微生物-第七章-微生物的生长和遗传变异2.ppt

第一节第一节 微生物的生长和特性微生物的生长和特性生长生长微生物同化作用异化作用微生物同化作用异化作用个体增大个体增大微生物的裂殖微生物的裂殖个体数量增个体数量增多多繁殖繁殖生长繁殖基础条件联系紧密本节主要内容本节主要内容：一一 微生物生长的测定方法微生物生长的测定方法 二二 微生物的生长曲线微生物的生长曲线 三三 微生物的生长曲线与废水生物处理的关系微生物的生长曲线与废水生物处理的关系 四四 微生物膜的生长特性微生物膜的生长特性 显微镜直接计数显微镜直接计数涂片染色计数涂片染色计数血球计数器计数血球计数器计数 间接计数法间接计数法 平板菌落计数法（活菌计数法）平板菌落计数法（活菌计数法）液体计数法（统计学原理）液体计数法（统计学原理）测生长量法测生长量法细胞重量法细胞重量法：湿重与湿重与干重（干重（MLSS）光密度法光密度法 7.1.2 微生物生长的测定方法薄膜计数法薄膜计数法比例计数比例计数元素法等等元素法等等二二 微生物的生长曲线微生物的生长曲线微生物的生长有没有规律性？微生物的生长有没有规律性？有规律有规律微生物的生长曲线微生物的生长曲线：将少量将少量纯纯菌接种到菌接种到一定量一定量的液体的液体培养基内，在适宜的温度下培养，并培养基内，在适宜的温度下培养，并定时定时取样测定活微生取样测定活微生物的数目和重量的变化，以物的数目和重量的变化，以活微生物个数的对数活微生物个数的对数或或活活微生物重量微生物重量为纵坐标，以培养时间为横坐标作图，所得为纵坐标，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。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。这种培养方式为间歇培养或分批培养。问题：问题：微生物有几种生长曲线呢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（一）以活微生物数目的对数绘制的生长曲线适适应应期期对对数数期期稳稳定定期期 衰衰亡亡期期活菌数活菌数培养时间培养时间（h）微微生生物物数数目目的的对对数数n（1 1）适应）适应（缓慢）（缓慢）期期 n（2 2）对数期）对数期 n（3 3）稳定期）稳定期 n（4 4）衰亡期）衰亡期1 适应期（缓慢期）适应期（缓慢期）lag phaselag phase适应期适应期特点特点初初：细菌数目不增加，：细菌数目不增加，体积增长快。体积增长快。后后：个别菌体繁殖，：个别菌体繁殖，个数少许增加。个数少许增加。曲线平缓。大量诱导曲线平缓。大量诱导酶的合成酶的合成。v 应用：应用：缩短此期，提高设备利用率缩短此期，提高设备利用率 用处于对数期用处于对数期或代谢旺盛或代谢旺盛的活性污泥接种的活性污泥接种2 2 对数期对数期 log phase log phase对数期对数期分裂快，数目增多。分裂快，数目增多。活菌数活菌数 总菌数总菌数 直线上升直线上升 此时细胞的大小、此时细胞的大小、组成、生理特征等均组成、生理特征等均趋于一致，代谢活跃，趋于一致，代谢活跃，生长速率高，代时稳生长速率高，代时稳定。定。特点特点v 应用：应用：接种用的好种子接种用的好种子 但处理效果不是最好，因为但处理效果不是最好，因为微微生物活性大就不易凝聚和沉生物活性大就不易凝聚和沉淀；淀；要保证充足的食料，有机要保证充足的食料，有机物浓度要保持较高水平。物浓度要保持较高水平。3 3 稳定期稳定期stationary phasestationary phase稳定期 特点特点v 应用：应用：处于稳定期的污泥处于稳定期的污泥代谢活性和絮凝沉降性能均代谢活性和絮凝沉降性能均较好。较好。v发酵产物形成的重要时期发酵产物形成的重要时期（抗生素、氨基酸等），生（抗生素、氨基酸等），生产上应尽量延长此期，提高产上应尽量延长此期，提高产量。产量。储存物积累，养料储存物积累，养料消耗多。消耗多。芽孢形成，抗生素芽孢形成，抗生素产生。产生。繁殖速率下降，死繁殖速率下降，死亡速率上升。亡速率上升。新增菌新增菌死亡菌死亡菌 平坦平坦4 4 衰老期衰老期decline phase decline phase or death phaseor death phase衰亡期衰亡期菌体死亡速度大于菌体死亡速度大于繁殖速度。繁殖速度。死亡菌活菌数。死亡菌活菌数。自溶。自溶。内源呼吸内源呼吸 曲线下降曲线下降 特点特点微生物的生长曲线和废水生物处理的关系微生物的生长曲线和废水生物处理的关系v生长率上升阶段生长率上升阶段：微生物繁殖快，活力强，但是不容易凝聚：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。废水有机物浓度较高，出水水质不好。v生长率下降阶段生长率下降阶段：积累代谢产物，如异染颗粒、肝糖粒等，：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）降性好。（传统活性污泥运行范围）v内源呼吸阶段内源呼吸阶段：特殊水处理场合。特殊水处理场合。(如延时曝气及污泥消化如延时曝气及污泥消化)间歇培养：生长曲线的绘制间歇培养：生长曲线的绘制 连续培养：实际废水处理连续培养：实际废水处理 一方面连续进料，一方面又连续出一方面连续进料，一方面又连续出料。料。四四 微生物膜的生长特性微生物膜的生长特性生物膜生物膜：是一种不可逆的黏附于固体表面的，被微：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：生物膜的生长特性：细胞粘附细胞粘附生物膜的发展（微生物菌落的生成）生物膜的发展（微生物菌落的生成）生物膜成熟与脱落生物膜成熟与脱落参考P130 页 图7-5第二节第二节 细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异一、遗传与变异的基本概念一、遗传与变异的基本概念 遗传性遗传性：微生物微生物将生长发育所需的营养类型、环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）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，这就是传给后代，并相对稳定的一代一代传下去，这就是微生物微生物的遗传性。的遗传性。遗传性遗传性保守性保守性变异性变异性1 1、遗传的保守性、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指遗传性不可改变的一面。常把遗传性的保守性叫遗传。叫遗传。特点：具稳定性。特点：具稳定性。保守性的保守性的有利有利方面：方面：使生产中选育出来的优良菌种的各属性稳定的一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。代一代传下去。保守性的保守性的不利不利方面：方面：妨碍妨碍M M适应改变了的外界环境条件而死亡。适应改变了的外界环境条件而死亡。2 2、遗传的变异性、遗传的变异性 遗传性可改变的一面。遗传性可改变的一面。M M为适应新的环境条件而改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。了新环境并生长良好，即为遗传的变异性。变异的特点：变异的特点：a.a.在群体中以极低的几率出现，（一般在群体中以极低的几率出现，（一般1010-6-61010-10-10）；）；b.b.形状变化的幅度大；形状变化的幅度大；c.c.变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。定向变异定向变异：通过有计划、有目的的控制：通过有计划、有目的的控制M M的生的生长环境条件，用物理、化学因素诱导长环境条件，用物理、化学因素诱导M M向着生产向着生产需要的方向变异。在废水的生物处理中，这种定需要的方向变异。在废水的生物处理中，这种定向变异称为驯化。向变异称为驯化。二、遗传变异的物质基础二、遗传变异的物质基础核酸核酸 RNARNA：磷酸：磷酸+核糖核糖+碱基（碱基（A.G.C.UA.G.C.U）DNADNA：磷酸：磷酸+脱氧核糖脱氧核糖+碱基（碱基（A.G.C.TA.G.C.T）RNA RNA类型类型 信使信使RNARNA（mRNAmRNA）：以：以DNADNA一条单链为模板，在一条单链为模板，在RNARNA聚合酶的催化下，按碱基互补原则合成。聚合酶的催化下，按碱基互补原则合成。mRNAmRNA是是蛋白质合成的模板，传递蛋白质合成的模板，传递DNADNA的遗传信息。的遗传信息。转移转移RNARNA（tRNAtRNA）：存在细胞质里，在蛋白质合：存在细胞质里，在蛋白质合成过程中起转移氨基酸的作用。成过程中起转移氨基酸的作用。核糖体核酸（核糖体核酸（rRNArRNA）：和蛋白质组成核糖体。：和蛋白质组成核糖体。核糖体是合成蛋白质的主要场所。核糖体是合成蛋白质的主要场所。2 2、核酸的生物学功能、核酸的生物学功能（1 1）DNADNA的复制：的复制：解旋解旋：DNADNA双螺旋分子在解旋酶双螺旋分子在解旋酶作用下，两条链的碱基之间氢键作用下，两条链的碱基之间氢键断裂，分离成两条单链。断裂，分离成两条单链。复制复制：每条单链按照碱基顺序，：每条单链按照碱基顺序，合成一条互补的新链。合成一条互补的新链。复制后的复制后的DNADNA双链由一条旧链和一双链由一条旧链和一条新链构成条新链构成半保留复制。半保留复制。（2 2）遗传因子）遗传因子基因基因 基因：基因：具有遗传功能的具有遗传功能的DNADNA分子上的片断。分子上的片断。平均含平均含10001000个碱基对。个碱基对。不同基因分子所含碱基对的数量和排列序列不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。同，都具有自我复制的能力。按基因功能不同分为：按基因功能不同分为：结构基因结构基因调控基因调控基因三三、M M的变异：的变异：1 1、基因重组：、基因重组：两个不同性状的两个不同性状的M M个体细胞，其个体细胞，其中一个细胞的中一个细胞的DNADNA与另一个细胞的与另一个细胞的DNADNA融合，使融合，使基因重新排列，遗传给后代，产生新品种或表基因重新排列，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。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 2、基因突变基因突变：由于自然界（外界）的作用，由于自然界（外界）的作用，或人为的物理化学因素而引起或人为的物理化学因素而引起DNADNA链上碱基的缺乏、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）发生可遗传的而引起后代表现型（形态、生理等）发生可遗传的变化。变化。自自发发突突变变：微微生生物物在在自自然然条条件件下下，没没有有人人工工参参与与而发生的基因突变。（无定向，有益或无益）而发生的基因突变。（无定向，有益或无益）诱发突变诱发突变：人为的利用物理化学因素，引起细胞人为的利用物理化学因素，引起细胞DNADNA分子中碱基对发生变化。所利用的物理化学因素称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。为诱变剂。定向培育定向培育：人为的利用某一特定环境条件长期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。种培育方法。应用：活性污泥和生物膜的培养驯化应用：活性污泥和生物膜的培养驯化四四、遗传工程：、遗传工程：按照预先设计的生物蓝图，通过对按照预先设计的生物蓝图，通过对DNADNA直接的操直接的操纵、改组、重建，实现对遗传性状定向的改造。纵、改组、重建，实现对遗传性状定向的改造。基本方法基本方法：把把DNADNA从一种生物细胞中提取出来，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，定向的创造新生生符合人类需要的新遗传特性，定向的创造新生物类型。物类型。1234561 1 从细胞中分离出从细胞中分离出DNADNA；2 2 限制酶截取限制酶截取DNADNA片断；片断；3 3 分离大肠杆菌细胞中分离大肠杆菌细胞中的质粒；的质粒；4 4 DNA DNA重组；重组；5 5 用重组质粒转化大肠用重组质粒转化大肠杆菌细胞；杆菌细胞；6 6 培养大肠杆菌克隆大培养大肠杆菌克隆大量目的基因。量目的基因。遗遗传传工工程程包包括括两两个个水水平平的的研研究究：一一是是细细胞胞水水平平（如如转转化化、接接合合、转转导导等等）；另另一一是是基基因因水水平平，因因此此又又可可分分为为细细胞胞工工程程和和基基因因工工程程。目目前前研研究究的的主主要要是是基基因因工工程程。因此，狭义地说，遗传工程就是基因工程。因此，狭义地说，遗传工程就是基因工程。利利用用遗遗传传工工程程，把把具具有有降降解解某某些些特特殊殊物物质质的的质质粒粒剪剪切切后后，连连接接到到受受体体细细胞胞中中，使使之之带带有有一一种种或或多多种种功功能能用用以以处处理理废废水水。这这种种用用人人工工方方法法选选出出的的多多质质粒粒、多多功功能的新菌种称为能的新菌种称为“超级细菌超级细菌”。（6 6）遗传工程在废水处理中的应用：）遗传工程在废水处理中的应用：目目前前较较为为成成功功的的实实例例：降降解解石石油油的的超超级级细细菌菌 、耐耐汞汞质粒质粒 、降解染料的质粒。、降解染料的质粒。第三节第三节 菌种的菌种的驯化驯化及保藏及保藏 定向培育定向培育：通过有计划、有目的地控制微生通过有计划、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，这个过程叫驯法相发展。在污水生物处理中，这个过程叫驯化。化。污泥驯化是首要且关键的一环。污泥驯化是首要且关键的一环。目的：目的：（1 1）培养微生物的抗毒性）培养微生物的抗毒性（2 2）培养出具有特异和高效降解特性的微生物，使微生物）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，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。由缓慢利用到快速降解。2、菌种的复壮菌种的复壮：使衰退的菌种恢复原来优良性状。使衰退的菌种恢复原来优良性状。狭义的复壮狭义的复壮狭义的复壮狭义的复壮是指在菌种已发生衰退的情况下，通过纯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；未衰退的个体，以达到恢复该菌原有典型性状的措施；广义的复壮广义的复壮广义的复壮广义的复壮是指在菌种的生产性能未衰退前就有意识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。菌种的生产性能逐步提高。菌种的复壮措施：菌种的复壮措施：纯种分离：纯种分离：（平板划线法、涂布法、倾注法、单细胞挑取法等）。）。通过寄主体内生长进行复壮（通过寄主体内生长进行复壮（如Bacillus thuringiensis的复壮）；淘汰已衰退的个体淘汰已衰退的个体（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）。采用有效的菌种保藏方法。采用有效的菌种保藏方法。3、防止菌种衰退的方法：、防止菌种衰退的方法：控制传代次数控制传代次数（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10-810-9，采用良好的菌种保藏方法，可以减少移种和传代的数）；选择合适的培养条件；选择合适的培养条件；采用不同类型的细胞进行传代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）；采用有效的菌种保藏方法。采用有效的菌种保藏方法。二、菌种保藏：二、菌种保藏：1.目的目的：存活，不丢失，不污染存活，不丢失，不污染 防止优良性状丧失防止优良性状丧失 随时为生产、科研提供优良菌种随时为生产、科研提供优良菌种2.原理：原理：选用优良的纯种，（最好是休眠体，如分生选用优良的纯种，（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、缺营养要素是干燥、低温、缺氧、缺营养 以及添加保护剂以及添加保护剂等）等）3.菌种保藏的方法菌种保藏的方法 菌菌 连续在培养基上（内）移种连续在培养基上（内）移种 种种 生活态生活态 传代培养保藏法传代培养保藏法 连续在活宿主上（内）移种连续在活宿主上（内）移种 保保 固体斜面固体斜面 藏藏 湿法湿法 半固体琼脂柱半固体琼脂柱 方方 休眠态休眠态 液体介质（蒸馏水、糖液、其它溶液）液体介质（蒸馏水、糖液、其它溶液）法法 干法干法 藏在玻璃管内藏在玻璃管内 吸附在合适的载体上吸附在合适的载体上方法：方法：低温保藏法低温保藏法方法：菌种管置方法：菌种管置4冰箱保藏，定时传代冰箱保藏，定时传代 原理：低温下，微生物代谢强度明显下降原理：低温下，微生物代谢强度明显下降。石蜡油低温保藏石蜡油低温保藏法：法：橡皮塞取代棉塞、加石蜡油。橡皮塞取代棉塞、加石蜡油。干燥保藏法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。保藏，保藏时间几至几十年。真空冷冻干燥法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加有保护剂的菌悬液在冻结状态下予以真空干燥。燥。适用于各种微生物，便于大量保藏，菌种存活适用于各种微生物，便于大量保藏，菌种存活时间长，是目前最好的保藏方法。时间长，是目前最好的保藏方法。液氮超低温保藏法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将菌种置于保护剂中，预冻后保存在液氮超低温冰箱中（温冰箱中（-196）。）。适用于各种微生物的较理想的保藏方法。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复习题复习题 1解释细菌的生长曲线。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。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？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？什么是什么是质粒？什么是“超级细菌超级细菌”？5试述遗传工程在试述遗传工程在给排水给排水工程中的应用。工程中的应用。