微生物 第七章 微生物的生長和遺傳變異2

1、第一節(jié)第一節(jié) 微生物的生長和特性微生物的生長和特性 第二、三節(jié)第二、三節(jié) 微生物的遺傳與變異微生物的遺傳與變異第四節(jié)第四節(jié) 遺傳工程遺傳工程 第五節(jié)第五節(jié) 微生物的馴化與保藏微生物的馴化與保藏第七章 微生物的生長和遺傳變異第一節(jié)第一節(jié) 微生物的生長和特性微生物的生長和特性生長生長微生物同化作用異化作用微生物同化作用異化作用個體增大個體增大微生物的裂殖微生物的裂殖個體數量增多個體數量增多繁殖繁殖生長繁殖基礎條件聯系緊密本節(jié)主要內容本節(jié)主要內容： 一一 微生物生長的測定方法微生物生長的測定方法 二二 微生物的生長曲線微生物的生長曲線 三三 微生物的生長曲線與廢水生物處理的關系微生物的生長曲線與廢水

2、生物處理的關系 四四 微生物膜的生長特性微生物膜的生長特性 顯微鏡直接計數顯微鏡直接計數涂片染色計數涂片染色計數血球計數器計數血球計數器計數 間接計數法間接計數法 平板菌落計數法（活菌計數法）平板菌落計數法（活菌計數法） 液體計數法（統(tǒng)計學原理）液體計數法（統(tǒng)計學原理） 測生長量法測生長量法細胞重量法細胞重量法：濕重與濕重與干重（干重（MLSS）光密度法光密度法 7.1.2 微生物生長的測定方法薄膜計數法薄膜計數法比例計數比例計數元素法等等元素法等等重量法重量法測定細胞干重測定細胞干重離心法離心法 過濾法過濾法105110干燥干燥水處理構筑物水處理構筑物內微生物生長量常采用該法。內微生物生長量

3、常采用該法?；钚晕勰喾ㄖ胁捎玫闹笜耸腔钚晕勰喾ㄖ胁捎玫闹笜耸腔旌弦簯腋」腆w（混合液懸浮固體（MLSS）（Mixed Liquid Suspended Solid） MLSS（mg/L 或或 g/m3） MLSSMa+Me+Mi+Mii Ma: 活的微生物細胞活的微生物細胞; Me: 微生物內源代謝殘留物微生物內源代謝殘留物 Mi: 難于生物降解的有機物；難于生物降解的有機物； Mii:附在活性污泥上的無機物附在活性污泥上的無機物做法做法：取一定體積的待測污泥樣品，放于蒸發(fā)皿中干燥：取一定體積的待測污泥樣品，放于蒸發(fā)皿中干燥，然后稱重。，然后稱重。 作為表示作為表示活性污泥微生物量活性污泥微生物

4、量的的相對指標相對指標。二二 微生物的生長曲線微生物的生長曲線微生物的生長有沒有規(guī)律性？微生物的生長有沒有規(guī)律性？ ？有規(guī)律有規(guī)律微生物的生長曲線微生物的生長曲線：將少量將少量純純菌接種到菌接種到一定量一定量的液體的液體培養(yǎng)基內，在適宜的溫度下培養(yǎng)，并培養(yǎng)基內，在適宜的溫度下培養(yǎng)，并定時定時取樣測定活微生取樣測定活微生物的數目和重量的變化，以物的數目和重量的變化，以活微生物個數的對數活微生物個數的對數或或活活微生物重量微生物重量為縱坐標，以培養(yǎng)時間為橫坐標作圖，所得為縱坐標，以培養(yǎng)時間為橫坐標作圖，所得的曲線即為微生物的生長曲線。的曲線即為微生物的生長曲線。這種培養(yǎng)方式為間歇培養(yǎng)或分批培養(yǎng)。這

5、種培養(yǎng)方式為間歇培養(yǎng)或分批培養(yǎng)。問題：問題：微生物有幾種生長曲線呢微生物有幾種生長曲線呢？（一）以活微生物數目的對數繪制的生長曲線（一）以活微生物數目的對數繪制的生長曲線適應期適應期對數期對數期穩(wěn)定期穩(wěn)定期 衰亡期衰亡期活菌數活菌數培養(yǎng)時間（培養(yǎng)時間（h）微生物數目的對數微生物數目的對數n（1 1）適應（緩慢）期）適應（緩慢）期 n（2 2）對數期）對數期 n（3 3）穩(wěn)定期）穩(wěn)定期 n（4 4）衰亡期）衰亡期1 適應期（緩慢期）適應期（緩慢期） lag phaselag phase適應期適應期特點特點初初：細菌數目不增加：細菌數目不增加，體積增長快。，體積增長快。 后后：個別菌體繁殖，：個別

6、菌體繁殖，個數少許增加。個數少許增加。 曲線平緩。大量誘導曲線平緩。大量誘導酶的合成酶的合成。v 應用：應用： 縮短此期，提高設備利用率縮短此期，提高設備利用率 用處于對數期或代謝旺盛的活性污泥接種用處于對數期或代謝旺盛的活性污泥接種2 2 對數期對數期 log phaselog phase對數期對數期分裂快，數目增多。分裂快，數目增多。 活菌數活菌數 總菌數總菌數 直線上升直線上升 此時細胞的大小、組此時細胞的大小、組成、生理特征等均趨成、生理特征等均趨于一致，代謝活躍，于一致，代謝活躍，生長速率高，代時穩(wěn)生長速率高，代時穩(wěn)定。定。 特點特點v 應用：應用： 接種用的好種子接種用的好種子 但

7、處理效果不是最好，因為但處理效果不是最好，因為微生物活性大就不易凝聚和沉微生物活性大就不易凝聚和沉淀；要保證充足的食料，有機淀；要保證充足的食料，有機物濃度要保持較高水平。物濃度要保持較高水平。3 3 穩(wěn)定期穩(wěn)定期stationary phasestationary phase穩(wěn)定期 特點特點v 應用：應用：處于穩(wěn)定期的污泥處于穩(wěn)定期的污泥代謝活性和絮凝沉降性能均代謝活性和絮凝沉降性能均較好。較好。v發(fā)酵產物形成的重要時期發(fā)酵產物形成的重要時期（抗生素、氨基酸等），生產抗生素、氨基酸等），生產上應盡量延長此期，提高產上應盡量延長此期，提高產量。量。 儲存物積累，養(yǎng)料儲存物積累，養(yǎng)料消耗多。消耗

8、多。 芽孢形成，抗生素芽孢形成，抗生素產生。產生。 繁殖速率下降，死繁殖速率下降，死亡速率上升。亡速率上升。 新增菌新增菌死亡菌死亡菌 平坦平坦4 4 衰老期衰老期decline phase decline phase or death phaseor death phase衰亡期衰亡期菌體死亡速度大于菌體死亡速度大于繁殖速度。繁殖速度。 死亡菌活菌數。死亡菌活菌數。自溶。自溶。 內源呼吸內源呼吸 曲線下降曲線下降 特點特點微生物的生長曲線和廢水生物處理的關系微生物的生長曲線和廢水生物處理的關系v生長率上升階段生長率上升階段：微生物繁殖快，活力強，但是不容易凝聚：微生物繁殖快，活力強，但是不容

9、易凝聚 沉淀。需要充足的食料供給，處理后的沉淀。需要充足的食料供給，處理后的 廢水有機物濃度較高，出水水質不好。廢水有機物濃度較高，出水水質不好。 v生長率下降階段生長率下降階段：積累代謝產物，如異染顆粒、肝糖粒等，：積累代謝產物，如異染顆粒、肝糖粒等， 產生粘性物質，污泥代謝活性及凝絮沉產生粘性物質，污泥代謝活性及凝絮沉 降性好。（傳統(tǒng)活性污泥運行范圍）降性好。（傳統(tǒng)活性污泥運行范圍） v內源呼吸階段內源呼吸階段： 特殊水處理場合。特殊水處理場合。 (如延時曝氣及污泥消化如延時曝氣及污泥消化)間歇培養(yǎng)：生長曲線的繪制間歇培養(yǎng)：生長曲線的繪制 連續(xù)培養(yǎng)：實際廢水處理連續(xù)培養(yǎng)：實際廢水處理 一方

10、面連續(xù)進料，一方面又連續(xù)出一方面連續(xù)進料，一方面又連續(xù)出料。料。四四 微生物膜的生長特性微生物膜的生長特性生物膜生物膜：是一種不可逆的黏附于固體表面的，被微：是一種不可逆的黏附于固體表面的，被微生物胞外多聚物包裹的有組織的微生物群體。生物胞外多聚物包裹的有組織的微生物群體。生物膜的生長特性：生物膜的生長特性：細胞粘附細胞粘附生物膜的發(fā)展（微生物菌落的生成）生物膜的發(fā)展（微生物菌落的生成）生物膜成熟與脫落生物膜成熟與脫落參考P130 頁 圖7-5第二節(jié)第二節(jié) 細菌的遺傳與變異細菌的遺傳與變異一、遺傳與變異的基本概念一、遺傳與變異的基本概念 遺傳性遺傳性：微生物微生物將生長發(fā)育所需的營養(yǎng)類型、將生

11、長發(fā)育所需的營養(yǎng)類型、環(huán)境條件及其他形態(tài)（形態(tài)、結構、生理生化特型環(huán)境條件及其他形態(tài)（形態(tài)、結構、生理生化特型）傳給后代，并相對穩(wěn)定的一代一代傳下去，這就）傳給后代，并相對穩(wěn)定的一代一代傳下去，這就是微生物的遺傳性。是微生物的遺傳性。遺傳性遺傳性保守性保守性變異性變異性1 1、遺傳的保守性、遺傳的保守性 指遺傳性不可改變的一面。常把遺傳性的保守性指遺傳性不可改變的一面。常把遺傳性的保守性叫遺傳。叫遺傳。特點：具穩(wěn)定性。特點：具穩(wěn)定性。 保守性的保守性的有利有利方面：方面： 使生產中選育出來的優(yōu)良菌種的各屬性穩(wěn)定的一使生產中選育出來的優(yōu)良菌種的各屬性穩(wěn)定的一代一代傳下去。代一代傳下去。 保守性的

12、保守性的不利不利方面：方面： 妨礙妨礙M M適應改變了的外界環(huán)境條件而死亡。適應改變了的外界環(huán)境條件而死亡。2 2、遺傳的變異性、遺傳的變異性 遺傳性可改變的一面。遺傳性可改變的一面。M M為適應新的環(huán)境條件而改為適應新的環(huán)境條件而改變自己的某些屬性，產生適應新環(huán)境的酶，從而適變自己的某些屬性，產生適應新環(huán)境的酶，從而適應了新環(huán)境并生長良好，即為遺傳的變異性。應了新環(huán)境并生長良好，即為遺傳的變異性。 變異的特點：變異的特點：a.a.在群體中以極低的幾率出現，（一般在群體中以極低的幾率出現，（一般1010-6-61010-10-10）；）；b.b.形狀變化的幅度大；形狀變化的幅度大；c.c.變化

13、后形成的新性狀是穩(wěn)定的，可遺傳的。變化后形成的新性狀是穩(wěn)定的，可遺傳的。 定向變異定向變異：通過有計劃、有目的的控制：通過有計劃、有目的的控制M M的生的生長環(huán)境條件，用物理、化學因素誘導長環(huán)境條件，用物理、化學因素誘導M M向著生產向著生產需要的方向變異。在廢水的生物處理中，這種需要的方向變異。在廢水的生物處理中，這種定向變異稱為馴化。定向變異稱為馴化。二、遺傳變異的物質基礎二、遺傳變異的物質基礎核酸核酸 RNARNA：磷酸：磷酸+ +核糖核糖+ +堿基（堿基（A.G.C.UA.G.C.U） DNADNA：磷酸：磷酸+ +脫氧核糖脫氧核糖+ +堿基（堿基（A.G.C.TA.G.C.T） RN

14、A RNA類型類型 信使信使RNARNA（mRNAmRNA）：以：以DNADNA一條單鏈為模板，在一條單鏈為模板，在RNARNA聚合酶的催化下，按堿基互補原則合成。聚合酶的催化下，按堿基互補原則合成。mRNAmRNA是是蛋白質合成的模板，傳遞蛋白質合成的模板，傳遞DNADNA的遺傳信息。的遺傳信息。 轉移轉移RNARNA（tRNAtRNA）：存在細胞質里，在蛋白質合：存在細胞質里，在蛋白質合成過程中起轉移氨基酸的作用。成過程中起轉移氨基酸的作用。 核糖體核酸（核糖體核酸（rRNArRNA）：和蛋白質組成核糖體。：和蛋白質組成核糖體。核糖體是合成蛋白質的主要場所。核糖體是合成蛋白質的主要場所。2

15、 2、核酸的生物學功能、核酸的生物學功能（1 1）DNADNA的復制：的復制：解旋解旋：DNADNA雙螺旋分子在解旋酶雙螺旋分子在解旋酶作用下，兩條鏈的堿基之間氫鍵作用下，兩條鏈的堿基之間氫鍵斷裂，分離成兩條單鏈。斷裂，分離成兩條單鏈。復制復制：每條單鏈按照堿基順序：每條單鏈按照堿基順序，合成一條互補的新鏈。，合成一條互補的新鏈。 復制后的復制后的DNADNA雙鏈由一條舊鏈和一雙鏈由一條舊鏈和一條新鏈構成條新鏈構成半保留復制。半保留復制。（2 2）遺傳因子）遺傳因子基因基因 基因：基因：具有遺傳功能的具有遺傳功能的DNADNA分子上的片斷。分子上的片斷。 平均含平均含10001000個堿基對。

16、個堿基對。 不同基因分子所含堿基對的數量和排列序列不不同基因分子所含堿基對的數量和排列序列不同，都具有自我復制的能力。同，都具有自我復制的能力。按基因功能不同分為：按基因功能不同分為：結構基因結構基因調控基因調控基因三、三、M M的變異：的變異：1 1、基因重組：、基因重組：兩個不同性狀的兩個不同性狀的M M個體細胞，其個體細胞，其中一個細胞的中一個細胞的DNADNA與另一個細胞的與另一個細胞的DNADNA融合，使融合，使基因重新排列，遺傳給后代，產生新品種或表基因重新排列，遺傳給后代，產生新品種或表達新的遺傳性狀，稱為基因重組。達新的遺傳性狀，稱為基因重組?；蛑亟M時，不發(fā)生任何堿基對結構上

17、的變化基因重組時，不發(fā)生任何堿基對結構上的變化。 基因重組 基因突變發(fā)生途徑 2 2、基因突變基因突變：由于自然界（外界）的作用，由于自然界（外界）的作用，或人為的物理化學因素而引起或人為的物理化學因素而引起DNADNA鏈上堿基的缺乏、鏈上堿基的缺乏、置換、插入等，引起基因內部堿基排列順序發(fā)生改變，置換、插入等，引起基因內部堿基排列順序發(fā)生改變，從而引起后代表現型（形態(tài)、生理等）發(fā)生可遺傳的從而引起后代表現型（形態(tài)、生理等）發(fā)生可遺傳的變化。變化。 自發(fā)突變自發(fā)突變：微生物在自然條件下，沒有人工參與微生物在自然條件下，沒有人工參與而發(fā)生的基因突變。（無定向，有益或無益）而發(fā)生的基因突變。（無定

18、向，有益或無益） 誘發(fā)突變誘發(fā)突變：人為的利用物理化學因素，引起細胞人為的利用物理化學因素，引起細胞DNADNA分子中堿基對發(fā)生變化。所利用的物理化學因素稱分子中堿基對發(fā)生變化。所利用的物理化學因素稱為誘變劑。為誘變劑。 定向培育定向培育：人為的利用某一特定環(huán)境條件長期人為的利用某一特定環(huán)境條件長期處理某一微生物群體，同時不斷將它們進行移種處理某一微生物群體，同時不斷將它們進行移種傳代，以達到累積和選擇合適的自發(fā)突變體的一傳代，以達到累積和選擇合適的自發(fā)突變體的一種培育方法。種培育方法。應用：活性污泥和生物膜的培養(yǎng)馴化應用：活性污泥和生物膜的培養(yǎng)馴化四、遺傳工程：四、遺傳工程： 按照預先設計的

19、生物藍圖，通過對按照預先設計的生物藍圖，通過對DNADNA直接的直接的操縱、改組、重建，實現對遺傳性狀定向的改造操縱、改組、重建，實現對遺傳性狀定向的改造。 基本方法基本方法：把把DNADNA從一種生物細胞中提取出來從一種生物細胞中提取出來，在體外對其直接操縱、改組、重建，然后再把，在體外對其直接操縱、改組、重建，然后再把它導入另一生物細胞內，改變其遺傳結構，使之它導入另一生物細胞內，改變其遺傳結構，使之產生符合人類需要的新遺傳特性，定向的創(chuàng)造新產生符合人類需要的新遺傳特性，定向的創(chuàng)造新生物類型。生物類型。1234561 1 從細胞中分離出從細胞中分離出DNADNA；2 2 限制酶截取限制酶截

20、取DNADNA片斷片斷；3 3 分離大腸桿菌細胞分離大腸桿菌細胞中的質粒；中的質粒；4 4 DNA DNA重組；重組；5 5 用重組質粒轉化大用重組質粒轉化大腸桿菌細胞；腸桿菌細胞；6 6 培養(yǎng)大腸桿菌克隆培養(yǎng)大腸桿菌克隆大量目的基因。大量目的基因。 遺傳工程包括兩個水平的研究：一是遺傳工程包括兩個水平的研究：一是細胞水平細胞水平（如轉化、接合、轉導等）；另（如轉化、接合、轉導等）；另一是一是基因水平基因水平，因此又可分為細胞工程和，因此又可分為細胞工程和基因工程。目前研究的主要是基因工程?；蚬こ獭Ｄ壳把芯康闹饕腔蚬こ?。因此，狹義地說，遺傳工程就是基因工程。因此，狹義地說，遺傳工程就是基

21、因工程。 利用遺傳工程，把具有降解某些特殊物質的質粒剪利用遺傳工程，把具有降解某些特殊物質的質粒剪切后，連接到受體細胞中，使之帶有一種或多種功能切后，連接到受體細胞中，使之帶有一種或多種功能用以處理廢水。這種用人工方法選出的多質粒、多功用以處理廢水。這種用人工方法選出的多質粒、多功能的新菌種稱為能的新菌種稱為“超級細菌超級細菌”。（6 6）遺傳工程在廢水處理中的應用：）遺傳工程在廢水處理中的應用： 目前較為成功的實例：降解石油的超級細菌目前較為成功的實例：降解石油的超級細菌 、耐、耐汞質粒汞質粒 、降解染料的質粒。、降解染料的質粒。第三節(jié)第三節(jié) 菌種的馴化及保藏菌種的馴化及保藏 定向培育定向培

22、育：通過有計劃、有目的地控制微生：通過有計劃、有目的地控制微生物的生長條件，使微生物的功能向人類需要的物的生長條件，使微生物的功能向人類需要的法相發(fā)展。在污水生物處理中，這個過程叫馴法相發(fā)展。在污水生物處理中，這個過程叫馴化?；Ｎ勰囫Z化是首要且關鍵的一環(huán)。污泥馴化是首要且關鍵的一環(huán)。目的：目的：（1 1）培養(yǎng)微生物的抗毒性）培養(yǎng)微生物的抗毒性（2 2）培養(yǎng)出具有特異和高效降解特性的微生物，使微生物）培養(yǎng)出具有特異和高效降解特性的微生物，使微生物對于待處理污水中的碳（能）、氮源物質由不利用到利用對于待處理污水中的碳（能）、氮源物質由不利用到利用，由緩慢利用到快速降解。，由緩慢利用到快速降解。2

23、、 菌種的復壯菌種的復壯： 使衰退的菌種恢復原來優(yōu)良性狀。使衰退的菌種恢復原來優(yōu)良性狀。是指在菌種已發(fā)生衰退的情況下，通過純是指在菌種已發(fā)生衰退的情況下，通過純種分離和生產性能測定等方法，從衰退的群體中找出種分離和生產性能測定等方法，從衰退的群體中找出未衰退的個體，以達到恢復該菌原有典型性狀的措施；未衰退的個體，以達到恢復該菌原有典型性狀的措施；是指在菌種的生產性能未衰退前就有意識是指在菌種的生產性能未衰退前就有意識的經常、進行純種的分離和生產性能測定工作，以期的經常、進行純種的分離和生產性能測定工作，以期菌種的生產性能逐步提高。菌種的生產性能逐步提高。菌種的復壯措施：菌種的復壯措施：純種分離

24、：純種分離：（平板劃線法、涂布法、傾注法、單細胞挑取法等）。）。 通過寄主體內生長進行復壯（通過寄主體內生長進行復壯（如Bacillus thuringiensis的復壯） ； 淘汰已衰退的個體淘汰已衰退的個體（采用比較激烈的理化條件進行處理，以殺死生命力較差的已衰退個體）。采用有效的菌種保藏方法。采用有效的菌種保藏方法。3、防止菌種衰退的方法：、防止菌種衰退的方法： 控制傳代次數控制傳代次數（一般在DNA的復制過程中，堿基的錯配率是5x10-4，自發(fā)突變的頻率為10-810-9，采用良好的菌種保藏方法，可以減少移種和傳代的數）； 選擇合適的培養(yǎng)條件；選擇合適的培養(yǎng)條件； 采用不同類型的細胞進

25、行傳代采用不同類型的細胞進行傳代（對絲狀微生物而言，通常采用穩(wěn)定的單核孢子進行接種）； 采用有效的菌種保藏方法。采用有效的菌種保藏方法。二、菌種保藏：二、菌種保藏：1. 目的目的：存活，不丟失，不污染存活，不丟失，不污染 防止優(yōu)良性狀喪失防止優(yōu)良性狀喪失 隨時為生產、科研提供優(yōu)良菌種隨時為生產、科研提供優(yōu)良菌種2. 原理：原理：選用優(yōu)良的純種，（最好是休眠體，如分生選用優(yōu)良的純種，（最好是休眠體，如分生孢子、芽胞等），創(chuàng)造降低微生物代謝活動強度，生孢子、芽胞等），創(chuàng)造降低微生物代謝活動強度，生長繁殖受抑制，難以發(fā)生突變的環(huán)境條件。（其環(huán)境長繁殖受抑制，難以發(fā)生突變的環(huán)境條件。（其環(huán)境要素是干燥、低溫、缺氧、缺營養(yǎng)要素是干燥、低溫、缺氧、缺營養(yǎng) 以及添加保護劑以及添加保護劑等）等）3.菌種保藏的方法菌種保藏的方法 菌菌 連續(xù)在培養(yǎng)基上（內）移種連續(xù)在培養(yǎng)基上（內）移種 種種 生活態(tài)生活態(tài) 傳代培養(yǎng)保藏法傳代培養(yǎng)保藏法 連續(xù)在活宿主上（內）移種連續(xù)在活宿主上（內）移種 保保 固體斜面固體斜面 藏藏 濕法濕法 半固體瓊脂柱半固體瓊脂柱 方方 休眠態(tài)休眠態(tài) 液體介質（蒸餾水、糖液、其它溶液）液體介質（蒸餾水、糖液、其它溶液） 法法 干法干法 藏在玻