水处理生物学第八讲省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

3.2 水生微生物生态系统水生微生物生态系统微生物生态系统微生物生态系统:在一定环境条件下生存微生物与环境条件（包含在一定环境条件下生存微生物与环境条件（包含动植物）之间经过能量、物质、信息等联络而组成含有动植物）之间经过能量、物质、信息等联络而组成含有一定结构和功效开放系统。一定结构和功效开放系统。如：活性污泥微生物生态系统如：活性污泥微生物生态系统 “生物膜生物膜”微生物生态系统等。微生物生态系统等。第1页一、水体中微生物一、水体中微生物（1）水体中微生物起源：）水体中微生物起源：水体中固有微生物，水体中固有微生物，来自土壤微生物，来自土壤微生物，来自空气微生物，来自生产和生活微生物。来自空气微生物，来自生产和生活微生物。（2）水体中微生物群落：）水体中微生物群落：海水微生物群落，海水微生物群落，淡水微生物群落。淡水微生物群落。第2页二、水体自净和污染水体微生物生态二、水体自净和污染水体微生物生态（1）水体自净）水体自净 水体自净：水体自净：河流（水体）接纳了一定量有机污染物河流（水体）接纳了一定量有机污染物后，在物理、化学和水生物（微生物、动物和植物）后，在物理、化学和水生物（微生物、动物和植物）等原因综合作用下得到净化，水质恢复到污染前水等原因综合作用下得到净化，水质恢复到污染前水平和状态，这叫水体自净。平和状态，这叫水体自净。自净容量：自净容量：是指在水体正常生物循环中能够净化有是指在水体正常生物循环中能够净化有机污染物最大数量。机污染物最大数量。自净过程：自净过程：污染物被稀释或沉淀，微生物作用，水污染物被稀释或沉淀，微生物作用，水体自净完成，溶解氧恢复。体自净完成，溶解氧恢复。第3页 自净过程：自净过程：污染物被稀释或沉淀，微生物作用，水体自净完污染物被稀释或沉淀，微生物作用，水体自净完成，溶解氧恢复。成，溶解氧恢复。第4页河流污染对水生物影响河流污染对水生物影响 第5页 衡量水体自净指标衡量水体自净指标nP/H 指数：指数：这是一个很方便指标，这是一个很方便指标，P 代表光代表光合自养型微生物，合自养型微生物，H 代表异养型微生物，二者比代表异养型微生物，二者比即即 P/H 指数。指数。P/H 指数反应水体污染和自净程指数反应水体污染和自净程度。度。n氧浓度昼夜改变幅度（氧垂曲线）：氧浓度昼夜改变幅度（氧垂曲线）：水体中溶水体中溶解氧由空气中氧溶于水而得到补解氧由空气中氧溶于水而得到补充，同时也靠光充，同时也靠光合自养型微生物光合作用放出氧得到补充。对于合自养型微生物光合作用放出氧得到补充。对于后一个氧起源，阳光照射是关键原因，夜晚由后一个氧起源，阳光照射是关键原因，夜晚由于光合作用停顿，会使水中溶解氧浓度下降，造于光合作用停顿，会使水中溶解氧浓度下降，造成白天和夜晚水中溶解氧浓度差异。成白天和夜晚水中溶解氧浓度差异。P/H 指数高，则溶解氧昼夜差异大，溶解氧浓指数高，则溶解氧昼夜差异大，溶解氧浓度昼夜差异增大即完成自净过程。度昼夜差异增大即完成自净过程。第6页（2）水体污染和污染水体微生物生态）水体污染和污染水体微生物生态 水体污染对生物影响：水体污染对生物影响：水体污染后，其中微生物将发生改变，这与污染水体污染后，其中微生物将发生改变，这与污染物数量和种类有亲密关系。物数量和种类有亲密关系。污化系统：污化系统：污染物排入水体后水质发生一系列改变，靠近污染污染物排入水体后水质发生一系列改变，靠近污染源往往污染较严重，因河水有自净能力，随距离增加河源往往污染较严重，因河水有自净能力，随距离增加河水逐步净化。依据这个原理，能够将水体划分为一系列水逐步净化。依据这个原理，能够将水体划分为一系列带：带：多污带、多污带、a-中污带、中污带、-中污带和寡污带。中污带和寡污带。第7页n多污带多污带n多污带位于排污口之后区段，水呈暗灰色，很多污带位于排污口之后区段，水呈暗灰色，很浑浊；浑浊；n含大量有机物，含大量有机物，BOD 高，溶解氧极低（或无）高，溶解氧极低（或无），为厌氧状态；，为厌氧状态；n在此处，有机物厌氧分解，产生在此处，有机物厌氧分解，产生 H2S、CO2和和 CH4 等气体；等气体；n水生生物种类极少，以厌氧菌和兼性厌氧菌为水生生物种类极少，以厌氧菌和兼性厌氧菌为主。主。第8页na-中污带中污带na-中污带在多污带下游，水为灰色；中污带在多污带下游，水为灰色；n溶解氧少，为半厌氧状态，有机物量降低，溶解氧少，为半厌氧状态，有机物量降低，BOD 下降；下降；n水面上有泡沫和浮泥，有水面上有泡沫和浮泥，有 NH3、氨基酸及、氨基酸及 H2S；n生物种类比多污带稍多。生物种类比多污带稍多。a-中污带处细菌数量中污带处细菌数量较多，有蓝类和原生动物出现。较多，有蓝类和原生动物出现。第9页n-中污带中污带n-中污带在中污带在 a-中污带之后，水浑浊度降低；中污带之后，水浑浊度降低；n有机物较少，有机物较少，BOD 和悬浮物含量低，溶解氧和悬浮物含量低，溶解氧浓度升高；浓度升高；n因为因为 NH3 和和 H2S 分别氧化为分别氧化为 NO3-和和 SO42-，二者含量均降低。二者含量均降低。n此处细菌数量降低，藻类大量繁殖，水生植物此处细菌数量降低，藻类大量繁殖，水生植物出现。出现。-中污带处，原生动物、后生动物及昆中污带处，原生动物、后生动物及昆虫出现。虫出现。第10页n寡污带寡污带n寡污带在寡污带在-中污带之后，它标志着河流自净过中污带之后，它标志着河流自净过程已完成；程已完成；n有机物全部无机化，有机物全部无机化，BOD 和悬浮物含量极低，和悬浮物含量极低，H2S 消失；消失；n细菌极少，水浑浊度低，溶解氧恢复到正常含细菌极少，水浑浊度低，溶解氧恢复到正常含量。量。n寡污带指示生物有藻类、原生动物、后生动物、寡污带指示生物有藻类、原生动物、后生动物、水生植物及鱼。水生植物及鱼。第11页 水体有机污染指标：水体有机污染指标：nBIP 指数指数 BIP=A：有叶绿素微生物数，：有叶绿素微生物数，B：无叶绿素微生物数。无叶绿素微生物数。值越高，表明水体中有机物含量越高。值越高，表明水体中有机物含量越高。BIP 值值 水质评价水质评价 0 8 清洁水清洁水 8 20 轻度污染水轻度污染水 20 60 中度污染水中度污染水 60 100 严重污染水严重污染水 第12页n细菌菌落总数（细菌菌落总数（CFU）细菌菌落总数：细菌菌落总数：是指是指 lmL水样在营养琼脂培养基中，于水样在营养琼脂培养基中，于 37 培养培养 24h 后所生长出来细菌菌落总数。后所生长出来细菌菌落总数。它用于指示被检水源水受有机物污染程度。它用于指示被检水源水受有机物污染程度。在饮用水中所测得细菌菌落总数除说明水被生活废在饮用水中所测得细菌菌落总数除说明水被生活废物污染程度外，还指示该饮用水能否饮用。物污染程度外，还指示该饮用水能否饮用。但水源水中细菌菌落总数不能说明污染起源。但水源水中细菌菌落总数不能说明污染起源。所以，结合大肠菌群数以判断水污染源和安全程度更所以，结合大肠菌群数以判断水污染源和安全程度更全方面。全方面。第13页n总大肠菌群（大肠菌群、大肠杆菌群）总大肠菌群（大肠菌群、大肠杆菌群）粪便污染是水体中致病性微生物主要起源，大肠粪便污染是水体中致病性微生物主要起源，大肠菌群数量表示有两种方法：菌群数量表示有两种方法：n一是一是“大肠菌群数大肠菌群数”，亦称，亦称“大肠菌群指数大肠菌群指数”，即即 1L 水中所含大肠菌群数量；水中所含大肠菌群数量；n另一方法是另一方法是“大肠菌群值大肠菌群值”，为水样中可检出，为水样中可检出 1 个大肠菌群最小水样体积（毫升数）。个大肠菌群最小水样体积（毫升数）。n二者关系为：二者关系为：大肠菌群值大肠菌群值=第14页n微型生物监测微型生物监测 水体中微型生物，包含原生动物、藻类及微型后水体中微型生物，包含原生动物、藻类及微型后生动物，与水体污染情况有着亲密关系。生动物，与水体污染情况有着亲密关系。采取采取 PFU（Polyurethane Foam Unit，简称，简称 PFU）方法，对水体内微型生物富集后进行测定。）方法，对水体内微型生物富集后进行测定。本方本方法采取含有些人工基质一定大小聚氨酯泡沫法采取含有些人工基质一定大小聚氨酯泡沫塑料块群集水体中微型生物群落，在水中暴露一定时塑料块群集水体中微型生物群落，在水中暴露一定时间后，把间后，把 PFU 内水（含微型生物群落）挤出来，置内水（含微型生物群落）挤出来，置于烧杯中，测定微型生物群落中各种结构功效参数，根于烧杯中，测定微型生物群落中各种结构功效参数，根据参数改变，评价水质。据参数改变，评价水质。第15页（3）水体富营养化）水体富营养化 水体富营养化水体富营养化：在水体中，普通氮和磷是藻类生长限制因子，在在水体中，普通氮和磷是藻类生长限制因子，在贫营养水体中，因为营养物质（主要是氮、磷）有贫营养水体中，因为营养物质（主要是氮、磷）有限，水体内自养型藻类生长受到限制，水质保持比较限，水体内自养型藻类生长受到限制，水质保持比较清洁状态。但清洁状态。但因为一些原因，尤其是人类活动，使因为一些原因，尤其是人类活动，使营养物质伴随排入污染物质大量进入水体，结果造成营养物质伴随排入污染物质大量进入水体，结果造成水体中藻类过量繁殖，水体出现富营养化水体中藻类过量繁殖，水体出现富营养化。当氮到达当氮到达0.3mg/L 以上和磷到达以上和磷到达 0.02mg/L 以上以上时，水环境最适合藻类生长，出现富营养化。时，水环境最适合藻类生长，出现富营养化。第16页 当水体发生富营养化时，藻类大量繁殖，不过藻类当水体发生富营养化时，藻类大量繁殖，不过藻类种类极少，往往以蓝藻（蓝细菌）占优势，主要是微种类极少，往往以蓝藻（蓝细菌）占优势，主要是微囊藻属、腔球藻属和鱼腥藻属等。囊藻属、腔球藻属和鱼腥藻属等。营营养状养状态态总总磷磷(mg/L)无机氮无机氮(mg/L)营营养状养状态态总总磷磷(mg/L)无机氮无机氮(mg/L)极极贫营贫营养养 0.0050.11.5中中营营养养0.01 0.030.3 0.65水域营养状态分类水域营养状态分类 第17页 水体富营养化评价水体富营养化评价 评价水体富营养化方法有：评价水体富营养化方法有：n观察蓝藻等指示生物；观察蓝藻等指示生物；n测定生物量；测定生物量；n测定原初生产力；测定原初生产力；n测定透明度；测定透明度；n测定测定 N、P 等营养物质。等营养物质。普通将五方面指标综合起来对水体富营养普通将五方面指标综合起来对水体富营养化状态做出全方面、充分评价。化状态做出全方面、充分评价。第18页 水体富营养化防治水体富营养化防治 对生活污水处理厂出水要求氨氮控制在对生活污水处理厂出水要求氨氮控制在 15mg/L 以下，总磷控制在以下，总磷控制在 lmg/L 以下。以下。发生富营养化过程和机理十分复杂，当前人们发生富营养化过程和机理十分复杂，当前人们认识还极少，需要加强对水体富营养化研究，探索其认识还极少，需要加强对水体富营养化研究，探索其发生机理，及时预报，降低其对人类生活和生产造成发生机理，及时预报，降低其对人类生活和生产造成损失。损失。第19页三、微生物之间相互关系三、微生物之间相互关系 生物之间相互关系能够归纳为三种情况：生物之间相互关系能够归纳为三种情况：n一个生物生长和代谢，对另一个生物产生有利影一个生物生长和代谢，对另一个生物产生有利影响，或相互有利；响，或相互有利；n一个生物对另一个生物产生不利作用，或相互有一个生物对另一个生物产生不利作用，或相互有害；害；n两种生物生活在一起，无主要或有意义相互影响。两种生物生活在一起，无主要或有意义相互影响。第20页（1）互生关系互生关系：两种不一样种生物生活在一起时，一方为另一方提两种不一样种生物生活在一起时，一方为另一方提供有利生活条件。彼此又能单独生活。供有利生活条件。彼此又能单独生活。如：氧化塘中藻类和细菌。如：氧化塘中藻类和细菌。CO2+光光 O2 好氧细菌好氧细菌无机物，二氧化碳无机物，二氧化碳废水中有机物废水中有机物藻类藻类第21页（2）共生关系：共生关系：两种不一样种生物共同生活在一起，相互依赖，形两种不一样种生物共同生活在一起，相互依赖，形成一个相互分工生理整体不能分开。成一个相互分工生理整体不能分开。（3）猎食关系）猎食关系：一个生物以另一个生物为食料。一个生物以另一个生物为食料。比如，原生动物和细菌间。比如，原生动物和细菌间。原生动物吃掉一部分细菌，促进生物凝聚作用，原生动物吃掉一部分细菌，促进生物凝聚作用，使出水清澈。但细菌被吃过多或活性污泥结构破坏过使出水清澈。但细菌被吃过多或活性污泥结构破坏过大，就会产生不利影响。大，就会产生不利影响。第22页（4）寄生关系）寄生关系 一个生物生活在另一个生物体内，取得营养用以生一个生物生活在另一个生物体内，取得营养用以生长和繁殖。但使后者生长受到影响。长和繁殖。但使后者生长受到影响。如：细菌和噬菌体。如：细菌和噬菌体。（5）拮抗关系）拮抗关系 一个微生物产生不利于另一个微生物生存代谢产一个微生物产生不利于另一个微生物生存代谢产物，该代谢产物能使另一个微生物生长受抑制甚至死物，该代谢产物能使另一个微生物生长受抑制甚至死亡。亡。比如：青霉产生青霉素抑制细菌生长繁殖比如：青霉产生青霉素抑制细菌生长繁殖第23页第四章第四章 微生物遗传变异与基因工程微生物遗传变异与基因工程4.1 微生物遗传与变异微生物遗传与变异一、微生物遗传与变异一、微生物遗传与变异遗传：遗传：是指生物亲代传递给其子代一套遗传信息特征。是指生物亲代传递给其子代一套遗传信息特征。变异：变异：生物体在遗传信息传递过程中，一些遗传信息发生生物体在遗传信息传递过程中，一些遗传信息发生 改变，称为变异。改变，称为变异。遗传型：遗传型：生物体所携带全部遗传因子或基因总称。生物体所携带全部遗传因子或基因总称。表型：表型：含有一定遗传型个体，在特定外界环境中，经过含有一定遗传型个体，在特定外界环境中，经过 生长和发育所表现出来种种形态和生理特征总和。生长和发育所表现出来种种形态和生理特征总和。饰变：饰变：一样遗传型生物，在不一样外界条件下，会展现不一一样遗传型生物，在不一样外界条件下，会展现不一样表型。（不能遗传）样表型。（不能遗传）第24页（1）遗传物质在细胞中存在方式）遗传物质在细胞中存在方式n细胞水平：大部或几乎全部细胞水平：大部或几乎全部DNA都在细胞核或核都在细胞核或核质体中。质体中。n细胞核水平：除了核或核质体外，在细胞质中还存细胞核水平：除了核或核质体外，在细胞质中还存在着一些能自主复制另一类遗传物质，广义地讲，在着一些能自主复制另一类遗传物质，广义地讲，它们都可称作质粒。（抗药性因子，它们都可称作质粒。（抗药性因子，R因子）因子）n染色体水平：不一样生物体在一个细胞核内，往往染色体水平：不一样生物体在一个细胞核内，往往有不一样数目标染色体。有不一样数目标染色体。n核酸水平：大多数生物遗传物质是核酸水平：大多数生物遗传物质是DNA，只有部，只有部分病毒遗传物质是分病毒遗传物质是RNA。第25页n基因水平：在生物体内，一切含有自主复制能力遗基因水平：在生物体内，一切含有自主复制能力遗传功效单位，都可称为基因。传功效单位，都可称为基因。n密码子水平：遗传密码就是指密码子水平：遗传密码就是指DNA链上各个核苷链上各个核苷酸特定排列次序，每个密码子是由三个核苷酸次序酸特定排列次序，每个密码子是由三个核苷酸次序决定，它是负载遗传信息基本单位。决定，它是负载遗传信息基本单位。“起读起读”：AUG，“终止终止”：UAA,UGA,UAG。n核苷酸水平：核苷酸水平：DNA 组分中，都只有腺苷酸（组分中，都只有腺苷酸（A MP）、胸苷酸（）、胸苷酸（TMP）、鸟苷酸（）、鸟苷酸（GMP）和胞苷）和胞苷酸（酸（CMP）4 种脱氧核苷酸。种脱氧核苷酸。RNA中，中，A、G、C、U。第26页（2）基因突变）基因突变 突变：突变：就是遗传物质中核苷酸次序突然发生了就是遗传物质中核苷酸次序突然发生了稳定可遗传改变。稳定可遗传改变。突变包含基因突变（又称点突变）和染色体畸变突变包含基因突变（又称点突变）和染色体畸变两类。两类。基因突变：基因突变：是因为是因为DNA链上一对或少数几对碱链上一对或少数几对碱基发生改变而引发。基发生改变而引发。染色体畸变：染色体畸变：是是 DNA 大段改变（损伤）现象，大段改变（损伤）现象，表现为染色体添加即插入、缺失、重复、易位和倒表现为染色体添加即插入、缺失、重复、易位和倒位。位。第27页n基因突变特点：基因突变特点：n不对应性；不对应性；n稀有性；稀有性；n自发性；自发性；n独立性；独立性；n诱变性；诱变性；n可逆性；可逆性；n稳定性。稳定性。第28页n 突变机制：突变机制：凡能显著提升突变频率理化因了，都可称为诱变剂。凡能显著提升突变频率理化因了，都可称为诱变剂。n诱变机制：诱变机制：碱基正确置换（转换、颠换），碱基正确置换（转换、颠换），移码突变，移码突变，染色体畸变。染色体畸变。n自发突变机制：自发突变机制：背景辐射和环境原因诱变，背景辐射和环境原因诱变，微生物本身代谢产物诱变。微生物本身代谢产物诱变。第29页突变机制突变机制第30页（3）突变与育种）突变与育种n自发突变与育种：自发突变与育种：从生产中选育；从生产中选育；定向培育优良菌种（驯化）。定向培育优良菌种（驯化）。法国卡尔密脱（法国卡尔密脱（Calmette）和介林（）和介林（Guerin）两人曾把牛型结核杆菌接在牛胆汁、甘油马铃薯培养基两人曾把牛型结核杆菌接在牛胆汁、甘油马铃薯培养基上，他们坚韧不拔地连续移种了上，他们坚韧不拔地连续移种了 230 多代，前后用了多代，前后用了 13 年时间，直至年时间，直至1923 年才终于取得显著减毒结核杆年才终于取得显著减毒结核杆菌菌卡介苗卡介苗（BCG）。）。第31页n诱变育种：诱变育种：是利用物理或化学诱变剂处理均匀分散微生物是利用物理或化学诱变剂处理均匀分散微生物细胞群，促进其突变频率大幅度提升，然后设法采取细胞群，促进其突变频率大幅度提升，然后设法采取简便、快速和高效筛选方法，从中挑选少数符合育种简便、快速和高效筛选方法，从中挑选少数符合育种目标突变株，以供生产实践或科学试验之用。目标突变株，以供生产实践或科学试验之用。第32页二、基因工程原理及其在水处理中应用二、基因工程原理及其在水处理中应用（1）基因重组）基因重组 基因重组是把来自不一样性状个体细胞遗传物质基因重组是把来自不一样性状个体细胞遗传物质转移到一起，使基因重新组合，产生新品种。转移到一起，使基因重新组合，产生新品种。n转化：转化：受体细胞直接吸收来自供体细胞受体细胞直接吸收来自供体细胞 DNA 片段，并片段，并把它整合到自己基因组里，从而取得供体细胞部分遗把它整合到自己基因组里，从而取得供体细胞部分遗传性状现象，称为转化。传性状现象，称为转化。第33页转化全过程示意图转化全过程示意图 第34页n 转导：转导：以完全或部分缺点噬菌体作为媒介，把供体细胞以完全或部分缺点噬菌体作为媒介，把供体细胞 DNA 片段转移到受体细胞中去，并使后者发生遗传变片段转移到受体细胞中去，并使后者发生遗传变异，这种现象称为转导。异，这种现象称为转导。n普遍性转导：普遍性转导：经过完全缺点噬菌体对供菌体任何经过完全缺点噬菌体对供菌体任何 DNA 片段片段“误包误包”。n不足转导：不足转导：经过部分缺点温和噬菌体把供体菌少经过部分缺点温和噬菌体把供体菌少数特定基因携带到受体菌中。数特定基因携带到受体菌中。第35页n结合：结合：供体菌和受体菌之间直接接触，前者部分供体菌和受体菌之间直接接触，前者部分 DNA 进入后者细胞内，并与其核染色体发生交换、整进入后者细胞内，并与其核染色体发生交换、整合，从而使后者取得供体菌遗传性状，这种现象称为合，从而使后者取得供体菌遗传性状，这种现象称为结合，也称为杂交。结合，也称为杂交。n原生质体融合：原生质体融合：经过人为方法，使遗传性状不一样两个细胞原生经过人为方法，使遗传性状不一样两个细胞原生质体发生融合，进而发生遗传重组，并产生同时带有双质体发生融合，进而发生遗传重组，并产生同时带有双亲性状融合体过程。这种方法克服了传统杂交方法亲性状融合体过程。这种方法克服了传统杂交方法所面临远缘杂交障碍。所面临远缘杂交障碍。第36页（2）基因工程原理）基因工程原理基因工程：基因工程：是用人为方法将所需要某一供体生物遗传物质是用人为方法将所需要某一供体生物遗传物质DNA大分子提取出来，在离体条件下进行切割后，把它大分子提取出来，在离体条件下进行切割后，把它和作为载体和作为载体DNA分子连接起来，然后导入某一受体细分子连接起来，然后导入某一受体细胞中，从而取得一个新物种一个崭新育种技术。胞中，从而取得一个新物种一个崭新育种技术。基因工程主要操作步骤：基因工程主要操作步骤：基因分离，体外重组，载体导入，复制、表示，筛基因分离，体外重组，载体导入，复制、表示，筛选、繁殖。选、繁殖。第37页第38页（3）基因工程在水处理中应用）基因工程在水处理中应用 科学家已经成功地应用基因工程技术制造出许多对科学家已经成功地应用基因工程技术制造出许多对污染物含有降解功效微生物，并在一些领域中得到成污染物含有降解功效微生物，并在一些领域中得到成功利用。功利用。ABABACBC3种不一样降解质粒接合在同一受体假单胞菌中模式种不一样降解质粒接合在同一受体假单胞菌中模式第39页