第一篇第五章-微生物的生长繁殖与生存因子

微生物的生长繁殖生存因子第五章微生物生长繁殖的概念研究微生物生长的方法（微生物的生长规律）细菌生长曲线在污（废）水生物处理中的应用微生物生长量的测定方法微生物的生存因子其他不利环境因子对微生物的影响微生物与微生物之间的关系菌种的退化、复壮与保藏内容提要•微生物的生长：微生物在适宜的环境条件下，进行代谢活动，当同化作用大于异化作用时，微生物的细胞物质有规律地、不可逆地增加，导致细胞体积扩大的生物学过程，叫微生物的生长。•微生物的繁殖：微生物生长到一定阶段，由于细胞结构的复制与重建并通过特定方式产生新的生命个体，即引起生命个体数量增加的生物学过程。•生长和繁殖是两个不同但又相互联系的概念。•世代时间：微生物细胞每分裂一次所需要的时间，称为世代时间，简称代时。一、微生物的生长与繁殖的概念微生物的连续培养二、研究微生物生长的方法（微生物的生长规律）Cncnc-micro分批培养：单细胞微生物的典型生长曲线1、微生物的分批培养（间歇培养）•将一定量的微生物接种在一个封闭的、盛有一定量液体培养基的容器内，保持一定的温度、pH和溶解氧含量，微生物在其中生长繁殖。•例：实验室摇床培养•SBR法处理工业废水•工业发酵fermenter生长曲线(growthcurve)描述细菌生长规律总菌数活菌数培养时间Ⅱ.指数期Ⅲ.稳定期Ⅳ.衰亡期Ⅰ.延滞期细菌数目（个/ml）对数ⅡⅢⅣⅠ生长曲线：在封闭系统中对微生物进行培养，以时间为横坐标，以菌数为纵坐标，根据不同培养时间里细菌数量的变化，可以作出一条反映细菌在整个培养期间菌数变化规律的曲线，这种曲线称为生长曲线。延滞期出现原因把细菌接种到新鲜的培养基中培养时，并不立即进行分裂繁殖，细菌增殖数为０，这时需要合成多种酶，辅酶和某些中间代谢产物，要经过一个调整和适应过程。Cncnc-micro延滞期(lagphase)总菌数活菌数培养时间Ⅱ.指数期Ⅲ.稳定期Ⅳ.衰亡期Ⅰ.延滞期细菌数目（个/ml）对数ⅡⅢⅣⅠ延滞期特点生长速率常数等于零菌体粗大代谢活力强，其呼吸速率、核酸即蛋白质的合成速率接近对数期，细胞开始分裂对不良条件抵抗能力降低ＲＮＡ含量增加Cncnc-micro影响延滞期限长短因素接种龄接种量培养基成分Cncnc-micro缩短延滞期的方法可以缩短生产周期，提高设备利用率。接种对数生长期的菌种，采用最适菌龄加大接种量用与培养菌种相同组成的培养基Cncnc-micro可以缩短生产周期，提高设备利用率。指数期(对数期)(exponentialphase)特点该期的细菌生产中多被用做种子和科学试验材料①细菌数以几何级数增加，活菌数和总菌数接近②酶系活跃，代谢旺盛。③生长速率最大，世代时间（generationtime）最短。④细胞的化学组成及形态，生理特性比较一致Cncnc-microx2x1t2t1培养时间Lg细胞数/mlt2-t13.322(lgx2-lgx1)生长速率常数k=t2-t13.322(lgx2-lgx1)代时G=指数期生长的数学模型繁殖代数n=3.322(lgx2-lgx1)X2=2nX1影响指数期的因素菌种营养成分营养物浓度培养温度Cncnc-micro总菌数活菌数培养时间Ⅱ.指数期Ⅲ.稳定期Ⅳ.衰亡期Ⅰ.延滞期细菌数目（个/ml）对数ⅡⅢⅣⅠ稳定期(静止期，stationaryphase)出现原因营养的消耗有害代谢产物积累PH值、EH值等理化条件不适，DO供应不足出现原因Cncnc-micro营养物比例失调总菌数活菌数培养时间Ⅱ.指数期Ⅲ.稳定期Ⅳ.衰亡期Ⅰ.延滞期细菌数目（个/ml）对数ⅡⅢⅣⅠ稳定期特点活菌数保持相对稳定，总菌数达最高水平。细菌代谢物积累达到最高峰，并开始积累贮存物质。芽孢杆菌这时开始形成芽孢。这是生产收获时期。Cncnc-micro衰亡期(declinephase/deathphase)特点细菌死亡数大于增殖数,活菌数明显减少,群体衰落细胞出现多形态,大小不等的畸形,变成衰退型细胞死亡,出现自溶现象。Cncnc-micro2、微生物的连续培养•恒浊连续培养：培养液中细菌浓度保持恒定，调节营养物质的浓度，获得菌体和有价值的代谢产物。•恒化连续培养：培养基的营养成分恒定，恒速进水，恒速出水，细菌处于最高生长速率状态。•连续培养中，微生物的生长状态和规律与分批培养不同，其往往处于相当于分批培养生长曲线的某一个生长阶段。•活性污泥法处理城市污水即为连续恒化培养方式。连续培养(continuousculture)(openculture)将微生物置于一定容积的培养基中培养，最后一次收获，叫分批培养，将微生物放在恒定的容积的流动系统中培养称为连续培养。优点：缩短发酵周期；便于自动控制；产物质要量均一缺点：菌种易退化；易染杂菌三、细菌生长曲线在污（废）水微生物处理中的应用123451、分散曝气2、高负荷活性污泥法3、常规活性污泥法4、生物吸附法5、延时曝气（内源呼吸阶段）1、加速期、对数期、减速期3、减速期、静止期2、对数期、减速期4、静止期5、衰亡期（内源呼吸阶段）活性污泥微生物生长规律与纯菌种基本一致，一般分为三个阶段：生长上升期、生长下降期、内源呼吸期三、细菌生长曲线在污（废）水微生物处理中的应用提问：为什么常规活性污泥法利用生长下降阶段的微生物，包括减速期、静止期的微生物？原因：由于对数期微生物生长繁殖快，代谢能力强，能大量去除废水中有机物，但其对进水有机物浓度要求高，则出水有机物的绝对值也相应高，出水不易达到排放标准；同时处于对数期的微生物生长旺盛，细胞表面的粘液层和荚膜尚未形成，运动很活跃，不易自行凝聚成菌胶团，沉淀性能差，致使出水水质差。而处于静止期的微生物代谢活力虽然比对数生长期的差，但仍有相当的代谢活力，去除有机物的效果仍然较好。其最大的特点是体内积累了大量的贮存物，强化了微生物的生物吸附能力，自我絮凝、聚合能力强，在二沉池中泥水分离效果好，出水水质好。测生长量计繁殖数测定生长繁殖的方法四、微生物生长量的测定方法Cncnc-micro微生物的纯培养纯培养的分离方法稀释倒平板法划线法选择培养基分离法单细胞挑取法稀释倍数法——Viablecellcount1.稀释样品dilutesample1ml9ml101001000104105106107cellno/ml2.plateout0.1ml划线分离法——InoculatinganagarplatetoobtainsinglecoloniesMixedculturePureculture划线培养结果MixedcultureEachcolonywasexaminedmicroscopically选择培养基分离法1.dilutesample1ml9ml101001000104105106107牛肉膏培养基查氏培养基高氏培养基……含N量法DNA/RNA法叶绿素法菌体内重要组成测定法测生长量(直接法)称重量法：如测曝气池中混合液悬浮固体浓度（MLSS)或混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS)测体积法:SV30N×6.25=PrCncnc-micro比浊法生理指标法测生长量(间接法)计繁殖数比例计数法血球计数板法液体稀释法平板菌落计数法滤膜培养法各种型号的全自动血球计数仪五、微生物的生存因子Cncnc-micro温度PH氧气1、温度生长速度温度停此生长致死最低最高最适生长温度三基点：最低生长温度、最适生长温度、最高生长温度微生物最低温度最适温度最高温度嗜冷菌0以下5~1520~35嗜温菌15~2025~4545左右嗜热菌4555~6580超嗜热菌6580~90100以上废水处理微生物假单胞菌硫氰氧化杆菌硝化杆菌硝化球菌亚硝化球菌动胶菌属温度范围25~3527~3310~3715~302~3010~45最适温度303028~3025~3020~2528~30废水生物处理中微生物适宜温度在30℃左右。废水生物处理中微生物适宜温度在30℃左右。嗜冷微生物（低温微生物）Ｅ系在低温下仍能起催化作用细胞膜含较多的不饱合脂肪酸在低温下保持膜的半流动性，使膜仍具有通透性。嗜冷机制：Cncnc-micro其主动输送物质的功能运转良好，使之能有效地集中必需的营养物质嗜热微生物的嗜热机制细胞内的Ｅ具强抗热性产生的多胺，热亚胺和高温精胺物质对蛋白质等组织结构具有保护作用。一一一一一口口口核酸也具有热稳定性的保护结构。细胞膜含有较多的饱和脂肪酸和直链脂肪酸，使膜具有稳定性。上低温对微生物的影响代谢降低生长繁殖停滞仍然存活常在低温下对菌种和食品保藏。Cncnc-micro问题•冬季水温过低对污水处理厂的运行有无影响？怎样消除影响？有影响：水温低于13℃时，生物处理效果降低到50%，水温低于5℃，微生物开始死亡，低于4℃，几乎无处理效果。低温可导致微丝菌属的小胸虫丝状生长从而导致活性污泥膨胀。温度降低时，氧向水中转移逐渐增大，虽然生化反应速率减慢，对微生物组织中的蛋白质、核酸等影响要小一些，一般不会出现不可逆破坏。消除措施：保温、空气预热、提高污泥浓度、延长污泥龄等方法可以保证污水厂正常运行。如果水温的降低速率降低变化缓慢，活性污泥中的微生物可以逐步适应这种变化，而这时采取降低负荷，提高充氧浓度，延长曝气时间等措施，就能取得较好的处理效果。2、PH影响细胞膜透性与稳定性影响物质溶解度影响细胞表面电荷分布因此影响微生物生长、繁殖，发育。各类微生物能够生长的PH值较宽，但细胞内部PH值却接近中性。Cncnc-micro细菌、藻类、原生动物——中性或偏碱性，6.5-7.5酵母菌和霉菌——酸性或偏碱性，1.5-10放线菌——中性和偏碱性，7.0-8.0各种微生物最适的pH值Cncnc-micro污水生物处理中pH适宜维持在6.5以上至8.5左右。为什么？pH6.5以下不利于细菌和原生动物生长，相反对于酵母菌和霉菌有利，霉菌的大量繁殖会造成活性污泥结构松散，不易沉降，甚至导致活性污泥膨胀，影响处理效果。微生物的活动也能改变环境中的PH值分解糖类产生有机酸引起培养基pH下降，培养基变酸；分解蛋白质、蛋白胨、氨基酸等产生NH3和胺类等碱性物质，使pH上升；选择性地吸收阳离子或阴离子，也会改变培养基的pH值。废水生物处理中可添加缓冲性物质如碳酸氢钠、碳酸钠、氢氧化钠及氨等，以碳酸氢钠为佳。或者采用酵母菌或霉菌处理pH值较低的废水。3、氧气专性好氧菌（在氧分压为0.2atm下生长良好）兼性厌氧菌（facultativeanaerobes）Cncnc-micro耐氧厌氧菌（aerotolerantanaerobes）厌氧菌（anaerobes，在氧分压为0.005以下atm下生长良好）微好氧菌（在氧分压为0.003-0.2atm下生长良好）含超氧化物歧化酶（SOD）、H2O2酶含超氧化物歧化酶（SOD）、H2O2酶,脱氢酶,酵母菌、肠道细菌，反硝化细菌等含超氧化物歧化酶（SOD）、H2O2酶（有或无）霍乱弧菌、氢单胞菌,贝日阿托氏菌、发硫菌、浮游球衣菌等无超氧化物歧化酶（SOD）、无H2O2酶如乳酸菌超氧化物歧化酶（SOD）功能：使好氧菌免受超氧化物阴离子自由基的毒害2H2O2_Catalase_»2H2O+O2过氧化氢酶（Catalase）溶解氧（DO)•溶解氧随温度的升高而减小，如标准大气压下，0℃、25℃、30℃、50℃时，DO分别为14.6、8.4、7.7、5.6mg/L。•废水生物处理中，使用表面叶轮机械搅拌、鼓风曝气、压缩空气曝气、溶气释放器曝气、射流曝气器等方式充氧。•进水BOD5在200~300mg/L，MLSS为2~3g/L,DO维持在2mg/L以上，一般在3~4mg/L，供氧不足可能导致活性污泥膨胀。Cncnc-micro兼性厌氧微生物与氧的关系•既具脱氢酶也具氧化酶，在无氧和有氧的条件下都能生存。•例：反硝化细菌，在缺氧环境中以NO3-作为电子受体进行反硝化作用，使NO3-还原为NO2-和N2;在缺氧水体中将水中的硝酸盐反硝化为亚硝酸盐和亚硝酸胺等致癌物质，危害水生生物和污染饮用水源。所以必须