水处理微生物学.ppt
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1、水处理微生物学,1.绪论,1.1 微生物概论,一、什么是微生物 一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总称。是一些个体微小、构造简单的低等生物。,微生物的菌落,细菌的显微图样,二、人类对微生物的认识史 (1)一个难以认识的微生物世界 艾滋病,1213年的潜伏期,人类免疫缺陷病毒(HIV)引起;,艾滋病病毒模拟图,发霉的玉米、花生等胚附近,生长能产生剧毒真菌毒素的黄曲霉。,花生上的黄曲霉,黄曲霉菌落,(2)微生物学发展史 史前期:约8000年前1676,制曲、酿酒等 初创期:16761861,形态描述阶段,列文虎克自制显微镜 奠基期:18611897,生理水平研究,巴斯德,科赫 发展期:189719
2、53,生化水平研究,E.Bchner 成熟期:1953至今,分子生物学水平研究,J.Watson和F.Crick,三、微生物的分类和命名 三个概念 1.分类(classification): 解决从个别到一般或从具体到抽象的问题。 2.鉴定(identification): 与分类的概念相反。 3.命名(nomenclature): 为新发现的微生物确定一个新学名。,(1)通用的分类单元 界(Kingdom) 门(Phylum) 纲(Class) 目(Order) 科(Family) 属(Genus) 种(Species),大肠埃希氏菌在分类学中的地位,例:,细菌界(Bacteria) 朊细菌
3、门(Protobacteria) 发酵细菌纲(Zymobacteria) 肠杆菌目(Enterobacteriales) 埃希氏菌属(Escherichia) 大肠埃希氏菌(E.coli) 系统手册2000年,界是最大的分类单位,往下依次递小 在越是大的分类单位中,生物彼此的共同特征越少,亲缘关系越远;在越是小的分类单位中,共同特征越多,亲缘关系越近。,微生物的常用分类系统,细菌:伯杰氏鉴定细菌学手册(第八、第九版)、细菌系统学手册(第一版) 放线菌:中国科学院微生物研究所编著的放线菌目分科、分属检索表 真菌:Smith、 Alexopoulos 、 Ainsworth的分类系统,补充两个知识
4、点 1.种: 微生物的种是一个基本分类单元,它是一大群表形特征高度相似、亲缘关系及其接近、与同属那的其他物种有着明显的差异的一大群菌株的总称。 新种:指权威性的分类、鉴定手册中从未记载过得一种新分离并鉴定过的微生物。,2.界 两界系统:动物界和植物界 三界:菌物界、动物界和植物界 四界:原始生物界、菌界、植物界、动物界(由Copeland提出),五界:Whittaker提出生物五界分类系统,后被Margulis修改为:原核生物界,原生生物界,真菌界,动物界和植物界 我国王大耜教授对生物分类提出六界: 病毒界、原核生物界、真核原生生物界、真菌界、动物界和植物界,分类依据: 形态学特征、表型特征、
5、生理特征、生态特征、血清反应、噬菌体反应等 DNA中G+C%,DNA杂交,DNA-rRNA杂交,16S rRNA碱基序列分析等,(2)水处理中常见的微生物,微生物,病毒界:病毒,亚病毒,原核生物界,蓝藻门,细菌门,真细菌,放线菌,古菌,立克次氏体、衣原体、支原体,真菌界,酵母菌,霉菌,动物界,微型后生动物,微型原生动物,(3)微生物命名 通常以学名命名:常采用二名法 即:一个属名+一个种名(均为拉丁字) 注意:属名和种名都要用斜体表示 属名在前,第一个字母大写 种名在后,第一个字母小写,例子: 1.大肠埃希氏杆菌:Escherichia coli 分类学文献中,上述两部分还应加写3项内容,即首
6、次定名人,现定名人和现名的定名年分 如:Escherichia coli(Migula) Castellani et Chalmers 1919,大肠杆菌,2.枯草芽孢杆菌(枯草杆菌) Bacillus subtilis (Ehrenberg) Cohn 1872 3.浮游球衣菌 Spgaerotilus natans Kiitzing 4.甲烷杆菌属 Methanobacterium,枯草芽孢杆菌菌落,若该菌鉴定到属,没有鉴定到种,则只有属名,如: 芽孢杆菌属的名称是Bacillus,芽胞杆菌的几种形态,有关命名的其他知识 1.属名 2.种名加词,四、微生物的特点 1.体积小,面积大 比面值
7、:某一物体单位体积所占的表面积,物体的体积越小,其比表面积越大 如:1cm3豌豆,总表面积6cm2, 1cm3球菌,总表面积6m2,2.吸收多,转化快 如:Eschericha coli在1h内可分解其自重100010000倍的乳糖; Candidautilis(产朊假丝酵母)合成蛋白质的能力比大豆强100倍,比牛强10万倍。,3.生长旺,繁殖快 例:E. coli合适条件下,细胞分裂一次仅需12.520min,每昼夜可分裂72次,这时产生4722366500万亿个后代,总重约可达4722吨。,4.适应强,易变异 适应极端环境如高温、高酸、高辐射等; 变异频率低,但短时间能产生大量变异的后代。
8、,5.分布广,种类多 物种多样性 生理代谢类型的多样性 代谢产物的多样性 遗传基因的多样性 生态类型的多样性,1.2 环境工程微生物学的研究对象和任务,一、研究对象 1.微生物学及环境微生物学的基础知识、理论、原理等; 2.多样性的微生物资源 3.有益微生物 4.可用于污染治理的新微生物物种的发现、创造 5.病原微生物及其他不利环境的微生物,二、研究任务 1.充分利用有益资源,防止有害活动 2.微生物对废物的处理、净化环境 ,思考 1.微生物是如何分类的? 2.生物的分界有几种分法,是如何划分的? 4.微生物是如何命名的? 5.微生物有哪些特点? 6.写出大肠埃希氏杆菌和枯草芽孢杆菌的拉丁文全
9、称。,第二章 病毒和亚病毒,拟病毒:只含有不具独立侵染性的RNA或DNA组分,非细胞生物,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RNA组分,朊病毒:只含单一蛋白质组分,2.1 病毒的特征与分类,1892年,俄罗斯学者 伊万诺夫斯基 首次发现了烟草花叶病的感病因子可通过细菌滤器 1935年,美国生物化学家 斯坦莱 从烟草花叶病叶中提取出了病毒结晶,病毒: 没有细胞结构 专性寄生在活的敏感细胞内 0.2m以下,电镜下的病毒,2.1.1 病毒的特点,形体极其微小 没有细胞构造 每种病毒只含一种核酸 专性寄生 以核酸和蛋白质的装配实现大量繁殖 离体条件,为无生命的生物大
10、分子,长期保持侵染活力 对抗生素不敏感,对干扰素敏感 有的病毒核酸可整合到宿主基因组,诱发潜伏性感染,2.1.2 病毒的分类,按专性宿主分类: 1.动物病毒 寄生在人体和动物体内,引起疾病,艾滋病病毒,非典冠状病毒,肝炎病毒,引起的疾病有:流感、艾滋病、麻疹、腮腺炎、甲肝、乙肝等,2.植物病毒 寄生在植物体内,引起疾病 如烟草花叶病、番茄丛矮病、马铃薯退化病、水稻萎缩病和小麦黑穗病等,烟草花叶病毒,3.细菌病毒噬菌体 1917年D.Herelle 在人的粪便中发现; 环境毒理学中将其作为 模式病毒;可评价水与 废水的处理效率;杀菌。,噬菌体,3.放线菌病毒 4.藻类病毒 5.真菌病毒,DNA病
11、毒 细小病毒组的成员一般是ssDNA 其余病毒都是dsDNA RNA病毒 呼肠孤病毒组的成员是dsRNA 其余的病毒都是ssRNA 注:动物病毒以线状的为dsDNA和ssRNA多,植物病毒以ssRNA为多,噬菌体以线状的为dsRNA多,按核酸分类,2.2 病毒的形态和结构,1.病毒的大小 多数能通过细菌过滤器,直径多数在100nm(20200nm)上下; 最大的病毒:牛痘苗病毒,直径200nm 最小的病毒:口蹄疫病毒,直径22nm,2.病毒的形态 动物病毒的形态有:球形、卵圆形、砖形等 植物病毒的形态有:杆状、丝状和球状 噬菌体的形态有:蝌蚪状和丝状,粘病毒,痘病毒,疱疹病毒,噬菌体,病毒的形
12、态和相对大小,病毒的群体形态(小知识) 大量聚集并使宿主细胞发生病变时,就形成了具有一定形态、构造并能用光学显微镜观察和识别的特殊“群体”。 如:动植物细胞中的病毒包涵体 植物病毒在植物叶片上的枯斑 这类“群体形态”有助于病毒的分离、纯化、鉴别和计数等,3.病毒的化学组成和结构 (1)化学组成 蛋白质和核酸 个体大的病毒除含蛋白质和核酸,还含脂类和多糖,病毒粒子的结构图,(2) 结构,病毒粒子:成熟的或结构完整的、具有感染力的病毒体 病毒粒子有两种: 不具被膜的裸露病毒粒子 在核衣壳外面有被膜包围所构成的病毒粒子,病毒粒的对称体制 病毒粒的对称体制只有两种,即螺旋对称和二十面对称; 另外一些结
13、构复杂的病毒,实质上是上述两种对称结合的结果,也称为复合对称。,二十面对称 代表病毒为腺病毒(Adenovirus),二十面体,腺病毒模式图,B.螺旋对称型 代表病毒为烟草花叶病毒(TMV),该病毒核酸外由蛋白质衣壳包裹和保护,结构十分稳定,室温下保存50年不丧失侵染力,TMV模式图,C.复合对称型,二十面体对称,螺旋对称,代表病毒为T偶数噬菌体,有3种,即T2、T4和T6,T系噬菌体模式图,2.3 病毒的繁殖,2.3.1 病毒的繁殖,动物病毒、植物病毒和噬菌体的繁殖过程基本相似,此处以大肠杆菌T系噬菌体为例介绍繁殖过程 有如下四步:吸附,侵入,复制,聚集与释放,1.吸附 T系噬菌体以尾部末端
14、吸附到敏感细胞表面的某一特定的化学成分;,噬菌体与大肠杆菌相对大小,吸附,侵入,2.侵入 尾部酶水解细胞壁的肽聚糖形成孔,尾鞘消耗ATP获得能量而收缩将尾髓压入大肠杆菌细胞,尾髓将头部的DNA注入宿主细胞,3.复制与聚集 装配,噬菌体的装配,4. 噬菌体的释放 噬菌体粒子成熟后,其水解酶水解宿主细胞壁而使宿主细胞裂解,噬菌体粒子被释放,进而重新感染新的宿主细胞。,噬菌体的释放,2.3.2 病毒的溶原性,毒(烈)性噬菌体 侵入宿主细胞后,能引起宿主细胞裂解的噬菌体。,温和噬菌体 侵入宿主细胞后,其核酸附着并整合在宿主染色体上,和宿主的核酸同步复制,宿主细胞不裂解而继续生长,原噬菌体 在溶原细胞内
15、的温和噬菌体核酸称为原噬菌体。 原噬菌体随宿主细胞分裂传给子代细胞,子代也成为溶原细胞。溶原性是遗传特性。 原噬菌体没有感染力,一旦脱离溶原性细菌的染色体后即恢复复制能力,形成毒性噬菌体。,溶原性噬菌体的命名 在敏感菌株的名称后加括号,括号内写上, 如:大肠杆菌溶原性噬菌体的全称 Escherichia coli K12(),株名,表示溶原性噬菌体,2.4 病毒的培养,2.4.1 病毒的培养特征,1.液体培养,敏感菌株,接种,液体培养基,培养液变混浊,噬菌体,接种,培养液变透明,2.固体培养基,敏感细菌,感染噬菌体形成空斑,2.4.2 病毒的培养基,敏感细胞具备的条件 (1)活的敏感细胞 (2
16、)能提供病毒附着的受体 (3)敏感细胞内没有破坏特异性病毒的限制性核酸内切酶,动物病毒的培养基 植物病毒的培养基 噬菌体的培养基,2.4.3 病毒的培养,动物病毒的培养 动物接种方法 鸡胚接种方法 组织培养技术,病毒的滴度 指能产生培养管中的50CPE(细胞病理效应)的最高病毒稀释度(最少的病毒量),称为TCLD50(组织培养感染剂量) 若是敏感动物,则用ID50(使50敏感动物发生变化的感染剂量)或LD50(引起50敏感动物死亡的致死剂量)表示病毒的滴度。,2.5 环境因素对病毒的影响及在污水处理过程中的去除效果,2.5.1物理因素对病毒的影响,1.温度 宿主细胞外的病毒,5565范围内1h
17、可灭活 高温灭活病毒的机理 高温使病毒的核酸和蛋白质均受损伤,但灭活蛋白质更快;蛋白质变性阻碍了病毒吸附在宿主细胞上,削弱其感染力。 注:低温不会灭活病毒,2.光及其他辐射 (1)紫外辐射 灭活部位是病毒的核酸,使核酸中的嘧啶环受到影响。 (2)可见光 日光对肠道病毒有灭活作用。 (3)离子辐射 X射线等,3.干燥,2.5.2化学因素对病毒的影响,1.破坏病毒蛋白质的化学物质 酚、低渗缓冲溶液环境 2.破坏核酸的化学物质 甲醛,亚硝酸,氨 3.影响病毒脂类被膜的化学物质 醚,十二烷基硫酸钠,氯仿等,2.5.3抗菌物质对病毒的影响,一般抗菌物质对病毒无灭活作用,2.5.4 病毒在污水处理过程的去
18、除效果,一级处理 30 二级处理 9099 三级处理 滴度常用对数值下降46,2.6 亚病毒,1.类病毒 只含RNA一种成分、专性寄生在活细胞内的分子病原体,2.拟病毒 又称类类病毒、壳内类病毒或病毒卫星 指一类包裹在真病毒粒中的有缺陷的类病毒。 一般仅由裸露的RNA或DNA所组成,3.朊病毒(Prion) 又称普利昂或蛋白侵染子 是一类不含核酸的蛋白质分子 可引起宿主体内现成的同类蛋白质分子发生与其相似的构象变化,从而使宿主致病。 引起的疾病:羊搔痒病,疯牛病,人的早老年性痴呆病,震颤病等,思考题,1.病毒的特点 2.病毒分类依据是什么?分为哪些类病毒? 3.病毒的化学组成和结构是什么?对称
19、体制如何? 4.大肠杆菌T系噬菌体的繁殖过程。 5.毒性噬菌体与温和噬菌体,溶原性细胞,原噬菌体的概念。 6.不同培养方式中病毒的培养特征。 7.物理化学因素如何影响病毒?,第三章 原核微生物,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,原核微生物,细菌门,蓝细菌门,真细菌、古菌、粘细菌、放线菌,衣原体、支原体、立克次氏体、螺旋体,蓝细菌,3.1 细菌,细菌(Bacteria),细菌是一类细胞细而短(细胞直径约0.5m,长度约0.55m)、结构简单、细胞壁坚韧、以二等分裂方式繁殖和水生性较强的原核微生物,是给水与废水处理中最重要的一类微生物!,3.1.1 细菌
20、的个体形态和大小,1.细菌的形态 (1)球状 (2)杆状 (3)螺旋状 (4)丝状(仅有少数),(1)球菌,葡萄球菌,根据分裂方向及相互间连接方式又分为单球菌、双球菌、链球菌、四联球菌、八叠球菌、葡萄球菌等。是分类的一个依据。,右图自上而下: 双球菌、链球菌、四联球菌、八叠球菌、葡萄球菌,电镜下的球菌,葡萄球菌,球菌的形态,(2)杆菌,细胞呈杆状或圆柱形,一般其粗细(直径)比较稳定,而长度则常因培养时间、培养条件不同而有较大变化。,杆菌的几种形态,球杆菌,链杆菌,双杆菌,电镜下的杆菌,梭状芽孢杆菌,乳酸杆菌,杆菌的形态,(3)螺旋菌,霍乱弧菌,螺旋菌,弧菌(vibrio):螺旋周数不足一圈细菌
21、,螺菌(spirillum):26圈小型、坚硬的螺旋状细菌,螺旋体(spirochaeta):螺旋周数超6周,体长柔软,(4)丝状菌,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。,水处理中的丝状菌,细菌的大小以m计, 如:E.Coli长2 m,宽0.5 m ,1500个相当一粒芝麻长,2 .细菌的大小,较大细菌,1997年在纳米比亚海岸沉积物中发现的硫细菌(Thiomargarita namibiensis)0.10.3mm,肉眼可见。 较小细菌,1998年芬兰学者E.O.Kajander发现引起尿结石的纳米细菌(Nanobacteria),直径仅50nm,为E.Coli的1
22、/10,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。,细菌大小的测量及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,3.1.2 细菌的细胞结构,细菌是单细胞微生物。 所有细菌的结构:细胞壁,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,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。,1. 细胞壁(cell wall),细胞最外一层坚韧厚实的外被, 主要由肽聚糖构成。 细胞壁的生理
23、功能: 1)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 3)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,(1)细胞壁的化学组成和结构,丹麦医生C.Gram(革兰)于1884年 发明的一种鉴别不同类型细菌的 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,磷壁酸,多糖,孔,蛋白质,脂质,外膜,磷壁酸,肽聚糖,2. 原生质体,(1)细胞质膜(protoplasmic membrane),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,柔软而富
24、有弹性,半渗透膜。 含6070的蛋白质,含3040的脂类,约2的多糖。,细胞质膜,细胞质膜的蛋白质,具运输作用的整合蛋白(integral protein)或内在蛋白(intrinsic protein),具酶促作用的周边蛋白(peripheral protein)或膜外蛋白( extrinsic protein),脂类是磷脂,由磷酸、甘油、脂肪酸和含胆碱组成,细胞质膜的磷脂,细胞膜的结构:液态镶嵌模型(fluid mosaic model),1)膜主体脂双分子层 ,亲水基团在表面,疏水基团在内部 2)双分子层有流动性 3)蛋白镶嵌或贯穿或浮在表面 4)不对称性,1972年,辛格和尼科尔森提出
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