水处理微生物学第八讲

3.2水生微生物生态系统微生物生态系统:在一定环境条件下生存的微生物与环境条件（包括动植物）之间通过能量、物质、信息等联系而组成具有一定结构和功能的开放系统。如：活性污泥微生物生态系统“生物膜”微生物生态系统等。一、水体中的微生物（1）水体中微生物的来源：水体中固有的微生物，来自土壤的微生物，来自空气的微生物，来自生产和生活的微生物。（2）水体中微生物的群落：海水微生物群落，淡水微生物群落。二、水体自净和污染水体的微生物生态（1）水体自净①水体自净：河流（水体）接纳了一定量的有机污染物后，在物理的、化学的和水生物（微生物、动物和植物）等因素的综合作用下得到净化，水质恢复到污染前的水平和状态，这叫水体自净。自净容量：是指在水体正常生物循环中能够净化有机污染物的最大数量。②自净过程：污染物被稀释或沉淀，微生物作用，水体自净的完成，溶解氧恢复。②自净过程：污染物被稀释或沉淀，微生物作用，水体自净的完成，溶解氧恢复。污水排放河流方向溶解氧细菌藻类原生动物有机碳NO3−,NH4+PO43−污水排放河流方向溶解氧细菌藻类原生动物有机碳NO3−,NH4+PO43−时间或水流距离数量鱼鱼原生动物原生动物溶解氧溶解氧细菌污水排放口时间或水流距离数量鱼鱼原生动物原生动物溶解氧溶解氧细菌污水排放口河流污染对水生物的影响③衡量水体自净的指标P/H指数：这是一个很方便的指标，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指数反映水体污染和自净程度。氧浓度昼夜变化幅度（氧垂曲线）：水体中的溶解氧由空气中的氧溶于水而得到补充，同时也靠光合自养型微生物的光合作用放出氧得到补充。对于后一个氧的来源，阳光的照射是关键因素，夜晚由于光合作用停止，会使水中的溶解氧浓度下降，造成白天和夜晚水中溶解氧浓度的差异。P/H指数高，则溶解氧昼夜差异大，溶解氧浓度昼夜差异增大即完成自净过程。（2）水体污染和污染水体的微生物生态①水体污染对生物的影响：水体污染后，其中的微生物将发生变化，这与污染物的数量和种类有密切关系。②污化系统：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。根据这个原理，可以将水体划分为一系列的带：多污带、a-中污带、β-中污带和寡污带。多污带多污带位于排污口之后的区段，水呈暗灰色，很浑浊；含大量有机物，BOD高，溶解氧极低（或无），为厌氧状态；在此处，有机物厌氧分解，产生H2S、CO2和CH4等气体；水生生物的种类很少，以厌氧菌和兼性厌氧菌为主。a-中污带a-中污带在多污带的下游，水为灰色；溶解氧少，为半厌氧状态，有机物量减少，BOD下降；水面上有泡沫和浮泥，有NH3、氨基酸及H2S；生物种类比多污带稍多。a-中污带处细菌数量较多，有蓝类和原生动物出现。β-中污带β-中污带在a-中污带之后，水的浑浊度降低；有机物较少，BOD和悬浮物含量低，溶解氧浓度升高；由于NH3和H2S分别氧化为NO3-和SO42-，两者含量均减少。此处的细菌数量减少，藻类大量繁殖，水生植物出现。β-中污带处，原生动物、后生动物及昆虫出现。寡污带寡污带在β-中污带之后，它标志着河流自净过程已完成；有机物全部无机化，BOD和悬浮物含量极低，H2S消失；细菌极少，水的浑浊度低，溶解氧恢复到正常含量。寡污带的指示生物有藻类、原生动物、后生动物、水生植物及鱼。③水体有机污染指标：BIP指数BIP=A：有叶绿素的微生物数，B：无叶绿素的微生物数。值越高，表明水体中有机物的含量越高。BIP值水质评价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100BAB细菌菌落总数（CFU）细菌菌落总数：是指lmL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。在饮用水中所测得的细菌菌落总数除说明水被生活废物污染程度外，还指示该饮用水能否饮用。但水源水中的细菌菌落总数不能说明污染的来源。因此，结合大肠菌群数以判断水的污染源和安全程度更全面。总大肠菌群（大肠菌群、大肠杆菌群）粪便污染是水体中致病性微生物的主要来源，大肠菌群数量的表达有两种方法：一是“大肠菌群数”，亦称“大肠菌群指数”，即1L水中所含大肠菌群数量；另一方法是“大肠菌群值”，为水样中可检出1个大肠菌群的最小水样体积（毫升数）。两者的关系为：大肠菌群值=大肠菌群指数1000微型生物监测水体中的微型生物，包括原生动物、藻类及微型后生动物，与水体污染情况有着密切关系。采用PFU（PolyurethaneFoamUnit，简称PFU）的方法，对水体内的微型生物富集后进行测定。本方法采用含有人工基质的一定大小的聚氨酯泡沫塑料块群集水体中的微型生物群落，在水中暴露一定时间后，把PFU内的水（含微型生物群落）挤出来，置于烧杯中，测定微型生物群落中各种结构功能参数，根据参数的变化，评价水质。（3）水体富营养化①水体富营养化：在水体中，一般氮和磷是藻类生长的限制因子，在贫营养的水体中，由于营养物质（主要是氮、磷）有限，水体内自养型的藻类生长受到限制，水质保持比较清洁的状态。但由于某些因素，特别是人类的活动，使营养物质随着排入的污染物质大量进入水体，结果造成水体中的藻类过量繁殖，水体出现富营养化。当氮达到0.3mg/L以上和磷达到0.02mg/L以上时，水环境最适合藻类的生长，出现富营养化。当水体发生富营养化时，藻类大量繁殖，但是藻类的种类很少，往往以蓝藻（蓝细菌）占优势，主要是微囊藻属、腔球藻属和鱼腥藻属等。营养状态总磷(mg/L)无机氮(mg/L)营养状态总磷(mg/L)无机氮(mg/L)极贫营养0.0050.2中-富营养0.03~0.10.5~1.5贫-中营养0.005~0.010.20~0.40富营养0.11.5中营养0.01~0.030.3~0.65水域营养状态的分类②水体富营养化的评价评价水体富营养化的方法有：观察蓝藻等指示生物；测定生物量；测定原初生产力；测定透明度；测定N、P等营养物质。一般将五方面的指标综合起来对水体的富营养化状态做出全面、充分的评价。③水体富营养化的防治对生活污水处理厂的出水要求氨氮控制在15mg/L以下，总磷控制在lmg/L以下。发生富营养化的过程和机理十分复杂，目前人们的认识还很少，需要加强对水体富营养化的研究，探索其发生的机理，及时预报，减少其对人类生活和生产造成的损失。三、微生物之间的相互关系生物之间的相互关系可以归纳为三种情况：一种生物的生长和代谢，对另一种生物产生有利的影响，或相互有利；一种生物的对另一种生物产生不利的作用，或相互有害；两种生物生活在一起，无重要的或有意义的相互影响。（1）互生关系★：两种不同种的生物生活在一起时，一方为另一方提供有利的生活条件。彼此又能单独生活。如：氧化塘中的藻类和细菌。CO2+光→O2好氧细菌→无机物，二氧化碳废水中的有机物藻类（2）共生关系：两种不同种的生物共同生活在一起，互相依赖，形成一个相互分工的生理整体不能分开。（3）猎食关系★：一种生物以另一种生物为食料。例如，原生动物和细菌间。原生动物吃掉一部分细菌，促进生物的凝聚作用，使出水清澈。但细菌被吃过多或活性污泥的结构破坏过大，就会产生不利的影响。（4）寄生关系一种生物生活在另一种生物体内，取得营养用以生长和繁殖。但使后者生长受到影响。如：细菌和噬菌体。（5）拮抗关系一种微生物产生不利于另一种微生物生存的代谢产物，该代谢产物能使另一种微生物生长受抑制甚至死亡。例如：青霉产生青霉素抑制细菌生长繁殖第四章微生物的遗传变异与基因工程4.1微生物的遗传与变异一、微生物的遗传与变异遗传：是指生物的亲代传递给其子代一套遗传信息的特性。变异：生物体在遗传信息的传递过程中，某些遗传信息发生变化，称为变异。遗传型：生物体所携带的全部遗传因子或基因的总称。表型：具有一定遗传型的个体，在特定的外界环境中，通过生长和发育所表现出来的种种形态和生理特征的总和。饰变：同样遗传型的生物，在不同的外界条件下，会呈现不同的表型。（不能遗传）（1）遗传物质在细胞中的存在方式细胞水平：大部或几乎全部DNA都在细胞核或核质体中。细胞核水平：除了核或核质体外，在细胞质中还存在着一些能自主复制的另一类遗传物质，广义地讲，它们都可称作质粒。（抗药性因子，R因子）染色体水平：不同生物体在一个细胞核内，往往有不同数目的染色体。核酸水平：大多数生物的遗传物质是DNA，只有部分病毒的遗传物质是RNA。基因水平：在生物体内，一切具有自主复制能力的遗传功能单位，都可称为基因。密码子水平：遗传密码就是指DNA链上各个核苷酸的特定排列顺序，每个密码子是由三个核苷酸顺序决定的，它是负载遗传信息的基本单位。“起读”：AUG，“终止”：UAA,UGA,UAG。核苷酸水平：DNA组分中，都只有腺苷酸（AMP）、胸苷酸（TMP）、鸟苷酸（GMP）和胞苷酸（CMP）4种脱氧核苷酸。RNA中，A、G、C、U。（2）基因突变突变：就是遗传物质中的核苷酸顺序突然发生了稳定的可遗传的变化。突变包括基因突变（又称点突变）和染色体畸变两类。基因突变：是由于DNA链上的一对或少数几对碱基发生改变而引起的。染色体畸变：是DNA的大段变化（损伤）现象，表现为染色体的添加即插入、缺失、重复、易位和倒位。基因突变的特点：不对应性；稀有性；自发性；独立性；诱变性；可逆性；稳定性。突变的机制：凡能显著提高突变频率的理化因了，都可称为诱变剂。诱变机制：碱基对的置换（转换、颠换），移码突变，染色体畸变。自发突变的机制：背景辐射和环境因素的诱变，微生物自身代谢产物的诱变。突变诱变自发突变点突变畸变添加：abcXdefg……缺失：abcefghi......重复：abcabcde……移位：abcpqrde……倒位：abcfedgh……移码突变碱基突变缺失：ABCABABCA……添加：ABCA↓BCAB……转换：A↔G，T↔C颠换：A↔T，A↔C；G↔C，G↔T突变诱变自发突变点突变畸变添加：abcXdefg……缺失：abcefghi......重复：abcabcde……移位：abcpqrde……倒位：abcfedgh……移码突变碱基突变缺失：ABCABABCA……添加：ABCA↓BCAB……转换：A↔G，T↔C颠换：A↔T，A↔C；G↔C，G↔T突变的机制（3）突变与育种自发突变与育种：从生产中选育；定向培育优良菌种（驯化）。法国的卡尔密脱（Calmette）和介林（Guerin）两人曾把牛型结核杆菌接在牛胆汁、甘油马铃薯培养基上，他们坚韧不拔地连续移种了230多代，前后用了13年时间，直至1923年才终于获得显著减毒结核杆菌——卡介苗（BCG）。诱变育种：是利用物理或化学诱变剂处理均匀分散的微生物细胞群，促进其突变频率的大幅度提高，然后设法采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选少数符合育种目的的突变株，以供生产实践或科学实验之用。出发菌株诱变绝大多数个体死亡少数存活少数突变多数未变少数正变多数负变多数幅度小少数幅度大多数不宜投产少数宜投产存活率突变率正变率高产率投产率出发菌株诱变绝大多数个体死亡少数存活少数突变多数未变少数正变多数负变多数幅度小少数幅度大多数不宜投产少数宜投产存活率突变率正变率高产率投产率二、基因工程原理及其在水处理中的应用（1）基因重组基因重组是把来自不同性状的个体细胞的遗传物质转移到一起，使基因重新组合，产生新品种。转化：受体细胞直接吸收来自供体细胞的DNA片段，并把它整合到自己的基因组里，从而获得供体细胞部分遗传性状的现象，称为转化。供体菌抽提出双链DNA受体菌感受态受体菌吸收转化DNA单链DNA整合转化子非转化子供体菌抽提出双链DNA受体菌感受态受体菌吸收转化DNA单链DNA整合转化子非转化子转化全过程示意图转导：以完全或部分缺陷噬菌体作为媒介，把供体细胞的DNA片段转移到受体细胞中去，并使后者发