微生物生长和遗传变异

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1、第七章 微生物的生长和遗传变异 n主要教学内容 第一节 微生物的生长及其特性 第二节 微生物的遗传 第三节 微生物的变异 第四节 遗传工程 第五节 微生物的驯化与保藏 n教学目的要求 掌握 1 微生物生长的常用测定方法 2 微生物间歇培养时的生长曲线 3 微生物年龄段的划分及决定微生物生长处 于哪一个阶段或时期的主要因素 4 微生物的世代时间及世代时间的测定时期 第一节 微生物的生长及其特性 5 微生物生长阶段 或时期 与污水生物 处理效果的关系及稳定期在废水处理过 程中的具体应用 6 生物膜的定义 7 生物膜的生长特性 第一节 微生物的生长及其特性 一 生长与繁殖的基本概念 n微生物体积小

2、相对面积较大 物质吸收快 转化 快 微生物 如细菌 的生长与繁殖迅速 适应性 强 一 微生物的生长 n微生物的生长 指微生物在适宜的环境条件下 不断地吸收营养物质 并按照自已的代谢方式进行 代谢活动 如果同化作用大于异化作用 则细胞质 量不断增加 体积得以增大 表现在细胞自身就是 体积或重量的不断增加 这种现象叫生长 第一节 微生物的生长及其特性 二 微生物的繁殖 n微生物的繁殖 微生物生长到一定阶段 便分 裂成子细胞 细菌主要是以二分裂的方式 子 细胞重复以上过程 这就是繁殖 微生物繁殖很快 多数在20 30min繁殖一代 大 肠杆菌37 18min 硝化细菌 8 24小时 只有 少数可以长

3、达几十小时 甚至几天 三 微生物生长指标的确定 n微生物生长量法 n微生物计数法 第一节 微生物的生长及其特性 二 微生物生长的测定方法 n微生物生长的测定方法主要有计数法 测生长量法 其它生理生化指标法 n为什么要测定微生物的生长 原因 评价特定废水处理时污泥驯化效果的好坏 评价特定细菌培养条件是否合适 评价水处理构筑物 如曝气池 是否正常运转等 第一节 微生物的生长及其特性 一 计数法 n计数法有显微镜直接计数法 荧光染色计数法 活 菌计数法 特定微生物计数法等 目前普遍采用的 是显微镜直接计数法 活菌计数法 1 显微镜直接计数法 n显微镜直接计数法是常用的微生物生长测定方法 特点是测定过

4、程迅速 但不能确定微生物的死活 微生物的死活不分 第一节 微生物的生长及其特性 n显微镜直接计数法有涂片染色法 计数器测定 法 比例计数法等 目前普遍采用的是计数器 测定法 第一节 微生物的生长及其特性 1 计数器测定法 n计数器测定法采用特殊的微生物或血球计数板 器 进行测定 操作过程是取一定体积的待 测样品放于计数器的测定小室与盖玻片之间 在显微镜的高倍镜下直接计数 由于测定小室 的体积是已知的 因此根据得到的计数值就可 以计算出微生物或细菌的数量 n血球计数板上的计数室体积为0 1mm3 通过简 单的数学换算可以计算出细菌或微生物的含量 个 mL n计数器构造见下图 第一节 微生物的生长

5、及其特性 图7 1 血球计数板示意图 槽 槽槽槽 第一节 微生物的生长及其特性 n记数室内微生物或细菌的分布见下图 图7 2 记数室内微生物或细菌的分布 第一节 微生物的生长及其特性 2 活菌计数法 n特点 不含死的细菌细胞 但测定所需的时 间较长 n活菌计数法有平板计数法 液体计数法 薄 膜计数法 其中以平板计数法最为常用 第一节 微生物的生长及其特性 1 平板计数法 n将样品作一系列10倍梯度稀释 然后将相应稀释 度的样品 如1mL 平行做2 3次 涂布到平板 中 或与已经融化好的固体培养基混合 摇匀 凝固 将待培养的平板倒置于培养箱中培养 一 定时间后观察并计数生长的微生物的菌落数 最

6、终根据微生物的菌落数 取样量 稀释度并经过 简单的换算得出样品微生物的浓度 n平板计数法具体做法见下图 第一节 微生物的生长及其特性 图 7 3 平板计数法具体做法 9ml无菌水 第一节 微生物的生长及其特性 图7 4 皿底 皿盖 第一节 微生物的生长及其特性 第一节 微生物的生长及其特性 7 5 细菌固体培养基上的典型群体特征 n平板计数法的主要注意事项 一般取菌落数在30 300个的平板进行计数 过多 或过少均不采用 原因 菌落数太多 计数费时费力 菌落数太少 计数误差太大 培养皿倒置于培养箱中培养 原因 为了防止培养基内水分蒸发到皿盖上而使 培养基变干 影响微生物的培养 限用于能够在培养

7、基上形成菌落的微生物 第一节 微生物的生长及其特性 稀释度菌液 mL 菌落数细菌浓度 个 mL 10 41 142 044 104 或4 4 105246 0 平均44 0 n平板计数法试验实例 第一节 微生物的生长及其特性 表7 1 2 液体计数法 如三管法或五管法 n液体计数法主要用于不能在平板培养基上形成菌 落的微生物 n具体做法是 将待测样品作10倍梯度稀释 取相 应稀释度的样品 1mL 分别接种到3管或5管一 组的数组液体培养基中 培养一定时间后 观察 各管及各组中细菌是否生长 记录结果 根据读 数规则 查已专门处理好的最可能数表 得出细 菌的最终含量 第一节 微生物的生长及其特性

8、n试验结果举例 n根据试验结果及读数规则 查表得出微生物或细 菌的含量 第一节 微生物的生长及其特性 3 薄膜计数法 n对于某些细菌含量较低的测定样品 如空气或 饮用水 可以采用薄膜计数法 该方法是将一定体积的待测样品通过带有许多 小孔但又不让细菌流出的微孔滤膜 借助膜的 作用将微生物截留 再将膜 有细菌的一面向 上 放于固体培养基表面培养 然后类似平板 计数法计算结果 第一节 微生物的生长及其特性 图7 6 滤器装置 第一节 微生物的生长及其特性 n上述活菌计数法所用的样品必须成分散的 悬浮状态 否则要强化分散 二 测生长量法 n测生长量法有测重量法 光密度法 测元素法 测其它生理生化指标法

9、法等 目前普遍采用的是 测重量法 光密度法 测其它生理生化指标法 1 重量法 测定细胞干重 n过程 取经过培养一段时间的待测微生物样品 用离心机离心后收集生长后的微生物细胞 或用 滤纸 滤膜过滤截取生长后的微生物细胞 然后 在105 110 下进行干燥 恒重 称取干燥后的 重量 以此代表微生物生长量的多少 第一节 微生物的生长及其特性 活性污泥水处理构筑物内微生物生长量通常用这种 细胞干重测定法 活性污泥法中微生物的生长量指 标是混合液悬浮固体浓度MLSS或混合液挥发性悬浮 固体浓度 MLVSS 测定MLSS具体做法1 取一定体积的待测活性污泥 样品 放于蒸发皿中干燥 然后称重 恒重 测定ML

10、SS具体做法2 取一定体积的待测活性污泥 样品 一般用量筒量取100mL 经过滤 干燥 105 110 左右 称重 恒重 第一节 微生物的生长及其特性 nMLSS不仅包括细菌或微生物 还包括无机颗粒等 因此MLVSS能更精确地表示细菌或微生物的生长 量 MLVSS测定过程是 将已测得干重的污泥样品 放 于马福炉内550 下灼烧2h 微生物中含有的各种 有机物就被分解成为CO2和H2O 并蒸发掉 因此烧 掉的部分就是挥发性悬浮固体重量 实际水处理中 MLSS用的较多 原因 测定方便 迅速 第一节 微生物的生长及其特性 2 光密度法 比浊计数法 n光密度法是测定悬浮细胞的快速方法 原 理是 溶液的

11、吸光度与溶液的混浊度即微 生物悬浮细胞浓度正比 根据悬浮溶液的 吸光度 查已经绘制好的标准曲线 吸 光度与微生物浓度的关系曲线 可以得 到溶液中微生物的浓度 第一节 微生物的生长及其特性 3 其它生理生化指标法 n微生物生长过程中 要吸收和消耗一些物质 同时产生和分泌另外一些物质 通过测定 这些物质的变化 可以间接表示或估计微生 物的生长情况 如测定待测样品中营养物质 COD 的消耗 溶解氧的消耗 有机酸的产生 H2和CH4的 产生 厌氧微生物的生长及活性测定 第一节 微生物的生长及其特性 三 其它 n元素法 如测细胞含氮量 蛋白质 DNA含 量等 荧光染色计数法等 n以上测定法均需要按照实验

12、指导书进行 第一节 微生物的生长及其特性 三 微生物的生长特性 一 间歇培养 n间歇培养的特点 营养物质一次性投加 1 间歇培养生长曲线 n间歇培养的方法 将少量微生物接种于一定量 的液体培养基内 在适宜的温度下培养 在培 养过程中不加入也不取出培养基和微生物 n微生物间歇培养模式见下图 第一节 微生物的生长及其特性 图7 7 微生物间歇培养模式 菌种和液体培养基 一次性加入 第一节 微生物的生长及其特性 n间歇培养生长曲线的测定 在间歇培养过程中 定时取样测定活微生物数目或重量的变化 以 活微生物个数或微生物重量为纵坐标 培养时 间为横坐标 即可绘制出一曲线 此曲线称为 微生物的生长曲线 n

13、微生物的生长曲线分为 按活微生物重量绘制 和按微生物数目的对数绘制两种 n按活微生物重量绘制的曲线见下图 第一节 微生物的生长及其特性 图7 8 微生物生长曲线 按活微生物重量绘制 第一节 微生物的生长及其特性 曲线特点 将微生物或细菌的生长分为3个阶段 生长率上升阶段 生长率下降阶段 内源呼吸阶段 生长率上升阶段 上升阶段初期 食料充足 微生 物或细菌是在适应新的环境 一般不进行分裂 菌 数不增加 但菌体逐渐增大 以后很快进入迅速繁 殖的阶段 到上升阶段后期 生长率达到最高 此 时分解培养基中有机物的速率也最高 生长率上 升阶段 微生物数目的对数同培养时间呈直线关系 所以生长率上升阶段又称为

14、对数生长阶段 第一节 微生物的生长及其特性 生长率下降阶段 经过一定时间后 由于食料减少 和对微生物有毒代谢产物的积累 环境逐渐不利于 微生物的生长 微生物生长繁殖速度逐渐下降 进 入生长率下降阶段 用于废水处理时菌体聚集效 果好 活性污泥絮体能较好地形成 二沉池中容易 沉淀 出水效果好 内源呼吸阶段 培养基中的食料已经很少 菌体内 贮藏的物质 甚至体内的酶被都被当作营养物质来 利用 此时微生物新合成的细胞质不足以因内源呼 吸而耗去的细胞质 因此 微生物重量逐渐减少 因微生物死亡和内源呼吸 第一节 微生物的生长及其特性 微生物年龄段的划分 上述3个阶段中 生长率上升阶段是微生物或细菌的年轻 阶

15、段 生长繁殖快 动能大 生长率下 降阶段是微生物或细菌的中年阶段 生 长活跃性 繁殖速度 动能均小于年轻 阶段 内源呼吸阶段是微生物或细菌的 衰老阶段 死亡速度大于繁殖速度 生 长不活跃 动能小 第一节 微生物的生长及其特性 细菌的年龄表征法与人的不同 是用其群体特 征来表征 n按微生物数目的对数绘制的生长曲线见下图 第一节 微生物的生长及其特性 图7 9 微生物生长曲线 按微生物数目的对数绘制 第一节 微生物的生长及其特性 图3 8把曲线分为四个时期 即 缓慢增长期 对 数增长期 稳定增长期 衰老期 与重量生长曲线 的对应关系如下 缓慢增长期 对数增长期 稳定增长期 衰老期 生长率上升阶段

16、生长率下降阶段 内源呼吸阶段 生长率上升阶段初期 第一节 微生物的生长及其特性 生长曲线上每一时期的主要特点 缓慢期 生长率上升阶段初期 微生物不繁殖 数目不增加 但菌体体积增长很快 其后期只有 个别菌体繁殖 对数期 微生物繁殖速度迅速增加 稳定期 食料减少供不应求和细菌有毒代谢产物 的积累 微生物生长繁殖速度逐渐下降 同时菌 体死亡数目逐渐上升 最后达到新增加的微生物 数与死亡数基本相等 活菌数保持相对平衡并处 于最大值 第一节 微生物的生长及其特性 衰老期 内源呼吸阶段 微生物或细菌 死亡速度大大增加 超过其繁殖速度 只 有少数菌体进行繁殖 微生物进行内源呼 吸 所以活微生物曲线显著下降 决定微生物生长处于哪一个阶段或时期的 主要因素是 微生物周围营养物质的多少 即食料 微生物 F M 如下图 第一节 微生物的生长及其特性 图7 10 沉降性能好 第一节 微生物的生长及其特性 n曝气池中活性污泥混合液的絮凝沉降性 能可用污泥沉降比SV 污泥沉降指数 SVI来评价 污泥沉降比SV 是指曝气池混合液在 100mL量筒中沉淀30min 污泥体积与 原混合液体积之比 用百分数表示 一般生活