关于微生物一些基本知识.docx
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关于微生物一些基本知识
关于微生物的一些基本知识
1、微生物的分类
从微生物形态与结构
真核细胞型微生物细胞核的分化程度较高，有核膜、核仁和染色体；胞质内有完整的细胞器（如内质网、核糖体及线粒体等）。
真菌属于此类型微生物。
原核细胞型微生物细胞核分化程度低，仅有原始核质，没有核膜与核仁；细胞器不很完善。
这类微生物种类众多，有细菌、螺旋体、支原体、立克次体、衣原体和放线菌。
非细胞型微生物没有典型的细胞结构，亦无产生能量的酶系统，只能在活细胞内生长繁殖。
病毒属于此类型微生物。
从对氧的需求
好氧微生物：
亦称需氧菌、需氧微生物。
在有氧环境中生长繁殖，氧化有机物或无机物的产能代谢过程，以分子氧为最终电子受体，进行有氧呼吸。
厌氧微生物：
厌氧性细菌anaerobicbacteria指在无氧条件下生活的细菌。
为好氧性细菌的对应词。
其中，在氧存在下不能生长的细菌，特称为专性厌氧菌，如梭菌、甲烷菌、硫酸盐还原菌以及大部分光合细菌。
兼性厌氧细菌：
无论有氧状态还是无氧状态都能生长发育的细菌。
微生物获得碳源与能量的方式
根据微生物对碳源和能源的需求不同，可将微生物分为下列四个营养类型：
（1）光能自养型微生物：
以CO2作为惟一或主要碳源，以无机物（如硫化氢、硫代硫酸钠等无机硫化物）作为供氢体，还原CO2合成细胞物质，并利用光能进行生长。
它们都含有叶绿素等光合色素，因此能将光能转化为化学能。
藻类、蓝细菌和某些光合细菌（红硫细菌、绿硫细菌）都属于光能自养微生物。
（2）化能自养型微生物：
以CO2或碳酸盐作为惟一或主要碳源，以氢气、硫化氢、二价铁离子或亚硝酸盐等有机物作为电子供体，还原CO2或碳酸盐合成细胞物质，并利用无机物氧化所产生的化学能作为能源。
这类微生物包括氢细菌、硫细菌、铁细菌和硝化细菌等。
（3）光能异养型微生物：
不能以CO2作为惟一或主要碳源，需要以有机物作为供氢体，具有光合色素，以光作为能源。
在生长时，光能异养型微生物常需要外源的生长因子。
红螺菌属、红假单胞菌属和红螺微菌属的一些细菌就属于光能异养型微生物。
（4）化能异养型微生物：
以有机化合物作为碳源，并利用有机物质氧化产生的化学能作为能源，对于这类微生物而言，有机物既是碳源又是能源。
2、微生物的繁殖
微生物的繁殖周期
微生物的繁殖分为四个周期：
延迟期、对数期、稳定期和衰亡期。
延迟期：
指微生物生长刚开始的一段时间，这段时期微生物的生长较为缓慢，是微生物培养条件的生理适应期。
对数期：
在微生物培养了一定数量后，微生物的数量会大量增长，因为此时的培养皿中营养物质充足，微生物的增殖以对数的方式增加，此期间，培养皿中的微生物个数以恒定的几何级数大量增加。
稳定期：
是在对数期之后，由于微生物在对数期大量消耗营养物质，从而使培养皿中的营养物质不足以支持微生物继续大量繁殖，而此时在培养皿中的微生物数保持较稳定的个数，新生和死亡几乎持平。
衰亡期：
微生物数量开始下降，原因是此时培养皿中的营养物质已经不足以维持其中的微生物的继续生存，微生物由于营养物质的减少和自身副产物的增加而不断消亡。
微生物生长曲线
微生物的营养物质
水分1）细胞的重要组成成分；
（2）生理生化反应的容积；（3）营养物质与矿物质在细胞内外交换的媒介；（4）控制微生物细胞内温度的变化。
碳源：
细胞组成部分。
氮源：
细胞组成部分。
矿物质。
根据生物需要量的大小矿物质元素分为大量袁术与微量元素：
（1）大量元素有：
P、S、K、Mg、Ca、Na等；
（2）微量元素有Cu、Zn、Mn、Mo、Co等。
生长因子。
是某些微生物不能从普通的碳源与氮源物质合成，而需要另外加入才能满足机体生长需要的有机物质。
包括维生素、氨基酸、嘌呤或嘧啶碱基。
影响微生物生长的因素
影响微生物生长的主要因素有营养物质、水的活性、温度、pH和氧等。
2.3.1．营养物质
营养物质不足导致微生物生长所需要的能量、碳、氮源、元机盐等成分不足。
2.3.2．温度
根据微生物生长的最适温度不同，可以将微生物分为嗜冷、兼性嗜冷、嗜温、嗜热和超嗜热等五种不同的类型。
它们都有各自的最低、最适和最高生长温度范围。
微生物类型生长温度／℃
最低最适最高
嗜冷微生物0以下1520
兼性嗜冷微生物020-303；
嗜温微生物15—2020-4545以上
嗜热微生物4555-6580
超嗜热或嗜高温微生物6580-90100以上
温度对微生物生长的影响具体表现在：
①影响酶活性，每种酶都有最适的酶促反应温度，温度变化影响酶促反应速率，最终影响细胞物质合成；②影响细胞质膜的流动性，温度高流动性大，有利于物质的运输，温度低流动性降低，不利于物质运输，因此温度变化影响营养物质的吸收与代谢产物的分泌；③影响物质的溶解度，物质只有溶于水才能被机体吸收或分泌，除气体物质以外，温度上升物质的溶解度增加，温度降低物质的溶解度降低，最终影响微生物的生长。
2.3.3．pH
微生物生长过程中机体内发生的绝大多数的反应是酶促反应，而酶促反应都有一个最适pH范围，在此范围内只要条件适合，酶促反应速率最高，微生物生长速率最大，因此微生物生长也有一个最适生长的pH范围。
此外微生物生长还有一个最低与最高的pH范围，低于或高出这个范围，微生物的生长就被抑制，微生物不同生长的最适、最低与最高的pH范围也不同。
微生物
最低PH
最适PH
最高PH
细菌
3-5
酵母菌
2-3
霉菌
1-3
通过影响细胞质膜的透性、膜结构的稳定性和物质的溶解性或电离性来影响营养物质的吸收，从而影响微生物的生长速率。
质子是一种唯一不带电子的阳离子，它在溶液里能迅速地与水结合成水合氢离子（H3O+等）。
在偏碱性条件下，OH-占优势，水合氢离子和OH-对营养物质的溶解度和离解状态，细胞表面电荷平衡和细胞的胶体性质等方面均会产生重大影响；在酸性条件下H+可以与营养物质结合，并能从可交换的结合物或细胞表面置换出某些阳离子，从而影响细胞结构的稳定性；同时由于PH值较低，CO2溶解度降低，某些金属离子如Mn2+、Ca2+、Mo2+等溶解度增加，导致它们在溶液中的浓度增加，从而对机体产生不利的作用。
2.3.4．氧
根据氧与微生物生长的关系可将微生物分为好氧、兼性厌氧和专性厌氧三种类型，它们在液体培养基试管中的生长特征。
因此，在培养不同类型的微生物时，一定要采取相应的措施保证不同类型的微生物能正常生长。
例如培养好氧微生物可以通过振荡或通气等方式使之有充足的氧气供它们生长；培养专性厌氧微生物则要排除环境中的氧，同时通过在培养基中添加还原剂的方式降低培养基的氧化还原电势；培养兼性厌氧或氧的耐氧型微生物，可以用深层静止培养的方式等。
微生物与氧的关系
微生物类型
最适生长的O2体积分数
好氧
微好氧
氧的忍耐型
兼性厌氧
专性厌氧
等于或大于20％
2％一lO％
2％以下
有氧或无氧
不需要氧、有氧时死亡
3微生物纯培养
菌种的分离
微生物在自然界中不仅分布很广，而且都是混杂地生活在一起。
要想研究或利用某一种微生物，必须把它从混杂的微生物类群分离出来，以得到只含有一种微生物的培养。
微生物学中将在实验条件下，从一个细胞或同种细胞群繁殖得到的后代称为纯培养。
纯培养的获得有下列几种方法。
3.1.1平板划线分离法
用接种环以无菌操作沾取少许待分离的材料，在无菌平板表面进行平行划线、扇形划线或其他形式的连续划线，微生物细胞数量将随着划线次数的增加而减少，并逐步分散开来，如果划线适宜的话，微生物能一一分散，经培养后，可在平板表面得到单菌落。
平板划线分离法
划线分离法得到的单菌落
3.1.2稀释倒平板法
先将待分离的材料用无菌水作一系列的稀释（如1∶10、1∶100、1∶1000、1∶10000…），然后分别取不同稀释液少许，与已溶化并冷却至45℃左右的琼脂培养基混合，摇匀后，倾入灭过菌的培养皿中，待琼脂凝固后，制成可能含菌的琼脂平板，保温培养一定时间即可分离出菌落。
如果稀释得当，在平板表面或琼脂培养基中就可出现分散的单个菌落，这个菌落可能就是由一个细菌细胞繁殖形成的。
随后挑取该单个菌落，或重复以上操作数次，便可得到纯培养。
稀释倒平板法
稀释倒平板法得到的单菌落
3.1.3单孢子或单细胞分离法
采取显微分离法从混杂群体中直接分离单个细胞或单个个体进行培养以获得纯培养，称为单细胞（单孢子）分离法。
单细胞分离法的难度与细胞或个体的大小成反比，较大的微生物如藻类、原生动物较容易，个体较小的细菌则较难。
在显微镜下使用单孢子分离器进行机械操作，挑取单孢子或单细胞进行培养。
也可以采用特制的毛细管在载玻片的琼脂涂层上选取单孢子并切割下来，然后移到合适的培养基进行培养。
单细胞分离法对操作技术有比较高的要求，多限于高度专业化的科学研究中采用。
3.1.4利用选择性培养基分离法
各种微生物对不同的化学试剂、染料、抗生素等具有不同的抵抗能力，利用这些特性可配制合适某种微生物而限制其它微生物生长的选择培养基，用它来培养微生物以获得纯培养。
另外，还可以将样品预处理，消除不希望分离到的微生物。
如加温杀死营养菌体而保留芽孢，过滤去除丝状菌体而保留单孢子。
微生物纯培养分离方法的比较
分离方法
应用范围
平皿划线法
方法简便，多用于分离细菌
稀释倒平皿法
即可定性，又可定量，用途广泛
单细胞挑取法
局限于高度专业化的科学研究
利用选择培养基法
适用于分离某些生理类型较特殊的
菌种鉴定
3.2.1有形态特征：
包括观察菌落的大小、形状、隆起度、边缘、表面性状、颜色与透明度、质地和干湿度及微生物的显微形态、革兰氏染色、鞭毛染色等；
3.2.2理化特性：
包括糖类分解试验、淀粉水解试验、甲基红（）试验、硝酸盐还原试验等。
3.3.3分子生物学鉴定：
主要是16sDNA测序对比。
16S是沉降系数,r是ribosomal核糖体。
16sDNA即是沉降系数为16S的核糖体上的DNA，16sDNA是一段保守DNA序列，在类学的种间有高度的保守性，常可用来作为特异序列鉴定菌种属.
目前菌种鉴定一般需要结合三种方法的结果。
高效菌株的获得
3.3.1传统筛选
在可能存在高效菌种的环境中取样（一般选取具有目标底物存在的环境，如制药厂废水中筛选对某种药具有降解功能的细菌），通过菌种分离获得纯培养菌种（一般使用选择性培养基），然后再通过理化鉴定选择高效菌种。
3.3.2传统突变
传统的诱变及筛选是最常用的菌种改良手段。
第一步是利用物理、化学或生物的诱变因子修改目的微生物的基因组，产生突变株。
第二、对得到的突变株进行筛选，得到高效突变株。
3.3.3基因重组
利用细胞外进行DNA拼接、重组技术，改造细菌的遗传DNA，以改善细菌的某个或几个功能，使微生物具备自身不具备的功能或改变微生物的某种能力。
菌种的退化、复壮与保藏
菌种在传代过程中，因遗传物质发生变异而引起的使原有的优良性状渐渐消失或变坏，菌种退化往往是一个渐变的过程，菌种退化只有在发生有害变异的个体在群体中显著增多以至占据优势时才会显露出来。
２、菌种发生退化的原因：
（１）菌种混杂，（２）有害突变的发生。
因此需要定期进行菌种的复壮与保藏。
5微生物之间的生态关系竞争共生
竞争关系：
是指不同的微生物种群在同一环境中，对数食物等营养、溶解氧、空间和其它共同要求的物质量物种1互相竞争，互相受到不利的影响。
互生关系：
是指两种可以单独生活的生物共存于同一环境中，相互提供营养及其它生活条件，双方互为有利，当两者分开时各自可单独生存。
共生关系：
共生关系是指两种不能单独生活的微生物共同生活于同一环境中，各自执行优势的生理功能，在营养上互数为有利，组成共生体。
偏害关系：
是指共存于同一环境中两种 微生物，甲方对乙方有害，乙方对甲方无任何影响。
捕食关系：
即一种微生物以另一种微生物为食。
捕食关系即一种微生物以另一种微生物为食。
寄生关系：
是指一种生物需要在另一种生物体内生活，从中摄取营养才能生长繁殖。
前者为寄生菌，后者为寄主。
6废水及废气处理中的微生物
生物降解是微生物活动造成的对污染物的裂解，也即这些污染物能作为微生物的食物或基质。
共代谢是指在某些污染物需要在需添加一些有机物作为初级能源情况下才能降解，这一现象称为共代谢。
一般发生共代谢的物质为人工合成的大分子化合物。
降解途径每一步的发生都是由细胞产生的特定功能的酶所催化，包括胞内酶（在细胞内存在）和胞外酶（被微生物分泌到细胞外）。
活性污泥的微生物由分解污染物的细菌、原生动物、后生动物组成，活性污泥中的细菌主要有菌胶团细菌及其丝状真菌，它们构成了活性污泥的骨架。
影响生物降解的环境因素：
主要有氧、有机质含量、氮、营养元素及环境因素（温度、pH、盐度、水活度、有毒物质等）。
废水处理中的微生物
城市污水中主要的污染物为有机物（COD）与氨氮。
有机污染物的去除主要是由异养微生物起作用，包括厌氧处理中的产甲烷菌、产酸菌，兼氧处理中的水解菌和产酸菌及好氧活性污泥中的各种细菌、原生动物、后生动物等。
氨氮主要通过硝化菌和反硝菌的代谢作用去除。
通过代谢作用污染物被分解成CO2和水，同时微生物从代谢过程中获得能量与碳源，微生物数量得以增加（即废水处理中的剩余污泥）。
6.1.1活性污泥中的微生物
6.1.1.1菌胶团细菌。
即能够形成菌胶团的细菌。
它们是构成活性污泥絮状体的主要成分，有很强的吸附、氧化有机物的能力。
6.1.1.2丝状细菌。
丝状细菌一般在活性污泥中交叉穿织于菌胶团内，或附着生长于絮凝体表面。
丝状菌均有很强的氧化分解有机物的能力，但在某些情况下出现过量繁殖，导致污泥絮体结构松散，沉降性能变差，引起活性污泥膨胀。
6.1.1.3真菌。
活性污泥中的真菌主要是腐生或寄生的丝状菌。
具有分解碳水化合物、脂肪、蛋白质及其它含氮化合物的功能。
6.1.1.4原生动物。
对废水净化也起着重要作用，而且可以作为处理系统运转管理的种指标。
水质不同观察到的原生动物种类也不一样。
6.1.1.5微型后生动物。
只有在水质良好时才有一些微型后生动物存在。
微生物的种群特性与污染物的种类及污水处理工艺存在相当大的关系，不同的污染物与工艺，活性污泥中的微生物种群相差非常大。
废水处理中根据污染物的种类、浓度、水量等确定处理工艺，即是通过调节氧、有机质含量、营养元素、pH等因素，来制造适合目标微生物生长的合适条件，控制微生物种类、数量与活性，以加快代谢过程。
通常微生物体内含有有%的氮、%的磷。
一般每克碳元素可产生0.5g微生物（一部分用于细胞增长，一部分提供能量），因此废水处理中C/N/P的比例为100：
5：
1，厌氧微生物C/N/P的比例为200:
5:
1。
7除臭中的微生物
恶臭气体种类繁多，主要包括硫化氢、甲硫醇、氨气、甲烷及各种VOCs（挥发性有机化合物）。
城市污水厂的恶臭气体成分主要是氨气和硫化氢。
甲烷及各种VOCs等污染物的去除主要依靠异养微生物的作用，硫化氢主要在硫氧化细菌的作用下被氧化成SO42-，氨氮主要在硝化细菌的作用下被氧化NO3-。
生物滤池中的微生物都以生物膜的形式附着在填料上。
填料的比表面积、附着性直接影响到除臭装置中微生物数量的多少，因此填料是生物滤池的核心。
废气处理装置中氨氮的去除
氮循环是描述自然界中氮单质和含氮化合物之间相互转换过程的生态系统的物质循环。
废气与废水中氨氮的去除，属于自然界中氮循环的一部分。
自然界中的氮循环
7.1.1硝化作用
硝化作用是指氨在微生物作用下氧化为硝酸的过程。
除臭生物滤池中NH3的去除的即是通过硝化作用进行。
总反应：
NH3+=NO3-+H2O+H+
从上面反应式可以看出，氧化1mol的氨氮会生成1mol的HNO3，因此除臭过程中填料会有变酸的趋势，而过低的pH会抑制硝化作用的进行。
硝化作用主要由自养型细菌分阶段完成。
第一阶段为亚硝化，即氨氧化为亚硝酸的阶段，起作用的是亚硝化菌（也成氨氧化菌），其世代周期为8～36d。
第二阶段为硝化，即亚硝酸氧化为硝酸的阶段，起作用的是硝化菌，世代周期为12～59d。
通常我们所指的硝化细菌是亚硝化菌与硝化菌的统称，一般情况下这两种菌都伴生在一起。
硝化反应效率比第一步更低，因此整个硝化反应中，NO2-转变为NO3-的速度为关键的限制因素。
亚硝酸盐是一种有毒物质，可以直接与空气中的氧发生反应生成硝酸盐，因此自然界中一般不会有亚硝酸盐积累。
但在废水处理中如果亚硝化速度过快、硝化速度过慢而溶解氧不足时，会产生短时间的亚硝酸盐积累，使微生物发生亚硝酸盐中毒。
硝化细菌是敏感性种群，硝化作用的最适pH为当pH﹤时硝化作用速率下降，当pH﹤时，硝化作用完全被抑制。
除上述的自养型微生物外，土壤中还有大量多种异养型微生物在培养基上，也能将氨和有机氮化物氧化为NO3-,但其硝化能力低于自养型硝化细菌。
也有人认为，异养型硝化微生物的硝化能力虽弱，但在土壤中的数量却十分庞大，因而在硝化作用中也有相当意义。
7.1.2反硝化
反硝化：
在缺氧条件下，还原硝酸盐，释放出分子态氮（N2）或一氧化二氮（N2O）的过程。
反硝化反应也称脱氮作用。
大部分反硝化细菌是异养菌，例如脱氮小球菌、反硝化假单胞菌等，它们以有机物为氮源和能源，进行无氧呼吸；少数反硝化细菌为自养菌，如脱氮硫杆菌，它们氧化硫或硝酸盐获得能量，同化二氧化碳，以硝酸盐为呼吸作用的最终电子受体。
NO3-+5H2+2H+N2+6H2O－212Kcal/8e-
7.1.3厌氧氨氧化
厌氧氨氧化作用（AnAMMOX）是近年新发现的一种氮转化方式，即在厌氧条件下由利用亚硝酸盐为电子受体，将氨氮氧化为氮气的生物反应过程。
这种反应通常对外界条件（pH值、温度、溶解氧等）的要求比较苛刻，但这种反应由于不需要氧气和有机物的参与。
厌氧氨氧化细菌基本为严格厌氧的自养菌，生长世代周期约13天，最适，最适温度约37℃。
但目前对厌氧氨氧化菌的研究还处于初步阶段。
厌氧氨氧化的反应式为：
NH4+++++N2++废气处理装置中硫化氢的去除
硫循环是指硫元素在生态系统和环境中运动、转化和往复的过程。
废气处理中硫化氢的去除也属于硫循环的一部分，硫化氢被生物填料上的硫氧化细菌被氧化成SO42-。
硫氧化细菌（sulfurbacteria）
在过程中能利用的的，从中获得，且能把为硫，并再将硫氧化为的。
有的硫细菌是严格化能型，有的是兼性自养型。
自养型硫细菌的世代周期一般在10～25h。
2H2S+O22H2O+2S+100kcal
2S+3O2+2H2O2H2SO4+300kcal
6H2O+6CO2+E（686kcal）C6H12O6+602
1molH2S氧化成SO42-可以释放出400kcal能量，而根据经验值，合成1g干细胞需要281kcal能量（根据碳源与微生物量关系推算），即氧化34克H2S所产生的能量能产生1.42g干细胞，需要0.17克N与0.034克P，因此除臭滤池中硫化氢与N、P元素的比例约为1000:
5:
1。
（此部分都是根据资料自己推算的，还没有找到直接的资料）
从反应式可以看出在硫化氢氧化过程中产生了酸，因此在正常的生物滤池处理装置中，填料有酸化的趋势。
硫氧化菌种类较多，其最适pH也有很大不同，在~之间。
一般来说，化能自养型硫氧化菌更能适应较低的pH，而在中性和碱性环境下，异养型硫化菌可能更重要。
在有氧时，还原态硫化物能支持化能自养型细菌中的一个类群在严格好养条件下的生长，也能支持光能自养型细菌中的一个群在严格厌氧条件下生长。
另外，包括细菌和真菌在内的许多好氧异养微生物，将硫氧化成硫代硫酸盐或硫酸盐。
自养型硫氧化菌在大部分环境中被认为是主要的硫氧化菌。
需要说明的是，不管是硝化菌、亚硝化菌还是硫氧化菌，都是我们从功能上加以区分，即对具有同种功能的微生物的通称，其实在生物学关系上，硝化菌、亚硝化菌和硫氧化菌
都具有相当多的种类，甚至属于不同属，其生物学特性、最适生长环境、营养等也有很大的区别。
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