微生物-第七章-微生物的生长和遗传变异2课件

,第一节 微生物的生长和特性 第二、三节 微生物的遗传与变异 第四节 遗传工程 第五节 微生物的驯化与保藏,第七章 微生物的生长和遗传变异,第一节 微生物的生长和特性,生长,微生物同化作用异化作用个体增大 微生物的裂殖个体数量增多,繁殖,生长,繁殖,基础,条件,联系紧密,本节主要内容： 一 微生物生长的测定方法 二 微生物的生长曲线 三 微生物的生长曲线与废水生物处理的关系 四 微生物膜的生长特性,·显微镜直接计数,涂片染色计数,血球计数器计数,·间接计数法,平板菌落计数法（活菌计数法）,液体计数法（统计学原理）,· 测生长量法,细胞重量法：湿重与干重（MLSS）,光密度法,7.1.2 微生物生长的测定方法,薄膜计数法,比例计数,元素法等等,重量法,测定细胞干重,离心法 过滤法,105110干燥,水处理构筑物内微生物生长量常采用该法。,活性污泥法中采用的指标是 混合液悬浮固体（MLSS） （Mixed Liquid Suspended Solid）,MLSS（mg/L 或 g/m3） MLSSMa+Me+Mi+Mii Ma: 活的微生物细胞; Me: 微生物内源代谢残留物 Mi: 难于生物降解的有机物； Mii:附在活性污泥上的无机物,做法：取一定体积的待测污泥样品，放于蒸发皿中干燥，然后称重。 作为表示活性污泥微生物量的相对指标。,二 微生物的生长曲线,微生物的生长有没有规律性？,？,有规律,微生物的生长曲线：将少量纯菌接种到一定量的液体培养基内，在适宜的温度下培养，并定时取样测定活微生物的数目和重量的变化，以活微生物个数的对数或活微生物重量为纵坐标，以培养时间为横坐标作图，所得的曲线即为微生物的生长曲线。,这种培养方式为间歇培养或分批培养。,问题：微生物有几种生长曲线呢？,（一）以活微生物数目的对数绘制的生长曲线,适应期,对数期,稳定期,衰亡期,活菌数,（1）适应（缓慢）期 （2）对数期 （3）稳定期 （4）衰亡期,1 适应期（缓慢期） lag phase,特点,初：细菌数目不增加，体积增长快。 后：个别菌体繁殖，个数少许增加。 曲线平缓。大量诱导酶的合成。,应用： 缩短此期，提高设备利用率 用处于对数期或代谢旺盛的活性污泥接种,2 对数期 log phase,分裂快，数目增多。 活菌数 总菌数 直线上升 此时细胞的大小、组成、生理特征等均趋于一致，代谢活跃，生长速率高，代时稳定。,特点,应用： 接种用的好种子 但处理效果不是最好，因为微生物活性大就不易凝聚和沉淀；要保证充足的食料，有机物浓度要保持较高水平。,3 稳定期 stationary phase,稳定期,特点,应用：处于稳定期的污泥代谢活性和絮凝沉降性能均较好。 发酵产物形成的重要时期（抗生素、氨基酸等），生产上应尽量延长此期，提高产量。,储存物积累，养料消耗多。 芽孢形成，抗生素产生。 繁殖速率下降，死亡速率上升。 新增菌死亡菌 平坦,4 衰老期 decline phase or death phase,衰亡期,菌体死亡速度大于繁殖速度。 死亡菌活菌数。自溶。 内源呼吸 曲线下降,特点,微生物的生长曲线和废水生物处理的关系,生长率上升阶段：微生物繁殖快，活力强，但是不容易凝聚 沉淀。需要充足的食料供给，处理后的 废水有机物浓度较高，出水水质不好。 生长率下降阶段：积累代谢产物，如异染颗粒、肝糖粒等， 产生粘性物质，污泥代谢活性及凝絮沉 降性好。（传统活性污泥运行范围） 内源呼吸阶段： 特殊水处理场合。 (如延时曝气及污泥消化),间歇培养：生长曲线的绘制 连续培养：实际废水处理 一方面连续进料，一方面又连续出料。,四 微生物膜的生长特性,生物膜：是一种不可逆的黏附于固体表面的，被微生物胞外多聚物包裹的有组织的微生物群体。,生物膜的生长特性：,参考P130 页 图7-5,第二节 细菌的遗传与变异,一、遗传与变异的基本概念,遗传性：微生物将生长发育所需的营养类型、环境条件及其他形态（形态、结构、生理生化特型）传给后代，并相对稳定的一代一代传下去，这就是微生物的遗传性。,1、遗传的保守性,指遗传性不可改变的一面。常把遗传性的保守性叫遗传。特点：具稳定性。,保守性的有利方面：,使生产中选育出来的优良菌种的各属性稳定的一代一代传下去。,保守性的不利方面：,妨碍M适应改变了的外界环境条件而死亡。,2、遗传的变异性,遗传性可改变的一面。M为适应新的环境条件而改变自己的某些属性，产生适应新环境的酶，从而适应了新环境并生长良好，即为遗传的变异性。,变异的特点： a.在群体中以极低的几率出现，（一般10-610-10）； b.形状变化的幅度大； c.变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。,定向变异：通过有计划、有目的的控制M的生长环境条件，用物理、化学因素诱导M向着生产需要的方向变异。在废水的生物处理中，这种定向变异称为驯化。,二、遗传变异的物质基础核酸, RNA类型,信使RNA（mRNA）：以DNA一条单链为模板，在RNA聚合酶的催化下，按碱基互补原则合成。mRNA是蛋白质合成的模板，传递DNA的遗传信息。,转移RNA（tRNA）：存在细胞质里，在蛋白质合成过程中起转移氨基酸的作用。,核糖体核酸（rRNA）：和蛋白质组成核糖体。核糖体是合成蛋白质的主要场所。,2、核酸的生物学功能,（1）DNA的复制：,解旋：DNA双螺旋分子在解旋酶作用下，两条链的碱基之间氢键断裂，分离成两条单链。,复制：每条单链按照碱基顺序，合成一条互补的新链。,复制后的DNA双链由一条旧链和一条新链构成半保留复制。,（2）遗传因子基因,基因：具有遗传功能的DNA分子上的片断。 平均含1000个碱基对。,不同基因分子所含碱基对的数量和排列序列不同，都具有自我复制的能力。,按基因功能不同分为：,三、M的变异：,1、基因重组：两个不同性状的M个体细胞，其中一个细胞的DNA与另一个细胞的DNA融合，使基因重新排列，遗传给后代，产生新品种或表达新的遗传性状，称为基因重组。,基因重组时，不发生任何碱基对结构上的变化。,发生途径,2、基因突变：由于自然界（外界）的作用， 或人为的物理化学因素而引起DNA链上碱基的缺乏、 置换、插入等，引起基因内部碱基排列顺序发生改变，从而引起后代表现型（形态、生理等）发生可遗传的 变化。,自发突变：微生物在自然条件下，没有人工参与而发生的基因突变。（无定向，有益或无益）,诱发突变：人为的利用物理化学因素，引起细胞DNA分子中碱基对发生变化。所利用的物理化学因素称为诱变剂。,定向培育：人为的利用某一特定环境条件长期处理某一微生物群体，同时不断将它们进行移种传代，以达到累积和选择合适的自发突变体的一种培育方法。,应用：活性污泥和生物膜的培养驯化,四、遗传工程：,按照预先设计的生物蓝图，通过对DNA直接的操纵、改组、重建，实现对遗传性状定向的改造。,基本方法：把DNA从一种生物细胞中提取出来，在体外对其直接操纵、改组、重建，然后再把它导入另一生物细胞内，改变其遗传结构，使之产生符合人类需要的新遗传特性，定向的创造新生物类型。,1 从细胞中分离出DNA； 2 限制酶截取DNA片断； 3 分离大肠杆菌细胞中的质粒； 4 DNA重组； 5 用重组质粒转化大肠杆菌细胞； 6 培养大肠杆菌克隆大量目的基因。,遗传工程包括两个水平的研究：一是细胞水平（如转化、接合、转导等）；另一是基因水平，因此又可分为细胞工程和基因工程。目前研究的主要是基因工程。因此，狭义地说，遗传工程就是基因工程。,利用遗传工程，把具有降解某些特殊物质的质粒剪切后，连接到受体细胞中，使之带有一种或多种功能用以处理废水。这种用人工方法选出的多质粒、多功能的新菌种称为“超级细菌”。,（6）遗传工程在废水处理中的应用：,目前较为成功的实例：降解石油的超级细菌 、耐汞质粒 、降解染料的质粒。,第三节 菌种的驯化及保藏,定向培育：通过有计划、有目的地控制微生物的生长条件，使微生物的功能向人类需要的法相发展。在污水生物处理中，这个过程叫驯化。 污泥驯化是首要且关键的一环。 目的： （1）培养微生物的抗毒性 （2）培养出具有特异和高效降解特性的微生物，使微生物对于待处理污水中的碳（能）、氮源物质由不利用到利用，由缓慢利用到快速降解。,2、 菌种的复壮： 使衰退的菌种恢复原来优良性状。 狭义的复壮是指在菌种已发生衰退的情况下，通过纯种分离和生产性能测定等方法，从衰退的群体中找出未衰退的个体，以达到恢复该菌原有典型性状的措施； 广义的复壮是指在菌种的生产性能未衰退前就有意识的经常、进行纯种的分离和生产性能测定工作，以期菌种的生产性能逐步提高。,菌种的复壮措施： 纯种分离：（平板划线法、涂布法、倾注法、单细胞挑取法等）。 通过寄主体内生长进行复壮（如Bacillus thuringiensis的复壮） ； 淘汰已衰退的个体（采用比较激烈的理化条件进行处理，以杀死生命力较差的已衰退个体）。 采用有效的菌种保藏方法。,3、防止菌种衰退的方法： 控制传代次数（一般在DNA的复制过程中，碱基的错配率是5x10-4，自发突变的频率为10-810-9，采用良好的菌种保藏方法，可以减少移种和传代的数）； 选择合适的培养条件； 采用不同类型的细胞进行传代（对丝状微生物而言，通常采用稳定的单核孢子进行接种）； 采用有效的菌种保藏方法。,二、菌种保藏： 1. 目的： 存活，不丢失，不污染 防止优良性状丧失 随时为生产、科研提供优良菌种 2. 原理：选用优良的纯种，（最好是休眠体，如分生孢子、芽胞等），创造降低微生物代谢活动强度，生长繁殖受抑制，难以发生突变的环境条件。（其环境要素是干燥、低温、缺氧、缺营养 以及添加保护剂等）,3.菌种保藏的方法,方法： 低温保藏法 方法：菌种管置4冰箱保藏，定时传代 原理：低温下，微生物代谢强度明显下降 。 石蜡油低温保藏法： 橡皮塞取代棉塞、加石蜡油。,干燥保藏法 将菌种置于土壤、细纱、滤纸、硅胶等干燥材料上保藏。如砂土管法，适用于放线菌、芽孢菌和某些真菌保藏，保藏时间几至几十年。,真空冷冻干燥法 加有保护剂的菌悬液在冻结状态下予以真空干燥。 适用于各种微生物，便于大量保藏，菌种存活时间长，是目前最好的保藏方法。 液氮超低温保藏法 将菌种置于保护剂中，预冻后保存在液氮超低温冰箱中（ -196）。 适用于各种微生物的较理想的保藏方法。,几种常用菌种保藏方法的比较,复习题,解释细菌的生长曲线。 细菌的生长曲线的分期及各期的特点。 如何将细菌的生长曲线用于废水生物处理的应用中？ 什么是质粒？什么是“超级细菌”？ 试述遗传工程在给排水工程中的应用。,