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微生物基础
微生物基础，生物分类单位有域、界、门、纲、目、科、属、种，生物六界分类系统有病毒界、原核生物界、真核原生生物界、真菌界、动物界、植物界。
编辑于2023-08-26 13:17:13 河南
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微生物基础
绪论
微生物的分类和命名
分类单位
域
界
门
纲
目
科
属
种
二命名法
属名（拉丁名词，第一个字母大写）+种名（拉丁文形容词，第一个字母小写）
生物六界分类系统
病毒界
原核生物界
真核原生生物界
真菌界
动物界
植物界
生物
非细胞结构生物
病毒界
具有细胞结构生物
原核细胞生物
古菌域
细菌域
细菌
蓝细菌
放线菌
立克次氏体
支原体
衣原体
螺旋体
真核细胞生物
真菌
酵母菌
霉菌
伞菌
藻类
动物
原生动物
微型后生动物
水生植物
浮水植物
挺水植物
沉水植物
原核微生物
原核微生物的核
微生物的特点
个体极小
分布广，种类繁多
繁殖快
易变异
🦠病毒
病毒是没有细胞结构，专性寄生在活的敏感宿主体内的超微小微生物（只有简单的独特结构，可通过细菌过滤器）
病毒的特征
1⃣️形体极其微小（0.2um以下）
2⃣️没有细胞构造，无酶系统和蛋白质合成系统
3⃣️在宿主细胞协助下，合成病毒的化学组成和繁殖新个体
4⃣️在宿主细胞内专性寄生，离体条件下以无生命的化学大分子状态存在
5⃣️对一般抗生素不敏感，但对干扰素敏感
病毒的分类
根据专性宿主分类
动物病毒
植物病毒
细菌病毒（噬菌体）
放线菌病毒（噬放线菌体）
藻类病毒（噬藻体）
真菌病毒（噬真菌体）
按核酸分类
DNA病毒（除细小病毒组的成员是单链DNA外，其余所有的病毒都是双链DNA）
RNA病毒（除呼肠孤病毒组的成员是双链RNA外，其余所有的病毒都是单链RNA）
类病毒、朊病毒（寄生在植物体内，不具有蛋白质）
类病毒：比病毒更小的致病感染因子
朊病毒：引起牛、羊疾病的感染因子
病毒的三种对称性构型（由于衣壳粒的排列组合不同））
20面体对称型（立体对称型）
腺病毒、疱疹病毒、脊髓灰质炎病毒、呼肠孤病毒、SARS病毒和禽流感病毒等
螺旋对称性
烟草花叶病毒、狂犬病毒、流感病毒、正黏病毒
复合对称型
大肠杆菌T系噬菌体（头部呈立体对称型（20面体），尾部为螺旋对称型）
病毒的化学组成
蛋白质和核酸，个体大的病毒如痘病毒，除含有蛋白质和核酸外，还含类脂质和多糖
病毒的结构
病毒无细胞结构，整个病毒体分两部分：蛋白质衣壳和核酸内芯，两者构成核衣壳。完整的具有感染力的病毒体叫病毒粒子。病毒粒子有两种
不具被膜（囊膜）的裸露病毒粒子
在核衣壳外面由被膜包围所构成的病毒粒子
蛋白质的功能
1⃣️保护病毒免受环境因素影响
2⃣️决定病毒感染的特异性，使病毒与敏感细胞表面特定部位有特定亲和力，病毒可牢固地附着在敏感细胞上
3⃣️致病性、毒力和抗原性
病毒只含一种核酸（DNA或RNA），核酸的功能：决定病毒遗传、变异和对敏感宿主细胞的感染力
病毒的繁殖过程
吸附
侵入
复制与聚集
释放（宿主细胞裂解和成熟噬菌体粒子的释放）
噬菌体
毒性噬菌体
侵入宿主细胞后，随即引起宿主细胞裂解的噬菌体
温和噬菌体
当侵入宿主细胞后，其核酸附着并整合在宿主染色体上，和宿主的核酸同步复制，宿主细胞不裂解而继续生长，这种不引起宿主细胞裂解的噬菌体称作温和噬菌体
溶原细胞
含有温和噬菌体核酸的宿主细胞
原（前）噬菌体
在溶原细胞内的温和噬菌体核酸
病毒溶原性
不引起宿主细胞裂解的特性称为病毒溶原性。溶原性是遗传特征
溶原性细菌的子代也具有溶原性
细菌受到噬菌体感染后，发生两种反应：裂解反应、溶原性反应
病毒的测定与培养
原核微生物
微生物学家根据rRNA序列的不同，将所有生物划分为三大域，古菌域、细菌域和真核生物域，古菌和细菌同属于原核微生物
古菌
自养型、异养型和不完全光合作用型
呼吸类型：多数为严格厌氧、兼性厌氧，还有专性厌氧（没有严格的好氧型，没有完全的光和型）
繁殖方式：二分裂、芽殖。繁殖速度较慢，进化速度也比细菌慢
按其生活习性和生理特征分类
产甲烷菌
嗜热嗜酸菌
极度嗜盐菌
细菌
四种形态：球状（球菌）、杆状（杆菌）、螺旋状（螺旋菌）和丝状（丝状菌）。前三者称为细菌三型
丝状体是丝状菌分类的特征
细菌的大小以微米计
细菌的细胞结构
所有细菌均有：细胞壁、细胞质膜、细胞质及其内含物、拟核
部分细菌有特殊结构：芽胞、鞭毛、荚膜、黏液层、衣鞘及光合作用层片等
细胞壁
包围在细胞体表最外层，坚韧而有弹性的薄膜。约占菌体质量的10%～25%
原生质体
细胞质膜
细胞质
细胞质内含物
核糖体
内含颗粒
多聚磷酸盐颗粒
聚β-羟基丁酸
硫粒
糖原
气泡
藻青素颗粒
羧酶体
磁小体
拟核
荚膜、黏液层、菌胶团和衣鞘
芽孢
鞭毛
细菌分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，两者的化学组成和结构不同
革兰氏阳性菌：细胞壁厚，结构较简单。含大量的肽聚糖，独含磷壁酸，不含脂多糖
革兰氏阴性菌：细胞壁较薄，其结构复杂，分外层壁和内层壁。外层壁又分为三层：（独含）脂多糖（最外层），磷脂层（中间），脂蛋白（内层）；内壁层：极少肽聚糖，不含磷壁酸
细菌的培养特征
在固体培养基上的培养特征
明胶培养基中
半固体培养基中
液体培养基中（细菌在液体培养基中的培养特征是分类依据之一）
细菌的物理化学特性
细菌表面电荷和等电点
细菌的染色原理及染色方法
革兰氏染色法的步骤
革兰氏染色的机制
细菌悬液的稳定性
细菌悬液稳定性和不稳定性对水处理工艺的意义
细菌的物化性质与污废水生物处理的关系
蓝细菌
属于原核生物范畴，在藻类学和植物学中被分为蓝藻门，是水体富营养化的指示生物（还有绿藻）
放线菌
放线菌的形态、大小和结构
放线菌的菌体由纤细的、长短不一的菌丝组成。菌丝体可分为三类
营养（基内）菌丝：它潜入固体培养基内摄取营养
气生菌丝它由营养菌丝长出培养基外，伸向空间的菌丝为气生菌丝
孢子丝：放线菌生长发育到一定阶段，在气生菌丝的上部分化出孢子丝。 孢子丝的形状和在气生菌丝上的排列方式，随菌种的不同而异，是种的特征，是分类鉴定的依据之一
放线菌的菌落
菌落特征
1⃣️干燥、不透明、表面呈紧密的丝绒状，上面有一层色彩鲜艳的干粉
2⃣️菌落与培养基的连接紧密，难以挑取
3⃣️正反面颜色常常不一致，菌落边缘培养基的平面有变形现象
放线菌的繁殖
放线菌有生活史，包括孢子的萌发，菌丝的生长、发育及繁殖等过程
繁殖方式：通过分生孢子、胞囊孢子或一段营养菌丝繁殖
诺卡氏菌属横隔分裂方式形成孢子
真核微生物
原生动物
原生动物的一般特征
原生动物的概念、细胞结构和功能
原生动物是动物中最原始、最低等、结构最简单的单细胞动物
原生动物为单细胞，没有细胞壁，有细胞质膜、细胞质，有分化的细胞器，其细胞核具有核膜
有独立生活的生命特征和生理功能
原生动物的营养类型
全动性营养
植物性营养
腐生性营养
原生动物的繁殖
无性生殖：二分裂法、多分裂法、纵分裂、横分裂、出芽生殖
有性生殖（环境条件差）
原生动物分类（根据其细胞器和其他特点，分为四个纲）
鞭毛纲。鞭毛虫，鞭毛，三种营养型，多污带和α-中污带生活，活性污泥培养初期或处理效果差时大量出现，可做污水处理效果差时的指示生物
肉足纲。肉足虫，两个亚纲，无性繁殖为主、多分裂、出芽生殖，α-中污带和β中污带生活，活性污泥培养中期出现
纤毛纲。纤毛虫，游泳型和固着型，全动性营养，分裂生殖和结合生殖，游泳型纤毛虫多数在α-中污带和β-中污带生活、活性污泥培养中期或处理效果较差时出现，固着型纤毛虫（钟虫）寡污带β-中污带生活、是水体自净程度高、污水生物处理效果好的指示生物
孢子纲
原生动物的胞囊
子主题
微型后生动物
藻类
藻类的分类
除蓝藻属原核微生物，其余都是真核微生物。真核藻类具有叶绿体，光能自养型，进行光合作用
真菌
特征
不能进行光合作用
以产生大量孢子进行繁殖
具有发达的菌丝体
有机营养型
酵母菌
单细胞真菌，有发酵型和氧化型两种
发酵型酵母菌：发酵糖为乙醇和二氧化碳
氧化型酵母菌：无发酵能力或发酵能力弱而氧化能力强
细胞结构
细胞壁、细胞质膜、细胞核、细胞质及其内含物
繁殖
无性生殖（出芽生殖、裂殖、产无性孢子）
有性生殖（产子囊孢子）
菌落特征
固体培养基：表面湿润而光滑，有一定透明度，容易挑起，白色和红色有粘性。时间久后菌落干燥、呈褶皱状，菌落大小和细菌差不多，散发出酒香味
液体培养基：沉淀；发酵型酵母菌，CO2，泡沫
霉菌
腐生、寄生
菌丝体，营养菌丝、气生菌丝
细胞结构
繁殖方式：有性孢子、无性孢子、菌丝片段
菌落特征（与丝状菌的菌落特征相区别）
微生物的生理
酶
细胞产生，体内外催化作用，有活性中心和特殊构象的生物大分子，蛋白质酶和核酸类酶
酶的组成，按化学组成分为单成分酶和全酶
单成分酶：只含蛋白质（胞外酶，催化水解作用）
结合酶（全酶）：除蛋白质（酶蛋白）以外，还要结合一些被称为辅基或辅酶的热稳定的非蛋白质小分子有机物或金属离子，全酶一定要在酶蛋白和辅酶（或辅基）同时存在时才起作用，单独存在时没有作用
全酶各组分的功能
酶蛋白：催化生物化学反应加速进行
辅酶和辅基：传递电子、原子、化学基团
金属离子：传递电子，作为激活剂
（辅因子：对热稳定的金属离子；不含氮的有机小分子）
几种重要的辅基和辅酶
转移氢的辅酶
NAD（辅酶I）或NADP（辅酶II）
FAD或FAM
转移基团的辅酶
辅酶A
磷酸腺苷
有关酶作用专一性的几种假说
锁钥假说
三点附着假说
诱导楔合假说
酶的活性中心
指酶的活性部位，是酶蛋白分子中直接参与和底物结合，并与酶的催化作用直接有关的部位
两个功能部位，结合部位、催化部位
结合部位：一定的底物靠此部位结合到酶分子上
催化部位：底物分子中的化学键在此处被打断或形成新的化学键，从而发生一系列化学反应
酶的分类命名
分类：六大类酶（催化反应类型不同）：氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂解酶类、异构酶类和合成（连接）酶类
命名
按酶的作用底物的不同命名：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核苷酸酶等 按酶在细胞的不同部位划分：胞外酶、胞内酶、表面酶
根据酶催化反应性质及类型命名：水解酶、转移酶、氧化酶等
酶的催化特性
1⃣️酶具有一般催化剂的共性。 积极参与生物化学反应，加快反应速率，缩短反应到达平衡所用时间，但不改变平衡点，参与反应前后性质和熟练不变
2⃣️酶的催化作用具有高度专一性 一种酶只作用一种或一类物质、或催化一种或一类化学反应，产生相应的产物。 结构专一性、立体异构专一性
3⃣️酶的催化反应条件温和 常温、常压、近中性水溶液中
4⃣️酶对环境条件的变化极为敏感 酶是细胞产生的生物大分子，凡是能是生物大分子变形的因素都能使酶丧失活性
5⃣️酶的催化效率极高 通常比无机催化剂的催化效率高几千倍至百亿倍
影响酶促反应速率（酶活力）的因素 米门方程、推导酶促反应速率方程式，底物浓度对酶促反应速率的影响、Km的意义、求解米门方程中的Km和vmax
酶促反应的动力学方程式
米门方程 Km的意义
米门方程推导 中间产物学说 化学反应式
米门方程中Km和vmax的确定
影响酶促反应速率的因素
酶的浓度E 最适条件下，v（酶促反应速率）与E（酶浓度）成正比，但随着E的提高，v逐渐趋于平缓
底物浓度S （E为定值）
1⃣️底物起始浓度S0较低时，v与S成正比，表现为一级反应
2⃣️随着S继续增加，v上升较缓慢，混合级反应
3⃣️当S增加到某种程度时，中间产物浓度ES不增加，v也不再增加，零级反应
温度
pH
抑制剂
降低酶活性甚至使酶完全丧失活性的物质称为酶的抑制剂。具有选择性
抑制作用：由于某些物质与酶的活性部位结合，是酶蛋白活性部位的结构和性质发生改变，从而引起酶活力下降或丧失的一种效应。
抑制剂的作用机理：抑制作用类型有不可逆的抑制作用和可逆的抑制作用两种
1⃣️不可逆的抑制作用：有些抑制剂能与酶分子上的某些基团以共价键方式结合，导致酶的活性下降或丧失，不能用透析等方法去除。 重金属离子、有机汞、有机磷化合物（如有机磷农药）等
2⃣️可逆的抑制作用：非共价键方式，可以通过透析、超滤等方法除去抑制剂使酶恢复活性。 可分为竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制
a.竞争性抑制 有些抑制剂结构与某种底物结构类似（竞争性抑制剂），它与底物竞争与酶的活性中心结合，从而影响底物与酶的结合，使反应速率下降
b.非竞争性抑制 底物和抑制剂与酶的结合没有竞争性（非竞争性抑制剂），形成酶-底物-抑制剂（ESI）三元复合物。酶不显示活性，不能转变为产物。非竞争性抑制过程中，v与S无关
c.反竞争性抑制 酶与底物结合后才能与抑制剂结合，原因可能是底物和酶的结合改变了酶的构象，或抑制剂直接与ES（酶与底物的结合）中的底物反应。反竞争性抑制常见于多底物反应中
激活剂
微生物的营养
新陈代谢
微生物从外界环境中不断摄取营养物质，经过一系列生物化学反应，转变成细胞的组分，同时产生废物并排泄到体外，这是微生物与环境之间的物质交换过程，称为物质代谢或新陈代谢
新陈代谢包括
1⃣️异化作用（物质分解反应，将营养物质和细胞物质分解的过程释放能量）
2⃣️同化作用（物质合成反应，将营养物质转变为机体组分的过程，吸收能量）
微生物的营养物及营养类型
营养物质：水、碳素营养源、氮素营养源、无机盐及生长因子等
生长因子是一类调节微生物代谢所必需，但不能用简单的碳、氮源自行结合成的有机物（维生素、碱基、嘌呤、嘧啶及烟酸等）
微生物的营养类型
按碳素来源分：自养型微生物（无机碳，CO2）、异养型微生物（有机碳，乙酸）
自养型微生物（无机营养微生物）
光能自养型微生物：依靠体内光合作用色素，光作为能源，H2O和H2S做供氢体，CO2为碳源，合成有机物，构成自身细胞物质
化能自养型微生物：能量来源为氧化无机物时，氧化磷酸化产生的ATP，CO2为唯一碳源，无机物做供氢体。 无光和色素，不能光合作用，能源为它们氧化S、H2S、H2、NH3、Fe等无机物时，通过氧化磷酸化作用产生的ATP。CO2为唯一碳源
异养型微生物（有机营养微生物）
光能异养微生物：光为能源，有机物为供氢体，还原CO2，合成有机物的厌氧微生物（有机光合细菌）
化能异养型微生物：有机无作为碳源和能源，氧化有机物产生化学能而获得能量
混合营养微生物：无机碳和有机碳都能利用，兼性营养微生物
按能量来源分：光能自养型（光合作用，光能）、化能营养型（物质氧化的化学能）
碳氮磷比
污废水生物处理中好氧微生物群体（活性污泥）要求BOD5：N：P=100:5:1
厌氧消化污泥中的厌氧微生物群体对碳氮磷比要求BOD5：N：P=100:6:1
有机固体废物堆肥发酵要求的碳氮比为30:1，碳磷比为（75～100）：1
污废水缺氮用粪便污水或尿素补充，缺磷用磷酸氢二钾补充
微生物的培养基
根据各种微生物对营养的需要，包括水、碳源、能源、氮源、无机盐及生长因子等按一定比例配制而成，用以培养微生物的基质，称为培养基
培养基的种类
按组成物性质分
合成培养基 已知化合物配置
天然培养基 天然有机物配置
复合培养基 既有已知的化学组成物质，又有天然成分指数
按物理性状分
液体培养基 不加凝固剂，呈液体状态
半固体培养基 加少量凝固剂，每升培养基加3～5g琼脂
固体培养基 加更多凝固剂，每升培养基加15～20g琼脂
按对微生物的功能和用途分
选择培养基
鉴别培养基
加富（富集）培养基
基础培养基
营养物进入微生物细胞的方式 单纯扩散、促进扩散、主动运输和基团转位等 膜的四种主要运输方式的比较
单纯扩散 物理过程，高浓度向低浓度，非特异性，速度慢
促进扩散 载体蛋白，浓度梯度，不耗能，速度快
主动运输 耗能，渗透酶，逆浓度梯度，有单一运载、协同运载和反向运载
单一运载 协同运载 反向运载
钠钾泵主动运输 离子浓度梯度主动运输 H+浓度梯度主动运输
基团转位 耗能，被运输的物质发生化学变化，通过单向性磷酸化作用实现 磷酸转移酶系统
微生物的能量代谢
微生物的生物氧化和产能
微生物的生物氧化本质是氧化还原的统一过程，是指细胞内一系列产能代谢的总称。 微生物合成细胞组分及维持生命活动所需能量由产能代谢提供，产能代谢通过呼吸作用实现，其本质是一系列氧化还原反应
生物能量的转移中心—ATP
ATP的主要生成方式
底物（基质）水平磷酸化
氧化磷酸化
光合磷酸化
生物氧化类型与产能代谢
发酵 厌氧微生物获取能量的方式
定义
第一步：糖酵解途径（EMP途径），产物为丙酮酸，产能方式为底物（基质）水平磷酸化 两个阶段、意义、总反应式、底物（基质）水平磷酸化
乙醇发酵 第二步、第二步反应式、总反应式、能量利用率计算
主要发酵类型（根据末端产物命名） 乙醇发酵、丙酸型发酵、丁酸型发酵、混合酸发酵
发酵底物必备条件
好氧呼吸
葡萄糖的氧化分解为例 经EMP途径酵解—丙酮酸有氧分解（TCA循环） 补充：电子传递体系的两个基本功能
1mol葡萄糖为例进行产能分析 EMP途径产能、TCA循环产能（三羧酸循环反应方程式）
乙醛酸循环（TCA循环的支路）
内源性呼吸和外源性呼吸
无氧呼吸
硝酸盐呼吸 硫酸盐呼吸 碳酸盐呼吸
微生物的合成代谢
合成代谢 微生物利用能量代谢产生的能量、中间产物及…小分子，合成细胞物质的过程
甲烷菌的合成代谢 利用C1C2有机物产生CO2和CH4，利用代谢产物和ATP合成蛋白质、多糖、脂肪和核酸等，构成自身细胞
化能自养微生物的合成代谢 还原CO2所需ATP和[H]是通过氧化无机底物获得，产能途径为氧化磷酸化反应
亚硝化细菌（氨氧化细菌）的合成代谢 反应式
硝化细菌（亚硝酸氧化细菌）的合成代谢 反应式
异养微生物的合成代谢
微生物的生长繁殖和生存因子
微生物的生长繁殖
概念
生长
单细胞微生物的繁殖
发育
世代时间（代时）
多细胞微生物的繁殖
子主题
研究微生物生长的方法
微生物的生长可分为个体微生物的生长和群体微生物的生长
培养方法有分批培养和连续培养
分批培养
微生物的生长曲线
细菌的生长曲线
细菌的生长繁殖可分为4个时期（细分6个时期）：停滞期（含加速期，在后）、对数期、静止期（含减速期，在前）及衰亡期
细菌生长曲线的绘制、各阶段长短的影响因素及生长特性等
1 停滞期长短的影响因素：接种量
2⃣️对数期
3⃣️静止期
4⃣️衰亡期
应用：序批式活性污泥法（SBR法）是将分批培养原理应用于污水生物处理的实例
细菌生长曲线在污废水微生物处理中的应用 按污废水的水质情况（主要是有机物浓度）可利用不同生长阶段的微生物处理污废水
常规活性污泥法：静止期
延时曝气法：衰亡期
生物吸附法：静止期
高负荷活性污泥法：对数期
问题
1⃣️为什么常规活性污泥法不利用对数生长期的微生物而利用静止期的？
2⃣️为什么用延时曝气法处理低浓度有机污废水时，不用静止期的微生物，而用衰亡期微生物？
连续培养 分为恒浊连续培养和恒化连续培养
恒浊连续培养 定义，调节方法，特征
恒化连续培养 定义，生长速度调节方法，特征
连续培养中，微生物生长状态和规律处于分批培养中生长曲线的某个生长阶段
应用：除SBR外，其余污废水生物处理法一般均采用恒化连续培养。典型工艺为传统活性污泥法
传统活性污泥法
子主题
活性污泥中的微生物的三个阶段：生长上升阶段、生长下降阶段和内源呼吸阶段（顺序和细菌的生长曲线相反）
微生物的生存因子
非生物因子 温度、pH值、溶解氧、渗透压、氧化还原电位、光辐射等
温度 高温灭菌，低温保存菌种：嗜冷菌、嗜中温菌、嗜热菌及嗜超热菌
pH
环境中pH值对微生物生命活动的影响
引起细胞膜电荷的变化，从而影响微生物对营养物质的吸收
影响酶的活性
改变环境中营养物质的可给性以及有害物质的毒性
污水生物处理的pH宜维持在6.5以上至8.5左右的环境
微生物对环境pH的影响
硝化菌，使pH值减小
反硝化菌，使pH值增大
pH对微生物生长和发酵产物的影响
氧 根据微生物与分子氧的关系，微生物被分为好氧微生物（专性好氧、微量好氧）、厌氧微生物（专性厌氧、耐氧厌氧）和兼性厌氧微生物
好氧微生物
兼性厌氧微生物 典型的两种细菌：酵母菌、反硝化细菌 巴斯德效应：氧对葡萄糖耗量的抑制现象
厌氧微生物 专性厌氧微生物、耐氧微生物
微生物与氧的5种关系 在污废水或固废生物处理系统中，好氧微生物、兼性厌氧微生物和厌氧微生物以一定的比例存在均是有好处的。两个例子
1⃣️污废水厌氧处理系统中，
2⃣️污水好氧处理系统中，
生物因子 微生物与微生物之间的联系
其他不利环境因子对微生物的影响 如极端温度、极端pH、重金属、卤素、紫外辐射、电离辐射、超声波、表面活性剂等
微生物与微生物之间的关系
相同种内的关系有竞争和互助
不同种间关系有6种
竞争关系
原始合作关系（原始共生，互生）
共生关系
偏害关系（拮抗关系）
非特异性偏害
特异性偏害
捕食关系
寄生关系
专性寄生
兼性寄生
菌种的退化、复壮与保藏
微生物变异有正变（自发突变）和负变（菌种退化）
菌种退化
菌种复壮 菌种复壮的3种方法:纯种分离、通过寄主进行复壮、原始复壮
菌种的保藏 保藏方法：定期移植法、干燥法、隔绝空气法、蒸馏水悬浮法、综合法
灭菌
消毒
子主题
微生物的遗传变异
微生物的遗传
遗传具有稳定性和保守性
驯化 工业废水生物处理中，用含有某些污染物的工业废水筛选、培养来自处理其他废水的菌种，使它们适应该种工业废水，并产生高效降解其中污染物能力的方法叫驯化
从分子遗传学角度看，亲代是通过脱氧核糖核苷酸（DNA）将决定各种遗传性状的遗传信息传给子代的。 DNA是遗传的物质基础
证明DNA是遗传的物质基础的三个重要实验
格里菲斯经典的肺炎链球菌转化实验
大肠杆菌T2噬菌体感染大肠杆菌实验
植物病毒的拆分和重建实验
DNA的组成和结构
DNA由四种核苷酸组成，每种核苷酸含环状碱基、脱氧核糖和磷酸根三种组分 四种碱基：腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胸腺嘧啶T、胞嘧啶C 碱基互补A=T G=C
DNA分子是许多核苷酸按照一定的顺序连接在一起形成的多核苷酸长链
DNA的双螺旋结构： 两条多核苷酸链互补并排列方向相反，右手螺旋绕主轴盘绕，有一定空间距离
DNA分子的自我复制过程： 半保留复制方式，
基因
基因按功能分三种：结构基因、操控区、调节基因
基因控制大肠杆菌利用乳酸的酶合成操纵子模型解释
分子遗传学的中心法则
DNA的变性和复性
DNA变性
DNA复性
RNA
由四种核苷酸组成，每种核苷酸含环状碱基、核糖和磷酸根三种组分。 四种碱基为：腺嘌呤A、鸟嘌呤G、尿嘧啶U和胞嘧啶C 碱基互补：A-U U-A G-C C-G
RNA有四种
mRNA，信使RNA，传递遗传性
tRNA，转移RNA，传递氨基酸
反义RNA，起调节作用，决定mRNA翻译合成速率
rRNA，和蛋白质结合成核糖体，是合成蛋白质的场所
遗传密码 mRNA链上，由相邻的三个核苷酸组成，代表一个氨基酸的核苷酸序列，即三联密码子
微生物生长于蛋白质合成
微生物生长的主要活动是蛋白质的合成
蛋白质合成的步骤
1⃣️DNA复制
2⃣️DNA转录
3⃣️tRNA翻译和转运
4⃣️蛋白质的合成
微生物的变异
微生物的DNA被某种元素引起的碱基的缺失、置换或插入，改变了基因内部原有的碱基排列顺序，从而引起其后代表现型的改变
基因突变分自发突变和诱发突变
自发突变 自然条件下，无人工参与 自发突变中的互变异构效应
诱发突变 利用物理或化学因素处理微生物群体
物理诱变
诱发突变的紫外线辐射诱变作用机制
DNA损伤的修复
光复活和暗复活
切除修复
重组修复
SOS修复
适应性修复
化学诱变
碱基互换 （直接、间接的化学诱变剂
移码突变
子主题
复合处理及其协同作用
诱变剂可复合处理，加强诱变效果，有协同效应：两种或多种先后使用；一种重复使用；两种或多种同时使用
定向培育和驯化
定向培育
驯化
举例说明定向培育在污废水生物处理领域的应用
基因重组 两个不同性状个体细胞的DNA融合，是基因重新组合，从而发生遗传变异，产生新品种，此过程称为基因重组
杂交 双亲细胞融合使整套染色体的基因重组，或通过双亲细胞沟通使部分染色体基因重组
例子：含有固氮基因的肺炎克雷伯氏菌和不含固氮基因的大肠杆菌杂交，产生了含固氮基因并有固氮能力的大肠杆菌
转化 受体细胞直接吸收来自供体细胞的DNA片段并将其整合到自己的基因里，从而获得供体细胞部分遗传性状的现象
转化因子。游离的DNA片段
转化子。细胞分裂后，携带供体菌转化基因的子细胞
感受态细胞
转化过程的步骤
感受态细胞的出现（关键） → DNA的吸附 → DNA进入细胞内 → DNA解链, 形成受体DNA一供体DNA复合物, DNA复制和分离
例子：遗传和变异的物质基础的经典实验
转导 通过温和噬菌体的媒介，把供体细胞中的DNA片段携带到受体细胞中。使后者获得前者部分遗传性状的现象
转导的实验：LA-22（A+B-）：色氨酸营养缺陷型 LA-2（A+B-）：组氨酸营养缺陷型
转导的种类：普遍性转导和局限性转导
普遍性转导 完全缺陷噬菌体、任何DNA片段、“误包”
局限性转导 部分缺陷的温和噬菌体、少数特定基因、“误切”
溶原性与转导的本质区别
溶原性 1⃣️温和噬菌体不携带任何来自供体菌的外源基因，使宿主带来新性状的是噬菌体本身的基因；（而转导过程中携带的是供体细胞的D） 2⃣️温和噬菌体是完整的，不是缺陷的；（ 导过程的噬菌 是菌体） 3⃣️获得新性状的是溶原化的宿
转导 1⃣️转导过程中噬菌体携带的是供体细胞的D； 2⃣️ 导过程的噬菌 是 菌体； ⃣️获得
分析遗传学新技术在环境工程与环境保护中的应用
质粒（染色体外DNA 原核微生物中、除染色体外另一种较小的、携带少量遗传基因的环状DNA分子
PCR技术在环境工程中的应用
PCR即为DNA聚合酶链反应。PCR是DNA不需通过克隆而在体外扩增，短时间内合成大量DNA片段的技术
PCR的操作步骤
1⃣️加热变性
2⃣️退火
3⃣️延伸
4⃣️将扩增产物进行琼脂糖凝胶电泳观察
分子遗传学的综合技术用于环境微生物鉴定和种群动态分析
微生物的生态
生态系统
生态系统和生物圈
生态系统
一定时间空间范围内由生物与它们的生境通过能量流动和物质循环组成的一个自然体
公式：生态系统=生物群落+环境条件
四个基本组成：环境、生产者、消费者、分解或转化者
自然界的基本功能单位，其功能主要表现在生物生产、能量流动、物质循环和信息传递方面。 这些功能通过生态系统的核心—生物群落实现的
生物圈
生态平衡
生态系统是开放系统，当能量和物质的输入等于输出时，生态系统组成、结构和功能将长期处于稳定状态。即使有外来干扰，也能通过自我调节能力恢复到原来的稳定状态，即生态平衡
生态系统的分类
生态系统中的几个名词：个体、种群、群落
土壤微生物生态
土壤的生态条件 营养、pH、渗透压、氧气和水、温度、保护层
土壤自净 土壤对施入一定负荷的有机物或有机污染物具有吸附和生物降解的能力，通过各种物理、化学过程自动分解污染物使土壤恢复到原有水平的净化过程
土壤生物修复 利用土壤中天然的微生物资源或人为投加目的菌株、甚至用构建的特异降解功能菌投加到各污染土壤中，将滞留的污染物快速降解和转化，恢复土壤的天然功能
土壤微生物的碳氮比25:1、污水好氧生物处理的BOD5 ：N：P=100:5:1
空气微生物生态
水体微生物生态
水体中微生物的来源
水体中固有的微生物、来自土壤的微生物、来自生产生活的微生物、来自空气的微生物
水体自净
河流接纳了一定量的有机污染物后，在物理的、化学的和水生物等因素的综合作用后得到净化，水质恢复到污染前的水平和状态，这叫水体自净
自净容量
指在水体正常生物循环中能够净化有机污染物的最大数量
水体自净原理及过程、衡量水体自净程度的指标
问p 92
1⃣️绘出河流水体受到污水点源污染前后直至水体自净过程结束的BOD5和DO浓度的变化曲线（氧垂曲线）；结合该曲线阐述水体自净原理及过程。 书p259
2⃣️对于污染河流，如何通过P/H指数、溶解氧浓度昼夜变化幅度和氧垂曲线综合判断水体自净程度
3⃣️水体污化系统分为哪几“带”？各有什么特征？
污染水体的微生物生态
污化系统
水体有机污染指标
BIP指数
无叶绿素的微生物占所有微生物的百分比。 可用来定性的衡量、评价水体污化系统的有机污染程度
细菌菌落总数
1mL水样在营养琼脂培养基中，于（有氧条件）37摄氏度培养24h（或48h）后所生长出来的细菌菌落总数
生活饮用水细菌卫生标准
1⃣️细菌总数1mL水中不超过100个；2⃣️大肠菌群数1L水中不超过3个
总大肠菌群
大肠杆菌是指示水体被粪便污染的一个指标（致病菌污染水体的间接指标）
大肠杆菌作为卫生指标的原因和意义
1⃣️生理习性与肠道病原菌相似，它们在外界的生存时间基本一致
2⃣️在粪便中的数量最多
3⃣️检验技术较简单
水体富营养化
水体含有丰富的溶解性营养盐类，使藻类等浮游生物大量生长繁殖，而后引起异养微生物代谢旺盛，耗尽水体中DO，使水体变质，从而破坏水体中的生态平衡现象
评价水体富营养化的方法和潜在生产力
评价方法
观察蓝细菌和藻类等指示生物
测定生物的现存量
测定原初生产力
测定透明度
测定氮磷等导致富营养化的物质
AGP即藻类生产的潜在能力
把特定的藻类接种在天然水体或污（废）水中，在一定的关照度和温度条件下培养，使藻类增长到稳定期为止，通过测干重或细胞数来测其增长量
控制水体富营养化的措施和方法
根本措施：用三级处理法处理污（废）水，脱氮除磷，使污水达到三级处理排放标准，并逐渐达到脱氮除磷深度处理标准，是污废水中氮、磷排放量控制在低水平
治理方法
1⃣️化学药剂控制：硫酸铜0.1～0.5mg/L； 2⃣️生物学控藻：利用藻类病原菌和病毒控制藻类生长； 3⃣️搅动水层。
微生物在环境循环物质中的作用
物质循环包括天然物质和污染物质的循环。 有氧、碳、氮、硫、磷、铁、锰及各种有毒或无毒污染物的循环
氧循环
人和动物呼吸、微生物分解有机物都需要氧。所消耗的氧由陆地和水体中的植物及藻类进行光合作用释放
有氧条件下，光合作用；无氧条件下，发酵作用
碳循环
以CO2为中心，CO2被植物藻类利用进行光合作用合成植物性碳。动物摄食植物就将植物性碳转化为动物性碳，动物和人呼吸放出CO2，有机碳化合物被厌氧微生物和好氧微生物分解产生CO2返回大气，CO2再被植物利用，循环往复。
纤维素的转化
淀粉的转化
脂肪的转化
甘油的转化
脂肪酸的β-氧化
氮循环
三种形态：分子氮、有机氮化合物、无机氮化合物
蛋白质水解
氨基酸转化
脱氨作用
氧化脱氢
还原脱氮
水解脱氮
减饱和脱氮
脱羧作用
硝化作用
反硝化作用
固氮作用
硫循环
硫三态：单质硫、无机硫化合物、含硫有机化合物
含硫有机物的转化
无机硫的转化
硫化作用
反硫化作用
磷循环
三态：含磷有机物、无机磷化合物、PH3
铁循环
无氧时，大量存在二价铁，二价铁被铁细菌氧化为三价铁
水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理
污（废）水生物处理中的生态系统
污水生物处理：利用微生物的生物代谢过程使废水得到净化
分类
根据微生物与氧的关系分为好氧处理和厌氧处理
根据微生物在构筑物中处于悬浮状态或固着状态分为活性污泥法和生物膜法
生物处理构筑物：为活性污泥或生物膜提供一个环境，使微生物与污水在构筑物内形成混合体，完成净化过程
好氧活性污泥法
好氧活性污泥：有多种多样的好氧微生物、兼性厌氧微生物（少量厌氧微生物）与污水中有机或无机固体物混凝交织在一起形成的絮状体。具有生物活性，有吸附、氧化有机物的能力
MLSS
MLVSS
好氧活性污泥的结构和功能的中心是能起絮凝作用的细菌形成的细菌团块，称菌胶团
好氧活性污泥净化机理
有机污染物去除过程的实质
活性污泥净化污废水的过程
微生物初期吸附去除
微生物的代谢
分解代谢
合成代谢
内源呼吸或自身氧化
其他微生物吸收或吞食为分解彻底的有机物
活性污泥的沉淀分离
泥水分离
好氧活性污泥法工艺
完全混合式活性污泥法
传统活性污泥法
子主题
氧化沟工艺
活性污泥法的一种变形，封闭沟渠内循环流动
菌胶团的作用
生物吸附，氧化分解有机物
对有机物吸附分解
提供栖息场所
指示作用
原生动物及微型后生动物在污水生物处理和水体污染及自净中起到的作用
指示作用
净化作用
促进絮凝和沉淀作用
好氧活性污泥培养方法：间歇式曝气培养和连续曝气培养
好氧生物膜法
实质：使¥#附着在某些载体上生长繁殖并形成生物膜，污水中有机物被摄取，微生物繁衍增殖
生物膜的构造
由内向外分别是滤料、生物膜（厌氧、好氧）、附着水层、流动水层
对有机物的降解
好氧生物膜工艺
普通生物滤池
生物转盘
塔式生物滤池
生物接触氧化池
普通生物滤池工作原理
好氧生物膜培养方法
自然挂膜法、活性污泥挂膜法、优势菌挂膜法
活性污泥膨胀
活性污泥丝状膨胀成因
温度
溶解氧（DO）
可溶性有机物及其种类
有机物浓度（有机负荷）
pH
衡量活性污泥是否膨胀的指标SVI即污泥体积指数
SVI：曝气池出口处混合液静置30min后，每克干污泥形成的沉淀污泥所占的体积。ml/g
SV30：曝气池混合液静置30min后沉淀的体积分数
SVI一般在50～150ml/g，100ml/g为最好；SVI在200ml/g以上标志着活性污泥发生膨胀
污泥膨胀对污水处理厂运行的影响
活性污泥丝状菌膨胀的机理和控制措施
活性丝状菌污泥膨胀的机理：以表面积与体积比假说解释
丝状菌与菌胶团的竞争表现在
对溶解氧的竞争
对可溶性有机物的竞争
对氮、磷的竞争
有机物冲击负荷的影响
控制活性污泥丝状膨胀的对策
控制溶解氧
控制有机负荷
改革工艺
厌氧环境中活性污泥和生物膜的微生物群落
厌氧生物处理：无氧条件下，由厌氧微生物作用的结果。
高浓度厌氧有机废水甲烷发酵理论
二阶段理论：酸性发酵阶段和碱性发酵阶段
三阶段理论：水解发酵阶段、产氢产乙酸阶段、产甲烷阶段
四阶段发酵理论
第一阶段
水解发酵阶段
微生物：水解、发酵性细菌，专性厌氧菌和兼性厌氧菌
第二阶段
产氢产乙酸阶段
微生物：产氢产乙酸细菌
第三阶段
产甲烷阶段
微生物：产甲烷菌，为古菌，严格的专性厌氧菌
第四阶段
同型产乙酸阶段
微生物：同型产乙酸细菌
厌氧活性污泥微生物的组成
单相厌氧消化法和两相厌氧消化的厌氧颗粒污泥的微生物组成有何不同？ 在废水的厌氧生物处理工艺中，何为单相厌氧消化法及两相厌氧消化法？
两相厌氧消化法
单相厌氧消化的厌氧颗粒污泥的微生物组成
两相厌氧消化的厌氧颗粒污泥的微生物组成
UASB：上流式厌氧污泥床反应器
优点：1⃣️实现了厌氧污泥的良好颗粒化，2⃣️高有机负荷
污、废水深度处理和微污染源水预处理中的微生物学原理
水体富营养化的危害：氮和磷是生物的重要营养源。但水体中氮、磷含量过多，危害极大。最大的危害是引起水体富营养化。在富营养化的水体中，蓝细菌、绿藻等大量繁殖，有的蓝细菌产生毒素，毒死鱼、虾等水生生物和危害人体健康。由于他们的死亡、腐败，引起水体缺氧，使水源水质恶化。不但影响人类生活，还严重影响工、农业生产。
微生物脱氮原理、微生物特性、运行操作条件；一种工艺、原理、运行调控措施
脱氮原理
1⃣️氨化
2⃣️硝化
a.短程硝化
b.全程硝化
3⃣️反硝化
硝化作用段及微生物 （亚硝化细菌和硝化细菌是革兰氏阴性菌）
1⃣️氧化氨的细菌
好氧氨氧化细菌
厌氧氨氧化细菌
厌氧反硫化细菌
2⃣️氧化亚硝酸细菌
硝化细菌
脱氮的运行控制条件（脱氮的运行操作
1⃣️硝化反应的运行控制条件
a.充足的溶解氧。（不能低于1mg/l，控制在1.2～2.0mg/l为宜）
b.适度的曝气时间。普通话性污泥法4～6h，SBR法为8h
c.碱度。维持在7.5～8.0，适当投加NaHCO3补充、维持碱度
e.温度。大多数25～30
2⃣️反硝化反应的运行控制条件
a.碳源（电子供体）
b.pH值。控制在7～8
c.溶解氧。DO控制在0•5mg/l以下
d.温度。维持在20～40
典型脱氮工艺
1⃣️缺氧—好氧生物脱氮工艺（A/O工艺）
2⃣️同步硝化反硝化
3⃣️短程硝化反硝化
微生物除磷原理、微生物
除磷原理及生物化学机制
生物除磷原理
生物化学机制
1⃣️聚磷菌厌氧释磷
2⃣️聚磷菌好氧过量吸磷
生物除磷的运行控制
1⃣️厌氧环境条件
（a）氧化还原电位
（b）溶解氧浓度
（c）NOx-浓度
2⃣️污水特性
3⃣️污泥泥龄
4⃣️pH。中性和微碱性7～8
5⃣️温度
6⃣️其他
除磷工艺
1⃣️A/O除磷工艺原理
2⃣️A2/O生物脱氮除磷工艺原理
微污染水源水
微污染水源水是受到有机物、氨氮、磷及有毒污染物较低程度污染的水源水
微污染水源水预处理
用以处理微污染水源水的工艺均采用膜法生物处理：有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法、生物流化床等
水源水预处理的主要目标是有机物、氨氮和磷。
短程硝化-厌氧氨氧化工艺
水的消毒方法
煮沸法、加氯消毒、臭氧消毒、过氧化氢消毒、紫外线辐射消毒、微电解消毒等
有机固体废弃物与废弃的微生物处理及其微生物群落
子主题
霉菌的菌落特征（与放线菌菌落特征相区别）
1⃣️形态较大，比放线菌疏松，干燥，蛛网状、绒毛状或棉絮状
2⃣️与培养基结合不紧，易于挑取
3⃣️不同霉菌的孢子使菌落呈现不同结构和色泽
4⃣️正反面颜色、边缘与中心的颜色不一致