水處理生物學(xué)第三章細菌的生長和遺傳變異-1

1、第三章第三章 細菌的生長和遺細菌的生長和遺傳變異傳變異主要內(nèi)容n3-1 細菌的生長及特性細菌的生長及特性n3-2 細菌的遺傳與變異細菌的遺傳與變異一、生長與繁殖的概念一、生長與繁殖的概念二、細菌生長的測定方法二、細菌生長的測定方法三、細菌的生長特性三、細菌的生長特性四、微生物膜的生長特性四、微生物膜的生長特性3-1-1 生長與繁殖生長與繁殖同化作用大于異化作用時，細胞質(zhì)的量增加，表現(xiàn)在細胞體積或重量的不斷增加，這種現(xiàn)象稱生長。生長一定程度后細胞分裂，這就是繁殖。個體的生長和繁殖體現(xiàn)為群體的生長。（微生物重量或數(shù)目的增加）。 群體生長個體生長個體繁殖群體生長個體生長個體繁殖在微生物學(xué)中“只有群體

2、的重復(fù)”才有意義，因此“生長”一般指群體生長。3-1-2 細菌的生長測定方法細菌的生長測定方法計數(shù)法l直接計數(shù)法借助顯微鏡l間接計數(shù)法平板計數(shù)生長量測定法l測定重量、體積、含氮量來反映細菌的生長（一）（一） 計數(shù)法計數(shù)法1、直接計數(shù)法（顯微鏡）涂片染色法：一定量樣品涂布在載玻片上，染色后計數(shù)。濾膜染色法：一定量樣品過濾到濾膜上，然后染色計數(shù)。比例計數(shù)法將已知顆粒濃度的液體與待測菌液按一定比例混合后在顯微鏡下，測各自的數(shù)目。涂片染色法涂片染色法計數(shù)器計數(shù)器( (血球計數(shù)板）血球計數(shù)板）測定法測定法 數(shù)了數(shù)了80個小格中有個小格中有120個細菌，樣品中的細菌濃度是多少？個細菌，樣品中的細菌濃度是多

3、少？(120個個80)400 / 110-4 ml =600104個個/ml適用范圍：適用范圍：細菌個體細菌個體若若太小、過多，由于每一小格中細太小、過多，由于每一小格中細菌層層疊加，相互遮擋，難以準(zhǔn)確計數(shù)。菌層層疊加，相互遮擋，難以準(zhǔn)確計數(shù)。數(shù)數(shù)數(shù)數(shù)細菌（或其他微生物或細胞）數(shù)目，（一般數(shù)細菌（或其他微生物或細胞）數(shù)目，（一般數(shù)165=80個小格），個小格），折算折算樣品細菌濃度；樣品細菌濃度；濾膜染色法濾膜染色法l一定量樣品過濾到濾膜上，然后染色計數(shù)。一定量樣品過濾到濾膜上，然后染色計數(shù)。l需要知道濾液的體積和濾膜的面積。需要知道濾液的體積和濾膜的面積。l在顯微鏡下計數(shù)，方法相同。在顯微鏡

4、下計數(shù)，方法相同。比例計數(shù)法比例計數(shù)法n比例比例樣品菌液與等體積（或成一定比例）的血液混合，樣品菌液與等體積（或成一定比例）的血液混合，觀測二者比例觀測二者比例平均每個視野中細菌數(shù)量平均每個視野中細菌數(shù)量/ /紅血球的數(shù)量紅血球的數(shù)量比例為比例為5.55.5：1 1，則細菌數(shù)量，則細菌數(shù)量= =？5.55.5400400萬個萬個/m l =2.2/m l =2.210107 7個個/ /mLmL樣品樣品n紅血球紅血球數(shù)已知數(shù)已知(男性男性，女性，女性)，平均平均400400萬個萬個/m/m比例計數(shù)法將已知顆粒濃度的液體與待測菌液按一定比例混合后在顯微鏡下，測各自的數(shù)目。（特點：不要求記體積）D

5、API:46-diamidino-2-phenylindole,dihydrochloride4,6-4,6-二二脒脒基基-2-2苯基苯基吲哚吲哚DNA2Cl-H2N+NH2CNHH2N -C NH2Measurement of total cell counts全細胞染色法（死活不分）：DAPI染色染色，DTAFDAPI:無毒性熒光染料，能夠與DAN雙鏈強力結(jié)合并產(chǎn)生熒光。采用358nm紫外光照射能發(fā)射明亮的藍色熒光。5-DTAF : 5-(4,6-dichlorotriazinyl) aminofluoresceinDNAOOHOOHOOHNHNNClNClMeasurement of t

6、otal cell counts全細胞染色法（死活不分）：DAPI染色染色，DTAF有必要區(qū)分細菌的死活嗎？n飲用水中衛(wèi)生細菌學(xué)標(biāo)準(zhǔn)是TBC 接種量：特別是X0/S0，即初期微生物濃度與基質(zhì)濃度的比。產(chǎn)生延滯期的原因： 缺乏分解新環(huán)境中有關(guān)基質(zhì)的酶； 缺乏充足的代謝中間產(chǎn)物?？偧毎麛?shù)活細胞數(shù)III培養(yǎng)時間細胞個數(shù)底物特點：底物充足2）指數(shù)期（exponential phase） 對數(shù)期、生長率上升階段細胞數(shù)（量）以指數(shù)形式增加的時間段。 細菌 特點：生長速率最大，世代時間（generation time）最短 酶系活躍、代謝旺盛細胞進行平衡生長，體內(nèi)各成分最為均勻 底物特點：底物充足，大量被細

7、菌消耗，降解速率最高總細胞數(shù)活細胞數(shù)III培養(yǎng)時間細胞個數(shù)指數(shù)期數(shù)學(xué)描述1dxrkXdt10lnXKtX10KtXXe世代時間0t tGnn 世代數(shù)02nXX0lglglg2XXn3）穩(wěn)定期（stationary phase）： 恒定期、靜止期、生長下降期細菌特點：凈增長速度為零繁殖與死亡速度相等正生長與負生長相等底物特點： 底物被大量消耗，不能夠維持對數(shù)期細菌高生長速率所需要的有機物質(zhì)，導(dǎo)致細菌生長率下降出現(xiàn)穩(wěn)定期的原因： 營養(yǎng)物尤其是生長因子耗盡 營養(yǎng)物比例失調(diào) pH、DO、氧化還原電位的變化總細胞數(shù)活細胞數(shù)III培養(yǎng)時間細胞個數(shù)數(shù)學(xué)表達生長下降階段 S很低，其濃度對微生物影響大2dsk

8、Sdt即有機物分解速度與其濃度成正比4）衰亡期（decline phase, death phase）內(nèi)源呼吸期（endogenous respiration phase）內(nèi)源呼吸：體內(nèi)貯藏物質(zhì)酶等一部分細胞物質(zhì)的氧化。細菌特點：細胞會發(fā)生自溶現(xiàn)象（autolysis），蛋白質(zhì)水解酶活力 往往產(chǎn)生芽孢出現(xiàn)死亡期的原因： 營養(yǎng)物不足 外界條件惡化底物特點：底物被微生物大量耗盡，微生物因得不到營養(yǎng) 而進行內(nèi)源呼吸總細胞數(shù)活細胞數(shù)III培養(yǎng)時間細胞個數(shù)細菌生長的數(shù)學(xué)描述生長與基質(zhì)濃度的關(guān)系微生物比增長速度：單位時間，單位微生物量的增加量1dxdtxmax基質(zhì)濃度smaxssksKs: 飽和常數(shù)，與m

9、ax12的s值相等KsS時maxmaxssSk SkkSmaxsKsMonod公式（莫諾特公式）經(jīng)驗公式（微生物增長）對于像活性污泥這樣的混合微生物群，也有類似的生長曲線。細菌生長期與廢水生物處理：細菌生長期與廢水生物處理： 水處理中如何避免緩慢期接種對數(shù)期或代謝旺盛的污泥增加接種量污泥馴化 微生物維持到對數(shù)期可獲得高的處理能力， 即分解速度高，但處理效果不一定好菌活力大，不易凝聚和沉淀需要充足的營養(yǎng)物，故得不到好的水質(zhì) 處于穩(wěn)定期污泥雖然生長速度有所下降，但有一定的代謝活性，絮凝沉降性能好。 故傳統(tǒng)的活性污泥法常運行在這個范圍。 衰亡期只出現(xiàn)在某些特殊的水處理場合， 如延時曝氣及污泥消化，出

10、水水質(zhì)好。食料/微生物代謝速率內(nèi)源呼吸階段生長率下降階段生長率上升階段（沉降性能好）（沉降性能差）大多數(shù)活性污泥處理系統(tǒng)運行范圍延時曝氣，污泥消化微生物代謝速率與食料微生物代謝速率與食料/微生物的關(guān)系微生物的關(guān)系注意：各個階段的食物/菌量比發(fā)生變化，相當(dāng)于活性污泥中的負荷。F/M（食稀比）2. 連續(xù)培養(yǎng)（continuous cultivation）是一種連續(xù)進料又連續(xù)出料的培養(yǎng)方式根據(jù)控制因素的不同分為恒濁連續(xù)培養(yǎng)（turbidostat）：培養(yǎng)基提供足夠量的營養(yǎng)元素，細菌保持最大速率生長，通過控制進料流速保持細菌濁度一定，使其處于對數(shù)生長期。恒化連續(xù)培養(yǎng)（chemostat）：固定恒定的進

11、料流速，同樣的流速排出，反應(yīng)器中營養(yǎng)物質(zhì)濃度不變，為限制性營養(yǎng)因子控制生長。3. 半連續(xù)培養(yǎng)（semi-batch cultivation）、半間歇式Fill and draw4. 分批補料式培養(yǎng)（fed batch）以低速把高濃度的營養(yǎng)物質(zhì)連續(xù)加入培養(yǎng)器中，但不出料。體積是隨時間變化的特點：能任意控制培養(yǎng)液中的底物濃度，所以沒有流出。供應(yīng)速度與微生物消費速度達到平衡，所以能保持一定的濃度。主要用于： 有抑制作用的底物 生長因子添加 高濃度菌體培養(yǎng)3-1-4 微生物膜的生長特性微生物膜的生長特性1. 生物膜的生長 液體培養(yǎng)基中加入固體物質(zhì)（載體），微生物在其表面吸附、生長、繁殖形成形成膜，這種

12、膜叫微生物膜。微生物膜的生長膜厚的增加，密度也將發(fā)生變化從單位固體表面積上的微生物量（mg/cm2）上看可分為6個階段延滯期、加速增長期、恒速增長期、減速增長期、安定期、脫落期延滯期延滯期加速增長期加速增長期恒速增長期恒速增長期減速增長期減速增長期安定期安定期脫落期脫落期（1）延滯期：細胞吸附在固體表面上的過程（沉降）影響吸附速度的因子：材質(zhì)、表面性質(zhì)、形狀、細胞的性質(zhì)、操作條件（2）加速增長期：還沒有形成完整的膜（3）恒速增長期： 活性細胞量達到最大，形成完整的膜。膜表面凹凸不平。（4）減速增長期： 恒速增長期與安定期的過渡期，持續(xù)時間短。（5）安定期： 增長速度與脫落速度相平衡，膜量及膜厚達到最大值。（6）脫落期： 外因：流體的剪切力 內(nèi)因：細菌的死亡、氣泡的形成，細胞外高分子量的變化。2. 生物膜的特性（1）有效膜厚并不是全部有活性基質(zhì)的擴散細胞的死亡70200m（平均100 m），并不是越厚越好。（2）密度（與膜厚有關(guān)） 微生物膜的濕密度：密度有時小于水，一般接近于1。（因為有氣泡的存在）濕生物膜組成（體積比）： 細