微生物的生长繁殖与生存因子.ppt

第五章微生物的生长繁殖与生存因子 第一节微生物的生长繁殖 一 微生物的生长繁殖的基本概念1 生长 微生物新陈代谢 同化作用大于异化作用 微生物的细胞不断迅速增长的现象 2 繁殖 什么是微生物的繁殖 繁殖 多细胞 不只是细胞个数的增长 如果只是细胞个数增长 而不是个体数目增长 不叫繁殖 叫生长 不但细胞个数增加 个体也增加 则为繁殖 3 发育 微生物的生长与繁殖是个交替过程 从生长到繁殖的量变到质变的过程是发育 4 世代时间 细菌两次分裂之间的时间 当微生物的培养时间一定时 它的世代时间基本上也是稳定的 但是如果外界条件发生变化 世代时间也会变化 世代时间越短 繁殖速度越快 一般 原核微生物的繁殖速度大于真核微生物 好氧微生物快于厌氧微生物 二 研究微生物生长的方法 生长 单个体微生物生长 群体微生物生长 分批培养 连续培养 一 分批培养 分批培养概念 将定量的微生物接种到封闭的具有定量培养基的容器中 保持一定的温度 pH DO 微生物进行生长繁殖 生长曲线将少量菌种接种到准备妥当的培养基中 进行分批培养 并且定时取样计数 以细菌的个数或干重质量为纵坐标 以培养时间为横坐标 将取样数据描点绘图 最终可得该细菌的生长曲线 生长曲线分期 细分可分为6个时期即停滞期 适应期 加速期 对数期 减速期 静止期 衰亡期 由于加速期和减速期持续时间很短 则把加速期并到停滞期 把减速期放到静止期中 故 将生长曲线粗分为四个生长期 微生物生长曲线 1 停滞期停滞期特点 生长速率等于零细胞合成新的成分 补充消耗的材料 适应新的培养基或别的培养条件 细胞形态变大或变长对外界不良环境敏感 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 停滞期 万事开头难 影响停滞期长短的因素1 接种龄 1 对数期 种子 停滞期较短 2 静止期期或衰亡期 种子 停滞期较长 2接种量 1 接种量大 停滞期较短 2 接种量小 停滞期较长 3培养基成分 1 培养基成分丰富的 停滞期较短 2 培养基成分与种子培养基一致 停滞期较短 2 对数期特点 生长速率最快 细胞呈对数增长生长速率恒定代谢旺盛 细胞成分平衡发展 群体的生理特性较一致 指数生长公式 Nt N0 2n 式中N0为起始细胞数目 Nt为指数生长某个时刻t时的细胞数目 n为世代数 N0 Nt和t可由实验获得 n可通过上式计算得出 LgNt lgN0 nlg2n lgNt lgN0 lg2 3 3 lgNt lgN0 影响指数期的因素 菌种 不同菌种的代时差异极大营养成分 营养越丰富 代时越短营养物浓度 影响微生物的生长速率和总生长量培养温度 影响微生物的生长速率 3 静止期特点 活细胞总数维持不变 即新繁殖的细胞数与衰亡的细胞数相等 菌体总数达到最高点 细胞生理上处于衰老 代谢活力钝化 细胞成分合成缓慢 细胞生长速率为零 营养物质被消耗不能满足生长需要代谢废物或有害物质积累到抑制生长水平pH 氧化还原势等物化条件越来越不适应新生率等于死亡率 4 衰亡期特点 细胞以指数速率死亡 细胞变形退化 影响衰亡期的因素 与菌种的遗传特性有关 有些细菌的培养经历所有的各个生长时期 几天以后死亡 有些细菌培养几个月乃至几年以后仍然有一些活的细胞 与营养物质和有毒物质有关 补充营养和能源 以及中和环境毒性 可以减缓死亡期细胞的死亡速率 延长细菌培养物的存活时间 一方面连续进料 另一方面又连续出料 原理 进料 补足营养 污染物 出料 稀释菌浓度 毒物浓度它又分为两种 1 恒浊连续培养2 恒化连续培养 二 连续培养 恒浊 培养基浊度恒定 实质是细菌数量恒定 以浊度为控制指标 当浊度大时 加大进水流速 降低浊度 当浊度小时 降低流速 提高浊度 1 恒浊连续培养 2 恒化连续培养 恒化 进料营养物总量恒定恒定的流速进水 恒定流速出水尤其适合污水生物处理 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 三 生长曲线在污水处理中的应用 污 废 水连续处理中的细菌生长状态跟具体的生物处理方法有关 不同的生物反应构筑物 细菌的生长状态可能不同 甚至在同一个构筑物中 不同位置的细菌生长状态也不同 但要以某种状态为主 对数期 衰老期 平推流式活性污泥法 稳定期 总结 常规活性污泥法 利用减速期 静止期 生物吸附法 静止期 高负荷活性污泥法 对数期和减速期 延时曝气法 氧化沟 内源呼吸期 为什么常规活性污泥法不利用对数期而用静止期微生物 对数期微生物 生长繁殖快 代谢活力强 能大量去除废水中的有机物 相应的 要求进水有机物浓度高 由于进水有机物浓度高 出水有机物浓度也相应提高 且这时期微生物不易自行凝聚成菌胶团 沉淀性能差 导致出水水质差 静止期微生物 代谢活力比对数期差 但仍有相当的代谢活力 且生物吸附能力强 泥水分离效果好 出水水质好 第二节微生物的生存因子 微生物正常生存 需要营养 除此以外 还需要合适的温度 pH 氧气等环境条件 一 温度 温度对于微生物有那些影响 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1 2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 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 低温 中温和高温细菌的生长温度范围 几种微生物的生长最高温度 所有微生物中 多部分是嗜中温菌 其他较少 污水处理系统中 为了保证微生物能够处于较好的工作状态 需要为其提供较适合的温度 一般控制在20 30 左右 冬天 需要进行加热处理 嗜冷菌 最适合在5 15 甚至很多细菌可以在0 以下正常生存 冰箱中冷藏的蔬菜 水果发霉变质腐烂的原因 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 二 pH微生物也有最适应的pH范围 微生物不同 pH范围不同 多数细菌 最佳6 5 7 5 适应范围4 10 一般要求中性或偏碱性 放线菌 最佳7 5 8 0 一般要求中性或偏碱性 霉菌和酵母菌 可在酸性或偏碱性环境生活 最喜欢3 6的环境 生长极限 1 5 10 1 污水处理生物处理构筑物内pH控制在6 5 8 5之间 2 微生物培养基中应该加入缓冲物质 3 污泥厌氧处理时 也要控制好pH 一般在6 6 7 6 最好控制在6 8 7 2之间 小结 三 氧化还原电位用Eh表示 单位为V或mV 氧化环境时 Eh为正 充满氧气时 上限为 820mV 还原环境时 mV为负 充满氢气时 下限为 400mV 不同微生物要求的氧化还原电位不同 1 一般好氧微生物 300 400mV 大于 100mV 才能生活 2 兼性菌 100mV为界 大于时进行好氧呼吸 小于时进行无氧呼吸 3 厌氧菌 200 250mV 对于好氧生物处理系统 Eh处于 200 600mV视为正常 如果 出水中Eh下降 处理效果不佳 氧化还原电位的影响因素 受氧分压的影响 氧分压高 氧化还原电位高 氧分压低 氧化还原电位低 在培养微生物过程中 由于微生物生长繁殖消耗了大量氧气 分解有机物产生氢气 使氧化还原电位降低 在微生物对数生长期中下降到最低点 受环境中pH的影响 pH低时 氧化还原电位低 pH高时 氧化还原电位高 四 溶解氧 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 专性厌氧微生物 耐氧厌氧微生物 一 好氧微生物 必须有氧才能生存 氧气对于好氧微生物的作用 1 最终电子受体 2 参与物质合成 好氧微生物做好氧呼吸时 会产生毒害物质如 过氧化氢 过氧化物和羟自由基等 但由于好氧微生物体内也有相应的酶可以分解上述物质 因此 好氧微生物可以在氧气条件下正常生存 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 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 BOD5200 300mg L 如果曝气池的活性污泥浓度在2000 3000mg L时 溶解氧必须保证在2mg L以上 通常控制在3 4mg L 当供氧不足时 也会造成污泥的丝状菌膨胀 二 厌氧微生物可分为两种 一种有氧就要死亡 另一种 有氧无氧无所谓 生活过程中 不会中毒也不利用氧 通常说的厌氧菌多指第一种 称为专项厌氧菌 它在有氧条件下 代谢过程中会产生过氧化氢 但体内不具有过氧化氢酶 专性厌氧微生物将被过氧化氢杀死 厌氧微生物在培养时 培养基必须保证无氧 方法 惰性气体驱氧 氮气或氦气 用胶塞密封培养装置 并在容器中加入氧化还原性颜料 甲基蓝或刃天青 当在还原态时无色 氧化态时显色 一旦显色 说明有氧存在 可在培养装置中预先加入些兼性微生物混合培养 一旦有氧 可被兼性细菌消耗掉 三 兼性菌有氧无氧都能生存 兼性菌的作用 1 积极作用 a 污水处理溶解氧充足时 好氧菌与兼性菌都起作用 当供氧故障时 兼性菌仍可起作用 但不如有足够溶解氧时处理效果好 b 水解酸化c 脱氮 2 消极作用a 土壤脱氮 N素损失 土壤肥力下降 b 产生亚硝酸胺污水必须脱氮 氧气与微生物的关系 五 水活度 水分对微生物很重要 但是 水对微生物的影响 不但取决于环境中水的含量 更取决于水的有效性 环境中水的有效性用水的活度 w表示 w指在一定温度和压力下 溶质蒸气压与纯水蒸气压之比 环境中的 w介于0 1之间 溶液浓度越大 w越小 微生物一般在 w为0 65 0 99的条件下生长 w过低时 大多数微生物将停止生长 不同微生物的 w也不同 六 渗透压用半透膜将两种不同浓度溶液隔开后即可产生渗透压 微生物喜欢怎样的渗透压环境呢 渗透压与浓度有关 说明 浓度相同时 分子小的物质溶液渗透压大 离子溶液比分子溶液渗透压大 微生物在不同渗透压环境中的状态 a 5 8 5g L的NaCl 生理盐水0 9 b 0 1g L的NaClc 200g L的NaCl a 等渗溶液 细胞形态与大小不变 b 低渗溶液 溶液中水分进入细胞内部 细胞膨胀 c 高渗溶液 细胞内水分流出 细胞发生质壁分离 人们常吃的咸菜 腌肉可以存放很长时间而不变质 为什么呢 第三节不利因子对于微生物的影响 辐射 极端温度 极端pH 重金属离子等 一 辐射1 UV 紫外线 日光中波长在200 390nm的部分 具有杀菌功能 尤其260nm左右 人们制造的紫外杀菌灯的波长为253 7nm 由于穿透力差 只能进行 a 空气消毒b 表面消毒 c 诱变育种 X 射线和 射线 2 电离辐射 为高能电磁波 具有较强的穿透力 常用于罐头消毒 二 超声波与微波1 超声波频率在20000Hz以上的人耳听不到的声波 对于微生物具有破坏能力 超声波频率越高 杀菌效果越好 杆菌比球菌易被杀死 大的细菌比小的细菌易被杀死 作用机理a 超声波作用下 内含物剧烈振荡 失去活性 b 溶液受超声波作用产生空腔 巨大压力导致细菌死亡c 溶液产生大量微小气泡 对微生物进行猛烈冲击 细菌破裂 2 微波 三 重金属离子机理 1 与酶的 SH基结合 导致酶失去活性 2 与蛋白质结合 发生变性或沉淀 四 极端温度常用高温消毒或灭绝 二者概念不同 消毒 杀死所有营养细胞和一些芽孢 灭菌 利用高温 物理 化学方法将所有微生物营养细胞和所有芽孢或孢子全部杀死 极端温度影响 消毒 巴斯德消毒法 煮沸消毒法 灭菌 灼烧 烘箱热空气法 160 170 干热灭菌法 湿热灭菌法 高压蒸汽灭菌 0 105MPa 121 牛奶 饮品 常压蒸汽灭菌 100 巴斯德消毒法 将牛奶等饮品在63 66 加热30分钟或在71 加热15分钟 既杀菌又可最大限度保存营养 五 极端pH值对微生物的影响 1 pH过低 改变微生物表面带电状态 由带负电改为带正电 影响对营养物质的吸收 2 过高过低pH值导致有机物离子化 进而间接影响微生物 3 酶促反应收到抑制 甚至酶系统遭到破坏 4 过高过低pH降低微生物对高温的抵抗力 六 干燥 七 醇 醛 酚等对微生物的影响1 醇醇为脱水剂也为脂溶剂 可以导致蛋白脱水 溶解细胞膜的脂类物质 从而达到杀菌的目的 医生打针 常用的醇为乙醇 注意 1 乙醇杀菌的能力并不于浓度成正比 在70 时最强 2 甲醇杀毒差且毒性强 不做杀毒剂 3 丙醇 丁醇杀毒能力比乙醇大 但不溶于水 也不做杀毒剂 2 甲醛40 福尔马林溶液 3 酚及其衍生物可以使蛋白质变性 并破坏细胞膜 4 洗涤剂 八 抗生素对微生物的影响 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 不同的抗生素针对微生物的不同部位发生作用 1 破坏微生物细胞壁青霉素抑制革兰氏阳性菌的肽聚糖 40 90 的合成 导致细胞壁合成受阻 微生物失去保护 加之在膜内外渗透压的作用下 革兰氏阳性菌被杀死 说明 人类细胞不具有细胞壁 不受青霉素损害 2 破坏微生物细胞质膜多粘菌素的游离氨基可与革兰氏阴性菌细胞质膜的磷酸根结合 损害细胞质膜 破坏细胞质膜的渗透屏障作用 导致体内核酸外流 死亡 3 抑制蛋白质合成氯霉素 金霉素 土霉素等与核糖体蛋白结合 抑制蛋白质的合成 4 干扰核酸的合成部分抗生素可以与DNA结合 干扰DNA复制 有些抗生素影响双链分开 破坏复制 第四节微生物之间的关系 微生物之间关系 种内关系 竞争 互助 种间关系 竞争 互生 共生 偏害 寄生 捕食 1 竞争不同微生物对于生存环境中的共同物质互相竞争得关系 例证 污水处理中经常存在着对DO及营养的竞争 2 互生 原始合作关系 两种生物可单独生存 但如果共同生存可以生活得更好 彼此互相有利 例证 固氮菌与纤维素分解菌 3 共生两种微生物必须生存在同一环境中