水处理生物学 注册公共设备工程师 给水排水专业复习资料.docx

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水处理生物学注册公共设备工程师给水排水专业复习资料

引言

一、水处理微生物学的研究对象

微生物（microorganism）：

是个体很小的生物，其大小用um（微米）度量，肉眼看不见，只有在显微镜下放大以后，才能看到的低等生物。

微生物学：

研究微生物的形态、分类和生理等特性；研究它们的生存环境条件；研究它们在自然界物质转化中所起的作用；研究控制它们生命活动的方法。

水处理微生物学：

研究水微生物的形态、生理特性和控制方法；研究水微生物在水处理中的作用机理和规律；研究水微生物的检验方法；判定水体污染和自净能力以及水处理效果的好坏。

二、水中常见微生物的类型及特点

1、微生物的名称和分类

（1）界―门―纲―目―科―属―种

微生物的名用二个拉丁语拼写，第一个是属名，词首字母大写,第二个是种名,如：

Escherichiacoli大肠杆菌

属名相当于我们的姓，种名相当于名。

（2）生物系统分类

见图（1-1）

2、微生物的动植物属性

细菌类不能进行光合作用，不能运动，但属于植物。

植物和动物的本质区别见（表1）：

图（1-1）新生动物

动物界中生动物

生物界原生动物

种子植物

植物界羊齿植物分裂菌类细菌类

苔藓植物菌类叶状植物地衣类真菌类

藻类

表1:

植物（细菌类）和动物（原生动物）的不同点

植物

动物

能量来源

光合作用

有机物

叶绿素

有

无

主要储存物

淀粉

糖原

固态食物

不可

可

运动性

没有

有

细胞壁

有

无

细胞分裂方式

沿横轴分裂为2

沿纵轴分裂为2

3、类型

非细胞形态的微生物—病毒细菌

水中微生物原核生物放线菌

细胞形态的微生物蓝藻

藻类酵母菌

真核生物真菌霉菌

肉足类

原生动物鞭毛类

纤毛类

后生动物轮虫

线虫

（1）病毒：

使用光学显微镜看不见，（病毒个体小于0.2um）必须使用超显微镜或电子显微镜。

（2）原核生物：

具用原核细胞的生物，其内部结构简单，细胞的核发育不完全，只是一个核物质高度集中的核区（拟核、似核），不具核膜，核物质裸露，与细胞质没有明显的界限，没有分化的特异的细胞器，只有膜体系的不规则泡沫结构，不进行有丝分裂。

（3）真核生物：

具有真核细胞的生物，其内部结构比较复杂，有发育完好的细胞核，有核膜使细胞核和细胞质有明显界限，有高度分化的特异细胞器，进行有丝分裂。

4、微生物的五大特点

（1）个体小，面积大；

（2）吸收快，转化快；

（3）生长旺，繁殖快；几十分钟内可繁殖一代，按一个分裂为两个；

（4）适应强，易变异；适应外界环境能力强；

（5）分布广，种类多；微生物无处不在；

三、微生物在给水排水工程中的作用

1、给水工程中去除病原微生物，满足供水水质要求；

2、污水处理中的生物处理法利用微生物降解有机物，减少对水体的耗氧污染.由于生物处理法经济有效,迄今为止,仍是有机污水处理的主力军；

3、水处理的微生物检查是生物处理功能判断的重要指标；

4、微生物在水体自净中的作用；

5、土壤的自净作用；

第一章细菌的形态和结构

1.2.1细菌的外形和大小

一、细菌：

是微小的，单细胞的没有真正细胞核的原核生物。

二、细菌的外形（个体形态）

有三种：

球菌，杆菌，螺旋菌。

1球菌2杆菌3螺旋菌

单球菌

双球菌

1、球菌链球菌

四联球菌

八叠球菌

葡萄球菌

产甲烷球菌

球菌直径0.5—2um

大肠杆菌

2、杆菌伤寒杆菌

产甲烷杆菌

尺寸大小：

长1—5um宽0.5—1um

3、螺旋菌（只有一个弯曲的螺旋菌称弧菌）

尺寸大小：

长5—15um宽0.5—5um

1.2.2细菌细胞的结构

基本结构

细菌的结构

特殊结构：

一部分细菌所特有

一、基本结构

细胞壁

细菌的基本结构细胞膜

原生质体细胞质

核质

内含物

1、细胞壁

细胞壁在菌外的最外层，又称外膜，膜薄无色而透明，具有高度的坚韧和强性，起保护细胞及维护细胞外形的功能。

细胞壁是鞭毛的支点，实现鞭毛运动。

细胞壁上有很多微小的小孔，直径为1nm溶解性物质能够通过。

细胞壁厚度为10—20nm，约占菌体干重的10—25％。

1884年丹麦病毒学家Gram提出染色法（革兰氏染色法）的操作过程：

结晶紫初染—碘液媒染—酒精脱色—番红或沙黄复染—结果：

G+：

初染结晶紫的蓝紫色（颜色不变）

G-：

初染色消退，带上了复染色

原因是G+和G-细菌具有绝然不同的细胞壁结构

革兰氏阳性与阴性菌细胞壁比较

2、细胞膜

（1）细胞膜是一层紧贴着细胞壁内侧，柔软而富有弹性的半滲透性薄膜，厚约7—8nm，占细胞干重的10％

（2）成分：

蛋白质60—70％脂类20—30％糖类2％

（3）功能

a控制细胞内外物质（营养物质和代谢产物）的运送和交换；

b维护细胞内正常滲透压；

c合成细胞壁组合和夹膜的场所；

d进行氧化磷酸化或光合磷酸化的产能基地；

e许多代谢酶和运输酶以及电子呼吸链组分的所在地；

f鞭毛的着生和生长点

3、细胞质

（1）特点：

细胞质是细胞膜以内，核质以外的物质，是一种无色透明而粘稠的胶体。

（2）成分：

水、蛋白质、核酸和脂类

（3）功能：

细胞质内具有各种酶系统，能不断的进行新陈代谢活动

4、核质

（1）特点：

一般细菌具有分散而不固定形态的核质，核的结构和形态都比较原始。

（2）成分：

DNA（脱氧核糖核酸）

（3）功能:

DNA是细菌遗传物质

5、内含物

（1）特点：

内含物是细菌新陈代谢的产物，或使储备的营养物质

（2）成分：

A异染颗粒：

化学成分为多聚偏磷酸盐，使磷源和能源的储藏物。

因用篮色染料染色后不呈蓝色而成紫色故称异染颗粒。

生物除磷中好氧条件下，利用有机物分解产生大量能量，可“过度摄取”溶液中的磷酸盐并转化为多聚偏磷酸盐，以异染颗粒的方式储存于细胞内。

B聚β羟基丁酸盐（PHB）：

是细菌的碳源和能源储藏物，是有机物在厌氧代谢过程中形成的代谢产物。

C肝糖和淀粉颗粒：

是碳源和能源的储藏物。

D硫粒：

是元素硫的储藏物。

二、特殊结构

1、荚膜

（1）定义：

细菌在一定的营养条件下，能够向细胞壁的表面上分泌出一层粘液样的物质而形成较厚的一层膜称为荚膜

（2）成分：

多糖类物质，水占90％

（3）功能：

有保护作用，当营养缺乏时，细菌可以利用荚膜多糖作为它的碳源和能源物质，保护细菌免受干燥危害。

（4）菌胶团：

当荚膜物质相融合称为一团，内含许多细菌时，称为菌胶团。

（5）菌胶团的形态

分支状、蚕丝状、球形状、椭圆形、蘑菇形、片状

几种不同形态的菌胶团

（6）菌胶团在废水生物处理中的作用

A菌胶团是活性污泥中细菌的主要存在形式,在较强的吸附和氧化有机物的能力。

B良好的废水处理效果,要求菌胶团结构紧密,吸附沉淀性能良好。

2、芽孢（内生孢子或耐久体）

（1）定义:

在部分杆菌和极少球菌中,当生长到一定时,增殖速度降低,菌体细胞内细胞质出现浓缩聚集现象,并逐步形成圆形或椭圆形折光很强的特殊结构,称为芽孢（也称内生孢子或耐久体）.一般细菌只形成一个芽孢。

芽孢结构图

（2）特点：

a.芽孢是抵抗恶劣环境的一个休眠体；

b.壁厚；

c.水分少，一般在40%左右；

d.不易透水；

e.含有特殊的抗热性物质和耐热性酶，对高温、低温、干燥和化学药剂有很高的耐受力和抵抗力，生存能力强；

（3）形成条件和过程

细菌在一定的环境条件下或处在一定的生活阶段，如果环境条件改变，如营养物质缺乏、温度发生变化、进入有毒物质等，就会形成芽孢。

芽孢形成的时间较短，一般只要24小时或多一点时间。

形成过程：

脱水浓缩――芽孢膜形成――芽孢游离释放

（4）芽孢发芽

在适宜的条件下，芽孢吸收大量水分，体积膨胀，失去光泽，折光率减弱，芽孢内酶系统开始活动

3、鞭毛

（1）定义：

有一些细菌从菌体内生长出细长、波浪形弯曲的丝状物，是细菌的运动器官，称之为鞭毛。

（2）结构大小

鞭毛非常细，一般为10—20nm，使用电子显微镜才能观察到。

鞭毛由基体、鞭毛钩、鞭毛丝组成

鞭毛

革兰氏阴性细菌鞭毛图

（3）成分

蛋白质99%、碳水化合物和类脂组成。

（4）特点

球菌都无鞭毛；大部分杆菌和所有的螺旋菌具有鞭毛。

§1.3、细菌的生长繁殖和命名

一、细菌的生长繁殖和菌落特征

1、细菌是活的生命有机体

2、细菌的繁殖是二分裂法，即一分为二

3、菌落特征

由于细菌很小，单个细菌的生长和繁殖肉眼无法观察到，所以要采用群体生长的菌落，即将细菌接种到固体培养基上，经迅速繁殖形成许多菌体聚集在一起的并且肉眼可见的细菌集合体，称之为菌落

典型的细菌菌落一般是1—3mm，圆形或椭圆形、湿润、较光滑、较透明、质地均匀、正反面颜色一致.

正面观：

1扁平2隆起3低凸起4高凸起5脐状6草帽状7乳头状

表面结构形态及边缘：

8圆形边缘完整9不规则边缘波浪10不规则颗粒状11规则放射状边缘呈叶状12规则边缘呈扇状13规则边缘呈齿状14规则有同心圆边缘完整15不规则似毛毯状16规则呈菌丝状17不规则卷发状边缘波形18不规则呈丝状19不规则根状

4、细菌的生长条件

（1）温度：

低温、中温、高温

（2）ph值：

6—8

二、细菌的命名

采用双命名法，即属名+种名

属名

种名

拉丁文，词首字母大写

Escherichia

（主要特性）

拉丁文，词首字母不大写

coli

（次要特征）

第二章、细菌的生理特性及功能

§2.1细菌的营养

营养：

生物体从外部环境摄取其生命活动所必须的能量和物质，以满足其自身生长繁殖需要的一种生理功能。

营养是代谢的基础，代谢是生命活动的表现。

一、细菌细胞的化学组分及生理功能

1、化学组成：

C、H、O、N、P、S六大元素和各种矿物元素;细菌的化学式为：

C5H7O2N

80%水（芽孢40%水）碳水化合物

细胞湿重90%有机物蛋白质

20%干物质脂肪

DNA

RAN

10%无机物（灰分）

2、各组分的生理功能

（1）水分

水是细菌的最主要的组成成分，细菌的各项生理活动，必须有水的参于才能进行。

水的存在状态：

自由水（游离水）和结合水

自由水/结合水=4/1

水的生理功能有四点：

a、溶剂作用，物质先溶解于水，才能参与生化反应

b、参与生化反应

c、运输物质的载体

d、维持和调节一定的温度

（2）、无机盐

是指细菌内存在的一些金属离子盐类

大量金属元素：

P.S.K.Mg.Na.Fe

无机盐

微量金属元素：

Zn.Ni.Co.Mo.Mn

无机盐的生理功能有五点：

a.构成细胞的组成成分，如H3PO4是DNA、RNA主要成分

b.酶的组成成分

c.酶的激活剂，如Mg2＋、K＋、Fe3＋

d.维持适宜的滲透压，如Na＋、K＋、CL－

e.自养性细菌的能源，如S、Fe

（3）碳源糖类

有机碳源蛋白质

碳源脂肪

有机酸

无机碳源：

CO2、CO32－、HCO3－

提供细胞骨架

碳源作用碳素的来源

生命活动的能源

（4）氮源

蛋白质

有机碳源蛋白栋

氮氨基酸

无机碳源：

NH4CLNH4NO3

氮源作用：

是细菌细胞质的基本元素

（5）脂类

脂肪

脂类磷脂

腊

细菌细胞的脂类主要集中在细胞壁与细胞膜，与细胞的渗透压有密切关系

（6）核酸

RNA（核糖核酸）：

存在于细胞质内

核酸

DNA（脱氧核糖核酸）：

存在于细胞核内

（7）生长因子

某些细菌在生长过程中不能自身合成的，同时又是生长所必须的由外界提供的营养物质，叫生长因子。

生长因子:

氨基酸维生素嘌呤、嘧啶

注意点：

细菌总是先利用现成的容易被吸收、利用的有机物质。

如果这种现成的有机物质的量已满足它的要求，细菌就不利用其他的物质了。

在工业废水生物处理中，常加生活污水以补充工业废水中某些营养物质的不足。

但如果工业废水中的各种成分已基本满足细菌的营养要求，再投加生活污水反而会把细菌养娇。

因为生活污水中有机物比工业废水中的容易被细菌吸收利用，因而影响工业废水的处理净化程度。

二、细菌的营养类型

1、自养型细菌：

能完全在无机物的环境中生长繁殖，以CO2和CO32－作为碳源；NH4＋或NO3—作为氮源，来合成菌体成分。

它们生命活动所需能量则来自于外来的无机物或阳光。

（1）光能自养型细菌

细菌内含有光合色素，能进行光合作用，合成有机物质。

绿色细菌：

光能菌绿素

CO2+2H2S------[CH2O]+H2O+S2

高等绿色植物：

光能叶绿素

CO2+H2O-----------------[CH2O]+O2

（2）化能自养型细菌

在氧充足条件下，氧化一定的无机化合物（H2SNH4＋NO2－利用产生的化学能还原CO2合成有机物质。

如亚硝酸盐细菌

2NH3+2O2----2HNO2+4H++能

CO2+4H＋-----CH2O+H2O

如铁细菌

2FeCO3+3H2O+1／2O2-----2Fe（OH）3+CO2+能

CO2+H2O----CH2O+O2

2、异养性细菌

异养性细菌是以有机物为营养和能源

碳源：

来源于有机含碳化合物；

氮源：

来源于无机和有机含氮化合物

能源：

从有机物分解过程中产生的能源获得

（1）光能异氧性细菌

这类细菌比较少

（2）化能异氧性细菌

大部分细菌是以这种营养方式生长繁殖的，是以有机物为碳源和能源

腐生细菌：

从死的有机残体中获的营养而生存

寄生细菌：

生活在活的生物体内

三、培养基

1、培养基定义：

指人工配制的适合不同的细菌生长繁殖或积累代谢的营养物质

2、培养基配制原则

（1）不同细菌的营养需要配制不同的培养基，如培养细菌采用牛肉膏蛋白胨

（2）注意营养物浓度与配比

如污水生物处理中要求BOD：

N：

P=100：

5：

1

（3）调节适宜的PH值

（4）添加生长因子

（5）培养基应物美价廉

3、培养基分类

固体培养基：

液体培养基中加2%琼脂为凝固剂

（1）按物理状态分半固体培养基：

加1%琼脂

液体培养基

天然培养基：

利用动植物或细菌体

（2）按组分合成培养基：

成分精确、重复性好但价格贵

半合成培养基

选择性培养基：

细菌得到选择性生长和分离

（3）按用途鉴别性培养基：

肉眼直接判定细菌的培养剂

加富培养基：

用于细菌的富集

4、配制方法（一般最好现用现配）

适量水分—加入营养成分、无机盐—加入凝固剂——调节PH——加入生长因子及指示剂——高压蒸气灭菌——冷却放置备用

四、营养物质的吸收和运输

细菌没有专门的摄食器官，各种营养物质的摄入主要通过细胞膜进行的细胞膜具有半渗透性，有选择性的使需要的营养物质进入细胞，无用的代谢产物排除体外营养物质的吸收和运输有以下四种途径：

（1）单纯扩散：

是一种物理现象，物质顺着浓度差进行，由高浓度区向低浓度区扩散

（2）促进扩散：

在细胞膜内存在促进扩散的一种机制，起主要作用的是位于细胞膜上的特异性蛋白质

外内

SCCSS

C——蛋白质载体

S‘CSCSS——物质

促进扩散模式图

（3）主动输送（主动运输）

特点：

a、运输过程中需要消耗能量，可逆浓度差进行

b、需要载体蛋白质参与和催化

c、是细菌吸收营养物质的最主要的方式

定义：

需要能量和透膜酶催化作用的逆浓度梯度运输营养物质的过程，称之为主动运输。

（4）基团转位

营养物质与载体蛋白质之间发生化学反应物质结构有所改变。

§2.2酶及其作用

一、酶的概念与特征

1、定义：

酶是生物催化剂，其基本成分是蛋白质，实现生化反应。

2、特征：

a酶的催化效率极高，比一般的催化剂106—1013倍；

b催化反应的高度专一性，一种酶只能催化一种化学反应或一类相似的反应

c酶是蛋白质，对环境条件极为敏感，如在高温、强酸、强碱、重金属毒物等条件下导致蛋白质变性，使酶丧失活性；

d酶存在于所有的活体中。

二、酶的命名与分类

迄今已发现2000多种酶，为避免混乱，便于比较必须统一的分类和命名。

（一）按照酶促反应性质及催化反应类型，将酶分为六大类，即

1、氧化还原酶

这种酶能够引起基质的脱氢或受氢作用,产生氧化还原反应。

在生化反应中有三种氧化还原的形式：

氢的得失—失氢为氧化，得氢为还原

氧的得失—加氧为氧化，失氧为还原

电子得失—失电子为氧化，得电子为还原

（1）脱氢酶

能活化基质上的氢并转移到另一物质，使基质因脱氢而氧化（催化底物脱氢）

脱氢酶

AH2+BA+BH2

还原酶

（2）氧化酶

能活化分子氧作为受氢体而形成水

AH2+1／2O2A+H2O

2、转移酶

能够催化一个分子上的基团转移到另一个分子上，其反应通式为：

AR+BA+BR

3、水解酶

能促使基质的水解作用，反应通式为：

AB+H2OAOH+BH

4、裂解酶

能催化有机质碳链的断裂，产生碳链较短的产物，反应通式为：

AB+CABA+B

5、同分异构酶

能催化分子的异构化反应的酶，形成同分异构体

6、合成酶

能催化二个分子合成一个分子的反应，反应通式：

A+B+ATPAB+ADP

（二）酶的其它分类方法

1、根据酶存在部位是在细胞内外的不同，分为：

胞内酶：

水解催化作用

胞外酶：

合成和呼吸作用

2、诱导酶：

能产生适应新环境的酶

（三）二种情况

1、当营养物质是较简单、溶解性物质，通过运输途径吸入细胞，在胞内酶作用下，迅速完成氧化、合成等生化反应；

2、当是复杂或固体物质时，首先分泌的胞外酶将复杂的大分子水解为简单的小子并透过细胞膜进入细胞，在胞内酶作用下，进行氧化合成反应。

三、酶促反应的影响及动力学

（一）温度和PH值对酶活力的影响

1、温度

微生物各种酶的最适温度在30--60Ć，过高温度会破坏酶蛋白，过低温度会破坏酶活性。

在最适温度范围内,温度每升高10Ć,酶催化反应速度可提高1—2倍.

2、PH值

大部分酶的最适PH值在6—7左右,废水生物处理中的混合微生物最适PH在6—9。

（二）酶促反应动力学----米---门中间产物学说

设定E是酶,S是基质,ES是酶与基质的复合物,P是产物，K1,K2,K3分别为各步反应的速度常数。

酶催化的过程是一个两步过程，即

K1K3

E+SESE+P

K2K4

根据后一步反应的速度，酶促反应生成产物的最终速度v为：

v=k3[ES]

上式中ES的浓度往往不知道，但可以导出E、S与ES的关系

设：

[E0]=酶的总浓度

[S]=基质的总浓度

[ES]=中间复合物浓度

则[E0]—[ES]=游离态酶的浓度

根据质量作用定律，在平衡状态下：

ES生成反应的速度=k1{[E0]—[ES]}[S]

ES分解反应的速度=K2[ES]+K3[ES]

在平衡时，有：

k2+k3KM{[E0]—[ES]}[S]

k1[ES]

或[ES]=[E0][S]／（KM+[S]）

v=k3[ES]代入得

v=k3[E0][S]／（KM+[S]）=VMAX[S]／（KM+[S]）----米门公式

当[ES]=[E0]时，所有的酶分子都与基质形成了结合状态，即：

Vmax=K3[E0]

式中:

V—反应速度；

S—基质浓度

Vmax—最大反应速度；

Km—米氏常数。

VVmax

1／2Ｖ　

　　　　　Km

公式讨论：

1、Km是酶的一个基本特征常数

（a）由米--门公式知，当Km=S时有V=1／2Vmax

由此可见，Km表示当V=1／2Vmax时的基质浓度。

（b）Km表示酶对基质亲和力的大小，Km小，亲和力高；Km大，亲和力底。

2、当S<

V和S呈线形关系。

3、当S>>Km时，则V=Vmax

V和S呈零级关系。

4、在水处理反应器中，增加细菌数量和浓度，提高酶浓度，以增加反应器处理能力和速度。

5、求解Km和Vmax（采用双倒数作图法）

对米--门公式求倒数，得

1／V=V／Vmax*（1／S）+1／Vmax　　　　1／V

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Km／Vmax

　　　　　　　　　　　　　　1／Vmax

6、由酶促反应推导出的米--门公式，　　　　　　　　　1／S

也适用于细菌生长。

1942年monod得出基质浓度与微生物比增长速度的关系：

U=UmaxS／（Ks+S）

式中：

U:

微生物比增长速度；

Umax:

微生物最大比增长速度；

S:

基质浓度；

Ks:

饱和常数（基质常数）。

1970年Lawrence---McCarty得出反应器中微生物量与基质浓度关系：

ds／dt=KXS／（Ks+S）

式中：

ds/dt—基质利用速度；

K—速度常数；

S—基质浓度；

X—微生物浓度。

（三）酶促反应速度的测定

测定方法：

1.测定单位时间内底物的消耗量

2.测定单位时间内产物的生成量

Ｐ产物当量

　　　　　　　　　　　　　　　曲线上各点的斜率，即该时刻的反应速度Ｖ。

DP／DT＝V

时间Ｔ

（四）酶在废水生物处理中的应用

1、将酶从生物体内分离出来制成酶制剂，用于废水处理。

2、固定化酶（固相酶）是从生物体内提取出的水溶性酶，通过物理或化学的方法使之与载体相结合而形成一种不溶性酶，可以反复使用。

3、固定化微生物细菌技术的应用。

§2.3细菌的呼吸

细菌新陈代谢：

细菌从外界环境摄取其生化与繁殖所必须的营养物质，并将代谢产物质（废物）排泄到外界环境中去的过程。

新陈代谢：

是维持生命的各种活动（生长、繁殖、运动）过程中，生物学变化（物质的分解与合成）的总称。

合成反应（将营养物质转化为细胞物质）

同化作用

（合成代谢）吸收能量

新陈代谢将营养物质分解

分解代谢

异化作用将细胞内营养物质分解

（分解代谢）放出能量

有机物好氧代谢模式图

（CO2H2ONH3）

微生物分解代谢产物+能量

有机物+氧

合成产物（CO2H2ONH3）+能量

细胞物质+氧内源呼吸

（C5H7NO2）残留物

有机物厌氧代谢模式图：

微生物分解细胞物质

有机物释放微生物细胞物质

　能量+有机酸.醇.醛

及CO2.NH3.H2S

CO2.CH4.能量

酸性发酵甲烷作用

一、呼吸作用的本质

呼吸作用是生物氧化和还原