华北理工水处理生物学教案05细菌的生理特性3

1课程名称：《水处理生物学》第5讲次，总16讲摘要授课题目（章、节）第2章细菌的生理特性第三节细菌的呼吸第四节环境因素对细菌生长的影响本讲目的要求及重点难点：【目的要求】新陈代谢；呼吸作用的本质；根据电子受体不同划分细菌的呼吸类型；影响细菌生长的环境因素。【重点】根据电子受体不同划分细菌的呼吸类型。【难点】理解什么是电子受体。内容【本讲课程的引入】细菌生长生存所需要的能量来源于什么？为什么有的微生物需要氧气，有的微生物不需要氧气？【本讲课程的内容】2.3细菌的呼吸新陈代谢是指生物有机体从环境中将营养物质吸收进来，加以分解再合成，同时将不需要的产物排泄到环境中去，从而实现生物体的自然更新的过程。新陈代谢包括合成代谢与分解代谢。分解代谢是指在生物体内进行的一切分解作用，往往伴随着能量的释放，释放的能量用于合成，分解形成的小分子物质作为合成的原料。合成代谢是指生物从内外环境中取得原料合成生物体的结构，需要能量。能量代谢：生物体内能量的输入、转变和利用的过程。根据微生物供能底物的不同，可将产能方式分为四种：微生物的产能方式有多种，能量有电能、化学能、机械能、光能等，能量的去向有三部分：以热的形式散失；供合成代谢用；暂时贮存于ATP中。新陈代谢合成代谢分解代谢生物小分子合成生物大分子需要能量产生能量生物大分子分解为生物小分子物质代谢能量代谢22.3.1呼吸作用的本质呼吸作用本质是生物的氧化和还原的统一过程，有以下生物学现象：通过呼吸作用使复杂有机物变成CO2、H2O及其他简单物质。呼吸作用过程中，发生能量交换，一部分用于合成作用，一部分维持生命活动，一部分能量变成热能散失在呼吸作用一系列化学变化中，产生许多中间产物，一部分继续分解，一部分作为合成机体物质的原料进行呼吸作用过程中，吸收和同化各种营养2.3.2细菌的呼吸类型根据利用氧气的情形划分好养菌——好氧呼吸厌氧菌——厌氧呼吸兼性菌——兼有电子受体划分呼吸作用是生物氧化还原的统一过程，即电子、原子或化学基团转移的过程，而呼吸类型好氧呼吸发酵(分子内)无氧呼吸最终电子受体（受氢体）是氧气最终产物完全氧化（O2充足）：CO2+H2O+能量不完全氧化（O2不足）：CO2+H2O+有机酸+H2+能量最终电子受体（受氢体）是氧化过程的中间产物，为简单有机物最终产物：醇+有机酸+CO2+H2+能量最终电子受体（受氢体）：NO3-、SO42-、CO32-等含氧酸根最终产物：CO2+H2S+H2O+CH4+N2+能量厌氧条件缺氧条件产能方式发酵呼吸无机物转化光能转化有氧呼吸无氧呼吸3在有机物分解和合成过程中都有电子的转移，电子需要某一物质来接受，接受电子的物质叫电子受体，大多数细菌代谢过程中电子的来源往往来自脱氢反应，故电子受体称为受氢体。（1）好氧呼吸过程：当营养物质进入细胞后，营养物质的氢被脱氢酶脱下，从基质中脱下的电子交给辅酶或者辅基，再通过电子呼吸链的传递与氧结合，氧化酶活化分子氧并与电子结合成水，电子受体为游离氧。呼吸过程反应图示p29图2-5a能量：好氧呼吸有机物氧化完全，放出能量大（2）厌氧呼吸厌氧菌只有脱氢酶系统没有氧化酶系统。呼吸过程中，基质中的氢被脱氢酶活化，从基质中脱下来的氢经辅酶传递给O2以外的有机物或无机物，使其还原，根据受氢体不同又可分为分子内无氧呼吸和分子外无氧呼吸。呼吸过程反应图示p29图2-5a分子内无氧呼吸（发酵-厌氧）有机物发生部分氧化，以其中代谢产物（分子内有机物）作为最终电子受体。有机物氧化不完全，产物为低分子有机物，释放能量少如乳酸菌无氧发酵故厌氧微生物在生命活动中，消耗的基质比好养微生物多，故高浓度有机废水采用厌氧方法处理分子外无氧呼吸（缺氧）某些厌氧菌有特殊的氧化酶，能使无机氧化物如NO3-、SO42-、CO32-的氧活化作为电子受体产生能量较少如反硝化细菌（3）兼性菌呼吸兼性菌在有氧的条件下，可进行好氧呼吸兼性菌在无氧的条件下，可进行厌氧呼吸例如酵母菌2.3.3ATP循环微生物对能量的利用率比较高（20～40%），这是因为微生物体内有一套完善的能量转移系统，即在微生物体内有一联结放能反应和需能反应的物质，常见的是含高能磷酸化合物的腺三磷（三磷酸腺苷ATP），微生物在呼吸过程中氧化营养物质产生的能量先以腺三磷的形式贮存在细胞内，然后利用ATP分解转化为ADP时放出KJOHCOOOHC28726662226126KJCHOHCOOHCHOHC94236126KJOHNCOOHC1758626NO4222-36126反硝化细菌KJCOOHCKJOHCOOOHC1092OHH2C287266625261262226126无氧有氧4的能量从事各种生理活动。ADP又能够获得能量形成ATP，这就是ATP循环。微生物在产能代谢中，通过氧化磷酸化产生ATP，即利用机体内有机物质氧化作用中所释放的能量，使无机磷酸盐（常称焦磷酸）转变为高能焦磷酸化合物ATP，从而使能量得以贮存和利用。2.3.4代谢产物微生物从环境中吸收营养物质，获得能量，细胞利用一部分养料同化为细胞物质或贮存在体内的养料，同时又将一些无用的多余的物质排泄至体外，代谢产物大致可以分为以下几类：气体状态：二氧化碳有机代谢产物：甲烷、糖类分解产物（胞外酶分解产物）：蛋白胨等其他：氢、亚硝酸盐等2.3.5细菌呼吸类型在废水处理中的应用好氧处理法：需氧、耗能大、反应速度快、废水浓度不宜过高厌氧处理法：不需氧、耗能小、产生沼气、反应速度慢、浓度宜高2.4影响细菌生长的环境因素（1）营养物质由于微生物细胞的组成各不相同，故对各种营养元素的需求量也不相同。为使微生物更好地生长繁殖，需要的各种营养元素（CHONSP）要平衡。城市污水处理中：C：N：P=100:5:1（2）温度大多数细菌生长适宜的温度为20～40℃，但各种微生物对温度的要求不同，可分为低温（10～20℃）、中温（20～40℃）、高温（50～60℃）高温能使细菌死亡，只要加热超过细菌的致死温度，细菌就不能存活，温度越高细菌死亡越快高温为什么可以杀死细菌？细菌的机构基本组成是蛋白质，对高温具有不耐热性；而且细菌营养与呼吸过程中必不可少的生物催化剂——酶也是蛋白质，也具有不耐热性。蛋白质一旦受到高温，其结构也会受到严重破坏而发生凝固，细菌死亡。灭菌的方法：干热灭菌、湿热灭菌ADPATPCHOSPCO2H2O能量，供生命活动5湿热灭菌比干热灭菌更容易杀死细菌？蛋白质含水量越多，加热越容易凝固，而且湿热所用水蒸汽的传导力与穿透力都比较强，更容易破坏蛋白质，更易杀死细菌至于低温，当低于0℃时，细菌不致死，只有在频繁的反复结冰与解冻，才会使细胞受到破坏而死去，但低温会降低细菌的活力。低温是长期保存菌种的一种方法（液氮）。（3）pH值当pH值改变时，引起微生物表面电荷的改变，进而影响微生物对营养物的吸收影响培养基中有机化合物的离子化作用，非离子状态化合物更容易渗入细胞影响酶催化特性的发挥（4）氧化还原电位（ORP）——氧气各种细菌生活要求的氧化还原点位不同，氧化还原条件的高低可用氧化还原点位来表示好氧菌E=0.3～0.4V厌氧菌E0.1V兼性菌好氧E0.1V厌氧E0.1V对氧化还原电位影响最大的是氧气含量对于好氧菌，为使其进行新陈代谢需要使其生活在有氧的环境中对于厌氧菌，反而要尽量降低含氧量，否则会不利于细菌的生长（5）干燥（水分）水是细菌生命存在的必要条件，有荚膜和芽孢的细菌耐旱性强。（6）渗透压细菌生活在高渗透压的溶液中，细菌细胞将失水，发生质壁分离，影响细菌生命活动。细菌生活在低渗透压的溶液中，细菌细胞容易膨胀，甚至破裂。细菌的细胞膜是半透膜。（7）光线光合细菌：光能有利紫外线：杀菌（8）化学药剂对细菌的生长有很大影响强氧化剂、重金属、有毒物质——致死【本讲课程的小结】本讲介绍了细菌的呼吸类型与影响细菌生长的环境因素。根据细菌呼吸过程中的电子受体不同可以将呼吸类型区分为发酵、有氧呼吸、无氧呼吸，各种呼吸的过程、产物、能量释放都不相同，需要重点理解。环境因素中，任何一种条件的改变都会对细菌的生长产生影响，在一定条件下，其中一种或者几种因素对细菌生长的影响最大，这就是限制因子。【本讲课程的作业与复习】着重理解细菌呼吸类型的不同。