微生物第六章微生物的生理特性课件.ppt

第6章 微生物的生理特性,6.1,6.2,6.4,6.3,6.1 微生物的营养,微生物要吃什么？,凡是能为微生物提供所需碳元素的营养物质,有机碳源 糖类（葡萄糖） 脂肪酸 花生粉饼、 石油等,1、微生物的碳源,哪些微生物可以利用无机碳源？,思考,哪些微生物可以利用有机碳源？,无机碳源 CO2 Na2CO3、 NaHCO3等,碳源,有机碳（糖类等有机物）,无机碳（CO2、碳酸盐及碳酸氢盐）,不同生物的碳源,同化类型,只能利用现成的有机物,（如蓝藻，硝化细菌）,（大部分微生物）,氮源,氮源：能为微生物提供所需氮元素的营养物质种类：无机氮源 N2、NH3、铵盐、硝酸盐、尿素 有机氮源 蛋白质、蛋白胨、氨基酸等（1）常用的氮源：铵盐、硝酸盐氮源（2） 含“C、H、O、N”的化合物是异养微生物的碳源兼氮源(如蛋白胨) 。,蛋白胨是将肉、大豆蛋白等用酸、碱或蛋白酶水解后干燥而成的外观呈淡黄色的粉剂。 一般来说，用于蛋白胨生产的蛋白包括动物蛋白（酪蛋白、肉类）和植物蛋白（豆类）等两种。 蛋白胨富含有机氮化合物，也含有一些维生素和糖类。它可以作为微生物培养基的主要原料,能源,定义：能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物质和辐射能。,能源种类,化学物质（化能营养型）,辐射能（光能营养型）：光能自养和光能异养型微生物的能源,有机物：化能异养型微生物的能源,无机物：化能自养型微生物的能源,生长因子,生长因子：微生物正常代谢所必需的，微量，有机物主要包括：维生素、氨基酸、碱基等来源：酵母膏、蛋白胨、动植物组织提取液,无机盐,无机盐是微生物生长不可缺少的营养物质作用：构成细胞的组成成分构成酶的组成成分，维持酶的活性调节渗透压调节pH值及氧化还原电位作为自养型细菌的能源,水,水是良好的溶剂，能将多种物质溶解，以利于微生物对营养的吸收和利用。参与生化反应（如脱水、加水反应）运输物质的载体光合作用中的还原剂,6.1.2 微生物的营养类型营养类型：根据微生物生长所需要的主要营养要素即碳源和能源的不同而划分的微生物类型。微生物的营养类型参阅教材87页 表6-1,光能无机营养型 光能有机营养型化能无机营养型化能有机营养型,自养,异养,新月藻,空球藻,团藻,间生藻,鼓藻,光能无机营养型微生物,化能自养型,硝化细菌,铁细菌,6.1.3 培养基,概念：由人工配制的、适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的混合营养物质。,任何培养基都应该具有微生物生长所需的六大营养元素，且它们之间的比例是适当的。 给微生物做饭吃,、目的要明确根据所培养的微生物的种类、培养的目的配制、营养要协调注意各种营养物质的浓度和比例,最重要为碳源和氮源的比，水处理中BOD5：N：P=100:5：1、理化条件适宜（pH、渗透压、水活度和氧化还原电位等） 细菌 pH7.07.5 放线菌 pH7.58.5 真菌 pH4.06.0、经济节约,培养基的配制原则,调节方法？,培养基的种类,按物理性质分,固体培养基（2%琼脂或天然固体状基质如马铃薯片、大米、纤维）（普通的微生物研究，酿造或食用菌培养等。）,半固体培养基（0.5%1.0%琼脂）（观察运动、厌氧菌的培养、分离和计数、菌种的保藏）,液体培养基 （污水处理厂的污水）,按化学成分分,合成培养基 （化学成分明确，精细，常用于分类、鉴定、实验等）,天然培养基 （天然物质配制，成分不明确，常用于工业生产）,按 用 途 分,选择培养基（用于从多种微生物中选出需要的种类）,鉴别培养基（用于判定某一微生物的存在）,培养基的分类,加富培养基（用于微生物分离前的富集）,1.液体培养基（liquid medium）,未加任何凝固剂、呈液态的培养基,用途：大规模工业生产和实验室微生物生理代谢等研究,优点：组分均匀，发酵率高，操作方便,一些由天然固体基质制成的培养基也属于固体培养基，如由马铃薯块、胡萝卜条、小米、米糠等,常用凝固剂： 琼脂（agar）、硅胶（silica gel）、明胶（gelatin）,菌落,2.固体培养基,液体培养基中加入少量（0.51.0）的琼脂制成的培养基,半固体培养基（semisolid medium）,用途：观察细菌的运动特征、菌种保藏、厌氧菌培养、菌种鉴定和噬菌体效价的测定等,（2）根据培养基的成分划分,1.天然培养基（complex medium）,利用动物、植物或微生物体或其提取液制成的培养基,优点：配制方便、营养丰富、价格便宜，适宜工业化生产缺点：成分不清楚、难控制，精细科学实验结果重复性差,牛肉膏蛋白胨培养基、麦芽汁培养基,在天然培养基的基础上适当加入已知成分的无机盐类，或在合成培养基的基础上添加某些天然成分，如马铃薯蔗糖培养基等,2.合成培养基（synthetic medium）,优点：重复性好缺点：成本较高，生长速度较慢,按微生物的营养要求精确设计后，由化学成分完全了解的物质配制而成的培养基。,适于实验室进行微生物营养需求、代谢、分类鉴定、生物量测定、菌种选育及遗传分析等方面的研究工作,3.半合成培养基（semi-synthetic medium）,1.选择培养基（selective medium）,在培养基中加入特殊的营养物质或化学物质，抑制不需要的微生物生长的培养基,（3）根据培养基的用途划分,2.加富培养基（enrichment medium）,在基础培养基中加入某些特殊营养物质（如血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等）制成的一类营养丰富的培养基。,用途：培养营养要求比较苛刻的异养型微生物； 富集和分离某种微生物,加富培养基与选择培养基的区别,加富培养基是增加所要分离的微生物的数量，使其形成生长优势，从而分离到该种微生物；选择培养基是抑制不需要的微生物的生长，使所需要的微生物增殖，从而达到分离所需微生物的目的,3.鉴别培养基（differential medium）,加入某种能与微生物产生的某种代谢产物发生特定化学反应的特殊化学物质，产生明显的特征性变化，由此将不同微生物加以区别的培养基,用途：快速分类鉴定，分离和筛选某种代谢物的产生菌,常用的鉴别培养基,伊红-美蓝（EMB）培养基区别大肠杆菌和产气杆菌明胶培养基检查微生物能否液化明胶；硝酸盐肉汤培养基检查是否具有硝酸盐还原作用；醋酸铅培养基检查微生物是否产生H2S气体等,培养基的配制,1.计算称量2.加水溶解3.调节pH4.过滤分装5.加塞包扎6.加压灭菌,6.2 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,一 酶及其命名和分类,1 酶的概念：生物催化剂。在生物细胞中自己合成， 基本成分是蛋白质。,2 酶的命名和分类,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，消化非溶解性营养物质（如纤维素、蛋白质、淀粉等）,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。,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 用量少而催化效率高 专一性强 温和。常温、常压、接近中性就可以起作用,2 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 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1mol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,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 2 pH值 3 基质浓度 4 酶的总浓度E0 5 毒物或抑制剂,1 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3060,1 -半乳糖苷酶 2 酰化氨基酸水解酶 3 葡萄糖异构酶,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。,2 pH值 ,大多数酶 pH 67 废水生物处理保持pH 69（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。解离与pH有关，解离形式不同，催化性质也就不同。,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69 中性居多。,3 基质浓度 S ,： 反应速度 V最大: 最大反应速度 Km: 米氏常数 S： 基质浓度,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？,？,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。,4 酶的总浓度E0,V=K3E0,酶的总浓度E0影响米-门方程中和 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。,5 毒物或抑制剂,（1）可逆的（竞争性抑制剂） 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。,6.3 微生物的代谢,一 微生物的新陈代谢二 呼吸作用的本质 三 微生物的呼吸类型 四 微生物与氧气的关系 五 微生物的呼吸类型在废水生物处理中的应用,一 微生物的新陈代谢,二 呼吸作用的本质,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，基质释放电子，生成水或其他代谢产物，并释放能量的过程。,2 发生哪些生物学现象呢？,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、热能释放） 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。,三 微生物的呼吸类型,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）举例,自养微生物硫磺细菌氧化H2S（无机物） ：,H2S+2O2,H2SO4+ATP,异养微生物大肠杆菌氧化葡萄糖（有机物）：,C6H12O6+6O2,6CO2+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。,2 厌氧呼吸（anaerobic respiration),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,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,2NAD,2NADH2,丙酮酸,脱羧酶,乙醛,乙醇,ATP CO2,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。,（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=）,四 微生物与氧气的关系,1 需氧菌 2 厌氧菌 3 兼性厌氧菌,1 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。,2 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 为什么有氧气不能生活？,？,原因：有氧存在，代谢产生H2O2, H2O2有毒，该类微生物没有分解H2O2的氧化酶,3 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DO0.2-0.3mg/L，发酵、无氧呼吸,水中DO0.2-0.3mg/L，有氧呼吸,五 微生物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。,第四节 环境因素对微生物生长的影响,专业术语,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,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,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）,1 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1020。,2 中温型微生物 mesophiles（5-50）,最适温范围2530。 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,3 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7090（温泉、火山喷口） 分布：堆肥、沼气、发酵池。,（二）高温灭菌、低温抑菌,高温灭菌,高温灭菌：高温蛋白质凝固变性，酶失活。, 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。,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) 。,实验室中常用冰箱保存菌种，一般以4为保存菌种的适宜温度。,注： 温度的调整对工业废水生物处理意义重大。,二 氢离子浓度 （pH值）,微生物生活的PH在4.010.0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。,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。 0.30.4V 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,Eh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。,四 干燥,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。,用干燥剂保存食品，防止物品腐败。 烘干、晒干、薰干。,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。,六 光与辐射,日光中的紫外线杀菌。,除了光合细菌外，一般细菌都不喜欢光线。 杀菌波长范围： 240300nm。最强作用波长265266nm。,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 0.51%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。,2 有机物,石炭酸（苯酚）: 0.1%，抑菌 1%，20min杀死菌 35%，几分钟杀死菌,来苏尔：36%，消毒器械 2%，洗手,酒精：6075%，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。,3 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。,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 影响酶促反应的因素有哪些？ 5 环境因素如何影响细菌的生长（综合分析）？ 6 紫外线杀菌的机理和适用范围是什么？ 7.何谓生长因子?它包括哪几类的物质?它们的作用是什么?是否任何微生物都需要生长因子？如何满足微生物对生长因素的需要?,