环境微生物期末复习

第五章： 微生物细胞的化学组成：细胞的化学组成决定细胞的化学需要。 1、 元素组成：（1）C、H、O、N：为所有生物体的有机元 素。 （2）主要元素：包括P、S、K、Na、Ca、Mg、 Cl等。 （3）微量元素：包括Fe、Cu、Mn、B、Mo、 Co、Si等 2、 化合物组成：细胞内的化合物可分两类：无机化合物 （水和无机盐）；有机化合物。7090%为水分，10 30%为干物质。有机物占干物质质量的9097%，包括 蛋白质、糖类、核酸及脂类。 微生物的营养物质：水、碳源和能源、氮源、无机盐、生长因子（因 素） 微生物的营养类型：（根据碳源和能源的不同） 营养类型能源碳源微生物（例） 光能自养型光CO2 、CO32-藻类 化能自养型无机物CO2硝化细菌 光能异养型光有机物红螺菌 化能异养型有机物有机物大多数细菌等 碳氮磷比：在废水处理中，活性污泥中好氧微生物要求碳氮磷比为 BOD5:N:P=100:5:1 微生物的培养基：根据微生物的营养要求，将各种营养物质按一定比 例配制而成，用以培养微生物的基质。 .培养基的配制：（1）根据不同微生物的营养需要配制； （2）配制时将各营养成分按顺序加入（或分 开溶解）； （3）要调节适宜的pH值； （4）配制后的培养基应尽快灭菌（不能过 夜）。 营养物质进入微生物细胞的方式（跨膜运输）：某种物质是否能作为 营养物质支持微生物生长，首先取决于这种物质能 否进入细胞，其次是该细胞是否具有分解此物质的能力，这涉 及到物质运输和物质分解两个过程。其中较重要的机制有：单 纯扩散（从高浓度到低浓度）、促进扩散（依靠扩散梯度驱 动）、主动运输（逆浓度梯度）和基团转位（营养物质通过在 运输过程中被磷酸转移酶系统磷酸化而进入细胞内，也需要能 量和特异性的酶）等。 ATP: 在微生物的生物氧化过程中，底物的氧化分解产生能量；同 时，微生物将能量用于细胞组分的合成。在这两者之 间存在能量转移的中心，即ATP。 生物氧化的本质：在微生物体系中，能量的释放、ATP的生成都是通 过生物氧化实现的。 发酵：发酵是指在无外在电子受体时，底物脱氢后所产生的还原力 H不经呼吸链传递而直接交给某一内源性中间产物 接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。 好氧呼吸：好氧呼吸（aerobic respiration）是有外在最终电子受 体（O2）存在时，对底物（能源）的氧化称为好 氧呼吸。它是一种最普遍和最重要的生物氧化方式。 无氧呼吸：无氧呼吸又称厌氧呼吸，是一类电子传递体系末端的受氢 体为外源无机氧化物的生物氧化。 三种生物氧化类型的比较（以葡萄糖为例）： 生物氧化 类型 最终电子 受体 参与反应的酶最终产物 产ATP方 式 释放总能 量/kJ 乙醇发 酵 中间代谢 产物 脱氢酶、脱羧 酶、乙醇脱氢 酶；辅酶：NAD等 低分子有 机物、 CO2、ATP 底物水 平磷酸 化 238. 3 好氧呼 吸 O2 脱氢酶、脱羧 酶、NAD、FAD、 辅酶Q、细胞色素 等 CO2、 H2O、ATP 底物水 平磷酸 化；氧 化磷酸 化 2876 无氧 呼吸 NO3、NO2 、SO42 CO3CO2 脱氢酶、脱羧 酶、硝酸还原 酶、硫酸还原 酶；辅酶：NAD、 细胞色素b、c等 CO2、 H2O、 NH3、N2、 H2S、 CH4、ATP 底物水 平磷酸 化；氧 化磷酸 化 反硝化： 1756 反硫化： 1125 光合作用（photosynthesis）：是地球上进行得最大的有机合成反应。 将太阳能转化为化学能的过程经常用CO2固定这一术语来表示。 第六章： 生长繁殖的概念：(微)生物在适宜的环境条件下，不断吸收营养物质， 按照自己的代谢方式进行新陈代谢 活动。正常情况下，同化作用大于异化作用，微生 物的细胞不断迅速增长，细胞长到一定程度时，就 会由一个细胞分裂成细胞。当发生个体数目的增加 时，就称为繁殖。反之，则为生长。 生长曲线的各个时期及其特点 1，停滞期：又称调整期和适应期，指少数微生物接种到新培养液 中 后，再开始培养的一段时间内细胞 数目几乎不增加的时期。停滞期的长短和接种量、种 （菌）龄和培养基等因素有关。处于停滞期的微生物 细胞体积增长快、合成代谢活跃，对外界不良条件的 反应敏感。 2、对数期（指数期）：细菌的生长速度达到最大，细菌数以几何 级数增加，在生长曲线上呈直线关系。 处于对数期的细菌，得到丰富的营养，代 谢活力最强，细菌旺盛生长。此时的细菌 比较整齐（群体内比较一致）健壮。对不 良环境条件的抗性也比较强。 3、静止期：由于对数期的细菌迅速生长繁殖，消耗了大量的营养 物质，有害物质的积累及其它物化条 件的恶化静止期。在静止期，细菌总数达到最 大，新生数与死亡数大致相等，保持动态平衡。此时 的细菌开始积累贮存物质，有芽孢的细菌形成芽孢。 4、衰老期：营养物质被耗尽，细菌进入内源呼吸阶段。有害物质 大量积累，不利于细菌的生长繁殖， 此时，死亡率增加，活菌数减少。细菌常出现畸形或 衰退型。 世代时间：微生物两次繁殖之间的间隔时间，称为该生物的世代时间。 环境因子：1、温度：微生物的生长要求有一定的温度范围：最低温 度、最适温度、最高温度。 根据细菌最适温度的不同，可把细菌分为：嗜冷 菌（510）、嗜中温菌（2540）、嗜热菌 （5060）和嗜超热菌（70105）。不同微 生物对温度的要求不同，同一微生物在生长的不 同时期对温度的要求也会不同。 高温的影响：在高温时,微生物的蛋白质会发生凝固变 性，呈不可逆的变性，导致微生物的死亡。通常， 可以利用高温对微生物的影响来达到杀灭 微生物的目的。灭菌是指杀死一切微生生 物；而消毒仅是杀死致病微生物。 低温的影响：低温下，微生物的代谢活力低，生长缓慢 或停止，但不致死。处于低温下的微生物一旦获 得适宜的温度，即可恢复活性。利用这一 特性，各种冰箱成为生物实验中保存生物 样品或试剂的重要手段。 2、 pH：微生物的生命活动、物质代谢与pH有密切关系。不 同微生物对pH的要求有不同。微生物对pH的要 求也存在最高、最低和最适三个点。 过高或过低的pH对微生物的影响： （1）影响蛋白质的解离，从而影响细胞表面的 电荷，影响营养物质的吸收； （2）影响营养物质的离子化，影响其进入细 胞； （3）影响酶的活性； （4）降低对其他因素的抵抗能力（如抗热 性）。 3、氧化还原电位：氧化环境具有正电位，还原环境具有负 电位。各种微生物对氧化还原电位的要 求不同，一般好氧微生物要求Eh在+300 +400mV；专性厌氧的微生物要求在-200 250mV；而兼性微生物，在+100mV以上 时进行好氧呼吸，在+100mV以下时进行无 氧呼吸。 环境中的氧化还原电位受到氧分压和pH等 因子的影响。 4、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)O2的作用: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， 一般曝气池中的DO要求控制在3 4mg/L。 (2)好氧微生物与氧的关系 好氧微生物有：芽孢杆菌属、假单胞菌属、动胶菌 属、黄杆菌属、微球菌属、无色杆菌属、球衣菌属、 根瘤菌、固氮菌、硝化细菌、硫化细菌、无色 硫磺细菌、大多数放线菌、霉菌、原生动物和 微型后生动物等。 好氧微生物和微量好氧微生物在有氧条件下能正常生 长繁殖，是因为它们需要氧作为呼吸中的最终电子受 体，参与部分物质合成。好氧微生物需要溶于水的氧 即溶解氧。 5、太阳辐射：辐射是指通过空气或外层空间从一个地方传 到另一个地方去的能源。 辐射包括：可见光、紫外辐射、近红外、热红外及微 波，另外还有电离辐射等。可见光和红外辐射对进 行光合作用的微生物有影响，能作为光合 作用的能源。 紫外辐射和电离辐射对微生物的影响：紫外辐射（紫 外线）对微生物有致死作用，可用以杀菌， 但穿透力较差，只能用于空气和物体表面的消 毒。电离辐射低剂量时，有促进生长的作用； 高剂量时，则有致死作用，常用于诱变育种。 6、渗透压：微生物在不同渗透压的溶液中呈不同的反应： 等渗溶液，周围溶液=体内（0.50.85%的NaCL溶液，也 被称为生理盐水） 微生物生长良好； 低渗溶液，周围体内（如20%的NaCL溶液） 细胞内的水分 子大量渗出，使细胞发生质壁分离。 第七章： 遗传和变异的物质基础DNA 典型的实验：DNA是遗传的物质基础，可通过格里菲斯(Griffith) 经典的转化实验和大肠杆菌T2噬菌体感染大肠杆 菌等实验得到证明。 DNA的化学组成： 1.碱基：腺嘌呤A，鸟嘌呤G ,胞嘧啶C，胸腺嘧啶T 基本单位核苷酸 2.脱氧核糖核苷酸 3.磷酸基团 DNA的复制 1.DNA具有独特的半保留式的自我复制能力，确保了DNA复制精 确，并保证一切生物遗传性的相对稳定。 2.DNA的自我复制大致如下：首先是DNA分子中的两条互补的多核 苷酸链之间的氢键断裂，彼此分开成两条单链； 然后以各自原有的多核苷酸链为模 板，根据碱基配对原则吸收细胞中 游离的核苷酸，按照原有链上的碱 基排列顺序，各自合成出一条心的 互补的多核苷酸链；新和成的一条 多核苷酸链和原有的多核苷酸链又 以氢键连接成新的双螺旋结构。因 此，在新和成的子代DNA的分子中， 一条链来自亲代的DNA，另一条则是 新和成的。 DNA和RNA的区别：1.DNA中的胸腺嘧啶T在RNA中变成了尿嘧啶U 2.RNA含有的五碳糖是核糖而不是脱氧核糖 生物遗传信息的传递：1.亲代的性状是通过脱氧核糖核苷酸将决定各种 遗传性状的遗传信息传给子代 2.子代根据DNA所携带的遗传信息产生一定形态结 构的蛋白质 变异的实质基因突变：DNA上的碱基对发生差错，出现碱基的缺 失、置换或插入，改变了基因内原有的碱基顺序，导 致后代性状的改变。当这种改变可以遗传 时，就是发生了突变。所以说基因突变是微 生物发生变异的实质。在真核微生物中，变 异也会发生在染色体水平上，如染色体的缺 失、重复、倒位和易位等，都会引起遗传信 息的改变，称为染色体畸变。 变异的类型：1.自发突变：在自然条件下发生的突变。自发突变的概率 很低，如细菌约为10-10。 2.诱发突变：人为地用某种因素处理后造成的突变。诱发 突变的概率大大提高，可以达到约10-4 110-5 蛋白质的合成过程：1.DNA复制：通过半保留复制方式进行自我复制 2.转录mRNA:由DNA转录成mRNA 3.翻译：以mRNA上的碱基顺序为模板，翻译成对应 的蛋白质分子 4.蛋白质合成：通过mRNA的两端识别作用，把特定 的氨基酸送到核糖体上，在多肽合成酶的作用下 合成多肽键，生成具有特定生理 功能的蛋白质。 第八章： 生态系统：在一定时间和空间范围内由生物（包括动物、植物和微生 物）与它们的生境（包括光、水、土壤、空气及其 他生物因子）通过能量流动和物质循环所组成的一个自然 体。生态系统=生物+环境条件 生态系统的组成：环境（无机环境）、生产者、消费者、分解者或转化 者。 生态系统的功能：a生物生产：是生态系统的基本功能之一，只要有太 阳辐射、水、二氧化碳及无机物，植物、藻类及光 合细菌等利用太阳能，将二氧化碳和水 合成糖类，进合成蛋白质、脂肪和核酸 等，构成植物体。 b能量流动：太阳将能量供给植物、藻类和光合细菌 等进行光合作用合成有机物、光能被转化为化学能 而被贮存在植物体内，能量再通过食物 链由种生物转移到另生物体内。 c物质循环：生态系统中生物群落所需的各种营养物 在环境、生产者、消费者和分解者(各营养级)之间 传递，处于不断循环之中形成物质流。 d信息传递：生态系统中的信息传递多种多样，有强 有弱，把各组成联为一个统一整体。有物理信息， 例如声、光、颜色起吸引异性、种间识 别、威吓、警告等信息作用；生物的酶、 维生素、 生长素、抗生素等是化学信息等。 种群：占据特定空间的同一生物种的所有个体的集合体。种群是生物群 落的组成单位。 群落：指一定时间内居住在一定空间范围内的生物种群的集合。 土壤的生态条件(土壤是微生物最良好的天然培养基): a有丰富的营养物质：土壤内有大量的有机和无机物质（动植物的 残体、分泌物、排泄物等） bpH比较适宜微生物生长：多为5.58.5；适合于大多数微生物的 生长繁殖。 c渗透压多为等渗或低渗：土壤是等渗或低渗溶液，有利于微生物 吸收水份和营养。 d保证氧气和水的供应：土壤具有团粒结构，有孔隙，可以通气和 保持水分。土壤中氧气的含量要少于空气中， 一般为78%。 e有良好的保温性：土壤具有较强的保温性，其变化幅度要小于空 气。 f最上面的表土层起到保护的作用：表面几毫米厚的土壤，可以使 下面的微生物免受紫外线的直接照射。 水体自净：河流（水体）接纳了一定量的有机污染物后，在物理、化学 和水生生物(微生物、动物和植物)等因素的综合 作用后得到净化，水质恢复到污染前的水平和状态。 衡量水体自净的指标：（1）P/H指数：P代表光合自养型微生物，H代表 异养型微生物，两者的比即P/H指数。P/H指数 越高，自净效果越好。 （2）氧浓度昼夜变化幅度和氧垂曲线：从溶解氧 浓度大小看，B点高于C点，但C点溶解氧的昼 夜变化幅度大于B点，但C点的自净程度 高于B点。可见，溶解氧昼夜变化幅度能 较好的反映水体中微生物群落的组成和 生态平衡状况。 水体污化系统：毒物或污染物排入水体后水质发生一系列变化，接近污 染源往往污染较严重因河水有自净能力，随距 离增加河水逐渐净化。 水体划分为一系列的带：多污带、中污带、中污带和寡污带。 水体污化指示生物：包括细菌、真菌、藻类、原生动物、轮虫、浮游甲 壳动物、底栖动物有寡毛类的颤蚯蚓、软体动物 和水生昆虫。 水体有机污染指标：（1）BIP指数 BIP=B/(A+B)100 其中：A为有叶绿素的微生物数，B为无叶绿素的微生物数。所以 BIP的含义是无叶绿素的微生物数占总微生物数的百分比。 BIP值 0-8 清洁水 8-20 轻度污染水 20-60 中度污染水 60-100 严重污染水 （2）细菌菌落总数（CFU）： 细菌菌落总数是指1mL水样在营养琼 脂培养基中，于37培养24h后所生长出来的细 菌菌落总数。它用于指示被检的水源水受有机物污染的 程度，为生活饮用水做卫生评价提供依据。 （3）总大肠菌群：大肠菌群的测定方法：常用的方法有多管发酵 （MPN）法和滤膜法。 根据我国的国家标准（GB5749-85）：生活饮用水中， 细菌菌落总数100个/ml；总大肠菌群数3个/L。 水体富营养化的 （1）发生：由于某些因素，特别是人类的活动，使营养 物质（氮、磷等）大量进入水体，促使水体中 的藻类过量繁殖，造成水体出现富营养 化。在淡水水体中称为“水华”，在海水 中为“赤潮”。在水体中，一般氮和磷是 藻类生长的限制因子，当氮和磷的浓度增 加，就会造成藻类的大量繁殖。 （2）与富营养化有关生物种类藻类 主要是蓝藻中的 微囊蓝细菌属、腔球蓝细菌属和鱼腥蓝细菌属等。 （3）防止天然水体富营养化的根本措施 是将各种污水 和废水中的氮和磷的排放量控制在低水平。加强对 水体富营养化的研究，探索其发生的机理，及 时预报，减少对人类生活和生产的损失。 微生物之间的关系 （1）竞争关系：不同的微生物对于资源发生竞争，互相受到不好的 影响，如对营养物质、空间地位等等。如在活性 污泥中，菌胶团细菌和丝状菌会发生对溶解氧或营 养的竞争。 （2）原始合作关系（互生关系）：两种可以单独生活的微生物共 存，互为有利。这是一种可分可合，合比分好的相互 关系。 如在植物根部生长的根际微生物与高等植物之间存在着互 生关系，在人体肠道中，正常菌群与人之间也存在着互生 关系。又如在氧化塘中的藻类和细菌。 （3）共生关系：两种不可以单独生活的微生物共存，互为有利，彼 此分离就不能很好地生活。地衣就是微生物间共 生的典型例子，它是真菌和蓝细菌或藻类的共生 体。藻类利用光能将 CO2和H2O合成有机物供自 身及真菌营养；真菌从基质吸收水分和无机盐供两 者营养。还有根瘤菌和豆科植物根系共生等。 （4）寄生关系：寄生指的是小型生物生活在较大型的生物体内或体 表，从后者获得营养，进行生长、繁殖，并使后 者蒙受损害甚至被杀死的现象。前者为寄生菌，后 者为寄主或宿主。如噬菌体与细菌的关系。 （5）中性关系：乳杆菌和链球菌可以混合培养。 （6）偏害关系（拮抗关系）：指一种微生物在其生命活动中，产 生某种代谢产物或改变环境条件，从而抑制其他微生 物的生长繁殖，甚至杀死其它微生物的现象。如乳酸菌产 酸对其他细菌的影响(非特异性)，产生抗生素的微生物对 其他微生物的影响等。 （7）捕食关系：一种微生物吞食另一种微生物，如原生动物吞食 细菌等,捕食者与被捕食者之间的关系。 第九章： 碳循环：自然界中含碳物质有CO2、糖类、脂肪、蛋白质等。碳的循 环是以CO2为中心的。在碳循环中，CO2大部分来源于微生物对有机 物的分解，另外，由于CO2同时也参与氧循环，因此，实际上碳和氧 循环是相互关联的。 淀粉的转化：淀粉分直链淀粉和支链淀粉两类。 是由葡萄糖分子脱水缩合，以-D-1,4葡萄糖苷键（不 分支）或-1,6键结合（分支）而成。广泛存在于植物 种子和果实中。淀粉也是人类获取的主要食物来源之 一。 纤维素的转化：纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，(C6H10O5)n，n=1400 10000. 参与的微生物：细菌、放线菌和真菌。 分解过程： 纤维素酶 2(C6H10O5)n + nH2O nC12H22O11（纤维二糖） 纤维二糖酶 n C12H22O11 + nH2O 2n C6H12O6 纤维素的转化图解： 脂肪的转化图解： 脂肪的分解： 氮循环： 蛋白质的水解： 蛋白酶 蛋白酶 蛋白酶 肽酶 蛋白质 眎 胨 肽 氨 基酸 蛋白质是生物细胞的主要成分，氨基酸是基本单位。蛋白质的分 解，首先也是水解，才能进入微生物细胞内。能够分解蛋白质的微 生物很多，细菌、真菌、放线菌等。 氨化作用：有机氮化合物在脱氮微生物的作用下脱氨基产生氨。 例如： 氨基酸 不含氮的有机物（酸） + NH3 经脱氨基后形成的有机酸和脂肪酸，在微生物的作用下 继续分解。 硝化作用是指在有氧的条件下，经亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用， 将氨转化成硝酸。分两步进行： 2NH3 + 3O2 2HNO2 + 2H2O + 619KJ 2HNO2 + O2 2HNO3 + 201KJ 亚硝酸细菌 硝酸细菌 亚硝酸细菌和硝酸细菌是好氧的，世代时间很长（从十几小时到几 天）。 反硝化作用：反硝化作用在缺氧条件下，硝酸盐被还原为氮气的过 程。发生反硝化的条件是：硝酸盐存在（提供电子受体）、有机物 存在（提供能量）、