搜索
第五章微生物的生长繁殖与生存因子第一节微生物的生长繁殖一、微生物的生长繁殖的基本概念1.生长：微生物新陈代谢，同化作用大于异化作用，微生物的细胞不断迅速增长的现象。2.繁殖：什么是微生物的繁殖？繁殖单细胞一个细胞两个细胞多细胞不但细胞个数增加，个体数目也增加，则为多细胞微生物的繁殖3.发育：微生物的生长与繁殖是个交替过程，从生长到繁殖的量变到质变的过程是发育。4.世代时间：细菌两次分裂之间的时间。当微生物的培养时间一定时，它的世代时间基本上也是稳定的。但是如果外界条件发生变化，世代时间也会变化。世代时间越短，繁殖速度越快。一般，原核微生物的繁殖速度大于真核微生物。好氧微生物快于厌氧微生物。二、研究微生物生长的方法生长单个体微生物生长群体微生物生长分批培养连续培养在污水生物处理中这两种方法均有应用。（一）分批培养分批培养概念：将定量的微生物接种到封闭的具有定量培养基的容器中，保持一定的温度、pH、DO，微生物进行生长繁殖。结果出现微生物数量由：少多（达到高峰后）少生长曲线将少量菌种接种到准备妥当的培养基中，进行分批培养，并且定时取样（如每2h取样1次）计数。以细菌的个数或干重质量为纵坐标，以培养时间为横坐标，将取样数据描点绘图，最终可得该细菌的生长曲线。生长曲线分期：细分可分为6个时期即停滞期(适应期)、加速期、对数期、减速期、静止期、衰亡期。由于加速期和减速期持续时间很短，则把加速期并到停滞期，把减速期放到静止期中。故，将生长曲线粗分为四个生长期。微生物生长曲线1.停滞期停滞期特点•生长速率等于零•细胞合成新的成分–补充消耗的材料–适应新的培养基或别的培养条件•细胞形态变大或变长•对外界不良环境敏感细菌数目的对数值时间t提问：为什么会出现停滞期呢？特征：不立即进行细胞分裂、增殖，数量不变甚至减少适应环境（合成相应的酶），营养储备（用于复制合成）停滞期停滞期－“万事开头难”影响停滞期长短的因素1.接种群体菌龄:1)对数期“种子”，停滞期较短；2)静止期期或衰亡期“种子”,停滞期较长；因为处于静止期或衰亡期的细菌耗尽各种必要的细胞成分，需要时间合成新细胞物质；或者因受到代谢产物过多积累而中毒，需要时间修补损伤；2接种量。1)接种量大，停滞期较短；2)接种量小，停滞期较长。3培养基成分:1)培养基成分丰富的，停滞期较短；2)培养基成分贫乏的,停滞期较长。因为在丰富的培养基上可直接利用各种成分，在贫乏环境中要产生新的酶类合成所缺少的营养物质。指数生长公式：P166Nt=N0×2n式中N0为起始细胞数目，Nt为指数生长某个时刻t时的细胞数目，n为世代数。N0、Nt和t可由实验获得，n可通过上式计算得出。LgNt=lgN0+nlg2n=（lgNt-lgN0)/lg2=3.3(lgNt-lgN0)细菌生长速率以几何级数增加，当细菌总数和时间关系在坐标系上近似线性关系时，进入对数期。一个细菌繁殖n代后产生2n个细菌。2.对数期特点•细菌获得丰富营养，生长速率最快，细胞呈对数增长，分裂时间间隔最短；•由于营养物质足以供给合成细胞使用，有毒的代谢产物累积较少，细菌生长速率恒定；•代谢旺盛，细胞成分平衡发展；•群体的生理特性较一致。故教学实验中常用对数期细胞作为实验材料；发酵工业一般用对数期细胞作菌种。影响指数期的因素•菌种：不同菌种的代时差异极大；•营养成分：营养越丰富，代时越短；•营养物浓度：影响微生物的生长速率和总生长量；•培养温度：影响微生物的生长速率。3）静止期特点：•活细胞总数维持不变，即新繁殖的细胞数与衰亡的细胞数相等，菌体总数达到最高点；•细胞生理上处于衰老，代谢活力钝化，细胞成分合成缓慢；•细胞生长速率为零。营养物质被消耗不能满足生长需要，因此，营养物成为细菌生长的限制因子；细菌开始累积贮存物质，如PHB、淀粉粒等；•代谢废物或有害物质积累到抑制生长水平；•pH、氧化还原势等物化条件越来越不适应•新生率等于死亡率。4）衰亡期：继静止期后，由于营养物被耗尽，细菌因缺乏营养而利用贮存物质进行内源呼吸，即自身溶解。特点：•细胞以指数速率死亡；死菌数大于新生菌数；•细胞变形退化。影响衰亡期的因素•与菌种的遗传特性有关:有些细菌的培养经历所有的各个生长时期，几天以后死亡,有些细菌培养几个月乃至几年以后仍然有一些活的细胞；•与营养物质和有毒物质有关：补充营养和能源，以及中和环境毒性，可以减缓死亡期细胞的死亡速率，延长细菌培养物的存活时间。活性污泥中微生物生长规律和纯菌种基本一致、SBR是分批培养的原理应用于污水生物处理的实例。一方面连续进料，另一方面又连续出料。原理：进料=补足营养(“污染物”)出料=稀释菌浓度、毒物浓度它又分为两种：1)恒浊连续培养2)恒化连续培养。（二）连续培养恒浊——培养基浊度恒定（实质是细菌数量恒定）以浊度为控制指标。当浊度大时，加大进水流速，降低浊度；当浊度小时，降低流速，提高浊度。1）恒浊连续培养P1692）恒化连续培养恒化——进料营养物总量恒定恒定的流速进水，恒定流速出水尤其适合污水生物处理，除SBR法外；目前,污水连续生物处理法均类似于恒化连续培养；（流速不完全恒定）三、生长曲线在污水处理中的应用污(废)水连续处理中的细菌生长状态跟具体的生物处理方法有关，不同的生物反应构筑物，细菌的生长状态可能不同，甚至在同一个构筑物中，不同位置的细菌生长状态也不同，但要以某种状态为主，或处于静止期、或处于对数生长期、或处于衰亡期等等。进水对数期衰老期平推流式活性污泥法稳定期占优势总结在污水生物处理设计时，按水质情况可利用不同生长阶段的微生物处理污水：常规活性污泥法：利用减速期、静止期；生物吸附法：静止期；高负荷活性污泥法：对数期和减速期；延时曝气法(氧化沟)：内源呼吸期延时曝气法处理：针对有机物含量低，BOD5/CODcr比值小于0.3，可生化性差的污水；为什么常规活性污泥法不利用对数期而用静止期微生物？对数期微生物：生长繁殖快，代谢活力强，能大量去除废水中的有机物，相应的，要求进水有机物浓度高。由于进水有机物浓度高，出水有机物浓度也相应提高，且这时期微生物生长繁殖旺盛，细胞表面黏液层和夹膜尚未形成，运动活跃，不易自行凝聚成菌胶团，沉淀性能差，导致出水水质差。静止期微生物：代谢活力比对数期差，但仍有相当的代谢活力，并且微生物积累大量的贮存物，强化了生物吸附能力，在二沉池中泥水分离效果好，出水水质好。为什么延时曝气法处理低浓度废水时，不利用静止期而用衰亡期的微生物？由于低浓度有机物满足不了静止期微生物的营养要求，处理效果不会好。若采用延时曝气法，通常曝气时间在8h以上，甚至24h，延长水力停留时间，适当增大进水量，提高有机负荷，满足微生物的营养要求，从而取得较好的处理效果。四、微生物生长量的测定方法（一）测定微生物总数1、计数器直接计数:用血球计数板（可测细菌、酵母菌等）在显微镜下直接计数。优点：能测定一定容积中细胞总数；简单方便，测定速度快；缺点：所测数目包括活菌和死菌，要求检测人员较高技术，能分辨活、死菌。2、电子计数器计数原理：在一个小孔得两侧各放一个电极，通电后，若有物体通过，电阻会发生改变。当细胞悬液通过小孔时，每通过一个细胞，电阻就会增加并产生一个信号，计数器就对该细胞自动计数一次。适用于较大的微生物如原生动物、藻类和非丝状的酵母菌等；优点：结构精确；缺点：受微小颗粒和丝状物干扰大。3、染色图片计数用0.01ml吸管吸取定量稀释的细菌悬液均匀涂于刻有1cm2的计数板上，经固定、染色后、在显微镜下观察几个视野并计数，取平均值。每毫升原菌液的细菌数＝视野中的平均菌数×1cm2/视野面积×100×稀释原理：单细胞微生物的悬液与浊度成正比，与光密度成反比。细胞数越多，浊度越大，透光度越小。因此可用分光光度计测定菌悬液的透光度；或用浊度计测菌悬液的浊度，即可测得该菌悬液的细胞浓度，将未知细胞数的菌悬液和已知细胞数的菌悬液相比，可求出未知菌悬液所含的细胞数。测定前：将该菌悬液经10倍稀释法稀释成系列浓度的菌悬液，分别取各稀释浓度的菌悬液1ml至于平皿中，倒平板，培养和计数。然后以细菌数和光密度值制作标准曲线，以便用比浊法测得光密度值后，可在标准曲线上求出相应得细菌数。4、比浊法测定细菌悬液细胞数（二）测定活细菌数1、稀释培养计数：适用于生长较慢得细菌；2、过滤计数：适用于含菌量较少得水样，将水样过0.45um滤膜，至于已倒好得平板上面培养得到生长菌落，计数；大肠菌群通常用此法。3、菌落计数：平板菌落（CFU）计数应用最广泛，单位容量中的细菌均匀分布于营养琼脂平板上而生长的菌落形成单位数四、微生物生长量的测定方法（三）计算生长量：关键在于测定细胞质量1、测细胞干重法：如曝气池重MLSS或MLVSS2、测细胞氮量确定细胞浓度3、测定DNA算出细菌浓度4、生理指标法第二节微生物的生存因子微生物正常生存，需要营养，除此以外，还需要合适的温度、pH、氧气等环境条件。一、温度温度对于微生物有那些影响？温度是微生物最重要的生存条件之一。当处于最佳范围时，每上升10℃，酶促反应速度提高1～2倍。代谢速率和生长速率也提高，繁殖能力最强，微生物进行大量繁殖。不同微生物对温度的要求不同。可将微生物分为嗜冷菌、嗜中温菌、嗜热菌、嗜超热菌。细菌最低温度最适温度最高温度嗜冷菌－5～05～1020～30嗜中温菌5～1025～4045～50嗜热菌3050～6070～80嗜超热菌55℃以上70～105110～113低温、中温和高温细菌的生长温度范围（℃）P175几种微生物的生长最高温度（℃）见P175微生物原生动物真核藻类真菌蓝细菌细菌古菌温度45～50566070～73＞90113所有微生物中，多部分是嗜中温菌，其他较少。污水处理系统中，为了保证微生物能够处于较好的工作状态，需要为其提供较适合的温度。一般控制在20～30℃左右。冬天，需要进行加热处理。嗜冷菌，最适合在5～15℃，甚至很多细菌可以在0℃以下正常生存。低温生长的原因见P176冰箱中冷藏的蔬菜、水果发霉变质腐烂的原因。小结：微生物的培养应该在最佳温度范围进行。超过最高温度会对细菌造成伤害甚至导致死亡。低温有抑制细菌作用。可以让微生物休眠，但不会导致死亡。温度升高时，活性即可恢复。有资料显示：湖泊水体底泥中重金属汞的甲基化普遍受微生物控制。当温度33～45℃范围内，汞的甲基化率最高，达55℃时，微生物活动因酶活性的降低而停止，甲基化完全被抑制；当水温达35℃时生物甲基化反应占主导地位，并且厌氧硫酸盐还原菌调控该过程；部分学者还认为：适宜温度利于提高微生物的活性而促进汞的甲基化，较低温度利于汞的脱甲基化过程。二、pH微生物也有最适应的pH范围，微生物不同，pH范围不同。多数细菌：最佳6.5～7.5，适应范围4～10；一般要求中性或偏碱性；放线菌：最佳7.5～8.0，一般要求中性或偏碱性；霉菌和酵母菌：可在酸性或偏碱性环境生活，最喜欢3～6的环境。生长极限：1.5～10。1.污水处理生物处理构筑物内pH控制在6.5～8.5之间：因为pH低于6.5的酸性环境不利于细菌和原生动物生长，尤其对菌胶团细菌不利；相反，对霉菌和酵母菌有利，若活性污泥中有大量霉菌繁殖，吸附能力和凝聚性能下降，造成活性污泥结构松散，不易沉降，甚至导致活性污泥膨胀，进而影响出水水质；小结2.微生物培养基中应该加入缓冲物质：因为在培养基中，随着微生物生长繁殖和代谢活动的进行，会造成pH的变化，如大肠杆菌在pH为7.2－7.6的培养基中生长，分解葡萄糖产生有机酸，使培养基变酸；微生物在含蛋白质、蛋白胨等中性培养基中生长，可经微生物分解，产生胺类等碱性物质，使培养基pH升高；因此，考虑培养基成分时，要加入缓冲性物质，如磷酸盐等。小结3.污泥厌氧处理时，也要控制好pH，一般在6.6～7.6，最好控制在6.8～7.2之间。城市污泥、污水中含有蛋白质，在处理时可不加缓冲物质；如不含蛋白质，处理前需投加；若是连续运行，在运行之前，运行期间都要注意投加缓冲物质；常用缓冲物质：碳酸氢钠、碳酸钠、氢氧化钠及氨等小结有资料显示：pH是影响水