微生物的生长繁殖规律和生存因子及其在水处理中的应用.pptx

第六章第六章 微生物的生长繁殖微生物的生长繁殖与生存因子与生存因子内容提要1.微生物生长繁殖的概念2.微生物生长繁殖的测定方法3.微生物的典型生长曲线及不同时期的特点4.微生物的连续培养方法和应用5.温度、pH、溶解氧、氧化还原电位等微生物的生存因子6.1 6.1 微生物的生长繁殖微生物的生长繁殖6.1.1 微生物生长繁殖的概念1.生长、繁殖生长、繁殖生长：微生物细胞的增长。（单细胞、多细胞）繁殖：微生物个体数目的增加。(裂殖)群体生长：个体的进一步生长，就引起了群体的生长；群体的生长可以用重量重量、体积体积、个体浓度个体浓度或密度密度指标来测定。群体生长个体生长+个体繁殖一般微生物的研究和应用中，只有群体的生长才有意义，所以通常讲的“生长”是指群体生长群体生长。（1）概念两次细胞分裂的时间间隔，称为世代时间世代时间。（2）影响世代时间受培养环境的影响。不同的微生物，生长繁殖速度不同，世代时间也有不同。2.2.世代时间世代时间6.1.2 6.1.2 测定微生物繁殖的方法测定微生物繁殖的方法一、测生长量直接法间接法测体积称干重比浊法生理指标法（测含氮量）比例计数法血球计数法直接法间接法液体稀释法平板菌落计数法二、测繁殖数1 培养方法培养方法分批培养：一定一定的环境下，微生物在一个一个有液体培养基的容器内生长繁殖。连续培养：流入新鲜培养基的同时不断流出培养物的培养方式。6.1.3 6.1.3 微生物的生长规律微生物的生长规律个体微生物生长个体微生物生长群体微生物生长群体微生物生长2、典型生长曲线：、典型生长曲线：将菌种接种在液体培养基中隔一定时间取样，计算菌数，以菌数的对数为纵坐标，生长时间为横坐标作图。包括包括延滞期、指数期、稳定期和衰亡期等四个时期典型生长曲线，只适用于单细胞微生物如细菌和酵母菌，对于典型生长曲线，只适用于单细胞微生物如细菌和酵母菌，对于丝状生长的真菌或放线菌，只能获得非典型的生长曲线丝状生长的真菌或放线菌，只能获得非典型的生长曲线 一个细胞分裂的例子设细胞分裂时，每1个细胞分裂成2个，那么从一个细胞开始，细胞的数量是1248.，分裂x次时，细胞数y为yx-1y=2xO123-2-3y=2xyx-1O123-2-3（1 1）延滞期）延滞期又称停滞期、调整期或适应期。指少量微生物接种到新培养液中后，在开始培养的一段时间内细胞数目不增加的时期。特点：特点：生长生长速率常数等于零。细胞形态变大或增长细胞内RNA尤其是rRNA含量增高，原生质呈嗜碱性。合成代谢活跃。对外界不良条件反应敏感。如何知道处于对数期影响延滞期长短的因素：接种龄 接种龄即“种子”的群体生长年龄，亦即它处在生长曲线上的哪一个阶段。实验证明，如果以对数期对数期接种龄的“种子”接种，则子代培养物的延滞期就短。接种量 接种量的大小明显影响延滞期的长短。（基数大）培养基成分 接种到营养丰富的天然培养基中的微生物，要比接种到营养单调的组合培养基中的延滞期短。（2）指数期）指数期 又称对数期，是指在生长曲线中，紧接着延滞期的一个细胞以几何级数速度分裂的一段时期。特点：特点：生长速率常数R最大，因而细胞每分裂一次所需的代时G或原生质增加一倍所需的倍增时间最短；细胞进行平衡生长，菌体内各种成分最为均匀；酶系活跃，代谢旺盛。指数期的微生物可作为代谢、生理等研究的良好材料，是发酵生产中用作“种子”的最佳种龄。繁殖代数n：x2=x12n以对数表示：lgx2=lgx1+nlg2 生长速率常数R世代时间G指数生长期的三个参数（3）稳定期）稳定期 又称静止期或最高生长期。特点：特点：细胞数目不增加(R=0)，即处于新繁殖的细胞数与衰亡的细胞数相等，或正生长与负生长相等的动态平衡之中。菌体产量达到了最高点，而且菌体产量与营养物质的消耗间呈现出一定的比例关系细胞长、大代谢旺盛(RNA含量增加)诱导酶迅速合成对不良条件敏感，抵抗力降低稳定期到来的原因主要是：稳定期到来的原因主要是：营养物尤其是生长限制因子的耗尽；营养物的比例失调，例如CN比值不合适等；有害代谢产物的累积；pH、氧化还原势等物化条件越来越不适宜，等等。在稳定期时，细胞开始贮存糖原、异染颗粒和脂肪等贮藏物；多数芽孢杆菌在这时开始形成芽孢；有的微生物在稳定期时还开始合成抗生素等次生代谢产物。应用应用 稳定期是以生产菌体或与菌体生长相平行的代谢产物的最佳收获期，也是对某些生长因子例如维生素和氨基酸等进行生物测定的必要前提。此外，由于对稳定期到来的原因进行研究，还促进了连续培养技术的设计和研究。注意三条曲线：生长曲线、底物消耗曲线、代谢产物合成曲线。（4）衰亡期）衰亡期 特点：个体死亡的速度超过新生的速度(繁殖数死亡数)，整个群体就呈现出负生长（R0）。细胞形态多样，例如会产生很多膨大、不规则的退化形态；有的微生物因蛋白水解酶活力的增强就发生自溶；有的微生物在这时产生或释放对人类有用的抗生素等次生代谢产物；在芽孢杆菌中，芽孢释放往往也发生在这一时期产生衰亡期的原因主要是外界环境对继续生长越来越不利，从而引起细胞内的分解细胞内的分解代谢大大超过合成代谢，继而导致菌体死亡。如：营养物耗尽，细菌利用贮存颗粒进行内源呼吸造成自身溶解；有毒代谢物积累，抑制细菌生长等。活性污泥法的微生物的生长规律和纯菌种的一致，生长曲线也相似；一般划为三个阶段：生长上升阶段、生长下降阶段、内源呼吸阶段3.3.连续培养微生物的生长规律连续培养微生物的生长规律两种连续培养方式：恒浊连续培养：维持培养液中细菌的浓度恒定。恒化连续培养：维持进水中营养成分恒定。适合污水生物处理。连续培养装置示意图目前目前,污水连续生物处理法均类似于污水连续生物处理法均类似于恒化连续恒化连续培养培养；（流速不完全恒定）；（流速不完全恒定）恒浊器恒浊器：这是根据培养器内微生物的生长密度，并借借光电控制系统光电控制系统来控制培养液流速，以取得菌体密度高、生长速度恒定的微生物细胞的连续培养器。在恒浊器中的微生物，始终能以最高生长速率进行生长，并可在允许范围内控制不同的菌体密度。连续培养的设备恒化器恒化器：与恒浊器相反，恒化器是一种设法使培养液流速保持不变，并使微生物始终在低于其最高生长速率条件下进行生长繁殖的一种连续培养装置。通过控制某一种营养物的浓度，使其始终成为生长限制因子的条件下达到的。在连续培养中，微生物的生长状态和规律与分批培养不同，往往是处在相当于分批培养中生长曲线的某一生长阶段。如：废水生物处理的连续运行过程中，活性污泥中的微生物处在相当于分批培养生长曲线的生长阶段：加速期或对数期，或静止期或衰亡期。连续培养微生物的生长规律污水连续处理中，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，但要以某种状态为主。4.4.生长曲线在污水生物处理中的应用生长曲线在污水生物处理中的应用进水进水对数期对数期衰老期衰老期平平推推流流式式活活性性污污泥泥法法稳定期稳定期占优势占优势废水生物处理设计时，按废水的水质情况，可利用不同阶段的微生物处理废水。如：如：常规活性污泥法，生长下降生长下降阶段（减速、静止期）?生物吸附法，生长下降阶段（静止期）高负荷活性污泥法，生长上升阶段（对数期），和生长下降阶段（减速期）延时曝气法处理低浓度有机废水，利用衰亡期微生物6.2 6.2 微生物的生存因子微生物的生存因子 微生物正常生存，需要营养，除此以微生物正常生存，需要营养，除此以外，还需要合适的温度、外，还需要合适的温度、pHpH、氧气等环境、氧气等环境条件。条件。一、一、温度温度 温度是微生物最重要的生存条件之一。当处于最佳范围温度是微生物最重要的生存条件之一。当处于最佳范围时，每上升时，每上升1010，酶促反应速度提高，酶促反应速度提高1 12 2倍。代谢速率和生倍。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。微生物对温度的要求不同。极端温度对微生物的影响极端温度分高温和低温，影响有所不同。高温的影响 在高温时，微生物的蛋白质会发生凝固变性，呈不可逆的变性，导致微生物的死亡。通常，可以利用高温对微生物的影响来达到杀灭微生物的目的。灭灭菌菌是指杀死一切微生物；而消消毒毒仅是杀死致病微生物。高温灭菌的方法有：灼烧、干热灭菌和湿热灭菌。灭菌的效果取决于细菌中最耐热的结构芽孢。高温消毒的方法：煮沸、巴氏消毒法等实验室所用高压蒸汽灭菌锅低温的影响低温下，微生物的代谢活力低，生长缓慢或停止，但不致死。处于低温下的微生物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4零下18，可以用于保存一般的生物样品。而有的样品需要比较低的温度，甚至低达零下70，或更低（如使用液氮，可以达到零下196）细菌最低温度（）最适温度（）最高温度（）嗜冷菌505102030嗜中温菌51025404550嗜热菌3050607080嗜超热菌55以上70105110113低温、中温和高温细菌的生长温度范围低温、中温和高温细菌的生长温度范围 所有微生物中，多部分是嗜中温菌，其他所有微生物中，多部分是嗜中温菌，其他较少。较少。污水处理系统中，为了保证微生物能够处污水处理系统中，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。一般控制在度。一般控制在20203030左右。左右。冬天，需要进行加热处理。冬天，需要进行加热处理。如何加热如何加热？嗜冷菌，最适合在嗜冷菌，最适合在515，甚至很多细菌可，甚至很多细菌可以在以在0以下正常生存。以下正常生存。可以解释冰箱中冷藏的蔬菜、水果发霉变质腐可以解释冰箱中冷藏的蔬菜、水果发霉变质腐烂的原因。烂的原因。小结：小结：微生物的培养应该在最佳温度范围进行。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。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。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。温度升高时，活性即可恢复。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6.57.5，适应范围410；一般要求中性或偏碱性；放线菌：最佳7.58.0，一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36的环境。生长极限：1.510。二、二、pH1.污水处理生物处理构筑物内pH控制在6.58.5之间。2.微生物培养过程中，培养基的pH值下降或上升，如何调控？（加入缓冲物质，或通过在线监测用泵加酸或碱）3.污泥厌氧处理时，也要控制好pH，一般在6.67.6，最好控制在6.87.2之间。小结小结三、氧化还原电位三、氧化还原电位用Eh表示，单位为V或mV。氧化环境时，Eh为正，充满氧气时，上限为+820mV；还原环境时，mV为负，充满氢气时，下限为-400 mV。不同微生物要求的氧化还原电位不同：1.一般好氧微生物：+300+400 mV，大于+100 mV，才能生活。2.兼性菌：+100 mV为槛，大于时进行好氧呼吸，小于时进行无氧呼吸。3.厌氧菌：200250 mV。对于好氧生物处理系统，对于好氧生物处理系统，对于好氧生物处理系统，对于好氧生物处理系统，E E E Eh h h h 处于处于处于处于+200+200+200+200+600mV+600mV+600mV+600mV视为正常。视为正常。视为正常。视为正常。如果，出水中如果，出水中如果，出水中如果，出水中E E E Eh h h h下降，处理效果不佳。下降，处理效果不佳。下降，处理效果不佳。下降，处理效果不佳。四、溶解氧四、溶解氧微生物微生物与氧气与氧气的关系的关系好氧微生物好氧微生物厌氧微生物厌氧微生物兼性微生物兼性微生物专性好氧微生物专性好氧微生物微量好氧微生物微量好氧微生物专性厌氧氧微生物专性厌氧氧微生物耐氧厌氧微生物耐氧厌氧微生物（一）（一）好氧微生物好氧微生物必须有氧才能生存，氧气对于好氧微生物的作用：必须有氧才能生存，氧气对于好氧微生物的作用：1.1.最终电子受体；最终电子受体；2.2.参与物质合成参与物质合成好氧微生物做好氧呼吸时，会产生毒害物质如：过氧化好氧微生物做好氧呼吸时，会产生毒害物质如：过氧化氢、过氧化物羟自由基等。但由于好氧微生物体内也有氢、过氧化物羟自由基等。但由于好氧微生物体内也有相应的酶可以分解上述物质，因此，好氧微生物可以在相应的酶可以分解上述物质，因此，好氧微生物可以在氧气条件下正常生存。氧气条件下正常生存。好氧微生物所需要的氧气是溶解在水中的氧气，即好氧微生物所需要的氧气是溶解在水中的氧气，即DODO。溶解氧与大气压力及温度有关，温度越高，溶解氧越溶解氧与大气压力及温度有关，温度越高，溶解氧越低。压力？低。压力？好氧生物处理系统中，为了保证微生物的正常工作，必须为它们提供足够的溶解氧。工程上，通常采用鼓风曝气的形式向水中强制充氧。反应器中，采用何种方式？反应器中，采用何种方式？对于生活污水厂，BOD5200300mg/L。如果曝气池的活性污泥浓度在20003000mg/L时，溶解氧必须保证在2mg/L以上。通常控制在34mg/L。当供氧不足时，也会造成污泥的丝状菌膨胀。可分为两种，一种有氧就要死亡；另一种，有氧可分为两种，一种有氧就要死亡；另一种，有氧无氧无所谓，生活过程中，不会中毒也不利用氧。无氧无所谓，生活过程中，不会中毒也不利用氧。通常说的厌氧菌多指第一种，称为专项厌氧菌。通常说的厌氧菌多指第一种，称为专项厌氧菌。它在有氧条件下，代谢过程中会产生过氧化氢，它在有氧条件下，代谢过程中会产生过氧化氢，但体内不具有过氧化氢酶，专性厌氧微生物将被但体内不具有过氧化氢酶，专性厌氧微生物将被过氧化氢杀死。过氧化氢杀死。（二）厌氧微生物（二）厌氧微生物厌氧微生物在培养时，培养基必须保证无氧。厌氧微生物在培养时，培养基必须保证无氧。方法：方法：（1）惰性气体驱氧：氮气或氦气。惰性气体驱氧：氮气或氦气。（2）用胶塞密封培养装置，并在容器中加入氧化还原）用胶塞密封培养装置，并在容器中加入氧化还原性颜料（甲基蓝或刃天青），当在还原态时无色，氧性颜料（甲基蓝或刃天青），当在还原态时无色，氧化态时显色。一旦显色，说明有氧存在。化态时显色。一旦显色，说明有氧存在。（3）可在培养装置中预先加入些兼性微生物混合培养，）可在培养装置中预先加入些兼性微生物混合培养，一旦有氧，可被兼性细菌消耗掉。一旦有氧，可被兼性细菌消耗掉。（三）兼性厌氧菌（三）兼性厌氧菌有氧无氧都能生存。有氧无氧都能生存。作用：作用：1.积极作用：积极作用：a.污水处理污水处理 溶解氧充足时，好氧菌与兼性菌都起作用，当供氧故溶解氧充足时，好氧菌与兼性菌都起作用，当供氧故障时，兼性菌仍可起作用，但不如有足够溶解氧时处理效障时，兼性菌仍可起作用，但不如有足够溶解氧时处理效果好。果好。b.水解酸化水解酸化 c.脱氮脱氮2.消极作用：消极作用：a.土壤脱氮，土壤脱氮，N素损失，土壤肥力下降。素损失，土壤肥力下降。b.产生亚硝酸胺产生亚硝酸胺 氧气与微生物的关系氧气与微生物的关系类型与O2关系代谢类型专性好氧必须有氧好氧呼吸微好氧有氧，含量低好氧呼吸兼性可有、可无有氧呼吸或发酵专性厌氧氧有毒害或致死无氧呼吸耐氧可在有氧下存活，不用氧气发酵1.辐射2.水的活度3.渗透压3.表面张力（如：表面活性剂）五、其它因子五、其它因子五、水的活度与渗透压水的活度aw是用来衡量水的被吸附和溶液因子对水的可利用性的影响的指标，表示在一定温度（如25）下，某溶液或物质在与一定空间空气相平衡时的含水量与饱和空气水量的比值。大多数微生物在aw为0.950.99时生长最好。干燥能使微生物体内的蛋白质变性，引起代谢活动的停止，所以干燥会影响微生物的活性以至生命力。不同微生物对干燥的抗性差别很大，细菌的芽孢、藻类和真菌的孢子及原生动物的胞囊抗性较强。也可以用干燥的方法来保存微生物样品。微生物在不同渗透压的溶液中呈不同的反应：微生物在不同渗透压溶液中的反应六、超声波对微生物的影响超声波是频率超过20000HZ的声波，人耳听不见。超声波具有强烈的生物学效应，能破坏细胞。常用来破坏细胞壁，制成细菌裂解液。七、重金属对微生物的影响 汞、银、铜、铅及其化合物，能使蛋白质发生沉淀变性，使酶失去活性，而可以用来作为杀菌和防腐。八、若干化学物质对微生物的影响1醇醇是脱水剂和脂溶剂，可使蛋白质脱水、变性，溶解细胞质膜的脂类物质，进而杀死微生物机体。体积分数为70%左右的乙醇杀菌力最强。原因：2甲醛甲醛是很有效的杀菌剂，对细菌、真菌及其孢子和病毒均有效。甲醛是气体，质量浓度为370-400g/L的甲醛水溶液称为福尔马林。3表面活性剂 常用的有酚、新洁尔灭、合成洗涤剂及染料等。表面活性剂能降低溶液的表面张力，从而对微生物产生影响。九、抗生素对微生物的影响许多微生物在代谢过程中产生能杀死其他微生物或抑制其他微生物生长的化学物质，即抗生素。抗生素有广谱和狭谱之分抗生素对微生物的影响有以下四方面：(1)抑制微生物细胞壁合成:如青霉素、头孢菌素、万古霉素等；(2)破坏微生物的细胞质膜:如多粘菌素；(3)抑制蛋白质合成:如氯霉素、红霉素、四环素等；(4)干扰核酸的合成:如利福霉素。微生物对抗生素的影响会产生抗性。特别是在抗生素被大量使用之后，由于微生物本身的变异，而产生抗性，使抗生素的作用失效。为此，人们不得不增加使用抗生素的剂量或去寻找新的抗生素，这是一个很严重的问题。思考1.典型生长曲线的四个阶段是什么？各有什么应用？2.pH过高或过低对微生物生长有什么影响？为什么污水生物处理的pH一般要维持在6.5以上？3.微生物培养过程中，什么原因使培养基pH下降？什么原因使pH上升？在生产中如何调节控制pH？4.好氧微生物培养中，如何控制溶氧浓度？