微生物生长繁殖与生存因子(下).ppt

第二节 微生物的生存因子,一般来说无芽孢的细菌在水中加热到100迅速死亡。 （一）高温杀菌的机理 提问：？,1）蛋白质、核酸变性 2）细胞膜溶解 细胞膜中的脂类在高温作用下溶解，“失血过多”,一、温度的影响 1.高温的影响,（二）影响高温杀菌的因素,细菌的种类、含水量、芽孢有无、以及方式（湿热或干热 ） 1）细菌种类 如,2）含水量,细菌细胞含水量高的更容易被杀死。,？,？蛋白质的凝固温度与含水量有关。,水热的良导体,3）芽孢,不同芽孢菌高温耐受能力比较表,4）湿热与干热 湿热水蒸汽 干热 热空气,蒸汽灭菌锅,烘箱,121 2030min,160170 2h灭菌,湿热灭菌温度低时间短 提问：？ 蒸汽冷凝放热； 凝水热传导能力强于空气；,2. 适宜温度,提问：为什么会存在适宜温度？ 酶的活性 根据细菌适宜温度的不同，可将细菌分为四大类，嗜冷菌、嗜中温菌、嗜热菌及嗜超热菌。,不同耐温细菌的生长适宜温度,废水中的细菌一般都是嗜中温菌，最适温度 多在30左右，嗜冷菌和嗜热菌占少数。,3低温,低温细胞结冻最适温度下限 进入休眠状态 提问：？ 酶活性降低，导致代谢、遗传普遍停滞；,冰渣导致细胞膜破裂，失“血”过多,膜细胞流动性变差 。,一旦获得适宜温度，即可恢复活性 提问：细胞内外冻结易导致死亡，原因何在？,嗜中温菌（耐冷喜温）一般在5以下处于休眠状态，因此通常实验室用冰箱的4冷藏温度保藏细菌,或甘油、石蜡冷冻保存 菌种,低温下冷藏的食物不易变质嗜冷细菌（或霉菌）的最适宜温度在515之间。,具备低温活性酶 细胞质膜含有大量的不饱和脂肪酸，在低温下能保持半流动性，使之能有效地集中必需的营养物质。,* 嗜冷细菌有什么环保用途呢？,提问：嗜冷细菌的秘密武器是什么？,二、pH的影响,大多数细菌最适环境pH为68，可生存的pH范围在410之间。 研究表明细胞内部由于细胞膜的屏蔽作用、磷酸盐缓冲及细菌能动的调节，pH一般都保持中性，环境的pH难以影响细胞内的pH变化。 提问：外界的pH变化如何对细菌产生影响？ 1. 影响细胞膜蛋白及胞外水解酶的活性 从而影响营养物的正常吸收与转运,2.影响营养物的解离与吸收,主要影响一些极性营养物如脂肪酸、氨基酸 以乙酸的吸收为例，,细菌表面带有电荷，如“”,某些细菌，例如氧化铁硫杆菌和其他极端嗜酸茵，需在酸性环境中生活，其最适pH为3，在pH为15时仍可生活。 各种工业废水通常设前调节池，维持曝气池pH为7左右。 事实上，净化污(废)水的微生物适应pH变化的能力比较强，pH在6585均可不加调节。,三、氧化还原电位（ Eh或ORP),提问：什么是氧化还原电位？ 某物质与铂丝电极、氢电极构成原电池时的电压高低,反映该物质氧化性强弱。,例：pH7.0，30条件下饱和Fe3+溶液中测得的电压值为0.771, 代表Fe3+/Fe2+ 的氧化还原电位为+0.771V,通常如何测定水样的氧化还原电位？ 将氧化还原电位(Eh)测定仪铂电极和参比电极（如甘汞电极）直接插入水样中测定。,提问：影响水样氧化还原电位的因素有哪些？ 氧化性物质（主要是氧气浓度）与还原性物质（有机物、H2S等）的含量 环境中pH值,FJA-15,不同微生物适宜的氧化还原电位（mV）,好氧活性污泥法控制在200600mV是正常的 提问：过低过高如何调节？ 改变曝气力度,厌氧污泥或污水处理系统应控制在100200mV 过高，将不利于厌氧细菌的生长，应改进工艺降低水中溶解氧量。,实际应用,DO：只有溶解于水的氧才能被微生物利用 根据微生物对氧的需要分类： 好氧微生物 兼性好氧（厌氧）微生物 厌氧微生物,四、溶解氧（DO）,在有氧存在条件下才能生长的微生物。包括大多数微生物，又可分为： 专性好氧微生物（氧分压为0.2101kPa） 微量好氧微生物（氧分压为0.0030.2101kPa） 氧的作用 作为好氧呼吸的最终电子受体 参与甾醇类和不饱和脂肪酸的生物合成 适应机制：具有过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物岐化酶,1、好氧微生物,实际应用,DO质量溶度随温度升高而降低: Os= 468/（31.6+T） 冬季水温低，DO能保证供应（DO=34mg/L） 夏季水温高，DO小，供氧不足，促使微量好氧（DO=0.5mg/L）的丝状菌（贝日阿托氏菌、发硫菌等）生长，造成活性污泥膨胀，水处理效果下降 解决办法：人工充氧 污水处理厂：机械搅拌、鼓风、压缩空气等曝气方式 实验室：振荡器（摇床）充氧,有氧、无氧都能生存 原因：既有脱氢酶，也有氧化酶 好氧：氧化酶活性强，有机物彻底氧化成CO2和H2O 无氧：氧化酶无活性，葡萄糖进行乙醇发酵，产生乙醇和CO2 包括酵母菌、肠道细菌、硝酸盐还原菌、某些原生动物、后生动物等,2、兼性好氧（厌氧）微生物,实际应用,污水好氧生物处理中，兼氧微生物在供氧不足仍起积极作用，只是分解有机物不彻底。 污水/污泥厌氧消化中，起水解、发酵作用，分解大分子有机物为小分子 反硝化细菌：通过反硝化作用将NO3-还原为NO2- 利：污水中脱氮，降低出水中NO2-水平，保证饮用水水源安全。 弊：土壤中氮素消失，土壤肥力下降，对农业不利。,无氧条件下（ 氧分压0.005101kPa ）才能生存。进行无氧呼吸或发酵 可分为：专性厌氧微生物耐氧厌氧微生物 厌氧原因：氧进入菌体生成H2O2和O2-，厌氧微生物缺乏清除H2O2的过氧化氢酶和破坏O2-的超氧化物歧化酶，因而被杀死。 包括：一部分细菌（梭菌属、拟杆菌属、梭杆菌属、脱硫弧菌属）和所有产甲烷菌。,3、厌氧微生物,实际应用,培养厌氧微生物需在无氧条件下进行，可用He、N2或H2驱氧，密闭以防氧进入，并将专性厌氧菌和兼性厌氧菌混合培养。 厌氧微生物可处理高浓度有机废水。,五、太阳辐射,380760mm的可见光是蓝细菌和藻类进行光合作用的主要能源。 7601000mm的红外辐射是不产氧的光合细菌的能源 其余波长辐射均有害。,六、水的活度和渗透压,（一）水的活度（ aw ） 概念：aw指某溶液或物质在与一定空间空气相平衡时的含水量与空气饱和水量的比值。与相对湿度相对应。 分为基质水活度和渗透压的水活度。 大多数微生物在aw为0.950.99时生长最好，在0.600.65时停止活动。,（二）渗透压,是不同溶液被半透膜隔离开时，由于膜半透性及两侧水分子浓度差异形成的水压 。,没有半透膜液位不变，盐扩散V水扩散V 有半透膜：左水分子净通量0；右侧液位，直至平衡,衡量方法：通常以一定浓度溶液与纯水间形成的渗透压作为该溶液的渗透压 提问：水将从 渗透压一方流向 渗透压的一方？ 低、高,渗透压可影响细菌生存： 1.相同渗透压溶液中 细菌细胞内水含量稳定，细菌生活得最好。 等渗透压溶液085的食盐(NaCl)溶液（生理盐水）。常作为进行细菌稀释分离的稀释液。,2. 高渗透压溶液,提问：哪些是高渗透压溶液？细菌会发生什么现象？ 浓溶液；质壁分离 防腐（细菌滋生） 如用530%的盐水腌咸菜、咸鱼，用6080%的糖溶液做蜜饯等。,海洋对各种病原菌（淡水菌）的杀灭 高含盐废水（如油田采出水）难于生物处理的原因 提问：如何解决？ 冲稀；防垢剂；细菌基因改造。,3. 低渗透压溶液,提问：细菌于其中会如何？如纯水 外界大量水流入细菌细胞内，细胞膨胀，甚至破裂。 综合以上几点，在微生物实验室中稀释菌液，应该用生理盐水（0.85%） (除非稀释后马上就用的可以用无菌的蒸馏水。),七、表面张力（）,概念：作用在物体表面单位长度上的收缩力。 适合微生物生长的表面张力：4.56.510-4N/m 表面张力降低，细菌改变生长状态，或不能生长，甚至崩解、死亡。 应用：用胆汁、胆酸盐降低表面张力可用于大肠杆菌的分离。,第三节 其他不利环境因子对微生物的影响,一紫外辐射和电离辐射 （一）紫外辐射 紫外线（波长13.6390nm） 一般细菌在紫外线下照射5min即能被杀死，芽孢则需10min。紫外线波长在260280nm左右者杀菌力最强。 提问：杀菌机理？ 使蛋白质和核酸变性,（二）X-射线、射线(不带电),来源铱, X-射线10-30.1nm 钴、镭, 射线10-6nm 特点高能量，穿透力强,已经开始被用于油田注水杀细菌(腐蚀性细菌)。 杀菌机理？ 高能量激发水分解产生O自由基或H2O2等强氧化剂 优缺点？ 一次性投资较大，但使用时成本较低，杀菌效果稳定,二 . 超声波,提问：超声波？ 超过人的听觉能力上限20千Hz（波长小于1.6cm)的声波,人工来源振动头 几乎所有的细菌体都能被超声波所破坏，但敏感程度各有不同。 * 超声波的杀菌（或细胞破碎）的机理？,一般认为可能有3种机制,1. “振荡” 在超声波作用下细胞内含物受强烈振荡,胶体发生絮状沉淀，凝胶液化或乳化，失去生物活性； 2. “气锤” 溶于溶液中的气体变成无数极微小的气泡，迅速猛烈地冲击细菌，使之破裂。 3. “风箱” 溶液受超声波作用产生空腔，空气泡突然膨胀或缩小，引起巨大的压力变化，使细菌死亡；,三重金属,提问：机理？ 与酶的SH结合，使酶变性 低浓度时可作为细菌的营养物，高浓度则对细菌产生抑制。 硫酸铜对真菌和藻类的杀伤力比细菌强。常用硫酸铜与石灰配制成的波尔多液，在农业上可用以防治某些植物病毒。,提问：在远距离取水样作检测时，一般1L混合液中加10ml质量浓度为1gL的硫酸铜，原因何在？ 抑制携带过程中微生物的呼吸，尽量保持水质不变。,四、极端温度,超高温：超过微生物生长的最高温度 超高温对大多数微生物有致死作用 原理： 1）蛋白质、核酸变性 2）细胞膜溶解 应用：利用超高温灭菌,五、极端pH,pH过低(pH=1.5)，引起微生物表面由负电变正电，影响对营养物的吸收 影响培养基中有机化合物的离子化作用，从而间接影响微生物对营养物的吸收. 降低酶活性，进而影响微生物正常的新陈代谢 降低微生物对高温的抵抗能力,以乙酸的吸收为例,细菌表面带有电荷，如“”,六、干燥,细菌基本上是生活在水中的生物。 提问：环境中过于干燥细菌如何生存？ （在不受热和其它外界因素干扰下）干燥细胞将处于长期休眠状态,应用用干燥法防止食物腐败（细菌滋生） 如方便面、干果、肉干、葡萄干等。 应用用干燥法来保存细菌，如将细菌放置在干燥的沙土中可以长期保存。 一旦提供潮气则会很快复活。,七、化学药剂,（一）氧化剂和酸碱 提问：杀菌机理？ 氧化细胞膜穿孔,01的高锰酸钾溶液常用于消毒公用茶具和水果、皮肤。 漂白粉、液氯、臭氧、三氯异氰尿酸常用于饮水或游泳池水的消毒。 醋酸、石灰乳（生石灰：水1：48 ）可有效地消毒粪便和其它排泄物,（二）有机物,1、醇（中效） 提问：杀菌机理？,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。,1）乙醇 体积分数为7080的乙醇杀菌力最强。乙醇浓度过低或过纯杀菌力差； 提问：过纯杀菌效果差？ 可使细胞表面迅速失水，表面蛋白质沉淀变性形成一层致密薄膜，阻止乙醇分子进入菌体内，故杀菌差。,2）甲醇 甲醇杀菌力差，对人有毒，不作杀菌剂。 在废水生物反硝化脱氮处理工艺中，缺碳源时常用甲醇作碳源。,3）其它醇 丙醇、丁醇及其他高级醇的杀菌力均比乙醇强，但由于不溶于水，不用作杀菌剂。,2、甲醛（高效）,甲醛是气体，质量浓度为370400gL的甲醛水溶液称为福尔马林，很有效的杀菌剂，是动物标本的防腐剂。,其蒸气有强烈的刺激性，有杀菌和抑菌作用。可用福尔马林蒸熏、消毒厂房及无菌室，用量为10ml /m3 。 杀菌机理？ 甲醛的羰基（-C=O）与酶蛋白质的氨基(一NH2)结合而干扰细菌的代谢机能。,使蛋白质变性 溶解改变细胞膜通透性，“失血” 1）酚类 低浓度时是微生物的营养源，高浓度时可杀死微生物。 10gL的苯酚溶液在20min内可杀死细菌；3050gL的苯酚溶液几分钟可杀死细菌. 甲酚的杀菌力比其他酚强几倍，难溶于水，易与皂液或碱液形成乳浊液，叫来苏尔。医院中常用。,3、表面活性剂,2）合成洗涤剂 阳离子型洗涤剂（有机铵盐）杀菌力强。 非离子型的洗涤剂没有杀菌力。,目前使用的主要是阴离子型（烷基钠钾盐）的LAS(直链烷基苯磺酸钠)合成洗涤剂，它可被微生物降解。,3）染料,共同特征是具有共轭双键（C=N），对可见光具有选择吸光性 杀菌作用细菌蛋白质抑制剂 紫药水就是1浓度的结晶紫溶液（可致癌）。,细菌单染色（结晶紫）时浓度一般在0.15范围内。 活性污泥微生物经长期驯化，能分解染料，净化印染废水。,八、抗生素,放线菌和霉菌所产生,能杀死其他微生物或抑制其生长的物质,抗生素有广谱和狭谱之分 提问：什么是广谱、狭谱？ 广普遍 氯霉素、金霉素、土霉素和四环素 狭不普遍 青霉素只能杀死或抑制革兰氏阳性菌，多粘菌素只能杀死革兰氏阴性菌，叫狭谱抗生素。,抗生素对微生物的影响有以下四方面：,抑制细胞壁形成 青霉素抑制革兰氏阳性菌肽聚糖的合成，进而阻碍细胞壁合成；,革兰氏阴性菌细胞壁的肽聚糖含量很低，因此只受到部分损伤,菌体内部不断由于物质合成膨大，细胞壁不生长，菌体胀破。,提问：青霉素对人体有害吗？为什么？,本身没有。人和动物的细胞不具细胞壁，不含肽聚糖，所以不受青霉素的损害。 提问：为什么打青霉素先作皮试？ 56人会有严重过敏反应（免疫系统自杀行为）,破坏微生物的细胞膜 多粘菌素中的游离氨基与革兰氏阴性菌细胞质膜中的磷酸根(P043-)结合，损伤其细胞质膜。,抑制蛋白质合成 氯霉素、金霉素、土霉素、四环素、链霉素、卡那霉素、新霉素、庆大霉素、嘌呤霉素及春日霉素等都能与核糖体蛋白结合，抑制微生物蛋白质合成。 同时，上述广谱抗生素能与酶组分中的金属离子结合，抑制酶的活性。,干扰核酸的合成,争光霉素(即博来霉素)、丝裂霉素(自力霉素)、放线菌素D(更生霉素)与DNA结合，干扰DNA复制。 各种抗生素发酵厂的废水分别含有一定浓度的、相应的抗生素，造成在废水生物处理初期的处理效果不好，经过相当长时间的驯化期后，活性污泥中的微生物逐渐适应了各种抗生素，进而降解抗生素，从而废水得到净化。,医疗界病原菌的驯化抗药性,第四节 微生物与微生物之间的关系,一、竞争关系 二、原始合作关系 三、共生关系 四、偏害关系 五、捕食关系 六、寄生关系,一、竞争关系,不同的微生物种群在同一环境中，对食物等营养、溶解氧、空间和其他共同要求的物质互相竞争，互相受到不利影响。 “此消彼长”,种内微生物和种间微生物都存在竞争。 实例：活性污泥法中，当溶解氧或营养成为限制因子时，菌胶团细菌和丝状细菌表现出明显的竞争关系。,二、原始合作关系（互生关系） 两种可以单独生活的生物共存于同一环境中，相互提供营养及其他生活条件，双方互为有利，相互收益，当两者分开时各自可单独生存。 “可分可合，合比分好”,实例,藻类 光合作用,细菌 分解有机物 为CO2、NH3、 H2O、PO43-、 SO42-,三、共生关系 两种不能单独生活的微生物共存于同一环境中，各提供优势的生理功能，在营养上互为有利，组成共生体，这二者这间的关系称为共生关系。 “难舍难分”,实例1：地衣是藻类和真菌形成的共生体，藻类利用光能将CO2、 H2O合成有机物自身及真菌营养，真菌从基质吸收水分和无机盐供二者营养。 实例2：根瘤菌与豆科植物/放线菌与非豆科植物,根瘤菌,豆科植物,有 机 物,氮 源,四、偏害（拮抗）关系 一种微生物在代谢过程中产生一些代谢产物，其中有的产物对一种（或一类）微生物生长不利，或者抑制或者杀死对方。 “势不两立” 实例： 非特异性偏害：乳酸菌产生乳酸使pH下降，抑制腐败细菌的生长。 特异性偏害：青霉菌产生青霉素只对革兰氏阳性菌有致死作用。,五、捕食关系 有的微生物不是通过代谢产物对抗对方，而是吞食对方，这种关系称为捕食关系。 “弱肉强食” 实例：,五、捕食关系 有的微生物不是通过代谢产物对抗对方，而是吞食对方，这种关系称为捕食关系。 “弱肉强食” 实例：,六、寄生关系 一种微生物需要侵入在另一种生物体内生活，从中摄取营养才能得以生长繁殖，在一定的条件下对后者造成损害或死亡。这种关系称为寄生关系。前者称寄生菌，后者称为寄主或宿主。 “不劳而获” 实例：噬菌体寄生于细菌、真菌、放线菌和藻类之间。,第五节 菌种的退化、复壮与保藏,一、菌种的退化与复壮 菌种的退化：微生物经过多代遗传，其优良性状逐渐丧失的现象。 菌种退化的原因 负变后代菌株生产性状的劣化或有些遗传标记的丢失。,菌种的复壮方法,纯种分离筛选出优良菌株，淘汰退化菌株 通过寄主进行复壮通过接种到寄主体内生长恢复活力； 联合复壮用高剂量紫外辐射和低剂量DTG联合处理,二、菌种的保藏,定期移植法 干燥法 隔绝空气法 蒸馏水悬浮法 综合法,保藏原理：使细菌休眠 提问：有哪些方法呢？ 低温、干燥、缺氧、贫乏培养基和添加保护剂等,1定期移植法 低温保藏，定期转接 保存的温度和时间各菌种不一。,细菌于46保存，芽孢杆菌每36个月移植一次，其他细菌每月移植一次。若贮存温度高，则移植间隔时间要短。 放线菌于46保存，每3个月移植一次； 酵母菌于46保存，每46月移植一次； 霉菌于46保存，每6个月移植一次；,2干燥法 将菌种接种到无菌的干燥载体上,如灭菌后的河砂、土壤、硅胶、滤纸及麸皮等 以砂土保藏法用得较普遍，通常把接种菌种的砂土放在干燥器内，于常温或低温下保藏，芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌、放线菌及霉菌均可用此法保藏。,3隔绝空气法 （定期移植法的辅助方法） 方法：无菌液体石蜡封住半固体培养物来保藏菌种。将待保存的斜面菌种用橡皮塞代替原有的棉塞塞紧，这样可使菌种保藏较长时间。,4无菌蒸馏水悬浮法,最简单的保藏法 方法：将菌种悬浮于无菌蒸馏水中，将容器封好便可达到目的。 如球衣菌就可用此法保藏。,低温+干燥+隔绝空气 A.先加保护剂制成细胞悬液并分装于小试管内 保护剂有牛奶、甘油等 提问：牛奶、甘油作用？ 细胞内及周围不结冰 B.将悬液冻结成冰(温度为25至40)，抽气进行真空干燥（目视冻干样品呈现酥状或松散的片状即可）,5综合法,冷冻干燥机,C. 小试管熔断封口，置室温或低温保藏,这种方法可使菌种稳定保藏几年至十几年，是最好的保藏方法。,此外，还有其他菌种保藏方法，可参阅菌种保藏手册。,国际重要菌种保藏机构,中国菌种保藏单位,