同济大学浙江学院08届环境微生物Word文档格式.docx
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营养物质在细胞内、外的浓度不一样,利用细胞膜内外的浓度差从高浓度向低浓度进行的扩散。
水、氧、乙醇、少量无机
趋动力:
膜内外物质浓度差
Ø
特点:
无须能量、非特异性、速度低(由浓度差决定);
可通过的物质有限
2.促进扩散
通过载体与一定的营养物质发生可逆性的结合,把它从一边运到另一边的运送方式。
也是一种由浓度高到浓度低的运送方式。
载体为渗透酶或载体蛋白
载体蛋白构象改变提高转运速度,提前到达动态平衡
有饱和效应不需要能量浓度高到低
3.主动运输
在载体蛋白的协助下,消耗能量,将营养物质逆浓度差运送至细胞内的过程。
特异性载体蛋白消耗能量逆浓度梯度
运送无机、有机离子和一些糖类(如大肠杆菌的乳糖)
广泛存在,主要的物质运输方式
4.基团移位或称基团转位
在主动运输营养物质的同时,使之发生分子结构改变(主要是磷酸化)的运送方式。
目前仅在原核生物中发现。
主要用于运送葡萄糖、果糖、甘露糖、核苷酸、丁酸和腺嘌呤等物质。
新陈代谢
代谢是细胞内发生的各种化学反应的总称。
包括:
分解代谢合成代谢
ATP的概念
生物能量的转移中心,三磷酸腺苷(腺苷三磷酸),简称为ATP,其中A表示腺苷,T表示其数量为三个,P表示磷酸基团,即一个腺苷上连接三个磷酸基团。
微生物产生ATP有三种方式:
1、底物水平磷酸化
在底物氧化过程中生成含高能磷酸键的化合物,通过相应酶的作用将此高能磷酸根转移给ADP生成ATP。
X~P+ADP→X+ATP
2、氧化磷酸化
物质在生物氧化过程中形成的NADH和FADH2,可通过位于线粒体内膜和细胞质膜上的电子传递系统将电子传递给氧和其他氧化型物质,同时偶联有ATP的产生。
呼吸链:
位于原核细胞质膜上和真核线粒体内膜上的一系列氧化还原点势呈梯度差的,链状排列的氢和电子传递体。
对于真核生物来说,经过呼吸链一次可以产生3个ATP。
3、光合磷酸化将光能转变为化学能的过程。
生物氧化的本质——氧化还原反应
发酵,好氧呼吸,无氧呼吸
1发酵作用
发酵是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物,同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。
(1)在发酵条件下,有机化合物只是部分被氧化,因此只释放一小部分的能量。
(2)电子受体是初始发酵的中间代谢产物,不需要外界提供电子受体。
2有氧呼吸
微生物在降解底物的过程中,将释放出的电子交NAD+、FAD等电子载体,再经电子传递系统传给外源电子受体(分子氧),从而生成水或其他还原型产物并释放出能量的过程。
(1)可将有机物彻底氧化并释放出贮存在有机物中的大量能量。
(2)必须有氧参加。
(3)化能自氧微生物以无机物作为呼吸底物。
3无氧呼吸
某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸,它的最终电子受体不是分子氧,而是以无机氧化物如NO3、NO2-、SO42-等中的氧作为最终电子(氢)受体。
特点:
没有分子氧的参加,但经过电子传递链,底物也可被彻底氧化。
生成的能量没有有氧呼吸多(一部分转移给无机氧化物)
3种生物氧化的比较
类型
终极电子受体
最终产物
产生ATP的磷酸化类型
获得的ATP数(1mol葡萄糖)
释放总能量/kJ
发酵
中间代谢产物
低分子有机物,
等
底物水平磷酸化
2
乙醇发酵:
238.3
好氧呼吸
,水等
底物水平磷酸化和氧化磷酸化
38(原核生物)
36(真核生物)
2876
无氧呼吸
变化(小于38且大于2)
反硝化:
1756
反硫化:
1125
光合作用
在微生物中,藻类以及一部分细菌具有光合作用,能利用光能进行二氧化碳的固定。
藻类光合作用与细菌光合作用比较
两者的供氢体不同,
+
阳光,叶绿素
藻类、蓝细菌等进行光合作用与高等植物相同,是利用光解水获得氢气,并还原二氧化碳,产生氧气;
而细菌是以硫化氢为供氢体,还原二氧化碳,不产生氧气。
绿硫细菌属
红硫细菌科
氢单胞菌属
藻类光合作用与细菌光合作用的比较
项目
藻类光合作用
细菌光合作用
微生物
蓝细菌、真核藻类
紫硫细菌、绿硫细菌、紫色非硫细菌
叶绿素类型
叶绿素a(吸收红光)、叶绿素b、叶绿素c、叶绿素d、叶绿素e
细菌叶绿素(有些吸收远红光)
光合磷酸化方式
非循环
循环
产生氧
有
无
供氢体
水
硫化氢、氢气、有机化合物(有机光合细菌)
微生物的生长与环境因子的影响
生长繁殖的概念
生长:
微生物在适合的环境条件下,不断吸收营养物质,按照自己的代谢方式进行新陈代谢,同化作用大于异化作用,细胞不断增长
繁殖:
个体生长到一定阶段,会以某种方式增加个体的数量
世代时间:
微生物两次繁殖之间的间隔时间
细菌的生长曲线
(一)停滞期
细胞不分裂,但细胞变大;
细胞内RNA含量增高而使原生质呈碱性;
合成代谢活跃,易合成新的诱导酶;
对外界环境变化敏感。
停滞期的长短与菌种本身、菌龄、接种量及培养基有关。
认识停滞期的特点及形成原因对实践的指导意义:
◆在工业上需设法尽量缩短延迟期;
①增加接种量;
(群体优势----适应性增强)
②采用对数生长期的健壮菌种;
③调整培养基的成分,在种子基中加入发酵培养基的某些成分。
④选用繁殖快的菌种
(二)对数期
细菌数目以几何级数增加,酶系活跃,代谢旺盛,平衡生长,大小均匀。
在生长曲线上,表现为一条上升的直线。
影响代时的因素
1.菌种2.营养成分(营养物种类以及浓度)3.培养温度
延长措施:
定时定量加入营养物质,同时排出代谢产物,或使用连续培养。
应用意义:
①由于此时期的菌种比较健壮,增殖噬菌体的最适菌龄;
生产上用作接种的最佳菌龄;
②发酵工业上尽量延长该期,以达到较高的菌体密度
③食品工业上尽量使有害微生物不能进入此期
④是生理代谢及遗传研究或进行染色、形态观察等的良好材料。
(三)稳定期
新繁殖的细胞与死亡细胞数目几乎相等,处于动态平衡。
培养物中的活细胞数目达到最高值
菌体产量达到最高,细胞开始储藏糖原、脂肪等储藏物。
产芽孢。
开始合成次生代谢产物。
发酵生产形成的重要时期(抗生素、氨基酸等),生产上应尽量延长此期,提高产量,措施如下:
补充营养物质(补料)调pH调整温度
(四)衰亡期
生长条件的进一步恶化,使细胞内的分解代谢大大超过合成代谢,继而导致菌体的死亡
活菌数目急剧下降;
出现了“负生长”;
细胞形态多样,有时产生畸形;
细胞开始自溶,释放次生代谢产物。
环境因子
一、温度
温度对微生物的影响具体表现在:
▪影响酶活性。
温度变化影响酶促反应速率,最终影响细胞合成。
▪影响细胞膜的流动性。
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。
影响物质的溶解度。
对生长有影响。
根据微生物的最适生长温度分类
(一)微生物生长的温度类型
嗜冷微生物(最适<
20℃,最低<
0℃)
嗜温微生物(最适为25~40℃)
嗜热微生物(最适>
40℃)
微生物类型
最低温度oC
最适温度oC
最高温度oC
嗜冷微生物
-5-0
5-10
20-30
嗜温微生物
25-40
45-50
嗜热微生物
30
50-60
70-80
超嗜热或嗜高温微生物
>
55
70-105
110-113
高温与低温对微生物的影响
1、高温对微生物的影响
高温下蛋白质不可逆变性,膜受热出现小孔,破坏细胞结构(溶菌)。
用于灭菌。
2、低温对微生物的影响
当环境温度低于微生物的最适生长温度时,微生物的生长繁殖停止,用于保存食物和菌种。
灭菌
采用强烈的理化因素使任何物体内外部的一切微生物永远丧失其生长繁殖能力的措施。
如高温灭菌、辐射灭菌等。
消毒
采用较温和的理化因素,仅杀死物体表面或内部一部分对人体或动、植物有害的病原菌,而对被消毒的对象基本无害的措施。
如:
巴斯德消毒和煮沸消毒法
防腐
是在某些化学物质或物理因子作用下,能防止或抑制微生物生长的一种措施,它能防止食品腐败或防止其它物质霉变。
二.pH
pH值对微生物生长的影响机制
◆影响膜表面电荷的性质及膜的通透性,进而影响对物质的吸收能力。
◆改变酶活、酶促反应的速率及代谢途径:
酵母菌在pH4.5-5产乙醇,在pH6.5以上产甘油、酸。
◆环境pH值还影响培养基中营养物质的离子化程度,从而影响营养物质吸收,或有毒物质的毒性。
三.溶解氧
专性好氧菌
必须在有分子氧的条件下才能生长,有完整的呼吸链,以分子氧作为最终氢受体,细胞含有超氧化物歧化酶和过氧化氢酶。
微好氧菌
只有在较低的氧分压下才能正常生长的微生物,通过呼吸链并以氧为最终氢受体而产能,SOD酶,过氧化氢酶有或无
兼性好氧菌
在有氧或无氧条件下均能生长,但有氧情况下生长得更好,在有氧时靠呼吸产能,无氧时接发酵或无氧呼吸产能;
细胞含有SOD、过氧化氢酶。
厌氧菌
分子氧对它有毒害,短期接触空气,也会抑制其生长甚至致死;
在固体培养基表面上不能生长,只有在其深层的无氧或低氧化还原电势的环境下才能生长;
生命活动所需能量通过发酵、无氧呼吸、循环光合磷酸化或甲烷发酵提供;
细胞内缺乏SOD和细胞色素氧化酶,大多数还缺乏过氧化氢酶。
专性厌氧微生物不能清除氧的代谢产物----超氧阴离子及过氧化氢,受它们的毒害而死亡
4.渗透压
当两种不同浓度的溶液间被一个半透性薄膜隔开时,稀溶液中的水分子会因水势的推动而透过隔膜流向浓溶液,直至浓溶液所产生的机械压力足以使两边水分子的进出达到平衡为止,这时由浓溶液中的溶质所产生的机械压力,即为它的渗透压值。
细胞膜是一个具有特殊结构和功能的半透性膜。
五.辐射
指引起细胞破坏或病毒失活的电磁辐射:
(一)紫外线:
(二)电离辐射:
X-和γ-射线(三)强可见光:
400~760nm
紫外线
定义:
波长在100—400nm的电磁辐射为紫外线。
紫外线杀菌或诱变原理:
▪紫外线作用于DNA,使其产生胸腺嘧啶二聚体,引起DNA结构变形,阻碍正常的碱基配对,从而造成微生物变异或死亡。
▪紫外线会使空气中的分子氧变成臭氧,臭氧释放的原子氧有杀菌作用。
其中波长在260nm处的紫外线杀菌力最强。
⏹光复活现象:
经紫外线照射的微生物,在可见光下,光可以激活DNA修复酶,该酶能修复DNA上的损伤,使微生物的突变率或死亡率下降。
⏹
⏹应用:
由于穿透力差,只适用于
表面消毒空气消毒诱变育种
电离辐射
χ、γ、β射线,波长短,能量高,有较强的杀伤力。
作用原理:
可引起水和其他物质的电离,产生游离基,使核酸、蛋白质或酶发生变化,造成细胞损伤或死亡。
穿透力强,非专一性,作用于一切细胞成分,对所有生物均有杀伤作用。
应用:
用于杀菌或菌种诱变。
微生物的遗传和变异
遗传变异的物质基础
基础是DNA,名称:
脱氧核糖核酸(脱氧核酸)
三个经典实验
(1)转化实验
(二)噬菌体感染实验(三)病毒的拆开与重建实验
DNA的化学组成,复制
基本组成部分:
一分子磷酸,一分子脱氧核糖,一分子含氮碱基
含氮碱基:
腺嘌呤——A鸟嘌呤——G胞嘧啶——C胸腺嘧啶——T
复制方式:
半保留复制方式
原则:
碱基配对原则A--TG--C
DNA和RNA的区别
共同点
不同点
DNA
RNA
名称
核酸
脱氧核糖核酸
核糖核酸
组成
基本单位-核苷酸
脱氧核苷酸
核糖核苷酸
五碳糖、磷酸
脱氧核糖
核糖
含氮碱基--A、C、G
特有--T
特有--U
结构
链状
双链,具规则双螺旋结构
单链,不具双螺旋结构
分布
在真核细胞的细胞核、线粒体和叶绿体中均有分布
主要分布在细胞核中
主要分布在细胞质(包括线体、叶绿体)中
染色
都能被特定染色剂染色
DNA与甲基绿的亲合力强,可使DNA染成绿色
RNA与吡罗红的亲合力强,可使RNA染成红色
作用
都与性状表现有关
携带遗传信息,对于含有DNA的生物而言,是遗传物质,是不同生物表现不同性状的根本原因
与遗传信息的表达有关,在只含有RNA的生物中,遗传物质是RNA
变异的实质,类型
变异的实质-----基因突变
变异的类型
自发突变
(1)多因素低剂量诱变原因不详的低剂量诱变因素的长期综合诱变效应。
例如,短波辐射、高温诱变效应和普遍存在的低浓度诱变物质。
(2)互变异构效应和环出效应碱基发生了酮式至烯醇式的转变。
在DNA的复制过程中,如果其中某一单链上偶然产生一个小环,则会因在其上的基因越过复制而发生遗传缺失,从而造成自发突变。
DNA的修复
1、光复活2、切除修复3、重组修复4、SOS修复
蛋白质的合成过程
1,DNA复制
2,转录mRNA
3,翻译
4,蛋白质合成
微生物生态学
生态系统的概念,组成
概念:
生态系统=生物+环境条件
四个基本组成:
环境(无机环境),生产者、消费者、分解者
生态系统的功能
生物生产、能量流动、物质循环、信息交流
生物生产——系统内物质和能量的源泉
1.初级生产:
主要指绿色植物的光合作用
2.次级生产:
指异养生物对初级生产品的利用和再生产
能量流动——系统内能量转移的过程
物质循环—系统内生命元素的运动形式
种群,群落的基本概念
种群:
占据特定空间的同一生物种的所有个体的集合体
群落:
一定时间内居住在一定空间范围内的生物种群的集合
土壤的生态条件(天然培养基)
土壤中具有丰富的营养物质
土壤的pH比较适合于微生物生长
土壤的渗透压多为等渗或低渗
土壤能保证氧气和水的供应
土壤具有良好的保温性
土壤最上面的表土层起到了保护的作用
水体自净
河流(水体)接纳了一定量的有机污染物后,在物理,化学和水生物等因素的综合作用下得到净化,水质恢复到污染前的水平和状态。
过程:
⑴污染物被稀释或者沉淀
溶解氧恢复
水体自净的完成
P/H指数
是水体中光合自养型微生物(P)与异养型微生物(H)密度的比值。
反映水体有机污染和自净的程度。
水体刚受有机物污染,异养型微生物大量繁殖,自净速率高,P/H指数低。
水体污化系统
多污带,α中污带,β中污带,寡污带。
BIP指数
水体中无叶绿素的微生物占所有微生物数的百分比。
细菌菌落总数(CFU)
是指1mL水样在营养琼脂培养基中,于37℃培养24h后所生长的腐生性细菌菌落总数。
总大肠菌群
一群与大肠杆菌相似的好氧及兼性厌氧的革兰氏阴性无芽孢杆菌。
它包括埃希氏菌属、柠檬酸杆菌、克雪伯氏杆菌以及副肠杆菌。
指示生物的特点(条件)
正常菌落,数量最大,对人比较安全,生理特性和在环境中的存活时间与致病菌相近,检验技术简便
水体富营养化
原因和概念是指在人类活动的影响下,生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体,引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖,水体溶解氧量下降,水质恶化,鱼类及其他生物大量死亡的现象。
主要生物总群:
微囊藻属、腔球藻属和鱼腥藻属等
措施:
将各种废水和污水的氮和磷排放量控制在低水平
微生物之间的关系
互生关系:
指两种可以单独生活的微生物共存,一方有利或互为有利,是微生物之间比较松散的联合是一种可分可和、合比分好的相互关系。
如人体的肠道正常菌群
共生关系:
指两种微生物紧密结合在一起共同生活,一方或多方有利,但这种协作是专性的,两种微生物彼此分离就不能很好地生活。
根瘤菌与豆科植物
寄生关系:
指小型生物生活在较大型的生物体内或体表,从后者活的营养以生长、繁殖,并使后者蒙受损害甚至死亡的现象。
噬菌体与其宿主之间的关系
竞争
定义:
是指不同的微生物种群在同一环境中对食物等营养、溶解氧、空间和其他共同要求的物质互相竞争、互相受到不利影响。
竞争结果:
这种竞争现象普遍存在,结果造成了强者生存,弱者淘汰。
同时环境条件的改变,会导致竞争结果的改变。
拮抗
由某种生物所产生的某种代谢产物可抑制他种生物的生长发育甚至杀死它们的关系。
有特异性和非特异性两种。
有时也将因某微生物生长而引起的其它条件改变抑制他种生物的现象称为拮抗,如缺氧、pH值改变等
拮抗关系的利用:
为筛选抗生素、食品保藏、医疗保健、动植物病害防治等提供有效手段。
捕食
一种生物直接捕捉、吞食另一种生物以满足其营养需要的关系。
微生物间的捕食关系
捕食现象的利用:
——生物防治
微生物在环境物质循环中的作用
碳循环
微生物现在循环中的作用:
一是通过光和作用固定CO2,二是通过分解作用再生CO2。
(1)光和作用蓝藻蓝细菌及光和细菌,通过光和作用将大气中的CO2转化成有机碳化合物。
(2)分解作用依靠微生物分解含碳有机物。
淀粉,纤维素,脂肪的降解
淀粉:
图p165
纤维素的降解
⑴、C1酶(内-β-葡聚糖酶)此酶主要水解纤维素分子内的β-糖苷键,产生带有自由末端的长链片段。
一种微生物能分泌一种以上的C1同功酶。
⑵、CX酶(外-β-葡聚糖酶)此酶作用于纤维素分子的末端,产生纤维二糖。
与C1酶一样,一种微生物也能分泌出多种结构不同而功能相同的CX酶。
⑶、β-葡萄糖苷酶此酶能将纤维二糖、纤维三糖及低分子量的寡糖水解成葡萄糖。
纤维酶对纤维素的水解过程可表示为:
脂肪的降解
首先水化
脂肪+3H2O脂肪酶甘油+高级脂肪酸
氮循环
蛋白质的水解
氨基转化
氨基酸的转化和分解是蛋白质代谢过程中重要的一步;
1脱氨氨化作用,有机氮化合物(以氨基酸为主)在脱氮微生物的作用下脱氨基产生氨。
a氧化脱氨b还原脱氨c水解脱氨d减饱和脱氨
②脱羧氨基酸也可以脱去羧酸基,产生氨。
硝化作用
硝化作用是指在有氧的条件下,经亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用,氨转化成硝酸的过程。
反硝化作用
在缺氧(没有分子氧存在)条件下,微生物将硝酸盐还原为氮气的过程。
发生反硝化作用的三个条件:
硝酸盐存在(提供电子受体),有机物存在(提供能量),缺氧。
三种结果:
反硝化生成的氨被微生物利用合成细胞物质。
固氮作用
氮的固定:
一是非生物固氮,二是生物固氮,生物固氮对自然界氮元素循环具有决定意义。
微生物在氮循环中的其他作用
1.同化性硝盐还原作用:
指硝酸盐被生物体还原成铵盐并进一步合成各种含氮有机物的过程。
.2铵盐同化作用:
以铵盐作营养,合成氨基酸、蛋白质和核酸等有机含氮物的作用,称为铵盐同化作用。
3异化性硝盐还原作用:
指硝酸离子充作呼吸链(电子传递链)末端的电子受体而被还原为亚硝酸的作用。
4.亚硝酸氨化作用:
指亚硝酸通过异化性还原经羟氨转变为氨的作用。
硫循环
硫化作用
也称无机硫的氧化作用,它在有氧条件下,通过硫细菌的作用将硫化氢转化成元素硫,再进而氧化成硫酸的过程。
参与硫化作用的微生物有硫化细菌和硫磺细菌。
硫化细菌:
①氧化硫硫杆菌(专性自养)
②氧化亚铁硫杆菌
③脱氮硫杆菌
硫磺细菌:
丝状硫磺细菌和光能自养的硫细菌。
反硫化作用
当环境条件处于缺氧状态时,硫酸盐,亚硫酸盐,硫代硫酸盐和次亚硫酸盐在微生物的作用下,还原成硫化氢。
微生物与环境污染控制及治理
活性污泥
好氧活性污泥是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物与废水中的有机和无机固体物混凝交织在一起形成的絮状体。
生物膜
好氧生物膜是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物粘附在生物滤池滤料上或生物转盘盘片上的一层带黏性、薄膜状的微生物混合群体,是生物膜法净化污水的工作主体。
氧化塘
又称为稳定塘,是一种利用天然或人工修整的池塘处理废水的构筑物。
氧化塘处理废水系统实际上是一种菌藻共生的联合系统。
菌胶团的作用
良好的菌胶团结构具有对有机物强烈的生物吸附和氧化分解的能力。
菌胶团对有机物的吸附和分解,能为原生动物和微型后生动物提供良好的生存环境,例如去除毒物、提供食料、提高溶解氧等。
为原生动物提供附着场所。
菌胶团的颜色、透明度、数量、颗粒大小及结构的松紧程度可反映好氧活性污泥的性能。
原生动物及微型后生动物的作用
(1)指示作用不同种类的生物对环境条件的要求不一样,适应性也不同。
因此当环境条件发生变化时,就会在生物的种类、数量以及活性等方面表现出变化。
由此,可以判断水处理或水体净化效果的好坏、活性污泥的培养情况、进水水质和运行情况等。
(2)净化作用原生动物具有各种不同的营养类型。
腐生性营养的鞭毛虫等,通过渗透作用吸收废水中的溶解性有机物。
而大多数原生动物是动物性营养,它们
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