水处理生物学2原核微生物.ppt

第一篇 水处理生物学基础,微生物的分类,微生物,原核细胞生物,古菌域,细菌域,真细菌蓝细菌,放线菌,立克次氏体、衣原体、支原体，螺旋体,真菌细胞生物 真核生物域,拟病毒：只含有不具独立侵染性的RNA或DNA组分,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,细胞结构微生物,非细胞结构微生物,三域学说：20世纪70年代末由于美国伊利诺斯大学的（伍斯）等人对大量微生物和其他生物进行16s和18srRNA的寡核苷酸测序，并比较其同源性水平后，提出了一个与以往各种界级分类不同的新系统，称为三域学说，“域”是一个比界更高的界级分类单元，过去曾称原界。三个域指的是细菌域（以前称“真细菌域”）、古生菌域（以前称古细菌域）、和真核生物域。,第二章 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。原核生物具有以下的特点：无核膜，无成形的细胞核；遗传物质是一条不与组蛋白结合的环状双螺旋脱氧核糖核酸（DNA）丝，（有的原核生物在其主基因组外还有更小的能进出细胞的质粒DNA）；以简单二分裂方式繁殖，无有丝分裂或减数分裂；没有性行为，有的种类有时有通过接合、转化或转导，将部分基因组从一个细胞传递到另一个细胞的准性行为（见细菌接合）；没有由肌球、肌动蛋白构成的微纤维系统，故细胞质不能流动，也没有形成伪足、吞噬作用等现象；鞭毛并非由微管构成，仅由几条螺旋或平行的蛋白质丝构成；细胞质内仅有核糖体而没有细胞器；细胞内的单位膜系统除蓝细菌另有类囊体外一般都由细胞膜内褶而成，其中有氧化磷酸化的电子传递链（蓝细菌在类囊体内进行光合作用，其他光合细菌在细胞膜内褶的膜系统上进行光合作用；化能营养细菌则在细胞膜系统上进行能量代谢）；在蛋白质合成过程中起重要作用的核糖体散在于细胞质内，核糖体的沉降系数为 70S；大部分原核生物有成分和结构独特的细胞壁等等。,原核生物,2.1 细菌,细菌是大家比较熟悉的名字，自从德国乡村医生劳伯柯赫第一个猎获病菌以后，细菌这个名字就常常和疾病联系在一起。因为人和动植物的许多传染病，都是由细菌作祟引起的，所以人们对它总有一种厌恶和恐惧的感觉。其实，危害人类的细菌只是一小部分，大多数细菌对人类是有益处的。,细菌（Bacteria）P7,广义的细菌即为原核生物是指一大类细胞核无核膜包裹，只存在称作拟核区（nuclear region)(或拟核)的裸露DNA的原始单细胞生物，包括真细菌（eubacteria）和古生菌（archaea）两大类群。广义上的细菌还包括:放线菌,螺旋体,立克次氏体,衣原体,支原体(霉形体)狭义的细菌为原核微生物的一类，是一类形状细短，结构简单，多以二分裂方式进行繁殖的原核生物。是一类形态微小,结构简单,具有细胞壁,无典型细胞核(无核膜/核仁),而只有核质(染色体),不能进行有丝分裂而主要靠二等分分裂繁殖的原核单细胞微生物.,是给水与废水处理中最重要的一类微生物！,它是一种单胞生物,形体微小,结构简单。无成形细胞核、也无核仁和核膜，无细胞器。在适宜的条件下其相对稳定的形态与结构。一般将细菌染色后用光学显微镜观察，可识别各种细菌的形态特点，而其内部的超微结构须用电子显微镜才能看到。,2.1.1 细菌的个体形态和大小,1.细菌的基本形态（1）球状（2）杆状（3）螺旋状（4）丝状（仅有少数）及其他形状,丝状菌,（1）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。,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)：26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,螺菌,螺旋体,（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,（5）形状其他型,细菌的大小以m计，如：E.Coli长2 m，宽0.5 m，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（Thiomargarita namibiensis）0.10.3mm，肉眼可见。较小细菌，1998年芬兰学者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,2.1.2 细菌的细胞结构,细菌是单细胞结构微生物。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（cell wall）,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,革兰氏染色法,1.涂片固定,2.单染结晶紫染液第一次染色 1min,3.媒染碘-碘化钾溶液浸湿30S,4.脱色95%乙醇溶液进行颜色洗脱,5.复染红色的藩红染液第二次染色,呈现第二次染色的效果红色；称革兰氏阴性菌（红阴G-）,细菌呈现第一次染色的效果紫色，革兰氏阳性菌（紫阳G）；,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,革兰氏染色的原理,2.原生质体,（1）细胞质膜（protoplasmic membrane）,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6070的蛋白质，含3040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（integral protein)或内在蛋白（intrinsic protein）,具酶促作用的周边蛋白（peripheral protein）或膜外蛋白（extrinsic protein）,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（fluid mosaic model）,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。亦称原生质。内含物（inclusion body）：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。,贮藏物（reserve materials）,不同化学成分累积成的不溶沉淀颗粒，贮藏营养物。,聚-羟丁酸(poly-hydroxybutyrate,PHB),PHB于1929年被发现，至今已发现60属以上的细菌能合成并贮藏。,它无毒、可塑、易降解，被认为是生产医用塑料、生物降解塑料的良好原料。,PHB,H,C,H,H3,C,C,C,H,H,H,O,O,O,n,n106,异染粒(metachromatic granules),在暗视野显微镜下看到的迂回螺菌(Spirillum volutans)异染粒（迂回体）,颗粒大小为0.51.0m，是无机偏磷酸的聚合物，一般在含磷丰富的环境下形成。功能是贮藏磷元素和能量，并可降低细胞的渗透压。,OH,P,O,H,n,H,O,O,异染粒（metachromatic granule）,n=2106,多糖类贮藏物,在真细菌中以糖原为多糖原粒较小，不染色需用电镜观察，用碘液染成褐色，可在光学显微镜下看到。,糖原粒淀粉粒,有的细菌积累淀粉粒，用碘液染成深兰色。,藻青素（cyanophycin）,一种内源性氮源贮藏物，同时还兼有贮存能源的作用。通常存在于蓝细菌中。,由含精氨酸和天冬氨酸残基（1:1）的分枝多肽所构成，分子量在25000125000。,硫粒（sulfur globules）,很多真细菌在进行产能代谢或生物合成时，常涉及对还原性的硫化物如H2S，硫代硫酸盐等的氧化。在环境中还原性硫素丰富时，常在细胞内以折光性很强的硫粒的形式积累硫元素。当环境中环境中还原性硫缺乏时，可被细菌重新利用。,磁小体(megnetosome),功能是导向作用，即借鞭毛游向对该菌最有利的泥、水界面微氧环境处生活。,实用前景，包括生产磁性定向药物或抗体，以及制造生物传感器等,其他内含颗粒,（三）细胞的结构,羧酶体(carboxysome),一些自养细菌细胞内的多角形或六角形内含物,其大小与噬菌体相仿，约10nm，内含1,5-二磷酸核酮糖羧化酶，在自养细菌的CO2固定中起着关键作用。,采用免疫电镜技术观察蓝细菌cyanobacterium Chlorogloeopsis fritischii中的羧酶体,其他内含颗粒,（三）细胞的结构,载色体（Chomatophore）,光合细菌进行光合作用的部位相当于绿色植物的叶绿体,其他内含颗粒,气泡（gas vocuoles）,是许多光合型、无鞭毛水生菌中充满气体的泡囊状内含物,大小为0.21.0um75nm,内由数排柱形小空泡组成，外有2nm厚的蛋白膜包裹,每个细胞中含几个或数百个气泡,功能：调节细胞比重以使细菌漂浮在最适水层中获取光能 O2，和营养物质,其他内含颗粒,质粒染色体(Chromosomes),质粒(circular covalently closed DNA),质粒(Plasmid)是一种染色体外的稳定遗传因子,大小从1-200kb不等,为双链、闭环的DNA分子,并以超螺旋状态存在于宿主的细胞质中。是一类小型闭合环状核外双螺旋DNA分子，能独立于细胞核进行自主复制。上面携带有数个到数十个甚至上百个基因（P134）,其他内含颗粒,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，0.253mm长。功能：遗传物质。,（3）拟核,拟核（nucleoid）,3.特殊结构,（1）糖被（Glycocalyx）,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200m以下，称为微荚膜。荚膜是分类特征之一。,有些细菌生活在一定的营养条件下，会向细胞为分泌出一层黏性多糖类物质称为糖被,（1）荚膜（capsule）(P13),荚膜作为分类鉴定的依据,荚膜,荚膜的化学组成：含水率9098，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（slime layer）,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（zoogloeaP14）,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。在微生物学领域里，习惯将动胶菌属形成的细菌团块称为菌胶团。在水处理工程领域内，则将所有具有荚膜或粘液的絮凝性细菌互相絮凝聚集成的菌胶团块都称为菌胶团。,吸附和氧化分解有机物；菌胶团是细菌的存在形式，细菌占到活性污泥中微生物总量的99%,达107108个/ml，是生物处理的主力军，一旦菌胶团受到各种因素的影响和破坏，则活性污泥法对有机物去除率明显下降，甚至无去除能力。菌胶团对有机物的吸附和分解，为原生动物和微型后生动物提供了良好的生存环境；例如菌胶团本身为原生动物、微型后生动物提供附着场所；菌胶团中的细菌可以去除毒物、自身作为动物食料。,菌胶团的功能,具有指示作用；通过菌胶团的颜色、透明度、数量、颗粒大小及结构的松紧程度可衡量好氧活性污泥的性能。新生菌胶团颜色浅、无色透明、结构紧密，则说明菌胶团生命力旺盛，吸附和氧化能力强，再生能力强。老化的菌胶团，颜色深，结构松散，活性不强，吸附和氧化能力差。,菌胶团的功能,（3）芽孢（spore）,有些细菌（多为杆菌）在一定条件下，细胞质高度浓缩脱水所形成的一种抗逆性很强的球形或椭圆形的休眠体。由于芽孢是在细胞内形成的，所以也常称之为内生孢子，亦称芽孢。每一细胞仅形成一个芽孢，所以其没有繁殖功能。,芽孢是整个生物界中抗逆性最强的生命体，是否能消灭芽孢是衡量各种消毒灭菌手段的最重要的指标。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。,如：肉毒梭菌1005个小时以上杀死；芽孢抗紫外线一般是营养细胞的一倍,芽孢的形态,芽孢的特点：（P15）芽孢的含水率低，38%40%。芽孢壁厚而致密，分三层：外层是芽孢外壳，为蛋白质性质。中层为皮层，由肽聚糖构成，含大量2，6-吡啶二羧酸。内层为孢子壁，由肽聚糖构成，包围芽孢细胞质和核质。芽孢萌发后孢子壁变为营养细胞的细胞壁。芽孢中的2，6-吡啶二羧酸（dipicolinic acid 简称DPA）含量高，为芽孢干重的5%15%。吡啶二羧酸以钙盐的形式存在，钙含量高。在营养细胞和不产芽孢的细菌体内未发现2，6-吡啶二羧酸。芽孢形成过程中，2，6-吡啶二羧酸随即合成，芽孢就具有耐热性，芽孢萌发形成营养细胞时，2，6-吡啶二羧酸就消失，耐热性就丧失。含有耐热性酶。,（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,鞭毛大小：直径0.0010.02m，长度在250m；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。,细菌鞭毛着生于细胞膜上，但运动支点由细胞壁提供。,2.1.3 细菌的繁殖,细菌的主要繁殖方式是裂殖，只有少数类型营芽殖。P19,2.1.3 细菌的繁殖和培养,繁殖一般为无性繁殖，二分裂法。同形裂殖：裂殖后形成的子细胞大小相等。异形裂殖：分裂产生两个大小不等的子细胞。细菌分裂过程：核分裂形成横隔壁子细胞分离,培养基：人工配制的供给微生物营养物质的基质。固体培养基(加入约1.5%的琼脂);半固体培养基(加入0.3-0.5%的 琼脂);液体培养基。,在不同培养基上细菌会出现具有不同的培养特征。在固体培养基上，称为菌落,菌落：单个微生物接种在固体培养基上，在合适的条件下培养一段时间，生长繁殖形成一堆由无数个个体组成的肉眼可见的群体。,菌落特征主要有：大小、形状、光泽、颜色、质地软硬、透明度等。,细菌的群体特征（培养特征）,培养皿通常称平板细菌在培养基上生长，会形成各种颜色和外观的菌落。,纯化的菌落是菌种鉴定、通过诱变技术或基因工程改良的前提。,Streptomyces coelicolor-1,铜绿假单孢,粘质沙雷氏菌,沙门氏菌,费氏志贺氏菌,菌落的特征主要由各种微生物特殊的遗传特性决定，同时也与培养基成分及培养条件有关当固定培养基成分及培养条件相同时，不同种类微生物形成的菌落特征是固定的，可作为微生物鉴定的重要依据。,菌落形态,没有鞭毛不运动的细菌，特别是球菌，常形成较小、较厚、边缘较整齐的菌落；有鞭毛的细菌则较大而扁平，边缘波状、锯齿状等；有荚膜的细菌菌落较大并且表面光滑，而没有荚膜的则表面较粗糙；具有芽孢的细菌菌落表面常有褶皱并且不透明。,细菌菌落具有一些共同的特征：小、湿润、粘稠、与基质结合松散，易被剥离，质地均匀，各部位颜色一致。但不同的细菌菌落也具有自己特有的特征。,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，形成菌膜或环状等或者在液体培养基表面形成膜,使培养液混浊,或产生絮状沉淀（粘重，如菌胶团、活性污泥）。,细菌的等电点在pH为25；革兰氏阳性菌的等电点在pH为23；革兰氏阴性菌的等电点在pH为45：pH为34之间的为革兰氏染色不稳定性菌；细菌表面带电荷；由细菌表面的蛋白质（两性电解质）的等电点和外界的pH值所决定。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,细菌的物理化学性质,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,革兰氏染色与细胞壁：,简单染色法 正染色 革兰氏染色法 鉴别染色法 抗酸性染色法 芽孢染色法 死菌 姬姆萨染色法 负染色：荚膜染色法等 活菌：用美蓝或TTC（氧化三苯基四氮唑）等作活菌染色,细菌染色法,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：,C 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。,革兰氏染色的机制有以下两点：(1)革兰氏染色与等电点的关系 G+菌的等电点低于G-菌，所带负电荷更多，因此，它与结晶紫的结合力较大，不易被乙醇脱色。(2)革兰氏染色与细胞壁的关系 G+的细胞壁脂类少，肽聚糖多，G-则相反，故乙醇容易进入G-细胞，进行脱色。,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；使活性污泥中粗糙型(R型)细菌数量占优势或采取投加强电解质等方式改善活性污泥的沉淀效果,