哈工大污染控制微生物课件

1. 绪论

1.1 微生物概述

1.1.1 微生物的概念 请思考并回答：

什么是微生物？是否微小就是微生物呢？微生物是否都难以肉眼分辨？

微生物(microorgnisms)一词并非生物分类学上的专用名词，而是指所有形体微小、结构较为简单，一般须借助光学显微镜甚至电子显微镜才能观察到的低等生物的统称。 包括病毒（不具细胞结构）、原核生物（如细菌和蓝藻等）、真菌（如酵母菌和霉菌等）、单细胞藻类（衣藻、硅藻等）以及原生动物（如草履虫、肉足虫和太阳虫等）和后生动物（轮虫、线虫甚至蛔虫等）等。 1.1.2 微生物的分类地位

（1）生物的分类阶元和命名 （1-1）生物的分类阶元 界

门（亚门） 纲（亚纲） 目（亚目） 科（亚科） 属（亚属）

种（亚种、品种、变异株）

种是生物分类的最基本单位。什么是“种”呢？

雌雄个体交配可以形成具有生殖能力的子代，这样的生物群体称为一个物种。 物种分类举例1

界… … … … 动物界原生生物界 门… … … … 脊索动物门原生动物门 纲… … … … 哺乳纲纤毛纲 目… … … … 灵长目钟形目 科… … … … 人科钟虫科 属… … … 人属钟虫属 种… … … 人种小口钟虫 物种分类举例2

界… … … … … … … … … 原核生物界 门… … … … … … … … 细菌门 纲… … … … … … … … 放线菌纲 目… … … … … … … 放线菌目 科… … … … … … 分枝杆菌科 属… … … … … 分枝杆菌属 种… … … … 结核分枝杆菌 （1-2）生物的命名

生物的命名均采用国际统一的命名法则，即“双名法”。一个物种的名称由两个部分组成，即属名和种名，属名在前，种名在后；用拉丁文字，斜体，属名用名词，首字母大写；种名用形容词表示，字首字母小写，为微生物的色素、形状、来源、病名或科学家的姓名等。

下面举例说明。

Stapylococcus aures  金黄色葡萄球菌 Saccharomyces pastori  巴斯德酵母 Clostridium tetani 破伤风梭菌

Ethanoligenens hit B49 产乙醇杆菌B49 （2）生物界的分类

二界说：动物界、植物界；

三界说：动物界、植物界、微生物界；

四界说：动物界、植物界、微生物界、病毒界；

六界说：动物界、植物界、真菌界、原生生物界、原核生物界、病毒界。 （3）微生物的分类地位及其研究对象

正如我们前面了解到的，微生物也是种类庞杂，多种多样。那么，微生物在生物界的分类地位如何呢？它属于何门何纲？污染控制微生物学所研究的对象在生物界又占什么地位？

1.1.3 微生物的特点

（1）结构简单，个体微小 在生物界中，微生物的结构虽然也因种类的不同而变化多样，但总体而言是相对简单的最简单的，其体积大小也非常微小。如细菌门的生物，属原核生物，单细胞个体，无细胞器等的分化，其度量单位一般用微米(μm)；再如病毒，甚至连基本的细胞结构也不具备，其大小的度量采用纳米(nm)来表示。 （2）分布广泛，种类繁多

由于微生物个体微小而且轻，故可通过风和水的散播而广泛分布。高至12,000 米的高空，深至10,000 米的海底，营养贫乏的岩石中，干旱的沙漠中，动植物的体表体内，甚至再高达90℃以上的温泉和寒冷的北极冰层中，都有相适应的微生物种类存在。微生物的种类繁多，已发现的微生物有十几万种，且代谢类型多样化。 启示

无论在地球的哪个角落，到处都有微生物存在，而且代谢类型多样。生命有机体无论在 地球的哪个角落死亡后，都能因微生物的作用而被分解氧化 （3）繁殖速度快，代谢强度高

微生物具有在适宜条件下的高速度繁殖的特性。尤其是细菌，其繁殖速度更是惊人。例如，大肠杆菌和梭状芽孢杆菌在最合适的条件下，20 分钟可繁殖一代，即由1 个分裂成2个，在三小时多一点的时间内，其代谢位能要增加一千倍。如果细菌始终处在最适宜的条件下，那么一昼夜可繁殖72 代，这样经过4～5 天，就能形成与地球同样大小的物体。

微生物具有很高的代谢强度，是由于微生物体积小，与高等生物相比表面积十分巨大，从而使它们能快速地和周围环境进行物质交换的缘故。

例如，乳酸杆菌的表面积/体积＝120,000；鸡蛋的表面积/体积＝1.5；休重200 磅(90.7公斤)的人体表面积/体积＝0.3。

有人计算，乳酸杆菌1 小时内生成的乳酸约为其体重的1,000～10,000 倍，但一个人如要想得到1000 倍于其体重的糖代谢物，则需40 多年。

有人统计，一头500 公斤重的牛每天增加的蛋白质为0.4 公斤，而500 公斤的酵母菌再24 小时内至少可以形成5,000 公斤的蛋白质。 （4）适应能力强，易于培养

总体而言，微生物的适应性极强（如前所述），大多数微生物都能在常温常压下，利用简单的营养物质生长繁殖，培养相对容易。

（5）易变异

微生物繁殖后，其子代与亲代在形态、生理等性状上常有差异，这些差异又能稳定地遗传下去，这一特性被称为变异。

1.2 污染控制微生物学

1.2.1 在微生物学中的地位

微生物学是研究微生物在一定条件下的形态结构、生理生化、遗传变异以及微生物的进化、分类、生态等生命活动规律及其用用的一门科学。随着微生物学的不断发展，已经形成了基础微生物学和应用微生物学，又可分为许多不同的分支学科，并还在不断地形成新的学科和研究领域。

1.2.2 污染控制微生物学的内涵

污染控制微生物学是环境污染治理与微生物学相结合而产生发展起来的一门边缘性学科，属于环境微生物学的研究范畴，重点是研究污染控制工程中涉及到的微生物学问题，是在普通微生物学的基础上，着重研究栖息在自然环境、受污染环境和人工处理系统中的微生物生态、环境的自净作用、环境污染及其生物处理工程中的微生物学原理。 1.2.3 主要研究内容和任务

? 自然环境以及污染环境中的微生物生态学；

? 污染控制中的微生物学原理以及微生物资源的开发与利用；

? 特种废水的处理技术以及高效、经济、节能废水处理技术的开发与应用； ? 生物工程和一些微生物新技术在污染控制中的应用； ? 环境中有害微生物的去除以及病原微生物的快速检测技术； ? 废水及固体废弃物生物处理过程中的减量化和资源化技术。 作业：

① 微生物的概念； ② 微生物的特点；

③ 概述微生物在环境污染控制中的作用。

2. 原核微生物

微生物除病毒外都具有细胞结构，而具有细胞结构的微生物，又可分为真核微生物和原核微生物。细菌、放线菌、立克次氏体、支原体、衣原体、蓝细菌属原核生物（procaryote），真菌、单细胞藻类和原生动物以及后生动物属真核生物（eucaryote）。这两类微生物在细胞结构上，特别在细胞核上有显著区别。 原核微生物与真核微生物的主要区别

2.1 细菌

2.1.1 形态和大小 （一）细菌的形态

细菌个体均为单细胞生物，其基本形态有三种：球状、杆状和螺旋状，分别称为球菌、杆菌

和螺旋菌(包括弧菌)。此外，一些细菌具有较为特殊的形态，如分叉、具柄、具附器等。 细菌的基本形态图片

细菌的基本形态

（二）细菌的大小

细菌一般都很小，以微米（?m）作为度量单位（长度、宽度或直径）。但是，不同种类的细菌或同一种类的细菌在不同环境条件下，大小的差异很大。 2.1.2 细菌的细胞结构 细菌属典型的原核生物，其结构可分为两部分：一是为全部细菌细胞所共有的不变部分或基本结构，包括细胞壁、细胞膜、原核和核糖体以及内含物等；二是只有部分细菌所有且具有特定功能的可变部分或特殊结构，包括鞭毛、纤毛、荚膜、芽孢和气泡等。（参见P14）。

（1-1） 细胞壁（教材P14-16）

细胞壁(cell wall)是包在原生质体外面，厚约10～80 nm 的略有弹性和韧性的网状结构，其质量约占总细胞干重的10%～25%左右。 （1）细菌染色

细菌染色的主要目的（教材P15）

① 细菌本身为无色透明的，在普通光学显微镜下，菌体与背景反差很小，不易看清楚细菌的形态和结构，所以，通常要对细菌进行染色，以增加菌体与背景的反差，以便于在显微镜下观察。

② 通过染色特征对不同特性的细菌进行鉴别。 ③

常用染色方法（教材P15） 单染色法和复染色法 革兰氏染色（教材P15）

革兰氏染色是最重要的细菌染色方法之一，甚至成为鉴别不同细菌的一个重要特征。它是丹麦细菌学家革兰氏(Christian Gram)于1884 年发明的。 革兰氏染色的主要步骤及细菌鉴别（教材P15-16）

先用碱性染料结晶紫染色，再加碘液媒染，然后用酒精脱色，最后以沙黄或蕃红复染。 由于不同种类细菌的细胞壁组成和结构不同，而被染成紫色或红色。凡是呈现紫色的细菌，称为革兰氏阳性(G+)细菌；而被染成红色的细菌，称为革兰氏阴性(G-)细菌。 （2）细胞壁的化学组成及结构 细胞壁的化学组成（教材P14） 细胞壁的主要成分是肽聚糖、脂类和蛋白质。在不同细菌细胞壁中还含有磷壁酸（又称垣酸）和脂多糖等成分。 细胞壁的结构

肽聚糖是由N-乙酰葡萄糖胺(NAG)和N-乙酰胞壁酸(简写NAM)以及少量短肽链聚合而成的一个大分子复合体，形成多层网状结构。

G+细菌 G-细菌

G+细菌和G-细菌细胞壁结构的比较

（3）细胞壁的生理功能（教材P16）

1) 细胞壁具有保护细胞免受机械性或渗透压的破坏，维持细胞外形的功能； 2) 细胞壁的化学组成，使之具有一定的抗原性、致病性以及对噬菌体的敏感性； 3) 细胞壁为鞭毛提供支点，支撑鞭毛的运动；

4) 细胞壁具有多孔性，具有一定的屏障作用，允许水及一些化学物质通过，但对大分子物质有阻拦作用。

（1-2） 细胞膜（教材P16） 细胞膜又称原生质膜，是外侧紧贴于细胞壁而内侧包围细胞质的一层柔软而富有弹性的半透性薄膜，厚度约7～10 nm。约占细胞干重的10%，其化学组成是脂类(20%～30%)和蛋白质(60%～70%)，还有少量糖蛋白、糖脂(约2%)和微量核酸。 （1）细胞膜的结构（教材P16）

膜的单位结构是由磷脂双分子层与蛋白质组成，蛋白质分布与磷脂双分子层的表面，或镶嵌其间，具有流动的特性。细胞膜中的蛋白质种类很多，起酶和载体的作用。

（2）细胞膜的功能（P17）

1) 起渗透屏障作用并进行物质运输； 2) 参与细胞壁的生物合成； 3) 参与能量的产生；

4) 参与细胞繁殖中的DNA 分离过程；

5) 与细胞的运动有关，细菌鞭毛和纤毛着生在细胞膜上 （1-3）细胞质及其内含物（P16） （1）细胞质（P17）

细胞质又称细胞浆，是细胞膜内除细胞核质外的一切半透明、胶状、颗粒状物的总称，含水量约80％，其它主要成分有蛋白质、核酸、脂类、少量的糖类和无机盐类。 （2）内含物

细胞质内形状较大的颗粒状构造称为内含物（inclusion body），包括核糖体、羧酶体、载色体、类囊体、颗粒状内含物和气泡等。 A. 核糖体(ribosome) （P17）

核糖体是细胞中的一种核糖核蛋白的颗粒状结构，由65%的核糖核酸(RNA)和35%的蛋白质组成，分散存在于细菌细胞质中。核糖体是合成蛋白质的部位。 B. 间体(mesosome) （P17）

亦称中体，是一种由细胞膜内褶而形成的囊状结构，其中充满着层状或管状的泡囊。多见于革兰氏阳性菌。与酶的分泌、DNA 的复制与分配以及细胞分裂有关。 C. 内含颗粒(inclusion granule) （P17-18）在许多细菌体内，常含有各种较大的颗粒物，大多系细胞储藏物，如异染粒、聚?－羟基丁酸、肝糖、硫粒等。这些内含物常因菌种而异，即使同一种菌，颗粒的多少也随菌龄和培养条件不同而由很大变化。往往在某些营养物质过剩时，细菌就将其聚合成各种贮藏颗粒，当营养缺乏时，它们又被分解利用。以下是几种重要的内含颗粒：

C-a.异染颗粒(metachromatic granule)

又称捩转菌素(volutin)，主要成分是多聚偏磷酸盐，因为它被蓝色染料(如甲烯蓝)染色后不呈蓝色而呈紫红色而得名。幼龄菌中的异染颗粒很小，随着菌龄的增长而变大。一般认为它可能是磷源和能源性贮藏物。

启示：细菌的聚磷现象为废水生物处理的除磷技术奠定了生物学基础

C-b.聚β-羟基丁酸(PHB)颗粒

为细菌所特有，是β-羟基丁酸的直链多聚物，是一种碳源和能源性贮藏物。当细菌生长在富含碳水化合物而缺少氮化合物培养基时，积累PHB；反之则降解PHB。

启示：β-羟基丁酸是一种环境友好材料，可用作可生物降解产品的原料，具有很好的开发和应用前景。

C-d.肝糖(glucogen)粒和淀粉粒

是微生物体内储存的碳源和能源物质，用碘液可染为深蓝色或红褐色，光学显微镜下可见。 C-e.硫粒(sulfur granule)

硫粒是硫素的贮藏物质和能源。有些硫细菌如贝氏硫菌属 (Beggiatoa)、发硫菌属(Thiothrix)等能氧化H2S 为硫，从而获得能量，同时将其氧化产物单质硫以颗粒形式储存 在体内。当环境中缺乏可利用的能源时，它们可氧化体内的硫粒为SO42-，从而获得能量并 满足细胞合成对硫素的需求。

启示： 利用硫细菌在一定条件下积累硫素的特性，可以在消除环境中（水或大气）有害气体H2S 的同时，回收资源——单质硫。 （1-4） 核质与质粒（P18） （1）核质 请参阅教材P18

细菌的核位于细胞质内，为一絮状的核区。它无核膜、核仁，无固定形态，结构也很简单，这些是与真核微生物的主要区别之处。核区内集中有与遗传变异密切相关的脱氧核糖核酸(DNA)，称为染色质体(chromatinic body)或细菌染色体(bacterial chromosome)。核区由一条环状双链DNA 分子高度折叠缠绕而成。细菌的核携带遗传信息，其功能是决定遗传性状和传递遗传信息。 （2）质粒及其应用

质粒(plasmid)是指独立于染色体外，存在于细胞质中，能自我复制，由共价闭合环状双螺旋DNA 分子所构成的遗传因子。其相对分子质量较细菌染色体小，每个菌体内有一个或几个，也可能有很多个质粒。 请参阅教材P18

（1-5） 原生质体的概念（P16）

细胞膜以内，包括细胞膜在内的结构被称为原生质体(protoplast)，包括细胞膜、细胞质和核质。

以上是细菌细胞基本结构的一些主要内容 （二）特殊结构

（2-1） 荚膜与粘液层 （1）荚膜与粘液层的概念 参阅教材P18

（2）荚膜与粘液层的组成 参阅教材P18

（3）荚膜与粘液层的功能 参阅教材P19

（4）菌胶团的概念 参阅教材P19

（5）菌胶团在废水生物处理中的意义 参阅教材P19

（6）菌胶团的形成机理 参阅教材P19

注意:两种学说都有其道理，事实上，菌胶团的形成即与荚膜或粘液层的吸附作用有关，也 与细菌能量水平有关，不可偏颇。 （2-2） 芽孢

（2）芽孢的数量与位置

1) 一般每个菌体只能形成一个芽孢，但也有个别细菌的个体可产生多个芽孢，如多孢锥柱杆菌；

2) 芽孢在细胞中的位置因种类差异而不同，有端生、中生和无固定位置三种情况（参阅教材P20，图2.12）；

3) 芽孢一般为椭圆形和圆形，其直径可能大于或小于具体直径，直径较大的芽孢的形成，常使菌体外部形态发生变化，呈现梭形（如丙酸梭菌）、鼓锤形（如破伤风梭菌）等； 4) 菌体是否能够生成芽孢，以及芽孢数量和着生位置，是由细菌的遗传性决定的，因此这

些性状可以作为鉴别细菌种类的重要依据。 （3）芽孢结构特征和生理特性 结构特征：具有厚而致密的壁，不易透水且含水率低，含有大量的2，6-吡啶二羧酸(简称DPA)和耐热酶；

生理特性：很难着色，具有很强的耐热、抗紫外线、抗化学毒物等抵抗能力；芽孢是一种休眠体，代谢活力极低，一般可存活几年至几十年。 （4）芽孢生理功能

芽孢具有抵抗恶劣环境条件的能力，是保护菌种生存的一种适应性结构。（P21） 芽孢不是繁殖体，因为一个细胞只能形成一个芽孢，而一个芽孢萌发之后仍形成一个营养细 胞。一般认为，细菌只有在遇到恶劣的环境条件时才形成芽孢，以芽孢来度过恶劣环境；一 旦环境条件适宜就萌发，形成新的营养细胞。（P20） （2-3） 鞭毛 （1）鞭毛的概念 参阅教材P21

（2）鞭毛的着生位置及数量 参阅教材P21 （3）鞭毛的功能

主运动功能，参阅教材P21 （2-4）伞毛

又称纤毛或繖毛，是细菌表面的一类毛状突起物，比鞭毛细，短而挺直，数量多。 主要功能：①使细菌相互粘合在一起，形成菌膜（类似于尼龙扣）； ②吸附功能，如大肠杆 菌能借助纤毛附着在寄主细胞上；③有的可以作为细菌接合过程中遗传物质的通道，这种伞 毛可以决定细菌的性别，所以又称性伞毛。（参阅教材P21）

2.1.3 细菌的繁殖方式

细菌一般以二分裂进行繁殖，先是DAN(原核) 进行复制，然后在两个核之间形成横隔，使一个细胞变成两个。两个子细胞大小基本相同的分裂繁殖，称为同型分裂；两个子细胞大小不等的，则称为异型分裂。 2.1.4 细菌的培养特征 （1）菌落的概念

生长在固体培养基上，来源于一个细胞，肉眼可见的细胞群体称为菌落（cology）。 教材P22，称为群落不适宜。 （2）菌落的形态特征

特定的细菌在一定条件下形成的菌落特征具有一定的稳定性和独特性，是衡量分离菌种纯度、辨认和鉴定菌种的重要依据。

细菌的群落形态包括大小、形状、颜色、透明程度、隆起形态、边缘形态、表面光滑与否等。 参见教材P22 图2.16。 （3）菌落的类型

根据培养细菌是否产荚膜和所形成菌落的表面特征，可将菌落分为光滑型和粗糙型两种

（4）运动性培养特征

采用半固体培养基培养，穿刺接种。细菌如果向四种扩散生长，则为运动性细菌，反之，则为不运动细菌。参见教材P23 图2.18 （5）明胶水解特征

采用明胶培养基，穿刺接种。培养后如出现液化区，则证明被试细菌具有水解明胶的特性，否则，则不具有水解明胶的特性。参见教材图P2.20 2.1.5 细菌的带电性（P24）

细菌的带电性与其主要组成蛋白质有关。由氨基酸聚合而成的蛋白质为两性电解质，在大于等电点（pI）的碱性环境中带负电核，在小于pI 的酸性环境中带正电核。细菌的pI在1～5，在一般环境中pH﹥ pI，所以一般带负电

2.1.6 细菌的分类

2.1.7 污染控制工程中常见的菌属 请同学们自学教材P24-27 的相关内容

2.2 放线菌

放线菌是介于细菌与丝状真菌之间而更接近于细菌的一类丝状原核生物，因其菌落成放射状而得名。

与人类生活关系密切，是人类使用的抗生素的最主要“生产者”；也有个别种属的放线菌可引起动植物疾病。 2.2.1 综述

（1）结构特征（P28）

外形类似丝状真菌：菌体为复杂的分枝丝状体。

结构上与细菌更为相似：原核，丝状体无横隔，为多核质的原生质体（单细胞）。 （2）营养特征（p27） 多为腐生，少数营寄生 （3）分布（P27）

广泛分布与自然界，在土壤、水体、大气、食品以及动植物体表和体内均有放线菌的分布。主要分布于土壤中，土壤所具有的泥腥味就是放线菌产生的代谢产物引起的。 （4）对环境的影响及其利用

A. 在自然界物质循环中起着重要作用：腐生型放线菌具有很强的分解多种有机物的能力，包括难降解的吡啶、甾体、芳香族化合物、纤维素和木质素等。在环境科学界受到了很大重视。

B. 少数寄生型放线菌可引起动植物疾病：如马铃薯疮痂病、动物的皮肤病、肺炎、脑膜炎等。

C. 产生大量的、种类繁多的抗生素是放线菌最突出的特性之一。临床所用抗生素占西药总数的一半以上，而近万种抗生素中的大约70%是由方线菌产生的。人们关于放线菌的知识主要是在寻找生产各种各样的抗生素的过程中积累起来的。 2.2.2 放线菌的形态与结构（P28）

放线菌为单细胞、多核，大多为分枝丝状体，G+(极少数为G- ）。 放线菌的菌丝体有营养菌丝、气生菌丝和包子丝之分。 以下内容请同学们自学（P28-31） 2.2.3 放线菌的菌落特征 2.2.4 放线菌的繁殖 2.2.5 代表种属

2.2.6 放线菌与细菌的异同

2.3 其它原核微生物

2.3.1 鞘细菌 （1）概念：P31

（2）铁细菌的特点及其环境作用：P32 （3）球衣细菌的特点及其环境作用：P33 2.3.2 滑动细菌

（1）滑动细菌的概念及常见菌属：P34 （2）硫细菌的生理特性及其环境作用：P35

（3）噬纤维菌具有很强的分解纤维素的能力：P36 2.3.3 蓝细菌

（1）蓝细菌的基本特性：P36

（2）特别注意水体中蓝藻过渡繁殖的原因及其危害。P37 （3）能形成水华的蓝细菌有哪些？P37 2.3.4 光合细菌（p38）

（1）特别注意光合细菌与蓝细菌的区别 （2）光合细菌的主要菌属 作业

教材P38 思考题：1、3、4、5、6、9、10

补充：

（1）方线菌与细菌的异同；

（2）从鞘细菌、滑动细菌和蓝细菌的形态和生理特性讨论它们产生的危害，是否有化害为利的途径？

3. 真核微生物

请思考：具有怎样特征的微生物被称为真核微生物？ 请思考：与污染控制有关的真核微生物有哪些？

3.1 真菌

（1）什么是真菌？

真菌(fungus)是指具有细胞壁、不含叶绿素，靠寄生或腐生方式生活的一类真核微生物，大多数菌体为多细胞丝状体，少数种类为单细胞(包括无隔多核细胞)结构。 （2）营养特性

生活在富含有机物质的环境中，特别是多糖类有机化合物是真菌的良好营养基质。真菌能分解诸如纤维素、果胶质等很复杂的有机化合物，甚至还能破坏某些杀菌剂；它们代谢强度高，可用于有机污染物的生物处理。 （3）真菌的分类

分布广泛，生理生化特性千差万别，种类繁多。分类学上将真菌分为三纲一类。 3.1.2 酵母菌（yeast） （1）酵母菌的概念

酵母菌是对一类以芽殖为主要繁殖方式的单细胞真菌的总称，并不具有分类学上的意义。已正式命名的酵母菌370 多种，分属于子囊菌纲、担子菌纲和半知菌类。通常分布于含糖量高且偏酸性的环境中。 请参考教材P39 （2）形态及大小

酵母菌的形态因种而异，基本形态有球形、卵形和圆柱形；有些酵母菌的形态比较特殊，呈现柠檬形、瓶形、三角形或弯曲形等。

酵母菌的个体要比细菌个体大几倍到几十倍，一般宽1～10m，长5～30m。 请参考教材P39-41

（3）细胞结构与菌落特征

具有完整的真核细胞结构，细胞质中含有各种具备特殊功能的细胞器； 细胞壁成分以葡聚糖和甘露聚糖为主，而细菌的则以肽聚糖和脂多糖为主； 菌落与细菌的相似，但比细菌菌落大而且厚，表面湿润粘稠，易被挑起；

酵母菌的出芽过程

（5）在生产和环境工程中的应用 现在请参阅教材P40-41 3.1.3 霉菌（mold） （1）霉菌的概念

霉菌不是分类学上的名称（习惯称呼），凡是在基质上生长形成绒毛状、棉絮状或蜘蛛网 状的丝状真菌统称霉菌，分类学上分属藻状菌纲、子囊菌纲和半知菌类。 与人类的生活关系密切 如：

毛霉（Mucor）：是用于制作腐乳、豆豉等食品的菌种重要；

根霉（Rhizopus）：作为糖化菌种已悠久的历史，是家用甜酒曲的主要菌种； 曲霉（Aspergillus）：主要用于制酱，也是酿酒、制醋曲的主要菌种； 青霉（Penicillium）：是生产青霉素的重要菌种； 白腐真菌（White rot fungus）：用于造纸废水的处理（降解木质素）等等。 （2）结构形态 参阅教材P41-42

注意以下几点（与放线菌比较）：

（1）菌丝体比放线菌菌丝大几倍到几十倍； （2）真核（放线菌？）；

（3）多核系统（有隔霉菌菌丝体，放线菌？）； （4）细胞壁主要由几丁质组成（放线菌？）；

（5）菌丝体有营养菌丝、气生菌丝核繁殖菌丝之分，主不同功能（放线菌）。

（3）霉菌的繁殖方式

参阅教材P45

子囊孢子(ascospore)

在子囊中形成的有性孢子叫子囊孢子；

子囊是一种囊状结构，绝大多数子囊呈长形、棒形或圆筒形，有的具特征性的球形、卵形或长方形。

每个子囊内通常含1－8 个子囊孢子，为2n 个；

子囊多半集体产生，在多个子囊外部，由菌丝体组成共同的保护组织，整个结构成为一 个子实体(子囊果)，子囊包在其中。 （5）常见种属 请参阅教材P43-45

（6）霉菌代谢物与环境污染

主要指某些霉菌代谢产生的一些毒素对其它生物造成危害。（P45 ） 例如：

（1）黄曲霉代谢产生的黄曲霉素，具有强烈的致癌作用；

（2）产黄青霉代谢产生的岛状毒素可使动物肝脏受到严重损伤。 （7）在环境工程中的应用

尽管霉菌对有机物具有较强的降解能力，但是引起污泥膨胀的潜在因素，所以一般应控制霉菌在活性污泥系统中的发展；

在活性污泥系统中，霉菌在营养竞争上受细菌的限制，一般不会大量增殖。 请参阅教材P45-46

3.2 藻类

3.2.1 概述（P46）

藻类是一类光能自养型真核生物，属植物界，种类繁多，分为十二个门

除蓝藻外的藻类，很少被列为微生物的研究对象，但藻类与水污染控制有密切关系，所以被纳入环境卫生物学的研究范畴

藻类可通过营养繁殖、无性繁殖和有性繁殖等三种方式进行繁殖 3.2.2 藻类的分布及生存条件 （1）藻类的分布 教材P46-47

（2）藻类的生存条件 教材P47

3.2.3 常见种属

藻类种类繁多，进化层次不一，分类学上占有植物界的十二个门，教材P49 列出了常见的十个门。

3.2.4 在废水生物处理中的应用

危害：过量繁殖形成“水华”或“赤潮”，使水质恶化变质，应加以控制； 在废水处理中的应用：

（1）氧化塘生态系统的重要组成部分； （2）在好氧活性污泥系统中起积极作用；

（3）利用具有光合特性的藻类进行污水生物处理，如红螺菌属的微生物可在有氧黑暗和 无氧光照条件下都能很好的生长，对废水中的污染物有较好的去除效果，目前已有工程应用 的实例。

3.3 原生动物

3.3.1 原生动物与后生动物的区别 3.3.2 原生动物的形态及生理特性

原生动物在生理上具有完善的“系统”，能行使营养、呼吸、排泄、生殖等机能。常见“胞器”有：行动胞器，消化营养胞器，排泄胞器，感觉胞器等。

本节内容非常重要，请仔细阅读教材P51-52 相关内容。 3.3.3 原生动物的分类

水处理中常见的原生动物有三类： （1）肉足类 （2）鞭毛类 （3）纤毛类 参见教材P52-56

（1）肉足类（教材P52-53）

大多无固定的形状，少数种类为球形。细胞质可伸缩变动而形成伪足，作为运动和摄食的胞器。绝大部分肉足类都是动物性营养。肉足类原生动物没有专门的胞口，完全靠伪足摄食，以细胞、藻类、有机颗粒和比它本身小的原生动物为食物。 （2）鞭毛类

具有一根或一根以上的鞭毛，是运动器官，在分类学中称鞭毛总纲；

鞭毛虫可分为植物性鞭毛虫(植鞭纲)和动物性鞭毛虫(动鞭纲)；

植物性鞭毛虫多数有绿色素体，是唯一进行植物性营养的原生动物；

动物性鞭毛虫体内无绿色的色素体，也没有表膜、副淀粉粒等植物性鞭毛虫所特有的物质，动物性营养，有些还兼有腐生性营养。请参阅教材P53-54 （3）纤毛类

纤毛类原生动物属纤毛纲(Ciliata)，周身表面或部分表面具有纤毛，作为行动或摄食工具；

浮游或固着生活。

3.3.4 原生动物在废水处理中的应用

由于原生动物个体比细菌个体大且种属外表特征明显，易于观察，可以用作废水生物处理系统运行状态的指示生物。

梨波豆虫、滴虫等动物性鞭毛虫的大量出现，是系统处理效果欠佳的表征；

钟虫等原生动物的出现，是系统处理效果良好的表现。

3.4 微型后生动物

在废水生物处理构筑物中还常常出现一些低等的无脊椎后生动物，包括轮虫、甲壳类 动物、昆虫以及幼虫等。

3.5 作业

教材P58 思考题： 3、4、5、6

4. 非细胞生物——病毒

4.1 病毒的发现

19 世纪末，已经分离到了许多引起传染病的细菌，但对某些传染病如口蹄疫、烟草花叶

病等却一直无法获得其病原细菌；

1892 年，俄国学者伊万诺夫斯基首次发现烟草花叶病的感染因子可以通过细菌滤器； 1898 年，荷兰生物学家贝哲林克进一步肯定了伊万诺夫斯基的结果，并将这类感染因子称为病毒（virus）；

1935 年，美国生物化学家斯坦莱从烟草花叶病灶中分离获得病毒结晶；

进一步研究发现，病毒结晶中只含有蛋白质和核酸两种成分，只有核酸具有感染疾病和复制的能力。

4.2 病毒的主要特征（P59）

个体极小，能通过细菌滤器，需借助电子显微镜才能观察到； 专性寄生，没有独立的代谢能力，只能在特定的宿主细胞内增殖；

无细胞结构，大多数病毒只是蛋白质和核酸组成的大分子，且只含有一种核酸（DNA或

RNA）；

繁殖方式是依靠宿主的代谢体系进行“复制”； 对一般的抗生素不敏感，但对干扰素敏感。

总之，病毒是一类超显微、没有细胞结构、专性寄生的大分子微生物，它们在体外具有生物大分子的特征，只有在宿主体内才表现出生命特征。

4.3 病毒的形态及结构

4.3.1 病毒的大小和形态

病毒大小的度量采用nm，多数病毒粒子的直径在100nm 以下，必须借助于电子显微镜才能观察到它的具体形态和大小；

动物病毒多为球形、卵形或砖形； 植物病毒多为杆形、丝状，也有球形；

细菌病毒（噬菌体）大多为蝌蚪状，也有球形或丝状。 请参阅教材P59-60

4.3.2 病毒的化学组成（P60）

大多数病毒的化学组成为核酸和蛋白质: 含有RNA 的病毒称为RNA 病毒； 含有DNA 的病毒称为DNA 病毒。

少数较大的病毒还含有脂类和多糖类等：

脂类中磷脂占50％～60％，其余为胆固醇； 多糖常以糖脂、糖蛋白形式存在。 4.3.3 病毒的结构（P60）

完整的、具有感染性的病毒颗粒称为病毒粒子（virion） 4.3.4 包含体（Inclusion body）

包含体是宿主细胞受病毒感染后形成的一种光学显微镜下可见的小体，其形态呈圆形、卵圆形或不定形，数量和大小不等；

大多数是病毒粒子聚集体，一般含有一个或数个病毒粒子；

包含体的大小、形状、组成及在细胞内的位置可作为快速鉴定病毒的依据。 天花病毒在家兔角膜细胞之中产生的顾氏小体 4.3.5 噬菌斑（Plaque）

噬菌斑是指在含宿主细胞的固体培养基上，噬菌体使菌体裂解而形成的空斑，是噬菌体的“菌落”；

噬菌斑的形态特征不一，可以作为鉴定噬菌体的依据之一。天花病毒在家兔角膜细胞之中产生的顾氏小体

4.4 病毒的增殖

病毒侵入寄主细胞后，利用寄主细胞提供的原料、能量和生物合成机制，在病毒核酸的

控制下合成病毒核酸和蛋白质，然后装配为病毒颗粒，再以各种方式从细胞中释放出病毒粒子。病毒的这个过程与一般微生物的繁殖方式不同，称增殖，又称为复制，整个过程称为复制周期。（教材P61）

无论是动、植物病毒或噬菌体，其增殖过程基本相同，大致分为吸附、侵入(及脱壳)、生物合成、装配与释放等连续步骤。（参阅教材P61－62）

4.5 一步生长曲线

一步生长曲线的研究不仅能了解噬菌体的潜伏期时间和裂解量，而且可了解理化因

素的变化对噬菌体感染细菌能力的影响。

一步生长曲线可分为潜伏期(latent period)、突破期(rise phase) 和平稳期 （Plateau phase）

4.6 溶源性（Lysogeny）

烈性噬菌体

溶源性与温和性噬菌体

现在请参阅教材P62-63

4.7 影响水中病毒存活的因素

请参阅教材64-65

4.8 水中病毒的去除

请参阅教材65

4.9 作业

教材P66 思考题：2，3，4，5

5. 微生物的营养

5.1 概念

什么是微生物的营养？ 什么是营养物质？

5.2 微生物的化学组成（P69）

5.1.1 微生物的元素组成 5.1.2 微生物的分子组成 5.1.3 指导意义

5.2.1 微生物的元素组成

19 种生命必需元素：C、H、O、N、P、S、Ca、Mg、Fe、K、Na、Cl、I、Mn、Co、Cu、Zn、Se、Ni；

大量元素： C、H、O、N、P、S 在细胞中的含量达到干重的97％，称为大量元素； 微量元素：为生命所必需，但含量很少的那些元素。

不同微生物体内的元素组成：细菌C5H7NO2，真菌C10H17NO6，藻类C5H8NO2，原生动物C7H14NO3。 5.2.2 微生物的分子组成 请参阅教材P69：

表5.3 细菌细胞化学组成含量 5.2.3 指导意义

培养微生物时，培养基须按照所培养微生物对各种营养元素的需求量进行配制；

在废水生物处理中，需满足废水中C、N、P 等营养元素的平衡：对于好氧生物处理，C（BOD5）:N:P=100:5:1，对于厌氧生物处理， C(CODCr):N:P=200～300:5:1 较为适宜。

5.3 微生物的营养物质

5.3.1 水分

除了少数微生物（如蓝细菌）能利用水中的氢作为还原CO2 的还原剂外，其他微生物都 不能利用水作为营养物质。尽管如此，水仍然是微生物生长所必需的一种重要物质。 结合水与游离水的概念

结合水和游离水是水在细胞中的两种存在形式。

结合水在生物细胞中通过氢键和蛋白质结合，构成了原生质的组成部分。

游离水即游离态的水分子，可以被微生物利用，同时构成细胞中各种生物化学反应的介

质。

结合水只占细胞水分的一小部分，细胞内的大部分水为游离水，不同生物的游离水含量差别也很大。

5.3.2 碳源（P67） （1）碳源的概念

（2）微生物碳源物质的种类

能作为微生物碳源物质的种类很多且分布广泛，既包括简单的无机碳化物，如CO2和碳酸盐等，也包括糖类、脂类、醇类、有机酸、烃类、芳香族化合物以及各种含氮的复杂有机物。 光能自养型的藻类和光合细菌，以CO2、碳酸盐等无机物质作为唯一或主要碳源，并利用光能合成细胞内的有机物；绝大多数细菌以及全部放线菌和真菌以有机物质作为碳源，属于异养微生物。

（3）不同微生物利用碳源的能力不同

不同的微生物利用碳源的能力也存在很大差异。 有些微生物能利用的碳源物质相当广泛，而有些微生物利用碳源物质的能力却十分有限，仅能利用少数几种碳源物质。

洋葱假单胞菌（pseudomonas cepacia）可以利用的碳源物质可达90 种以上； 产甲烷细菌的碳源仅为CO2 和极少数几种一碳和二碳有机化合物； 某些纤维素分解菌只能利用纤维素作为碳源。 5.3.3 氮源（P68）

能被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中氮素来源的营养物质通常称为氮源(Nitrogen source)。氮是细胞的一种主要组成元素，微生物的氮源物质主要用于合成细胞内各种氨基酸和碱基，进而合成蛋白质和核酸等细胞成分。

除了硝化细菌（nitrobacteria）等少数细菌能利用铵盐、硝酸盐作为机体生长的氮源与能源之外，氮源一般不作为能源物质。

自然界中的氮源物质有分子态氮、无机氮化物、简单的有机氮化物(氨基酸等)和复杂的含氮有机物（如蛋白质）。不同类型的微生物对氮源的要求也各不相同。

能够以分子态氮作为氮源的微生物是固氮微生物，它们利用分子态的氮合成自身需要的氨基酸和蛋白质。这类微生物有自生固氮菌、根瘤菌、巴氏固氮梭菌和固氮蓝细菌等。 无机氮源有氨、尿素、铵盐、硝酸盐等。如，大肠杆菌、产气杆菌（Aerobacter）、草杆菌（Bacillus subtilis）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）等都可以利用硫酸铵、硝酸铵作为氮源，放线菌可以利用硝酸钾作为氮源，霉菌可以利用硝酸钠作为氮源等。 还存在一类以氨基酸作为氮源的微生物，称为氨基酸异养微生物。这类微生物不能利用简单的无机含氮物质合成氨基酸，必须从外界吸收现成的氨基酸作为氮源。 例如，乳酸杆菌（Lactobacillus）、丙酸细菌（Propionibacteria）等都属于氨基酸异养微生物。

5.3.4 矿质营养（P68）

矿质元素是微生物生长必不可少的一类营养物质，其主要作用是构成细胞的组成成分、参与酶的组成、维持酶的活性、调节和维持细胞的渗透压平衡、控制细胞pH值和氧化还原电位等。

一般微生物生长所需要的无机盐有硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。

大量元素有P、S、K、Mg、Ca、Na 等，没有它们微生物就无法生长。

微量元素有Cu、Zn、Mn、Mo、Co 等，主要是一些酶的辅助因子。微量元素中有许多属于

重金属元素，当它们含量过高时，就会抑制酶的活性，对机体的正常代谢产生毒害作用。因此，微生物生长所需要的微量元素一定要控制在正常的浓度范围内。 5.3.5 生长因子（P68）

生长因子(Growth factor)是指某些微生物生长必须的，而自身不能从普通的碳源、氮源物质合成的，需要从生存环境中摄取才能满足机体生长需要的有机物质。 生长因子主要包括维生素、氨基酸与嘌呤和嘧啶碱基三种类型。

并不是所有的微生物都需要从外界吸收生长因子才能生长，多数真菌、放线菌和一些细菌（如大肠杆菌等）都不需要外界提供生长因子，属于生长因子自养型微生物。 营养缺陷型P69

乳酸杆菌、各种动物致病菌、某些原生动物和支原体等则需要多种生长因子，如一般的乳酸菌都需要多种维生素，很多微生物及其营养缺陷型都需要不同的碱基作为生长因子。

5.4 微生物的营养类型（P71）

碳源

自养型（无机营养型） 异养型（有机营养型）

能源

光能营养型

光能自养型（光能无机营养型） 光能异养型（光能有机营养型） 化能营养型

化能自养型（化能无机营养型） 化能异养型（化能有机营养型）

5.5 微生物的培养基

5.5.1 培养基的概念P73

5.5.2 配置培养基的基本原则P73 5.5.3 培养基的类型P74

5.6 物质的运输

请参阅教材P70-71 相关内容 请注意不同运输方式之间的异同

5.7 作业

（1）微生物的化学组成对其应用有何指导意义？

（2）物质运输的方式主要有哪几种？各有什么特点？

（3）根据碳源和能源的不同，微生物的营养类型可以划分为几种类型，其营养特点分别怎样？

（4）配置培养基应遵循哪些原则？常见培养基有哪些？各有什么用途？

6. 微生物的生长繁殖

6.1 概述P122

生长和繁殖统称为发育。

当微生物吸收营养物质后，合成新的细胞成分，使菌体的重量增加，菌体体积长大，这

种现象称为生长。

当细胞增长到一定程度时就开始分裂，这种菌体数量增多的现象称为繁殖。

生长是繁殖的基础，繁殖是生长的结果。生长和繁殖虽有区别，但关系十分密切。

6.2 微生物的分纯与培养

6.2.1 纯培养的概念P122 在实验室条件下，从一个细胞或一种细菌细胞群繁殖得到的后代称为纯培养物。相对应的称为不纯培养物。

6.2.2 细菌分纯方法P122-123 （1）稀释倒平皿法P122 （2）划线法P122

（3）单细胞挑取法P123

（4）利用选择培养基分离法P123

不同分纯方法的适用条件P123 表7.1

6.3 微生物生长量的测定P123

微生物群体在生长过程中，个体的细胞体积和重量变化不易被察觉，所以，常以细胞数量的增加或以细胞群体重量的增加作为生长繁殖的指标。 6.3.1 测定微生物的数量（P124）

（1）显微镜直接计数法：采用计数器，染色或直接观察 （2）平板计数法：培养后计数菌落 （3）薄膜过滤技术法：培养后计数菌落

（4）比浊法：采用比色计或分光光度计测吸光度（OD），测试前需作标准曲线。 6.3.2 测定微生物的重量（P124）

（1）即称重法，是测定生物量较为直接而可靠的方法，但只适用于菌体浓度较高的样品，而且要求样品中不含菌体以外的其他干物质。

（2）在活性污泥法中常采用干重法来测定活性污泥的重量，以近似代表活性污泥中微生物的量，这一指标称为活性污泥浓度(MLSS) 。

由于污水处理系统中成分比较复杂，测得的MLSS 中含有其它非生命的固体物质再所难免。为了能够比较准确地反应活性污泥中活性微生物的量，一般采用活性污泥中有机性固体物质的浓度MLVSS。

? 继多污带之后，污染程度仍很严重，水质状况与多污带近似，水质为灰色而浑浊。 α

-中污带中的溶解氧浓度比多污带略有提高，已开始出现氧化作用，但水平仍然极低，为半厌氧条件，仍有较多H2S 的生成。

微生物仍然以细菌为主，总量很高，但生物的种类并不丰富。在α-中污带中还出现了吞食细菌的轮虫类和纤毛虫类，另外，还有蓝藻和绿色鞭毛藻类，颤蚓仍大量滋生。 (3)β-中污带

特点是氧化作用比还原作用占优势，水的透明度大大增加，溶解氧浓度显著提高，有时还可达到饱和程度。有机物污染物基本上完成无机化过程，含氮化合物转化为铵盐、亚硝酸盐和硝酸盐，水中H2S 含量也极低。

生物学特征是种类上的多样化，其主要生物种类是蓝藻、绿藻、硅藻等各种藻类，还有轮虫、甲壳动物和昆虫，细菌数量显著减少；还出现螺类及一些较高等的，但耐污能力较强的水生生物，如泥鳅、鲫鱼、黄鳝、鲤鱼等野生杂鱼类。 （4）寡污带（oligosaprobic zone）

水质已接近清洁水体，溶解经常达到饱和状态，有机物浓度很低，水质清澈，pH 值为6～9，适合于生物的生存。

寡污带细菌数量大大减少，而生物种类极为丰富，且都是需氧性生物。一些水生昆虫幼虫，如蜉蝣幼虫、石蚕幼虫和蜻蜓幼虫等均出现在寡污带中（可作为寡污带的指示生物）。 此外，水中还有大量的浮游植物，如硅藻、甲藻、金藻等等，动物中还有苔藓虫、水螅、海绵类等，鱼的种类也很多。 总结（参考教材P309）

从多污带到寡污带，呈现污染物浓度逐渐降低，细菌数量由多变少，生物种类由少到多的变化规律。

在利用指示生物对水体污染程度进行监测和评价时，应结合多种因素综合分析。因为生物种类和数量的分布不仅受环境污染的影响，地理和气候条件，以及河流的底质、流速、水深等对生物的生存和分布也有重要影响。

由于河流污化系统只能定性地反应水体受污染的状况，对污染物的种类和数量不能精确地定量，因此，在实际工作中，应结合化学分析的结果才能准确全面地反映水体自 净的过程。

8.5 极端环境中的微生物

极端自然环境(Extreme Natural Environment)是指绝大多数生物均无法生存的环境，它由某些特有物理和化学条件组成，其中生活着与之相适应的特有微生物。

极端环境微生物包括嗜冷菌(Psychrophile)、嗜高温菌(Thermophile)、嗜盐菌 (Halophile)、嗜压菌(Barophile)、嗜酸菌(Acidophile)、嗜碱菌(Alkophiles)以及抗辐射、抗干燥、抗低营养浓度和高浓度重金属离子的微生物。

这些微生物具有一般微生物所没有的特殊生理和遗传功能。

因为这些微生物在冶金、采矿、燃料生产、发酵、石油开采、酶学工艺等方面有重要的用途，并且是研究生物适应异常环境的良好材料，所以研究极端自然环境中的微生物具有重要的理论和实际意义。

8.6 生态因子及其作用的基本规律

一、生态因子

从环境中分离出的各个要素即为环境因子，其中，对微生物生长发育具有直接或间接影响的环境要素，称为生态因子。（P149）

生态因子中各要素可分为非生物因子和生物因子两大类。前者包括温度、光、渗透压（水

的活度）、pH、氧化还原电位和营养物质等物理、化学因子；后者包括竞争、捕食、共生、互生、拮抗、寄生等。（P151）

目前国内外还有几种分类方法，如密度制约因子与非密度制约因子，周期因子与非周期因子等。

二、生态因子作用的基本规律 （1）限制因子定律（P149）

在特定条件下，对某种微生物来说并非所有的环境因子都有同样的重要性，其中某个或某几个因子可能达到或接近该微生物的耐受极限，这些环境因子即限制因子（limiting factor）。

由于限制因子决定着其他因子对生物的关系而居于主导地位，因此又称为主导因子。 对于某一微生物而言，那些耐性限度很窄而又容易变化的环境因子最容易成为其生长的限制因子。

限制因子或主要因子并不是绝对的，它随时间、空间和生物的不同生活期而变化 （2）最低量定律（P149）

德国化学家利比希（Liebing）在研究土壤营养对谷物产量的影响中发现，一块田地上谷物产量的增减与有机肥料中矿质营养转运给植物的多寡成正比。每种植物都需要一定种类的和一定数量的营养物质，如果环境中缺乏其中一种，植物就会死亡；倘若某一种营养物质供给的数量减少到最低限度，植物的生长和发育将是最低限度的，此即利比赫最小因子定律。 后来人们把这种思想称之为“最低量定律”，即在稳态条件下，生物所能利用的物质（生态因子）量达到最低限度，会对生物生长发育起限制作用，这种物质则成为限制因子。 （3）耐受性定律（P150）

由美国生态学家谢尔福德（Shelford）提出。主要内容：生态因子在最低量时可以成为限制因子，但如果因子过量，超过生物体的耐受程度时，也可成为限制因子。每种生物对某一环境因子都有一个生态上的适应范围，即有一个最低点和一个最高点，两者之间的幅度为耐受限度，即生态幅（ecological amplitude）。

各种生态因子对微生物的影响大多遵循这一规律。不同的生态因子对特定的微生物所具有的生态幅有宽有窄，因而常分为狭适性和广适性。如狭温性微生物所具有的温度生态幅较窄，而广温性微生物所能适应的温度范围较宽。此外还有狭盐性和广盐性、狭食性和广食性等。

（4）生态因子的不可替代性和代偿作用 （P151）

当一个特定因子处于极小量时，其他大量或过量的因子将起替代作用，这就是所谓的因子替代作用。例如，软体动物的壳需要钙元素，钙可能是限制因子，若环境中有较多的锶元素，则能够部分地替代钙。但这种替代作用并不常发生，大多数生态因子具有不可替代性。 另一种现象是在一定条件下，某因子在量上的不足可由相关的生态因子的增加或加强而得到补偿，即生态因子的可调剂性或补偿作用。例如，藻类生长中若增加CO2的浓度，则可补偿由于光照减弱所引起的光合强度降低的效应。 （5）生态因子的综合作用规律

环境中的各种生态因子不是孤立存在的，它们之间是彼此相互联系、相互促进、相互制约的，某个生态因子对生物的生态效应总是在其他各种生态因子的配合中才能发挥出来。所以，一个生态因子的效应可因与不同因子的配合而产生不同的生态效应，固定不变的最适因子范围是不存在的。一个生态因子的变化都可能改变其他因子的适宜程度或效能。上面提到的生态因子之间的代偿作用，就可以看作是生态因子综合作用的一种结果。

生态因子的综合作用还突出表现在增效和减效作用两个方面。两个或多个生态因子在一

起作用于生物的生态效果超过各单个因子作用之和时，称为生态因子间的增效作用；当两个或多个生态因子在一起作用于生物的生态效果不及单个因子作用之和时，称为生态因子间的减效作用。 综上所述

环境中的某一生态因子虽有其独立的、特定的作用，但并不是单独对生物发生作用的，环境 中的各因子总是综合地或作为一个系统作用于生物，生物生长发育是否良好，复杂环境因子组合的完善程度是决定性的因素。

8.7 微生物之间的生态关系

一、生存竞争（P173）

竞争（competition）关系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资源进行竞争，互相受到不利影响。种内微生物和种间微生物都存在竞争。如在好氧生物处理中，当溶解氧或营养成为限制因子时，菌胶团细菌和丝状细菌表现出明显的竞争关系。

（一）种内的生存竞争（P173）

种群数量相对于环境资源的过剩是导致种内竞争的根源。 种内竞争可以有分摊竞争和争夺竞争两种形式。 （1）分摊竞争(scramble competition) （P173）

主要内容：种群内的每一位成员均有相等的机会去接近和获取有限的资源。 以羊绿蝇摄食牛脑浆为例

（2）争夺竞争（contest competition） （P173）

主要内容： 竞争中的优胜者为了生存和繁殖的需要，必须尽可能多地控制必需资源，而劣 势者则将必需资源让给它的竞争优胜者。例如，在资源有限的情况下，在动物界，种群内的 强者总是占据更多的食物、活动场所等资源，而弱者所能得到的生活资源相对较少，在竞争 中处于劣势。

种内竞争的意义（P174）：

任何一个环境中所能容纳的生物密度存在着上限值，当超过环境可容纳量，即可资利用资源 相对有限时，则必然出现种群内竞争现象。因而，种群内竞争的产生是一种密度制约效应， 这一效应则避免了“繁殖过剩”，并保证了种群的生存和延续。 （二）种间的生存竞争

（1）生态位的概念（P176）

要想很好地理解和认识生物种群之间的复杂关系，必须首先对生态位(niche)这一概念有一个正确的理解。

生态位理论虽然已在种间关系、种的多样性、种群进化、群落结构、群落演替以及环境梯度分析中得到广泛应用。但许多学者对生态位的概念长期争论不休。因此，关于生态位的定义也是多样化的。

关于生态位定义归为三类，即生境生态位、功能生态位和超体积生态位 生境生态位(habitat niche) 由格林尼尔(Grinnell)提出，他认为生态位是物种的最小分布单元，其中的结构和条件能够 维持物种的生存。（P176）

功能生态位(role niche or functional niche)

由埃尔顿(Elton)提出的，他认为生态位应是有机体在生物群落中的功能作用和位置，突出 强调与其它种的营养关系。他指的生态位主要是营养生态位。（P176） 超体积生态位(hypervolume niche) 由哈奇森(Hutchinson)提出：生态位是一个允许物种生存的超体积，即是n 维资源中的超体 积。在生物群落中，某物种若无任何竞争者和捕食者存在时，它所占据的全部空间的最大值 称为该物种的基础生态位(fundamental niche)；实际上很少有一个物种能全部占据基础生 态位，当有竞争者时，必然使该物种只占据基础生态位的一部分，这一部分实际占有的生态 位称为实际生态位(realized niche)。参与竞争的物种越多，某物种占有的实际生态位就越 小。（P176）

（2）高斯原理与竞争排斥原理 （P178）

高斯(Gause)是第一个采用试验来研究种群竞争与生态位关系的学者。 高斯根据一个试验结果提出了高斯原理(Gause Principle) 。

在高斯理论的基础上， 人们又提出了竞争排斥原理(competition exclusion principle).

种群竞争与生态位关系试验。 高斯原理(Gause Principle)

生态习性上完全相同（或生态位完全重叠）的种群，不能长久共存于同一生境中，其结果必然是一个种群被另一个种群所取代。 竞争排斥原理

在一个稳定环境中，同一个生态位不能长时间被一个以上的安定种群同时占据和长期共存。也就是说，两个或两个以上的种群对于生态位需求极为相似时，就不能在同一生境中长久共存。因为，它们会对相同的环境资源进行竞争，而竞争的结果一般不会形成适应均等的局面，经常是一个种群具有较优越的适应性和较大的侵入性，直到全部占据生态位的容纳量为止。 （3）生态位分离（P178-179）

生态位分离（niche separation）是指在稳定的环境中，不同种群在同一生境长期共存时，必须有各自不同的（实际）生态位，从而避免种群间长期而又激烈的竞争，并有利于每 个种群在生境内进行有序的和有效的生存。 生态位分离的动力可能来源于种群自身，也可能来源于生境，或者来源于种群与生境之间的 协调作用。

派克(Lack)的研究实例

派克(Lack)为了证实高斯原理，研究了在同一水域摄食、同一峭壁上营巢的两种鸬鹚 (Phalacrocorx carbo 和P.aristotelis)。观察发现，一种主要以水上层自由游泳的鱼类沙

鳗为食，而另一种主要捕食底栖的比目鱼和底栖无脊椎动物。这说明它们的营养生态位是有 区别的，因之竞争压力减小。对其他一些生物的研究也发现了类似的现象。

可见，在同一环境中生活，但生态特征很相似的种类之间，它们可以通过取食位置、取食方 式等的区别以利用不同的资源，减弱它们之间的竞争。也就是说，两个亲缘较近的种群能够 在同一空间共存的原因，是由于生态位的分离。 （4）生态位宽度与生态位重叠 （P179-181）

生态位宽度（niche breadth）是用来描述不同种群占据空间范围和利用资源的能力。 可以简单理解为有机体利用环境资源的幅度。 生态位宽度往往涉及到资源利用的“多样性”。在生境中，即使在不存在种间竞争的理想

条件下，若有机体可利用的资源仅限制在有效资源系列的一小部分，则生态位宽度较窄；若能利用资源谱中的多个系列，则被认为有宽广的生态位。

所谓生态位重叠（niche overlap）是指两个或两个以上的种群对一定资源共同利用的程度，或是它们在生态位上的相似性。

尽管种群间生存竞争往往是由于生态位重叠造成的，但是重叠并不一定导致竞争。

竞争与生态位重叠之间的关系十分复杂，有时，广泛的重叠实际上可能有助于减缓竞争，这就是“生态位重叠假说”。

生态位重叠假说指出，在激烈竞争的生境中，最大允许重叠减少；在竞争不太激烈的生境中，生态位广泛的重叠，实际上也减缓了竞争；而在极端情况下，生境中可资利用资源过剩，生态位即使完全重叠，种间仍能共存。 二、原始合作（P171）

原始共生关系（或称互生关系）（protocooperation），是指两种可以单独生活的生物共存于同一环境中，相互提供营养及其他生活条件，双方互为有利，当两者分开时各自可单独生存。 天然水体、污水生物处理及土壤中的氨化细菌、亚硝化细菌和硝化细菌之间也存在互生关系氨化细菌分解含氮有机物产生的氨是亚硝化细菌的营养，亚硝化细菌将氨转化为亚硝酸，为硝化细菌提供营养。亚硝酸对各种生物都有害，但由于硝化细菌将亚硝酸转化为硝酸，即为其他微生物解了毒，同时为其他微生物和植物提供了可利用的无机氮源。 氧化塘中的细菌与藻类之间表现为原始合作关系

细菌为藻类提供碳、氮、磷和硫等；而藻类在利用光能合成有机物组成自身细胞的同时，释放氧气，可供好氧微生物用于分解有机物。（可参见教材P309-310） 三、共生关系（P171-172）

共生关系（mutualism）是两种微生物紧密地结合在一起，形成特殊的共生体，在生理上表现出一定的分工，各自执行优势的生理功能，在组织上和形态上产生新的结构。 例如地衣

它是藻类和真菌形成的共生体，藻类利用光能将CO2 和H2O 合成有机物供自身及真菌营养，真菌从基质吸收水分和无机盐供二者营养。 纤毛虫类、放射虫类可与藻类共生

原生动物中的纤毛虫类、放射虫类可与藻类共生。绿草履虫体内充满小球藻，袋状草履虫有趋光性使小球藻容易得到光能，小球藻进行光合作用合成有机物供草履虫营养，二者共生互为有利

四、偏害关系（P172）

一种微生物在代谢过程中产生一些代谢产物，其中有的产物对一种（或一类）微生物生长不利， 或者抑制或者杀死对方， 微生物与微生物之间的这种对抗关系就叫偏害（amensalism），也称拮抗关系（antagonism）。偏害关系可分非特异性偏害和特异性偏害两种。 非特异性偏害

非特异性偏害不具有选择性，一种微生物产生的代谢物对其他微生物都有抑制作用。例如，乳酸菌产生大量乳酸，导致环境pH 下降，以抑制其他腐败细菌生长；海洋中的红腰鞭毛虫，可以分泌某种代谢产物以抑制甚至毒死其他许多生物。 特异性偏害

特异性偏害具有专一性，某种微生物产生抗菌性物质，对另一种(或另一类)微生物有专一性的抑制或致死作用。例如，青霉菌产生青霉素对革兰氏阳性菌有致死作用，多粘芽孢杆菌产生多粘菌素杀死革兰氏阴性菌。能产生抗菌性物质的微生物很多，所以，偏害关系在微生物界是普遍存在的。 五、捕食关系（P172）

在一般情况下， MLVSS/MLSS 的比值比较固定，对于生活污水，约为0.75。这一参数可? SVI 值反映活性污泥的絮凝、沉淀性能，一般以介于70～100 之间为宜； SVI 值过低，说明泥粒细小，无机物含量高，缺乏活性；

SVI 值过高，说明污泥沉降性能不好，且已有产生膨胀现象的可能。 6.3.3 其它测定微生物量的方法

（1）测定含氮量：含氮量×6.25＝蛋白质量

（2）DNA 含量的测定：可排出生物以外因素的干扰

（3）ATP 含量的测定：可准确测定出具有生命活性的生物量

6.4 微生物的群体生长规律

要研究微生物的发育过程，一般须从研究微生物的群体生长方面着手。 微生物群体生长规律的研究，一般有细菌纯培养和混合培养两个方面

6.4.1 细菌纯培养的生长规律 （1）纯培养生长曲线的作出

（2）纯培养群体生长各时期的特点

6.4.2 细菌混合培养（活性污泥）的生长规律（P132） 为了描述活性污泥中微生物的生长，常采用类似于细菌纯培养的方式，通过间歇培养法获得描述其生长规律的生长曲线。活性污泥中的微生物种类繁多，不仅包括细菌，而且还含有原生动物和后生动物等微生物，因此，其生长曲线与细菌纯培养的生长曲线有本质区别，但曲线所表现出的规律性与纯培养的类似。 活性污泥增长曲线一般可以分为四个时期：迟缓期、对数生长期、减速生长期和内源呼吸期。以作为判断活性污泥活性的一个指标，在工程应用中，还常采用综合指标SVI 指导生产。 活性污泥增长各时期的特点

（1）迟缓期：微生物群体因环境的变化变现出的一个适应阶段。该阶段的主要特征是： 生物量没有明显的增长，甚至还会出现略有下降的现象。这是“适者生存”的结果。 （2）对数生长期：P133 （3）减速生长期：P133 （4）内源呼吸期：P134

6.4.3 微生物群体生长规律对生产实践的指导意义 （1）缩短迟缓期，加速反应系统的启动过程 缩短迟缓期的措施（提示）

尽量维持微生物生长环境的一致性； 对于废水生物处理系统的启动，接种污泥尽量选择水质和工况相同或相近的污水处理厂的剩余污泥；

接种量充足，可缩短迟缓期，加速反应系统的启动过程；

对于混合微生物反应系统，进行污泥接种时，种泥生物相的多样性是保证反应系统启动成功的重要因素。

（2）利用微生物群体生长各时期的特点指导废水生物处理的生产实践

6.5 微生物的连续培养

现在参见教材P128-130

研究微生物生长的一个重要手段——恒化器(Chemostat)

在恒化器内，微生物群体的密度由限制性营养成分的浓度所控制，生长速度受流速

控制，流速则可任意调节。所以我们可以利用恒化器提供低水平的营养，加入的限制性营养成分是低水平的，所以很快被细菌吸收同化掉，以致恒化器中的营养浓度实际上等于零。因而在要求保持低的生长率的一些试验中，恒化器特别有用。一些天然的微生物群体因处于低营养的自然条件下，常常生长很慢，故恒化器很适合于天然微生物生态系统的实验室模型的研究。

6.6 微生物的同步培养

阅读教材P130-132

6.7 作业

（1）测定微生物生物量的方法有哪些？ （2）细菌的分离方法有哪些？

（3）活性污泥的生长曲线是怎样获得的？它可分为哪几个时期？各时期有什么特点？试分析活性污泥生长曲线对废水生物处理的何指导意义。

7. 微生物的代谢

7.1 新陈代谢综述

原理

1)培养基中含有被试微生物生长必须的某种营养，其含量控制在限制其生长的范围内； 2)培养管中的菌群密度由限制性营养因子的浓度决定； 3)菌群生长速度受培养液流速控制； 4)培养液的流速可人为控制；

新陈代谢

同化作用:物质合成，能量转化与储存

异化作用:物质分解代谢，能量转化、释放与利用

同化作用为异化作用提供物质基础，异化作用为同化作用提供能量来源，两者因物质与 能量的联系而无法分离，构成一个辨证统一体。 所以，

新陈代谢

物质代谢:包括物质的吸收、转运、储藏、合成与分解、排泄等 能量代谢:能量的转化、储存、释放与利用等

请注意以下两个问题：

生物代谢过程中产生能量的三个去向（P78） 微生物产能的四种方式（P78）

7.2 酶与酶促反应

7.2.1 酶的概念及其特性 （1）酶的概念

酶是生物活细胞产生的，具有催化作用的一类物质，其本质是蛋白质，有生物催化剂之 称；酶所催化的发生反应的物质，称为酶的底物。 可参考教材P79 （2）酶的特性

具有蛋白质所具有的一切理化性质，同时也具有一般催化剂的降低反应活化能、缩短 反应达到平衡的时间等特性； 高效性 专一性 多样性

催化条件的温和性 7.2.2 酶的分类和命名

迄今为止，已经发现的酶已达2 000 多种，且催化的反应多种多样。习惯命名法比较混 乱，往往造成一酶多名或一名多酶。为了避免混乱，便于比较，必须严格地对酶加以分类和 命名。

（1）酶的分类

国际生物化学联合会酶学委员会于1972 年根据酶所催化反应的类型，将酶分为六大类。 （2）酶的命名

请同学们自学教材P81-82 的相关内容 7.2.3 酶的化学组成

依照化学组成，酶可分为单成分酶（又称单酶）和双成分酶（又称结合酶或全酶）两类

酶

单酶：由蛋白质组成，其本身即有催化活性；大多可以分泌到细胞外，作为胞外酶，催化水解作用

结合酶：由酶蛋白和辅因子组成，酶蛋白与酶的辅因子单独都不具有酶的催化活性，只有二者结合才具有催化活性，一般为胞内酶。

辅因子

组成分类：金属粒子,如铁、镁等;小分子有机化合物,如细胞色素、维生素等

辅酶:与酶蛋白结合较为疏松，用透析法可以去除 辅基:与酶蛋白结合较紧密，用透析法不易去除

功能:作为电子、原子或某些基团的载体参与反应并促进整个催化过

程的进行

重要的辅因子

现在请参阅教材P83-85 7.2.4 酶结构与功能的关系 （1）酶的必需基团

酶分子中虽然具有很多基团，但是并不是所有的基团都与酶的活性有关，其中有些基团 若经过化学修饰（如氧化、还原、酰化、烷基化等）使其改变，则酶的活性就会丧失，这些 与酶活性直接相关的基团被称为酶的必需基团。 （2）酶的活性部位（活性中心）

酶的活性中心是指酶分子中直接与底物结合，并和酶的催化作用直接相关的部位。

活性部位（活性中心）

结合基团:参与和底物结合的基团

催化基团:直接参与催化反应的基团

有的基团兼具结合与催化功能

（3）酶原的激活

某些酶在合成之初和分泌时，并无催化活性，这种没有催化活性的酶的前体被称为“酶原”。

酶原在一定条件下经适当物质的作用，可转化为具有催化活性的酶，这种酶原转变成具有催化活性酶的过程称为酶原的激活 （4）胞内酶、胞外酶和同工酶

生活细胞生成，并在细胞体内发挥作用的酶称为胞内酶，这些酶一般属双成分酶； 生活细胞生成，并分泌到细胞体外发挥催化作用的酶称为胞外酶，这些酶一般属单成酶； 具有不同的分子形式，却催化相同化学反应的酶称为同工酶。 7.2.5 酶作用的基本原理

（1）酶催化反应的热力学原理 （2）中间产物学说P85

中间产物学说认为，酶在催化某一反应时，首先是酶(E)与底物(S)结合成一个不稳定的 中间产物(ES)，也称中间络合物，然后ES 再分解成产物(P)，并释放出原来的酶(E)。

E+SESE+P

?????????（3）锁钥学说（教材P86）

关于酶是怎样与底物结合并催化反应进行的这一问题，人们提出了一些假说，其中最具代表性的是锁钥学说和诱导契合学说。

酶的锁钥学说认为，酶和其作用的底物结构是一定的，酶的活性中心结构与底物结构必须相互吻合，就像锁和钥匙那样结合成中间产物，进而促进底物转变为产物。

随着研究的不断深入，人们认识到酶在参加生化反应过程中，其结构可能会发生一定的变化，此学说逐渐被淘汰。

（4）酶的诱导契合学说P86

研究发现，酶的活性中心结构与底物原本并非恰巧吻合，当底物分子与酶分子相接触时，可诱导酶的活性中心结构发生构象改变，从而与底物结构相吻合，然后才结合成中间产物，进而引起底物发生相应的化学反应。此即所谓酶作用的诱导契合学说。 7.2.6 酶促反应动力学 （1）酶促反应速度的测定

（1-1）酶促反应速度的测定方法

酶活性的大小常用酶促反应速度的快慢来表示，酶促反应速度的测定一般有两种方式： ①在一定条件下测量单位时间内底物的消耗量，②在一定条件下测量单位时间内产物的生成 量。

（1-2）以“反应初速度”作为酶促反应速度的定量指标

酶的反应过程曲线

（2）酶浓度对酶促反应速度的影响

底物足量，在其它条件不变时，v∝ [E] （3）底物浓度对酶作用的影响

底物浓度与酶促反应速度之间的关系 （3-1）米-门氏方程 基于中间产物学说，Michaelis 和Menten 提出了米-门氏方程，用以描述底物浓度与酶促反应速度之间的关系。

米-门氏方程及其涵义(P87-88)!! （3-2） Km 的意义（P88）

Km 是反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。因为，当v=1/2Vm 时，Km=S。米氏常数 的单位为浓度单位。米氏常数是酶的特征性物理常数，它只与酶的性质和它所催化的底物种 类有关，而与酶浓度无关，所以，一种酶在一定条件下对某一底物只有一个特定的Km 值， 因而Km 值可作为鉴别酶的一种手段。 （3-3） Km 的测定（ P89 ）

测定酶促反应的Km 和Vm 的方法很多，常用的是双倒数作图法，即Lineweaver-Burk 做图法。 由米-门方程式变形得倒数形式： 1/S 与1/v 的关系曲线

由-1/ Km求得Km 由1/Vm求得Vm

（4）pH 值对酶作用的影响

酶能表现出活力的pH 值范围称为酶的pH 值阈限； 酶能发挥最大活力的pH 值称为酶的最适pH 值；

所以，在废水生物处理中对废水的pH 值要求保持在6～9 之间，否则，需要调节后才能进入生物处理设施。

（5）温度对酶作用的影响P89-90

酶作用的正常发挥，对温度也有一定的要求，同样存在“阈限”； 在一定条件下，酶所表现出最大活性的温度称为酶的最适温度；

在一定范围内，酶促反应速度随温度的升高而加快，一般而言，温度每提高10℃，反应速度可提高1～2 倍。

（6）激活剂对酶作用的影响P92

激活剂：凡是能够提高酶活性的物质均可称为酶的激活剂；

一些物质，比如象Ca2＋、Zn2＋、Cu2＋等金属离子，在低浓度时对酶促反应有促进作用，但在高浓度时会对酶促反应造成抑制，成为酶的抑制剂。 （7）抑制剂对酶作用的影响

凡使酶的必需基团或酶活性部位基团的化学性质改变而降低酶活力，甚至使酶完全丧失活性的物质称为酶的抑制剂。

抑制剂对酶促反应的抑制作用可分为不可逆性抑制作用和可逆性抑制作用。 （7-1）不可逆抑制作用(P90)

抑制剂与酶的结合是一种不可逆的反应，不能用透析等方法除去“结合体”中的抑制剂而使酶恢复活性，这种抑制作用称为不可逆性抑制作用。 （7-2）可逆性抑制作用(P91) 抑制剂与酶的结合是可逆的，结合后可用物理方法除去抑制剂而恢复酶活性。这种结合往往是非共价键的结合。可逆性抑制剂可分为竞争性抑制作用和非竞争性抑制作用两类。 竞争性抑制作用（P91）

有些抑制剂与酶竞争和底物结合，当抑制剂与酶结合后，就妨碍了底物与酶的结合，减少了酶的作用机会，因而降低了酶促反应速度。 非竞争性抑制作用（P91）

有些抑制剂和底物可同时结合同一酶的不同部位上，即抑制剂与酶结合后不妨碍酶再与底物结合，但所形成的“酶-底物-抑制剂”三元复合物不能发生反应，从而降低了酶的活性。 7.2.7 两个重要概念

固有酶：微生物在正常生活过程中产生并发挥催化作用的酶称为固有酶；

适应酶：微生物在正常生活过程中不产生，只有在特定环境条件（主要是营养条件） 才会产生并表现出催化活性的酶称为适应酶。 7.2.8 酶的应用

请自学教材P97-98 的相关内容 提示以下几点：

利用微生物进行环境污染治理时，如何发挥微生物的作用是最为关键的。要想使微生物能够发挥最佳作用，调动其酶的活性是基础。

酶对pH 值、酸碱度、氧化还原电位和促进剂及抑制剂的浓度都有一定的要求，应用中应尽量满足。

因为微生物适应酶的存在，可以通过微生物驯化的工程措施，达到处理特种工业有机废水（有毒、有害、高盐度及难降解等）的目的。

7.3 化能异养型微生物的产能代谢——发酵与呼吸

7.3.1 概述 （1）生物氧化

有机物质在生物体细胞内的氧化作用称为生物氧化，它是能量代谢与物质代谢的耦联。高等动物通过肺进行呼吸，吸入O2，呼出CO2，吸入的O2 用以氧化摄入体内的营养物质（能源）获得生命活动所必需的能量，所以生物氧化也称呼吸作用。

微生物以细胞直接进行呼吸，固其生物氧化作用又称细胞呼吸。 （2）能量代谢

生物体内伴随物质代谢过程发生的能量转化、利用、储存与释放等生物化学作用称为能量代谢。

（3）高能化合物

参与生化反应的化合物中，有些含有很高的自有能，在发生分解反应或基团转移反应时可产生大量能量（ATP），这类物质被称为高能化合物。

在生物有机体内存在着各种磷酸化合物，它们所含的自有能多少不等，其中自有能含量很高的磷酸化合物称为高能磷酸化合物。 高能化合物中的高能键以“～”表示。 (4)产能代谢类型及主要区别 7.3.2 糖酵解（EMP）途径

糖酵解途径是好氧微生物与厌氧微生物对糖类物质代谢的共同途径，是认识生物氧化的基础。

EMP 途径 见书 7.3.3 发酵 （1）综述

（1-1）辅酶Ⅰ氧化型与还原型的平衡 （1-2）不同发酵类型的形成机制

不同的微生物可以在进一步转化丙酮酸的过程中，消耗EMP 途径生成的NADH+H+，使NAD+得以再生，从而维持体内二者的动态平衡。 如此，就形成了以不同最终产物为标志的不同的发酵类型：乙醇发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、丁二醇发酵、乳酸发酵、混合酸发酵等。

辅酶Ⅰ的氧化还原与细菌发酵 有一部分 见书或课件 （2）微生物发酵类型

根据微生物对碳水化合物进行发酵作用所产生的末端产物的不同，可将微生物的发 酵类型分为丙酸发酵、乳酸发酵、乙醇发酵和混合酸发酵等。 其中，微生物发酵作用末端产物的特性是受其遗传性决定的。 （2-1）碳水化合物发酵的主要类型

（2-2）区别大肠杆菌和产气气杆菌的特征试验（P195 “水的卫生细菌学” ）

大肠埃希氏杆菌与产气气杆菌都属混合酸发酵的肠道细菌，在进行水的卫生细菌学检测时，有时需要对它们加以区别。V.P 试验和甲基红试验是卫生防疫常用的鉴定方法。

V.P 试验原理

3-羟基丁酮在碱性条件下易被氧化为乙二酰。乙二酰可与蛋白胨水解出的精氨酸所含的胍基作用，生成红色化合物，这就是V.P.试验。

产气肠杆菌在进行发酵时，中间产物丙酮酸的一部分通过缩合生成乙酰乳酸，再脱羧为3-羟基丁酮，然后再还原生成终产物丁二醇。所以产气杆菌V.P.试验为阳性。 大肠杆菌由于不产3-羟基丁酮，V.P.试验阴性。 甲基红试验原理

产气气杆菌进行混合酸发酵产生中性的丁二醇，而大肠埃希氏杆菌的混合酸发酵可使培养液的pH 值下降至4.2 或更低。在两者的培养液中加入甲基红，则大肠埃希氏杆菌的培养液呈红色，为甲基红反应阳性；产气气杆菌的培养液呈橙黄色，为甲基红反应阴性。 （3）有机废水生物处理中常见产酸发酵类型

有机废水采用厌氧生物处理工艺时，常见的产酸发酵类型有三个：丙酸型发酵、丁酸型发酵和乙醇型发酵，它们都是厌氧生物处理系统中混合微生物群体共同活动的结果。请注意与细菌纯培养发酵类型的比较.

由于系统中的微生物是由多种微生物组成的混合菌群，其代谢产物的多元化是不可避免的。在反应器启动初期，微生物的多样性往往使系统发生混合酸发酵，即便是在反应系统达到运行的稳定阶段（形成三种发酵类型中的一种）后，其末端发酵产物中除主要的目标产物外，仍然有少量其它发酵产物的生成。 （3-1）常见发酵类型的比较与分析

（3-2）乙醇发酵与乙醇型发酵的区别（见课件表格） （4）底物水平磷酸化（P95）

是在被氧化底物上发生的磷酸化作用，即底物被氧化过程中，形成了某些高能磷酸化合 物，通过酶的作用可使ADP 生成ATP。 x～? + ADP → ATP + x 7.3.4 呼吸

（1）概念：有机物的生物氧化过程中，以分子氧或无机盐中的氧原子作为最终电子受体的产能代谢方式，称为呼吸。

根据最终电子受体的不同，可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种类型。

有氧呼吸与无氧呼吸的比较

有氧呼吸

完全氧化：在氧气充足的条件下，将基质彻底氧化分解为H2O和

CO2，同时产生大量能量（O2为最终电子受体）

不完全氧化：在无氧或缺氧条件下，以无机盐中的氧原子作为最终

氢受体，对基质进行不彻底的氧化分解，主要产物为小分子有机物，以及H2O和CO2等，同时产生少量能量

无氧呼吸

在氧气不足的条件下，对有机物进行不彻底的氧化分解（ O2为最终电子受体），末端产物除H2O和CO2外，还有小分子有机物，产生的能量要比完全氧化少

（2）有氧呼吸

（2-1）有氧呼吸的主要部位

真核微生物的有氧呼吸主要发生在线粒体中； 原核微生物则发生在细胞膜（内侧）上 （2-2）主要代谢过程 参见教材P100

（2-3）电子传递体系与电子传递体系磷酸化

电子传递体系：在有氧呼吸中，被氧化有机物脱下的质子和电子并不直接传递给氧，而是在多种酶及辅因子的作用下，依次传递，最终传递给氧原子，生成水，能量是在这一电子传递过程中产生的。电子传递体系又称呼吸链，辅酶NADH 和FADH2 为电子传递体，参与电子传递的各种辅因子称为电子中间传递体，O2 最终电子受体。

呼吸链的分类：根据电子传递体系中的第一电子受体（或受氢体），可将呼吸链分为NADH和FADH2 呼吸链。 NADH 和FADH2 呼吸链

C. 电子传递体系磷酸化

当电子从NADH 和FADH2 经电子传递体系（呼吸链）传递给氧形成水的同时，伴有ADP 的磷酸化生成ATP，这一生物氧化过程称为电子传递体系磷酸化。

电子（或氢）经NADH 呼吸链可产生3mol 的ATP，经FADH2 呼吸链可产生2mol 的ATP。 （2-4）三羧酸循环及其意义

三羧酸循环(TAC) （见书 循环图示） B. 1molG 经有氧呼吸完全氧化产生ATP 分析 C. 三羧酸循环的意义

是生物有机体获得能量的最有效的方式；

是糖类、脂类和蛋白质三大类物质转化的枢纽；

TAC 所产生的各种重要的中间产物，为其它化合物的合成提供了原料。

发酵工业上利用微生物的三羧酸循环代谢途径，生产有关的有机酸，如柠檬酸、谷 氨酸等。

参考教材P109 的相关内容

（2-5）内源呼吸和外源呼吸(P102)

在正常情况下，微生物主要利用外界供给的能源进行呼吸，叫外源性呼吸；同时， 细胞内有机质也在不断更新，利用内部贮存的能源所进行的呼吸作用称为内源性呼 吸，常称做内源呼吸。

当外界缺乏或无能源供给时，微生物仅能利用自身内部贮存的能源(如多糖、脂类、聚β-羟丁酸等)进行呼吸，以提供细胞合成或维持有限的生命活动所需的能量，此时内源呼吸作为惟一的产能过程。 （3）无氧呼吸

能够作为无氧呼吸最终电子受体的无机物主要有NO3-、SO42-和CO32-，这些无机盐在接受电子后被还原，分别称为硝酸盐还原、硫酸盐还原和碳酸盐还原。 （3-1）硝酸盐还原 （反硝化作用）（P104）

在缺氧条件下，有些细菌能以有机物为供氢体，以硝酸盐NO3-作为最终电子受体进行生物代谢，这类细菌称硝酸盐还原菌（反硝化细菌）；NO3-在反硝化细菌作用下，被还原为N2 或氮氧化物的过程，称为反硝化作用，在此过程中有少量ATP 生成。 化害为利

硝酸盐在自然界中，又被还原为NO2-的潜在可能，而NO2-对生物体是极其有害的，是一种严重的环境污染物，因此，国家对排放废水中总氮的含量有严格限制。

利用反硝化细菌的反硝化作用，可以对废水进行脱氮处理，降低排放废水中总氮含量。 （3-2）硫酸盐还原

（反硫化作用） （P105）

硫酸盐还原菌：在生物氧化过程中，能以SO42-作为最终电子受体的细菌称为硫酸盐还原菌； 反硫化作用：无氧条件下， SO42-在硫酸盐还原菌的作用下还原为H2S 的过程

（3-3）碳酸盐还原

（异型甲烷生成作用） （P106）

有些产甲烷细菌能以H2 作为电子供体，以CO32-作为最终电子受体合成甲烷，这一生物过程称为碳酸盐的还原作用，也称为异型产甲烷作用。这是产甲烷菌产生甲烷的机制之一。 产甲烷菌的产甲烷作用（P107） 4H2 + HCO3 -+ H+ → CH4 + 3H2O 4HCOO-+ 4H+ → CH4 + CO2 + 2H2O 4CH3OH →3CH4 + CO2 + 2H2O CH3COO- + H+ → CH4 + CO2

7.3.5 兼性微生物的生物氧化 （1）兼性微生物的概念P108

兼性厌氧微生物 兼性好氧微生物 以有氧呼吸为主（在以无氧呼吸或发酵好氧环境中代谢活为主（在厌氧环境中跃），在厌氧环境中代谢活跃），在有氧也能生存 环境中也能生存

（2）兼性微生物的特点

在有氧条件下进行好氧呼吸，在厌氧条件下进行无氧呼吸或发酵。 （3）有机废水好氧生物处理系统中，兼性微生物占主导地位

有人统计，在活性污泥中有70%左右，甚至90％以上微生物为兼性微生物。因而，对于好 氧活性污泥法，即使处理构筑物短时甚至长时间呈现缺氧状态，亦不致造成大量微生物死亡。 （P108）

（4）巴斯德效应 现在请参见教材P108

7.4 化能自养型微生物的产能代谢

本节内容请同学们自学（教材P108-110）

7.5 微生物对有机物的分解作用

7.5.1 多糖类物质的分解

7.5.2 脂类物质的分解

β-氧化简介

脂酰辅酶A的降解，每一轮是放出一个乙酰辅酶A 并产生比原来少两个碳原子的脂肪酰辅酶A 7.5.3 含氮有机物的分解与氮素转化

（1）水解作用

在水解酶的作用下： 蛋白质→胨→肽→氨基酸 （2）氨化作用

有机物中的氮转化为氨态氮的过程称为氨化作用。一般是含氮有机物中的氨基－NH2 脱离， 转化为NH3，所以又称脱氨作用。（P115） （3）硝化作用（P116）

氨态氮在微生物作用下氧化为硝态氮的过程称为硝化作用； 参与硝化作用的微生物称为硝化细菌；

硝化细菌具有高度专一性，分为亚硝酸菌和硝酸菌，均为专性好氧微生物，硝化作用有它们共同完成；

（4）反硝化作用（P116）

厌氧条件下， NO3-在硝酸盐还原菌作用下转化为NO2-，并进一步被还原为N2 或N2O 的过程，称为反硝化作用。

（5）对废水生物处理的指导意义

A: 在废水好氧生物处理中，只有当废水中有机底物减少到一定浓度时才进行硝化作用，因 为废水中的硝化细菌大多为兼性化能异养型，当废水中有机营养较多时，这类细菌为获得较 多的能量，常采取有机营养型(化能异养型)，只有在有机营养不足时，才行化能自养功能。 （ P110 ）

B: 反硝化作用对二次沉淀池的影响（ P117 ） C: 有机废水的生物脱氮（参考教材P117）

7.5.4 有机硫化物的分解与硫素转化 基本内容

（1）脱硫作用：有机硫（-SH、-S-S-、-S-等）转化为无机硫（H2S）的过程； （2）硫化作用： H2S 被氧化为S，并进一步氧化为SO4 2-的过程；

（3）反硫化作用：厌氧条件下， SO4

2-被还原为S、H2S 的过程；参与反硫化作用的细菌称 为硫酸盐还原菌。

7.6 代谢调节

微生物在生长代谢过程中，会受到许多因素的影响，为了维持代谢的正常进行，微生物有其完善的调节机制。可以说，微生物的代谢过程始终处在严格的调控之下，而这种调控基本是通过酶的调节实现的。

酶的调节

7.6.1 酶合成调节

（1）酶合成的诱导（P118）

（1-2）诱导酶：微生物体内原本不具有的，在一定刺激条件下产生的酶称为诱导酶（适应 酶）。

（1-3）对实践的指导意义 （2）酶合成的阻遏 （2-1）分解物阻遏 （2-2）末端产物阻遏 （2-1）分解物阻遏

大肠杆菌的葡萄糖效应P120 大肠杆菌的二次生长曲线

? 大肠杆菌二次生长的原因

利用G 的酶为固有酶，而利用乳糖的酶为诱导酶，在G 存在时，利用乳糖的酶不能产生。 葡萄糖效应的机制——分解物阻遏作用

大肠杆菌在分解利用葡萄糖过程中所产生的代谢产物，阻遏了利用乳糖的酶的合成中的转录过程，因而细菌不能产生利用乳糖的酶。把一种底物分解的产物，抑制另一种底物酶合成的现象，称为分解物的阻遏作用。 （2-2）末端产物阻遏

底物在酶作用下转化分解，其末端产物与合成该酶的基因结合，使相关酶的合成受到抑制，这种阻遏作用称为末端产物阻遏。（注意与分解物阻遏的区别）

当末端产物浓度下降到一定程度，末端产物的阻遏作用得以消除或缓解，相关酶的合成会重新启动。

7.6.2 酶活性调节——反馈抑制作用 在生物代谢过程中，一种产物的生成可能要经历若干中间反应步骤，每一反应步骤都有特定酶的催化，酶的反馈抑制作用是指末端产物与引起这一系列反应的第一个酶结合，使其构象发生改变而暂时失去了催化活性，当末端产物消除或减少到一定程度时，其活性重新恢复的现象。 酶的反馈抑制作用模式

7.7 总结与思考

（1）什么是酶？与一般催化剂相比他又什么特性？ （2）对微生物的发酵与呼吸进行总结与比较

（3）有机废水的厌氧生物处理中，常见的产酸发酵类型有几种？各有什么特征？ （4）什么是三羧酸循环？其重要生物学意义体现在哪几方面？ （5）什么是底物水平磷酸化和电子传递体系磷酸化？ （6）什么是呼吸链？它有几种类型？ （7）什么是内源呼吸？什么是外源呼吸？

（8）结合氨化作用、硝化作用和反硝化作用的概念，说明有机废水脱氮原理。 （9）酶合成的阻遏有哪两种形式？其机制分别是什么？

（10）什么是大肠杆菌的葡萄糖效应？什么是酶的反馈抑制作用？

7.8 作业

以上思考题中挑选5 道题

8 微生物生态学基础

8.1 生态系统与生态平衡

一、生态系统的概念与功能 （一）生态系统的概念

生态系统（ecosystem）就是指一定空间内生存的所有生物和环境相互作用的，具有能量转换、物质循环代谢和信息传递功能的统一体。（参考教材P184）

生态系统主要是个功能单位而不是生物学的分类单位，因为它所强调的是系统中各成分之间，包括生物与生物、生物与环境以及环境各因素之间在功能上的统一性。

生态系统是有边界、有范围、有层次的。一个生态系统可以是含有微生物的一滴水，也可以是整个生物圈(biosphere)。不同大小的生态系统只是研究的空间范围及其复杂程度不同，小的生态系统联合成大的生态系统，简单的生态系统组合成复杂的生态系统，而生物圈是地球上最大、最复杂的生态系统，从地球表面向上23 公里的高空，向下11 公里的海洋深处（太平洋最深的海槽），都属于生物圈的范围。 （二）生态系统的组成结构 （1）生态系统的组成成分 （2）生态系统的结构 （参考教材P184-185）

生态系统的结构包括物种结构、营养结构和空间结构。

主要是从营养功能上划分。简单地讲，食物网及其相互关系就是生态系统的营养结构。 生态系统的组成成分及其相互关系 （三）生态系统的基本特征

任何“系统”都是具有一定结构，各组分之间发生一定联系并执行一定功能的有序 整体，所以生态系统与物理学上的系统具有基本的相似性。但生物成分的存在决定 了生态系统具有不同于机械系统的许多特征。 (1) 动态特征

生态系统具有有机体的一系列生物学特性，如发育、代谢、繁殖、生长与衰老等。这就意味着生态系统具有内在的动态变化能力，任何一个生态系统总是处于不断发展、进化和演

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