第七章微生物的生长繁殖与环境工程

第七章微生物的生长繁殖与环境工程一、微生物生长繁殖的概念•世代时间：细菌两次细胞分裂之间的时间。•在一定培养条件下，世代时间是一定的。•环境条件改变，世代时间不同。•原核微生物的世代时间比真核微生物短；专性厌氧菌的世代时间多数比好氧菌的长。生长生物个体由小到大的增长，即表现为细胞组分与结构在量方面的增加繁殖指生物个体数目的增加第一节微生物的群体生长一、分批培养与环境工程（一）分批培养分批培养是在一个封闭的、有一定体积的液体培养基的容器中接种少量细菌在特定条件下进行培养。生长曲线：将少量细菌接种到一定体积的新鲜液体培养基中进行分批培养，定时取样，以细菌数目的对数或细菌干重为纵坐标，培养时间为横坐标，可绘制出细菌的生长曲线。个体生长群体生长分批培养连续培养延迟期生长曲线可分：对数期稳定期衰亡期1、延迟期（迟滞期或适应期）将细菌接种到某一培养基后，细菌并不立即繁殖而是经过一段适应期才能生长繁殖。细胞数目不增加甚至减少，细胞内合成多种酶、完善体内的酶系统及其他细胞成分，为细胞分裂做准备。：影响因素：（1）接种量（2）菌龄（3）营养一、分批培养与环境工程•在实际应用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，会出现或长或短的延迟期，停滞期的出现会增加操作时间，降低工作效率。•可以通过增加接种量、采用最适菌龄、选用繁殖速率快的菌种以及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延迟期。一、分批培养与环境工程2、对数期（指数期）细菌生长速度达到最大，数量以几何级数增加。特点：（1）营养物质供给充分，细菌迅速分裂，菌数按几何级数增加；（2）世代时间最短，生长速率快，代谢能力强，细菌总数增加率和活细菌增加率一致；（3）细胞的化学组分、形态和生理特性较一致；一、分批培养与环境工程•在对数期分别测定t0时刻与t时间细菌的数量X0与X，基于细菌的二分裂生长•t0t•1→2→22→23（（22）×2）→24→25……2n•X0→……X0·24→……X0·2n(n=1、2、3…)X•n是细菌的代数00lg3.32lg/lgXXXXnnttG0世代时间3、稳定期由于营养消耗，供应不足及代谢产物的积累，这时细菌生长率逐渐下降甚至到零，死亡率渐增，进入静止期。特点：（1）菌数达到最高峰；（2）活菌数达到最大后，开始下降；（3）生长速率为零；（4）开始积累贮存物质。一、分批培养与环境工程4、衰亡期由于营养缺乏和代谢产物积累造成自身中毒，细胞生长受阻，时间和菌数对数呈反比，生长曲线直线下降。特点：（1）生长速率为负值，活菌数减少；（2）细菌发生自溶现象（3）代谢产物大量积累；（4）细菌形态多变，出现畸形或衰退形，有的产生芽孢。一、分批培养与环境工程活性污泥的增值曲线1．生长率上升阶段（延迟期或对数期）：是微生物的细胞内各种酶系统对环境的适应过程和微生物增殖阶段。F/M高（有机负荷率F/M：单位重量的活性污泥在单位时间内所承受的有机物的数量）活性污泥能量水平很高，活性污泥处于松散状态2好氧活性污泥的增殖规律及其应用活性污泥中微生物的增殖是活性污泥在曝气池内发生反应、有机物被降解的必然结果，而微生物增殖的结果则是活性污泥的增长。2.生长率下降阶段（稳定期）F/M降低营养物不过剩，它已成为微生物生长的限制因素。活性污泥水平的能量低下，污泥絮凝。由于残留有机物浓度较低，出水水质较好，并且整个系统运行稳定。一般，大多数活性污泥处理厂是将曝气池的运行工况控制在这一范围内。2好氧活性污泥的增殖规律及其应用3．内源呼吸期（衰亡期）营养物缺乏，为了获得能量维持生命，分解代谢自身的能量物质，开始衰亡。同时内酶分解细胞壁，使污泥量减少。后来有机物几乎被耗尽，能量水平极低，微生物活动能力非常低，絮凝体形成速率增大，处理水显著澄清，水质良好。2好氧活性污泥的增殖规律及其应用4.活性污泥增殖规律的指导意义①活性污泥的增殖规律和微生物活性主要是由F/M值控制；②处于不同增值期的活性污泥，其性能不同，出水水质也不同；③在污水生物处理中，控制一定的F/M值就可以调控活性污泥曝气池的运行工况，得出不同的微生物生长率、微生物的活性和污水不同污水水质的处理要求。2好氧活性污泥的增殖规律及其应用（二）分批培养与环境工程一、分批培养与环境工程曝气池F/M高，微生物位于生长曲线对数生长期中的某点F/M低，对数生长期相稳定期移动衰老期，微生物细胞处于营养“饥饿”状态二连续培养与环境工程•连续培养是指微生物在整个生长过程中，通过一定的方式，使微生物按照恒定的比生长速率增长，并能持续生长下去的一种培养方式。特点是，在整个过程中，通过不断补充营养物质或使培养液浓度不变或使微生物浓度不变。（一）连续培养•连续培养与间歇培养不同，它的特点是一方面连续进料，另一方面又连续出料。它又分为两种：恒浊连续培养和恒化连续培养。二连续培养与环境工程恒化培养器恒浊培养器新鲜培养基新鲜培养基光电池光源流速控制阀流速控制阀流出物使培养液中细菌的浓度恒定，以浊度为控制指标的培养方式。控制进料流速使装置内细菌浊度保持一定。可获得大量菌体或与有经济价值的代谢产物。保持进水中营养成分恒定，以恒定的流速流入，以相同的流速恒定流出，除了SBR法外，其余的污水生物处理法均采用的是恒化连续培养。（二）连续培养与环境工程常规活性污泥法：静止期生物吸附法：静止期高负荷活性污泥法：对数期延时曝气法：衰亡期完全混合式活性污泥法完全混合式活性污泥法基本工艺流程：废水经过适当预处理（如初沉）后，进入曝气池与池内活性污泥混合成混合液，并在池内充分曝气，废水中有机物在曝气池内被活性污泥吸附、吸收和氧化分解后，混合液进入二次沉淀池，进行固液分离，净化的废水排出。曝气池内废水浓度几乎处于一个动态平衡的状态（二）连续培养与环境工程第二节影响微生物生长的环境因素•温度•pH•氧化还原电位•溶解氧•太阳辐射•活度与渗透压•表面张力•每种微生物都有一定的温度生长范围，不同的微生物要求的最高、最低、最适生长温度不同。•根据微生物生长温度范围和最适温度，通常把微生物分成嗜冷菌、嗜中温菌、嗜热菌及嗜超热菌。一、温度污水处理最佳温度段污水处理运行温度段（超）高温的影响在高温时，蛋白质凝固变性，呈不可逆的变性，导致微生物的死亡。细胞质膜中含有受热易溶解的物质，当用超高温处理时，脂肪受热溶解时膜产生小孔，引起细胞内含物泄露而致死。一、温度•灭菌是指通过超高温或其它物理、化学方法将所有微生物的营养细胞核所有的芽孢或孢子全部杀死的过程。•消毒是利用物理、化学方法杀死致病微生物。•灭菌的方法有：灼烧、干热灭菌(干燥箱170℃)和湿热灭菌（高压灭菌锅121℃）。•灭菌的效果取决于细菌中最耐热的结构—芽孢。•消毒的方法：煮沸、巴斯德消毒法等一、温度低温的影响低温下，微生物的代谢活力低，生长缓慢或停止，但不致死。一旦获得适宜的温度，即可恢复活性。利用这一特性，各种冰箱成为生物实验中保存生物样品或试剂的重要手段。一般冰箱的温度在4℃～-18℃，可以用于保存一般的生物样品。一、温度不同微生物对pH的要求有不同。微生物对pH的要求也存在最高、最低和最适三个点。四大类微生物对pH的最适（范围）要求•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）二、pH•不适宜的pH对微生物影响是多方面的，主要有以下几种：（1）导致细胞膜电荷改变。由于细胞具有胶体性质，随着pH的改变所带正负电荷也随之变化，这种变化会影响细胞膜对某些离子性化合物的选择透性，进而影响微生物对营养物质的吸收。（2）直接影响酶的活性微生物的酶都具有其最适宜pH，pH的改变使酶的活性降低。（3）影响环境中营养物质的解离状态及所带电荷的性质细菌表面带有负电荷，中性分子易进入细胞，离子化合物难以进入。pH变化会影响某些营养物的可利用性。二、pH水好氧生物处理：•6.5-8.5有利于菌胶团细菌互相凝聚形成良好的絮状物，取得好的净化效果•6.5对细菌的生长不利，对霉菌和酵母菌有利，污泥丝状膨胀•8.5会使原生动物呆滞，菌胶团解体，影响去除效果，厌氧生物处理：6.6-7.6，最好在6.8-7.2，产甲烷菌的要求特别苛刻，且在厌氧反应过程中，厌氧菌会产生有机酸，应当在运行期间也注意投加缓冲物质。二、pH•由微生物代谢活动引起的环境pH的改变及调节方法–微生物分解糖类产生有机酸，pH降低；–含氮有机物被分解产生氨，pH升高。•调节办法:1.加入缓冲溶液（K2HPO4-KH2PO4）2.添加难容的碳酸盐（CaCO3）二、pH根据微生物与分子氧的关系，分为：好氧微生物：专性好氧微生物0.21×101KPa微量好氧微生物0.003-0.21×101KPa兼性厌氧（兼性好氧）厌氧微生物：专性厌氧微生物小于0.005×101KPa耐氧厌氧微生物三、氧气（一）好氧微生物与氧的关系大多数细菌、大多数放线菌、霉菌、原生动物、微型后生动物都属于好氧性微生物。氧对好氧微生物的作用：1、作为微生物好氧呼吸中电子传递链的最终受体2、参与甾醇类和不饱和脂肪酸的生物合成好氧生物处理中通过曝气供氧，溶解氧浓度要求维持在3-4mg/L。微量好氧微生物在溶解氧浓度为0.5mg/L时生长最好。三、氧气（二）兼性厌氧菌与氧的关系•兼性厌氧菌既有脱氢酶又有氧化酶，因此既能在无氧条件下又能在有氧条件下生存。•兼性微生物包括酵母菌、肠道细菌、硝酸盐还原菌、人和动物致病菌、某些原生动物、微型后生动物、个别真菌。•在污水好氧生物处理中，供氧不足时兼性厌氧微生物起作用•厌氧生物处理中，兼性厌氧微生物为起水解发酵作用的细菌，将大分子物质分解为小分子物质三、氧气（三）厌氧微生物：专性厌氧微生物—梭菌属、拟杆菌、产甲烷菌等，生存环境中绝对不能有氧耐氧的厌氧微生物—氧的存在对它们无影响，不利用氧也不中毒。如乳酸菌。厌氧微生物的培养：可用N2、H2、He驱赶氧；加入氧化还原颜料—甲基兰或刃天青指示培养基的氧化还原电位；在无氧培养罐内进行培养；将兼性厌氧微生物和专性厌氧微生物混合培养。三、氧气四、氧化还原电位En•指氧化体系供给电子（作为还原剂）或接受电子（作为氧化剂）的趋势的度量，单位为mV。•氧化环境有正电位，还原环境有负电位各种微生物需要的氧化还原电位不同：•好氧微生物:+300～+400mV，100mV才能生长；•兼性厌氧微生物:+100mV以上好氧呼吸，小于+100mV无氧呼吸；•专性厌氧微生物:–200～-250mV，产甲烷菌-300～-400mV。•好氧活性污泥法•控制在＋200～＋600mV是正常的•改变曝气力度•厌氧污泥消化系统•氧化还原电位应控制在在-100～-200mV•过高，将不利于厌氧细菌的生长，应用五、水活度与渗透压•aw表示水的吸附和溶液因子对水可利用性的影响的一个指标，定义为：一定温度下（25℃），某溶液或物质在与一定空间空气相平衡时的含水量与空气饱和水量的比值。相当于该溶液的蒸汽压与纯水蒸汽压的比值。•大多数微生物在aw为0.95-0.99时生长最好，低至0.60-0.70时除少数真菌和酵母菌外，大多数微生物不能生长。（一）水活度（二）渗透压起始状态最终平衡状态浓差势能＝渗透压势能0.1%10%渗透压10%NaClNaCl半透性—水分子自由通过，其余分子扩散速度受限•微生物在不同渗透压溶液中有不同反应。•高渗溶液和低渗溶液对微生物生长均不利。•可将嗜盐菌用于含盐量高的污水处理。一、紫外辐射和电离辐射（一）紫外辐射紫外线的波长一般是200-390nm，240-300nm的范围内对微生物有致死效应。250-280nm杀伤力最强。紫外辐射杀菌灯（低压汞灯）的波长是253.7nm，杀菌力强而且稳定，但穿透力差。作用原理：1、引起DNA分子产生胸腺嘧啶二聚体，使DNA不能复制。2、紫外线可使空气中的分子氧变成臭氧，臭氧易分解产生单线态氧。Ｏ２紫外线O３O２＋｛O｝六其他的环境因子光复活：经紫外线照射的微生物，在可见光（510nm）下，可以激活DNA修复