第五章-微生物的生长繁殖与生存因子

第五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（Ｇenerationtime,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。生长曲线的制作细菌纯培养生长曲线图生长速率静止期衰亡期细菌数目的对数值0时间t总菌数活菌数停滞期对数期0+_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=X1·2n两边取对数：lgX2=lgX1+nlg2（lg2=0.301）n=3.322(lgX2-lgX1)x2x1t1t2Lg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？人类群体有类似规律吗？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”。补营养、环保（去除环境毒物）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）•不同的生物反应器，细菌的生长状态可能不同！乃至同一反应器内不同位置处三、污(废)水生物处理中的细菌生长状态由于废水生物处理（活性污泥）实际是连续运行，其微生物生长规律不同于分批培养时的规律，它只能是处于生长曲线的某一阶段。三、细菌的生长曲线在废水微生物处理的应用活细菌数目对数对数期稳定期适应期衰亡期活细菌重量活细菌重量变化曲线---活性污泥生长曲线曲线：群体重量W(mg/l)——时间t细菌内源呼吸生长率上升阶段及细菌大量死亡阶段mg/L活细菌重量t0时间曲线t`点切线斜率值=?t`重量增长速率t`生长率下降阶段①生长速率上升阶段•提问：为什么培养初期细菌群体重量增长速率随时间不断增大？•A.营养物丰富，细菌增殖；B.细菌在细胞内以糖原、油滴等形式储存营养物，细菌个体重量增大生长率生上升阶段mg/mL0时间t活细胞重量②生长速率下降阶段•提问：为什么增长速率较前下降了？生长率下降阶段mg/mL0时间t活细胞重量营养物浓度（好氧细菌还包括氧气）下降这些限制性因素还不是十分严重，细菌的代谢速度变慢，没有停止代谢产物积累对细菌的某些酶产生抑制③内源呼吸及死亡阶段•内源呼吸+毒物浓度更高•（个体）瘦→死•（群体）死亡率大于出生率•从曲线上反映为活细菌重量的进一步持续下降。•提问：此时细菌的出生率是否为零呢？为什么？•不是，利用死亡细菌的残体营养(“化做红泥更护花或人吃人”)各种生物具有类似的规律连续生物处理中的细菌状态表细菌的生长阶段应用举例特点停滞期无连续化稳定操作中没有这一阶段对数期高负荷活性污泥法(大部分区域)静止期生物膜法常规活性污泥法(大部分区域)生长繁殖快，代谢活力强，能大量去除废水中有机物。（缺点是细菌表面的粘液层和荚膜尚未形成，运动很活跃，不易自行凝聚成菌胶团，沉淀性能差，致使出水水质有机物浓度相对较高）衰亡期低浓度污水延时曝气法污泥的厌氧消化营养物浓度过低，难以满足其他阶段细菌的生长需要虽然比对数生长期的差，但仍有相当的代谢活力，细菌体内积累了大量贮存物，如异染粒、聚β-羟基丁酸等，体表的粘液层和荚膜强化了细菌的生物吸附能力，自我絮凝、聚合能力强，在二沉池中泥水分离效果好，出水水质好。进水对数期静止期衰亡期平推流式活性污泥法占优势活性污泥微生物的增殖曲线在温度适宜，溶解氧充足、营养物质一次充分投加，微生物种群随时间以量表示增殖和衰减动态。活性污泥微生物的增殖规律1.适应期:a2.对数增长期:（a→b）活性污泥增长曲线的四个阶段3.减速增长期（b→c）4.内源呼吸期（c→d）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细菌最低温度℃最适温度℃最高温度℃嗜冷菌—5～05～1020～30嗜中温菌5～1025～4045～50嗜热菌3050～6070～80嗜超热菌55以上70～105110～113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。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：①酶蛋以及核糖体有较强的抗热性②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）。③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。④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，中性或碱性pH阴离子状态酸性pH下的分子状态OOCH3═C═O-CH3═C═OH同性相斥，难以吸收正常吸收细菌表面带有电荷，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•某些细菌，例如氧化铁硫杆菌和其他极端嗜酸茵，需在酸性环境中生活，其最适pH为3，在pH为1．5时仍可生活。•各种工业废水通常设前调节池，维持曝气池pH7左右。•事实上，净化污(废)水的微生物适应pH变化的能力比较强，pH在6．5～8．5均可不加调节。三、氧化还原电位（ORP)•——某物质与氢电极构成原电池时的电压高