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第一节微生物的生长和特性第二、三节微生物的遗传与变异第四节遗传工程第五节微生物的驯化与保藏第七章微生物的生长和遗传变异第一节微生物的生长和特性生长微生物同化作用＞异化作用——个体增大微生物的裂殖——个体数量增多繁殖生长繁殖基础条件联系紧密本节主要内容：一微生物生长的测定方法二微生物的生长曲线三微生物的生长曲线与废水生物处理的关系四微生物膜的生长特性·显微镜直接计数涂片染色计数血球计数器计数·间接计数法平板菌落计数法（活菌计数法）液体计数法（统计学原理）·测生长量法细胞重量法：湿重与干重（MLSS）光密度法7.1.2微生物生长的测定方法薄膜计数法比例计数元素法等等重量法测定细胞干重离心法过滤法105℃~110℃干燥水处理构筑物内微生物生长量常采用该法。活性污泥法中采用的指标是混合液悬浮固体（MLSS）（MixedLiquidSuspendedSolid）MLSS（mg/L或g/m3）MLSS＝Ma+Me+Mi+MiiMa:活的微生物细胞;Me:微生物内源代谢残留物Mi:难于生物降解的有机物；Mii:附在活性污泥上的无机物做法：取一定体积的待测污泥样品，放于蒸发皿中干燥，然后称重。作为表示活性污泥微生物量的相对指标。二微生物的生长曲线微生物的生长有没有规律性？？有规律微生物的生长曲线：将少量纯菌接种到一定量的液体培养基内，在适宜的温度下培养，并定时取样测定活微生物的数目和重量的变化，以活微生物个数的对数或活微生物重量为纵坐标，以培养时间为横坐标作图，所得的曲线即为微生物的生长曲线。这种培养方式为间歇培养或分批培养。问题：微生物有几种生长曲线呢？（一）以活微生物数目的对数绘制的生长曲线适应期对数期稳定期衰亡期活菌数培养时间（h）微生物数目的对数（1）适应（缓慢）期（2）对数期（3）稳定期（4）衰亡期1适应期（缓慢期）lagphase适应期特点初：细菌数目不增加，体积增长快。后：个别菌体繁殖，个数少许增加。曲线平缓。大量诱导酶的合成。应用：缩短此期，提高设备利用率用处于对数期或代谢旺盛的活性污泥接种2对数期logphase对数期分裂快，数目增多。活菌数≈总菌数直线上升此时细胞的大小、组成、生理特征等均趋于一致，代谢活跃，生长速率高，代时稳定。特点应用：＊接种用的好种子＊但处理效果不是最好，因为微①生物活性大就不易凝聚和沉淀；②要保证充足的食料，有机物浓度要保持较高水平。3稳定期stationaryphase稳定期特点应用：处于稳定期的污泥代谢活性和絮凝沉降性能均较好。发酵产物形成的重要时期（抗生素、氨基酸等），生产上应尽量延长此期，提高产量。储存物积累，养料消耗多。芽孢形成，抗生素产生。繁殖速率下降，死亡速率上升。新增菌≈死亡菌平坦4衰老期declinephaseordeathphase衰亡期菌体死亡速度大于繁殖速度。死亡菌＞活菌数。自溶。内源呼吸曲线下降特点微生物的生长曲线和废水生物处理的关系生长率上升阶段：微生物繁殖快，活力强，但是不容易凝聚沉淀。需要充足的食料供给，处理后的废水有机物浓度较高，出水水质不好。生长率下降阶段：积累代谢产物，如异染颗粒、肝糖粒等，产生粘性物质，污泥代谢活性及凝絮沉降性好。（传统活性污泥运行范围）内源呼吸阶段：特殊水处理场合。(如延时曝气及污泥消化)间歇培养：生长曲线的绘制连续培养：实际废水处理一方面连续进料，一方面又连续出料。四微生物膜的生长特性生物膜：是一种不可逆的黏附于固体表面的，被微生物胞外多聚物包裹的有组织的微生物群体。生物膜的生长特性：细胞粘附生物膜的发展（微生物菌落的生成）生物膜成熟与脱落参考P130页图7-5第二节细菌的遗传与变异一、遗传与变异的基本概念遗传性：微生物将生长发育所需的营养类型、环境条件及其他形态（形态、结构、生理生化特型）传给后代，并相对稳定的一代一代传下去，这就是微生物的遗传性。遗传性保守性变异性1、遗传的保守性指遗传性不可改变的一面。常把遗传性的保守性叫遗传。特点：具稳定性。保守性的有利方面：使生产中选育出来的优良菌种的各属性稳定的一代一代传下去。保守性的不利方面：妨碍M适应改变了的外界环境条件而死亡。2、遗传的变异性遗传性可改变的一面。M为适应新的环境条件而改变自己的某些属性，产生适应新环境的酶，从而适应了新环境并生长良好，即为遗传的变异性。变异的特点：a.在群体中以极低的几率出现，（一般10-6～10-10）；b.形状变化的幅度大；c.变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。定向变异：通过有计划、有目的的控制M的生长环境条件，用物理、化学因素诱导M向着生产需要的方向变异。在废水的生物处理中，这种定向变异称为驯化。二、遗传变异的物质基础—核酸RNA：磷酸+核糖+碱基（A.G.C.U）DNA：磷酸+脱氧核糖+碱基（A.G.C.T）②RNA类型信使RNA（mRNA）：以DNA一条单链为模板，在RNA聚合酶的催化下，按碱基互补原则合成。mRNA是蛋白质合成的模板，传递DNA的遗传信息。转移RNA（tRNA）：存在细胞质里，在蛋白质合成过程中起转移氨基酸的作用。核糖体核酸（rRNA）：和蛋白质组成核糖体。核糖体是合成蛋白质的主要场所。2、核酸的生物学功能（1）DNA的复制：解旋：DNA双螺旋分子在解旋酶作用下，两条链的碱基之间氢键断裂，分离成两条单链。复制：每条单链按照碱基顺序，合成一条互补的新链。复制后的DNA双链由一条旧链和一条新链构成——半保留复制。（2）遗传因子——基因基因：具有遗传功能的DNA分子上的片断。平均含1000个碱基对。不同基因分子所含碱基对的数量和排列序列不同，都具有自我复制的能力。按基因功能不同分为：结构基因调控基因三、M的变异：1、基因重组：两个不同性状的M个体细胞，其中一个细胞的DNA与另一个细胞的DNA融合，使基因重新排列，遗传给后代，产生新品种或表达新的遗传性状，称为基因重组。基因重组时，不发生任何碱基对结构上的变化。基因重组基因突变发生途径2、基因突变：由于自然界（外界）的作用，或人为的物理化学因素而引起DNA链上碱基的缺乏、置换、插入等，引起基因内部碱基排列顺序发生改变，从而引起后代表现型（形态、生理等）发生可遗传的变化。自发突变：微生物在自然条件下，没有人工参与而发生的基因突变。（无定向，有益或无益）诱发突变：人为的利用物理化学因素，引起细胞DNA分子中碱基对发生变化。所利用的物理化学因素称为诱变剂。定向培育：人为的利用某一特定环境条件长期处理某一微生物群体，同时不断将它们进行移种传代，以达到累积和选择合适的自发突变体的一种培育方法。应用：活性污泥和生物膜的培养驯化四、遗传工程：按照预先设计的生物蓝图，通过对DNA直接的操纵、改组、重建，实现对遗传性状定向的改造。基本方法：把DNA从一种生物细胞中提取出来，在体外对其直接操纵、改组、重建，然后再把它导入另一生物细胞内，改变其遗传结构，使之产生符合人类需要的新遗传特性，定向的创造新生物类型。1234561从细胞中分离出DNA；2限制酶截取DNA片断；3分离大肠杆菌细胞中的质粒；4DNA重组；5用重组质粒转化大肠杆菌细胞；6培养大肠杆菌克隆大量目的基因。遗传工程包括两个水平的研究：一是细胞水平（如转化、接合、转导等）；另一是基因水平，因此又可分为细胞工程和基因工程。目前研究的主要是基因工程。因此，狭义地说，遗传工程就是基因工程。利用遗传工程，把具有降解某些特殊物质的质粒剪切后，连接到受体细胞中，使之带有一种或多种功能用以处理废水。这种用人工方法选出的多质粒、多功能的新菌种称为“超级细菌”。（6）遗传工程在废水处理中的应用：目前较为成功的实例：降解石油的超级细菌、耐汞质粒、降解染料的质粒。第三节菌种的驯化及保藏定向培育：通过有计划、有目的地控制微生物的生长条件，使微生物的功能向人类需要的法相发展。在污水生物处理中，这个过程叫驯化。污泥驯化是首要且关键的一环。目的：（1）培养微生物的抗毒性（2）培养出具有特异和高效降解特性的微生物，使微生物对于待处理污水中的碳（能）、氮源物质由不利用到利用，由缓慢利用到快速降解。2、菌种的复壮：使衰退的菌种恢复原来优良性状。狭义的复壮是指在菌种已发生衰退的情况下，通过纯种分离和生产性能测定等方法，从衰退的群体中找出未衰退的个体，以达到恢复该菌原有典型性状的措施；广义的复壮是指在菌种的生产性能未衰退前就有意识的经常、进行纯种的分离和生产性能测定工作，以期菌种的生产性能逐步提高。菌种的复壮措施：①纯种分离：（平板划线法、涂布法、倾注法、单细胞挑取法等）。②通过寄主体内生长进行复壮（如Bacillusthuringiensis的复壮）；③淘汰已衰退的个体（采用比较激烈的理化条件进行处理，以杀死生命力较差的已衰退个体）。④采用有效的菌种保藏方法。3、防止菌种衰退的方法：①控制传代次数（一般在DNA的复制过程中，碱基的错配率是5x10-4，自发突变的频率为10-8~10-9，采用良好的菌种保藏方法，可以减少移种和传代的数）；②选择合适的培养条件；③采用不同类型的细胞进行传代（对丝状微生物而言，通常采用稳定的单核孢子进行接种）；④采用有效的菌种保藏方法。二、菌种保藏：1.目的：①存活，不丢失，不污染②防止优良性状丧失③随时为生产、科研提供优良菌种2.原理：选用优良的纯种，（最好是休眠体，如分生孢子、芽胞等），创造降低微生物代谢活动强度，生长繁殖受抑制，难以发生突变的环境条件。（其环境要素是干燥、低温、缺氧、缺营养以及添加保护剂等）3.菌种保藏的方法菌连续在培养基上（内）移种种生活态传代培养保藏法连续在活宿主上（内）移种保固体斜面藏湿法半固体琼脂柱方休眠态液体介质（蒸馏水、糖液、其它溶液）法干法藏在玻璃管内吸附在合适的载体上方法：①低温保藏法方法：菌种管置4℃冰箱保藏，定时传代原理：低温下，微生物代谢强度明显下降。②石蜡油低温保藏法：橡皮塞取代棉塞、加石蜡油。③干燥保藏法将菌种置于土壤、细纱、滤纸、硅胶等干燥材料上保藏。如砂土管法，适用于放线菌、芽孢菌和某些真菌保藏，保藏时间几至几十年。④真空冷冻干燥法加有保护剂的菌悬液在冻结状态下予以真空干燥。适用于各种微生物，便于大量保藏，菌种存活时间长，是目前最好的保藏方法。⑤液氮超低温保藏法将菌种置于保护剂中，预冻后保存在液氮超低温冰箱中（-196℃）。适用于各种微生物的较理想的保藏方法。几种常用菌种保藏方法的比较方法名称主要措施适宜菌种保藏期评价冰箱保藏法（斜面）冰箱保藏法（半固体）石蜡油封藏法*沙土保藏法冷冻干燥法低温低温低温、缺氧干燥、无营养干燥、无氧、低温、有保护剂各大类细菌、酵母菌各大类**产孢子微生物各大类3~6月6~12月1~2年1~10年5~15年以上简便简便简便简便有效简便有效复习题1解释细菌的生长曲线。2细菌的生长曲线的分期及各期的特点。3如何将细菌的生长曲线用于废水生物处理的应用中？4什么是质粒？什么是“超级细菌”？5试述遗传工程在给排水工程中的应用。