；（2）不改变化学反应的平衡点（3）可降低反应的活化能1.酶和一般催化剂比较 （1）催化效率高：反应速度是无酶催化或普通人造催化剂催化反应速度的10的6次方至10的16次方倍。2.酶作为生物催化剂的特性（2）酶的作用具有高度的专一性 (3)敏感性：对环境条件极为敏感，酶容易失活(4)酶活力的调节控制：如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。调整的本质是酶的活性中心的改变（有或无、优或劣(5)酶的催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关，有些酶是复合蛋白质，其中的小分子物质(辅酶、辅基及金属离子)与酶的催化活性密切相关。若将它们除去，酶就失去活性。(6)反应条件温和：常温、常压、中性。 （1）酶的蛋白质本质所有的酶都是蛋白质。有的是简单蛋白质，有的是结合蛋白质。酶同其他蛋白质一样，由氨基酸组成。3.酶的化学本质不能说所有蛋白质都是酶，只是具有催化作用的蛋白质，才能称为酶 （2）酶的组成根据组成成分分为：简单蛋白质酶结合蛋白质酶（结合非蛋白组分后才表现出酶的活性）两类。　　酶蛋白结合非蛋白组分后形成的复合物称“全酶”，全酶=酶蛋白+辅助因子。 辅助因子辅酶：与酶蛋白结合的比较松的小分子有机物辅基：与酶蛋白结合紧密的小分子有机物，不易透析除去金属激活剂：金属离子作为辅助因子 弥补氨基酸基团催化强度的不足，改变并稳定活性中心或改变底物化学键稳定性（底物—酶的催化对象）。例如：羧肽酶中的锌离子：可稳定活性中心使肽键失稳、吸附羧氧原子。辅助因子本身无催化作用，它的主要作用是： 在酶促反应中运输转移电子、原子或某些功能基，如参与氧化还原或运载酰基的作用，协助活性中心基团快速转移。辅助因子本身无催化作用，它的主要作用是： 根据酶蛋白分子的特点又可将酶分为三类单体酶(monomericenzyme)：只有一条多肽链。寡聚酶(oligomericenzyme)：由几个甚至几十个亚基组成，这些亚基可以是相同的多肽链，也可以是不同的多肽链。多酶体系(multienzymesystem)：是由几种酶彼此嵌合形成的复合体。（3）酶的分类 （1）水解酶类（2）氧化还原酶类（3）异构酶类（4）转移酶类（5）裂解酶类（6）合成酶类按照酶所催化的化学反应类型分类 催化大分子有机物水解成小分子反应式可以表示为：AB+H2OAOH+BH如：水解细胞壁的？酶（1）水解酶类 催化氧化还原反应的酶反应式为：AH2+BA+BH2（2）氧化还原酶类这类酶按照供氢体又可分为氧化酶和脱氢酶氧化酶：A、催化底物脱氢，氢由辅酶（FAD或FMN）传递给活化氧，两者结合生成H2O2，反应式①：B、催化底物脱氢，活化氧和氢结合生成H2O，反应式②：脱氢酶：催化底物脱氢，氢由中间受体NAD接受，反应式③： ①②③AH2+O2AH2O2+AH2+½O2AH2O+如：多酚氧化酶催化含酚基的有机物脱氢，氧化为醌类和水CH3CH2OH+NADCH3CHONADH2+ 催化底物的集团转移到另一有机物上的酶反应式：AR+BA+BR如：谷丙转氨酶催化谷氨酸的氨基转移到丙酮酸上，生成丙氨酸和α-酮戊二酸。实际上为取代反应（3）转移酶类 催化同分异构分子内的集团重新排列如：6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。（4）异构酶 （5）裂解酶催化有机物裂解成小分子有机物反应式：ABA+B 催化底物的合成反应蛋白质和核酸的生物合成都需要合成酶参加，需要消耗ATP以获得能量。（6）合成酶反应式：A+BATPABADPPi+++或A+BATPABAMPPPi+++ 酶在细胞的不同部位：可分为胞外酶、胞内酶和表面酶。按酶作用的底物不同，可分为淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核酸酶等。一种酶可以有多个名字，如：淀粉酶也属于水解酶，还属胞外酶其他分类 米－门公式（酶促反应速度方程）4.影响酶活的因素ν=K3[E][S]Km+[S](Km=K2+K3K1)米氏常数Km表示反应速度为最大速度一半时的底物浓度。Km值越小，表示酶与底物的反应越趋于完全；Km值越大，表明酶与底物的反应越不完全。 （1）酶浓度对酶促反应速度的影响在酶促反应中，如果底物浓度足够大，足以使酶饱和，则反应速度与酶浓度成正比。底物分子浓度足够时，酶分子越多，底物转化的速度越快。 当底物浓度很低时，有多余的酶没与底物结合，随着底物浓度的增加，中间络合物的浓度不断增高。反应速度也迅速增加。当底物浓度很高时，溶液中的酶全部与底物结合成中间产物，虽增加底物浓度也不会有更多的中间产物生成。反应速度的增加也减缓。（2）底物浓度对酶促反应速度的影响 温度对酶促反应速度的影响有两方面：（3）温度对酶反应速度的影响另一方面，随温度升高而使酶逐步变性，即通过减少有活性的酶而降低酶的反应速度，酶的最适温度就是这两种过程平衡的结果。一方面是当温度升高时，反应速度也加快。 在一定的pH下，酶具有最大的催化活性，通常称此pH为最适pH。pH对酶活的影响表现：改变底物分子和酶分子的带电状态；过高或过低的pH会影响酶的稳定性（4）pH对反应速度的影响 凡是能提高酶活性的物质，都称为激活剂(activator)，其中大部分是离子或简单有机化合物。如K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Zn2+、Cl-、Br-等。作用机理是稳定改变中心、提高亲和力。（5）激活剂对酶反应速度的影响 能减弱、抑制甚至破坏酶活性的物质称为酶的抑制剂。可分为两种形式：竞争性抑制：抑制剂与底物竞争，从而阻止底物与酶的结合。非竞争性抑制：酶可以同时与底物及抑制剂结合，两者都没有竟争作用（6）抑制剂对酶反应的影响 5.2微生物的营养 新陈代谢异化作用同化作用几个重要概念 1.微生物细胞的化学元素组成元素：C、H、O、N、P、S、K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo等；其中C、H、O、N、P、S六种元素占微生物细胞干重的97%；其它为微量元素。细胞组成元素的来源物质称为营养（物质）。 2.微生物的营养物质微生物的营养物质按其在机体中的生理作用可区分为：碳源、氮源、无机盐、生长因子和水五大类。（1）碳源为微生物提供碳素来源的物质称为碳源；包括各种天然有机化合物和CO2。    构成细胞骨架和供给能量。 能被微生物用来构成细胞物质的含氮化合物称为氮源物质；包括蛋白质类、氨及铵盐、硝酸盐、分子氮、其它。    为微生物提供蛋白、酶等。（2）氮源 为细胞提供所需的含K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo无机盐类。作用：酶活性中心；维持生物大分子和细胞结构的稳定性；调节并维持细胞的渗透压平衡；控制细胞的氧化还原电位和作为某些微生物生长的能源物质。（3）无机盐 生长因子通常指那些微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。主要包括维生素(vitamin)、氨基酸与嘌呤与嘧啶三大类。（4）生长因子 水是微生物生长所必不可少的，也是微生物的组份。水在细胞中的生理功能主要有：生化反应介质；溶剂与运输介质；温度缓冲等作用。（5）水 根据碳源、能源及电子供体性质的不同，可将绝大部分微生物分为四种类型：光能无机自养型光能有机异养型化能无机自养型化能有机异养型3.微生物的营养类型 能以CO2、CO或CO32-为唯一碳源，并利用光能进行生长的的微生物。它们能利用无机物如水、硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机化合物使CO2等固定还原成细胞物质，并且伴随元素氧（硫）的释放。藻类、蓝细菌和光合细菌属于这一类营养类型。（1）光能无机自养型 不具有光合色素，以CO2或碳酸盐作为的唯一碳源，能利用无机物氧化过程中放出的化学能作为它们生长所需的能量进行生长。能利用电子供体如H2、H2S、Fe2+或NO2-等使CO2还原成细胞物质。属于这类微生物的类群有硫化细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌等。（2）化能无机自养型 以光能为能源，以有机物作为供氢体，将CO2还原为有机物的一类厌氧微生物。红螺属的一些细菌就是这一营养类型的代表：光能有机营养型细菌在生长时通常需要外源的生长因子。（3）光能有机异养型 生长所需的能量来自有机物氧化过程放出的化学能，生长所需要的碳源主要是一些有机化合物，如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等。已知的绝大多数微生物属于化能有机营养型。（4）化能有机异养型 （1）碳氮磷比不同微生物细胞的元素组成比例不同，对营养元素的需求比例也不同。主要考虑碳氮和磷的比例。根据实际情况和需要来选择合适的比例。4.培养基 培养基是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。培养基中应含满足微生物生长发育的：水分、碳源、氮源、生长因子以及基本的离子，磷、硫、钠、钙、镁、钾和铁及各种微量元素。此外，培养基还应具有适宜的酸碱度(pH值)和一定缓冲能力及一定的氧化还原电位和合适的渗透压。（2）什么是培养基 基础培养基选择培养基鉴别培养基富集培养基（3）培养基的类型 5营养物质进入细胞四种方式：单纯扩散－－浓度梯度作用促进扩散－－浓度梯度为动力，载体帮助主动运输－－代谢能为动力，载体帮助，胞外到胞内基团转位－－复杂运输系统完成，物质起化学变化 思考1.酶的本质是什么？作为生物催化剂具有什么特性？2.酶的组成是什么？3.酶按催化的反应类型可分为几类？4.影响酶活的因素有哪些？是如何影响的？5.解释新陈代谢、同化作用、异化作用、光能无机自养、化能无机自养、光能有机异养、化能无机异养的概念。6.微生物的营养物质有哪些？7.培养基有哪些类型，分别起什么作用？8.营养物质进入细胞有哪些方式？ 5.3微生物的产能代谢 内容提要1.新陈代谢、合成代谢、产能代谢2.好氧呼吸、无氧呼吸、发酵3.氧化磷酸化、底物水平磷酸化、光合磷酸化4.葡萄糖的氧化，EMP途径和TCA循环及产能5.厌氧呼吸的类型 代谢是细胞内发生的各种化学反应的总称，它主要由分解代谢和合成代谢两个过程组成。分解代谢是指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。合成代谢是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程，在这个过程中要消耗能量。合成代谢所利用的小分子物质来源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境中的小分子营养物质。回顾：新陈代谢的概念，异化作用和同化作用的区别 5.3.1产能代谢和呼吸作用的关系1.呼吸作用的本质氧化与还原反应的统一过程。2.呼吸的类型发酵、好氧呼吸及无氧呼吸；微生物的呼吸作用产生能量。 3.微生物产能的方式和种类：电能（电子移动产生）化学能（氧化有机物和无机物的化学反应中释放的能量）机械能（运动产生的）光能（发光细菌产生的） 微生物能量的转化变为热，散失；供合成反应和生命的其他活动；贮存在ATP（三磷酸腺苷）中。 （1）氧化磷酸化好氧微生物呼吸时，通过电子传递体系产生ATP的过程。氧化磷酸化的过程表示为：ATP的生成方式NADH+H++3ADP+3Pi+1/2O2NAD++4H2O+3ATP1个NADH产生3个ATP 电子传递体系电子传递体系由NAD（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）或NADP（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）、FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）或FMN（黄素单核苷酸）、辅酶Q、细胞色素b、细胞色素c1等组成。电子传递体系的功能：接受电子合成ATP，把电子传递过程释放的能量贮存 电子传递体系在细胞中的部位原核微生物－－细胞质膜真核微生物－－线粒体电子传递体系产能情况NADH3ATPFADH2ATP 1个ADP生成1个ATP（2）底物水平磷酸化厌氧微生物和兼性厌氧微生物在底物氧化过程中，产生一种含高自由能的中间体，这一中间体将高能键交给ADP，使ADP磷酸化而生成ATP。ATP的生成方式底物水平磷酸化作用与氧化磷酸化作用的区别：底物水平磷酸化作用是指ATP的形成直接与一个中间代谢物上的磷酸基团转移相偶联。氧化磷酸化作用是指ATP的生成基于电子传递相偶联的磷酸作用 （3）光合磷酸化光引起叶绿素、菌绿素或菌紫素逐出电子，通过电子传递产生ATP的过程。ATP的生成方式ADP+H3PO4ATPAMP+2H3PO4ATPATP生成的反应式 5.3.2产能代谢与呼吸类型1.发酵广义：利用微生物代谢生产有用代谢物等的一类生产方式。狭义定义：无氧等外源受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力［H］未经呼吸链传递而直接交给某一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。 底物－H底物ADP+PiATP中间代谢物中间代谢物－H（发酵产物） 发酵的种类有很多，可发酵的底物有糖类、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解，主要分为四种途径：EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径。 两大步骤（1）两大步骤第一步：不涉及氧化还原反应的预备性反应，生成2分子中间产物3－磷酸甘油醛；第二步：发生氧化还原反应，合成ATP并形成两分子的丙酮酸。EMP途径 EMP途径产生2分子丙酮酸，获得2个ATP和2个NADH（或NADH+H+），NADH可在有氧条件下经呼吸链的氧化磷酸化产生6个ATP，在无氧条件下则可把丙酮酸还原成乳酸或乙醇。糖酵解的步骤步骤一步骤二发酵产物 如：酿酒酵母进行的酵母菌同型酒精发酵；由德氏乳杆菌、嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌进行的同型乳酸发酵。………..通过这些发酵，微生物可获得生命活动需要的能量，人类则可获得代谢产物由EMP途径中的丙酮酸出发的发酵，在不同微生物中可进入不同的发酵途径。 发酵仅为专性厌氧菌或兼性厌氧菌在无氧条件下的生物氧化机制，产能机制是底物水平的磷酸化反应。在发酵条件下有机化合物只是部分地被氧化，因此，只释放出一小部分的能量。发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在一起的。发酵中的产能反应 定义：当存在外在的最终电子受体－－分子氧时，底物可全部被氧化成CO2和H2O，并产生ATP。这种氧化称为好氧呼吸（或呼吸作用）。呼吸链－电子传递链2.好氧呼吸能源氧化eNADNADH2NAD传递链eO2还原 好氧呼吸产能的代表途径；指由丙酮酸经过一系列循环反应而彻底氧化、脱羧，形成CO2、H2O和NADH2的过程。是广泛存在于各种生物体中的重要化学反应，在好氧微生物中普遍存在，也称为三羧酸循环；由诺贝尔奖获得者（1953）、德国学者H.A.Kerbs于1937年提出。TCA循环 好氧呼吸过程中，葡萄糖的氧化分解为两阶段（1）葡萄糖经EMP途径酵解，不需要消耗氧，形成中间产物－－丙酮酸；（2）丙酮酸的有氧分解（TCA循环）。TCA循环 一般认为真正的TCA循环开始于2C化合物乙酰辅酶A与4C化合物草酸乙酰的缩合。从产能的角度看，通常把丙酮酸进入TCA循环前的“入门反应”－脱羧作用所产生的NADH+H+也计入，相当于6个ATP。若从EMP途径开始算起，即葡萄糖的开始酵解，则EMP途径生成2分子丙酮酸产生2个ATP和2个NADH+H+；TCA循环 三羧酸循环图注意：能量、产物的产生 总反应式：从丙酮酸脱羧开始：TCA循环丙酮酸+4NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+3NADH+FADH+CoA+GTP 从葡萄糖开始，能量统计TCA循环葡萄糖2个丙酮酸EMP2ATP+2NADH相当于产生8个ATP2丙酮酸2乙酰－SCoA脱羧2个NADH相当于产生6个ATP2乙酰－SCoATCA循环2草酸乙酰6NADH+2FADH+2ATP相当于24个ATP30个ATP TCA循环在微生物分解代谢和合成代谢中的枢纽地位 定义：指一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。氧化底物一般为有机物，如：葡萄糖、乙酸等，被氧化为CO2，生成ATP。根据呼吸链末端氢受体的不同，可有多种呼吸类型。3.无氧呼吸 （1）硝酸盐呼吸－－NO3-作为最终电子受体NO3-被还原成NO2-、N2O和N2，供氢体可以是葡萄糖、乙酸、甲醇等有机物，也可以是H2和NH3该过程叫脱氮作用，也叫反硝化作用或硝酸盐还原作用。能进行硝酸盐呼吸的都是兼性厌氧微生物－－反硝化细菌。生物处理中，可除去含氮化合物中的氮。无氧呼吸的典型类型 （2）硫酸盐呼吸是一类称作硫酸盐还原菌的严格厌氧菌在无氧条件下获取能量的方式；特点：底物脱氢后，经呼吸链递氢，最终由末端氢受体受氢，在递氢过程中与氧化磷酸化作用相偶联而获得ATP。硫酸盐呼吸最终还原产物是H2S。石油管道中，厌氧微生物的硫酸盐呼吸产生的H2S使管道环境为酸性，易腐蚀管道；生物处理中，该呼吸产生的H2S可以和某些重金属离子结合形成硫化物沉淀，而除去水中重金属污染。无氧呼吸的典型类型 （3）碳酸盐呼吸以CO2或重碳酸盐作为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。产甲烷菌可利用甲醇、乙醇、乙酸等作为氢供体，将CO2还原为CH4。可以用来获得清洁能源－－甲烷气。有机废物的卫生填埋等需要考虑厌氧产生的甲烷气，可以收集来作为能源。无氧呼吸的典型类型 5.4微生物的合成代谢 5.4.1自养微生物的CO2固定1.厌氧乙酰－CoA途径又称为活性乙酸途径，这种非循环式的CO2固定机制，主要存在于一些产乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等化能自养细菌中。 甲基来源CO2CHO－THFATP+THFH2CH3-THFH2CH3-B12B12THFB12X羧基来源CO2CO-XCH3-CO-XH2H2O一氧化碳脱氢酶最终产物CH3-CHOOHCH3-CO-SCoACH3-CO-COOHCoAATPCO22[H]CoA丙酮酸合成酶CO2固定的厌氧乙酰－CoA途径四氢叶酸维生素B12 藻类的光合作用和呼吸作用藻类依靠体内的光合色素，从H2O的光解中获得H2，还原CO2为[CH2O]n。2.光合作用化学反应式为：CO2+H2O［CH2O］+O2阳光叶绿素藻类光反应最初的产物ATP和NADPH2不能长期贮存，通过光周期把CO2转变为高能贮存物蔗糖或淀粉。晚上，利用白天合成的有机物作底物，同时利用有氧呼吸放出CO2 利用现成的有机物作碳源和能源利用部分中间代谢产物及分解代谢中产生的ATP合成自身细胞的各种组分。参阅相关书籍，了解异氧微生物细胞物质合成的途径，了解代谢回补。3.异氧微生物的合成代谢 总结能量代谢是微生物新陈代谢的核心。研究能量代谢就是追踪有机物、无机物或日光辐射能这些最初能源是如何一步步转变成生命活动能源ATP的。绝大多数微生物是异氧微生物，利用有机物作为能源，通过生物氧化以及与此相联的氧化磷酸化或底物水平磷酸化形成ATP。生物氧化必须经历脱氢、递氢和受氢三个阶段，按最终氢受体的性质分好氧呼吸、厌氧呼吸和发酵。好氧呼吸产能效率最高，无氧呼吸次之，发酵最低。EMP途径和TCA循环是微生物利用糖类进行能量代谢的两个重要途径。 1.什么叫新陈代谢？合成代谢和分解代谢有什么区别和联系？2.微生物呼吸的本质是什么？有什么类型？各有什么特点？3.电子传递体系通常由什么组成？有什么功能？4.发酵的含义是什么？酒精发酵是如何进行的？5.什么叫底物水平磷酸化、氧化磷酸化和光合磷酸化？6.EMP途径的产物是什么？产能如何？TCA途径的产能如何？葡萄糖在好氧条件是如何彻底氧化，产能如何？思考 第六章微生物的生长繁殖与生存因子 内容提要1.微生物生长繁殖的概念2.微生物生长繁殖的测定方法3.微生物的典型生长曲线及不同时期的特点4.微生物的连续培养方法和应用5.温度、pH、溶解氧、氧化还原电位等微生物的生存因子 6.1微生物的生长繁殖 6.1.1微生物生长繁殖的概念1.生长、繁殖生长：微生物细胞的增长。（单细胞、多细胞）繁殖：微生物个体数目的增加。群体生长：个体的进一步生长，就引起了群体的生长；群体的生长可以用重量、体积、个体浓度或密度指标来测定。群体生长＝个体生长+个体繁殖一般微生物的研究和应用中，只有群体的生长才有意义，所以通常讲的“生长”是指群体生长。 （1）概念两次细胞分裂的时间间隔，称为世代时间。（2）影响世代时间受培养环境的影响。不同的微生物，生长繁殖速度不同，世代时间也有不同。2.世代时间注意与生长繁殖的区别 6.1.2测定微生物繁殖的方法一、测生长量直接法间接法测体积称干重比浊法生理指标法（测含氮量）比例计数法血球计数法直接法间接法液体稀释法平板菌落计数法二、测繁殖数 1培养方法分批培养：一定的环境下，微生物在一个有液体培养基的容器内生长繁殖。连续培养：流入新鲜培养基的同时不断流出培养物的培养方式。6.1.3微生物的生长规律 2、典型生长曲线：将菌种接种在液体培养基中隔一定时间取样，计算菌数，以菌数的对数为纵坐标，生长时间为横坐标作图。包括延滞期、指数期、稳定期和衰亡期等四个时期典型生长曲线，只适用于单细胞微生物如细菌和酵母菌，对于丝状生长的真菌或放线菌，只能获得非典型的生长曲线 （1）延滞期又称停滞期、调整期或适应期。指少量微生物接种到新培养液中后，在开始培养的一段时间内细胞数目不增加的时期。特点：①生长速率常数等于零。②细胞形态变大或增长③细胞内RNA尤其是rRNA含量增高，原生质呈嗜碱性。④合成代谢活跃。⑤对外界不良条件反应敏感。 如何知道处于对数期影响延滞期长短的因素：①接种龄接种龄即“种子”的群体生长年龄，亦即它处在生长曲线上的哪一个阶段。实验证明，如果以对数期接种龄的“种子”接种，则子代培养物的延滞期就短。②接种量接种量的大小明显影响延滞期的长短。（基数大）③培养基成分接种到营养丰富的天然培养基中的微生物，要比接种到营养单调的组合培养基中的延滞期短。 （2）指数期又称对数期，是指在生长曲线中，紧接着延滞期的一个细胞以几何级数速度分裂的一段时期。特点：①生长速率常数R最大，因而细胞每分裂一次所需的代时G或原生质增加一倍所需的倍增时间最短；②细胞进行平衡生长，菌体内各种成分最为均匀；③酶系活跃，代谢旺盛。指数期的微生物可作为代谢、生理等研究的良好材料，是发酵生产中用作“种子”的最佳种龄。 繁殖代数n：x2=x1·2n以对数表示：lgx2=lgx1+nlg2生长速率常数R世代时间G指数生长期的三个参数 （3）稳定期又称静止期或最高生长期。特点：细胞数目不增加(R=0)，即处于新繁殖的细胞数与衰亡的细胞数相等，或正生长与负生长相等的动态平衡之中。菌体产量达到了最高点，而且菌体产量与营养物质的消耗间呈现出一定的比例关系细胞长、大代谢旺盛(RNA含量增加)诱导酶迅速合成对不良条件敏感，抵抗力降低 稳定期到来的原因主要是：①营养物尤其是生长限制因子的耗尽；②营养物的比例失调，例如C／N比值不合适等；③有害代谢产物的累积；④pH、氧化还原势等物化条件越来越不适宜，等等。 在稳定期时，细胞开始贮存糖原、异染颗粒和脂肪等贮藏物；多数芽孢杆菌在这时开始形成芽孢；有的微生物在稳定期时还开始合成抗生素等次生代谢产物。应用稳定期是以生产菌体或与菌体生长相平行的代谢产物的最佳收获期，也是对某些生长因子例如维生素和氨基酸等进行生物测定的必要前提。此外，由于对稳定期到来的原因进行研究，还促进了连续培养技术的设计和研究。注意三条曲线：生长曲线、底物消耗曲线、代谢产物合成曲线。 （4）衰亡期特点：个体死亡的速度超过新生的速度(繁殖数<死亡数)，整个群体就呈现出负生长（R<0）。细胞形态多样，例如会产生很多膨大、不规则的退化形态；有的微生物因蛋白水解酶活力的增强就发生自溶；有的微生物在这时产生或释放对人类有用的抗生素等次生代谢产物；在芽孢杆菌中，芽孢释放往往也发生在这一时期 产生衰亡期的原因主要是外界环境对继续生长越来越不利，从而引起细胞内的分解代谢大大超过合成代谢，继而导致菌体死亡。如：营养物耗尽，细菌利用贮存颗粒进行内源呼吸造成自身溶解；有毒代谢物积累，抑制细菌生长等。 活性污泥法的微生物的生长规律和纯菌种的一致，生长曲线也相似；一般划为三个阶段：生长上升阶段、生长下降阶段、内源呼吸阶段 3.连续培养微生物的生长规律两种连续培养方式：恒浊连续培养：维持培养液中细菌的浓度恒定。恒化连续培养：维持进水中营养成分恒定。适合污水生物处理。连续培养装置示意图 目前,污水连续生物处理法均类似于恒化连续培养；（流速不完全恒定） 恒浊器：这是根据培养器内微生物的生长密度，并借光电控制系统来控制培养液流速，以取得菌体密度高、生长速度恒定的微生物细胞的连续培养器。在恒浊器中的微生物，始终能以最高生长速率进行生长，并可在允许范围内控制不同的菌体密度。连续培养的设备 恒化器：与恒浊器相反，恒化器是一种设法使培养液流速保持不变，并使微生物始终在低于其最高生长速率条件下进行生长繁殖的一种连续培养装置。通过控制某一种营养物的浓度，使其始终成为生长限制因子的条件下达到的。 在连续培养中，微生物的生长状态和规律与分批培养不同，往往是处在相当于分批培养中生长曲线的某一生长阶段。如：废水生物处理的连续运行过程中，活性污泥中的微生物处在相当于分批培养生长曲线的生长阶段：加速期或对数期，或静止期或衰亡期。连续培养微生物的生长规律 污水连续处理中，细菌生长状态跟具体的生物处理方法有关，不同的生物反应构筑物，细菌的生长状态可能不同，甚至在同一个构筑物中，不同位置的细菌生长状态，但要以某种状态为主。4.生长曲线在污水生物处理中的应用 进水对数期衰老期平推流式活性污泥法稳定期占优势 废水生物处理设计时，按废水的水质情况，可利用不同阶段的微生物处理废水。如：常规活性污泥法，生长下降阶段（减速、静止期）生物吸附法，生长下降阶段（静止期）高负荷活性污泥法，生长上升阶段（对数期），和生长下降阶段（减速期）延时曝气法处理低浓度有机废水，利用衰亡期微生物 6.2微生物的生存因子 微生物正常生存，需要营养，除此以外，还需要合适的温度、pH、氧气等环境条件。 一、温度温度对于微生物有那些影响？温度是微生物最重要的生存条件之一。当处于最佳范围时，每上升10℃，酶促反应速度提高1～2倍。代谢速率和生长速率也提高，繁殖能力最强，微生物进行大量繁殖。不同微生物对温度的要求不同。可将微生物分为嗜冷菌、嗜中温菌、嗜热菌、嗜超热菌。 细菌最低温度（℃）最适温度（℃）最高温度（℃）嗜冷菌－5～05～1020～30嗜中温菌5～1025～4045～50嗜热菌3050～6070～80嗜超热菌55℃以上70～105110～113低温、中温和高温细菌的生长温度范围 所有微生物中，多部分是嗜中温菌，其他较少。污水处理系统中，为了保证微生物能够处于较好的工作状态，需要为其提供较适合的温度。一般控制在20～30℃左右。冬天，需要进行加热处理。如何加热？ 嗜冷菌，最适合在5～15℃，甚至很多细菌可以在0℃以下正常生存。可以解释冰箱中冷藏的蔬菜、水果发霉变质腐烂的原因。小结：微生物的培养应该在最佳温度范围进行。超过最高温度会对细菌造成伤害甚至导致死亡。低温有抑制细菌作用。可以让微生物休眠，但不会导致死亡。温度升高时，活性即可恢复。 微生物也有最适应的pH范围，微生物不同，pH范围不同。多数细菌：最佳6.5～7.5，适应范围4～10；一般要求中性或偏碱性；放线菌：最佳7.5～8.0，一般要求中性或偏碱性；霉菌和酵母菌：可在酸性或偏碱性环境生活，最喜欢3～6的环境。生长极限：1.5～10。二、pH 1.污水处理生物处理构筑物内pH控制在6.5～8.5之间。2.微生物培养过程中，培养基的pH值下降或上升，如何调控？（加入缓冲物质，或通过在线监测用泵加酸或碱）3.污泥厌氧处理时，也要控制好pH，一般在6.6～7.6，最好控制在6.8～7.2之间。小结 三、氧化还原电位用Eh表示，单位为V或mV。氧化环境时，Eh为正，充满氧气时，上限为+820mV；还原环境时，mV为负，充满氢气时，下限为-400mV。不同微生物要求的氧化还原电位不同：1.一般好氧微生物：+300～+400mV，大于+100mV，才能生活。2.兼性菌：+100mV为槛，大于时进行好氧呼吸，小于时进行无氧呼吸。3.厌氧菌：－200～－250mV。 对于好氧生物处理系统，Eh处于+200～+600mV视为正常。如果，出水中Eh下降，处理效果不佳。 四、溶解氧微生物与氧气的关系好氧微生物厌氧微生物兼性微生物专性好氧微生物微量好氧微生物专性厌氧氧微生物耐氧厌氧微生物 （一）好氧微生物必须有氧才能生存，氧气对于好氧微生物的作用：1.最终电子受体；2.参与物质合成好氧微生物做好氧呼吸时，会产生毒害物质如：过氧化氢、过氧化物羟自由基等。但由于好氧微生物体内也有相应的酶可以分解上述物质，因此，好氧微生物可以在氧气条件下正常生存。好氧微生物所需要的氧气是溶解在水中的氧气，即DO。溶解氧与大气压力及温度有关，温度越高，溶解氧越低。压力？ 好氧生物处理系统中，为了保证微生物的正常工作，必须为它们提供足够的溶解氧。工程上，通常采用鼓风曝气的形式向水中强制充氧。反应器中，采用何种方式？对于生活污水厂，BOD5200～300mg/L。如果曝气池的活性污泥浓度在2000～3000mg/L时，溶解氧必须保证在2mg/L以上。通常控制在3～4mg/L。当供氧不足时，也会造成污泥的丝状菌膨胀。 可分为两种，一种有氧就要死亡；另一种，有氧无氧无所谓，生活过程中，不会中毒也不利用氧。通常说的厌氧菌多指第一种，称为专项厌氧菌。它在有氧条件下，代谢过程中会产生过氧化氢，但体内不具有过氧化氢酶，专性厌氧微生物将被过氧化氢杀死。（二）厌氧微生物 厌氧微生物在培养时，培养基必须保证无氧。方法：（1）惰性气体驱氧：氮气或氦气。（2）用胶塞密封培养装置，并在容器中加入氧化还原性颜料（甲基蓝或刃天青），当在还原态时无色，氧化态时显色。一旦显色，说明有氧存在。（3）可在培养装置中预先加入些兼性微生物混合培养，一旦有氧，可被兼性细菌消耗掉。 （三）兼性厌氧菌有氧无氧都能生存。作用：1.积极作用：a.污水处理溶解氧充足时，好氧菌与兼性菌都起作用，当供氧故障时，兼性菌仍可起作用，但不如有足够溶解氧时处理效果好。b.水解酸化c.脱氮2.消极作用：a.土壤脱氮，N素损失，土壤肥力下降。b.产生亚硝酸胺 氧气与微生物的关系类型与O2关系代谢类型专性好氧必须有氧好氧呼吸微好氧有氧，含量低好氧呼吸兼性可有、可无有氧呼吸或发酵专性厌氧氧有毒害或致死无氧呼吸耐氧可在有氧下存活，不用氧气发酵 1.辐射2.水的活度3.渗透压3.表面张力（如：表面活性剂）五、其它因子 思考1.典型生长曲线的四个阶段是什么？各有什么应用？2.pH过高或过低对微生物生长有什么影响？为什么污水生物处理的pH一般要维持在6.5以上？3.微生物培养过程中，什么原因使培养基pH下降？什么原因使pH上升？在生产中如何调节控制pH？4.好氧微生物培养中，如何控制溶氧浓度？ 第七章微生物的遗传与变异 内容提要遗传、变异、遗传型、表型等概念遗传变异的物质基础三个经典实验DNA的结构及性质 遗传和变异是一切生物体最本质的属性之一。 指上一代生物如何将自身的一整套遗传基因传递给下一代的行为或功能。遗传遗传具有保守性优点：保障优良性状稳定遗传；缺点：环境变化，无法适应而死亡。几个重要概念：遗传、遗传型、表型、变异、饰变 金丝猴的后代仍然是金丝猴 遗传型又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。是一种内在的可能性或潜力。表型指某一生物体所具有的一切外表特征和内在特性的综合，是其遗传性在合适环境条件下通过代谢和发育而得到的具体表现。是一种现实性。遗传型（可能性）+环境条件表型（现实性）代谢，发育 指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变，也是遗传型的改变。特点：出现几率低性状变化幅度大新性状稳定、可遗传变异 饰变外表的修饰性改变，即一种不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。特点：群体中的个体几乎都同样变化性状变化的幅度小不遗传 1.种瓜得瓜，种豆得豆；2.龙生龙，凤生凤，老鼠儿子会打洞；3.虎父无犬子；4.一母生九子，母子十不同。请大家想一想，与遗传变异有关的俗语或谚语有哪些？ 微生物遗传变异的应用遗传是相对的，变异是绝对的。利用物理因素、化学药物处理微生物提高其变异频率，可获得具有优异特性的变异菌株。工业废水生物处理中，可以用含有某些污染物的废水筛选、培养菌种，使其适应并有高效降解其中污染物能力。驯化 第一节微生物的遗传 一、遗传和变异的物质基础1866年－奧地利孟德尔发表论文《植物杂交实验》，提出分离律、自由配合律等遗传定律。1879年－德国生物学家弗来明在细胞核內发现了染色质1903年－美国细胞学家萨顿发现，细胞染色体的活动方式，与孟德尔所描述的遗传因子极为类似。1909年－丹麦的丹麦的植物遗传学家约翰逊开始以“基因”取代“遗传因子”1910年－美国遗传学家摩根通过果蝇的研究，证明了基因存在染色体上真正确立遗传物质：1944年后的3个著名实验。 哪些人用什么方法最终证明了遗传的物质基础？1.格里菲斯经典转化实验（1928）及埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂等人的转化补充实验（1941）。2.赫西和蔡斯大肠杆菌T2噬菌体感染大肠杆菌实验。3.H.Fraenkel-Conrat植物病毒的重建实验 R型菌（粗糙、无毒性）S型菌（光滑、有毒性）多糖类荚膜格里菲斯——肺炎双球菌转化实验 将R型活菌注入小鼠体内一段时间后 将S型活菌注入小鼠体内一段时间后 将灭活的S型菌注入小鼠体内一段时间后 将R型活菌与灭活的S型菌注入小鼠体内一段时间后细菌发生转化，性状的转化可以遗传。 埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂转化补充实验从S型肺炎球菌活体上取得蛋白质、荚膜、DNA、RNA，分别与R型肺炎球菌混合后注入到小白鼠体内结果被注入DNA的小白鼠死亡，其它小白鼠存活。 DNA蛋白质多糖RNA只有DNA引起R型肺炎球菌转化，DNA是其遗传物质 赫西和蔡斯实验——噬菌体侵染细菌的实验（含S）（含P） 用放射性同位素35S标记外壳蛋白质细菌内无放射性 用放射性同位素32P标记内部DNA细菌内有放射性表明DNA是遗传物质 植物病毒的重建试验H.Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）进行植物病毒重建实验：将TMV放在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将它的蛋白质外壳和RNA核心分离，发现裸露的RNA能感染烟草，而蛋白质不感染烟草。选用一株与TMV近缘的霍氏车前花叶病毒HRV进行实验。 TMV重建试验红蓝箭头表示遗传信息的走向正常花叶病 上述三个实验可以证明核酸是遗传物质。 课堂小结核酸是一切生物的遗传物质，核酸包括脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA），绝大多数生物都是以DNA作为遗传物质的，因此DNA是主要的遗传物质。 如流感病毒、爱滋病病毒、烟草花叶病毒等以RNA为遗传物质仅含RNA的生物：噬菌体流感病毒艾滋病毒烟草花叶病毒含DNA的生物：以DNA为遗传物质如真核生物、原核生物和只含DNA的病毒等生物的遗传物质：蓝藻细菌动植物噬菌体流感病毒艾滋病毒烟草花叶病毒 1、蛋白质不是遗传物质的原因之一是()：A.它的含量很少B.它不能自我复制C.它与新陈代谢无关D.它的种类很多2、地球上的一切生物的遗传物质都是()：A.核酸B.核糖核酸C.脱氧核糖核酸D.脱氧核糖核酸和核糖核酸——课堂练习——一、选择题：BA 3、噬菌体侵染细菌后，合成新噬菌体的蛋白质外壳需要（　）A.细菌的DNA和氨基酸B.噬菌体的DNA及氨基酸C.细菌的DNA和噬菌体的氨基酸D.噬菌体的DNA和细菌的氨基酸4、用噬菌体去感染体内含有32P的细菌，在细菌解体后，含32P的是（）A、所有子代噬菌体DNAB、子代噬菌体蛋白质外壳C、子代噬菌体的所有部分D、两个子代噬菌体DNADA 二、判断题1、由于染色体位于细胞核内，所以生物的遗传就是指细胞核遗传。2、噬菌体侵染细菌的时候，整个进入细菌的体内，其蛋白质和DNA共同进行子代噬菌体的复制。 二、DAN的结构与复制（一）DNA结构最经典的结构：双螺旋结构。沃森、克里克1953年提出。 沃森（左）和克里克与DNA分子双螺旋结构模型 DNA有两条核苷酸链彼此围绕同一根轴互相盘绕形成，为双螺旋结构。每个单链均由脱氧核糖－磷酸－脱氧核糖－磷酸交替排列构成。每个核苷酸链上都有四个碱基：T——胸腺嘧啶A——腺嘌呤G——鸟嘌呤C——胞嘧啶彼此与另一条核苷酸链上的碱基组成碱基对：T—AA—TG—CC—G1.DNA的结构 脱氧核糖碱基磷酸AGCT碱基 AGCT脱氧核糖磷酸碱基 ATGCATGC 一个DNA分子可包含几十万到几百万个碱基对，每个碱基之间间距为0.34nm。每10个碱基组成一个螺旋，螺距3.4nm。碱基之间一一对应，顺序固定，可以保证遗传的稳定性。如果受到干扰，个别碱基排列顺序发生变化，会导致微生物死亡或变异。 2.DNA的存在形式主要在细胞核中，以染色体形式存在，酸性。另外还有质粒等。 存在染色体上，是一切生体内储存遗传信息的、有自我复制能力的遗传功能单位。基因特別是指在DNA序列上，能够表現出功能的部分基因按功能可分三类：结构基因、操纵区、调控基因在人类的所有染色体上，约存在30,000个基因有时单一个基因便能控制一种性狀的表現，然而，大部分的生理性狀，都是由一系列相关的基因一同调控而表現3.基因 細胞染色體DNA蛋白質基因 4.遗传信息的传递贮存在DNA上的遗传信息都会转录到RNA上，通过RNA的翻译作用指导蛋白质的合成，最终依靠蛋白质体现遗传性状。遗传信息流动的方向:中心法则 思考1.微生物的遗传和变异的概念？遗传和变异的物质基础是什么？如何证明？2.微生物的遗传信息是如何传递的？3.解释分子遗传学的中心法则？