水处理生物学(第四版).ppt

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0.5m，长度约0.55m）、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)：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,（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,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（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（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。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（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。Bacillus megaterium（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，0.253mm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200m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（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DPACa，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0.0010.02m，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。,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（basal body）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；SM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”（rotation theory）和“挥鞭论”（bending theory）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-cell experiment)，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：核复制后分裂 形成横隔子细胞分离,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；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。,1,2,3,4,革兰氏染色机制：,（1）与等电点有关：革兰氏阳性菌pH23，阴性菌pH45，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，如果将地球约亿年的年龄比作一年，那么古菌早在月日就出现了，而人类诞生不过是月日的事。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70105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24mol/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0.2-0.8m；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1-1.4m，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1-3m。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（0.2-0.5m），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（）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（0.2-0.25m），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？,