微生物生长与生存.ppt

微生物的生长繁殖与生存因子,1,1.微生物的生长繁殖，生长曲线，世代时间和世代时间的计算，活性污泥的生长曲线及应用。微生物的各种培征；微生物的测定方法：着重活细菌数的测定。2.生存因子：温度、溶解氧、pH、渗透压、氧化还原电位、正面生物效应的太阳辐射。3.有害环境因子：极端温度、极端pH、紫外辐射、高盐、重金属、超声波、几种有机物、抗生素对微生物的破坏。4.微生物之间的关系。,内容提示,2,一、概念1、单细胞微生物的生长繁殖生长就是自我物质的增加。微生物从环境中吸收营养物质，按自已的方式进行新陈代谢，在适合的条件下，同化作用大于异化作用，微生物细胞质量不断增长的过程。繁殖细胞数量的增加。当单个细胞生长到一定程度时就分裂，使细胞个体数目增加的过程（单细胞微生物的繁殖）发育：微生物的生长与繁殖是交替进行的，从生长到繁殖这个由量变到质变的过程。,第一节微生物的生长繁殖,3,世代时间从这一代出生到下一代出生的间隔时间（微生物的世代时间就是两次细胞分裂之间的时间）。2、多细胞微生物的生长繁殖生长：细胞质量和数目都增加，但不伴随微生物个体数目的增加。繁殖：细胞数目和个体数目同时都增加。,4,二、研究微生物生长的方法,(一)分批培养法分批培养；是将一定量的微生物接种在一个封闭的、盛有一定体积液体培养基的容器内，保持一定的温度、pH和溶解氧量，微生物在其中生长繁殖，结果出现微生物的数量由少变多，达到高峰后又由多变少，甚至死亡的变化规律。细菌的生长曲线：将少量细菌接种到一种新鲜的、定量的液体培养基中进行分批培养，定时取样(例如，每2h取样1次)计数。以细菌个数或细菌数的对数或细菌的干重为纵坐标，以培养时间为横坐标，在坐标系上各点连接成一条曲线，即细菌的生长曲线。细菌的生长曲线反映微生物的数量由少变多，达到高峰后又由多变少，到死亡的变化规律。,5,微生物生长曲线,6,细,菌,数,目,的,对,数,值,时间t,提问：为什么会出现停滞期呢？,特征：不立即进行细胞分裂、增殖，数量不变甚至减少,适应环境（合成相应的酶），营养储备（用于复制合成）,停滞期,1停滞期（适应期）停滞期“万事开头难”,7,影响停滞期长短的因素1).菌龄:对数期“种子”，停滞期较短；静止期或衰亡期“种子”,停滞期较长；2).接种量:接种量大，停滞期较短；接种量小，停滞期较长。3).培养基成分:培养基成分丰富的，停滞期较短；培养基成分与种子培养基一致,停滞期较短。4).培养条件:温度.酸碱度.氧气等条件适合停滞期较短。,8,5).不同种类细菌的停滞期长短不同。世代时间短的细菌其停滞期也短。综上所述：接种量适中，群体菌龄处于对数期，营养和环境条件均适宜，细菌的停滞期就短，世代时间短的细菌其停滞期也短。,9,2.对数期（指数期）对数期菌体分裂最快，菌体整齐，健壮，代谢旺盛，菌数以几何级数（1248，即202122232n）增加，生长曲线陡增（指数n为细菌分裂的次数）。细菌世代时间的测定：,10,细菌代时数的计算,式中：n为繁殖的代数；N0为对数期开始(t0)时细菌数，CFU/mL；Nx为对数期后期(tx)时的细菌数，CFU/mL,11,代时G的计算,要求某种细菌的代时（世代时间）G，先要测定该种细菌原始的细菌数，假设t0时的原始细菌总数为103CFU/mL，将它置于适当的温度条件下培养10h后，再测得tx=10h的细菌总数为109CFU/mL，用下式计算G。,由计算得知：繁殖一代细菌需要30min的时间。,12,静止期细菌经过对数期的快速增长，当增长速度达到一个最大值后，由于各种因素（营养、O、pH、Eh等）的改变，使生长速度逐渐降低，甚至出现零增长（繁殖与死亡速率相等），此时细菌数量最大，并保持一段时间，这一时期即为静止期。,13,4.衰亡期,继静止期之后，由于营养物被耗尽，细菌因缺乏营养而利用贮存物质进行内源呼吸，即自身溶解。细菌在代谢过程中产生有毒的代谢产物，抑制细菌生长繁殖。死亡率增加，活菌数减少，甚至死菌数大于新生菌数。此时，细菌群体进入衰亡期。衰亡期的细菌少繁殖或不繁殖或自溶。活菌数在一个阶段以几何级数下降，此时称为对数衰亡期。衰亡期的细菌常出现多形态，畸形或衰退型。有的细菌产生芽孢。活性污泥中微生物的生长规律和纯菌种一致，生长曲线相似。,14,(二)连续培养:一面连续进料，另一面连续出料。原理：进料=补足营养(“污染物”)出料=稀释菌浓度、毒物浓度1.恒浊法连续培养利用浊度来检测细胞的浓度,由控制生长限制基质(污染物）的浓度来保持浊度的恒定。2.恒化法连续培养维持进水中的营养成分恒定（其中对细菌生长有限制作用的成分要低于抑制生长的浓度）。以恒定流速进水，以相同流速流出代谢产物，使细菌处于最高生长速率状态的培养方法。,15,目前,污水连续生物处理法均类似于恒化连续培养；（流速不完全恒定）,16,废水生物处理大多采用恒化法分批培养包含了微生物生长的各个时期，而连续培养只是微生物生长的某一时期（对数期、静止期等），根据需要控制。,17,三、细菌生长曲线在污水微生物处理中的应用(一)污水生物处理系统中微生物的生长曲线1.生长率上升阶段（停滞期、对数期）2.生长率下降阶段（静止期）3.内源代谢阶段（衰亡期）,18,(二)微生物的代谢速率与食物/微生物（F/M）的关系1.生长上升阶段FM2.12.5时，微生物生长繁殖处于上升阶段,微生物代谢快。2.内源呼吸阶段FM0.0060.1时，则进入内源呼吸阶段,微生物代谢慢.(三)微生物各生长阶段与污水生物处理效果的关系,19,图5-4微生物代谢速率与F/M的关系,微生物代谢速率与F/M的关系,20,(三)微生物各生长阶段与污水生物处理效果的关系1.常规活性污泥法利用生长率下降阶段(静止期)的微生物.为何不用对数期的微生物？（1）对数期微生物的生长繁殖需要高浓度有机物，使出水有机质含量高，达不到排放要求；（2）对数期微生物沉淀性能差，导致出水水质差。,21,2.高负荷活性污泥法利用生长率上升阶段(加速期和对数期)的微生物.3.延时曝气法利用内源代谢阶段(衰亡期)的微生物.,22,图5-5活性污泥的生长曲线及其应用活性污泥生长曲线四个时期；常规活性污泥法；生物吸附法；高负荷活性污泥法；分散曝气；延时曝气,23,对数期,衰亡期,平推流式活性污泥法,静止期,24,四、微生物生长量的测定方法(一)总数的测定,1、计数器直接计数2、染色涂片计数3、比例计数法4、比浊测定细菌悬液浓度,25,(二).活菌数的测定(三)生长量测定,测细胞干重测定细胞含N量来确定细菌数测定DNA来计算细菌数测定某种酶类来计算细菌数,平板菌落计数液体稀释培养计数薄膜过滤计数,26,任何生物除需要营养物质外，还需要合适的环境因素（t、pH、O2、Eh、渗透压、日光等），才能生长良好。一、温度,第二节微生物的生存因子,温度是微生物最重要的生存条件之一。当处于最佳范围时，每上升10，酶促反应速度提高12倍。代谢速率和生长速率也提高，繁殖能力最强，微生物进行大量繁殖。,27,（一）各种微生物的适宜温度适宜温度微生物能正常生长发育的温度范围。最适温度微生物生长速度达到最大时的温度。不同微生物对温度的要求不同。可将微生物分为嗜冷菌、嗜中温菌、嗜热菌、嗜超热菌。,28,嗜冷菌：适宜范围-530，最适温度510。嗜中温菌：适宜范围550，最适温度2540。嗜热菌：适宜范围3080，最适温度5060。嗜超热菌：生长范围55113，最适温度70105废水生物处理的微生物几乎都是中温性的,29,（二）温度对微生物生长的影响在适宜的温度范围内，微生物的生长速率随温度的升高而加快，到最适宜温度，生长速率达最大。若温度过高，超过适宜温度上限，微生物则停止生长，甚至死亡。1.高温对微生物的影响高温此处是指超过微生物生长的最高温度，即致死温度，高温能杀死微生物。,30,高温致死微生物的机理影响高温杀菌效果的因素有无芽孢；作用时间长短；菌龄；酸碱度；水份,使蛋白质变性：酶蛋白变性使生化反应不能进行使关键细胞器被灭活：如细胞膜脂肪受热溶解使内含物外泄而灭活,31,灭菌灭菌通过高温或其他物理化学因素将所有微生物的营养细胞和所有芽孢或孢子全部杀死的过程。,灼烧：在干燥箱中利用热空气灭菌,高温灭菌方法,干热灭菌,湿热灭菌,间歇灭菌法：利用未加压的蒸汽反复蒸或水煮高压蒸汽灭菌法：,32,消毒消毒采用物理化学因素将所有微生物的营养细胞和一部分芽孢杀死的过程。,高温消毒方法,巴斯德消毒法,煮沸消毒法,用热交换器快速升温至70，保持15再速冷，以去除对热异常敏感的微生物群体的方法。,在水中煮沸15以上。如玻璃器皿、注射器。,33,2.低温对微生物的影响低温对低温性微生物的影响低温对低温性微生物的生长没有多少影响。低温性微生物抗低温的原因：具备抗低温的酶系统；主动运送营养物的功能良好；细胞质膜含不饱和脂肪酸，在低温下仍呈半流动性。,34,低温对中温性和高温性微生物的影响低温对中温性和高温性微生物的生长不利，但并不能致死，一旦温度恢复，即能复活。,小结：微生物的培养应该在最佳温度范围进行。超过最高温度会对细菌造成伤害甚至导致死亡。低温有抑制细菌作用。可以让微生物休眠，但不会导致死亡。温度升高时，活性即可恢复。,35,二、pH微生物也有最适应的pH范围，微生物不同，pH范围不同。（一）微生物生长繁殖适宜的酸碱度1.各种微生物适宜的pH范围大多数细菌、藻类、原生动物的最适pH范围为6.57.5，在pH410之间均能正常生长，细菌大多喜中性偏碱。,36,2.污水处理系统微生物适宜的pH范围污水处理系统微生物最适pH在6.58.5之间。由于pH+100mv进行好氧呼吸；Eh+100mv进行无氧呼吸厌氧：-200-250mv。专性厌氧产甲烷菌：-300-600mv。,不同微生物的Eh,40,四、溶解氧（DO）根据微生物对O2的需要程度将其分为好氧、厌氧和兼性厌氧三类，溶解氧对这三类微生物的影响也是各不相同的。,41,微生物与O的关系,好氧微生物,厌氧微生物,兼性微生物,专性好氧微生物,微量好氧微生物,专性厌氧氧微生物,耐氧厌氧微生物,42,（一）好氧微生物与氧的关系1.好氧微生物与氧：呼吸作用需O2作为最终电子受体O是合成某些物质的必要成分好氧微生物体内育分解过氧化氢等有毒物质的过氧化氢酶、超氧化物歧化酶等酶系统，使微生物免受这些有毒物质危害。,43,2.好氧活性污泥系统中氧的供给系统DO保持在34mg/L，才能保证污水的处理效果。,好氧微生物所需要的氧气是溶解在水中的氧气，即DO。溶解氧与大气压力及温度有关，温度越高，溶解氧越低。好氧生物处理系统中，为了保证微生物的正常工作，必须为它们提供足够的溶解氧。,44,工程上，通常采用鼓风曝气的形式向水中强制充氧，对于生活污水厂，BOD5200300mg/L。如果曝气池的活性污泥浓度在20003000mg/L时，溶解氧必须保证在2mg/L以上。通常控制在34mg/L。当供氧不足时，也会造成污泥的丝状菌膨胀。,45,（二）兼性厌氧微生物与氧的关系兼性厌氧微生物体内既有氧化酶又有脱氢酶，故它们既能在有氧条件下生存又能在无氧条件下生活。1.在有氧条件下：兼性厌氧微生物体内氧化酶活性强，生长繁殖快，对有机物的分解彻底,46,2.在无氧条件下：兼性厌氧微生物体内的氧化酶被抑制，而脱H酶活跃，对有机物的分解不彻底，生成有机酸、醇等。在污水好氧生物处理中，好氧和兼性厌氧微生物共同起积极作用,47,（三）厌氧微生物与氧的关系1.厌氧微生物与氧2.氧致死厌氧微生物的机理：H2O2杀死厌氧微生物NADH2+O2NAD+H2O2超氧化物O2-杀死专性厌氧微生物,厌氧微生物与O的关系,专性厌氧微生物：遇氧即死耐氧厌氧微生物：O是否存在对其生长没有影响，如大多数乳酸菌,48,五、太阳辐射波长在3801000nm的太阳辐射对微生物有利，其余波长的太阳辐射有害于微生物。六、水的活度和渗透压,（一）水的活度（aw）水的活度指在一定温度下某物质在与一定空间的空气相平衡时的含水量与空气饱和水量的比值。大多数微生物在aw=0.950.99之间生长最旺，aw=0.60.65之间停止生长，但少数霉菌和酵母菌在0.60.7之间仍能生长。,49,（二）渗透压渗透压当两种浓度不同的溶液被半渗透膜隔开时，低浓度溶液中的溶剂分子通过半渗透膜进入高浓度溶液中使其液面升高，当溶剂分子不再通过半渗透膜流动时两液面的高度差。渗透压对微生物的影响等渗液对微生物无影响低渗液使微生物细胞破裂高渗液使微生物失水而导致死亡,50,七、表面张力（r）表面张力作用在物体表面单位长度上的收缩力。水的表面张力为7.3X10-4N/m，一般培养基的表面张力为4.5X10-46.6X10-4N/m，适合微生物生长。,51,一、紫外辐射和电力辐射对微生物的影响紫外线的热效应特别高,通过物体产生高能杀死微生物。（一）紫外辐射对微生物的影响1、紫外辐射对微生物的影响紫外线能杀死微生物，不同种类或不同生长期的微生物对紫外线的抵抗力不同，G-菌对紫外线最敏感，G+次之，芽孢比营养细胞抗紫外线强。,第三节其它不利环境因子对微生物的影响,52,2、紫外线杀死微生物的作用机理由于微生物细胞中的核酸、嘌呤、嘧啶及蛋白质吸收紫外线的能力很强，导致DNA不能复制而被杀死。,53,3、用于室内空气杀菌的紫外灯波长杀菌能力最强的是260nm波长的紫外外线，用于实验室杀菌的人工制造低压水银灯能发出253.7nm波长的紫外线。4、紫外线杀菌的效果,54,5、紫外线的用途（1）.空气消毒（2）.表面消毒（3）.诱变育种（4）、饮用水和污水的消毒6、用紫外灯消毒注意的问题（1）.剂量要足（2）.人在无菌室操作时一定要关闭紫外灯。,55,（二）、电离辐射对微生物的影响波长在0.0010.1nm的x、r-射线照射物质均能使其产生电离，所以称为电离辐射。低剂量的电离辐射对微生物有促进生长或发生生诱变的作用。高剂量照射对微生物有致死作用。,二、超声波对微生物的影响频率大于20000HZ的声波称为超声波。超声波能杀死微生物，杀菌效果与其频率、作用时间、微生物的大小、形状、菌数等有关。,56,三、重金属对微生物的影响重金属Hg、Pb、Cu、Ag等及其化合物可有效的杀死细菌。重金属致死微生物的机理：重金属离子与酶的-SH结合，使酶失去活性。重金属与蛋白质结合，使蛋白质变性沉淀。,57,四、干燥对微生物的影响干燥对微生物营养细胞的影响很大，过分干燥会造成营养细胞失活，但芽胞、孢子、胞囊抗干燥能力强。,58,五、某些有机物对微生物的影响（一）醇醇是脱水剂和脂溶剂，可使蛋白质脱水变性，溶解细胞质膜的脂类物质而杀死微生物（75%的乙醇杀菌能力才最强）。（二）甲醛甲醛是很有效的杀菌剂，37%40%的甲醛溶液称为福尔马林，用于动物标本或尸体固定剂。（三）表面活性剂酚；季胺盐（新洁尔灭等）；合成洗涤剂；染料。,59,六、抗生素对微生物的影响抗生素是微生物在代谢过程中产生的，能抑制或杀死其它微生物的化学物质。,抗生素,广谱抗生素：金霉素、氯霉素、土霉素等,狭谱抗生素,青霉素：G+,多粘菌素：G,60,抗生素影响微生物的机理：抑制细胞壁中肽聚糖的合成破坏微生物的细胞质膜抑制蛋白质合成干扰核酸的合成,61,微生物之间关系,种内关系,竞争,互助,种间关系,竞争,原始合作（共生互生）,共生,偏害,寄生,捕食,第四节微生物与微生物之间的关系,62,一、竞争关系在同一环境中微生物种群之间对营养物质、溶解氧、空间和其它共同要求的物质相互竞争。二、原始合作关系指两种可以单独生活的生物共同生活在一起对双方互为对方提供有利的生活条件。,63,三、共生关系两种不同种类、且不能单独生活的生物，共同生活在一起互相依赖、并彼此取得利益的关系。四、偏害关系共存于同一环境中的微生物，其中一种微生物在代谢过程中产生某种代谢产物抑制或杀死另一种微生物，而被抑制的一种对它并没有害处，称为偏害关系。特异性偏害；非特异性偏害。,64,五、捕食关系有的微生物将共存同一环境中的另一种或另一类微生物吞食掉（如生物界中的以大吃小）。竞争关系、偏害关系、捕食关系合称为拮抗关系六、寄生关系一种生物生活在另一种生物体内