第六章-微生物的生长繁殖与生存因子打印(1).ppt

第六章微生物的生长繁殖和生存因子,各类细菌都是倾向于群居（物以类聚）,提问：弱势生物的群居优势是什么？生存状况提高，攻防具佳（攻）群居的细菌获得营养的能力大大高于游离的细菌，（防）群居的细菌不易被天敌伤害，还能释放类似外激素的调节因子，使群体主动适应环境的变化，可有性生殖；团结就是力量,外界因素引起的细菌数量的增加、停滞、衰减等变化。提问：如何研究呢？测菌数量变化与外因的关系,细菌群体力量改变环境通常都是将细菌群体作为研究对象，考察细菌群体的生长规律“生、老、病、死”。,提问：细菌群的“生、老、病、死”表现为何呢？,第一节微生物的生长繁殖,主要内容：微生物的生长繁殖概念细菌的生长曲线微生物生长曲线在污（废）水生物处理中的应用,一个微生物细胞,合适的外界条件，吸收营养物质，进行代谢。,如果同化作用的速度超过了异化作用,个体的生长原生质的总量（重量、体积、大小）就不断增加,如果各细胞组分是按恰当的比例增长时，则达到一定程度后就会发生繁殖，引起个体数目的增加。,群体内各个个体的进一步生长,群体的生长,微生物细胞吸收营养物质，进行新陈代谢，当同化作用异化作用时，生命个体的重量和体积不断增大的过程。,生长,生命个体生长到一定阶段，通过特定方式产生新的生命个体，即引起生命个体数量增加的生物学过程。,繁殖,群体生长的实质是包含着个体细胞生长与繁殖交替进行的过程:群体生长=个体生长+个体繁殖,一、微生物生长繁殖的概念,世代时间简称代时（enerationtime,G）：就是一个世代所需的时间，因而也就是群体细胞数目扩大1倍所需的时间，有时也被称为倍增时间。单细胞微生物的世代时间：两次细胞分裂之间的时间。多细胞生物的世代时间：两次繁殖之间的时间。,世代时间的大小反映了一种微生物繁殖速度的快慢。,不同种的微生物，其生长繁殖速度不同。原核微生物的繁殖速度一般比真核微生物快。,“生、老、病、死”（根据投食方式）分分批培养、连续式培养两种情况1.分批培养只有开始时的一次性投料和接种细菌（其余时间细菌根据环境变化自行生灭）,（“坐吃山空型”）,应用：生理特性研究、生物发酵和生物治污,二、研究微生物生长的方法,生长曲线的制作：,接种适温培养,定时取样测定生长量,将少量细菌的纯培养，接种到一恒定容积的新鲜液体培养基中，在适宜条件下培养，每隔一定时间取样，测菌细胞数目。以培养时间为横坐标，以细菌增长数目的对数为纵坐标，绘制所得的一条反映细菌在整个培养期间菌数变化规律的曲线。,细菌纯培养生长曲线图,静止期,衰亡期,总菌数,活菌数,时期的划分：按照生长速率常数（growthraceconstant）不同,（1）停滞期,特点：代谢活跃，个体体积、重量增高。不立即进行细胞分裂、增殖，数量不变甚至减少,细,菌,停,数,滞,目,期,的,对,数,值,0,时间t,提问：为什么会出现停滞期呢？,适应环境（合成相应的酶），营养储备（用于复制合成）,？,岗前培训,“万事开头难”,菌种：繁殖速度较快的菌种的停滞期一般较短；接种物菌龄：用对数生长期的菌种接种时，其停滞期较短，甚至检查不到停滞期；接种量：一般来说，接种量增大可缩短甚至消除停滞期；培养基成分：在营养成分丰富的天然培养基上生长的停滞期比在合成培养基上生长时短；接种后培养基成分有较大变化时，会使停滞期加长。,影响停滞期长短的因素：,提问：根据上述原因选择接种何种状态的细菌停滞期会较长？对数期的细菌、静止期或衰亡期、受损细胞、富集培养基的细菌后三种,静止期细胞基本耗尽了各种辅酶或其他细胞成分,受损细胞养伤修复,富集培养基细菌需要合成“自力更生”酶,在实际工作中如接种菌种以启动新的水处理设施，投加新鲜污泥时，接种的细菌不习惯于新环境，会出现或长或短的停滞期，,采用处于高效菌群对数期的菌种、增大接种量、尽量保持接种前后所处的培养介质和条件一致等方法来缩短或消除停滞期。,提问：我们可以通过哪些手段缩短停滞期呢？,停滞期的出现会增加操作时间，降低工作效率！,（2）对数期,细,菌,数,目,的,对,对,数,数,期,值,0,时间t,如大肠杆菌在20时其代时是35条件下的2倍；伤寒杆菌在含0.125的蛋白胨培养基中的代时为800min，而在含1.0时仅为40min。,特点：繁殖速度最快，代谢最旺盛，代时最短应用：接种用的好种子；代谢、生理研究的好材料,提问：细菌的代时与哪些因素有关？,种类遗传、个体健康情况(营养、环境条件),？,（青年）,G=(t2-t1)/n=(t2-t1)/3.322(lgX2-lgX1),R=1/G=3.322(lgX2-lgX1)/(t2-t1),X2=X12n两边取对数：lgX2=lgX1+nlg2（lg2=0.301）n=3.322(lgX2-lgX1),Lg细胞数/ml,培养时间,对数期三个重要参数,（1）繁殖代数(n),（3）生长速率常数(R),（2）代时(G),（3）静止期（中年）,特点：出生率死亡率微生物的生长速率处于动态平衡，培养物中的细胞数目达到最高值细胞分裂速度下降，开始积累内含物，产芽孢的细菌开始产芽孢,细,菌,停,数,滞,目,期,的,对,静止期,对,数,衰亡期,数,期,值,0t,时间,产生原因：营养物尤其是生长限制因子的耗尽；营养物的比例失调，如碳氮比不合适;有害代谢废物的积累（酸、醇、毒素等）物化条件（pH、氧化还原势等）不合适;,（4）衰亡期（老年）,特点：生长速率负增长，群体中的活菌数目急剧下降，死亡率出生率；细胞形态多样，出现畸形，形成衰退型；蛋白水解酶活跃，出现菌体死亡、自溶等，发生自溶的菌生长曲线表现为向下跌落的趋势；芽孢细菌芽孢大量释放。,细,菌,延,数,缓,目,期,的,对,稳定期,对,数,衰亡期,数,期,值,0t,时间,产生原因：生长条件的进一步恶化，使细胞内的分解代谢大大超过合成代谢，继而导致菌体的死亡。,？,提问：如何给细菌延年益寿呢？,补营养、环保（去除环境毒物）,如果把地球看作是封闭的间歇式培养基，人类看作是细菌，人口若不加控制，必将经历由于资源枯竭，污染物遍地而引发的大灭绝。自救节约、节育防止“营养物消耗过快”，环保防止“有害代谢物毒性抑制”。,人类群体有类似规律吗？,2.连续培养,连续培养类型,恒浊连续培养,恒化连续培养,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,（1）恒浊连续培养,恒浊培养基浊度恒定（实质是细菌数量恒定）,新鲜培养基,光电池,光源,流速控制阀,出水,很少应用,反馈控制,化？,新鲜培养基,流速控制阀,出水,应用：环境工程、生物工程、实验室研究（细菌生理特性研究、细菌的快速筛选等）。,流速恒定,进料营养物总量,(2)恒化连续培养,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）,第二节微生物的生存因子,适宜环境：微生物能正常地进行生命活动不适宜环境：微生物的正常生命活动受到抑制或被迫暂时改变原有的一些特征。恶劣环境：微生物死亡或发生遗传变异。,一、温度微生物的生长要求有一定的温度范围：最低生长温度、最适生长温度、最高生长温度。根据细菌最适生长温度的不同，可把细菌分为：嗜冷菌、嗜中温菌、嗜热菌和嗜超热菌。大多数菌为嗜中温菌。,温度对微生物生长速率的影响,废水中的细菌一般都是嗜中温菌，最适温度多在30左右，嗜冷菌和嗜热菌占少数。,低温、中温和高温细菌的生长温度范围,低温型微生物（嗜冷微生物）:最适生长温度在5-15,主要分布在地球的两极、冷泉、深海、冷冻场所及冷藏食品中。例：假单孢菌中的某些嗜冷菌在低温下生长，常引起冷藏食品的腐败。,在低温下生长的机理：具备低温活性酶细胞质膜含有大量的不饱和脂肪酸，在低温下能保持半流动性，使之能有效地集中必需的营养物质。,现有的微生物保藏法,高温型微生物：最适生长温度为45-55,主要分布在温泉、堆肥和土壤中。,在高温下能生长的原因：酶蛋以及核糖体有较强的抗热性核酸具有较高的热稳定性（核酸中G+C含量高（tRNA），可提供形成氢键，增加热稳定性）。细胞膜中饱和脂肪酸含量高，较高温度下能维持正常的液晶状态。细胞生长速率快，能迅速合成生物大分子，以弥补由于高温造成的破坏。,二、pH,常见的四大类微生物中，对pH的最适（范围）细菌：6.5-7.5（4-10）；放线菌：7-8（5-10）；霉菌：3-6（1.5-10）；酵母菌：5-6（1.5-10）。,微生物对pH的要求存在最高、最低和最适三个点。,在废水生物处理中，pH一般在6.5-8.5（6-9）。生物处理的主体是细菌，它要求pH略为偏碱。过高的pH会使原生动物呆滞，菌胶团解体，影响去除效果，而过低的pH，会使霉菌大量繁殖，造成污泥膨胀。,主要影响一些极性营养物如脂肪酸、氨基酸以乙酸的吸收为例，,细菌表面带有电荷，如“”,1.影响细胞膜蛋白及胞外水解酶的活性从而影响营养物的正常吸收与转运2.影响营养物的解离与吸收,外界pH对微生物生长的影响,三、氧化还原电位（简称ORP或Eh),某物质与氢电极构成原电池时的电压高低,反映该物质氧化性强弱。,提问：影响水样氧化还原电位的因素有哪些？氧化性物质（主要是氧气浓度）与还原性物质（有机物、H2S等）的含量,不同细菌适宜的氧化还原电位(mv),3、Eh的改变方法降低Eh除氧及向培养基中添加还原性物质：H2S、抗坏血酸、含巯基化合物（半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等）升高Eh通空气或氧及向培养基中添加氧化性物质：Fe(OH)3等,四、溶解氧微生物可分为：好氧微生物、兼性厌氧微生物和厌氧微生物。,1好氧微生物（专性好氧和微量好氧）O2的作用有两个，一是作为最终电子受体，二是参与甾醇类和不饱和脂肪酸的合成。微生物只能利用溶解于水中的O2，即溶解氧（DO）。DO与水温、大气压等因素有关，温度越高，氧的溶解度越小。在好氧生物处理中，DO是个十分重要的因子，要求提供充足的氧，一般曝气池中的DO要求控制在3-4mg/L。,2兼性微生物即能在有氧条件下生存，又能在无氧条件下生存。但两者所表现的生理状态是很不同的。如酵母菌。3厌氧微生物（专性厌氧和耐氧)只有在无氧条件下才能生存。对于专性厌氧微生物，要求绝对无氧的条件，氧的存在会使微生物死亡，如产甲烷菌;另一些厌氧微生物(也叫耐氧微生物），氧的存在与否对它没有影响，既不利用氧，也不中毒。如乳酸菌。,专性好氧菌好氧菌微好氧菌兼性厌氧菌耐氧厌氧菌厌氧菌(专性)厌氧菌,氧毒害厌氧菌的机制：超氧阴离子是活性氧的形式之一，带奇数电子，负电荷。它即有分子性质，也有离子性质，反应力极强，性质极不稳定。在体内可破坏各种重要生物高分子和膜，也可形成其他活性氧化物。在体内，超氧阴离子自由基可以自由酶促(如黄嘌呤氧化酶)或非酶促方式形成。,O2+eO2(O2),生物体的针对措施：超氧化物歧化酶(superoxidedismutase-SOD)是其中之一。好氧、耐氧微生物的超氧化物歧化酶将超氧阴离子转化为毒性稍低的过氧化氢，过氧化氢酶再将过氧化氢转化为无毒的水。厌氧微生物因为没有超氧化物歧化酶，超氧阴离子自由基可造成其损害。,H2O+O22O2+2H+O2+H2O22H2O,O2+e-O2(O2)超氧阴离子在细胞内可由酶促或非酶促形成。超氧物阴离子歧化酶是在生物进化中发展出来的一种自我保护方式。兼性厌氧菌E.coli在发生SOD缺失突变后，就会变成一种“严格厌氧菌”。,生物体中超氧阴离子的形成与去除,12,SOD好氧生物和耐氧细菌,过氧化氢酶好氧生物,过氧化物酶NADH2NAD耐氧菌,在培养不同类型的微生物时，要采用相应的措施保证不同微生物的生长。培养好氧微生物：需震荡或通气，保证充足的氧气。培养专性厌氧微生物：需排除环境中的氧气，同时在培养基中添加还原剂，降低培养基中的氧化还原电位势。培养兼性厌氧或耐氧微生物：可深层静止培养。,五光线,1.阳光提问：通常细菌在阴暗环境中能够更好的生长，原因？,包括阳光和灯光,紫外线（波长0.1400nm）一般细菌在紫外线下照射5min即能被杀死，芽孢则需10min。紫外线波长在260nm左右者杀菌力最强提问：杀菌机理？蛋白质和核酸变性,（二）X-射线、射线(不带电),特点高能量，穿透力强,已经开始被用于油田注水杀细菌(腐蚀性细菌)。杀菌机理？高能量激发水分解产生O自由基或H2O2等强氧化剂优缺点？一次性投资较大，但使用时成本较低，杀菌效果稳定,六渗透压,-是不同溶液被半透膜隔离开时，由于膜半透性及两侧水分子浓度差异形成的水压。,有半透膜,左水分子净通量0右侧液位，直至平衡,衡量方法：通常以一定浓度溶液与纯水间形成的渗透压作为该溶液的渗透压提问：水将从渗透压一方流向渗透压的一方？低、高,渗透压可影响细菌生存：1.相同渗透压溶液中细菌细胞内水含量稳定，细菌生活得最好。等渗透压溶液0.85的食盐