水处理微生物(第四版) 复习资料.doc

第一章 绪论 微生物： 一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总称。 微生物学：对于微小的被称为微生物的有机体的科学，称为微生物学。 1.1 水中常见微生物种类及特点 水处理中微生物特征 1 种类繁多 2 分布广 3 繁殖快 4 容易发生变异 5 代谢能力强 6 形体微小 7 数量大 第一章 原核生物 2.1 细菌 2.1.1 细菌形态与大小 细菌：单细胞、不分枝，类似植物的原核微生物 细菌的大小 单位：? m（微米） 球菌：直径（ 0.51.0 微米） 杆菌：宽度（直径）长度（直径在 0.41.0 微米，长度为宽度的一至数倍） 螺旋菌：宽度（直径）长度（长度是两端的距离） 大小受各种因素影响而变化 ? 2.1.2 细菌细胞构造 细胞壁：固定细菌形态、保护细胞 细胞膜：选择性的半渗透性，吸收营养物质和排除 废物方面起作用 细胞质：进行新陈代谢活动 内含物：细菌新陈代谢产物，或储备营养物质 核质：决定生物遗传性 细胞质 细胞膜 细胞壁 鞭毛 荚膜 核质 内含物 特殊结构 1、荚膜：保护作用，提供营养 菌胶团：一定数目的个体，按照特定的构造聚集在一起，具有同一个公共的荚膜。 2、芽孢：是形成孢子细菌种类的休眠阶段 特点：1 新陈代谢活动低 2 壁厚，水分少 3 不易透水 4 能抵抗外界不良环境 5 能形成芽孢的细菌都是革 蓝氏染色阳性的细菌 3、鞭毛：是细胞质的突出体 具有鞭毛的细菌能真正运动（一般鞭毛和荚膜不同时存在于一个细胞内） 2.1.3 细菌的培养特征与研究方法 ? 一、菌落：单个细菌在固体培养基表面经繁殖以后形成的肉眼可见的集团。 (一定培养条件 下表现出一定的特征) 二、染色:单染：一种染料使细菌着色。 复染：两种染料对细菌着色。 （鉴别染色法） 初染媒染脱色复染 革蓝氏阳性菌：紫色（所有的球菌与芽孢）革蓝氏阴性菌：红色 杆菌（无芽孢的）与螺旋菌 三、观察 1 普通光学显微镜 2 电子显微镜 2.2 放线菌 一、定义：放线菌是一类呈菌丝状生长和以孢子繁殖的单细胞细菌 二、形态构造 1 基内菌丝：吸收营养物质 2 气生菌丝：吸氧 3 孢子丝：分生孢子 三、放线菌的繁殖与菌落特征 繁殖：通过无性孢子及菌丝片断进行繁殖，以分生孢子为主。 菌落特征： （1）干燥、不透明、表面呈致密的丝绒状； （2）菌落和培养基的连接紧密，难以挑取； （3）菌落的正反面颜色常不一样，在菌落边缘的琼脂平面有变形现象。 2.3 蓝藻（蓝细菌） 蓝藻（蓝细菌） 特征：细胞壁与革兰氏阴性菌相似；细胞体积一般比细菌大；分布广，抵抗环境能力强。 危害：水体富营养化，引起“水华”和“赤潮” 影响水厂过滤工作 益处：间接处理污水（如氧化塘） 第二章 真核生物 ?3.1 真 菌 真菌：最主要的真核微生物类群，包括单细胞酵母菌和多细胞分枝状霉菌。 真菌特点：a、无叶绿素，不能进行光合作用；b、一般具有发达的菌丝体；c、营养方式为异养吸收型；d、以孢 子的方式进行繁殖；f、陆生性较强 3.1.1 酵母菌 一、形态和大小 细胞形态为圆形、卵形或圆柱形等；具有多孔核膜包裹起来的定形细胞核； 菌体比细菌大，一般长 810?m，宽 15?m； 二、酵母菌繁殖 a、无性繁殖（出芽，芽孢子）为主 b、有性繁殖（子囊，子囊孢子） 酵母菌特点： 三、酵母菌特点 a、个体一般以单细胞状态存在； b、多数出芽繁殖； c、能发酵糖类产能； （菌落有“酒香”味） d、常生活在含糖量较高、酸度较大的水生环境中。 四、作 用 发酵型：分解碳水化合物为酒精和二氧化碳，用于发面做面包、馒头和酿酒。 氧化型： a、氧化烃类物质，在石油加工工业中起积极作用，如石油脱腊、降低石油的凝固点。 b、假丝酵母和粘红酵母菌在炼油厂的含油、含酚废水生物处理中，起积极作用。 c、淀粉、油脂、味精废水及柠檬酸残糖废水均可利用酵母菌处理，还可得到酵母菌体蛋白，用作饲料。 3.1.2 霉 菌 一、霉菌的形态和大小 霉菌：通常指那些菌丝体较发达又不产生大型肉质子实体（蕈菌）结构的真菌。 霉菌的菌丝直径约 310?m。 菌丝：营养菌丝 气生菌丝 （注：多数霉菌菌丝体内有隔膜，而放线菌菌丝内部相通，一般无隔膜。 ） 二、作用 1 霉菌都是依靠有机物生活，能分解碳水化合物、脂肪、蛋白质及其它含氮有机物。在活性污泥中，若繁殖了大 量的霉菌，也会引起污泥膨胀。 2 某些霉菌如镰刀霉等能有效地氧化分解无机氰化物，去除率可达 90以上，对有机氰化物的处理效果则差些。 3 部分霉菌可处理含硝基化合物废水。 ?3.2 藻 类 一、藻类的形态与构造 藻类的形态与构造 1 藻类一种低等植物，有单细胞和多细胞之分； 2 形态有单个球状、球状排列成堆、丝状等； 3 多数藻体微小，肉眼不可见；4 按其形态结构、色素划分，主要有蓝藻、绿藻、硅藻、褐藻和金藻等十纲。 藻类构造 1 具有真核，细胞壁由纤维素与果胶质组成； 2 藻类的运动主要靠鞭毛进行； 3 藻类细胞中大都有叶绿体，叶绿体有各种形状； 4 藻类借光合色素进行光合作用，光和色素不同，藻类呈现不同颜色。 二、藻类生理特征 1 藻类进行植物型光合作用； 2 以水作为供氢体并释放氧气： 3 营无机营养型，除利用 CO2 外，还需氮、磷、硫、镁等； C O 2 + 2 H 2 O C H 2 O + H 2 O + ） 为需氧性生物，呼吸作用需 4 无机营养物中以氮和磷的需求量为多（藻类原生质通式 C106H263O110N16P O 2 ；5 要氧。 三、藻类在水处理中的作用 有利：排水工程中可利用污水养殖藻类。藻类光合作用放出的氧气被好氧微生物利用，氧化分解水中的有机污染 有利 物。 例如：氧化塘主要是利用藻类来供应氧气。 有害： 有害： 1 藻类对给水工程有一定的危害性，当它们在水库、湖泊中大量繁殖时，会使水带有臭味，有些种类还会产生颜 色。水中有大量藻类时还可能影响水厂的过滤工作。 2 水体中藻类大量繁殖，造成水体富营养化，使净化水质的工作发生困难；在夜间或藻类死亡后消耗大量氧气， 危及水生生物的生存；严重时，甚至使湖泊变为沼泽或旱地。 3 常说的“水华”主要是由藻类中的裸藻形成的，裸藻是水体富营养化的指示生物。 ?3.3 原生动物 原生动物：单细胞、有运动能力，类似动物的微生物。 一、形态与构造 1 大小：一般 100300?m，个别小至几 ?m； 2 形态多样（卵形、圆形、长方形） ； 3 不具细胞壁，有一个或多个细胞核，有核膜包围； 4 原生动物与多细胞动物一样，具有摄食、呼吸、排泄、生殖等功能； 5 形成不同“细胞器”，各起不同的作用： 行动胞器伪足、鞭毛和纤毛等。 消化、营养胞器废水生物 处理中的营养方式有三类： 动物性营养； 植物性营养； 腐生性营养。 有些动物性营养的原生动物具有胞口、 胞咽等。 排泄胞器伸缩泡。感觉胞器一般就是行动胞器，个别的有“眼点”。 二、营养与繁殖 1 营异养型生活，食物包括：细菌、真菌、藻类、有机颗粒等； 2 多数进行好氧呼吸； 3 无性、有性繁殖两种； 4 可形成休眠体（孢囊） ，以抵抗不良环境；环境适宜时，长出新细胞。 三、常见种类 A、肉足类 1 以肉质的伪足作为运动和摄食胞器； 2 形体小，无色透明，大多没有固定的形状，少数为球形； 3 多为动物性营养，以细菌、藻类、有机颗粒和比它本身小的原生动物为食； 4 中污带水体是多数肉足类原生动物最适宜的生活环境，在污水中和废水处理构筑物中也有发现。 B、鞭毛类 1 多数个体生活，也有群体的； 2 具有一根或一根以上的鞭毛； 3 分植物性鞭毛虫和动物性鞭毛虫两类； 4 鞭毛虫喜在多污带和中污带生活； 5 在活性污泥曝气池运行的最初阶段，或在处理效果差时鞭毛虫大量出现，可作为污水处理的指示生物。 C、纤毛类 1、体外长有纤毛作为运动胞器或摄食工具； 2、多为单个自由生活，分游泳型纤毛虫和固着型纤毛虫，前者如草履虫，后者如钟虫； 3、纤毛虫喜吃细菌及有机颗粒，竞争能力强。 四、作用 对废水生物处理起作用的主要是细菌，其次是原生动物。这是因为原生动物在污水中的数量不少，常在微型动物 总数的 95以上。并且也有一定的净化能力，并可作为指示生物，用以反映活性污泥和生物膜的质量以及废水 净化的程度。 A、原生动物对废水净化的影响 1、动物性营养型的原生动物，如动物性鞭毛虫、变形虫、纤毛虫等能直接利用水中的有机物质。 2、在活性污泥法中，纤毛虫可促进生物絮凝作用。另外，纤毛虫能大量吞食细菌，特别是游离细菌，因此可改 善生物处理法出水的水质。 B、以原生动物为指示生物 不同种类的原生动物对环境条件的要求不同，对环境变化的敏感程度也不同，可利用原生动物种群的生长 情况，判断生物处理构筑物的运转情况及废水净化的效果。 1、在活性污泥的培养和驯化阶段，原生动物种类的出现和数量的变化往往按照一定的顺序进行。在运行初期曝 气池中常出现鞭毛虫和肉足虫，若钟虫出现数量较多，则说明活性污泥已成熟，充氧正常。在正常运行的曝气池 中，如果固着型纤毛虫减少，游泳型纤毛虫突然增加，表明处理效果将变坏。 2、当环境大幅度变化时，种类组成差别可能相当小，但种类的数量变化相当大。 ?3.4 后生动物 一、轮虫 1、形体微小 ，一般在 40200 ?m 之间; 2、身体为长形，分头部、躯干和尾部； 3、具独特的繁殖方式，广泛分布于湖泊、水库、河流、池塘、沼泽、稻田等水域及潮湿土壤和苔藓中，是后生 动物中拥有最强散布能力和最高繁殖速率的 1 个类群； 4、以细菌、小的原生动物和有机颗粒等为食物，在废水处理中有一定的净化作用； 5、在废水处理中，可作为指示生物； 6、源水中大量繁殖，可能阻塞滤池； 7、是大多数名贵水产品的开口饵料和优质食物，在水产养殖业有很大的应用价值. 二、甲壳类动物 1、主要特点是具有坚硬的甲壳。常见种类有水蚤和剑水蚤，它们以细菌、酵母菌、单细胞藻类、原生动物以及 有机碎屑为食； 2、源水中过度繁殖，易污染供水系统，如哈尔滨市宾县（ 1995 2004 年）剑水蚤出现在管网末端，吉林省四平 市（ 2001 年）在管网中发现水蚤。 三、其它小动物 1、随源水进入给水处理厂，包括线虫和昆虫的幼虫等； 2、出现在活性污泥和生物膜中。 第四章 病毒和噬菌体 ? 4.1 病毒 一、病毒的特点 病毒：一类由核酸和蛋白质等少数几种成分组成的超显微“非细胞型微生物” ，其本质是一种只含 DNA 或 RNA 的遗传因子。 病毒与其他细胞型微生物包括原核微生物和真核微生物有着体态、结构、化学组成、生命方式等多方面的明显区 别。 病毒包括：动物病毒、植物病毒、微生物病毒（噬菌体） 病毒特点： a、没有细胞构造，由蛋白质物质和核酸组成，又称“分子生物” ； b、体积小，需要用电子显微镜才能观察到； c、营专性寄生，只有在寄主体细胞内才表现出生命特征； d、每种病毒只含一种核酸，DNA 或 RNA； f、无蛋白质和核酸合成酶系，只能利用宿主或细胞体内现成代谢系统合成自身的核酸和蛋白质组成。 二、病毒的形态和大小 形态：球形、卵圆形或砖形（动物病毒） 杆状、丝状、少数球形（植物病毒） 蝌蚪形（多数） 、丝状（噬菌体） 大小：nm 表示； 各种病毒之间大小相差悬殊，如痘病毒大的达 300nm，口蹄疫病毒 1022nm。 ? 4.2 噬菌体 噬菌体：寄生于细菌和放线菌，可使细菌和放线菌细胞裂解的病毒，同样由核酸和蛋白质组成，具有一般病毒的 各种特征。 分类 ：根据噬菌体进入宿主细胞后的行为分为： 1、烈性（毒性）噬菌体 2、温和噬菌体 a、烈性噬菌体：进入宿主细胞后进行复制增殖，导致宿主细胞裂解的噬菌体。 b、温和噬菌体：侵入宿主细胞后随宿主细胞的生长繁殖而传代下去，一般不引起宿主细胞的裂解。 1、烈性噬菌体敏感细菌 2、温和噬菌体溶源性细菌（溶源性） ? 4.3 病毒繁殖 病毒不存在个体的生长过程， 只有两种基本成分的合成和进一步的装配过程 （同种病毒粒之间没有年龄和大小之 分） 。 繁殖分为 5 个阶段：吸附、侵入、增值（复制与生物合成） 、粒子成熟（装配） 、寄主细胞裂解（释放） 。 4.4 实验室中的控制方法 物理因素 温度：在宿主细胞外的病毒大多数在 5565范围内不到 1h 被灭活。低温不会灭活病毒，通常在75保 存病毒。 光：1、 紫外辐射：日光中的紫外辐射和人工制造的紫外辐射均能灭活病毒，灭活的部位是病毒的核酸。 2、可见光：在天然水体和氧化塘中，日光对肠道病毒有灭活作用。 3、离子辐射：X 射线、 射线也有灭活病毒的作用。 干燥：是控制环境中病毒的重要因素。土壤中，水分含量低于 10时，病毒会迅速灭活。污泥中，当固体含 量大于 65时，病毒量减低。 化学因素 1、体外灭活：酚、低渗缓冲溶液、甲醛、亚硝酸、醚类、十二烷基硫酸钠、氯仿、去氧胆酸钠、氯、溴、碘、 臭氧、乙醇、强酸、强碱、pH 及其他氧化剂等。 2、体内灭活：抗体和干扰素 抗菌物质 1、链霉菌、青霉菌、藻类等会分泌一些抗菌物质。但是，各种链霉菌产生的抗生素对大多数病毒无灭活作用。 2、藻类产生的抗菌物质如丙烯酸和多酚对病毒有灭活作用。 3、枯草杆菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌等三种菌显示抗病毒的活性，病毒的蛋白衣壳可被用作细菌的生长底物。 第五章 微生物的生理 5.1 微生物的营养 营养:指微生物从外界环境中摄取对其生命活动所需的能量和物质，以满足正常生长和繁殖需要的一种最基本的 营养 生理功能。 营养物： 营养物：在自然或实验室人工条件下，可供微生物生长、繁殖和进行各种生理活动所需要的物质。 一、微生物的化学组成及生理功能 B、各化学成分的生理功能 、 水分：两种状态：自由水和结合水。 水分 生理作用：溶剂作用；参与生化反应（如脱水、加水反应） ；运输物质的载体；维持和调节一定 的温度。 无机盐 指细胞内存在的一些金属离子盐类，根据含有量的多少可分为微量金属元素和金属元素。主要作用：构成 细胞的组成成分；酶的组成成分；酶的激活剂；维持适宜的渗透压；自养型细菌的能源。 碳源 分有机碳源和无机碳源两种； 碳源的作用是提供细胞骨架和代谢物质中碳素的来源以及生命活动所需要的能量。 氮源 氮源：提供细胞组分中氮素来源的各种物质； 分为两类：有机氮源和无机氮源； 作用：提供细胞新陈代谢中所需的氮素合成材料。 生长因子 生长因子：一类调节微生物正常代谢所必需，但不能自行合成的由外界供给的有机物; 作用：构成酶的辅酶或辅基参与新陈代谢。 二、微生物的营养类型 营养类型：指根据微生物生长所需要的主要营养要素即能源和碳源的不同，而划分的微生物类型。 根据碳源和能源的不同，兼顾电子供体的不同情况将微生物分成 4 种类型，包括光能自养型、光能异样型、化能 自养型和化能异养型 三、培养基 培养基：根据微生物生长、繁殖对营养物质的需要而人工配制的营养基质。 A、培养基分类： 物理状态：液体、固体、半固体 培养基组分：天然、合成、半合成 培养基用途：选择性、鉴别、加富 B、培养基配制原则 目的明确：根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基； 营养协调：注意各种营养物质的浓度及配比，考虑加入生长因子； 理化适宜：调节适宜的 pH 值、渗透压、水活度、氧化还原势等； 经济节约：培养基应物美价廉。 C、培养基配制方法 1、配制溶液 2、调解 pH 值 3、加入生长因子或指示剂等 4、高压蒸汽灭菌 5、冷却放置备用 四、营养物质的吸收和运输 （1）被动扩散 1、物质的转运顺着浓度差进行； 2、运输过程不消耗能量，不发生化学变化； 3、水、气体、甘油等依靠这种方式进行吸收。 （2）促进扩散 1、与被动扩散相似，但须借助细胞膜上的一种蛋白质载体进行，对转运的物质有选择性； 2、通过促进扩散吸收的营养物质有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。 （3）主动运输 1、吸收运输过程中需消耗能量，也需要载体蛋白的参与； 2、可以逆浓度差进行； 3、是细菌吸收营养物质的最主要方式。 （4）基团转位 1、同主动运输相似，需载体蛋白，耗能； 2、基团转位过程中被吸收的营养物质与载体蛋白之间发生化学反应，物质结构有所改变； 5.2 微生物的酶 一、酶及其分类 酶:生物细胞中自己制成的一种催化剂（生物催化剂） ，其基本成分是蛋白质。 分类： a、单成分酶和双成分酶； b、胞内酶和胞外酶； c、结构酶和诱导酶； d、根据酶促反应的性质分类 水解酶：能促进基质的水解作用及其逆行反应。 氧化还原酶：能引起基质的脱氢或受氢作用，产生氧化还原反应。 转移酶：能催化一种化合物分子上的基团转移到另一种化合物分子上。 同分异构酶：能推动化合物分子内的变化，形成同分异构体。 裂解酶：催化有机物碳链的断裂，产生碳链较短的产物。 合成酶：能催化合成反应。 二、酶的性质与作用特性 1、酶是蛋白质 2、催化剂 3、高效性 4、专一性 5、可逆性 6、条件温和，受多种因素影响 三、酶促反应的影响因素 E +底物 ? K 1 ? ES ? K 3 ? 酶 +最终产物 S E P 酶 中间产物 K K 2 4 影响因素： 酶浓度 底物浓度 温度 pH 值 激活剂 抑制剂 5.3 微生物的呼吸作用 新陈代谢：微生物从外界环境中不断地摄取营养物质，经过一系列地生物化学反应，转变成细胞的组分，同时 产生废物并排泄到体外。 同化作用吸收能量，进行合成反应，将吸收的营养物质转变为细胞物质 异化作用分解反应，放出能量，是将自身细胞物质和细胞内的营养物质分解的过程 呼吸作用：微生物在基质氧化分解过程中，释放出电子，生成水或其他还原性产物并释放出能量的过程。 一、微生物的呼吸类型 1、根据与氧气的关系，呼吸作用分为好氧呼吸和厌氧呼吸两大类；相应地，微生物分为好氧、厌氧和兼性三类； 2、根据最终电子受体的不同，呼吸作用分为有氧呼吸、无氧呼吸和发酵三种形式 A、好氧呼吸作用 、 定义：当营养物质进入好氧微生物细胞之后，通过一系列氧化还原反应获得能量的过程。 过程：当营养物质进入好氧细菌细胞之后，通过一系列氧化还原反应获得能量的过程。营养物质（基质）中的 氢被脱氢酶脱下，从基质中脱下的电子交给辅酶或辅基。通过电子呼吸链的传递与氧结合。氧化酶活化分子氧 并与电子结合成水。在这个过程中放出能量。 B、厌氧呼吸作用 、 1、厌氧细菌只有脱氢酶系统，没有氧化酶系统； 2、在呼吸过程中，基质中的氢被脱氢酶活化，从基质中脱下来的氢经辅酶传递给氧以外的有机物或无机物，使 其还原； 3、厌氧呼吸可分为两种类型：分子内无氧呼吸和分子外无氧呼吸。 C、兼性呼吸作用 、 1、在有氧时进行好氧呼吸，无氧时进行厌氧呼吸； 2、无氧呼吸释放的能量较少。 二、呼吸过程中的能量 1、呼吸过程中分解、氧化营养物都是放能反应； 2、能量产生多少与微生物呼吸类型和氧的供应有关； 3、微生物不能完全利用氧化各种物质时产生的能量，但利用率较高 4060%； 4、常见的高能化合物ATP；ATPADPATP 三、 代谢产物 气体状态：二氧化碳、氢、甲烷、硫化氢、氨等； 有机代谢产物：可分为简单和复杂有机代谢产物。简单的如糖类、酮类、有机酸类和胺类物质。复杂的有机产物 有维生素、抗菌素、毒素及色素等。 分解产物： 复杂的有机物质需经胞外酶分解为较简单的物质后才能被吸收利用。 但分解出来的物质有时超过被微 生物所吸收利用的，因而在基质上可找到分解产物，如蛋白胨、氨基酸、纤维二糖等。 其它：不少自养微生物在生长过程中产生氢、亚硝酸盐、硝酸盐和硫酸盐等。 四、 呼吸作用的本质 微生物呼吸作用的本质是氧化与还原的统一过程，在这一过程中释放出一部分热能。 通过呼吸作用使复杂的有机物变成二氧化碳、水和其它简单的物质。 在呼吸作用的过程中，发生能量的转换。一部分能量供给合成作用，另一部分供维持生命活动，还有一部分 能量变成热能释放出来。 在呼吸作用的一系列化学变化中，产生了许多中间产物。这些中间产物一部分继续分解，一部分作合成机体 物质的原料。 在呼吸作用的过程中，吸收和同化各种营养。 五、 细菌的呼吸类型在废水生物处理中的应用 好氧呼吸活性污泥法和生物滤池 厌氧呼吸厌氧硝化法：剩余污泥、高浓度有机废水的处理 微生物的生长、 第六章 微生物的生长、繁殖及遗传变异 6.1 微生物的生长繁殖 生长：微生物在适宜的环境条件下，吸收营养物质并进行新陈代谢活动，如果同化作用大于异化作用，微生物细 胞质的量的增加和个体体积加大，这种现象叫生长。 繁殖：当单细胞个体生长到一定程度时，由一个亲代细胞分裂为两个大小、形状与亲代细胞相似的子代细胞，使 得个体数目增加，这是单细胞微生物的繁殖。多细胞繁殖为孢子萌发产生子代菌体。 一、微生物生长测定方法 1、直接测定 根据不同的测定方法原理，可以分成以下几类： 显微镜直接计数法 涂片染色法；计数器测定法； 比例计数法 比浊计数法 2、间接计数法 通过测定样品中活的细菌数量间接地表示细菌的含量。分为下列几种方法： 平板计数法；液体计数法； 薄膜计数法 3、重量法 细菌细胞具有一定的体积和重量， 藉助群体生长后地细胞重量， 可以采用测定重量的方法直接来表示细菌 生长的多少或快慢。 (1)测定细胞干重(2)细胞含氮量(3)DNA 含量 4、其它生理生化指标法 细菌的生长生命活动过程中，会吸收和消耗一些物质，同时产生和分泌另一些物质，测定这些物质的变化 就可以间接地来表示细菌生长的情况。水处理中通常采用的生理生化指标：营养物质（COD）的消耗，溶解氧 的消耗，有机酸的产生（如好氧细菌的瓦呼仪测定法） ，H2 和 CH4 的产生。 二、微生物生长特性 1、间歇培养和生长曲线 间歇培养：将少量细菌接种于一定量的液体培养基内，在适宜的温度下培养，并定时取样测定活细菌数目或重量 的变化。 生长曲线：在细菌培养过程中定期取样进行菌数测定，以活细菌个数或细菌重量为纵坐标，培养时间为横坐标， 绘制成的曲线 。 2、连续培养和生长曲线 连续培养：一方面连续进料，另一方面又连续出料的培养方式。 分为两种： A、恒浊连续培养：培养基提供足够量的营养元素，细菌保持最大速率生长。 B、恒化连续培养：固定恒定的进料流速，又以同样的速率排出，进水组分及反应器中营养物质浓度基本不变。 在废水生物处理的连续运行过程中，活性污泥中的微生物只是处于间歇培养曲线的某一生长阶段。 对数期：微生物活力强，但不易凝聚和沉淀 ；有机物出水浓度相对较高。 稳定期：污泥代谢活性和絮凝沉降性能均较好。 衰老期：只是出现在某些特殊的水处理场合，如延时曝气及污泥消化。 6.2 微生物的遗传与变异 遗传：指每种微生物所具备的亲代性状在子代重现，使其子代的性状与亲代基本上一致的现象。 变异：任何一种生物的亲代和子代以及个体之间，在形态结构和生理机能方面都有所差异，这种现象叫做变异。 定向培育：通过有计划、有目的地控制微生物生长条件，使微生物遗传性向人类需要的方向发展。 驯化：在废水生物处理中的定向培育过程。 一、微生物的遗传 1、遗传的物质基础 一切生物遗传变异的物质基础是核酸；含有 DNA 的微生物中遗传物质是 DNA，不含 DNA 只含 RNA 的微生物 中，遗传物质是 RNA。 2、核酸的结构 核酸是一种多聚核苷酸，会发生水解过程 水解：核酸核苷酸磷酸 核苷戊糖 碱基 DNA 的双螺旋结构 两条走向相反的多核苷酸链，以右手方向沿同一轴心平行盘绕成双螺旋，螺旋直径为 2nm. 两条链间借碱基对的氢键相连。A 与 T 之间有 2 个氢键，G 与 C 之间有 3 个氢键。 一个 DNA 分子可含几十万或几百万个碱基对，两个碱基对之间的距离为 0.34nm，每个螺旋的距离为 3.4nm。 书图 3-5 RNA 在细胞中的三种类型 信使 RNA（mRNA） ：以 DNA 的一条单链为模板，在 RNA 聚合酶的催化下，按碱基互补原则合成的。由于传 达了 DNA 的遗传信息，故称信使 RNA。 转移 RNA（tRNA） ：存在于细胞质里，在蛋白质合成过程中起转移氨基酸的作用。 核糖体 RNA：主要成分是核糖体核酸（rRNA）和蛋白质，一个核糖体包含有大小两个亚基，它是蛋白质合成 的主要场所。 三、 DNA 的复制 复制过程包括解旋和复制。 四、微生物中的 DNA 原核微生物中的 DNA：不与蛋白质结合，也没有核膜，以单独裸露状态存在。绝大多数微生物的 DNA 是双链， 少数为单链此外，有少量的 DNA（约占 1）存在于细胞质中，称为质粒。 真核微生物中的 DNA：与蛋白质结合，主要存在于细胞核的染色体上，外面包有核膜，构成真正的细胞核。还有 少量也存在于叶绿体、线粒体等细胞器中。 DNA 几乎全部集中在染色体上，每种生物的染色体数目是一定的。染色体上含有大量不同的基因，数目为几个到 几百甚至几千个不等，染色体是遗传信息主要贮藏场所。除染色体外另有一类较小环状 DNA 分子独立存在于染 色体外，也携带少数基因，即质粒。 遗传信息的传递和表达 五、 遗传信息的传递和表达 遗传信息大多贮存在 DNA 上，只有少数病毒的遗传信息贮存在 RNA 上 遗传信息的传递和表达分为三步：将携带遗传信息的 DNA 复制； 将 DNA 携带的遗传信息转录到 RNA 上； 将 RNA 获得的信息翻译成蛋白质。 六、 基因表达的调控 基因是具有遗传功能的 DNA 分子上的片段，平均含有 1000 个碱基对。一个 DNA 分子含有许多基因。 结构基因 调节基因 操作基因 二、微生物的变异 微生物的变异主要是由基因突变和基因重组造成的。 1、基因突变 当后代突然表现和亲代显然不同的遗传的表现型时，这样的变异称为突变。 突变的主要特点：无定向；稀有性；自发性；独立性；稳定性；可逆性；诱变性。 根据突变过程是否受人为诱变剂影响可分为 ： (1） 、自发突变 （2） 、诱发突变：紫外线、亚硝酸、5-溴尿嘧啶 2、基因重组 两个不同性状的个体细胞， 其中一个细胞的 DNA 与另一个细胞的 DNA 融合， 使基因重新排列， 遗传给后代， 产生新品种或表达新的遗传性状，称为基因重组。 在基因重组时，不发生任何碱基对结构上的变化。 重组的形式： 真核微生物中，基因重组是通过二个配子相互融合的有性繁殖的过程中发生的，称为杂交。 原核微生物中，通常只是部分遗传物质的转移和重组，如转化、转导和接合。 三、遗传工程 定义：狭义上讲，遗传工程就是基因工程，即在分子水平上剪接 DNA 片段，与同种、同属或异种、甚至异界 的基因连接成为一个新的遗传整体，再感染受体细胞，复制出新的遗传特性的机体。 1、遗传工程的操作过程 选择合适的供体细胞，将其 DNA 取出，一般选择性地获取目的基因的 DNA 片段。 选择何时外切酶或限制性内切酶，它能专一地切断目的基因 DNA 分子的特定部位，并在切断处形成具有粘着 活性的末端单链。 基因的运载和复制。 在 DNA 连接酶的作用下，将目的基因 DNA 粘性末端与载体 DNA 粘性末端粘着起来，相应的互补碱基对以氢 键相联，形成一个新的重组 DNA 分子。 将重组载体 DNA 分子加入受体细胞培养液中，受体细胞吸入载体，载体在细胞内复制，使受体细胞以及后代 获得原供体细胞的基因和相应的属性。 2、遗传工程在环境工程中的应用 利用遗传工程，把具有降解某些特殊物质的质粒剪切后，连接到受体细胞中，使之带有一种或多种功能用 以处理废水，这种用人工方法选出的多质粒、多功能的新菌种称为“超级细菌”。 第七章 微生物分布及相互关系 第一节 微生物的分布 一、在水体中的分布 1、大气水 大气水包括雪和雨； 主要由空气中尘埃带来微生物，其中有多种球菌、杆菌、放线菌及霉菌的孢子； 降水开始时菌数较多，后逐渐减少。 2、江河水 缓慢流动的浅水中：丝状藻类、丝状细菌及真菌 流动的水体中 ：单细胞藻类与好氧性细菌 （上层水） ；厌氧性细菌（底层污泥） ；原生动物（污泥表层） 3、湖泊与池塘水 水体相对静止 ，由于沉淀作用，大部分细菌常随颗粒物质沉入水底，底泥中细菌数较高； 水的上层有各种好氧性细菌生长； 水体底泥则有多种厌氧或兼性厌氧菌生长 ； 有时可检出多种病原菌 （池塘） ； 湖泊水：上层水体生存着好氧性细菌、真菌及藻类； 中层水体，生存着光合性的紫细菌和绿细菌及其他厌氧性细菌； 底层水体，生存着厌氧性细菌； 湖边的浅水区内，生存着真菌、原生动物等。 4、地下水 泉水和深井水一般不含细菌及有机质 （土壤的过滤作用） 5、海水 海水的特点是：含盐高、稳定低、有机质含量少，在海水深处有很高的静压力； 近海岸边及海底污泥表层菌数较多，但海洋中心部位的底泥中菌数低 主要为革兰氏阴性细菌 ； 二、在土壤中的分布 1、土壤是微生物良好的生活环境 养分；水分及渗透压；空气；pH 值；温度 2、土壤中微生物的数量与分布 土壤中微生物的数量因土壤类型、季节、土层深度与层次等不同而异 ； 在一年里土壤中会出现两个微生物数量高峰； 土壤中以细菌最多，放线菌和真菌次之，藻类和原生动物较少 。 三、其他环境中的分布 1、空气 主要来源于带有微生物菌体及孢子的灰尘 ；霉菌和酵母菌到处均有 ；微生物在空气中停留的时间和状态与气流 的速度、微生物附着的粒子大小和空气温度有关系 2、食品 粮食；肉类；鱼类；乳类 3、极端环境中的微生物 嗜热微生物、嗜冷微生物、嗜酸微生物、嗜碱微生物、嗜盐微生物、嗜压微生物 第二节 微生物间的相互关系 一、互生关系 定义：两种不同种的生物，当其生活在一起时，可以由一方为另一方提供或创造有利的生活条件，这种关系称为 互生关系。 代表：分解纤维素的细菌和固氮菌 （土壤） ；硫磺细菌和解酚菌（废水生物处理） ；藻类好氧性异氧菌 （氧化塘） 二、共生关系 定义：两种不同种的生物共同生活在一起，相互分工合作，相互依赖并彼此取得一定的利益。 代表：地衣（菌藻共生或菌菌共生） 三、拮抗关系 定义：指一种微生物在其生命活动过程中，产生某种代谢产物或改变其他条件，从而抑制其他微生物的生长繁殖， 甚至杀死其他微生物的现象。 代表：吞食性原生动物 ；乳酸细菌和酵母菌 ；抗菌素 四、寄生关系 定义：指一种微生物生活在另一种微生物体内，以另一种微生物为生活基质，在其中进行生长繁殖，并对后者带 来或强或弱的危害作用 代表：噬菌体寄生于细菌或放线菌 水的卫生细菌学 第八章 水的卫生细菌学 1 水中的病原微生物 一、水中微生物的来源 接触土壤；和尘埃一起由空气中降落；随垃圾、人畜粪便及某些工业废弃物进入水体 二、水体中病原微生物种类 病原细菌；寄生虫；病毒 ? 病原细菌 病原细菌经水传播的疾病主要是肠道传染病。 常见的肠道传染病菌有： （1）伤寒杆菌 革兰氏阴性菌，不生芽孢和荚膜，借鞭毛运动；加热到 60，30min 可以杀死。对 5的石炭酸，可抵抗 5min。 传染途径：水、食物和物品 （2）痢疾杆菌 分痢疾杆菌和副痢疾杆菌两种； 革兰氏染色阴性菌 ，无芽孢和荚膜，一般无鞭毛；适宜的温度为 37 ；耐寒能力强，在阴暗潮湿及冰冻环境下 能生存数周 ； 不耐热及干燥，阳光直射即有杀灭作用，加热 6010 分钟即死亡；对 1的石炭酸，可抵抗 30min。 传播方式：取食污染的食物和水；蝇类传播 （3）霍乱弧菌 革兰氏阴性菌，具有鞭毛，能运动，不生荚膜和芽孢； 在 60下能耐 10min，在 1的石炭酸中能抵抗 5min，能耐受较高的碱度； 传播途径：水、食物、蝇类 病原细菌消毒方法 煮沸消毒法 ；日光与紫外线 ；消毒液消毒 ；漂白粉消毒法； 过氧乙酸(过醋酸)消毒剂 。 病原细菌疾病防治措施 保持食品和饮用水清洁 ；食用煮沸水和煮熟食物；勤洗手，注意个人卫生及保持室内清洁 ；消灭苍蝇及其孳生 地 ；与病菌携带者保持距离。 ? 寄生虫 种类：蛔虫、血吸虫 防治：a、使用粪便施肥前，应暴晒或堆肥； b、生活污水灌溉前经沉淀等处理； c、饮用水处理； d、加强水源保护。 ? 病毒 一、种类 脊髓灰质炎病毒 肝炎病毒 其它肠道病毒（埃可病毒和柯萨奇病毒 ） 二、检验 使人致病的病毒都是动物性病毒，专性寄生性很强，检验这类病毒可采用组织培养法，所选择的组织细胞必须 适宜这类病毒的分离、生长和检验。目前采用的方法是“蚀斑检验法”。 2 生活饮用水的细菌标准 2.1 大肠菌群作为卫生指标的意义 肠道正常细菌有 3 类：大肠菌群、肠菌球和产气荚膜杆菌。 大肠菌群作为卫生指标的原因： 该细菌生理习性与肠道病原菌类似，因而它们在外界的生存时间基本一致； 该种细菌在粪便中的数量较多； 检验技术较简单。 2.2 大肠菌群的形态和生理特性 杆菌、无芽孢、无荚膜； 利用糖产酸产气； 在远藤氏培养基上有典型菌落； （远藤氏培养基：又名品红-亚硫酸钠培养基，是大肠杆菌群的鉴别培养基） 包括：大肠埃希氏杆菌、产气杆菌、柯椽酸盐杆菌和副大肠杆菌； 2.3 生活饮用水细菌卫生标准 我国生活饮用水卫生标准GB57492001 中关于生活饮用水的细菌标准的具体规定如下： 细菌总数：小于 100(CFU/mL) 总大肠菌群：每 100mL 水样中不得检出 粪大肠菌群：每 100mL 水样中不得检出 （注：CFU 为菌落形成单位） 3 水的卫生细菌学检验 一、细菌总数的测定 水样接种37 温度下培养 24h数出生长的菌落数推算 大肠菌群的测定方法： 二、大肠菌群的测定方法： 发酵法（基本方法） 此法分三步：初步发酵试验；平板分离；复发酵试验。 滤膜法 发酵法完成全部检验需 72h，滤膜法检验大肠菌群，只需 30h 左右。 4 水中微生物的控制 4.1 病原微生物的去除 自来水厂常用的方法有：加氯消毒；臭氧消毒；紫外线消毒。 其中，加氯消毒最常用。可使用液氯，也可使用漂白粉（其中含有 2535的有效氯） 。 4.2 藻类的去除 杀藻常用的药剂有硫酸铜和漂白粉。一般，硫酸铜效果好，药效长，每升水投加 0.30.5mg，在几天之内 就能杀死产生气味的藻类植物，但往往不能破坏死藻放出的致臭物质，漂白粉能去除这种致臭物质，投量要多些， 如 0.51mg/L，但不能过多，否则又会增加水的气味。 第九章 废水生物处理中微生物及水体的污染的指示生物 1 废水中的污染物在微生物作用下的降解与转化 一、自然界中，化学物质的分解方式： 1、光分解：在紫外线具有吸收的化合物，吸收太阳光的短波而分解； 2、化学分解：在温度、pH、金属离子，土壤矿物的作用下而产生的化学分解； 3、生物分解：动物、植物及微生物都能分解各种有机物。特别是微生物具有氧化还原作用、脱羧作用、脱氨作用、 水解作用、脱水反应等各种化学作用能力。 二、化合物分类 根据微生物对化合物的降解能力分为： 可生物降解物质，如单糖、蛋白质、淀粉、核酸等； 难生物降解物质，这类物质能被微生物降解，但时间较长，如纤维素、某些农药和烃类等； 不可生物降解物质，某些高分子合成有机物如塑料、尼龙等。 三、 废水中的污染物 生活污水：碳水化合物、蛋白质和脂肪，这些有机物主要是由碳、氢、氧、氮、磷、硫等几种元素构成的。 工业废水：随工业性质的不同有很大差异，其中可能存在的有机物有碳水化合物、蛋白质、油脂、有机酸、醇类、 醛类、酮类、酚类、胺类、腈、异腈等化合物。 四、微生物分解有机物的一般途径 1、复杂有机物分解为简单有机物； 2、简单有机物的有氧分解： （1）完全氧化 （2）不完全氧化 3、简单有机物的无氧分解及甲烷的生成 （1）简单有机物的无氧分解 （2）甲烷的生成 五、物质的化学结构影响微生物降解转化 （1）结构简单的有机物一般先降解，结构复杂的后降解；相对分子质量小的有机物比相对分子量大的易降解； （2）脂肪族化合物较芳香族化合物易生物降解，多环芳烃降解更难； （3）有的不饱和脂肪族化合物有相对不溶性，会影响其生物降解程度； （4）有机化合物主要分子链上除碳元素外尚有其他元素时，会增加对生物降解的抵抗力； （5）支链愈多，越难降解。 2 不含氮有机物质的分解 废水中可能含有的不含氮有机物质碳水化合物、油脂、酚类、醛类、酮类、醇类及某些有机酸等化合物。 一、纤维素、半纤维素、木质素的转化 纤维素的转化 纤维素纤维二糖葡萄糖 纤维素酶：C1 酶；-1，4-葡聚糖酶；-葡萄糖苷酶 半纤维素的转化 半纤维素是由各种五碳糖、六碳糖及糖醛酸组成的大分子； 微生物先分泌胞外酶将半纤维素水解为单糖和糖醛酸，然后才能用于细胞呼吸代谢作用 ； 半纤维素分解的简化(6-21) 木质素的转化 木质素由苯丙烷单元通过醚键和碳碳键连接并难以被酸水解的复杂的无定形高聚物 ； 木质素的微生物分解极为缓慢； 自然界中，能降解木质素的生物极少，真菌（白腐菌）起着主要作用； 国内外广泛筛选优良菌株研究其适宜降解条件，并应用于环境中难降解污染物（造纸废水、农药、染料等）的治 理 关于降解木素的酶系与机制尚未完全弄清楚； 淀粉的转化 纺织、印染等工业废水中含有淀粉； 淀粉在微生物作用下形成葡萄糖，可被微生物细胞所吸收(书 P98); 参与的微生物主要有曲霉、根霉等霉菌。 脂肪的转化 脂肪是脂肪酸和甘油所合成的酯； 脂肪的来源主要是动植物体，洗毛、肉类加工等工业废水和生活污水中都含有油脂， 脂肪的分解分两步: 第一步： 脂肪甘油 + 脂肪酸 第二步：有氧：甘油、脂肪酸 二氧化碳+水（或合成微生物的细胞物质） 缺氧：脂肪酸较简单的酸 芳香族化合物的转化 炼焦、石油、煤气等工业废水中都存在酚类化合物; 对酚起作用的主要是细菌，在有氧情况下，可氧化酚成二氧化碳和水 其化学反应大致如下： 酚 邻苯二酚 中间物 丁二酸 醋酸 二氧化碳+水 烃类化合物的分解与转化 烷烃可被有关微生物降解，主要是甲烷假单胞菌、分枝杆菌、头孢菌、青霉等； 引起甲烷氧化的有甲烷极毛杆菌，可把甲烷氧化为二氧化碳和水； 烯烃被氧化的最终产物是二氧化碳和水。 合成洗涤剂的分解 合成洗涤剂的基本成分是表面活性剂； 合成洗涤剂除表面活性剂外，尚含有多种辅助剂（三聚磷酸盐、硫酸钠、荧光增白剂、香料等） ； ABS 合成洗涤剂降解速度慢； LAS 合成洗涤剂降解速度快。 3 含氮有机物质的分解 废水中可能存在的含氮有机物主要有蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、腈化物、硝基化合物等。生活污水中所含的 氮主要是以铵离子或尿素的形式存在的，化合氮中约有 10是复杂的有机化合物，包括蛋白质和氨基酸。 蛋白质不仅存在于生活污水中，也存在于多种工业废水中；尿素有时也存在于印染废水中。 一、氮的循环 1、绿色植物和微生物的生命活动过程中，吸收硝态氮和铵态氮，组成蛋白质、核酸等含氮有机物质，使无态氮同 化为有机态氮； 2、动植物和微生物遗体中的有机氮化物，经微生物的分解作用，使无机质化为氨态氮（NH4+-N） ； 3、氨态氮在有氧条件下，经硝化细菌的作用氧化成硝态氮； 4、硝酸盐由于反硝化细菌的作用，还原为分子态氮，逸散到大气中； 5、空气中的分子态氮，通过固氮微生物的作用，还原为氨，进而合成有机氮化物。 二、蛋白质的转化 1、氨化作用：有机氮化物在微生物的分解作用中释放出氨的过程（有机氮化物转化为氨态氮的过程） ； 2、硝化作用 氨经过微生物作用氧化成亚硝酸，再进一步氧化成硝酸的过程 ； 亚硝化作用 ：硝化作用的第一阶段，氨被亚硝化细菌氧化成亚硝酸 ； 硝化作用：亚硝酸经硝化细菌作用，氧化为硝酸 ； 引起硝化作用的微生物：化能自养型细菌，从氧化 NH3 及 HNO2 中取得能量，以 CO2 为碳源进行生活，G-，不 生芽胞的球状或短杆细菌； 亚硝化细菌、硝化细菌从上述化学氧化作用中获得能量以供生活，但它们对能量的利用率很低。 3、反硝化作用 硝酸盐在通气不良情况下经微生物作用而还原的过程 ; 反硝化作用由于还原的程度不同，可生成不同的还原态产物，如亚硝酸、次亚硝酸、一氧化氮以及分子态氮等; 反硝化微生物包括细菌、真菌和放线菌中的多种微生物 . 三、尿素的转化 尿素含氮 47，是人畜尿中的主要含氮有机物； 尿素的分解过程：先由尿素酶把尿素水解成碳氨酸，碳氨酸不稳定，易分解成氨与二氧化碳和水。 CO(NH2)2 + 2H2O (NH4)2CO3 (NH4)2CO3 2NH3 + CO2 + H2O 尿素细菌有球状和杆状两大类 4 水中无机元素的转化 4.1 硫的转化 有机硫 硫化氢 硫、硫酸 硫酸盐 4.2 磷的转化 不溶性磷酸盐 可溶性磷酸盐 有机磷化物 磷酸 磷酸盐 4.3 铁的转化 铁化物的氧化和沉淀：低价铁化物 氢氧化铁 铁化物的还原与溶解：沉淀的铁化物 Fe3+ 高价铁 低价铁 （氧不足 ） 有机铁化物的形成与溶解： 溶解性的铁 有机酸铁盐 5 废水的好氧生物处理 自然界中很多微生物有氧化分解有机物的能力，利用微生物处理废水的方法叫做生物处理法。主要是用来除 去废水中溶解的和胶体的有机污染物质。 一、废水的好氧生物处理 二、好氧生物处理构筑物内的微生物 活性污泥法中的微生物 1、活性污泥生态学 活性污泥：多种多样的好养微生物和兼性厌氧微生物与废水中的颗粒交织凝结在一起，所形成的绒物或絮体。 特点：A、有生物活性，能吸附氧化有机污染物； B、沉降性能好； C、含有 99%的水，干物质中含有 75%的微生物； D、比重 1.0021.006； E、有一定的颜色和气味。 2、活性污泥法中的微生物 反应器中生物种群：细菌（主体） 、其次包括原生动物和后生动物。 现已判明，可能在活性污泥上占优势的细菌，主要有以下几种种属：动胶杆菌属、假单胞菌属、产碱杆菌属、黄 杆菌属及大肠埃希氏杆菌等。 菌胶团（细菌） 根据低倍显微镜观察到的原生动物的种类可以判断活性污泥的生长状态，这与污水厂出水的水质直接相关。 净化污水第一承担者：细菌 净化污水第二承担者：原生动物 通过镜检，观察菌胶团形成状况，活性污泥原生动物的生物相，是对活性污泥质量评价的重要手段之一 3、活性污泥法运行中微生物造成的问题 最常见的故障是