水处理生物学2原核微生物.ppt
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1、第一篇第一篇 水处理生物学基础水处理生物学基础微生物的分类微生物的分类微微生生物物原核细胞生物原核细胞生物古菌域古菌域细菌域细菌域真细菌蓝细菌放线菌立克次氏体、衣原体、支原体,螺旋体真菌细胞生物真菌细胞生物 真核生物域真核生物域拟病毒:只含有不具独立侵染性的拟病毒:只含有不具独立侵染性的RNA或或DNA组分组分真病毒:至少含有核酸和蛋白质两种组分真病毒:至少含有核酸和蛋白质两种组分亚病毒类病毒:只含独立侵染性的类病毒:只含独立侵染性的RNA组分组分朊病毒:只含单一蛋白质组分朊病毒:只含单一蛋白质组分细胞结构微生物非细胞结构微生物三域学说:三域学说:20世纪世纪70年代末由于美国伊利诺斯大年代末
2、由于美国伊利诺斯大学的(伍斯)等人对大量微生物和其他生物进行学的(伍斯)等人对大量微生物和其他生物进行16s和和18srRNA的寡核苷酸测序,并比较其同源的寡核苷酸测序,并比较其同源性水平后,提出了一个与以往各种界级分类不同性水平后,提出了一个与以往各种界级分类不同的新系统,称为三域学说,的新系统,称为三域学说,“域域”是一个比界更是一个比界更高的界级分类单元,过去曾称原界。三个域指的高的界级分类单元,过去曾称原界。三个域指的是细菌域(以前称是细菌域(以前称“真细菌域真细菌域”)、古生菌域)、古生菌域(以前称古细菌域)、和真核生物域。(以前称古细菌域)、和真核生物域。第二章第二章 原核微生物原
3、核微生物指一类细胞核无核膜包裹,只存在称作核区的裸露DNA的原始单细胞生物。原核生物具有以下的特点:无核膜,无成形的细胞核;遗传物质是一条不与组蛋白结合的环状双螺旋脱氧核糖核酸(DNA)丝,(有的原核生物在其主基因组外还有更小的能进出细胞的质粒DNA);以简单二分裂方式繁殖,无有丝分裂或减数分裂;没有性行为,有的种类有时有通过接合、转化或转导,将部分基因组从一个细胞传递到另一个细胞的准性行为(见细菌接合);没有由肌球、肌动蛋白构成的微纤维系统,故细胞质不能流动,也没有形成伪足、吞噬作用等现象;鞭毛并非由微管构成,仅由几条螺旋或平行的蛋白质丝构成;细胞质内仅有核糖体而没有细胞器;细胞内的单位膜系
4、统除蓝细菌另有类囊体外一般都由细胞膜内褶而成,其中有氧化磷酸化的电子传递链(蓝细菌在类囊体内进行光合作用,其他光合细菌在细胞膜内褶的膜系统上进行光合作用;化能营养细菌则在细胞膜系统上进行能量代谢);在蛋白质合成过程中起重要作用的核糖体散在于细胞质内,核糖体的沉降系数为70S;大部分原核生物有成分和结构独特的细胞壁等等。原核生物原核生物2.1 细菌细菌细菌是大家比较熟悉的名字,自从德国乡村医生劳伯柯赫第一个猎获病菌以后,细菌这个名字就常常和疾病联系在一起。因为人和动植物的许多传染病,都是由细菌作祟引起的,所以人们对它总有一种厌恶和恐惧的感觉。其实,危害人类的细菌只是一小部分,大多数细菌对人类是有
5、益处的。细菌(细菌(Bacteria)P7广义的细菌即为原核生物是指一大类细胞核无核膜包裹,只存在称作拟核区(nuclearregion)(或拟核)的裸露DNA的原始单细胞生物,包括真细菌(eubacteria)和古生菌(archaea)两大类群。广义上的细菌还包括:放线菌,螺旋体,立克次氏体,衣原体,支原体(霉形体)狭义的细菌为原核微生物的一类,是一类形状细短,结构简单,多以二分裂方式进行繁殖的原核生物。是一类形态微小,结构简单,具有细胞壁,无典型细胞核(无核膜/核仁),而只有核质(染色体),不能进行有丝分裂而主要靠二等分分裂繁殖的原核单细胞微生物.是给水与废水处理中最重要的一类微生物是给水
6、与废水处理中最重要的一类微生物!它是一种单胞生物,形体微小,结构简单。无成形细胞核、也无核仁和核膜,无细胞器。在适宜的条件下其相对稳定的形态与结构。一般将细菌染色后用光学显微镜观察,可识别各种细菌的形态特点,而其内部的超微结构须用电子显微镜才能看到。2.1.1 细菌的个体形态和大小细菌的个体形态和大小1.细菌的基本形态细菌的基本形态(1)球状)球状(2)杆状)杆状(3)螺旋状)螺旋状(4)丝状(仅有少数)及其他形状)丝状(仅有少数)及其他形状丝状菌丝状菌(1)球菌)球菌根据分裂方向及相互间连根据分裂方向及相互间连接方式又分为接方式又分为单球菌、双单球菌、双球菌、链球菌、四联球菌、球菌、链球菌、
7、四联球菌、八叠球菌、葡萄球菌等。八叠球菌、葡萄球菌等。是分类的一个依据。是分类的一个依据。右图自上而下:右图自上而下:双球菌、链球菌、四双球菌、链球菌、四联球菌、八叠球菌、联球菌、八叠球菌、葡萄球菌葡萄球菌电镜下的球菌葡萄球菌球菌的形态球菌的形态(2)杆菌)杆菌细胞呈杆状或圆细胞呈杆状或圆柱形,一般其粗柱形,一般其粗细(直径)比较细(直径)比较稳定,而长度则稳定,而长度则常因培养时间、常因培养时间、培养条件不同而培养条件不同而有较大变化。有较大变化。杆菌的几种形态球杆菌链杆菌双杆菌电镜下的杆菌电镜下的杆菌梭状芽孢杆菌梭状芽孢杆菌乳酸杆菌乳酸杆菌杆菌的形态杆菌的形态(3 3)螺旋菌)螺旋菌霍乱弧
8、菌霍乱弧菌螺旋菌螺旋菌弧菌弧菌(vibrio):螺旋周数不足一圈细菌:螺旋周数不足一圈细菌螺菌螺菌(spirillum):26圈小型、坚硬的螺旋状细菌圈小型、坚硬的螺旋状细菌螺旋体螺旋体(spirochaeta):螺旋周数超:螺旋周数超6周,体长柔软周,体长柔软螺菌螺菌螺旋体螺旋体(4 4)丝状菌)丝状菌分布在水生境,潮湿土壤和活性污泥中。丝分布在水生境,潮湿土壤和活性污泥中。丝状体是丝状菌分类的特征。状体是丝状菌分类的特征。水处理中的丝状菌水处理中的丝状菌(5 5)形状)形状其他型其他型细菌的大小以m计,如:长如:长2 2 m m,宽,宽0.5 0.5 m m,15001500个相当个相当一
9、粒芝麻长一粒芝麻长 2.细菌的大小细菌的大小较大细菌较大细菌,1997年在纳米比亚海岸沉积物中发现年在纳米比亚海岸沉积物中发现的硫细菌(的硫细菌(Thiomargarita namibiensis),肉眼),肉眼可见。可见。较小细菌较小细菌,1998年芬兰学者发现引起尿结石的纳年芬兰学者发现引起尿结石的纳米细菌(米细菌(Nanobacteria),直径仅),直径仅50nm,为的,为的1/10,与病毒大小类似。分裂缓慢,三天才分裂,与病毒大小类似。分裂缓慢,三天才分裂一次,是目前所知最小的具有细胞壁的细菌。一次,是目前所知最小的具有细胞壁的细菌。细菌大小的测量及表示方法如下图所示细菌大小的测量及
10、表示方法如下图所示利用显微镜测微尺,显微照相后根据放大倍数进行测算利用显微镜测微尺,显微照相后根据放大倍数进行测算2.1.2 细菌的细胞结构细菌的细胞结构细菌是单细胞结构单细胞结构微生物。所有细菌的结构:细胞壁细胞壁,原生质体原生质体。原生质体包括:细胞质膜,细胞质及其内含物,拟核部分细菌的特殊结构:芽孢、鞭毛、荚膜、粘液层、菌胶团、衣鞘及光合作用片层细菌细胞构造模式图细菌细胞构造模式图在细菌细胞内,虽然没有细胞核,仍然有核物质,核物质DNA盘绕成一团,用染色方法可以看到,称拟核拟核。1.细胞壁(细胞壁(cell wall)细胞最外一层坚韧厚实的外被,细胞最外一层坚韧厚实的外被,主要由主要由肽
11、肽聚糖聚糖构成。构成。细胞壁的生理功能:细胞壁的生理功能:1)维持外形,提高机械强度)维持外形,提高机械强度 2)为细胞生长、分裂、和鞭毛运动必需)为细胞生长、分裂、和鞭毛运动必需 3)阻碍大分子有害物质进入细胞)阻碍大分子有害物质进入细胞4)赋予抗原性、对抗生素和噬菌体的敏感性)赋予抗原性、对抗生素和噬菌体的敏感性(1)细胞壁的化学组成和结构)细胞壁的化学组成和结构丹麦医生(革兰)于丹麦医生(革兰)于1884年年 发明的一种鉴别不同类发明的一种鉴别不同类型细菌的型细菌的 染色方法染色方法。根据此染色法,细菌可分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌革革兰兰氏氏染染色色法法1.涂片固定涂片固定w2.单染
12、单染结晶紫染结晶紫染结晶紫染结晶紫染液第一次液第一次液第一次液第一次染色染色 1min 3.媒染媒染碘碘碘碘-碘化钾碘化钾碘化钾碘化钾溶液浸湿溶液浸湿30S4.脱色脱色95%95%乙醇乙醇乙醇乙醇溶液溶液溶液溶液进行颜色洗脱进行颜色洗脱5.复复染染红色红色红色红色的藩的藩的藩的藩红染红染红染红染液液液液第第二次二次染色染色呈现第二次染色的效果呈现第二次染色的效果红色红色红色红色;称革兰氏阴性菌革兰氏阴性菌革兰氏阴性菌革兰氏阴性菌(红阴红阴G-)细菌呈现第一次染色的细菌呈现第一次染色的效果效果紫色紫色紫色紫色,革兰氏阳革兰氏阳革兰氏阳革兰氏阳性菌(性菌(性菌(性菌(紫阳紫阳G);特征特征G G+
13、强度强度疏松疏松坚韧坚韧厚度厚度薄,薄,510nm厚,厚,2080nm肽聚糖层数肽聚糖层数少,少,13层层多,多达多,多达50层层肽聚糖含量肽聚糖含量少(少(1020)高(高(5090)磷壁酸磷壁酸脂多糖脂多糖脂肪脂肪含量较高含量较高一般无一般无蛋白质蛋白质含量较高含量较高无无 革兰氏阳性和阴性细菌细胞壁构造的比较革兰氏阳性和阴性细菌细胞壁构造的比较 革兰氏阳性和阴性细菌细胞壁构造的比较革兰氏阳性和阴性细菌细胞壁构造的比较肽聚糖肽聚糖磷壁酸磷壁酸多糖多糖孔孔蛋白质蛋白质脂质脂质外膜外膜磷壁酸磷壁酸肽聚糖肽聚糖革革兰兰氏氏染染色色的的原原理理2.原生质体原生质体(1)细胞质膜()细胞质膜(pro
14、toplasmic membrane)细胞质膜及化学组成:细胞质膜及化学组成:紧贴在细胞壁内侧,包围细胞质的一层薄膜,柔紧贴在细胞壁内侧,包围细胞质的一层薄膜,柔软而富有弹性,半渗透膜。软而富有弹性,半渗透膜。含含6070的蛋白质,含的蛋白质,含3040的脂类,的脂类,约约2的多糖。的多糖。细胞质膜细胞质膜细胞质膜的蛋白质细胞质膜的蛋白质具运输作用的整合蛋白(具运输作用的整合蛋白(integral protein)或内在蛋白(或内在蛋白(intrinsic protein)具酶促作用的周边蛋白(具酶促作用的周边蛋白(peripheral protein)或膜外蛋白()或膜外蛋白(extrins
15、ic protein)脂类是磷脂,由脂类是磷脂,由磷酸、甘油、脂磷酸、甘油、脂肪酸和含胆碱组肪酸和含胆碱组成成细胞质膜的磷脂细胞质膜的磷脂细胞膜的结构细胞膜的结构:液态镶嵌模型液态镶嵌模型(fluid mosaic model)1)膜主体脂双分)膜主体脂双分子层子层,亲水基团在,亲水基团在表面,疏水基团在表面,疏水基团在内部内部2)双分子层有流)双分子层有流动性动性 3)蛋白镶嵌或贯)蛋白镶嵌或贯穿或浮在表面穿或浮在表面 4)不对称性)不对称性1972年,辛格和尼科尔森提出该模型年,辛格和尼科尔森提出该模型1)选择运输)选择运输 2)维持渗透压)维持渗透压 3)合成)合成细胞壁胞壁和糖被重要基
16、地和糖被重要基地 4)细胞产能场所)细胞产能场所 5)鞭毛基体着生点和旋转供能)鞭毛基体着生点和旋转供能细胞质膜的生理功能细胞质膜的生理功能 不同种类细菌的膜在其结构和功能方面存在很大差不同种类细菌的膜在其结构和功能方面存在很大差异。这种差异非常巨大且具有特征性,因此异。这种差异非常巨大且具有特征性,因此膜化学可膜化学可被用于对细菌进行鉴定被用于对细菌进行鉴定。细胞质(细胞质(cytoplasm):除核区外的半透明、胶状、颗除核区外的半透明、胶状、颗粒状物质总称。含水量粒状物质总称。含水量80左右。亦称原生质。左右。亦称原生质。内含物(内含物(inclusion body):):颗粒状构造,如
17、:贮藏物、颗粒状构造,如:贮藏物、气泡等。气泡等。(2 2)细胞质及内含物)细胞质及内含物细胞质细胞质主要成分为核糖体、贮藏物、多种酶类和中间主要成分为核糖体、贮藏物、多种酶类和中间代谢物、质粒、各种营养物和大分子的单体等。代谢物、质粒、各种营养物和大分子的单体等。核糖体核糖体(1)化学组成:由核糖核酸(化学组成:由核糖核酸(RNA)和蛋白质两种化)和蛋白质两种化学成分组成。学成分组成。(2)染色特性:核糖体易被碱性染料染色,在光镜下染色特性:核糖体易被碱性染料染色,在光镜下细胞质中核糖体丰富的部位嗜碱性较强。细胞质中核糖体丰富的部位嗜碱性较强。(3)电镜结构:是近似球形的致密颗粒,直径为电镜
18、结构:是近似球形的致密颗粒,直径为20nm。(4)功能:功能:合成蛋白质合成蛋白质。核糖体结构核糖体结构模式图模式图 贮藏物(贮藏物(reserve materialsreserve materials)不同化学成分累积成的不溶沉淀颗粒,贮藏营养物。不同化学成分累积成的不溶沉淀颗粒,贮藏营养物。贮藏物贮藏物碳源及能源碳源及能源 氮源:氮源:蓝细菌的藻青素、藻青蛋白蓝细菌的藻青素、藻青蛋白 磷源(异染粒):磷源(异染粒):聚磷菌聚磷菌、白喉棒杆菌、结核分枝杆菌、白喉棒杆菌、结核分枝杆菌 糖原:糖原:E.Coli、芽孢杆菌、蓝细菌等、芽孢杆菌、蓝细菌等 PHB:固氮菌、产碱菌、肠杆菌:固氮菌、产碱
19、菌、肠杆菌 硫粒:紫硫细菌、丝硫细菌、贝氏硫杆菌硫粒:紫硫细菌、丝硫细菌、贝氏硫杆菌 聚聚-羟丁酸羟丁酸(poly-hydroxybutyrate,PHB)PHB于1929年被发现,至今已发现60属以上的细菌能合成并贮藏。它无毒、可塑、易降解,被认为是生产医用塑料、生物降解塑料的良好原料。PHBHCHH3CCCHHHOOOnn106异染粒异染粒(metachromatic granules)在暗视野显微镜下看到的迂回螺菌(Spirillum volutans)异染粒(迂回体)颗粒大小为,是无机偏磷酸的聚合物,一般在含磷丰富的环境下形成。功能是贮藏磷元素和能量,并可降低细胞的渗透压。OHPO H
20、nHO O异染粒(异染粒(metachromatic granule)n=2106多糖类贮藏物多糖类贮藏物在真细菌中以糖原为多在真细菌中以糖原为多糖原粒较小,不染色需用电镜观察,糖原粒较小,不染色需用电镜观察,用碘液染成褐色,可在光学显微镜下看到。用碘液染成褐色,可在光学显微镜下看到。糖原粒糖原粒淀粉粒淀粉粒有的细菌积累淀粉粒,用碘液染成深兰色。藻青素(藻青素(cyanophycin)一种内源性氮源贮藏物,同时还兼有贮存能源的作用。一种内源性氮源贮藏物,同时还兼有贮存能源的作用。通常存在于蓝细菌中。通常存在于蓝细菌中。由含精氨酸和天冬氨由含精氨酸和天冬氨酸残基(酸残基(1:1)的分枝)的分枝多
21、肽所构成,分子量多肽所构成,分子量在在25000125000。硫粒(硫粒(sulfur globules)很多真细菌在进行产能代谢或生物合成时,常涉及对还原性的硫化物如H2S,硫代硫酸盐等的氧化。在环境中还原性硫素丰富时,常在细胞内以折光性很强的硫粒的形式积累硫元素。当环境中环境中还原性硫缺乏时,可被细菌重新利用。磁小体磁小体(megnetosome)功能是导向作用,即借鞭毛游向对该菌功能是导向作用,即借鞭毛游向对该菌最有利的泥、水界面微氧环境处生活。最有利的泥、水界面微氧环境处生活。实用前景,包括生产磁性定向药物实用前景,包括生产磁性定向药物或抗体,以及制造生物传感器等或抗体,以及制造生物传
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- 水处理 生物学 微生物
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