华北理工水处理生物学课件03细菌的生理特性1

第二章细菌的生理特性生理特性•2-1细菌的营养•2-2酶及其作用•2-3细菌的呼吸•2-4其他环境因素对细菌生长的影响生理特性•生理——生命活动机理（食、住）•生命活动——营养、呼吸、环境条件•营养物及其获取方式——营养•营养物质的代谢（产能方式）——呼吸•那些环境因素使细菌病、死？——环境条件•营养物的种类、用途及营养物的吸收方式•水、盐、“粮食”•异养－自养；吸收方式—四种•如何代谢？不同代谢类型的细菌分类•光能—化能；好氧—厌氧；寄生—腐生•！学会养细菌•食（营养、呼吸）•住（环境条件—环境因素对细菌的影响）•温度、电位、pH、渗透压、光线、毒物•学会养好细菌•（其他微生物与之类似）第一节细菌的营养•提问：如何知道细菌所需的营养物种类呢？•单因子或复合因子培养试验、由细胞化学组成进行推断。70％～90％水10％～20％干物质90%有机物10%无机盐细菌化学成分示意图•有机物：碳水化合物、蛋白质、脂肪、DNA、RNA等。一、细菌营养物组成及生理功能•传统上根据功能不同对营养物归类•水、无机盐和碳源、氮源、能源、生长因子等。•（一）水•提问：水对细菌有哪些作用？•1)溶剂作用（所有物质都必须先溶于水，才能参与生化反应）•2)参与生化反应(如脱水、加水反应)•3)运输物质的载体•4）维持和调节一定的温度（二）无机盐•阴离子盐：磷酸盐、硫酸盐、氯化物、碳酸盐、碳酸氢盐。•阳离子盐：氨、钾、钠、钙、镁、铁的盐•P和S、Fe、Mg的需求量较大•同时还需要锌、锰、钴、铝、铜、硼、钒、镍等微量元素。•提问：无机盐的功能是什么？•1)构成细胞的组成成分（DNA-磷）•2)酶的组成成分（辅基）；•3)酶的激活剂（Mg2+，K+）；•4）维持一定的渗透压。•5)特殊细菌的能源；•铁细菌、硫细菌分别以铁和硫为产能物质。（三）碳源和能源•种类？•有机物、无机碳化合物•随细菌不同，各有偏好•细菌最喜好的碳源是？•供碳元素来源的物质•细菌细胞中的碳素含量占干物质质量的50％左右。细菌对碳素的需求量最大。•碳源作用—•细胞的碳骨架、大多还是能源物质。•糖•尤其是葡萄糖及其多糖（四）氮源•提问：哪些物质可作为细菌的氮源？•有机氮（氨基酸和蛋白质）、无机氮（N2、NH3、铵盐、硝酸盐）等。•实验室中有机氮源——蛋白胨•工业投加的细菌氮源？•——尿素、粪便（五）磷源和硫源•磷源比较单一，主要是无机磷酸盐或偏磷酸盐。•硫源—从还原性的S2-化合物、元素硫一直到最高氧化态的S042-化合物，都可以作为硫源。•通常不缺工业污水常补加磷酸三钠等。（六）生长因子•种类：嘌呤、嘧啶类、维生素类•作用：？•嘌呤和嘧啶参与合成核酸和辅酶；•维生素，重要辅酶•多数细菌不存在生长因子问题。•只有少数细菌需要外界提供现成的生长因子，才能生长，如乳酸菌需要多种维生素，因此只能生活在这些物质供应充足的环境，如牛奶中、肠道。•——必需，但不能自身合成的有机物•（七）在实际应用中应注意•1.营养要求小范围可改变•指细菌对碳源等的种类、数量一定程度上可驯化适应（酶的诱导、易变异）•2.“营养要平衡”，存在一定比例搭配的现象•主要是指碳氮磷的比例关系，通常称碳氮磷比。碳氮磷比－“营养平衡”•根瘤菌要求碳氮比为11.5：1•土壤中微生物混合群体要求碳氮比为25：1•污(废)水生物处理中好氧微生物群体(活性污泥)要求为BOD5：N：P＝100：5：1•厌氧生物处理中的厌氧微生物群体要求BOD5：N：P＝100：2：0.3•为了保证污(废)水(有机固体废物）生物处理要按碳氮磷比配给营养。•城市生活污水不存在营养不足的问题。但有的工业废水缺某种营养，当营养量不足时，应供给或补足。•如酒精废水缺？；•洗涤剂废水？N、P缺NP过剩•提问：如何知道所处理的废水中营养物供应是否比例平衡呢？•先测、对比、试验验证•炼油废水？N、P•但如果工业废水不缺营养，就切勿盲目补充！•提问：为什么？•过犹不及——“娇惯”•细菌往往先利用这类现成的容易被吸收、利用的有机物质，而不再利用工业废水中难以吸收、利用的有机物，从而导致细菌分解特殊有机物的能力下降•这与细菌驯化正好相反（反驯化）。留意！二、细菌的营养类型•碳源——组成细菌细胞的骨架无机营养（自养）——利用无机碳源CO2、CO和CO32-有机营养（异养）——利用有机碳源葡萄糖等根据碳源不同分为能源•细菌在生命活动中也需要能源，细菌的能源种类•化学能、光能•提问：哪些物质可以产生化学能？•有机碳源•特殊的无机物（如S、Fe)•提问：什么样的细菌利用光能？•含有光合色素细菌的营养类型•碳源是微生物必须的营养物质，微生物利用无机碳（CO2、CO32-）[或者有机碳（碳氢化合物）]作为合成细胞物质来源的称为自养[异养]。•细菌在合成代谢过程中需要能量，能量来源于光能[氧化有机物或无机物]，能量来源成为光能[化能]。•光能自养•化能自养•光能异养•化能异养（1）光能自养细菌（无氧有光）•只有紫硫细菌和绿硫细菌•紫硫、绿硫细菌代谢方式•光照•CO2+H2S→[CH2O]（糖）+H2O+2S↓•菌绿素（与叶绿素大同小异）提问：在自然界的作用是什么呢？早期无氧地球，清除H2S毒物（H2S类似植物光合作用中的H2O）较洁净的光照池塘无氧臭（H2S)区紫硫细菌湖中4m硫化物*这个深度紫硫细菌多?（2）化能自养细菌（有氧）•提问：什么是化能自养菌？•自养——碳源CO3－•化能——以？物质氧化产能•S、H2S、H2、NH3、Fe•种类：硫细菌(硫化细菌和硫磺细菌)、（亚）硝化细菌及铁细菌、氢细菌。•例如，亚硝化细菌进行有机物合成反应如下•2NH3+2O2HNO2+4H+619千焦耳•ATP•CO2+4H[CH2O]+H2O提问：化能自养细菌能用于污水处理吗？为什么？能，脱氨、脱硫；条件容易（3）化能异养菌•以有机物作为碳源和能源的的细菌。•绝大多数的细菌都属于化能异养菌。•不受氧气限制，尤其适于高浓度有机废水（食品行业）的高效处理(*红螺菌用于污水处理现状如何?)•（4）光能异养细菌（无氧有光）•光能+色素•有机物+CO2→菌体[CH2O]•小分子有机物碳源•主要指红螺菌（有氧无光时可化能异养生存）•提问：在污水处理中的优势是什么？问题：与水分离困难，光照问题——嗜盐红螺菌大量滋生时的红盐田•提问：人工投加光合细菌（PSB,红螺菌）有利于水产养殖，原因？•迅速转化毒物（水族排泄物被细菌分解后的氨、有机酸）为高蛋白的菌体，作为鱼的饲料，且不消耗氧；•优势生长时能抑制水族病原菌的生长三．培养基•学以致用——养细菌———水、碳源、氮源、无机盐及生长因子等细菌及其它微生物营养物质的合理配制物1.认识•化能自养菌氧化硫杆菌的培养基•粉末状硫10gKH2PO44gMgSO40.5g•CaCl20.5g(NH4)2SO40.4gFeSO40.01g•水1000mL（自来水即可）•提问：其中各组分作用是什么？空气中的CO2能源磷源、缓冲物碳源是什么？氮源盐也可补加一部分碳酸钠。•异养细菌的培养基中至少有一种有机物，实验室中通常是葡萄糖•如一种大肠杆菌培养基•葡萄糖0.5gK2HPO41gMgSO40.2g•NaCl5gNH4H2PO40.4g水1000mL2.配制•②有机、无机营养物④维生素及其他生长因子③微量元素①缓冲化合物10%Na0H、HCl调整pH分装高压蒸气灭菌锅冷却备用通常？加水3．分类•提问：根据哪些特性可以给培养基分类？•物理状态、用途、组分组成•(一)根据物理状态•固体培养基、半固体培养基和液体培养基•1）液体培养基（“汤”）•——废水也可看作是一种广义的液体培养基2）固体培养基（“团”）•人工做法——(与果冻方法一样)•向液体培养基中加入2％左右的琼脂，加热至100℃溶解，40℃下冷却并凝固。•石花菜(红藻）→琼脂•琼脂主要成份—半乳聚糖，分子量大，呈网状粘着力强，溶解分散（温度为96℃以上）条状琼脂粉末琼脂琼脂特性•A.不能被绝大多数微生物利用、分解液化；•提问：有什么好处？•不作为额外碳源，干扰试验，保持固体特性•B.高压灭菌结构不被破坏，且颜色透明不妨碍观察；C.多数微生物在琼脂培养基表面生长并形成独立菌落；提问：有何好处？易于纯化分离3）半固体培养基（“膏”）•半——流动性介于固体与液体之间•提问：如何制作？•在液体培养基中加入0.5%或更低浓度的琼脂•作用：？•半固体培养基中可以融入少量的溶解氧，因此这种培养基常被用于培养在较低氧浓度环境下才能最佳生长的细菌。天然的固体培养基——土豆块、培养真菌的麸皮、大米、大麦等。（二）根据培养基组分•天然培养基、合成培养基和半合成培养基。•1）合成•合成——纯化学试剂•2）天然•天然——？•纯生物制品(细胞提取物)•如，常用的细菌肉汤培养基•牛肉膏3g蛋白胨5g•水1000mLpH7.2~7.4•牛肉膏——瘦牛肉经过加热浓缩抽提的膏状物（主要作碳源）•优点——稳定、选择性•缺点——很多细菌营养需求较为复杂，配方获取较难•类似物如酵母膏、麦芽汁、土壤浸出液、牛奶、玉米粉•优点——营养丰富、配制容易•缺点？•质量不稳定、选择性差；•3）半合成•半——不纯优缺点介于前两者之间，因而使用最广•蛋白胨——动植物蛋白（大豆或动物骨粉等）经初步酶解形成的短肽（主要作氮源）酵母膏(三)根据培养基用途•普通型、选择型、鉴别型•普通——普适有两种制备思路：？肉汤培养基•牛肉膏3g蛋白胨5g•水1000mLpH7.2~7.4•1）选择性培养基•选择性——？•待选的细菌能优势生长①投毒法（“正－考试”）•常用物质为染料、胆汁酸盐、金属盐类、酸、碱和抗生素。•例如欲分离古细菌，培养基中通常加入青霉素（由于古细菌的细胞壁不同于普通细菌，因而不会被对破坏普通细菌细胞壁结构的青霉素杀死），古细菌就唯一分离并存活下来。•胆汁酸盐——抑制革兰氏阳性菌•提问：它能选择性生长那种细菌？•革兰氏阴性细菌•毒——选择性的抑制剂•待选细菌有抗性②投其所好法（“邪—挖墙角”）•好→→→营养、环境因子•（1）专一性营养源培养法•待选细菌专门需要的某种碳源或氮源•例如筛选纤维素分解菌选用纤维素作为培养基中的唯一碳源；•各类降解石化废水特殊有机物的细菌筛选通常是以这类有机物为培养基中的唯一碳源，将目的细菌富集筛选下来。•（2）理化因素控制法•理化因素——特殊的温度、氧气、pH、盐度等环境条件•主要用于筛选极端环境微生物。如嗜盐、嗜热、嗜冷、嗜酸、嗜碱等的细菌，同时也被用于选择性培养好氧或厌氧细菌。嗜冷菌嗜热菌2）鉴别培养基•鉴别——明查分别（细菌种类）•提供培养环境外还同时具有类似于“验钞机”的作用•方法？•鉴—加入指示剂（“紫光灯”）•别—不同菌落制造不同的代谢物（“有无荧光粉”），显色不一•水处理中常用的远藤氏培养基就是典型大肠菌群内不同种属细菌的鉴别培养基（第五章）。2-1-4营养物质的吸收与运输•由于细胞膜及其半透性的存在，各种营养物质并不能自由地透过和进出细菌细胞，它们必须通过特殊的吸收和运输途径才能进入到细胞内部参与生化代谢反应，因此营养物质的吸收和运输是很重要的一个环节。营养物质的吸收与运输类型类型运输动力特点营养物质备注被动扩散浓度差顺浓度差进行、不耗能、物质分子结构不变水、气体不是主要途径促进扩散浓度差，藉助蛋白质顺浓度差进行、不耗能、选择性、物质分子结构不变红细胞和酵母菌中糖的运输主动运输载体蛋白可以逆浓度差、耗能、物质分子结构不变进入细胞内的氨基酸、糖等主要途径基团转位各种营养物质载体蛋白各种营养物质耗能、分子结构变化进入细胞内的糖等外细菌细胞内第一次作业•1.名词解释–光能自养–化能自养–化能异养–光能异养–革兰氏染色法•2.原核生物与真核生物的区别？