水处理微生物学课件-2

第三章原核微生物,主要内容：细菌、放线菌、蓝细菌的形态，大小，结构细菌、放线菌、蓝细菌的菌落特征细菌的理化性质细菌、放线菌、蓝细菌的繁殖,指一类细胞核无核膜包裹，只存在称作原核（拟核）的裸露DNA的原始单细胞生物,分类：,定义：,一、定义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、主要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！,第一节细菌,二、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）,细菌基本形态，是鉴定丝状菌种的依据之一,（1）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,单杆菌,电镜下的杆菌,杆菌的形态,梭状芽孢杆菌,乳酸杆菌,杆菌,长杆菌，如Bactillussubtilis,短杆菌，如Escherichiacoli,（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,单位：m（微米）球菌：直径（0.52.0m）杆菌：宽度（直径：0.51.0m）长度（1.05.0m）螺旋菌：宽度（直径：0.251.7m）弯曲长度（2.060m）大小受各种因素影响而变化如：E.Coli长2m，宽0.5m，1500个相当一粒芝麻长,2.细菌的大小,最大细菌：1997年在纳米比亚海岸沉积物中发现的硫细菌（Thiomargaritanamibiensis）0.10.3mm，肉眼可见。最小细菌：1998年芬兰学者E.O.Kajander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。,三、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（cellwall）,细胞外面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,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,肽聚糖,磷壁酸,多糖,孔,蛋白质,脂质,外膜,磷壁酸,肽聚糖,薄，结构复杂外壁层：最外层脂多糖中间层脂质双层内层脂蛋白内壁层：肽聚糖,厚，结构简单,革兰氏阳性菌,革兰氏阴性菌,革兰氏阳性和阴性细菌细胞壁构造的比较,2.原生质体,（1）细胞质膜（protoplasmicmembrane）,A.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（integralprotein)或内在蛋白（intrinsicprotein）,具酶促作用的周边蛋白（peripheralprotein）或膜外蛋白（extrinsicprotein）,脂类是磷脂，由磷酸、甘油和脂肪酸组成,细胞质膜的磷脂,细胞膜的结构：液态镶嵌模型（fluidmosaicmodel）,1）膜主体磷脂双分子层，亲水基团在表面，疏水基团在内部2）蛋白镶嵌或贯穿或浮在表面3）双分子层有流动性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（电子传递体系）5）酶附着基地6）鞭毛基粒着生点和旋转供能7）内陷生成中间体,B.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，这种差异具有特征性，因此膜化学可被用于对细菌进行鉴定。,间体（mesosome）,由细胞膜内褶形成的一种管状、层状或囊状结构，一般位于细胞分裂部位或其邻近。,功能：（1）促进细胞间隔的形成并与遗传物质的复制及其相互分离有关（2）有细胞色素，参与呼吸作用，拟线粒体,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（inclusionbody）：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（reservematerials）,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,功能:,储藏能源和碳源维持细胞中性环境，避免酸性增高降低细胞渗透压,由-丁酸单位形成的直链聚合物，集合成高度折射性的小球状物，随细胞老化更加突出。,异染颗粒,主要成分偏聚磷酸盐多聚磷酸盐,异染现象这些颗粒可以用很多碱性染料染色。如用甲苯胺蓝染色时同多聚磷酸盐结合成淡红紫色,储藏能源和磷源降低渗透压菌种鉴定,功能,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。,由一层膜包起来，该膜由蛋白质组成，含有重复的蛋白质亚单位。,功能使细胞具浮力有利于吸收溶解氧,气泡,定义：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。组成：DNA纤维，少量蛋白结合。环状ds-DNA高度折叠缠绕而成。例如：大肠杆菌体长12微米，DNA长度1100微米功能：携带遗传信息，决定遗传性状和传递遗传性状。,（3）拟核,3.特殊结构,（1）荚膜（capsule）,定义：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。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。荚膜一般很厚，有的细菌荚膜很薄，在200m以下，称为。荚膜是分类特征之一，可作为分类鉴定的依据。,荚膜,荚膜的功能：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）黏液层（slimelayer）,为粘性多糖，疏松的附着在细菌细胞壁表面，与外界没有明显的边缘。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）,定义：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。,菌胶团,（4）芽孢（spore）,定义：某些细菌在其生长发育后期或在遇到外界不良环境时，可在细胞内形成一个圆形或椭圆形抗逆性休眠体。多在杆菌中产生，是分类鉴定依据之一芽孢是细菌的休眠体，条件适宜可萌发芽孢萌发：由休眠状态的芽孢变为营养状态的细菌过程。,一、芽孢的形态及结构,圆形或椭圆形位置和大小因菌而异（梭状、鼓槌状等）,二、芽孢的特点,（1）含水率低，3840（2）芽孢壁厚致密，分3层：外层：芽孢外壳蛋白质中层：肽聚糖（2，6吡啶二羧酸）内层：孢子壁肽聚糖（3）酶代谢活力低，休眠状态（4）耐热、低温、辐射、干燥、化学试剂，等不良环境,如：营养细胞7080下10分钟死亡，芽孢120140下存活几小时；芽孢抗紫外线一般是营养细胞的一倍。,1.DNA浓缩成束状2.细胞膜内陷，不对称分裂，小的为前芽孢3.前芽孢双层隔膜形成4.肽聚糖合成，形成皮层，脱水5.芽孢壁、芽孢衣等合成，芽孢成熟6.芽孢囊裂解,三、芽孢形成（了解内容）,（5）鞭毛（flagella）,定义：由细胞质膜上的鞭毛基粒长出，穿过细胞壁伸向体外的一条纤细的波浪状的丝状物。是分类上重要特征之一。,偏端单毛菌类两端单毛菌类偏端丛毛菌类两端丛毛菌类周毛菌类,A,C,D,B,E,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。,鞭毛大小：直径0.0010.02m，长度在250m,鞭毛运动机制,具有鞭毛的细菌能运动，不具鞭毛的细菌一般不能运动。鞭毛的运动是靠细胞质膜上的ATP酶水解ATP提供能量。运动方式：旋转运动,四、细菌的繁殖,1、细菌繁殖的条件（1）营养物质：充足才能提供必需的原料和足够的能量主要包括：水，无机盐类，蛋白质，糖类等；有的还需要：氨基酸，生长因子，血液等（2）温度：最适温度（1020），噬温菌（2040），噬热菌（5060），噬冷菌（0以下）（3）酸碱度：主要是影响酶活性。最适pH（7.2-7.6），噬碱菌（8以上），噬酸菌（7以下）（4）气体：主要是O2和CO2（5）湿度：干燥对细菌有害（6）渗透压：一般加入0.5%氯化钠,主要为裂殖，是无性繁殖，一个母细胞分裂成两个子细胞二等分裂细菌分裂过程：核复制后分裂形成横隔子细胞分离,2、细菌生长繁殖的方式,五、细菌的培养特征,（1）固体培养基上的培养特征（2）明胶培养基上的培养特征（3）半固体培养基上的培养特征（4）液体培养基上的培养特征,（1）固体培养基上的培养特征,凝固剂：琼脂(1%-2%)，明胶，硅胶菌落：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。菌落特征：细菌在固体培养基上的培养特征。,凝胶状、一般表面较光滑、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,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）菌落的形态特征（2）菌落的表面特征（3）菌落的边缘特征,不同种的细菌菌落特征,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,大量细胞密集地接种到固体培养基表面，结果长成的“菌落”连成一片。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。,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,凝固剂：琼脂(0.2%-0.7%)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。,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也是分类依据之一,细菌自由扩散生长，生长状态与细菌种类有关。表面生长形成粘稠的膜，菌液不混浊枯草芽孢杆菌菌液混浊，菌体均匀分布于培养基细菌凝聚成颗粒物，沉降在管底，培养基清,细菌表面电荷和等电点细菌悬液的稳定性细菌悬液的混浊度细菌的多相胶体性质细菌的比表面积细菌的相对密度和质量,六、细菌的物理化学性质,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。,细菌体蛋白质（50以上）氨基酸两性电解质负电荷（pH高的溶液）正电荷（pH低的溶液）,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（6）都高于细菌的等电点，表面带负电荷。,（1）细菌的等电点,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。,（2）细菌的染色原理及染色方法,A简单染色：用一种染液染色菌体。一般菌体被染上染料的颜色。常用来观察细菌的形态、大小和排列方式。,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C.Gram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,金黄色葡萄球菌,大肠杆菌,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，加碘碘化钾（弱氧化剂）媒染，等电点降低，阳性菌降低的更低，与结晶紫（碱性染料）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。,2.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，菌液混浊，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，菌液清澈。,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.细菌悬液的混浊度,细菌体半透明状态，一部分光线投射，一部分折射，细菌悬液呈现混浊现象。比浊计，比色计测浊度可略知细菌数目。,4.细菌的多相胶体性质,细菌体含多种蛋白质和酶系，成分和功能各不相同不同酶系