《生物学基础》PPT课件.ppt

第二讲 生物学基础,环境生物技术Environmental biotechnology,主要内容,一、微生物学基础二、植物学基础 三、分子生物学基础,一、原核微生物,1.细菌,形态 结构,第一节 微生物的主要类群,杆菌（Bacillus）长15 m，宽0.51 m,螺旋菌（Spirillum)长：515 m，宽：0.55 m,形态,1）形态,自然界中，杆菌最常见，球菌次之，螺旋状最少。,细胞壁、细胞膜、细胞质、核质体、内含物、（间体）,细菌细胞结构,一般结构（基本结构）,特殊结构,荚膜（粘液层）芽孢、鞭毛、菌毛,2）结构,不是所有细菌都具有的结构,特殊构造一：荚膜（capsule）,（1）定义,一般厚于200nm，硬度和强度远小于细胞壁；有些细菌（硫磺细菌、铁细菌等）粘液层会逐渐变硬形成“鞘”。,糖被（glycocalyx）是某些细菌在一定营养条件下向胞外分泌出厚度不定的胶粘状物质包被于细胞壁的外表,糖被示意图,钾细菌的染色照片,（2）功能,保护作用:大量极性基团可保护菌体免受干旱损伤、噬菌体的吸附和裂解 贮藏养料:以备营养缺乏时重新利用 免受毒害：作为透性屏障和离子交换系统，保护细菌免受重金属离子的毒害 表面附着作用:某些水生丝状细菌的鞘衣状荚膜也有附着作用 细菌间的信息识别作用:如Rhizobium（根瘤菌属）堆积代谢废物,菌种鉴定 用作药物和生化试剂：Leuconostoc mesenteroides（肠膜状明串珠菌）的糖被可提取葡萄糖制备生化试剂和代血浆 用作工业原料：如Xanthomonas campestris（野油菜黄单胞菌）的糖被（黏液层）可提取黄原胶，已被用于钻井液添加剂、印染和食品等工业中 用于污水的生物处理：例如形成菌胶团的细菌，有助于污水中有害物质的吸附和沉降,（3）应用,菌胶团：荚膜物质相融合成一块团，内含许多细 菌时称菌胶团。,e.g.Zoogloea菌属（动胶菌属）枝状动胶菌(Zoogloea ramigera)垂(悬)丝状动胶菌(Zoogloea filipendula),菌胶团是AS中细菌的主要存在形式 有较强的吸附和氧化有机物的能力 AS性能的好坏与含菌胶团多少、大小及结构 的紧密程度有关 要求结构紧密、吸附沉降性能好 遇到不适宜的环境时，菌胶团就发生松散,活性污泥(activated sludge，AS):一种绒絮状小泥粒，由好氧菌为主体的微型生物群以及胶体、悬浮物等组成。,特殊构造二：芽孢（endospore,spore）,（1）定义 某些细菌在其生长发育后期可在细胞内形成 一个圆形或椭圆形的抗逆性休眠体，称为芽孢。生物界中抗逆性最强的生命体,（在一定环境条件下，细胞质和核质体的浓缩所形成的一种特殊结构）,各种芽胞示意图,厚度25nm左右；位于芽孢外层，是母细胞的残留物；重量为芽孢干重的210；主要成分是脂蛋白。,厚度为3nm左右；主要含疏水性角蛋白和少量磷脂蛋白；对溶菌酶、蛋白酶和表面活性剂有很强的抗性；对多价阳离子的透性很差。,在芽孢中占有很大体积（3660）；含有大量的芽孢肽聚糖和吡啶二羧酸钙盐（不含磷壁酸）；含水率70，比芽孢平均含水率（40）高；但比一般细菌（80）低，渗透压高达20atm左右。,含水量极低；不含磷壁酸和吡啶二羧酸钙（DPA-Ca）；核心中的其他成分与一般细胞相似。,（2）特点与功能,每一细胞仅形成一个芽孢，无繁殖功能 有极强的抗热、抗化学药物和抗静水压等能力 有惊人的休眠力 休眠时检查不出代谢活力，可保存几年或几十年；美国从一块2500万4000万年琥珀中的蜜蜂肠道内分离到有生命的芽胞。,普通细胞：5石炭酸（苯酚）溶液中很快死亡芽孢：5石炭酸（苯酚）溶液中忍耐15d,普通细胞：70 80 10min死亡芽孢：100 沸水中生存5.09.5h 121 时10min,含水量低（40%）含有耐热的小分子酶类 富含大量吡啶二羧酸钙（DPA-Ca）和带有二硫键的蛋白质 有厚而致密的芽孢壁,（3）为什么抗逆性强？,以钙盐的形式存在，钙含量高。在营养细胞和不产芽孢的细菌体内未发现DPA。芽孢形成过程中，DPA随即合成，芽孢具有耐热性;芽孢萌发形成营养细胞时，DPA消失，耐热性就丧失。,吡啶二羧酸（DPA）,（4）能形成芽孢的细菌,这类细菌种类不多 主要是G杆菌，芽孢杆菌科的两个属,球菌中只有极个别的属才形成芽孢（如：芽孢八叠球菌属sporesarcina）,特殊构造三：鞭毛（flegellum）,（1）定义 着生在细胞表层的长丝状、波曲的附属物，称 为鞭毛。,（2）功能 具有运动功能；一般每秒可移动2080m，为自身长的十到数十倍，非常快。,（3）结构与组成,直径0.010.02m，其数量为十至数十根 G，G细菌其结构不同 组成主要是蛋白质，有的还含有极少量的多糖 和类脂,特殊构造四：菌毛（pilus&fimbria）,(1)定义 长在细胞表层的一种纤细（79nm）、中空（直径22.5nm）、短直、数量较多（250300根）的附属物，主要成分是蛋白质。,(2)功能 使细菌细胞较牢固地粘接在物体表面上，G 常有菌毛。,性菌毛（sex pilus,F-pilus或sex fimbria）,性状介于鞭毛与菌毛之间，每一细胞有14根。功能：经接合方式转移遗传物质。,形态结构、DNA结构及其基本生命活动方式与原核细胞相似 RNA序列与细菌差别特大,一、原核微生物,2.古生菌,细菌域（原核生物）真核生物 古生菌（古细菌）,卡尔乌斯（Carl Woese），1928.72012.12，美国的微生物学家和物理学家，古生菌（Archaea）发现者,20世纪70年代 传统上，形态和生物化学特性 RNA（mRNA、核糖体蛋白）,1)形态,跟真细菌类似,有G+、G-有球状、螺旋状、叶状、把碟球状、杆状等 单细胞、多细胞 1um,2)主要类群,产甲烷古生菌（methanogenic archaeobacetria）古生硫酸还原菌（archaeobacterial sulfate reducer）极端嗜盐菌（extremely halophilic archaeobacteria）极端嗜热硫代谢菌(extremely themophilic so-metabolizer)无细胞壁古生菌(cell walk-less archaeobacteria),嗜热微生物（thermophilic microorganism）超嗜热微生物（hyperthermophilic microorganism）,嗜热：最适温度超过45，超嗜热（80）,细胞膜富含饱和脂肪酸，保持高温下膜稳定性,核酸GC含量高，有助于DNA的稳定性,一般化能自养或异养,以有机物、氢、硫或FeS为能量来源，分布在火山口、温泉、盐湖、有机物堆等,嗜冷微生物（psychrophilic microorganism）,最适温度为15或更低，最高不超过20,细胞壁厚，细胞膜不饱和脂肪酸含量高,酶活性在低温下高,分布在高山、海洋、冰箱,嗜酸微生物（acidophilic microorganism）,分布酸性矿水、酸性热泉和酸性土壤中,专性嗜酸菌能在pH2的环境中生长,高pH对维持细胞膜稳定性很重要,菌体内pH呈中性或近中性,氧化亚铁硫杆菌pH=23，体内pH=66.5，ATP=7.5 7.8,应用：用硫化叶菌脱除煤中硫化物（无机和有机S）用于冶金,嗜碱微生物（alkalophilic microorganism）,分布碱湖、水泥厂,专性嗜碱菌的最适pH10，8.59.0时不能生长,菌体内pH呈中性或近中性,体内酶不嗜碱也不耐碱，胞外酶有嗜碱和耐碱性,一般菌淀粉酶pH=7，嗜碱菌最适pH=1010.5一般细菌脂肪酶、果胶酶最适pH酸性，而来自嗜碱菌的脂肪酶、果胶酶最适pH碱性,应用：处理碱性废液日本已有利用嗜碱菌将碱性纸浆废液转化为单细胞蛋白的报道,嗜盐微生物（halophilic microorganism）,主要分布在海洋、盐湖、盐保藏食物场所,需在2%以上的NaCl溶液中才能生长，（15%）,生产胞外多糖、聚羟基丁酸、食用蛋白、调味剂、海水淡化、盐碱地开发及能源利用等,二、真菌,真菌是一类低等的真核微生物（酵母菌和霉菌）,真菌的特点,酵母菌（yeast）单细胞菌,特点,分布与利用,果园土壤、水果、蔬菜表面,炼油厂、油田土层（利用烃类的酵母菌）,发酵工业：食用单细胞蛋白质来源,环境中的应用：,处理高浓度废水,含油废水,印染废水的脱色（能还原碱性染料）,菌落特征,2.霉菌（mould，mold）,特点,丝状真菌（filamentous fungi）的俗称，意为“发霉的真菌”,Fungal Mycelium with Spores,Penicillium sp.(SEM x3,220),Fungal Mycelium with Hyphae,Sporangia and Spores,Penicillium sp.(SEM x1,560),Mold Fruiting Structure with Spores(SEM x2,420),黑曲霉,分布与利用,分布广泛、到处可见,分解纤维素、半纤维素、木质素等复杂有机物,工业上：有机酸、维生素（核黄素）、酶的生 产、酱油,菌落特征,霉菌的菌落,三、放线菌（Actinomycetes）,1.定义：是一类呈菌丝状生长、以孢子繁殖和陆生性强的原核生物,单细胞，至今发现的放线菌都是G+,放线菌是一种习惯上的称呼，在分类学上没有特定的意义,由于与细菌十分接近，也可认为是呈丝状生长的G+细菌,放线菌与细菌相近之处：,有原核菌丝直径与细菌相仿细胞壁主要成分为肽多糖最适生长pH与细菌相近，一般呈微碱性对溶菌酶敏感细菌所敏感的抗生素，放线菌也敏感,2.分布与生长环境,多分布在含水量低、有机物丰富呈碱性的土壤中,土壤的“泥腥味”由放线菌产生的,一般土中的放线菌孢子数107/g土壤,好氧性、最适pH 78、温度2530,3.作用与意义,抗菌素的产生（2/3的抗菌素是由放线菌生产的）,酶（蛋白酶、果胶酶、淀粉酶）,有很强的分解纤维素、石蜡、琼脂、角蛋白、橡胶的能力。在自然界的物质循环上起着重要的作用,有些菌能氧化分解氰化物，在水处理上有重要意义,最常见属链霉菌属Streptomyces,4.形态结构,5.菌落特征,因为有基内菌丝、气生菌丝又能产生孢子，所以与细菌的菌落由明显的不同,表面丝绒状、有一层色彩新鲜的干粉（呈粉状）,有各种各样的颜色，正面与背面不同，正面是孢子的颜色，背面是菌丝分泌的颜色。难以挑起,四.光合细菌(PSB),定义 光能营养型原核微生物(G+),2.特点,不能利用H2O作为还原CO2的氢供体，只能利用还原态的硫（H2S）、H2或有机物为氢供体，故光合作用中不产生O2，是一种不产氧的光合作用,在细胞内含有菌绿素和类胡萝卜素，随两者的量和比例的不同菌体呈现红、橙、绿、蓝绿、紫红、紫或褐色等颜色。,为典型的水生菌，广泛分布于自然界的水域中沼泽、湖泊、水田、浅海,形态：多样化，有球形、杆状、卵圆形及螺旋形,环境中光合细菌的数量,3.应用,制造单细胞蛋白（single cell protein）,蛋白质含量高（70%左右），且易于提取（提高率可高达65%），另外含有大量的维生素。,产氢气,有些菌能利用甲酸等低级脂肪酸，从而产生氢气。因产生的H2中只含CO2，故不需要复杂的净化系统。,提取色素,有些光合细菌（如Sphaeroides）在好氧黑暗条件下培养时，容易产生高浓度的红色素。色素含量一般为干菌体的6%以上。,在废水处理中的应用,生物除臭剂,光合细菌与高等植物光合作用的区别,五.藻类,1.形态及生理特性,是一种低等植物，含有叶绿素及其他辅助色素，能进行光合作用,单细胞或多细胞,pH=410，适宜68,分类：蓝藻、绿藻、硅藻、褐藻、金藻等,1）蓝藻：蓝绿藻,蓝细菌（Cyanobacteria）,含有叶绿素a，具有放氧性光合作用的原核生物好氧生物（但无叶绿体、无真核、细胞壁内含有多聚糖）,与光合细菌的不同之处,光合细菌光合作用不放氧,为厌氧生物,生理特性,一些种类能分泌胞外多糖，形成粘液层、荚膜等,光合作用的部位为类囊体：数量很少，贴近在细胞膜附近。在类囊体中的膜上含有叶绿素a，-胡萝卜素和光合电子传递链的有关成份的。,原核生物中唯一细胞质中具有膜结构（类囊体）的生物,2.藻类和水环境,1）水源水体中大量繁殖时会给水带来异味,2）在污水处理中可利用藻类，形成菌藻共生体系，藻类可以为微生物提供氧（氧化塘）,3）不同的藻类其耐受污染的程度不同，可以根据水样中出现的藻类计算总污染指数,4）根据叶绿素a的量可以评价富营养化程度,第二节 微生物的生长代谢,一、微生物营养物质,碳源物质：CO2、碳酸盐；糖、醇、有机酸、烃 类；蛋白质及其水解产物,氮源物质：除少数自养细菌利用铵盐、亚硝酸盐做氮源和能源外，氮源物质一般不做能源物质。NH4+、NO3-、NO2-、N2；蛋白质及其水解产物,能源物质：辐射能和化学能,无机盐：C、N以外的重要元素。P、S、K（大量元素，10-310-4mol/L），Cu、Zn、Mn（微量元素10-610-8mol/L）,作为酶的组成部分或维持酶的活性 组成具体成分 调节渗透压 调节pH及氧化还原电位 作为某些微生物的能源,生长因子：有些微生物能自身合成。如维生素、氨基酸、嘌呤、嘧啶碱基等。酵母膏、玉米浆、肝浸液；牛肉膏、土豆汁、麦芽汁、米糠等,水：体内外物质的溶媒，原生质胶体的结构部分，参与代谢作用反应，调节温度等,二、微生物的代谢,1.微生物产能方式,氧化有机物产能 氧化无机物产能 光合作用产能,氧化有机物产能,发酵（厌氧微生物获取能量主要方式）呼吸（大多数微生物获能方式）,有氧呼吸（分子氧作为氢和电子的最终受体）需氧菌和兼性厌氧菌 无氧呼吸（分子氧以外的物质作为电子受体）硝酸盐反硝化作用 延胡索酸延胡索酸呼吸 硫酸盐反硫化作用 CO2甲烷发酵,氧化无机物产能,以无机物作为氧化的基质，主要是硝化细菌、硫化细菌、氢细菌、铁细菌等,光合作用产能,循环光合磷酸化（厌氧光合细菌）植物型光合作用 嗜盐细菌对光能的利用,2.细胞物质的合成,3.代谢调节,三、影响微生物生长的环境因素,营养物质 温度 pH 氧和氧化还原电位 化学药剂、水活度与渗透压、辐射、超声波等,植物学基础,植物修复技术就是利用植物根系吸收水分和养分的过程来吸收、转化污染体（如土壤和水）中的污染物，以期达到清除污染、修复或治理的目的。,植物的主动和被动吸收,超积累植物,植物体内的降解转化,根际效应,主要是指在地上部累积,其体内目标重金属浓度要高，即大于某一临界值,对于不同元素，由于其含量分布、毒性、土水允许浓度等指标不一，其临界标准也不一样 如Ni：1000ug/gDW；Cd：100ug/gDW,超积累植物,氧化还原电位 pH 根际微生物数量 与种群结构 根际酶活性,1 植物提取（phytoextraction）污染物被植物吸收积累，植物收获后再进行处理；2 植物挥发（phytovolatilization）污染物被植物吸收到体内后并将起转化为气态物质释放到大气中；3 植物稳定化（phytostabilization）植物与土壤共同作用，将污染物规定，以减少其对生物与环境的危害；4 植物降解（phytodegradation）植物与其相关的微生物区系将污染物转化为无毒物质。5 植物滤除（Rhizofiltration）利用植物根系吸收、吸附污染水体中的重金属。,分子生物学,一、“分子生物学”的由来,Waren Weaver,二、分子生物学定义,三、分子生物学的三大领域,四、遗传物质,核酸,DNA分子含有生物物种的所有遗传信息，分子量一般都很大。DNA为双链分子，其中大多数是链状结构大分子，也有少部分呈环状结构。,RNA主要是负责DNA遗传信息的翻译和表达，分子量要比DNA小得多。RNA为单链分子。病毒的遗传信息,RNA,DNA,根据RNA的 功能，可以分为mRNA、tRNA和rRNA三种。,mRNA(Messenger RNA，信使RNA),约占总RNA的5%不同细胞的mRNA的链长和分子量差异很大它的功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质合成基地核糖核蛋白体,tRNA(Transfer RNA，转移RNA),约占总RNA的10%15%。它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息，并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的作用。已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。,rRNA(Ribosome RNA，核糖体RNA),约占全部RNA的80%，是核糖核蛋白体的主要组成部分。rRNA 的功能与蛋白质生物合成相关。,染色体与基因的关系：一条染色体上有许多基因，基因在染色体上呈直线排列 染色体与DNA的关系：每一条染色体上只有一个DNA分子，染色体是DNA分子的主要载体 DNA与基因的关系：每个DNA上有许多基因，基因是有遗传效应的DNA片段,DNA结构及特点,碱基都具有芳香环的结构特征。嘌呤环和嘧啶环均呈平面或接近于平面的结构。碱基的芳香环与环外基团可以发生酮式烯醇式或胺式亚胺式互变异构。,胺式亚胺式互变异构,酮式烯醇式互变异构,氢原子与电负性大、半径小的原子X（氟、氧、氮等）以一种特殊的分子间作用力结合，若与电负性大的原子Y接近，在X与Y之间以氢为媒介，生成X-HY形式的键，称为氢键,指4种脱氧核苷酸（A、T、C、G）的连接及其排列顺序，DNA序列（碱基序列）,1、DNA的一级结构,五、DNA的结构,2、DNA 的二级结构,指两条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋结构。,碱基对间的氢键 碱基的堆积力 磷酸基的负电荷排斥力,3、DNA的高级结构,线状DNA形成的超螺旋,环状DNA形成的超螺旋,六、DNA的变性与复性,核酸的变性指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂，变成单链结构的过程。变性核酸将失去其部分或全部的生物活性。核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级结构(碱基顺序)保持不变。能够引起核酸变性的因素很多。温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。,DNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将引起DNA变性的温度称为融点，用Tm表示。一般DNA的Tm值在7085C之间。DNA的Tm值与G和C含量有关。GC含量增加1%，Tm增0.4 CG和C的含量高，Tm值高。因而测定Tm值，可反映DNA分子中G、C含量，可通过经验公式计算：（G+C)%=(Tm-69.3)X2.44,核酸的复性,变性DNA在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性。DNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复。DNA复性的程度、速率与复性过程的条件有关。,将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。但是将变性的DNA缓慢冷却时，可以复性。分子量越大复性越难。浓度越大，复性越容易。此外，DNA的复性也与它本身的组成和结构有关。,七、DNA的复制,1、定义：由亲代DNA生成子代DNA时，每个新形成的子代DNA中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制方式称半保留复制。,DNA的半保留复制（semi-conservative replication）,2、DNA半保留复制的生物学意义,DNA的半保留复制表明DNA在代谢上的稳定性，保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。,DNA复制的过程,碱基间氢键断裂,双螺旋解旋和分开,分别作为模板复制,大约20个DnaA蛋白在ATP的作用下与oriC处的4个9bp保守序列相结合,在HU蛋白和ATP的共同作用下,Dna复制起始复合物使3个13bp直接重复序列变性,形成开链,解链酶六体分别与单链DNA相结合(需DnaC帮助),进一步解开DNA双链,复制方向和速度：,单起点、双向等速,多起点、双向等速,DNA复制方式,与DNA复制有关的物质,1、原料：四种脱氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、dCTP、dTTP)2、模板：以DNA的两条链为模板链，合成子代DNA3、引物：DNA的合成需要一段RNA链作为引物4、引物合成酶（引发酶）：此酶以DNA为模板合成一段RNA,这段RNA作为合成DNA的引物（Primer)。实质是以DNA为模板的RNA聚合酶。,RNA结构及特点,单链、核糖、碱基U,