微生物的生长及其特性
2023-06-24 18:46:17 0 举报AI智能生成
水处理微生物学 微生物的生长及其特性思维导图
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大纲/内容
微生物的遗传
遗传的物质基层(DNA)
生物遗传的物质基础是核酸。核酸是一种多聚核苷酸
脱氧核糖核酸(DNA)
DNA的多样性
DNA结构的变化是无穷无尽的，具有高度的多样性。
DNA的双螺旋结构
核糖核酸 (RNA)
遗传的存在形式
染色体
染色体是遗传物质的主要载体，是遗传物质在微生物中存在的主要形式。DNA 是染色体的主要成分。
原核微生物染色体中的 DNA 不与蛋白质结合，也没有核膜，而是以单独裸露状态存在。
真核微生物的染色体 DNA 与蛋白质结合。直核微生物细胞核中 DNA 的量大于原核微生物中D的量。
质粒——性质粒 (F因子）
定义
游离于染色体外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状DNA分子，多存在于原核生物。
结构
一般是小型环状双链 DNA，也有的呈超螺旋形和线形的构型。
质粒可独立复制，可在不同细菌之间水平转移，可与染色体 DNA 发生重组，不是细胞必需组分。
某些微生物中的质粒还具有以下特性:
1) 可转移性
2)可整合性
3) 可重组性
4)可消除性
根据质粒所携带的遗传信息表达后的表型特征可将质粒分类如下:
1)抗药性质粒，R因子一R质粒
从患痢疾且被抗生素治疗后的病人中分离出的痢疾志贺氏菌株，具有抗药性，而且能把抗药性转移到E. co/i。
2)抗生素产生质粒
3)降解质粒
含有能降解复杂物质的基因，从而使细菌能降解难降解有机物，大多在假单胞菌属中发现。
4)性质粒或称F因子
是E.coli中决定性别的质粒。
有F因子的细菌: F+ 雄菌。没有F因子的细菌: F·雌菌
细胞器DNA
细胸器DNA是真核微生物中染色体之外的遗传物质的另一种重要存在形式。
叶绿体、线粒体、中心粒、毛基体等
这此细胞器及其DNA 具有某此共同特征:
1)结构复杂而多样
2)功能不一，而且对于生命活动常不可缺少
3)数目多少不一
4）自体复制
5）一旦消失以后，后代细胞中不再出现
转座子
转座子是能够在染色体不同位点或染色体与质粒之间移动的特殊 DNA 序列，大小通常为几个kb。
转移方式
剪切插入
从原位点切出，然后插入另一个位点
复制插人
先自身复制，再插入另一个位点
遗传物质的复制
DNA
解旋和复制
参与了复制过程的 DNA 聚合酶
多聚酶I
具有修复作用和连接冈崎片段的功能
多聚酶II
具有修复作用
多聚酶III
RNA
大多数 RNA病毒是单链的，这种RNA 的复制一般是先以自己为模板合成一条与其碱基互补配对的单链,形成双螺旋的复制类型,然后这条复制链又双链模板中释放出来
遗传物质的传递和表达
复制、转录、翻译
信使 RNA (mRNA)
传达了 DNA 遗传信息
转移 RNA (tRNA)
在蛋白质合成过程中起转移氨基酸的作用
核糖体 RNA (rRNA)
它与核糖体蛋白一起组成核糖体
基因表达的调控
基因 是染色体或质粒 DNA 上的一个片段，是最小的遗传单位。它包括调控序列，转录序列和其他在该基因表达过程中起作用的序列。
结构基因
表达非调控因子的基因，它的产物可以是结构蛋白、酶或 RNA。
调控基因
是用来调控其他基因的表达，产物可以是蛋白质或 RNA。
可以将基因调控分为转录、翻译、翻译后以及染色体水平上的调控。
微生物的驯化
在环境工程中，通过有计划、有目的地人为控制微生物的生长条件，使微生物群落的功能向人类需要的方向发展，这个过程称之为驯化
驯化机理
1.获得所需的基因(变异、基因重组)
2.降解酶的诱导或抑制作用的解除
3.降解微生物的高浓度化(选择性繁殖)
微生物的保藏与复壮
1.菌种退化现象
原因
(1) 自然突变
(2)环境条件
2.菌种的保藏
目的是使菌种保藏后不死亡、不变异、不被杂菌污染，并保持其优良性状，以利于生产和科研的应用。
(1)斜面保藏法
(2)石蜡油封藏法
(3)载体保藏法
(4)冷冻干燥保藏法
微生物的变异
遗传物质因生物个体自身或者环境因素影响而发生基因突变、重组或者改变 DNA 的组织形式，从而导致可遗传的变化，这种现象叫变异
基因变异
突变发生机理与途径
由于某些原因，引起生物体内的 DNA 链上少数碱基的缺失、置换或插入，改变了基因内部原有的碱基排列顺序，这样的变异称为突变
(1)自发突变
凡是在没有特设的诱变条件下，由外界环境的自然作用如辐射或微生物体内的生理和生化变化而发生的基因突变称为自发突变。
1)不对应性
2）自发性
3)稀有性
4)独立性
5)诱变性
6)稳定性
7)可逆性
(2) 诱发突变
人为地利用物理化学因素，引起细胞 DNA 分子中碱基对发生变化叫诱变。
诱变剂：
紫外线
5-溴尿嘧啶
吖淀类染料
亚硝酸
缺失 、重复 、易位 ，倒位
突变类型
(1)形态突变型
(2) 生化突变型
1)营养缺陷型
2)抗性突变型
3）抗原突变型
(3) 致死突变型
(4)条件致死突变型
基因重组
两种不同来源的DNA重新进行了排列组合，形成一种新的遗传物质，产生新品种或表达新的遗传性状，称为基因重组。
细胞内
有同源重组、转座和重排
细胞间
转化
转化是环境中裸露的 DNA 片段直接被吸收进人处于感受态状态下的受体细胞的基因重组方式。
接合
接合 是遗传物质通过细菌细胞与细胞的直接接触 (如性菌毛) 而进行转移的基因重组方式。
转导
遗传物质通过病毒或者病毒来源的载体的携带而在细胞间转移的基因重组方式称传导
有性繁殖
遗传工程
基因工程
概念
基因工程又叫重组 DNA 技术。在分子水平上剪接 DNA 片段，与同种、同属或异种甚至异界的基因连接成为一个新的遗传整体，再转入受体细限，创造有新的遗传特性的机体。
操作过程
提取目的基因
目的基因与载体结合
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测和表达
相关技术
核酸凝胶电泳技术
聚合酶链反应技术
细菌转化转染技术
DNA席列分析技术
遗传工程在水污染控制及环境工程中的应用
1.降解石油的超级微生物
2.耐汞质粒
3.降解染料的质粒
基因工程的生物安全问题
概念
生长
微生物在适宜的环境条件下，不断地吸收营养物质，并按照自己的代谢方式进行代谢活动，如果同化作用大于异化作用，则细胞质量不断增加，体积得以增大，表现在细胞自身就是体积或重量的不断增加，这种现象叫生长。简单地说，生长就是有机体的细胞组分与结构在量方面的增加。
繁殖
生长到一定阶段，微生物便以二分裂的方式形成两个子细胞，子细胞又重复以上过程，这就是繁殖，其特征是微生物个体数增加。
微生物生长的测定方法
计数法
活菌计数法
平板计数法
测定菌落数，(注意: 可培养的微生物很少)
液体计数法 (MPN)
最可能数法:液体计数法，是根据统计学原理，将微生物样品在液体培养基中梯度稀释，通过微生物在培养基中是否生长的数据，比对最可能数表来计数的一种方法，主要用于在平板培养基上不易形成菌落的菌。(硝化菌、反硝化菌、硫酸还原菌)
薄膜计数法
过滤到滤膜上(把膜放在固体培养基上培养)
特定微生物计数法 (FISH)
FISH 是一种用荧光染料或生物素等标记的核酸探针通过碱基序列互补杂交原理，用荧光信号检测被固定于样品中细胞内的特异 DNA或 RNA 序列的生物技术。主要原理为: 根据已知微生物不同分类级别上种群特异的DNA 序列 (一般为 16S rRNA 的碱基组成) 设计特异性的寡核苷酸探针，并用荧光染料标记。
选择性培养基法
平板法 e.g.Cr+耐性微生物,抗生素抗性菌
液体法 亚硝酸菌、硝酸菌的计数
显微镜直接计数法
涂片染色法，计数器 (血球计数板) 测定法，比例计数法
荧光染色计数法
DTAF染色法:与蛋白质上的氨基和疏基反应，也能与糖类或醇类的轻基反应。
DAPI染色:与DNA双螺旋的大沟结合紧密
亚甲基蓝染色法
活细胞内的还原酶能使其脱色，但死细胞内的还原酶由于失活，不发生脱色作用，故被染成蓝色。
吖橙染色法
活细胞:弥散黄绿色荧光
将死细胞: 绿色亮点 (凋亡小体)
无核酸死细胞:无色
测生长量法
测体积:离心或自然沉降后观察体积(粗放的方法)
重量法(MLVSS法)
测细胞干重:离心法、过滤法两种
取经过培养一段时间的待测微生物样品，用离心机收集生长后的微生物细胞，或用滤纸、滤膜过滤截取生长后的微生物细胞，然后在 105~110“C下进行干燥，称取干燥后的重量，以此代表微生物生长量的多少。
MLVSS：
为了更确切地得到微生物生长量的结果，必须采用另外一个指标--挥发性悬浮固体，即单位体积水样所含于污泥中可灼烧挥发的物质量
其测定过程是: 将已测得干重(W。) 的污泥样品，放于马福炉内550℃下灼烧 2h，在这样的高温下微生物中含有的各种有机物就被分解变成 CO2和 H2O并蒸发掉。冷却后放人干燥器中保温至恒重并称量 (W)，污泥干重 W。减去最终重量 W 的差就是挥发性悬浮固体重量。当然，限于测定方法的精度这仅能粗略表示微生物的数量
光感度法
比浊法/光密度法
元素法
测细胞含碳量POC
将少量于重为0.2~2.0mg 生物材料混1mL水或无机缓冲液中，用2mL2%重铬酸钾在100C下加热30min，冷却后，加水稀释至5mL，然后在580nm波长下读取光密度值，即可推出生长量。
细胞含氮量
大多数细菌的含氮量为其干重的12.5%、酵母为7.5%，霉菌为6.0%。将含氮量再乘以6.25、即可测得其粗蛋白的含量，反过来可以求出微生物生长量的多少。
细胞物质含量法
蛋白质、DNA
不同的微生物细胞其含有的蛋白质或 DNA 含量是不同的，但同一种微生物所含有的蛋白质或DNA含量却是基本一致的。可以通过测定蛋白质或 DNA 的含量来表示微生物的生长量。
RNA
RNA是由DNA所携带的遗传信息得以表达的重要中间环节。在一定条件下活细胞的RNA含量变化不大，而一旦细胞死亡，释放出的 RNA 又可迅速得到分解
因此可以通过测定细胞中RNA的含量来表示活性微生物的浓度
因此可以通过测定细胞中RNA的含量来表示活性微生物的浓度
生物醌
由于在一定条件下活性污泥中的微生物醌的含量变化不大，1g细胞平均约含 lμmol醌类，因此利用微生物醌可以粗略估算活性污泥的活性微生物的浓度。
微生物生长特性
间歇培养
生长曲线
细胞数目的对数值作纵坐标，以培养时间作横坐标，就可以画出一条有规律的曲线。
延滞期
细胞不分裂 (不生长)，但细胞变大，细胞内RNA含量增高，原生质呈碱性，合成代谢活跃，易合成新的诱导酶，对外界环境变化敏感。接种物中死细胞较多或培养基不丰富时延滞期较长。
对数期
细胞分裂 (生长) 最快，细胞进行平衡生长，酶系活跃，代谢旺盛。生长速率由营养成分和培养条件决定
稳定期
新繁殖的细胞与死亡细胞数目相等，菌体产量达到最高，细胞开始储藏糖原、脂肪等储藏物，产芽抱的开始形成芽抱，开始合成次生代谢产物。可能由于营养物的消耗或抑制生长的代谢产物积累，细胞停止增殖，但仍存活。
衰亡期
死亡细胞数目超过新生细胞，细胞形态多样，细胞开始自溶，开始释放次生代谢产物。
生长的数学模型
(1) 生长与基质浓度的关系
Monod公式
是描述微生物比增殖速度与有机底物浓度之间的函数关系。
罗杰斯蒂公式
是描述有限制环境下，种群生物量增长速率具有密度制约特点的种群增长模型。
连续培养
是培养液连续进人反应器，同时又连续等速排出培养液的培养方式
恒浊连续培养
提供足够量的营养元素，微生物保持最大速率生长,控制进料流速使装置内徽生物浊度保持一定，保持理论上的对数生长期，可获得大量菌体或与菌体代谢相平衡的代谢产物。这种方式往往用于微生物的生理生化研究。
恒化连续培养
固定恒定的进料流速，又以同样的速率排出，进水组分及反应器中营养物浓度基本不变。这种方式往往有一种限制性营养物控制生长。
稀释速率 D
D=F/V
微生物膜的生长特性
在自然界、某些工业生产环境以及人和动物的体内外绝大多数微生物是附着在固体的表面，以生物膜方式生长。生物膜是微生物在机体表面形成的高度组织化的多细胞结构，对于同一菌株其在生物膜中和浮游生长时具有不同的特性。
定义
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维织的微生物群体
成分
水分： 97%
大分子多聚物
吸附的营养物质和代谢产物及微生物裂解产物等
生物膜生长特性
(1)细胞黏附
(2)生物膜的发展(微生物菌落的生成)
(3)生物膜成熟与脱落
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