水處理生物學(xué)第三章3

水處理生物學(xué)第三章演示文稿2022/11/21第一頁，共三十七頁。2022/11/22水處理生物學(xué)第三章第二頁，共三十七頁。本章內(nèi)容水處理生物學(xué)的研究對(duì)象和任務(wù)生物的分類和命名水處理相關(guān)的主要生物類別微生物種類微生物的特點(diǎn)其他水生生物簡介第三頁，共三十七頁。三原界（三域）系統(tǒng)：沃斯，1978

根據(jù)生物的16SrRNA堿基序列，對(duì)生物進(jìn)行劃分。真細(xì)菌古細(xì)菌真核生物第四頁，共三十七頁。產(chǎn)甲烷菌極端嗜鹽菌極端嗜熱菌無細(xì)胞壁的古細(xì)菌美國黃石公園的間歇泉中漂流的彩色的古細(xì)菌第五頁，共三十七頁。

古菌是最古老的生命體，如果將地球約46億年的年齡比作一年，那么古菌早在3月20日就出現(xiàn)了，而人類誕生不過是12月31日的事。

古菌常被發(fā)現(xiàn)生活于各種極端自然環(huán)境下，如大洋底部的高壓熱溢口、熱泉、鹽堿湖等。在我們這個(gè)星球上，古菌代表著生命的極限，確定了生物圈的范圍。如：熱網(wǎng)菌（Pyrodictium）能夠在高達(dá)113℃的溫度下生長。隱蔽熱網(wǎng)菌Pyrodictiumoccultum古菌還廣泛分布于各種自然環(huán)境中，土壤、海水、沼澤地中均生活著古菌。很多產(chǎn)甲烷的古菌生存在動(dòng)物的消化道中，如反芻動(dòng)物、白蟻或者人類。古菌通常對(duì)其它生物無害，且未知有致病古菌。第六頁，共三十七頁。原核細(xì)胞的核糖體較小,沉降系數(shù)為70S（1S=10-13秒）由50S大亞基和30S小亞基50S大亞基含有34種不同的蛋白質(zhì)和兩種RNA分子，相對(duì)分子質(zhì)量大的rRNA的沉降系數(shù)為23S，相對(duì)分子質(zhì)量小的rRNA為5S。30S小亞基含有21種蛋白質(zhì)和一個(gè)16S的rRNA分子。真核細(xì)胞核糖體的沉降系數(shù)為80S，大亞基為60S，小亞基為40S。在大亞基中，有大約49種蛋白質(zhì)，另外有三種rRNA∶28SrRNA、5SrRNA和5.8SrRNA。小亞基含有大約33種蛋白質(zhì)，一種18S的rRNA

第七頁，共三十七頁。古細(xì)菌概念1977年由CarlWoese和GeorgeFox提出的，原因是它們?cè)?6SrRNA的系統(tǒng)發(fā)生樹上和其它原核生物的區(qū)別。這兩組原核生物起初被定為古細(xì)菌(Archaebacteria)和真細(xì)菌(Eubacteria)兩個(gè)界或亞界。Woese認(rèn)為它們是兩支根本不同的生物，于是重新命名其為古菌(Archaea)和細(xì)菌(Bacteria)，這兩支和真核生物(Eukarya)一起構(gòu)成了生物的三域系統(tǒng)。第八頁，共三十七頁。

在細(xì)胞結(jié)構(gòu)和代謝上，古菌在很多方面接近其它原核生物。然而在基因轉(zhuǎn)錄過程上，它們并不明顯表現(xiàn)出細(xì)菌的特征，反而非常接近真核生物。比如，古菌的轉(zhuǎn)譯使用真核的啟動(dòng)和延伸因子，且轉(zhuǎn)譯過程需要真核生物中的TATA框結(jié)合蛋白和TFIIB(轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子)。古菌還具有一些其它特征。與大多數(shù)細(xì)菌不同，它們的細(xì)胞壁缺少肽聚糖。（假肽聚糖，復(fù)雜多糖）而且，絕大多數(shù)細(xì)菌和真核生物的細(xì)胞膜中的脂類主要由甘油酯組成，而古菌的膜脂由甘油醚構(gòu)成。這些區(qū)別也許是對(duì)超高溫環(huán)境的適應(yīng)。古菌鞭毛的成分和形成過程也與細(xì)菌不同。單個(gè)古菌細(xì)胞直徑在0.1到15微米之間，有一些種類形成細(xì)胞團(tuán)簇或者纖維，長度可達(dá)200微米。它們可有各種形狀，如球形、桿形、螺旋形、葉狀或方形等。它們具有多種代謝類型。值得注意的是，鹽桿菌可以利用光能制造ATP，盡管古菌不能像其他利用光能的生物一樣利用電子鏈傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)光合作用。第九頁，共三十七頁。古菌的分類按生活習(xí)性和生理特征分類三類：產(chǎn)甲烷菌，嗜熱嗜酸菌，極端嗜鹽菌《伯杰氏系統(tǒng)細(xì)菌學(xué)手冊(cè)》（第三卷），將古菌分為五大群。P32第十頁，共三十七頁。進(jìn)化和分類從rRNA進(jìn)化樹上，古菌分為兩類：廣古菌(Euryarchaeota)泉古菌(Crenarchaeota)另外未確定的兩類分別是：初古菌門(Korarchaeota)納古菌(Nanoarchaeumequitans)第十一頁，共三十七頁。廣古菌門(Euryarchaeota)包含了古菌中的大多數(shù)種類，包括了經(jīng)常能在動(dòng)物腸道中發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)甲烷菌、在極高鹽濃度下生活的鹽桿菌、一些超嗜熱的好氧和厭氧菌，也有海洋類群。在16SrRNA系統(tǒng)發(fā)育樹上，它們組成一個(gè)單系群。第十二頁，共三十七頁。古菌域(Archaea)－廣古菌門鹽桿菌綱(Halobacteria)甲烷桿菌綱(Methanobacteria)甲烷球菌綱(Methanococci)甲烷微菌綱(Methanomicrobia)甲烷火菌綱(Methanopyri)古球狀菌綱(Archaeoglobi)熱原體綱(Thermoplasmata)熱球菌綱(Thermococci)

第十三頁，共三十七頁。主要類群1、產(chǎn)甲烷古菌2、極端嗜鹽古菌3、還原硫酸鹽古菌4、無細(xì)胞壁古菌——熱原體5、嗜熱嗜酸菌第十四頁，共三十七頁。1、產(chǎn)甲烷古菌產(chǎn)甲烷菌是一群迄今為止所知的最嚴(yán)格厭氧的、能形成甲烷的化能自養(yǎng)或化能異養(yǎng)的古菌群。產(chǎn)甲烷細(xì)菌是都能產(chǎn)生甲烷的一大類群，因此包括了球形、桿形、螺旋形、長絲狀等不同形態(tài)。細(xì)胞結(jié)構(gòu)包括：細(xì)胞封套（細(xì)胞壁、表面層、鞘和莢膜）、細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和核質(zhì)。第十五頁，共三十七頁。產(chǎn)甲烷菌的培養(yǎng)方法專性厭氧，需要在特殊環(huán)境下操作；目前最好的是厭氧手套箱厭氧培養(yǎng)箱

可進(jìn)行分裝厭氧培養(yǎng)基，倒制平板，離心厭氧微生物收集菌體，對(duì)氧敏感的酶的分離純化等第十六頁，共三十七頁。嗜熱自養(yǎng)甲烷桿菌

Methanobacteriumthermoautotrophicum0.2-1.0mmx1.2-120mmOptimumtemperaturerangesfrom35-70oCCellsstainGramnegative第十七頁，共三十七頁。亨氏甲烷螺菌

Methanospirillumhungatei

第十八頁，共三十七頁。大部分的甲烷短桿菌生長于反芻動(dòng)物、人類和其它動(dòng)物的腸道中,

或是腐朽的植物,

以及缺氧的廢水爛泥中。

M.smithii是唯一一種生長在人類腸道的甲烷短桿菌

(圖)。

甲烷短桿菌屬M(fèi)ethanobrevibacterspp.第十九頁，共三十七頁。

產(chǎn)甲烷古菌是一種極其古老的微生物，能在無氧、無陽光的條件下生存，借助化學(xué)反應(yīng)的能量或地?zé)岬冗M(jìn)行新陳代謝，甲烷是其代謝產(chǎn)物。研究人員分析從格陵蘭島地下3千多米深處采集的冰芯樣本底部，發(fā)現(xiàn)其中甲烷濃度異常高，而周圍大致同一深度卻只有少量產(chǎn)甲烷古菌生存。研究人員認(rèn)為，冰芯中的高濃度甲烷應(yīng)該就是漫長年代中積累的產(chǎn)甲烷古菌的代謝產(chǎn)物，他們分析這些產(chǎn)甲烷古菌的代謝速率后發(fā)現(xiàn)古菌已在地下生存了10萬年之久，在地下3千多米的嚴(yán)酷環(huán)境下產(chǎn)甲烷古菌的代謝極其緩慢，它們產(chǎn)生的甲烷卻逐漸積累起來。第二十頁，共三十七頁。2、極端嗜鹽古菌

這是一類生活在很高濃度甚至接近飽和濃度鹽環(huán)境中的古菌。細(xì)胞形態(tài)為桿形、球形和三角形、多角形、方形、盤形等多形態(tài)。革蘭氏陰性，極生鞭毛。好氧或兼性厭氧。胞內(nèi)含有類胡蘿卜素（菌紅素），產(chǎn)紅色、粉紅色、橙色或紫色等各不同色素?；苡袡C(jī)營養(yǎng)型。第二十一頁，共三十七頁。鹽沼鹽桿菌Halobacteriumspp.細(xì)胞桿狀(0.5～1.2μm×1.0～6.0μm)。運(yùn)動(dòng)。有些菌株具有氣泡囊。革蘭氏陰性，好氧，化能異養(yǎng)型。生活在鹽湖、鹽場及腐敗的鹽制品等中性鹽環(huán)境中。第二十二頁，共三十七頁。Halobacteriumsp.

第二十三頁，共三十七頁?！洱R民要術(shù)》里面描述了在海灘上的鹽田，發(fā)現(xiàn)到一定的時(shí)候，這個(gè)鹽池就會(huì)變紅。按現(xiàn)在我們的知識(shí)，就是我們現(xiàn)在認(rèn)識(shí)的嗜鹽菌。

在我國西部地區(qū)有相當(dāng)數(shù)量的大鹽湖。目前為止，在這些鹽湖中找到的3個(gè)新的屬，12個(gè)新的種。第二十四頁，共三十七頁。3、還原硫酸鹽古菌

這一類主要是指古生球菌archaeoglobales的古菌。細(xì)胞一般為不規(guī)則球形、三角形，直徑在0.4~2.0μm，單個(gè)或成對(duì)，革蘭氏陰性。菌落可略呈綠黑色，在420nm處可產(chǎn)藍(lán)綠色熒光，嚴(yán)格厭氧。第二十五頁，共三十七頁。閃爍古生球菌A.fulgidus分布于深海海底、熱泉和地層深部儲(chǔ)油層。化能自養(yǎng)，單極多生鞭毛，并產(chǎn)少量甲烷。第二十六頁，共三十七頁。4、無細(xì)胞壁古菌

－熱原體屬在古生菌中，有一類無細(xì)胞壁的原核生物很象無細(xì)胞壁的支原體，由于它們無細(xì)胞壁、嗜熱、嗜酸、行好氧化能有機(jī)營養(yǎng)，所以被稱為熱原體（Thermoplasma）。0.2μm到1-5μm。有的種具有多根鞭毛，能夠運(yùn)動(dòng)。第二十七頁，共三十七頁。熱原體能抵御外界滲透壓的變化、對(duì)抗外環(huán)境的低pH值和高熱極端環(huán)境，是因?yàn)樗鼈冸m然沒有堅(jiān)韌的細(xì)胞壁，但發(fā)育出一種帶有甘露糖和葡萄糖單位的四醚類脂(tetratherlipid)的脂多糖化合物，作為質(zhì)膜的主要成分。同時(shí)，質(zhì)膜中也含有糖肽，但沒有固醇類化合物，這樣的質(zhì)膜使熱原體表現(xiàn)出對(duì)滲透壓、酸、熱的穩(wěn)定性。第二十八頁，共三十七頁。目前已知的熱原體只有三個(gè)種：嗜酸熱原體(T.acidophilus)氧化硫熱原體(T.thiooxidans)火山熱原體(T.volcanium)。第二十九頁，共三十七頁。ThermoplasmaacidophilumThiobacillusthiooxidansMS-A-115株第三十頁，共三十七頁。泉古菌門(Crenarchaeota)是古菌的一個(gè)大分支，包括很多超嗜熱生物，但在某些海洋里的超微浮游生物中也占有相當(dāng)比例（尚未成功培養(yǎng)），也有腸道中分離出的種類（餐古菌目）。它們和其它古菌主要區(qū)別在于16SrRNA的序列。從系統(tǒng)發(fā)育樹上看，泉古菌的分支相對(duì)較短，且非常接近古菌的基部。按照伯杰氏手冊(cè)，目前本門只分一個(gè)綱和四個(gè)目（未包含餐古菌）。第三十一頁，共三十七頁。古菌域(Archaea)

－泉古菌門綱：熱變形菌綱(Thermoprotei)

暖球形菌目(Caldisphaerales)

除硫球菌目(Desulfurococcales)

硫化葉菌目(Sulfolobales)

熱變形菌目(Thermoproteales)

餐古菌目(Cenarchaeales)*

海綿共生菌，生長在10℃。第三十二頁，共三十七頁。硫化葉菌是第一個(gè)分離鑒定的極端嗜熱古細(xì)菌(Brock等，1970)，生長在富硫的酸熱泉中，溫度達(dá)90℃以上，pH1～1．5。極端嗜熱古菌－硫化葉菌第三十三頁，共三十七頁。極端嗜熱古菌極端嗜熱或超嗜熱，生長要求的溫度范圍為45℃~110℃，最適為70℃~105℃，且要求pH為1~3的高酸度環(huán)境。有化能自養(yǎng)、化能異養(yǎng)和兼性營養(yǎng)三種不同的營養(yǎng)類型。大多能代謝元素硫，能在好氧條件下將硫或H2S氧化為H2SO4，在厭氧條件下可還原元素硫?yàn)镠2S。主要分布于含硫溫泉、火山口、燃燒后的煤礦等環(huán)境。第三十四頁，共三十七頁。火葉菌屬的延胡索酸火葉菌（Pyrolobusfumarii），一種生活在113℃大西洋熱液噴口的古菌。第三十五頁，共三十七頁。納古菌門(Nanoarchaeota)迄今只包括一個(gè)種，即由KarlStet