第二章环境生物技术的生物学基础

一、环境微生物学基础知识二、酶学基础知识三、生态学基础知识（一）绪论（二）原核、真核及非细胞型微生物（三）微生物的营养（四）微生物的代谢在自然界，微生物的活动使有机物和无机物之间不断进行转化，这是生物圈其他高等生物赖以生存的基础。在环境工程中，对于废水和固体废弃物的生物处理，就是利用微生物的作用去除污染物。如自然界水体在接受污染物后，具有恢复其原来洁净状态的能力，这是在微生物的参与下完成的，当进入水体的污染物量过高以致超过微生物自净能力的限度，就会引起严重污染。微生物（病毒）古生菌（Archaea）真细菌（Eubacteria）真菌（酵母、霉菌、蕈菌等）、单细胞藻类、原生动物等非细胞型细胞型原核微生物真核微生物（Eukarya）微生物是一群形体微小、结构简单的单细胞或没有分化的多细胞生物，有的甚至没有细胞结构。微生物的类群3.非细胞型微生物1.原核细胞型微生物——细菌——丝状细菌——光合型原核生物——滑动细菌2.真核细胞型微生物——真菌——原生动物——藻类——微型后生动物细菌（Eubacteria）（一）个体形态和排列球状杆状螺旋状基本形态1.原核型细胞微生物1、球状细胞个体呈球形或椭圆形，不同种的球菌在细胞分裂时会形成不同的空间排列方式，常被作为分类依据。分为以下几种:单球菌、双球菌、链球菌、四联球菌、八叠球菌、葡萄球菌等。金黄色葡萄球菌单球菌：细胞分裂沿一个平面进行，新个体分散而单独存在.如尿素微球菌(Micrococcusureae)双球菌：细胞沿一个平面分裂，新个体成对排列.如肺炎双球菌(Diplococcuspneumoniae)链球菌：细胞沿一个平面进行分裂，新个体不但可保持成对的样子，并可连成链状.如：乳链球菌（Streptococcuslactis）无乳链球菌（Streptococcusagalactiae)溶血链球菌（Streptococcushemolyticus)四联球菌：细胞分裂是沿两个相垂直的平面进行，分裂后每四个细胞特征性地连在一起，呈田字形.如四联微球菌（Micrococcustetragenus）八叠球菌：细胞按三个互相垂直的平面进行分裂后，每八个球菌特征性地连在一起成立方体形.如藤黄八叠球菌（Sarcinaureae)葡萄球菌：细胞无定向分裂，多个新个体形成一个不规则的群体，犹如一串葡萄。如：金黄色葡萄球菌（Staphylococcusaureus)白色葡萄球菌（Staphylcoccusalbus)2、杆状细胞呈杆状或圆柱形，一般其粗细（直径）比较稳定，而长度则常因培养时间、培养条件不同而有较大变化。杆状细菌的排列方式常因生长阶段和培养条件而发生变化，一般不作为分类依据。枯草芽孢杆菌地衣芽孢杆菌3、螺旋状弧菌螺旋菌螺旋体菌弧菌：菌体只有一个弯曲，其程度不足一圈，形似“C”字或逗号，鞭毛偏端生。(寄生性弧菌-----蛭弧菌)霍乱弧菌螺旋菌：菌体回转如螺旋，螺旋数目和螺距大小因种而异。鞭毛二端生。细胞壁坚韧，菌体较硬。螺旋体菌：菌体柔软，用于运动的类似鞭毛的轴丝位于细胞外鞘内。梅毒密螺旋体（二）大小最小：与无细胞结构的病毒相仿（50nm）最大：肉眼可见（0.75mm）测量：显微镜测微尺显微照相后根据放大倍数进行测算球菌大小以直径来示，多为0.5-2μm。杆菌及螺旋菌的大小以长度和宽度来表示。杆菌一般长1-5μm，宽0.5-1μm。螺旋菌的长度是菌体空间的长度，一般为5-15μm，宽0.5-5μm。细菌细胞主要由细胞壁、细胞质膜、细胞质、核及内含物等构成。有的细菌还可能有荚膜、芽孢或鞭毛等特殊结构。在分裂前先延长菌体，染色体复制为二，然后垂直于长轴分裂，细胞赤道附近的细胞质膜凹陷生长，直至形成横隔膜，同时形成横隔壁，这样便产生两个子细胞。在固体培养基上培养，几天内即可由一个或几个细胞分裂繁殖成千万个细胞。在液体培养基中生长，可表现为培养液由清至浊。化能异养细菌：有机物的主要降解者，广泛分布于有机质丰富的土壤、水域、动植物残骸中，一些寄生于人、动物和植物体内。化能自养细菌：能源来自无机物氧化产生的化学能，碳源是CO2（或碳酸盐）。这类微生物主要是硝化细菌、硫化细菌、氢细菌、铁细菌及产甲烷菌等。产甲烷的细菌ⅰ球菌类：①微球菌属②葡萄球菌属③链球菌属④明串珠菌属ⅱ无芽孢杆菌类①埃希氏菌属：好氧或兼性厌氧。代表种为大肠杆菌。②假单胞菌属：专性好氧。是好氧生物处理中常见菌。③动胶菌属：专性好氧。在活性污泥工艺中，对形成絮状活性污泥贡献最大，常见的有生枝和悬丝动胶菌种。④产碱杆菌属和黄杆菌属⑤不动杆菌属：好氧和缺氧条件下均可生长。好氧下在细胞内积累磷酸盐。厌氧下释放出细胞内积累的磷酸盐。⑥棒状杆菌属和节杆菌属⑦乳酸杆菌属：⑧固氮菌属⑨根瘤菌属ⅲ产芽孢杆菌：①芽孢杆菌属好氧到兼性厌氧②梭状芽孢杆菌属严格厌氧菌主要属于放线菌纲和鞘细菌纲①放线菌：放线菌为细菌中的一个特殊类群。没有核膜与核仁的分化。多数为腐生菌，可以分解许多有机物，如烃类、氰化物等。放线菌为具有分枝的丝状菌，菌丝无隔膜。通过无性孢子及菌丝片段等进行繁殖，其中以分生孢子为主。少数放线菌还能以子囊孢子进行繁殖。放线菌的菌落介于霉菌与细菌之间，菌丝及孢子常具有色素，多数好氧，能产生抗生素。②鞘细菌：丝状体外包围一层由有机物或无机物组成的鞘套，故称鞘细菌。化能异养为主，也有化能自养的。常见的代表属有：——铁细菌：能氧化亚铁离子成高价铁的细菌统称为铁细菌。铁细菌属的细菌在水管中结成含铁垢层，影响水的输送。——球衣菌属：在含铁质的水中，它们也积累含铁的黄褐色外壳，但在铁含量极少的正常环境中，鞘薄而无色。在有机物污染的水域中和微好氧条件下能很好生长，也是化能异养菌。①蓝细菌：蓝细菌称为蓝藻或蓝绿藻。原核类微生物。多数蓝细菌是不分枝的丝状体，菌体外常具有胶质外套，使多个菌体或丝状体集成一团。大多数蓝细菌能滑行运动。能耐干旱，有的蓝细菌干标本保存80余年后移至适宜环境中仍能存活。当在水体中恶性增殖时，可造成水质恶化与污染。如淡水中的水华和海洋中的赤潮。②光合细菌：光合细菌能同化CO2为菌体有机质的细菌。但这些细菌与蓝细菌不同，都不含叶绿素，只有菌绿素及类胡萝卜素。光合细菌的光合作用与蓝细菌和高等植物的光合作用有显著的不同，它们是从有机物或水以外的无机物中取得氢；光合作用不产生氧，一般在厌氧条件下进行。光合细菌有球形、杆形、弧形及螺旋形，多具有端生鞭毛，存在于土壤、污水、湖及海水、矿泉中。光合细菌包括紫色硫细菌、紫色非硫细菌、绿色硫细菌、绿色非硫细菌等。滑动细菌为不借鞭毛而靠菌体的蠕动进行滑动的细菌。主要包括粘细菌、嗜纤维细菌和贝氏硫细菌三大类。菌体为多细胞的分支丝状体或为单细胞个体，比细菌个体大，属于真核生物。真菌靠腐生或寄生生活。真菌有比较坚硬的细胞壁，而原生动物则没有。真菌在自然界约12万余种，分别归于霉菌、酵母菌等。霉菌和放线菌一样，菌体由分枝或不分枝的菌丝构成，许多菌丝交织在一起则成为菌丝体。霉菌菌丝较粗而长，故形成的菌落较疏松，呈绒毛状、絮状或蜘蛛网状，一般比细菌菌落大几倍到几十倍。菌落表面往往呈现出肉眼可见的不同结构与色泽特征。霉菌主要是借产生无性孢子及有性孢子而繁殖。酵母菌菌落较细菌菌落大而厚，菌落表面湿润、粘稠，易被挑起。在液体培养基中，有的酵母菌生长产生沉淀，有的均匀生长。酵母菌典型的繁殖方式为出芽生殖。母细胞表面外突长出芽细胞，芽细胞脱离母体后即为新个体，有时芽细胞不脱离母体，又长出新芽，出现大小细胞相连的假菌丝状。酵母菌对生活条件要求不高，在环境保护工作中，常被广泛应用于综合利用中，将废物转化成有益产品，如单细胞蛋白质。一、酵母菌酵母菌一般泛指能发酵糖类的各种单细胞真菌。酵母菌分为发酵型和氧化型两种。发酵型：发酵糖为乙醇（甘油、有机酸等）和CO2的一类酵母菌。主要用于发面（面包、馒头）、酿酒。发酵——（4000年的应用历史）氧化型：无发酵能力或发酵能力弱而氧化能力强的酵母菌。如：热带假丝酵母和阴沟假丝酵母等。（假丝酵母呈假丝状，因为在繁殖时子细胞没有脱离母体而与母体相连接成链状。）可用于含有有机物浓度大且不易被细菌分解的废水处理。如：含油、含酚废水、味精废水等。酵母菌无性繁殖1、芽殖（budding）子细胞假菌丝芽殖是酵母菌最常见的一种繁殖方式2、裂殖（fission）少数酵母具有与细菌相似的二分裂繁殖方式酵母菌的菌落啤酒酵母菌落与细菌的相仿，但由于细胞比细菌的大。可产生不同颜色，如白色和红色。2.液体培养基a.上浮形成薄膜；b.沉到瓶底；c.发酵型酵母可产生CO2，培养基表面充满泡沫。单细胞个体单、多细胞丝状大型多细胞分化型属于微生物酵母菌霉菌蘑菇菌真菌霉菌的繁殖霉菌的繁殖能力极强，主要是通过产生无性孢子或有性孢子来完成的，也可以采用菌丝片断繁殖。（一）无性孢子1.厚垣（yuán）孢子：这类孢子具很厚的壁。可抵抗热、干燥等不良环境。2、节孢子：由菌丝断裂形成。菌丝生长到一定阶段，出现许多横隔膜，然后从横隔膜处断裂，产生很多单个孢子。3、分生孢子：菌丝分枝顶端细胞或菌丝分化来的分生孢子梗的顶端细胞分割而成的单个或成簇孢子。4、孢囊孢子：形成于菌丝顶端的一个特殊的囊状结构，在内部形成众多小孢子，成熟后释放。青霉属曲霉小资料：黄曲霉素　　黄曲霉素是目前发现的化学致癌物中最强的物质之一。它主要引起肝癌，还可以诱发骨癌、肾癌等。有人曾做过实验，用含黄曲霉素的玉米饲养老鼠，一年以后可诱发肝癌。黄曲霉素主要存在于被黄曲霉素污染过的粮食、油及其制品中。例如黄曲霉污染的花生、花生油、玉米、大米、棉籽中最为常见，在干果类食品如胡桃、杏仁、榛子、干辣椒中，在动物性食品如肝、咸鱼中以及在奶和奶制品中也曾发现过黄曲霉素。水果、蔬菜放久了也会产生黄曲霉素，即使去掉了变质部分也不能完全消除其危害。西部非洲儿童接触黄曲霉素的程度很高，低等真菌：形成内生无性胞子、菌丝无横隔。高等真菌：形成外生无性胞子，菌丝有横隔。真菌及其代表属真菌类型特性代表属低1.粘菌纲（粘状霉菌）网柄粘菌等2.藻状菌纲有游动孢子异水霉菌真（1）水生藻状菌生活史复杂毛霉菌（2）陆生藻状菌不游动根霉高1.子囊菌纲在子囊内可脉孢菌、青霉菌等形成有性孢子曲霉菌、酵母菌真菌2.担子菌纲在子实体上小包菇、北风菌、伞菌形成有性孢子子囊菌类的真菌有性繁殖后形成子囊，所谓子囊，是内含孢子的袋状细胞器担子菌的有性繁殖则产生担孢子，担孢子即指生长在棍棒状的担子顶端的孢子。真菌是分解有机物质非常活跃的微生物，它们在自然界的净化过程以及废水废物处理利用过程中起到相当大的作用。在废水的好氧处理系统中，能够降解一些芳香族化合物。真菌在传统工业和人们生活中起重要作用，如利用酵母酿酒和生产酒精，利用酵母生产单细胞蛋白等。真菌还可以用于食品加工或直接食用，如木耳、银耳、猴头、竹荪是贵重的食品，金耳、茯苓、灵芝、猪苓、雷丸、竹黄、虫草是贵重的药剂或滋补品。但真菌也常与食物的腐败及其它物品的变质有关。原生动物是单细胞的低等动物，是水中重要的浮游生物。原生动物形态多样，大小一般多在100-300μm。原生动物有无性繁殖及有性繁殖。无性繁殖一般为二分裂繁殖。多数以吞食细菌、真菌、藻类等有机体为食，少数含有光合色素，能像植物一样进行自养生活。绝大部分原生动物可以形成休眠体，可抵抗不良环境，当环境条件适宜时，又复萌发，长出新细胞。原生动物在整个生物生态系统中占重要地位，它们是生物链的一个重要环节原生动物细胞结构原生动物的繁殖方式横二分裂纵二分裂①鞭毛虫纲：能使用鞭毛在水中游动，废水生物处理中常见的鞭毛虫有波豆虫、三角鞭毛虫等。鞭毛纲－夜光虫鞭毛纲－小眼虫②肉足虫纲：这类可变形的原生动物通过形成细胞表面的突起（即伪足）运动，伪足能捕食颗粒状食物（如细菌），被捕食后的食物被包裹在食物泡内消化。如孔眼虫，放射虫等。肉足纲－太阳虫③孢子虫纲：严格寄生的原生动物，通过从寄主细胞渗透吸收的方式吸收营养，通过滑动的方式运动。疟原虫属即属于此类。④纤毛虫纲：这类原生动物依靠细胞表面的无数短须同步而有节奏的摆动来运动或捕食，这些短须即是纤毛。它们靠吞噬颗粒状食物为生。纤毛有别于鞭毛，其数量较鞭毛多，长度极短。原生动物对废水净化主要通过两种方式进行，其一是它们吞噬游离的细菌和颗粒状悬浮物；二是它们促进生物絮凝作用，使活性污泥具有良好的沉降性能。当游泳型纤毛虫突然增加，固着型纤毛虫减少，或虫体表现不正常，都可能预示着处理效果的恶化。通常三角鞭毛虫被认为是曝气不足或废水过负荷引起的厌氧条件的指示生物。大量的固着型纤毛虫的出现说明活性污泥状况良好，废水中的溶解氧适当。溶解氧不足时，钟虫会变得不活跃或数量减少。游泳型纤毛虫表面布有较多的纤毛，在水中能自由游动和捕食。废水好氧生物处理中常见的有肾形虫、豆形虫、漫游虫、裂口虫、四膜虫等属。固着型纤毛虫外形大多似钟，也叫钟虫类。它们能产生柄状物使其固着于固体表面，因此不能四处游动。环境工程中常见的有钟虫、聚缩虫、独缩虫、累枝虫、盖纤虫等属。钟虫以单个个体生活，聚缩虫、独缩虫、累枝虫、盖纤虫以群体方式生活。吸管虫其幼虫有纤毛，但成虫纤毛消失，长出长短不等的吸管。当其他原生动物、轮虫等碰上吸管虫的吸管即被粘住，并被吸管分泌的毒素麻醉，然后体液被吸干而死亡。游泳型纤毛虫－草履虫固着型纤毛虫—钟虫吸管虫藻类是低等植物中的一个类群，无根、茎、叶、花的分化，个体很小，有的为单细胞，有的是多细胞。藻类的运动主要靠鞭毛进行。广泛存在于淡水及海水中。当水域中氮、磷营养物丰富时，藻类会大量生长。近几年来我国近海水域频繁发生的赤潮就是藻类和蓝细菌大量繁殖的结果，其结果造成大量水生生物死亡，使渔业资源受到严重破坏。近些年来，全世界范围水域的富营养化过程因为工业和民用洗涤剂以及农业化肥的大量施用。富营养化的结果使河流湖泊水质下降，影响了其使用功能。这样的湖水如果作为饮用水的水源，也需要经过专门祛除藻类细胞的特殊处理。藻类根据细胞中叶绿体和色素的类型、细胞壁的组成、鞭毛的有无及细胞器的构成等可划分为：绿藻，裸藻，甲藻，金藻，褐藻及红藻等六大类：绿藻包括单细胞的和多细胞简单丝状的和带分枝的藻，绿藻可以产生游动孢子，多为梨形，带2-4根长度相等的鞭毛。绝大多数绿藻是淡水生的浮游生物，某些形体较大的绿藻生长在池底、溪底或沿海。甲藻为单细胞，细胞外有表质膜，许多甲藻表质膜上覆盖有壳。多靠鞭毛游动，可在海水、淡水中生活。海水中的甲藻可有生物荧光现象，因其细胞色素种类不同，呈现出不同颜色，在海水中产生红、红褐或黄色浪潮，是海洋中赤潮产生的主要肇事者。裸藻是低级的藻，裸藻为单细胞，狭长，无细胞壁，故名裸藻。通常有1-3根鞭毛。裸藻呈现绿色或无色。裸藻有口腔道，可吞噬食物。金藻的细胞中有较多的胡萝卜素，呈现黄绿到褐色。金藻有单细胞和多细胞，有分枝或无分枝。此两种藻类为高级藻类，通常体积较大，而且组织结构高度分化。食用的海带即是褐藻，食用的紫菜和石花菜即是红藻。褐藻和红藻主要存在于海水中。①对建筑物的腐蚀②富营养化③产生令人讨厌的味道和臭味，干扰絮凝和砂滤等水处理过程。减少藻类生长的最好办法是减少磷和氮的排放，对废水进行除磷脱氮的处理等。①用于氧化塘的废水处理工艺废水中的有机污染物被细菌降解为无害的无机物，同时产生CO2，藻类利用CO2在塘的上层生长、繁殖，它们产生的O2又为细菌降解有机物提供条件。②综合利用作为食品、饲料或肥料。③藻类的工业化生产。如日本和东南亚已将生产的小球藻等作为健康食品出售。④将藻类收集后作为厌氧发酵的底物，用于生产甲烷作为能源。较原始的多细胞动物，如轮虫、线虫、颤蚯蚓、甲壳动物、小昆虫及其幼虫等。①轮虫：体小，多数不超过0.5mm。身体长形，有头部、躯干、尾部。头部有一个头冠，其上有一列或多列纤毛形成纤毛环，纤毛可有规律地摆动如车轮转动，故称轮虫。多数轮虫以细菌、藻类及小的原生动物为食，故在废水的生物处理中有净化作用。在废水的生物处理中，轮虫可作为指示生物。活性污泥中出现轮虫，往往表明处理效果良好，但当轮虫数量过多，则有可能破坏污泥的结构，使污泥松散而上浮。轮虫线虫水蚤②微型甲壳动物：具有坚硬的甲壳，它们也是河流污染与水体自净的指示生物。③其他微型后生动物：水中有机淤泥和生物膜上常生活有一些其他微型后生动物，如线虫和昆虫及其幼虫。线虫长0.25~2mm。另外，还有摇蚊幼虫、蜂蝇幼虫、颤蚯蚓等在水中也常见到。以上都常用做研究地表水污染的指示生物。无毒废水处理中，没有后生动物生长，说明溶解氧不足。病毒是专性活细胞内寄生物，只能在活体内增殖。病毒感染寄主细胞后，接管宿主细胞的生物合成机构，使之按照病毒的遗传特性合成病毒的核酸与蛋白质。病毒感染寄主细胞进行繁殖的过程可分为吸附、侵入、复制、聚集与释放等步骤。病毒可以感染几乎所有生物，包括人、动物、植物和微生物。在水中可存活较长时间，因此水的净化应当重视病毒的祛除。好氧活性污泥法的剩余污泥，比原废水中的病毒含量高10-100倍。污泥的厌氧消化可以灭活病毒，尤其在50-60oC下的高温消化可以杀灭几乎全部病毒和致病菌。发生在生命细胞中物质的化学转变过程称为代谢。废水生物处理就是利用微生物的代谢，促使有机污染物分解，使废水得到净化。代谢分为两大类，即分解代谢与合成代谢。分解代谢也称异化作用，他指各种营养物质或细胞物质降解为简单物质的过程，并产生生物利用的能量。合成代谢也叫同化作用，是细胞由较简单的物质合成为细胞所需的物质的过程，这一过程消耗能量。一是通过细胞中的光和色素（如叶绿素和载色体）由光能中获得能量。这类微生物称为光能微生物或光合微生物。二是通过生物的氧化反应所产生的化学能，这类微生物称为化能微生物。无论由何种形式获得的能量，都以化学能的形式储存于三磷酸腺嘌呤核苷又称三磷酸腺苷（ATP）中，ATP中的磷酸之间的焦磷酸键具有很高的能量，称为高能键，用～表示。以光能生成ATP的过程称为光合磷酸化作用；从物质的氧化获取能量生成ATP的过程称为氧化磷酸化作用。生物将物质氧化的过程，称为生物氧化作用（呼吸作用），同时产生能源。微生物的生物氧化分为有氧呼吸、无氧呼吸和发酵三种类型。有氧呼吸是好氧微生物和兼性微生物在有氧条件下所进行的生物氧化方式。有氧呼吸将含有C、H的化合物彻底氧化为CO2和H2O。以葡萄糖为例，其反应式为：C6H12O6+6O26CO2+6H2O大多数有氧呼吸的底物是有机物，但也有一些细菌可以氧化还原态的无机化合物。例如氢细菌可氧化氢分子，硫细菌可氧化硫化合物，硝化细菌和亚硝化细菌则氧化NH3和NO2-无氧呼吸是一些厌氧菌或兼性菌在无氧条件下进行的。无氧呼吸分为三种类型：其一，硝酸盐还原，又称反硝化作用。它是指在生物氧化过程中，NO-3或NO-2作为电子受体氧化底物的同时，自身被还原为N2的过程。绝大部分的反硝化作用以有机物为底物。以葡萄糖为例：C6H12O6+4NO3-6CO2+6H2O+2N2+4e硝化和反硝化作用在废水处理中有广泛的应用。其二、硫酸盐还原，即以SO32-、SO42-为电子受体的生物氧化作用。硫酸盐还原作用的产物是H2S。可进行硫酸盐还原的细菌称为硫酸盐还原菌。在含硫废水中硫酸盐的存在会在一定程度上影响甚至破坏废水厌氧处理过程。其三、碳酸盐还原，二氧化碳或碳酸盐也可以作为生物氧化中的电子受体，这称为碳酸盐还原。这一过程是由产甲烷菌完成的。是电子受体为有机化合物的生物氧化作用，在发酵中，电子供体（即发酵底物）也是有机化合物。有时电子受体就是电子供体本身的分解产物。以葡萄糖为底物的各种发酵举例发酵类型主要终产物所用菌种举例乙醇发酵乙醇，CO2酵母菌同型乳酸发酵乳酸链球菌异型乳酸发酵乳酸，乙醇，乙酸，CO2某些乳酸菌混合酸发酵乳酸，乙醇，乙酸，甲酸大肠杆菌丁酸发酵丁酸，乙酸，CO2，H2某些梭菌丁醇发酵乙醇，CO2，H2肠细菌丙酸发酵丙酸，乙酸，CO2丙酸杆菌微生物生物氧化作用小结作用类型电子受体环境条件作用的底物产物产能水平（电子供体）有氧呼吸O2有氧条件有机物和H2O，CO2，最高无机物NH3，SO42-，PO43-无氧呼吸某些含氧无氧条件有机物和CO2，CH4居中无机物少量无机物N2，H2S（NO2-，CO2SO42-等）发酵作用有机物无氧或有机物CO2，CO，最低有氧NH3，CH4H2S，PO43-及各类酸、醇等有机物1）好氧微生物：只能在有氧环境中生长的微生物。在好氧微生物用于废水处理时，应不断向废水中通入空气或氧气，以保证废水中有足够的溶解氧供好氧微生物进行有氧呼吸。2）厌氧微生物：在无分子氧存在的条件下才能正常生活的微生物。它们有的进行无氧呼吸，有的依赖发酵生活。厌氧菌对无氧条件的要求也不尽相同。如有些厌氧菌对无氧条件要求非常严格，称为严格厌氧菌或专性厌氧菌。如各类产甲烷菌、硫酸盐还原细菌、梭状芽孢杆菌等。3）兼性微生物：在好氧和缺氧的环境中都能生长，但以不同的方式获得能量。例如酵母菌在有氧条件下进行有氧呼吸，将有机物彻底氧化为CO2和H2O。而在缺氧时，酵母菌进行发酵，积累乙醇和CO2。根据微生物能源需求的不同，可分为光能和化能微生物。根据微生物对有机物需求的不同，分为自养和异养两类。自养微生物是指可以在完全无机的环境中生长的微生物，它们的碳源来自CO2或碳酸盐。异养微生物的生长不能离开有机物，它们的碳源主要是有机物。1）光能自养型通过光合作用产生能源，以CO2作为碳源，以无机物为供氢体来合成细胞的有机物质。如藻类、蓝细菌、紫色硫细菌和绿色硫细菌。光能CO2+2H2S[CH2O]+2S+H2O光合色素2）光能异养型光能异养型微生物以光为能源，但可利用有机物作为供氢体以还原CO2来合成细胞物质。光合作用不释放分子氧。3）化能自养型微生物的能源来自无机物氧化产生的化学能，碳源是CO2或碳酸盐。4）化能异养型微生物的能源来自有机物氧化产生的化学能，碳源主要是有机化合物，如淀粉、糖类、纤维素、有机酸及其衍生物等等。第2节第1部分《环境微生物学基础知识》讨论题：1、微生物活动对环境和人类有什么影响？2、真核微生物与原核微生物有什么区别？3、细菌在固体培养基上生长与液体培养基生长，其群体特征有什么区别？4、在环境中常见的细菌有哪几种类型？它们之间有什么区别？5、细菌、丝状细菌、光合型细菌以及滑动细菌它们之间的区别是什么？6、真菌具有哪些特征？低等真菌和高等真菌有什么区别？如何利用真菌解决环境问题？7、霉菌和酵母菌在特征上有什么区别？8、为什么说纤毛虫是环境中常见的指示微生物？原生动物在废水处理中具有哪些作用？9、藻类的特征是什么？它对水体有什么影响？10、哪些动物属于微型后生动物？微型后生动物在废水处理中具有什么作用？11、何谓非细胞型微生物？具有哪些特征？12、微生物有几种呼吸类型？根据对能量和有机物的需求，可将微生物分为几类？（一）酶的作用及其特点（二）酶促反应和酶的分类（三）影响酶作用的因素（四）酶与细胞的固定化（五）酶反应器及酶反应器的选择生物的各种分解与合成反应，是在酶的催化下进行的。酶是由生物细胞产生、以蛋白质为主要成分的生物催化剂。它与一般的无机催化剂相比，具有催化效率高和高度专一性的特点；酶催化下的一切反应都是在比较温和的条件下进行；酶的催化活性是受生物体调节和控制的。天然酶分子有单纯酶和结合酶两类，前者的分子组成只含蛋白质，后者分子组成中除蛋白质外还含有非蛋白质成分。酶分子内非蛋白质成分成为辅基，辅基与酶蛋白的结合物称为全酶。对于结合酶，只有全酶才能行使催化功能。酶在生物体内具有4种作用：1.直接参与某种具体的生理功能2.担负保卫清除功能3.协同激素起生物调节放大作用4.催化和调节代谢反应酶促反应中的反应物称为底物，也有人称为基质。一个反应的产物常常是下一个反应的底物。依据酶促反应，国际酶学委员会把酶分为六大类：1.水解酶类：它们将各种高分子物质水解为小分子物质。通常用“底物+酶”来命名，如淀粉酶等。2.氧化还原酶类：即催化氧化还原反应的酶。这类酶具有生物氧化的功能，是一类获得能量反应的酶。如乙醇脱氢酶、葡萄糖氧化酶等。3.转移酶类：这类酶能催化化合物中某些基团的转移，即一分子上的某一基团转移至另一种分子上去的反应。如谷丙转氨酶。4.解合酶类:这类酶催化一个化合物分解为几个化合物或其逆反应。5.异构酶类：这类酶可使分子内部基团重新排列。例如葡萄糖异构酶催化葡萄糖转变为果糖以增加食品的甜度。6.合成酶类：一般指有三磷酸腺苷参加的合成反应。这类酶关系着许多重要生命物质的合成。酶在较高温度下，蛋白质将会变性，从而使酶活降低，直至完全丧失。酶活的丧失称为失活。酶在低温下活力下降，但酶本身不易变性，因此酶常在低温下保存。此外，酶的最适温度并不一定等于产生它的微生物最适生长温度。大多数酶的最适PH在5~8之间。当酶浓度一定时，在较低的底物浓度范围内，酶反应的速度随底物浓度的增加而增加。但当底物浓度达到一定数值后，反应速度不在增加。其所能达到的最大反应速度，由该种条件下酶的浓度决定。酶反应速度和底物浓度之间的定量关系，可以用米氏方程表示：=max·S/Km+S式中：：酶的反应速度max：酶反应的最大速度S：底物浓度Km：米氏常数当底物充足时，只要其他反应条件一致，在一定范围内酶促反应速度与酶浓度成正比。提高酶活性的简单化合物都称为激活剂。引起酶活性下降或丧失的物质称为抑制剂。固定化技术是酶工程的重要组成部分。将单一的酶或生物细胞，经过物理、化学或其它方法的处理，固定在载体上，成为固定化酶或固定化细胞。在固定化酶或固定化细胞的反应器内，废水经固定化酶或固定化细胞，得到有效处理。酶和细胞被固定化后，不会随处理废水的排放而流失。酶的固定化方法主要有4种，包括吸附法、包埋法、共价键结合法和交联法酶反应器根据进料和出料的方式，可概括为两种主要类型：间歇式反应器和连续流式反应器.结构简单，不需要特殊设备装置，适用于小规模实验。间歇式反应器可用于溶液酶反应，并将酶与底物一起加入反应器内，待达到规定的转化率后随即放料。一般不回收溶液酶。含固定化酶的间歇式反应器在工业上很少应用。包括：连续流搅拌罐反应器（CSTR）、填充床反应器（PFR）和它们的衍生形式：连续流搅拌罐超滤器组合反应器（CSTR/UFR）和循环反应器（PCR），以及它们的结合形式：流化床反应器（FBR）。在选择酶反应器时，应考虑以下几个因素：颗粒状或片状固定化酶均适用连续流搅拌罐和填充床类型的反应器；膜状和纤维状的固定化酶不适于连续流搅拌罐类型的反应器，而适于填充床类型的反应器。易变形、易粘结或颗粒细小的固定化酶，往往引起填充床反应器内高的压力降和床层堵塞，这种酶可选用流化床反应器。溶解性的底物对任何类型的反应器都不会造成困难；但颗粒状和胶体状底物往往会堵塞填充床，应用连续流搅拌罐反应器、流化床反应器和循环反应器时，由于高的搅拌速度、高的流速可减少底物颗粒的集结、沉积与堵塞，使底物保持悬浮状态。接近平推流特性的填充床反应器，在固定化酶反应器中占有主导地位，它适合于产物抑制的场合；在底物抑制的系统中，连续流搅拌罐反应器的性质又优于填充床，流化床反应器因其流动特性接近连续流搅拌罐反应器，所以也适宜于底物抑制的反应。连续流搅拌罐反应器由于高速搅拌、高速液流冲击，一般比其他反应器易使酶受到切变力作用，使酶扭曲而失效，或使酶从载体上脱落流失。有些酶反应需要不断调整PH值、供应氧气、间断地加入或补充反应物或更换或补充酶。所有这些操作，在连续流搅拌罐反应器中可无需中断运行而连续进行，但在其他反应器中则较困难。比较反应器的价格，连续流搅拌罐反应器最便宜，它结构简单，操作性好，适应性强；而其他类型的反应器，则都需为特定的生产过程专门设计制造。