长安大学：水处理生物学电子教案

-1-引言一、水处理微生物学的研究对象微生物（microorganism）：是个体很小的生物，其大小用um（微米）度量，肉眼看不见，只有在显微镜下放大以后，才能看到的低等生物。微生物学：研究微生物的形态、分类和生理等特性；研究它们的生存环境条件；研究它们在自然界物质转化中所起的作用；研究控制它们生命活动的方法。水处理微生物学：研究水微生物的形态、生理特性和控制方法；研究水微生物在水处理中的作用机理和规律；研究水微生物的检验方法；判定水体污染和自净能力以及水处理效果的好坏。二、水中常见微生物的类型及特点1、微生物的名称和分类(1)界―门―纲―目―科―属―种微生物的名用二个拉丁语拼写，第一个是属名，词首字母大写,第二个是种名,如：Escherichiacoli大肠杆菌属名相当于我们的姓，种名相当于名。(2)生物系统分类见图(1-1)2、微生物的动植物属性细菌类不能进行光合作用，不能运动，但属于植物。植物和动物的本质区别见(表1)：-2-图(1-1)新生动物动物界中生动物生物界原生动物种子植物植物界羊齿植物分裂菌类细菌类苔藓植物菌类叶状植物地衣类真菌类藻类表1:植物(细菌类)和动物(原生动物)的不同点植物动物能量来源光合作用有机物叶绿素有无主要储存物淀粉糖原固态食物不可可运动性没有有细胞壁有无细胞分裂方式沿横轴分裂为2沿纵轴分裂为23、类型非细胞形态的微生物—病毒细菌水中微生物原核生物放线菌细胞形态的微生物蓝藻藻类酵母菌真核生物真菌霉菌肉足类原生动物鞭毛类纤毛类后生动物轮虫线虫-3-(1)病毒：使用光学显微镜看不见，（病毒个体小于0.2um）必须使用超显微镜或电子显微镜。(2)原核生物：具用原核细胞的生物，其内部结构简单，细胞的核发育不完全，只是一个核物质高度集中的核区（拟核、似核），不具核膜，核物质裸露，与细胞质没有明显的界限，没有分化的特异的细胞器，只有膜体系的不规则泡沫结构，不进行有丝分裂。(3)真核生物：具有真核细胞的生物，其内部结构比较复杂，有发育完好的细胞核，有核膜使细胞核和细胞质有明显界限，有高度分化的特异细胞器，进行有丝分裂。4、微生物的五大特点(1)个体小，面积大；(2)吸收快，转化快；(3)生长旺，繁殖快；几十分钟内可繁殖一代，按一个分裂为两个；(4)适应强，易变异；适应外界环境能力强；(5)分布广，种类多；微生物无处不在；三、微生物在给水排水工程中的作用1、给水工程中去除病原微生物，满足供水水质要求；2、污水处理中的生物处理法利用微生物降解有机物，减少对水体的耗氧污染.由于生物处理法经济有效,迄今为止,仍是有机污水处理的主力军；3、水处理的微生物检查是生物处理功能判断的重要指标；4、微生物在水体自净中的作用；5、土壤的自净作用；-4-第一章细菌的形态和结构1.2.1细菌的外形和大小一、细菌：是微小的，单细胞的没有真正细胞核的原核生物。二、细菌的外形（个体形态）有三种：球菌，杆菌，螺旋菌。1球菌2杆菌3螺旋菌单球菌双球菌1、球菌链球菌四联球菌八叠球菌葡萄球菌产甲烷球菌球菌直径0.5—2um大肠杆菌2、杆菌伤寒杆菌产甲烷杆菌尺寸大小：长1—5um宽0.5—1um-5-3、螺旋菌（只有一个弯曲的螺旋菌称弧菌）尺寸大小：长5—15um宽0.5—5um1.2.2细菌细胞的结构基本结构细菌的结构特殊结构：一部分细菌所特有一、基本结构细胞壁细菌的基本结构细胞膜原生质体细胞质核质内含物1、细胞壁细胞壁在菌外的最外层，又称外膜，膜薄无色而透明，具有高度的坚韧和强性，起保护细胞及维护细胞外形的功能。细胞壁是鞭毛的支点，实现鞭毛运动。细胞壁上有很多微小的小孔，直径为1nm溶解性物质能够通过。细胞壁厚度为10—20nm，约占菌体干重的10—25％。1884年丹麦病毒学家Gram提出染色法（革兰氏染色法）的操作过程：结晶紫初染—碘液媒染—酒精脱色—番红或沙黄复染—结果：G+：初染-6-结晶紫的蓝紫色（颜色不变）G-：初染色消退，带上了复染色原因是G+和G-细菌具有绝然不同的细胞壁结构革兰氏阳性与阴性菌细胞壁比较2、细胞膜（1）细胞膜是一层紧贴着细胞壁内侧，柔软而富有弹性的半滲透性薄膜，厚约7—8nm，占细胞干重的10％（2）成分：蛋白质60—70％脂类20—30％糖类2％（3）功能a控制细胞内外物质（营养物质和代谢产物）的运送和交换；b维护细胞内正常滲透压；c合成细胞壁组合和夹膜的场所；d进行氧化磷酸化或光合磷酸化的产能基地；e许多代谢酶和运输酶以及电子呼吸链组分的所在地；f鞭毛的着生和生长点3、细胞质（1）特点：细胞质是细胞膜以内，核质以外的物质，是一种无色透-7-明而粘稠的胶体。（2）成分：水、蛋白质、核酸和脂类（3）功能：细胞质内具有各种酶系统，能不断的进行新陈代谢活动4、核质（1）特点：一般细菌具有分散而不固定形态的核质，核的结构和形态都比较原始。（2）成分：DNA（脱氧核糖核酸）（3）功能:DNA是细菌遗传物质5、内含物（1）特点：内含物是细菌新陈代谢的产物，或使储备的营养物质（2）成分：A异染颗粒：化学成分为多聚偏磷酸盐，使磷源和能源的储藏物。因用篮色染料染色后不呈蓝色而成紫色故称异染颗粒。生物除磷中好氧条件下，利用有机物分解产生大量能量，可“过度摄取”溶液中的磷酸盐并转化为多聚偏磷酸盐，以异染颗粒的方式储存于细胞内。B聚β羟基丁酸盐（PHB）：是细菌的碳源和能源储藏物，是有机物在厌氧代谢过程中形成的代谢产物。C肝糖和淀粉颗粒：是碳源和能源的储藏物。D硫粒：是元素硫的储藏物。二、特殊结构1、荚膜（1）定义：细菌在一定的营养条件下，能够向细胞壁的表面上分泌出一层粘液样的物质而形成较厚的一层膜称为荚膜-8-（2）成分：多糖类物质，水占90％（3）功能：有保护作用，当营养缺乏时，细菌可以利用荚膜多糖作为它的碳源和能源物质，保护细菌免受干燥危害。（4）菌胶团：当荚膜物质相融合称为一团，内含许多细菌时，称为菌胶团。（5）菌胶团的形态分支状、蚕丝状、球形状、椭圆形、蘑菇形、片状几种不同形态的菌胶团（6）菌胶团在废水生物处理中的作用A菌胶团是活性污泥中细菌的主要存在形式,在较强的吸附和氧化有机物的能力。B良好的废水处理效果,要求菌胶团结构紧密,吸附沉淀性能良好。2、芽孢(内生孢子或耐久体)(1)定义:在部分杆菌和极少球菌中,当生长到一定时,增殖速度降低,菌体细胞内细胞质出现浓缩聚集现象,并逐步形成圆形或椭圆形折光很强的特殊结构,称为芽孢(也称内生孢子或耐久体).一般细菌只形成一个芽孢。-9-芽孢结构图（2）特点：a.芽孢是抵抗恶劣环境的一个休眠体；b.壁厚；c.水分少，一般在40%左右；d.不易透水；e.含有特殊的抗热性物质和耐热性酶，对高温、低温、干燥和化学药剂有很高的耐受力和抵抗力，生存能力强；（3）形成条件和过程细菌在一定的环境条件下或处在一定的生活阶段，如果环境条件改变，如营养物质缺乏、温度发生变化、进入有毒物质等，就会形成芽孢。芽孢形成的时间较短，一般只要24小时或多一点时间。形成过程：脱水浓缩――芽孢膜形成――芽孢游离释放（4）芽孢发芽在适宜的条件下，芽孢吸收大量水分，体积膨胀，失去光泽，折光率减弱，芽孢内酶系统开始活动3、鞭毛-10-（1）定义：有一些细菌从菌体内生长出细长、波浪形弯曲的丝状物，是细菌的运动器官，称之为鞭毛。（2）结构大小鞭毛非常细，一般为10—20nm，使用电子显微镜才能观察到。鞭毛由基体、鞭毛钩、鞭毛丝组成鞭毛革兰氏阴性细菌鞭毛图（3）成分蛋白质99%、碳水化合物和类脂组成。（4）特点球菌都无鞭毛；大部分杆菌和所有的螺旋菌具有鞭毛。-11-§1.3、细菌的生长繁殖和命名一、细菌的生长繁殖和菌落特征1、细菌是活的生命有机体2、细菌的繁殖是二分裂法，即一分为二3、菌落特征由于细菌很小，单个细菌的生长和繁殖肉眼无法观察到，所以要采用群体生长的菌落，即将细菌接种到固体培养基上，经迅速繁殖形成许多菌体聚集在一起的并且肉眼可见的细菌集合体，称之为菌落典型的细菌菌落一般是1—3mm，圆形或椭圆形、湿润、较光滑、较透明、质地均匀、正反面颜色一致.正面观：1扁平2隆起3低凸起4高凸起5脐状6草帽状7乳头状表面结构形态及边缘：8圆形边缘完整9不规则边缘波浪10不规则颗粒状11规则放射状边缘呈叶状12规则边缘呈扇状13规则边缘呈齿状14规则有同心圆边缘完整15不规则似毛毯状16规则呈菌丝状17不规则卷发状边缘波形18不规则呈丝状19不规则根状4、细菌的生长条件（1）温度：低温、中温、高温（2）ph值：6—8二、细菌的命名-12-采用双命名法，即属名+种名属名种名拉丁文，词首字母大写Escherichia(主要特性)拉丁文，词首字母不大写coli（次要特征）第二章、细菌的生理特性及功能§2.1细菌的营养营养：生物体从外部环境摄取其生命活动所必须的能量和物质，以满足其自身生长繁殖需要的一种生理功能。营养是代谢的基础，代谢是生命活动的表现。一、细菌细胞的化学组分及生理功能1、化学组成：C、H、O、N、P、S六大元素和各种矿物元素;细菌的化学式为：C5H7O2N80%水（芽孢40%水）碳水化合物细胞湿重90%有机物蛋白质20%干物质脂肪DNARAN10%无机物（灰分）2、各组分的生理功能（1）水分-13-水是细菌的最主要的组成成分，细菌的各项生理活动，必须有水的参于才能进行。水的存在状态：自由水（游离水）和结合水自由水/结合水=4/1水的生理功能有四点：a、溶剂作用，物质先溶解于水，才能参与生化反应b、参与生化反应c、运输物质的载体d、维持和调节一定的温度（2）、无机盐是指细菌内存在的一些金属离子盐类大量金属元素：P.S.K.Mg.Na.Fe无机盐微量金属元素：Zn.Ni.Co.Mo.Mn无机盐的生理功能有五点：a.构成细胞的组成成分，如H3PO4是DNA、RNA主要成分b.酶的组成成分c.酶的激活剂，如Mg2＋、K＋、Fe3＋d.维持适宜的滲透压，如Na＋、K＋、CL－e.自养性细菌的能源，如S、Fe（3）碳源糖类有机碳源蛋白质碳源脂肪有机酸无机碳源：CO2、CO32－、HCO3－-14-提供细胞骨架碳源作用碳素的来源生命活动的能源（4）氮源蛋白质有机碳源蛋白栋氮氨基酸无机碳源：NH4CLNH4NO3氮源作用：是细菌细胞质的基本元素（5）脂类脂肪脂类磷脂腊细菌细胞的脂类主要集中在细胞壁与细胞膜，与细胞的渗透压有密切关系（6）核酸RNA（核糖核酸）：存在于细胞质内核酸DNA（脱氧核糖核酸）：存在于细胞核内（7）生长因子某些细菌在生长过程中不能自身合成的，同时又是生长所必须的由外界提供的营养物质，叫生长因子。生长因子:氨基酸维生素嘌呤、嘧啶-15-注意点：细菌总是先利用现成的容易被吸收、利用的有机物质。如果这种现成的有机物质的量已满足它的要求，细菌就不利用其他的物质了。在工业废水生物处理中，常加生活污水以补充工业废水中某些营养物质的不足。但如果工业废水中的各种成分已基本满足细菌的营养要求，再投加生活污水反而会把细菌养娇。因为生活污水中有机物比工业废水中的容易被细菌吸收利用，因而影响工业废水的处理净化程度。二、细菌的营养类型1、自养型细菌：能完全在无机物的环境中生长繁殖，以CO2和CO32－作为碳源；NH4＋或NO3—作为氮源，来合成菌体成分。它们生命活动所需能量则来自于外来的无机物或阳光。（1）光能自养型细菌细菌内含有光合色素，能进行光合作用，合成有机物质。绿色细菌：光能菌绿素CO2+2H2S------[CH2O]+H2O+S2高等绿色植物：光能叶绿素CO2+H2O-----------------[CH2O]+O2（2）化能自养型细菌在氧充足条件下，氧化一定的无机化合物（H2SNH4＋NO2－利用产生的化学能还原CO2合成有机物质。如亚硝酸盐细菌2NH3+2O2----2HNO2+4H++能CO2+4H＋-----CH2O+H2O-16-如铁细菌2FeCO3+3H2O+1／2O2-----2Fe(OH)3+CO2+能CO2+H2O----CH2O+O22、异养性细菌异养性细菌是以有机物为营养和能源碳源：来源于有机含