水处理微生物学 第三章 细菌的生长和遗传变异

1、第三章细菌的生长和遗传变异第一节细菌的生长及其特性细菌吸收营养物质后，在酶的催化下进行各种新陈代谢反应，同化作用大于异化作用，细胞质的杨怡继续增加，表明细胞本身是体积或重量的增加。这种现象称为增长。成长到一定阶段后，细菌会以二分法形成两个子细胞，这就是繁殖，其征兆是细菌个体数量增加。细菌的生长和繁殖很快，在适当的环境下，每20-30min分裂一次。细菌年轻，年龄大吗？答案是“是”，但细菌的所谓菌灵与人的老年、中年、幼年的概念不同。人从出生开始计算，年龄越小，年龄越大。细菌不是这样。细菌以分裂法繁殖。一般来说，繁殖世代的时间为20-30min，在一群细菌中，不能区分各细菌的年龄和年轻。因此，细菌

2、的所谓年龄是指在特定环境条件下生长的一群细菌所表现出的迹象。(威廉莎士比亚，哈姆雷特，年龄)换句话说，描述细菌的生长常常表现为集体繁殖和生长的特征。在介绍细菌的生长特性之前，先介绍细菌生长的测定方法。一、细菌生长测定方法(a)直接测量直接测量是常用的细菌生长测量方法，其特点是测量过程快，但不能区分细菌的生死。根据测量方法的原理，可以分为以下几类：1.显微镜直接计算法显微镜直接计算法又称传授法。它又分为以下几种。(1)涂层染色法将已知体积的待测试样品均匀分布在碎片的已知面积上，固定染色后计数菌数。一般用眼睛测量微子的直径标准，计算细菌的数量。(2)柜台测定法用特殊的细菌或血细胞计数器测定。操作过

3、程是将一定体积的正在测试的细菌样品放在计数器的测量室和幻灯片之间，因为已知测量消失的体积，所以可以根据得到的数值计算细菌含量。(3)比例计算法将正在测试的样品溶液与等量的血液混合，然后涂上显微镜，测定细菌和红细胞的数量比例，已知血液中红细胞的数量(男性400-500万个/ML，女性350-450万个/ML)，可以测定细菌的数量2，浊度计算方法这是测定悬浮细胞的快速方法。其原理是细菌细胞不透明。光束通过悬浮液体时，会引起光的散射或吸收，降低光的透射度，在一定范围内光的透射度可以与溶液的混浊度，即细胞浓度成正比测量细菌浓度。使用牙齿方法，为了获得实际细胞的绝对含量，必须按照上述测量程序，将一般已知

4、细胞浓度的样品制作成标准曲线，然后根据透射率或光密度值，直接在标准曲线中调查细菌含量。(b)间接计算方法间接计算法也称为生均计算法。它是通过测定样品中活细菌的数量间接表示细菌的含量。因此，牙齿方法不包括死亡的细菌细胞，测量所需的时间也更长。分为多种茄子方法：1.平板计数法首先将测试中的细菌样品稀释10倍，然后将该稀释度的样品与平板上涂层或未融化的固体培养基混合搅拌，并摇晃，计算一定时间内观察和生长的细菌数，最后根据细菌数和样品量计算细菌浓度。一般平板电脑的细菌生长菌数为30 300个为宜。殖民地数量太多，计算需要时间，费时费力。殖民地数量太少，计算结果误差太大。平板计数法是应用最广泛的生菌计数

5、法。2.液体计算法液体计算法是根据统计学原理设计的方法。具体方法是先将要测试的细菌样品稀释10倍，然后将相应稀释度的样品分别连接到3管或5管-组的阵列液体培养基上，在一定时间内培养。观察各管和各组中细菌的生长情况，记录结果，再看一下已经专业处理的最可能的数(most probable number，MPN)表，因此牙齿方法也称为最可能的手法或MPN法。3.薄膜计算方法可以对一些细菌含量低的测量样品(如空气或饮用水)采用薄膜计算方法。要测试的样品有很多孔，但通过防止细菌流出的微孔膜，在辅助膜的作用下截获并浓缩细菌，然后在固体培养基表面放置膜并培养，然后以类似于板数的方式计算结果。、牙齿方法的要求

6、是样品中含有过多的悬浮固体或小颗粒可渡边杏。除了上述各种生菌计数法中已经提到的特征外，测定的样品中细菌必须均匀分布的共同要求。对于自体棉或颗粒型细菌样品(如好氧生物处理中的活性污泥)，在测定数量之前，应采取字典处理方法(如均质捣碎等)加强分散。(c)重量法细菌细胞虽小，但仍有一定的体积和重量，因此可以通过测量群体生长后细胞的重量，以测量重量的方法直接表示细菌生长的速度。1.细胞干重量的测定可以用离心法或滤波法来测定。取一段时间内培养的细菌样本，收集用离心机生长的细菌细胞，或过滤用滤纸、滤膜生长的细菌细胞，然后在105 110干燥，取干重量，表示细菌生长量的多少。一艘船。从细菌细胞的化学成分中可

7、以看出，干重量约为湿度的10%到20%。原核细菌的细胞重量为10-15-10-11G/细胞，真核单细胞微生物的重量为10-11-10-7G/细胞。水处理中结构内细菌生长量通常采用这种细胞干重测定法。活性污泥法中使用的指标是混合液悬浮固体(MISS)。具体方法是取一定体积的泥浆样品，放入蒸发皿中干燥，然后称重。但是，牙齿方法有一个缺陷，即混合液中的无机悬浮物或粒子也包含在测量的重量中，但这些重量并不能真正反映细菌的实际生长。因此，为了更准确地获得细菌生长量的结果，必须采用另一个指标挥发性悬浮固体(MLVSS)。测量过程是测量干燥重量(W0)的污泥样品在马腹炉内550燃烧2h，在这样的高温下，细菌

8、中所含的各种有机物分解成CO2，H2O蒸发。冷却后放入烘干机，保温到一定的重量，称重(W)。污泥干重量W0减去最终重量W的差异是挥发性悬浮固体重量。当然，仅限于测量方法的准确度，只能粗略地表示微生物的数量。2.细胞氮含量细菌细胞蛋白质中氮的含量比较稳定，一般为15%到17%，平均为16%。根据氮含量测定结果，相反，可以得出细菌的生长量是多少。3.不同DNA含量的细菌细胞，其DNA含量不同，但同一细菌所含的DNA含量基本一致。可以利用牙齿特性测定DNA的含量，表明细菌的生长量。牙齿后两种茄子方法比较常用于细菌的生理生化研究。(d)其他生理生化指标方法在细菌的生长生活活动过程中，不可避免地要吸收和

9、消耗一些物质，同时还要生产和分泌其他物质。测量牙齿物质的变化可以间接表明细菌生长的情况。水处理中常用的生理生化指标包括营养物质(COD)消耗、溶解氧消耗(如好氧细菌的瓦特寻呼机测定方法)、有机酸生成、H2和CH4生成(如厌氧细菌的生长和活性测定)。二、细菌生长特性1.间歇培养和生长曲线是将少量细菌接种到一定数量的液体培养基中，在适当的温度下培养，定期测量生细菌数量或重量的变化。以活细菌的数量或细菌的重量为纵坐标，以培养时间为横坐标，就可以绘制出被称为细菌生长曲线的曲线。一般来说，细菌重量的变化在本质上比数量的变化更能反映生长过程。因为细菌数量的变化只反映细菌分裂的数量，重量反映细菌数量的增加和

10、各菌体的增加。图3-1是根据细菌重量绘制的生长曲线。整条曲线可以分为三个阶段(或三个期间):增长率上升阶段(对数增长阶段)、增长率下降阶段和内源性呼吸阶段。在增长率上升阶段的初期，细菌正在适应新的环境，一般不分裂，所以菌数没有增加，但菌体逐渐扩大，进入今后快速繁殖的阶段。在上升阶段，食物(营养物)的供应超过了细菌的需求，细菌的增长不受食物材料数量的影响，受到自身生理功能的限制。牙齿阶段后期增长率最高，此时它们在培养基中分解有机物的速度也最高。科学实验表明，在牙齿阶段，细菌数量的对数与培养的时间直接相关，因此也称为对数增长阶段。经过一段时间后，由于食料的减少(食材逐渐被细菌吸收)和细菌有毒代谢产

11、物的积累，环境逐渐对细菌的生长不利，进入了增长率下降的阶段。此时，细菌增长率主要不是受自身生理功能的限制，而是食物材料不足对抑制细菌生长起主导作用。在内源代谢阶段，培养基的食材已经很少了。细菌体内的储藏物质，甚至体内的酶，也被用作营养物质。也就是说，细菌此时合成的新细胞质不足以补充由内源性呼吸(即细菌体内储存物质、酶等一些细胞物质的氧化)消耗的细胞质，因此细菌重量逐渐减少。因此，在牙齿阶段，细菌重量的减少是由细菌死亡引起的，另一方面是由内源性呼吸引起的。以上三个阶段中，第一个阶段的细菌可以说是细菌的年轻阶段，第三个阶段可以说是细菌的老化阶段。年轻的时候，整个群体都很年轻，到了老化阶段，还有新分

12、裂的细菌，但仍属于老化。图3-2是根据细菌数量的对数绘制的生长图。曲线可分为缓期、对数期、稳定期、老化期四个阶段。起初细菌不繁殖，数量不增加，但细胞生理活性很活跃，菌体体积迅速增长，其后仅繁殖个别菌体，因此牙齿阶段被称为慢期。经过缓慢的时间后，细菌分裂速度迅速增加，进入了代数期。稳定期间，菌体的生长繁殖速度逐渐下降，菌体的死亡人数逐渐增加，最终新繁殖的细菌数量几乎等于死亡人数。稳定器的生菌数保持相对平衡，在最大值。镇流器的出现是由于食料的减少和有毒代斯产物的积累引起的。老化时期，细菌的死亡速度大大提高，超过繁殖速度，只有少数菌体繁殖，进行内源呼吸，所以活细菌曲线明显下降。在代数时期，微生物的生

13、长过程一般可以表示为：X-特定时间内t的微生物重量或浓度K1 -微生物增长率积分，获得：X0 1-微生物的起始重量或浓度。在废水生物处理中，活性污泥的重量或浓度可能以挥发性污泥的重量或浓度略微表示，K1表示挥发性污泥的增长率(在实际工作中，挥发性污泥的总量也可能表示挥发性污泥)。对数期有一个对纯培养的细菌非常重要的概念3354代时间或倍增时间。它是指细菌繁殖一代，即个体数量翻倍的时间。代数期细菌细胞代斯活动最强，构成新细胞物质最快，细菌数量呈指数增长，时代稳定。因此，世代时间测量应把对数仪的生长细胞作为增长最快、最快的对象。其测量值计算如下：在时间t0，细菌浓度为X0，在时间T，细菌浓度为X，

14、其间细菌一起繁殖，分裂N代。然后：风格G代时间。细菌的浓度XO，X可以通过生长测量方法获得，时间fo，F是确定的，因此可以测量测力计计算出细菌的世代时间一般来说，细菌生长繁殖很快。大部分种类的20-30min繁殖一代的最快世代时间只有9.8min，有的长达数十个小时。好氧细菌比厌氧细菌的一代短，单细胞比多细胞微生物的一代短，原核比真核微生物的一代短。同种细菌受世代时间的培养器组成和培养条件(如培养温度、pH、营养素浓度、性质等)的影响。但是在特定条件下，各种细菌的世代时间是固定的。在增长率下降的阶段，食物或有机物的浓度低，对微生物的生活产生了很大影响。科学实验表明，有机物去除率与存在的有机物浓

15、度成正比。S-1-特定时间内t的有机物(矩阵)浓度K2 11常数积分，获得：S0-有机物的初始浓度在内源性代斯阶段，微生物的生长过程可以表达如下。X-特定时间内t的微生物重量或浓度K3微生物自氧化速率常数积分，获得：Xo微生物的起始重量或浓度湾仔的出现是为了调节大使。细胞接种到新环境后，为了适应新环境，需要重新合成必要的酶、辅酶或一些中间代斯产物。为了避免在水处理中出现完全数期，可以考虑使用大规模生长期或代谢率旺盛的泥浆接种。另外，增加接种量，利用相同类型反应器的污泥接种，也有缩短缓慢时间的效果。在废水生物处理过程中，微生物在增长率上升阶段生长(对数期)，微生物繁殖快，活力强，废水处理能力高。

16、但是此时处理效果不一定是最好的。因为如果微生物的活力很强，就不容易凝聚和沉淀，要让微生物在大季节生长。需要足够的粮食。也就是说，废水中的有机物必须浓度高。在这种情况下。相对处理的废水具有较高的气管浓度，因此使用牙齿阶段的废水的生物处理实际上很难得到比较好的水。随着稳定期细菌生长速度的下降，细胞内开始积累储存物和二元颗粒、肝糖等，孢子细菌也在牙齿阶段形成孢子，生产抗生素的放线菌也在牙齿时期大量形成。稳定器中的泥浆代谢活性和凝固沉降性能都比较好，传统的活性污泥法普遍在牙齿范围内运行。老化阶段只出现在特殊的水处理情况下，如曝气延迟和污泥消化。图3-3显示了微生物的代谢率、食料和微生物的重量或浓度比(

17、食物/微生物)的关系。活性污泥工艺的推流曝气池入口附近，植食材料对微生物的比例总是很高，但随着水流向出口，牙齿值逐渐减少。上面讨论的都是纯种培养，接种的细菌对新环境不熟悉。废水中微生物的种类多，生长也复杂得多，但总体上，生长曲线的形态基本相似。因为有优势的细菌群体存在。特别要指出，牙齿讨论都是针对细菌的间歇培养。在实际水处理中，反应器的运行主要是连续供给方式，两者之间存在很大差异，细菌生长特性的性能也存在很大差异。但是，很多间歇性培养的概念在每个生长时期都具有细菌的生长特性和在水处理中的应用等意义。2.连续培养不同于间歇培养，其保留点一方面提供连续饲料，另一方面培养连续原料。(威廉莎士比亚，温斯顿，间断，间断，间断，间断)它又分为两种：抗浊连续培养和抗华连续培养。(1)抗浊连续培养培养基提供充足的营养，细菌以最大速度生长。通过调节供给流速，使装置内细菌的浊度保持不变，可以保持理论上的对数生长期，从而获得与大量菌丝体或菌丝体代谢平衡的代斯产物。这种方式经常用于细菌的生理生化研究。(2)水厂连续培养类似于水处理装置的工作方式。固定一定的供给流速，以相同的