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微生物的营养类型
• 光能自养：光能为能源，二氧化碳或碳酸 盐为碳源，光合作用。如藻类、蓝细菌、 绿色和紫色硫细菌。 • 光能异养：光能为能源，有机物为碳源。 紫色非硫细菌。 • 化能自养：还原态无机物为能源，二氧化 碳或碳酸盐为碳源。如硝化细菌、硫化细 菌、铁细菌、氢细菌。 • 化能异养：有机物为能源和碳源。绝大多 数细菌和放线菌、几乎全部真菌和原生动 物。
微生物能量的产生 • • • • • • • • A+B=C+D Keq=([C][D])/([A][B]) ΔG=-RTlgKeq Keq：热力学平衡常数 ΔG：自由能 R：通用气体常数 T：绝对温度 ΔG<0，释放能量，自发反应；ΔG>0，吸 收能量，非自发反应。
2H2O+CO2 C6H12O6+6O2 NH3+O2 KNO2+O2 H2S+O2 S+O2+H2O
• 方法一： • μ=(ln(5.5×108)-ln(1.5×105))/(8.2-4.2)=2.0(h-1) • 方法二： • 线性回归分析
4.85165E8 1.78482E8
lnX=1.95t+5.20 R=0.933 N=5 P=0.021<0.05
细胞 数量（ CFU/mL）
6.566E7 2.4155E7 8.88611E6 3.26902E6 1.2026E6 442413.39201 162754.79142 4 5 6 7 8 9
细菌细胞的结构
细菌黏液层和荚膜
黏液层：疏松的碳水化合物层 荚膜：坚韧的蛋白质层
带鞭毛的土壤细菌的SEM图像
细菌的细胞膜
细菌的细胞壁
细菌遗传信息的传递：接合，转导，转化
接合（Conjugation）： 通过两个完整菌体细 胞直接接触，将供体 菌DNA片段（包括质 粒）带入受体菌中， 从而使受体菌获得供 体菌的部分遗传性状 的过程。
时 间（ h）
时间（h） 0 4 6 8 10 12 16 20 24 28
培养细胞数 （CFU/mL） 1.2×104 1.5×104 1.0×105 6.2×106 8.8×108 3.7×109 3.9×109 6.1×109 3.4×109 9.2×108
细菌接种量对降解的影响
• 细菌对菲的降解：加入环糊精以增加菲的溶解
病毒的结构：遗传物 质和蛋白外壳（衣壳）
A.裸露的二十面体 B.有包膜的二十面体 C.裸露的螺旋形 D.有包膜的螺旋形 E.复杂毒粒 病毒核酸：单链或双链 DNA或RNA；1.7到大于 200kb范围，组成4到 200个基因。超过70% 的动植物感染都是由 RNA病毒引起的。
病毒侵染细菌的TEM图片2来自3 真菌• 真菌的重要作用：通过菌根对植物产生有 益影响；真菌病原体对人类和植物产生不 利影响；酵母菌是重要的工业微生物；产 生抗生素；在有机物循环和生物修复中发 挥重要作用。
• 真菌的生活方式：异养，除酵母菌都是好氧，可降解较复杂的有机分 子。 • 分类多样性：运动真菌，与原生动物和藻类类似的微生物；接合菌， 如一些菌根真菌；子囊菌，如酵母菌和霉菌；担子菌，如蘑菇。 • 真菌的大小和外形：有的单个细胞干重不到1pg，有的大型真菌单个 细胞的菌丝能覆盖数公顷。环境中霉菌的菌丝直径可达10~50μm，长 数mm。 • 真菌细胞的结构：真核生物，有真核和特殊细胞器，比如细胞核、内 质网、高尔基体、线粒体、核糖体、液泡。没有鞭毛等细胞表面附属 物。细胞壁坚硬。
原核细胞与真核细胞基本特征的比较
2.1病毒
• 病毒的特征：专性的细胞内寄生物，需要宿主细胞来维持它们的生长 和复制。在宿主细胞外可以存活，但不能增殖。 • 病毒的发现：引起作物和人类疾病，如天花病毒，狂犬病病毒，烟草 花叶病毒。 • 环境中的噬菌体：细菌的病毒（噬菌体）在河流、湖泊、海水和土壤 等未经污染的自然环境中，总量高达108个/mL。 • 噬菌体的环境学意义：噬菌体对天然细菌种群和遗传物质在种群间的 转移有很大影响。噬菌体数量与细菌存在相关性，环境和宿主因素影 响病毒的生存力和感染力。噬菌体是微生物食物网的重要参与者。噬 菌体在供体细菌内增殖，并将遗传物质转导到受体细菌中。
细菌遗传信息的传递
转化（Transformation）：受体菌直接吸
转导（Transduction）：通过噬菌体的介导， 将供体菌DNA片段带入受体菌中，从而使受 体菌获得供体菌的部分遗传性状的过程。
收来自供体菌的游离DNA片段，并整合到 自己的基因组中，从而获得供体菌的部分 遗传性状的过程。
利用16S rRNA基因进行细菌分类
食物链与病毒
浮游食物链模型与碳循 环
初级生产者固碳量为 100%，6%~26%的碳通 过病毒进入环境，成为 溶解性有机碳（DOC）。
环境中的病毒
植物病毒：主要经济作物的病 毒，如烟草花叶病毒； 致病的人类病毒：如脊髓灰质 炎病毒，腺病毒，HIV，疱疹病 毒，牛痘病毒； 噬菌体：MS2噬菌体，T4噬菌 体； 类病毒：以自由核酸形式存在， 没有蛋白外壳，是植物的病原 体； 朊病毒：蛋白质分子，导致神 经变异性疾病，如“疯牛病”。
2.5 原生动物
有些可以肉眼看到。 • 原生动物的种类：鞭毛虫；变形虫；孢子虫；纤毛虫。 • 原生动物的营养：光能自养；光能异养；化能异养。可自由生活，也可寄 生生活。 • 原生动物的生态学：参与食物链，控制细菌数量，影响物质的分解。某些 情况下，原生动物甚至吃掉浮游植物产量的50~100%，并且吞噬其他原生动 物 、病毒和高分子化合物。通过絮凝和摄食去除颗粒和减少细菌，在废水 处理中发挥重要作用。在活性污泥中浓度5×104个/mL。 • 致病原生动物：痢疾阿米巴，弓形虫，隐孢子虫，疟原虫，贾第虫，微孢 子虫。
• 原生动物的结构特征：单细胞真核生物，没有细胞壁，大小在2μm到几厘米，
原生动物
• (A) 肠细胞被隐孢子虫Cryptosporidium感染 • (B) 草履虫，属于纤毛虫（Ciliophora） • (C) Ameoba radiosa，属于变形虫（Sarcodina）
钟虫：水体自净程度高，废水生物处理效果 好的指示生物。
朊病毒二级结构
病毒生长周期的步骤：吸附， 侵入，复制，成熟，释放
1.吸附 2.侵入 3.脱壳 4.DNA转录为早期mRNA 5.早期mRNA翻译为早期蛋白质 6.病毒DNA复制 7.DNA转录为晚期mRNA 8.mRNA翻译为晚期蛋白质 9.毒粒的装配 10.释放
2.2 细菌
• 细菌的大小和形态：大多数细菌细胞直径0.5~1μm，长1~2 μm，形成 菌落。特定类型细菌小到0.3 μm（超微细菌），或大到5 μm。土壤中 1010个/g土壤。 • 细菌的类型：革兰氏阴性，革兰氏阳性，无细胞壁（支原体），细胞 壁无肽聚糖（古菌）。 • 细菌的形态：球菌，杆菌，螺旋细菌。 • 细菌细胞的结构：细胞被膜（细胞壁、细胞膜、糖被），细胞原生质 （核糖体、拟核等），细胞附器（鞭毛、菌毛）。 • 细菌的质粒：细菌中染色体之外的小片断DNA，编码特殊的性质（重 金属抗性、抗生素抗性、有机物降解等），一般对细菌的生存非必需。 一般10~1000kb。 • 细菌的代谢：自养/异养，光能/化学能，好氧/厌氧/兼性厌氧
X X 0e
t
ln X ln X 0 t
lg X lg X 0 t lg e lg X 0 0.4343t
X：细胞数量或细胞质量 t：时间 μ：比生长速率常数
计算比增长速率
• 以水杨酸为唯一碳源和能源对假单胞菌进 行纯培养，记录数据如下。已知对数期为 4.2小时至8.2小时之间，计算比增长速率。
2.4藻类
好氧真核生物，单细胞或多细胞， 可进行光合作用。 能引起水体富营养化和藻华、赤潮。 有些藻类能产生毒素，使鱼和无脊 椎动物死亡，使人类中毒。 (A) 水绵（Spirogyra），单细胞绿藻， 长度10至100微米。 (B) Champlain湖的藻华。 (C) 红藻（Rhodophyta），海洋藻类。
计算比增长速率
时间/h 0 1.2 2.2 3.2 4.2 5.2 6.2 7.2 8.2 细胞数/ （CFU/ml） 22000 22000 22000 22000 150000 1.50E+07 8.10E+07 3.20E+08 5.50E+08 时间/h 9.2 10.2 11.2 12.2 13.2 17.2 32.2 60.2 84.2 细胞数/ （CFU/ml） 8.00E+08 1.00E+09 1.70E+09 2.10E+09 2.30E+09 2.50E+09 6.30E+09 3.80E+09 1.90E+09
除草剂2,4-D的矿化作用
连续运行生物反应器：一 个长期连续运行的开放系 统，连续不断地输入营养 物质和基质，同时不断排 出含有细胞、代谢物、废 物和未利用营养物和基质 的流体，又叫恒化器。通 过控制流速维持恒定的基 质浓度，连续调控pH、 温度和O2水平，控制细胞 生长速率，使特定微生物 产品产量最大化。
1.通用引物与16S rRNA退 火； 2.通过PCR合成引物之间的 DNA序列； 3.测定2中得到的DNA的序 列； 4.将得到的序列与已知的序 列进行比较，确定细菌种 类。
微生物细胞的成分
微生物的营养物质
• • • • • 水 碳源：有机碳源，无机碳源 氮源：单质氮，有机氮，无机氮 能源：光能，化学能 无机盐：大量元素，P、S、K、Na、Ca、 Mg、Fe；微量元素，Cu、Zn、Mn、Mo、 Co。
真菌细胞壁结构
真菌的细胞壁很坚硬， 完全不同于原核细胞 的细胞壁，由厚的几 丁质或纤维素内层和 薄的糖蛋白外层组成。
真菌
• (A) Pilobolus kleinii 接合菌类，属于霉菌 • (B) Dictyophora indusiata 蘑菇 • (C) Saccharomyces cerevisiae 啤酒酵母