水处理生物学第六章生理特性.ppt

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1、第六章 微生物的生理特性,第一节 微生物的营养 第二节 酶及其作用 第三节 微生物的代谢 第四节 环境因素对微生物生长的影响,第一节 微生物的营养,营养：是指生物体从外部环境中摄取对其生命活动必需的能量和物质，以满足正常生长和繁殖需要的一种基本生理功能。,一、微生物细胞的化学组成及所需的营养物质,细胞质量（湿重）,水7090%,干物质1030%,无机盐310%,有机物90 97%,碳水化合物 蛋白质 脂肪 DNA RNA等,组成微生物细胞,（一）化学组成,（二）营养物质,可被微生物吸收利用的物质。,1 碳源 氮源 3 能源4 无机盐 5 生长因子 6 水,碳源,有机碳源,糖类 蛋白质 脂肪 有

2、机酸,无机碳源,CO2 CO32,多数微生物最好的碳源：葡萄糖、果糖、麦芽糖、淀粉 生产中常见的碳源：玉米粉、麸皮、米糠、酒糟。,提供细胞碳素来源的营养物质。,最适碳源 C-H-O型化合物,2 氮源,提供细菌细胞氮素来源的营养物质。,有机氮源,蛋白质 蛋白胨 氨基酸,无机氮源,NH4Cl NH4NO3,实验室常用氮源：牛肉膏、蛋白胨 生产上常用氮源：尿素、玉米浆,异养微生物对氮源的利用顺序是：NCH O(X)N HN ON,3 能源,提供微生物生命活动最初能量来源的营养物质和辐射能。,能源种类,有机物：化能异养型的能源（同碳源）,无机物：化能自养型的能源（不同于碳源）,：光能自养和光能异养型的

3、能源,4 生长因子,概念：某些微生物在生长过程中不能利用简单的碳、氮源自身合成，同时又是正常代谢必需的有机物。,氨基酸类 嘌呤、嘧啶类 维生素类,实验室常用：酵母膏、蛋白胨作为综合生长素 硫辛酸、VC、VK是重要的生长因子。,生长因子自养型微生物生长因子异养型微生物生长因子过量合成型微生物,5 无机盐,构成微生物细胞的各种组分；酶的组分及激活剂；维持适宜的渗透压；自养型细菌的能源。,大量元素（生长所需浓度在103104 moL/L之间）：C、H、O、N、P、S 微量元素（生长所需浓度在106108 moL/L之间）：Mn、Co、Cu、Zn、Se,6 水,营养物质的溶剂，而后被吸收。参与生物化学

4、反应。运输物质的载体。维持和调节机体的温度。,作用:,微生物利用营养的说明,不同微生物对每一种营养元素需要的数量不同。并要求各营养元素有一定的比例。细菌往往优先利用易被吸收的有机物质。,二、微生物的营养类型,根据微生物所需碳源和能源的不同，营养类型分四类：,自养型,光能无机营养型,化能无机营养型,异养型,光能有机营养型,化能有机营养型,1 光能无机营养型(Photolithotroph),又称光能自养型微生物。藻类、蓝细菌、光合细菌（紫硫细菌、绿硫细菌）碳源以CO2 为唯一碳源 能源光,利用H2O或H2S中的H来还原CO2，合成有机物。,光合细菌：,藻类和蓝细菌：,2 化能无机营养型（chem

5、olithotroph),又称化能自养型微生物。氢细菌、硫化细菌、铁细菌、硝化细菌。分布在土壤、水域中，在自然界物质转化中作用重大。碳源以 C O2为唯一碳源。能源无机物氧化产生能量。同时作为氢供体。,硝化细菌,2NH3+2O2,CO2+4H+,2HNO2+4H+ATP,CH2O+H2O,3 光能有机营养型（photorganotroph),又称光能异养型微生物。碳源有机物作为供氢体和碳源，也可利用CO2作为碳源。能源光,该类菌能利用低分子有机物迅速增殖，利用此菌净化高浓度的有机废水。如果和活性污泥法合用，净化效率高。在废水处理中有重要的作用。,红螺菌,红螺菌在湖泊、池塘、淤泥中含有，在缺氧时

6、能利用有机酸、醇等有机物。同时该菌含有蛋白质65%，和大量的氨基酸、抗生素。常用工业废水和农业废弃物生产该菌，既保护了环境消除污染，又生产了单细胞蛋白变废为宝。,4 化能有机营养型(chemoorganotroph),又称化能异养型微生物。绝大多数细菌、放线菌和全部真菌、病毒。如大肠杆菌，枯草杆菌，链霉菌，根霉，曲霉。碳源有机物 能源有机物氧化获得。,微生物营养类型,三、培养基,实验中，常利用培养基来培养各种微生物进行研究。,1 概念：人工配制的适合于不同微生物生长繁殖 或积累代谢产物的营养基质。,2 培养基的配制原则,根据不同需要配制不同的培养基 细菌：牛肉膏蛋白胨培养基 真菌：马铃薯糖培养

7、基 放线菌：高氏一号培养基,理化条件适宜（pH值、渗透压、氧化还原电位等条件）物美价廉 营养协调（各营养物质的浓度及配比）,牛肉膏蛋白胨培养基（细菌）牛肉膏 3g 蛋白胨 10g NaCl 5g 琼脂 18-20g 水 1000ml,马铃薯糖培养基（真菌）马铃薯 200g 葡萄糖或蔗糖 20g 琼脂 18-20g 水 1000ml pH 自然,3 培养基的分类,(1)根据物理状态分类,液体培养基：不加凝固剂。水处理中的废水。发酵工业。半固体培养基：液体培养基中加入0.5-1%的凝固剂。观察细菌的运动状态等。固体培养基：液体培养基中加入2%左右的凝固剂。分离、鉴定、计数、菌种保藏。,凝固剂：琼脂

8、、明胶、硅胶,（2）根据化学组成分类,天然培养基：动、植物、细菌或它们的提取液。如酸奶、饮料酒、腐乳、酱类的发酵生产 特点化学组分不知道，营养丰富，配制容易。合成培养基：完全以化学药品配制而成。如KH2PO4、NaCl 特点组分确定 半合成培养基：天然成分和化学药品都有。,（3）根据用途分类,鉴别培养基：根据微生物的代谢反应或其产物的 反应特性而设计的，可借助肉眼直 接判断微生物种类的培养基。选择培养基：按照某种微生物特殊营养要求专门 设计。分离的微生物由劣势种变为 优势种。加富培养基：根据营养要求人为地强化投加多种 营养物质，以促进微生物大量生长。,四、营养物质的吸收和运输,细胞膜的选择吸收

9、,分四种情况,1单纯扩散,物质顺浓度差运输运动过程不耗能被运输物质的分子结构不发生变化水、气体和甘油等的运输模式不是细胞主要的吸收途径,2促进扩散,与单纯扩散特点相似细胞膜上蛋白做载体对转运物质有选择性,3主动运输,微生物吸收营养的最主要方式需要能量可以逆浓度差进行需要载体蛋白参与,4.基团转位,与主动运输非常相似被吸收的营养物质与载体蛋白发生化学反应，因此物质结构有所改变,吸收和运输方式的异同,第二节 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,酶的概念：由活细胞产生的具有高度催化专一性 的特殊蛋白质。,2 酶的命名和分类,组成酶

10、：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，作用于细胞外的物质（大分子）,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，催化效率高 专一性强 反应

11、条件温和。常温、常压、接近中性就可以起作用 酶活力的可调性。离体酶具活性。,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 习惯酶活性单位 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

12、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。酶活性在特定的电荷状态下发挥。,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。,酸碱都会降低酶活性甚至失活,最适PH值：能保持最

13、大酶活性的PH值约在69 中性居多。,3 基质浓度,酶促反应动力学,V：反应速度；S：基质浓度；V最大：最大反应速度；Km：米氏常数(酶催化反应中中间复合物ES分解速度与生成速度之比)。,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最大=K3E0,酶的总浓度E0影响米-门方程中和 V最大的大小。,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 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

14、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。,微生物产生的酶的作用,微生物产生的具特殊功能的酶可用于洗衣粉等日用品的生产中；用于生物试剂生产（Taq酶）。用于三废治理方面，脂肪酶净化生活污水，多酚氧化酶检出酚并可除去酚。,注意：将微生物和酶两者相区别。微生物的酶是微生物机体合成的。,有关微生物酶的几个概念：,酶制剂：从微生物体中分离出来制成的水溶性酶。固相酶：水溶性酶经过理、化处理与载体结合形成。稳定性增加，可反复使用多次，寿命长。固定化微生物细胞：把微生物细胞直接固定在载体上，免去酶分离提纯的工艺，提高酶的收率。,第三节

15、 细菌的呼吸,一 呼吸作用的本质 二 细菌的呼吸类型 三 细菌与氧气的关系 四 细菌的呼吸类型在废水生物处理中的应用,新陈代谢：简称代谢，是推动一切生命活动的动力源，通常指在活细胞中的各种合成代谢与分解代谢的总和。合成代谢：又称同化作用或合成作用，是微生物不断从外界吸收营养物质，合成细胞物质的过程，在此过程中需要吸收能量。分解代谢：又称异化作用或分解作用，是微生物将自身或外来的各种复杂有机物分解为简单化合物的过程，在此过程中有能量释放。,一 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，呼吸基质脱下的氢和电子经载体传递，最终交给受体的生物学过程。,2 发生的

16、生物学现象（酶的催化）,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）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。,二 细菌的呼吸类型,脱下氢和电子氧化 接受氢和电子还原,根据基质脱氢后，最终受氢体（电子受体）的不同，微生物呼吸分为三类：,1 好氧呼吸 respiration（1）最终电子受体：游离的氧气（O2）,（2）反应模式,（3）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

17、被氧化较彻底，获得的ATP 多，最终产物积累少。好氧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：无机物（NO3-、NO2-、SO42-、CO32-）,厌氧呼吸主要种类：,常见的发酵有 乙醇发酵 乳酸发酵,3 发酵,最终电子受体：基质氧化后的中间产物 特点：氧化不彻底，产能低，可积累大量中间产物,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。,三

18、 细菌与氧气的关系（微生物与氧气的关系）,1 需氧（好气）菌 2 厌氧（嫌气）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,呼吸类型厌氧呼吸和发酵，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DO，发酵、厌氧呼吸,水中DO

19、，有氧呼吸,四 细菌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 其它环境因素对细菌（微生物）生长的影响,1 灭菌(sterilization)：用理化方法杀死物体 表面及内部所有微生物（包括芽孢）的过程 灭菌剂 2 消毒（disinfection)：用理化方法杀死病原微生 物的措施 消毒剂 3 防腐（antisepsi

20、s)：用理化方法抑制霉腐微生物 生长的措施(理化因素）。防腐剂（抑菌剂）4 无菌操作：防止微生物进入物体的技术。5 无菌：指没有活的微生物（包括芽孢）存在,概 念,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

21、生物）,1 低温型微生物 psychrophiles（-5+30）,雪藻,最适温范围1020。分布：海水及冷藏食品。,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。,1 干热灭菌(dry heat ster

22、ilization),2）干燥热空气箱灭菌 用法：160-170,2小时（利用热空气灭菌)特点：由于空气传热穿透力差，菌体在脱水状态 下不易杀死。所以温度高、时间长。适用：玻璃器皿、金属器械等耐高温的固体物。,1）火焰灭菌：常用酒精灯、接种环 特点：彻底、迅速。,2 湿热灭菌(moist heat sterilization)（主讲高压蒸汽灭菌法）,利用水的沸点随水蒸气压力的增加而上升，以达到高温灭菌目的的方法。,a 方法：一般121（1kg/cm2或15磅/英寸2）20-30min。,b 适用：耐高温物品如培养基，无菌水，培养皿。,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

23、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)。,.酶在低温下仍起作用,.微生物质膜中不饱和脂肪酸含量高(低温下仍保持半流体状态),低温下微生物为什么能生存？,？,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）,1、细 菌：pH 7.0-7.6 2、酵母、霉菌:pH 5-6 3、放 线 菌:pH 7.6-8,微生物生活的PH在4.09.0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p

24、H值过高或过低应该加以中和，作适当调整。,1 配制培养基时调节好PH，适于培养的微生物需要。2 培养基中的蛋白胨、氨基酸有一定的缓冲能力。3 加入缓冲物质磷酸盐、碳酸盐等,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+60

25、0mv之间。污泥消化法系统：Eh值-100-200mv之间。,四 水分,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。,用干燥保存食品，防止物品腐败。,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 光线,日光中的紫外线杀菌。,1 杀菌波长范围：240300nm。最强作用波长265266nm。2 应用：表面消毒或空气灭菌、浅层水的灭菌。育种的诱变剂 不能穿透玻璃。,七 化

26、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 对米-门公式加以说明。5 影响酶促反应的因素有哪些？6 环境因素如何影响细菌的生长（综合分析）？7 紫外线杀菌的机理和适用范围是什么？8 灭菌、消毒、抑菌、无菌操作的概念。,