Г.А. Тихановская
Микробиология
Учебное пособие
Вологда
2009
Федеральное агентство по образованию
Вологодский государственный технический университет
Г.А. Тихановская
Микробиология
Утверждено редакционно – издательским советом ВоГТУ
в качестве учебного пособия
Вологда
2009
УДК
ББК
Рецензенты:
кандидат химических наук, доцент ВГМХА Т.Л. Бланк;
старший преподаватель ВГПУ А.А. Калачева.
Тихановская, Г.А.
Микробиология учеб. пособие / Г.А. Тихановская. – Вологда: ВоГТУ, 2009. - с.
Учебное пособие является частью лекционного курса «Химия воды и микробиология» раздел «Микробиология» для студентов дневного и заочного отделения специальности 290800 «Водоснабжение и водоотведение». Пособие составлено на основании требований Государственного образовательного стандарта высшего и профессионального образования с учетом требований к минимуму содержания и уровню подготовки инженеров по специальности 290800.
Темы, включенные в пособие, охватывают содержание общетеоретической части курса: общая микробиология, санитарная микробиология, процессы загрязнений и самоочищения водоемов, влияние гидробионтов на работу очистных сооружений водопровода, роль микроорганизмов в процессах очистки сточных вод.
Материал пособия основан на современных методах исследования и может быть использован студентами и аспирантами, как в учебных, так и научно – исследовательских работах.
УДК
ББК
Вологодский государственный
техничсекий университет, 2009
Тихановская Г.А., 2009
Введение.
Слово микробиология происходит от греческих слов micros –малый и bios – жизнь.
Микробиологией называется наука о малых (невидимых невооруженным глазом) организмах. Задача микробиологии заключается в изучении строения и закономерностей развития микроорганизмов с целью выяснения роли их в процессах превращения веществ, возможности управления этими процессами. Микроорганизмы имеют исключительно важнее значение в круговороте веществ в природе. Одни микроорганизмы осуществляют распад сложных соединений в процессе разложения органических остатков, а другие в процессе жизнедеятельности синтезируют органические вещества из простых неорганических соединений (СО2, С, N2 и др.).
Некоторые микроорганизмы могут вызывать болезни, а другие используются для лечения ранее не излечимых заболеваний. Микроорганизмы способствуют образованию почв, под их воздействием образуются отложения некоторых полезных ископаемых (например, некоторых видов железных и серусодержащих руд).
Водная микробиология изучает строение и жизнедеятельность микроорганизмов, находящихся в чистых и загрязненных водах, определяет направленность и закономерности процесса самоочищения, выясняют возможность использования микроорганизмов в качестве индикаторов степени загрязнений воды.
Особое внимание уделяется изучению биохимических процессов, протекающих при очистке сточных вод, влиянию микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности на качество воды и работу очистных сооружений.
Микроорганизмы не представляют собой единой систематической группы. К ним относятся одноклеточные и многоклеточные организмы растительного и животного происхождения: бактерии, бактериофаги, вирусы, некоторые водоросли и грибы, простейшие. Общими отличительными признаками всех микроорганизмов является малый размер, определяющий у них особенности высокой интенсивности обмена веществ.
При изучении процессов, происходящих на очистных сооружениях необходимо учитывать особенности жизнедеятельности микроорганизмов, особенности биохимических процессов и пути их интенсификации.
Предисловие.
Цель изучения дисциплины «Химия воды и микробиология» дать студентам знания о формировании и основных характеристиках состава природных и сточных вод, теоретических основах химических, физико – химических и биохимических методов очистки воды разного качества.
Программа по дисциплине состоит из двух частей. В первой из них освещаются вопросы, связанные с химией воды.
Во второй части программы пять частей, которым посвящено данное учебное пособие. Это разделы в которых последовательно освещаются вопросы общей и санитарной микробиологии и на их основе раскрывается сущность биохимических процессов, протекающих в почве, природных водоемах и на сооружениях очистки природных и сточных вод.
Поскольку сведения о многих микробиологических процессах в учебниках преподносятся в предельно сжатой форме, можно считать оправданным написание пособия по микробиологии, которое можно рассматривать как вторую часть лекционного курса «Химии воды и микробиологии».
В пособие включен иллюстративный материал, способствующий лучшему усвоению разделов связанных с морфологией и строением микроорганизмов, а также табличные данные по составу вод различного происхождения. Биохимические процессы рассматриваются через конкретные химические реакции.
Для проверки усвоения знаний в учебное пособие включены тестовые задания, подобранные по соответствующим темам.
Учебное пособие по микробиологии может быть использовано студентами специальности 290800 «Водоснабжение и водоотведение» при изучении спецкурса «Химия воды и микробиология».
I . ОБЩАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ
Морфология и систематика микроорганизмов.
Наиболее часто в природных и сточных водах встречаются следующие группы микроорганизмов:
1. Ультрамикробы (вирусы и фаги).
2. Бактерии.
3. Актиномицеты.
4. Грибы.
5. Водоросли.
6. Простейшие.
7. Коловратки.
Вирусы.
Это микроорганизмы, не имеющие клеточного строения. Размеры от 10 до 300нм.
Состав – молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК) или дезоксирибонуклеиновой (ДНК), окруженные белковой оболочкой.
Форма - кубическая, сферическая, палочковидная и др.
Размножение – простое деление, или более сложным путем, внутри клетки.
Виды – 1) энтеровирусы, развивающиеся в пищеварительном тракте человека или животных. Они состоят из молекулы РНК и белковой оболочки. Устойчивы к высушиванию, могут образовывать кристаллы кубического типа симметрии.
2) Фаги – особая группа вирусов. Они являются паразитами микроорганизмов. Различают:
-бактериофаги
-актинофаги,
- микофаги,
- альгофаги.
Форма - булавовидная
Размеры -50 -100нм.
Размножение – только в других клетках.
Обладают избирательностью действия. Это свойство позволяет использовать их в качестве показательного организма. Для индикации определенного вида бактерий в воду помещают фагов. Через определенное время определяют титр фага. Возрастание этого показателя говорит о присутствии в воде определенного вида бактерий.
Рис. 1. Бактериофаги в момент атаки бактериальной клетки (а) и бактериофаги при большем увеличении (б).
Встречаются – в воде водоемов, сточных водах, почве.
Играют определенную роль в формировании биоценозов в природных водах.
Риккетсии.
Занимают промежуточное положение между вирусами и бактериями.
Размеры – десятые доли микрометра.
Форма – шаровидная, палочковидная, нитевидная.
Состав – нуклеиновые кислоты и оболочка из белка.
Являются паразитирующими формами жизни, не развиваются на питательных средах. Развиваются в живом организме, вызывают заболевания риккетсиозы (сыпной тиф).
Бактерии.
Это в большинстве одноклеточные формы.
Размер -104 -10микрометра.
Форма – по форме делятся на группы:
1. шаровидные (кокки) делятся на :
а) микрококки,
б) диплококки,
в) стрептококки
г) сарцины –плотная упаковка (кубическая),
д) стафилококки – образуется скопление, напоминающее кисть винограда.
Роды: Micrococus, Sarcia, Streptococcus и др.
Рис. 2. Шаровидные (кокки) бактерии:
а — отдельные кокки (1000Х); б — парное соединение кокков (1000Х); в — цепочкообразное соединение кокков (900Х); г — шаровидные клетки, связанные по четыре (900Х); д — шаровидные клетки, соединенные пакетами по восемь (1000Х).
2. Палочковидные – могут быть одиночными, соединенными попарно или в цепочки. Могут иметь утолщения в разных местах. Некоторые образуют споры (p.Bacillus).
Рис. 3. Палочкообразные (цилиндрические) бактерии: а — общий вид; б— спороносная форма (1000Х)
3. Извитые – по количеству витков делятся на:
а) вибрионы – в виде запятой,
б) спириллы – с одним или несколькими изгибами,
в) спирохеты – с большим количеством витков.
Рис.4. Извитые бактерии: о — слабоизвитая форма вибриона (1000Х); б —спирилла (сильно извитая форма) (800Х); в— очень сильно извитая форма — спирохета (1000Х)
Наряду с вышеперечисленными типичными формами существуют микроорганизмы, отличающиеся по некоторым признакам, сюда относятся:
1) нитчатые формы – в них клетки соединены капсулой в длинные нити (железобактерии, серобактерии).
Рис. 5. Нитчатая бактерия (150Х)
2) Миксобактерии – на раннем этапе это овальные клетки с обособленным ядром. После размножения образуются слизистые колонии (плодовые тела), в которых формируются микроцисты. Из них снова формируются миксобактерии.
3) Цитофаги – клетки измененной фрмы без микроцист. Разлагают сложные углеводы.
Движение бактерий осуществляется с помощью жгутиков (на всей поверхности или на одном конце).
Строение бактериальной клетки.
Бактериальная клетка имеет сложное строение. Она включает в себя структурные элементы, необходимые для осуществления обмена веществ. Наружный слой содержимого клетки — цитоплазмы — уплотнен и образует трехслойную цитоплазматическую мембрану, состоящую из внутреннего липидного слоя и внешних — белковых. Цитоплазматическая мембрана непосредственно примыкает к оболочке клетки. Она обладает избирательной проницаемостью по отношению к различным соединениям и регулирует осмотический перенос веществ в клетку и из нее. В цитоплазматической мембране сосредоточены системы, катализирующие энергетические процессы. Внешняя оболочка клетки плотная, но эластичная, что способствует сохранению определенной формы бактерий. Иногда эта оболочка набухает, ослизняется, образуя капсулу. В результате соединения капсул возникают слизистые образования, содержащие бактериальные клетки — зооглеи.
Рис. 6. Обобщенная схема строения клетки палочковидной бактерии. Справа указаны структуры, встречающиеся в каждой клетке, слева — встречающиеся не во всех клетках.
Цитоплазма представляет собой коллоидный раствор, дисперсной фазой которого являются сложные белковые соединения и вещества, близкие к жирам, а дисперсионной средой — вода. У некоторых форм бактерий в цитоплазме содержатся включения — капельки жира, серы, гликогена и др. Постоянными составляющими бактериальных клеток являются особые выросты цитоплазматической мембраны — мезосомы, в которых содержатся ферментные окислительно-восстановительные системы. В этих образованиях идут в основном процессы, связанные с дыханием бактерий. В мелких включениях — рибосомах, содержащих рибонуклеиновую кислоту, осуществляется биосинтез белка. Большинство видов бактерий не имеет обособленного ядра. Ядерное вещество, представленное ДНК, у них не отделено от цитоплазмы и образует нуклеоид. Транспортировка веществ, необходимых для жизнедеятельности клетки, и отвод продуктов обмена осуществляется по особым каналам и полостям, отделенным от цитоплазмы мембраной, имеющей такое же строение, как и цитоплазматическая. Это структурное образование называется эндоплазматической сетью (ретикулум).
У некоторых палочковидных форм бактерий (бацилл, клостридий) наблюдается образование спор, отличающихся высокой устойчивостью к воздействию факторов внешней среды. Спорообразование внутри бактериальной клетки сопровождается возникновением участка с цитоплазмой более вязкой консистенции, который окружается плотной водонепроницаемой оболочкой. Вода в спорах находится в связанном состоянии. Этим объясняется устойчивость
спор к воздействию высоких температур. Они менее восприимчивы
к действию токсичных для бактерий веществ. С наступлением благоприятных условий спора прорастает, давая бактериальную клетку.
Размножение бактерий происходит путем деления. При этом образуются колонии. Внешний вид колоний определяется: видовыми особенностями, свойствами питательной среды и др. факторами.
Время, необходимое для завершения деления клетки называется временем генерации.
Скорость генерации зависит от: наличия питательных веществ, рН, концентрации продуктов обмена, температуры и т.д.
В оптимальных условиях деление клеток происходит через 15 – 18 мин.
Систематика бактерии.
Отличительным признаком служит отношение клеток к окрашиванию. (По Грамму). Сущность этого метода состоит в выяснении возможности удерживания данной клеткой красителя (кристаллический фиолетовый + йод) при последующей обработке препарата спиртом. По этому признаку бактерии делятся на : грамположительные
грамотрицательные.
Наименьшей систематической единицей является вид, объединяющий особей нескольких разновидностей, имеющих определенные отличительные признаки к другой более общей группе организмов – роду.
Род объединяет близкие по морфологическим и физиологическим признакам организмы. Роды объединяются в семейства, а семейства в группы.
Группа → семейство → род → вид
Bacteria (род) coli (вид) - 
Вид указывает на среду обитания.
Актиномицеты (лучистые грибы).
Занимает промежуточное положение между бактериями и грибами.
Вегетативное тело их называется мицелием. Нити мицелия образуют гифы 0,2 -15мкм.
Строение – одноклеточный разветвленный мицелий, не содержащий обособленных ядер.
Мицелий делится на
субстратный воздушный
(в питательной среде) (над средой)
На поверхности воздушного мицелия развиваются спороносцы.
Размножение – делением мицелия и спорами.
Среда обитания - почва.
Участвуют в переработке многих органических веществ в присутствии кислорода.
Продукты жизнедеятельности актиномицетов в условиях затрудненной аэрации могут вызвать появление запахов и привкусов воды.
Грибы.
Имеют (в основном) многоклеточный мицелий. Образуют субстратный и воздушный мицелий.
Размножаются – простым делением, почкованием, с помощью спор, половым путем.
Питание- органические вещества.
Наиболее часто встречаются роды
-Aspergillus
- Penecillium
-Musor.
Рис. 7. Плесневые грибы: а — Penicillium; б — Aspergillus; в — Mucor
Плесневые грибы (Aspergillus , Penecillium) имеют многоклеточный мицелий. Размножение спорами и половым путем.
Дрожжи –крупные овальные клетки. Размножаются пачкованием, реже спорами.
Mucor – одноклеточный разветвленный мицелий. Размножение с помощью эндоспор (внутри сферического спорангия).
Водоросли.
В клетках водорослей присутствует хлорофилл, обуславливая способность к фотосинтезу (бывают и другие пигменты). Наиболее часто встречаются: синезеленые, зеленые и диатомовые водоросли.
Рис.8. Синезеленые (1), зеленые (2), диатомовые (3) водоросли:
а, б —p. Oscillatoria; в — Anabaena spiroides; г — Scenedesmus quadricauda; д — Ulothrix; е — Diatoma vulgare; ж — Navicula
Синезеленые водоросли - самые низкоорганизованные формы. Наиболее приспособлены к жизни в водоемах, загрязненных органическими веществами.
Встречаются: одноклеточные формы, нитчатые формы.
Отличительные черты:
1) нет вакуолей с клеточным соком, 
2) нет обособленных ядер,
3) хлорофилл и другие пигменты распределены в виде зерен в наружном слое протоплазмы,
4) внутри клетки имеется пузырек воздуха, благодаря чему они находятся во взвешенном состоянии.
Рис. 9. Синезеленые водоросли (Cyanophyceae):
а — Nostoc commune; б —Anabena; ft— гетероциста;
sp — спора; слева — прорастание споры
Зеленые водоросли – одноклеточные, многоклеточные и колониальные формы.
Отличительные черты - пигменты в хроматофорах.
-Содержат органоиды характерные для высших растений.
- Ядро дифференцированное и отделено от цитоплазмы мембраной. Оболочка состоит из целлюлозы. В цитоплазме зерна крахмала.
Размножение - деление цитоплазмы с образованием дочерних клеток или половым путем.
Форма – шаровидная, овальная и др.
| |
Рис.10. Зеленые водоросли (Chlorophyceae): a — Chlamydomonas (У — вегетативная особь; 2 — размножение делением на 4 клетки); б—Pleurococcus (клетки после деления)
Представители одноклеточные – Хлорелла (Chlorella vulgaris)
Хламидомонады. Колониальные – вольвокс (Volvox aureus).
Многоклеточные – улотриксовые.
|
|
Диатомовые – одноклеточные микроорганизмы, имеющие твердые силикатные панцири.
Рис.11. Различные виды почвенных диатомовых водорослей Navicula
Тип простейшие. (Protozoa).
Сюда относятся одноклеточные животные организмы. Постоянными обитателями водоемов являются следующие классы:
1. Саркодовые ( Sarcodina).
2. Жгутиковые (Mastigophora).
3. Инфузории (Infusoria).
Класс саркодовые включает в себя простейших, образующих выросты (псевдоподии) для передвижения и захвата пищи.
Сюда относятся: а) амебы (голые и раковинные), б) солнечники, в) фораминиферы, г) радиолярии.
Строение – цитоплазма двуслойная – этоплазма и экзоплазма. Обособленное ядро (у некоторых много ядер), пищеварительные вакуоли, сократительные вакуоли.
Питание - амебы питаются бактериями
Солнечники – другими простейшими.
У раковинных амеб имеются раковины для защиты от внешних воздействий. Фораминеферы и радиолярии имеют наружный известковый скелет, являются обитателями морей и океанов.
|
|
Рис. 12. Простейшие (класс Sarcodina):
а — Amoeba Птах; б —Amoeba radiosa (различные состояния); в —Arcella discoides; г — Centropyxis laevigata (/— раковинки с цистой; 2 — раковинка с ротовым отверстием; 3 — вид спереди; 4'—вид сбоку); д — Centropyxis aculeata; е — Euglypha alveclava; ж — Euglypha Iaevis (1 — раковинка с псевдоподиями; 2 —раковинка с цистой); з — Pamphagus hyalinus; и — Aktinophrys vesiculat
Класс жгутиковые - имеют постоянную форму. Передвигаются с помощью жгутиков. Среди них организмы с различным уровнем развития и типом питания. Некоторые из них, например, вольвоксовые и хламидомонады, обладают фотосинтезом и относятся к растительным организмам. Эвгленовые имеют смешанный тип питания. На свету – фотосинтез, в темноте – органические вещества. Эвгленовые распространены в водоемах, загрязненных органическими веществами.
Строение: один жгутик, хроматофоры (с хлорофиллом), сократительная вакуоль. Оболочка плотная, что обеспечивает постоянство формы. Наличие определенных видов жгутиковых в водоемах с определенной степенью загрязнения позволяет использовать их в качестве биоиндикаторов загрязнения воды органическими примесями. Так в водах со значительной степенью загрязнения обитают мелкие жгутиконосцы (10-25 нм) рода Bodo, имеющие тела яйцевидной формы и два противоположно направленных жгутика.
Рис. 13. Простейшие (Flagellata): а — Oicomonas socialis; б — Bodo; в — Trepomonas steini
Инфузории – имеют наиболее сложное строение. Органами передвижения являются реснички. Размер – 0,15 – 0,2 мм.
|
|
Место обитания – пресные и морские воды, почва. Питание – бактериями, взвешенными органическими примесями.
Рис. 14. Ресничные инфузории (Ciliata):
а — Paramaecum caudatum (/ — сократительная вакуоль; 2 — пищеварительная вакуоль; 3 — большое ядро; 4 — малое ядро; 5 —цитоплазма; 5 —порошица; 7 — реснички; 8 — ротовой желобок; S —глотка); б — Aspidisca costata; в — Oxytricha pellionella; г — Stylonychia pustulata; д — Cyclidium glaucoma; e — Rhabdostyla ovum; ж — Lionotus lamella; з — Vor-ticella microstoma; и — Vorticella conyallaria; к — Opercularia coarctata; л — Opercularia glomerata; м- Epistylis plicatilis; н — Cinetochilum margaritaceum
Строение – жгутики, оболочка, два ядра (макронуклеус и микронуклеус). Пищеварительная вакуоль, сократительная вакуоль.
Представители: Paramecium Caudatum (туфелька) –свободноживущая.
Рис. 15. Сосущие инфузории (Suctona): a —. Tokophrya lemnarum; 6 — Acineta flava
Прикрепленные формы имеют строение: стебелек, закрепленный на твердой поверхности, заканчивается овальной клеткой в виде колокольчика. Встречаются свободноживущие и колониальные формы. Особую группу составляют сосущие инфузории, ведущие паразитический образ жизни.
Коловратки.
Это многоклеточные животные организмы, имеющие членистое строение панциря. Размер до 2 мм.
Строение. В передней части ротовое отверстие, окруженное ресничками. Пищеварительная система состоит из ротовой полости, глотки, пищевода, желудка, тонкой кишки. Продукты обмена удаляются с помощью выделительных органов. Движение осуществляется с помощью коловращательного аппарата и ноги, выступающей из панциря в задней части. Коловратки используются в качестве индикаторных организмов при оценке работы очистных сооружений биологической очистки.
Рис. 16. Коловратки: а — Philodina roseola; б — Callidina vorax; в - Cathypna luna; г — Notommata ansata
Физиология микроорганизмов.
Ферменты.
Биохимические реакции протекают в присутствии биологических катализаторов – ферментов (энзимов). Это соединения белковой природы.
По месту действия ферменты делятся на:
1. Экзоферменты (наружные).
2. Эндоферменты (внутренние).
По химическому строению ферменты бывают:
1. Простыми (протеины).
2. Сложными (протеиды).
Протеины – проявляют активность вследствие наличия активных (каталитических) центров в белковой молекуле.
Протеиды – включают активные группы (сложная органика или металлы – Fe, Co). Белковая часть фермента называется фероном. Добавочная – агоном. Отдельно ферон и агон не проявляют активности. Если агон может существовать отдельно, он называтся коферментом. В состав коферментов часто входят витамины.
Например: кофермент НАД (никотинамидадениндинуклеотид) и НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), участвующие в переносе водорода содержат витамин В5 (никотинамид).
Механизм действия ферментов связан со снижением энергии активации взаимодействующих молекул.
Последовательность процессов:
Е+А ↔ ЕА↔ В+Е
Е – фермент
А – субстрат
В – продукт реакции.
Свойства ферментов.
1. Действие ферментов специфично.
2. Очень активны.
3. Активность зависит от: а) рН, б) температуры, в) присутствие ряда хим. соединений.
Активацию ферментов вызывают:
1. Ионы Мn 2+, Zn2+, Ca2+, Mg2+ .
2. Витамины и др.
Ингибиторы тормозят их действие, например, соли тяжелых металлов антибиотики.
В зависимости от типа хим. реакций ферменты делятся на:
1. Гидролазы (ускоряющие процессы с участием воды).
2. Оксиредуктазы – ускоряют окислительно – восстановительные реакции. Ферменты, участвующие в переносе водорода, называются дегидрогеназами.
3. Трансферазы – ускоряют реакции передачи атомных групп, радикалов от одних соединений к другим.
4. Лиазы – распад или синтез органических соединений.
5. Лигазы (синтетазы) – биосинтез белков.
6. Изомеразы – внутримолекулярные превращения.
Микроорганизмы воздуха
Воздух – неблагоприятная среда для жизни микроорганизмов. Качественный состав микрофлоры воздуха не является постоянным и зависит от источника бактериального загрязнения. Большую часть микроорганизмов составляют:
- различные виды кокков,
- пигментообразующие бактерии,
- споры актиномицетов,
- плесневые грибы.
Наряду с безвредными микроорганизмами могут содержаться патогенные микроорганизмы – возбудители инфекций, передающихся воздушно – капельным путем (туберкулез, грипп и т.д.).
Микроорганизмы воды
Их количество определяется факторами:
- наличие органических веществ,
- содержание растворенного кислорода,
- температура,
- характер водоема и т.д.
В подземных водах и в водах осадков содержится незначительное количество микроорганизмов.
В поверхностных водах численность микроорганизмов определяется степенью загрязнения воды органикой. В воде рек число микроорганизмов может доходить до миллиона клеток в 1 мл. Донный ил, содержащих большое количество питательных веществ в виде органических остатков является средой обитания для многих организмов. Видовой состав многообразен.
II . САНИТАРНАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ
Процесс денитрификации.
В анаэробных условиях нитраты в результате ферментативных превращений могут восстанавливаться до свободного азота. Этот процесс называется денитрификацией. Денитрификацирующие бактерии широко распространены в водоемах и в почве. К ним относятся Bacterium denitrificans , Pseudonionas flourescens. Восстанавливать нитраты могут некоторые серобактерии
6KNO3 + 5S + 2CaCO3 = 3K2 SO4 + 2CaSO4 + 2CO2 + 3N2
Биохимические процессы, протекающие при разложении
осадка сточных вод
Осадок сточных вод и концентрированной производственной сточной воды с БПК выше 5 г/л подвергаются анаэробному разложению. Оно может происходить в сооружениях септитенках - это отстойники, через которые медленно проходит сточная жидкость.
В очистных сооружениях большой производительности осадок сточных вод выделяется в первичных отстойниках и вместе с избыточным активным илом подвергается сбраживанию в метантенках.
Интенсивность и глубина разложения осадка определяется его составом. Обычно в осадке городских сточных вод содержится 70-80% органики. Примерный состав осадка:
Белки -24%
Углеводы -23%
Жиры -30%.
При кислом брожении осадка получают:
-уксусная кислота
-масляная кислота
-пропионовая кислота
-СО2, СН4, Н2, Н2S
Водная фаза имеет кислую реакцию среды (рН <5), не обладает буферными свойствами, имеет резкий неприятный запах.
Для нормальной работы сооружений, в которых идет разложение осадка, необходимо создавать условия для метанового брожения.
Оно определяется:
1. температурой
2. временем брожения
3. степенью перемешивания
4. химическим составом осадка
5. рН
6. щелочностью
7. концентраций летучих органических кислот
8. наличием токсичных примесей, биогенных элементов
9. достаточным количеством микроорганизмов.
Термофильное брожение имеет ряд преимуществ перед мезофильным. К ним относятся:
1. большая скорость и глубина распада
2. увеличение объема выделяющегося газа
3. почти полное отмирание патогенных организмов и дегельментизация.
При t 37 -42 0С брожение замедляется, так как температура мала для термофилов и высока для мезофиллов.
Состав образующихся газов:
Метан- 62 -65 %
СО2 – 30-35%
Н2 – 0,5%
N2 – 2,2 - 2,8%.
Метановое брожение идет в интервале рН 5,6 – 8,2. Оптимум – 7,0 – 7,6.
Несмотря на присутствие кислот рН бродящей массы меняется слабо из –за буферных свойств иловой воды (Н2СО3 НСО3 -).
Контроль за работой метантенка ведется по качественному составу и количеству образующегося газа, осадка и по иловой жидкости.
При нормальном метановом брожении иловая вода должна иметь показатели:
-рН 6,8 – 7,5
-щелочность 40 -60 мт –экв/л
-жирные кислоты – 10-12 мт –экв/л
-NH4+ - 500 мт/л.
Сброженный осадок содержит большое количество соединений азота, фосфора и др. биогенных элементов.
Поэтому после дополнительного обезвоживания и сушки может использоваться в качестве удобрения.
Аэробная стабилизация осадка
В последние годы для обработки активного ила и смеси его с осадком из первичных отстойников используется аэробная стабилизация.
Она заключается в частичном окислении органических примесей, входящих в состав твердой фазы, при длительной аэрации в сооружениях типа аэротенков. Эффективность обработки осадка зависит от:
1. состава и свойств осадка
2. длительности и интенсивности аэрации
3. температуры и др.
Длительность аэрации для стабилизации активного ила составляет 7 -10 сут; для осадка из первичных отстойников 10-15 суток. При этом происходит самоокисление клеточного вещества бактерий. Процесс аэробной стабилизации называется аэробным сбраживанием.
Тесты.
1. Микроорганизмы, не имеющие клеточного строения…
А) бактерии.
Б) простейшие.
В) вирусы.
Г) актиномицеты.
Д) водоросли.
2. Вирусная частица состоит из:
А) белков, жиров, углеводов.
Б) нуклеиновых кислот и белков.
В) белков, нуклеиновых кислот и АТФ.
Г) белков, аминокислот, карбоновых кислот.
Д) только из белков разного состава.
3.Фаги – это…
А) вирусные паразиты бактерий.
Б) патогенные бактериальные формы.
В) паразитические формы простейших.
Г) гельминты.
Д) водоросли.
4. Способы размножения фагов:
А) путем митоза.
Б) путем деления на две части.
В) пачкованием и спорами.
Г) вегетативным путем.
Д) внутри других клеток.
5. Риккетсии…
А) патогенные бактериальные формы.
Б) вирусные паразиты бактерий.
В) формы промежуточные между вирусами и бактериями.
Г) формы промежуточные между вирусами и грибами.
Д) формы промежуточные между грибами и водорослями;.
6. Указать правильное утверждение.
А) Риккетсии не развиваются на питательных средах.
Б) Риккетсии – сапрофитные формы жизни.
В) Риккетсии не патогенные организмы.
Г) риккетсии паразитируют на бактериях.
Д) Риккетсии не имеют постоянной формы тела.
7. Бактерии – это…
А) одноклеточные формы, способные образовывать колонии.
Б) неклеточные, патогенные жизненные формы.
В) одноклеточные патогенные организмы.
Г) неклеточные колониальные формы жизни.
Д) многоклеточные патогенные организмы.
8. К шаровидным бактериям относятся…
А) сарцины, вибрионы, спириллы.
Б) стрептококки, стафилококки, сарцины.
В) спирохеты, диплококки, спириллы.
Г) монококки и бациллы.
Д) стафилококки и бациллы.
9. К извитым бактериям относятся:
А) вибрионы, спириллы, спирохеты.
Б) сарцины, стафилококки, вибрионы.
В) вибрионы, стафилококки, спирохеты.
Г) кокки, бациллы, вибрионы
Д) бациллы, вирусы, риккетсии.
10. Железобактерии относятся к:
А) нитчатым формам.
Б) цитофагам.
В) миксобактериям.
Г) бактериофагам.
Д) актиномицетам.
11. Бактериальная клетка состоит из:
А) оболочки, ядра и цитоплазмы.
Б) оболочки и протоплазмы.
В) ядра, митохондрий и рибосом.
Г) ядра, тилакоидов и мезосом.
Д) ядра, аппарата Гольджи и лизосом.
12. Указать правильное утверждение.
А) вид бактериальной колонии зависит от видовых особенностей микроорганизмов.
Б) вид бактериальной колонии зависит только от свойств питательной среды.
В) вид бактериальной колонии имеет произвольную форму, не зависящую от внешних факторов.
Г) вид бактериальной колонии одинаков у всех видов бактерий
Д) вид бактериальной колонии зависит от температурного режима.
13. Указать время генерации бактерий в оптимальных условиях.
А) 0,5-1 часа.
Б) до 24 часов.
В) 15-20 мин.
Г) неопределенное.
Д) от 24 ч. до года.
14. К каким бактериальным формам относятся железобактерии?
А) нитчатые.
Б) шаровидные.
В) палочковидные.
Г) извитые.
Д) миксобактерии.
15. Серобактерии относятся к:
А) цитофагам.
Б) миксобактериям.
В) нитчатым.
Г) шаровидным.
Д) извитым.
16. Указать правильное утверждение:
А) Цитофаги разлагают сложные углеводы.
Б) Цитофаги разлагают белки.
В) Цитофаги – неклеточные формы жизни.
Г) Цитофаги – паразиты водорослей.
Д) Цитофаги – вирусные формы жизни.
17. Наименьшей систематической единицей живых организмов является…
А) вид.
Б) род.
В) семейство.
Г) порода.
Д) сорт.
18. Актиномицеты…
А) относятся к одноклеточным грибам.
Б) занимают промежуточное положение между бактериями и грибами.
В) занимают промежуточное положение между одноклеточными грибами и водорослями.
Г) относятся к многоклеточным организмам.
Д) относятся к вирусам.
19. Как называется вегетативное тело актиномицетов…
А) мицелий.
Б) таллом.
В) слоевище.
Г) ризоид.
Д) колония.
20. Среда обитания актиномицетов…
А) водоемы пресные и соленые.
Б) почва и атмосфера.
В) почва.
Г) водоемы, почва, атмосфера.
Д) соленые воды и атмосфера.
21. Действие актиномицетов на воду…
А) в условиях затрудненной аэрации могут вызывать появление запахов и привкусов воды.
Б) в условиях избытка кислорода обуславливают увеличение цветности воды.
В) независимо от степени аэрации водоема актиномицеты влияют на цветность и физические качества воды.
Г) в условиях избытка кислорода вызывают цветение открытых водоемов.
Д) независимо от степени аэрации вызывают развитие нитчатых водорослей.
22. Отличительные особенности синезеленых водорослей:
А) ядро дифференцировано и отделено от цитоплазмы мембраной.
Б) отсутствует обособленное ядро, хлорофилл и пигменты в виде зерен в цитоплазме.
В) пигменты в хроматофорах, содержит органоиды, характерные для высших растений.
Г) наличие пластид и митохондрий.
Д) наличие хлоропластов и ядерных структур.
23. Зеленые водоросли – это:
А) одноклеточные, многоклеточные и колониальные формы.
Б) одноклеточные формы.
В) многоклеточные и колониальные формы.
Г) многоклеточные формы и ценобии.
Д) одноклеточные, колониальные и ценобиальные формы.
24. Представители зеленых водорослей:
А) эвгленовые, вольвоксовые, хламидомонада.
Б) хлорелла, хламидомонада, улотриксовые.
В) вольвоксовые, улотриксовые, эвгленовые.
Г) диатомовые, цианеи, харовые.
Д) харовые, цианеи, радиолярии.
25. Одноклеточные водоросли, имеющие твердые силикатные панцири.
А) эвгленовые.
Б) улотриксовые.
В) диатомовые.
Г) харовые.
Д) цианеи.
26. Размножение зеленых водорослей:
А) путем митоза.
Б) пачкование.
В) вегетативное размножение.
Г) деление цитоплазмы с образованием дочерних клеток.
Д) клонирование.
27. Отличительные черты диатомовых водорослей:
А) клетки не имеют ядра и мембранных структур.
Б) многоклеточные организмы без истинных тканей.
В) гетеротрофные организмы, не имеющие пластид.
Г) одноклеточные организмы с твердым силикатным панцирем.
Д) многоклеточные организмы с наружным скелетом.
28. Одноклеточные животные организмы:
А) бактерии.
Б) актиномицеты.
В) простейшие.
Г) цианеи.
Д) вирусы.
29. К какому типу относится класс саркодовых…
А) простейшие.
Б) водоросли.
В) грибы.
Г) бактерии.
Д) таллофиты.
30. Представители класса саркодовых…
А) эвглена зеленая и вольвокс.
Б) антиномицеты и грибы.
В) амебы и фораминиферы.
Г) фераминиферы и инфузории
Д) инфузории и хлорелла.
31. Представители класса инфузорий…
А) paramecium caudatum.
Б) bodo.
В) martigophora.
Г) Mucor.
Д) Amoeba proteur.
32. Отличительные особенности строения клеток простейших:
А) двуслойная цитоплазма.
Б) отсутствие ядерных структур.
В) наличие хлоропластов.
Г) целлюлозная оболочка.
Д) наличие клеточного центра.
33. Коловратки это -
А) бактериальные формы.
Б) многоклеточные животные.
В) многоклеточные водоросли.
Г) одноклеточные грибы.
Д) одноклеточные животные, имеющие сложное строение.
34. Обмен веществ включает два процесса…
А) ассимиляция и диссимиляция.
Б) метаболизм, катаболизм.
В) анаболизм, метаболизм.
Г) диссимиляция и катаболизм.
Д) ассимиляция и анаболизм.
35. Энергетический обмен это…
А) разрушение веществ, содержащихся в организме, с выделением энергии, необходимой для биосинтеза.
Б) процесс усвоения веществ поступающих из окружающей среды и создание биомассы.
В) взаимодействие организма с окружающей средой, проявляющихся в обмене веществ и энергии.
Г) разрушение белков под действием ферментов и синтез аминокислот.
Д) создание ферментных систем для синтеза белковых молекул.
36. Конструктивный обмен – это:
А) разрушение веществ, содержащихся в организме, с выделением энергии, необходимой для биосинтеза.
Б) процесс усвоения веществ поступающих из окружающей среды и создание биомассы.
В) взаимодействие организма с окружающей средой, проявляющихся в обмене веществ и энергии.
Г) синтез аденозинтрифосфата и жироподобных соединений.
Д) распад АТФ с целью получения энергии.
37. Активацию ферментов вызывают:
А) антибиотики и витамины.
Б) витамины и ионы Mn2+,Zn2+, Ca2+, Mg2+.
B) антибиотики и ионы Mn2+,Zn2+, Ca2+, Mg2+.
Г) витамины и гормоны.
Д) витамины и антибиотики.
38. Отличительными особенностями ферментов являются:
А) специфичность действия.
Б) специфичность условий.
В) требования по температуре и давлению.
Г) широкий спектр действия.
Д) универсальность в каталитическом действии.
39. Оксиредуктазы:
А) регулируют распад или синтез органических соединений.
Б) ускоряют окислительно – восстановительные реакции.
В) ускоряют реакции передачи атомных групп и радикалов от одних соединений к другим.
Г) ускоряют реакции гидролиза и переноса ионов.
Д) регулируют реакции синтеза жироподобных соединений.
40. Указать, как называется белковая часть фермента:
А) агон.
Б) кофермент.
В) ферон.
Г) экзофермент.
Д) эндофермент.
41. Как называется вещество, на которое действует фермент:
А) энзим.
Б) продукт.
В) кофермент.
Г) субстрат.
Д) протеин.
42. Указать вещества – ингибиторы ферментативной активности.
А) антибиотики.
Б) витамины.
В) гормоны.
Г) микроэлементы.
Д) биогенные элементы.
43. Автотрофы:
А) для синтеза органики используют углекислый газ или карбонаты.
Б) усваивают углерод органических соединений.
В) включают в обмен веществ мертвую органику.
Г) для синтеза органики используют жиры и глицерин.
Д) усваивают углерод живых растений и животных.
44. Гетеротрофы…
А) для синтеза органики используют углекислый газ или карбонаты.
Б) усваивают углерод органических соединений.
В) включают в обмен веществ минеральные вещества.
Г) способны к фотосинтезу.
Д) способны к фоторедукции.
45. Фототрофы…
А) используют солнечную энергию для построения живого вещества.
Б) используют энергию окисления неорганических соединений.
В) используют энергию теплового излучения земных недр.
Г) используют солнечную энергию для разложения глюкозы.
Д) используют энергию химических связей для синтеза органики.
46. Хемотрофы…
А) используют солнечную энергию для построения живого вещества
Б) используют энергию окисления неорганических соединений
В) используют энергию теплового излучения земных недр
Г) не нуждаются во внешних источниках энергии
Д) способны к фотосинтезу
47. Аккумулирование энергии в клетках микроорганизмов осуществляется за счет синтеза…
А) ДНК и РНК.
Б) углеводов и жиров.
В) аденодинтрифосфата.
Г) АТФ и ДНК.
Д) жиров и АТФ.
48. Роль воды в клетке (указать неправильный ответ).
А) с помощью воды осуществляется транспорт веществ в клетку.
Б) Вода играет определенную роль в теплорегуляции.
В) в спорах содержание воды увеличивается.
Г) вода – растворитель многих веществ, необходимых клетке.
Д) вода играет определенную роль для выведения из клетки продуктов обмена веществ.
49. К органогенам не относится:
А) углерод, азот.
Б) углерод, хлор.
В) водород, кислород.
Г) азот, водород.
Д) углерод, кислород.
50. По типу дыхания микроорганизмы делятся на…
А) аэробы, анаэробы.
Б) автотрофы, гетеротрофы.
В) мезофиллы, психрофилы.
Г) аэробы и гетеротрофы.
Д) анаэробы и мезофиллы.
51. Хемолитотрофы:
А) используют энергию окисления неорганических соединений.
Б) используют энергию солнечного света.
В) используют энергию окисления органических соединений.
Г) используют энергию земных недр.
Д) используют энергию окисления неорганических и органических соединений.
52. Хемоорганотрофы:
А) используют энергию окисления неорганических соединений.
Б) используют энергию солнечного света.
В) используют энергию окисления органических соединений.
Г) используют энергию земных недр.
Д) используют энергию окисления неорганических и органических соединений.
53. Брожение это –
А) анаэробный окислительно – восстановительный процесс, при котором акцептором водорода является один из продуктов реакции.
Б) аэробный окислительно – восстановительный процесс преобразования глюкозы.
В) ферментативный процесс синтеза глюкозы из углекислого газа и воды.
Г) ферментативный процесс окислительного фосфорилирования и образование АТФ.
Д) ферментативный процесс гидролиза сахаров.
54. Организмы, способные существовать при высоких концентрациях NaCl называются:
А) осмофилы.
Б) галлофилы.
В) термофилы.
Г) психрофилы.
Д) мезофиллы.
55. Как называется фаза задержки роста (адаптации) развития культуры микроорганизмов.
А) фаза стационарного роста.
Б) фаза логарифмического роста.
В) лаг-фаза.
Г) фаза ускоренного роста.
Д) фаза отмирания.
56. Организмы, способные существовать при повышенных концентрациях сахара.
А) осмофилы.
Б) мезофиллы.
В) галофилы.
Г) психрофиллы.
Д) мезофиллы.
57. Биоценоз – это:
А) сообщество организмов, относящихся к одному виду.
Б) сообщество организмов, объединенное общей средой обитания.
В) сообщество микроорганизмов относящихся к одному типу обмена веществ.
Г) сообщество организмов объединенных по способу питания.
Д) сообщество организмов объединенных по способу дыхания.
58. Совокупность организмов, населяющих толщу воды:
А) планктон.
Б) бентос.
В) перефитон.
Г) оброст.
Д) биоценоз.
59. Совокупность организмов, обитающих на дне в толще донных осадков.
А) планктон.
Б) бентос.
В) перефитон.
Г) оброст.
Д) биоценоз.
60. Совокупность организмов, развивающихся на погруженных в воду растениях, подводных предметах, водотоках…
А) планктон.
Б) бентос.
В) перифитон.
Г) биоценоз.
Д) фитопланктон.
61. Зона сильного загрязнения…
А) полисапробная зона.
Б) мезосапробная зона.
В) олигосапробная зона.
Г) α - мезосапробная зона.
Д) β - мезосапробная зона.
62. Зона среднего загрязнения…
А) полисапробная зона.
Б) мезосапробная зона.
В) олигосапробная зона.
Г) автохтонная зона.
Д) аллохтонная зона.
63. Зона чистой воды …
А) полисапробная зона.
Б) мезосапробная зона.
В) олигосапробная зона.
Г) автохтонная зона.
Д) аллохтонная зона.
64. Зона, характеризующаяся наличием большого количества нестойких органических загрязнений и отсутствием свободного кислорода это…
А) олигосапробная зона.
Б) полисапробная зона.
В) мезосапробная зона.
Г) α - мезосапробная зона.
Д) β - мезосапробная зона.
65. Зона, в которой развиваются только автотрофные организмы это…
А) олигосапробная зона.
Б) полисапробная зона.
В) мезосапробная зона.
Г) зона сильного загрязнения.
Д) зона цветения водоема.
66. Цветение пресных водоемов вызывается:
А) массовым развитием бактерий и грибов.
Б) массовым развитием микроскопических водорослей и жгутиковых.
В) массовым развитием простейших и актиномицет.
Г) массовым развитием вирусов и риккетсий.
Д) массовым развитием диатомовых водорослей.
67. Какими видами микроорганизмов вызывается маслянокислое брожение:
А) бактериями.
Б) грибами и водорослями.
В) простейшими.
Г) актиномицеты.
Д) бациллами.
68. Восстановление нитратов до свободного азота в анаэробных условиях называется:
А) брожением.
Б) нитрификацией.
В) денитрификацией.
Г) гидролизом.
Д) аммонификацией.
69. Типы взаимоотношений между водными организмами:
А) симбиоз, метабиоз, антогонизм.
Б) мезофиллы, термофилы, психрофилы.
В) автотрофы, хемотрофы, гетеротрофы.
Г) симбиоз, анабиоз, хищничество.
Д) хищничество, хемотропизм, гетеротропизм.
70. Биохимическое разложение органических веществ в анаэробных условиях…
А) биоокисление.
Б) брожение.
В) гидролиз.
Г) дыхание.
Д) редукция.
71. Признаки санитарно показательных микроорганизмов (указать неправильный ответ).
А) общая естественная среда обитания с патогенными микроорганизмами.
Б) патогенные микроорганизмы.
В) выделение во внешнюю среду в большом количестве.
Г) простые методы определения организмов.
Д) большая по сравнению с патогенными организмами устойчивость.
72. Собственное население, присущее данному водоему.
А) автотрофные организмы.
Б) симбиотические организмы.
В) автохтонные организмы.
Г) аллохтонные организмы.
Д) бентос и планктон.
73. Микроорганизмы, попадающие в водоем с различными загрязнениями:
А) автотрофные организмы.
Б) симбиотические организмы.
В) автохтонные организмы.
Г) аллохтонные организмы.
Д) бентос и планктон.
74. При массовом отмирании водорослей наблюдается нарушение санитарного режима водоема. При этом:
А) повышается содержание аммонийного азота.
Б) повышение содержания биогенных элементов.
В) увеличивается содержание растворенного кислорода.
Г) увеличивается температура воды.
Д) уменьшается концентрация аммонийного азота и СО2.
75. Для борьбы с зарастанием применяют методы (указать неправильный ответ).
А) применение пестицидов.
Б) разведение травоядных рыб.
В) скашивание растений и затенение водоемов, путем посадки деревьев на берегу канала.
Г) разведение травоядных животных.
Д) применение коагуляции сульфитом алюминия.
76. Брожение целлюлозы включает 2 этапа:
А) сбраживание целлюлозы и ее ферментативное разложение с образованием С6Н12О6, СО2, Н2.
Б) ферментативное сбраживание глюкозы и ее последующее окисление с образованием пировиноградной кислоты СО2, Н2.
В) ферментативные реакции образования глюкозы и сбраживания глюкозы с образованием органических кислот, этилового спирта, СО2 и Н2.
Г) ферментативные реакции с образованием СО2 и Н2О.
Д) прямое окисление глюкозы с образованием СО2 и Н2О.
77. Разложение жиров в анаэробных условиях проходит через…
А) образование глицерина и жирных кислот.
Б) образование глюкозы и CO2 .
В) образование пировиноградной кислоты и глюкозы.
Г) образование жирных кислот и глюкозы.
Д) образование глицерина и глюкозы.
78. Брожение жирных кислот выражается схемой…
А) C2H5OH + CO2→ CH4 + 2CH3COOH
Б) CH3OH → 3CH4 + CO2 + 2H2O
В) HCOOH → CH4 + 3CO2 + 2H2O
Г) С6Н12О6 = 2 СО2 + 2С2Н5ОН
Д) С6Н12О6 + 6О2 = 6 CO2 + 6H2O
79. Разложение белков включает следующие этапы…
А) образование аминокислот, восстановительное дезаминирование, разложение органических кислот.
Б) образование аминокислот, окисление аминокислот, гидролиз с образованием CH4, NH3, CO2 .
В) восстановительное дезаминирование продуктов реакции и образование сероводорода.
Г) гидролиз белков с образованием спиртов и кетонов.
Д) разложение органических кислот с образованием глюкозы.
80. Аэробные процессы очистки сточных вод происходят (указать неправильный ответ):
А) в аэротенках смесителей.
Б) на биофильтрах.
В) биологических прудах.
Г) в метантенках.
Д) поля орошения и поля фильтрации.
Список использованной литературы
1. Емцев, В.Т. Микробиология: учебник для вузов / В.Т. Емцев, Е.Н. Мишустин. – 5-е изд., перераб. и доп..-М.: Дрова, 2005.- 444, [1] с.: ил.. – (Высшее образование) микроорганизмы.
2. Ивчатов, А. Л. Химия воды и микробиология: учебник для сред. спец. учеб. заведений по специальности «Водоснабжение и водоотведение» / А.Л. Ивчатов, В. И. Малов. – М.: ИНФРА-М, 2006. – 216, [1] с.: ил..- (Среднее профессиональное образование) вода.
3. Санитарно – микробиологический анализ питьевой воды: 4.2. Методы контроля, биологические и микробиологические факторы: Методические указания МУК 4.2.1018 -01: Утв. Гл. гос. сан. врачом РФ 09.02.01 г. / Федер. центр госсанэпиднадзора Минздрава России. – М., 2001. – 47 с.. – (Гос. сан. –эпидемиолог. Нормирование РФ).
Г.А. Тихановская
Микробиология
Учебное пособие
Вологда
2009
Федеральное агентство по образованию
Вологодский государственный технический университет
Г.А. Тихановская
Микробиология
Утверждено редакционно – издательским советом ВоГТУ
в качестве учебного пособия
Вологда
2009
УДК
ББК
Рецензенты:
кандидат химических наук, доцент ВГМХА Т.Л. Бланк;
старший преподаватель ВГПУ А.А. Калачева.
Тихановская, Г.А.
Микробиология учеб. пособие / Г.А. Тихановская. – Вологда: ВоГТУ, 2009. - с.
Учебное пособие является частью лекционного курса «Химия воды и микробиология» раздел «Микробиология» для студентов дневного и заочного отделения специальности 290800 «Водоснабжение и водоотведение». Пособие составлено на основании требований Государственного образовательного стандарта высшего и профессионального образования с учетом требований к минимуму содержания и уровню подготовки инженеров по специальности 290800.
Темы, включенные в пособие, охватывают содержание общетеоретической части курса: общая микробиология, санитарная микробиология, процессы загрязнений и самоочищения водоемов, влияние гидробионтов на работу очистных сооружений водопровода, роль микроорганизмов в процессах очистки сточных вод.
Материал пособия основан на современных методах исследования и может быть использован студентами и аспирантами, как в учебных, так и научно – исследовательских работах.
УДК
ББК
Вологодский государственный
техничсекий университет, 2009
Тихановская Г.А., 2009
Введение.
Слово микробиология происходит от греческих слов micros –малый и bios – жизнь.
Микробиологией называется наука о малых (невидимых невооруженным глазом) организмах. Задача микробиологии заключается в изучении строения и закономерностей развития микроорганизмов с целью выяснения роли их в процессах превращения веществ, возможности управления этими процессами. Микроорганизмы имеют исключительно важнее значение в круговороте веществ в природе. Одни микроорганизмы осуществляют распад сложных соединений в процессе разложения органических остатков, а другие в процессе жизнедеятельности синтезируют органические вещества из простых неорганических соединений (СО2, С, N2 и др.).
Некоторые микроорганизмы могут вызывать болезни, а другие используются для лечения ранее не излечимых заболеваний. Микроорганизмы способствуют образованию почв, под их воздействием образуются отложения некоторых полезных ископаемых (например, некоторых видов железных и серусодержащих руд).
Водная микробиология изучает строение и жизнедеятельность микроорганизмов, находящихся в чистых и загрязненных водах, определяет направленность и закономерности процесса самоочищения, выясняют возможность использования микроорганизмов в качестве индикаторов степени загрязнений воды.
Особое внимание уделяется изучению биохимических процессов, протекающих при очистке сточных вод, влиянию микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности на качество воды и работу очистных сооружений.
Микроорганизмы не представляют собой единой систематической группы. К ним относятся одноклеточные и многоклеточные организмы растительного и животного происхождения: бактерии, бактериофаги, вирусы, некоторые водоросли и грибы, простейшие. Общими отличительными признаками всех микроорганизмов является малый размер, определяющий у них особенности высокой интенсивности обмена веществ.
При изучении процессов, происходящих на очистных сооружениях необходимо учитывать особенности жизнедеятельности микроорганизмов, особенности биохимических процессов и пути их интенсификации.
Предисловие.
Цель изучения дисциплины «Химия воды и микробиология» дать студентам знания о формировании и основных характеристиках состава природных и сточных вод, теоретических основах химических, физико – химических и биохимических методов очистки воды разного качества.
Программа по дисциплине состоит из двух частей. В первой из них освещаются вопросы, связанные с химией воды.
Во второй части программы пять частей, которым посвящено данное учебное пособие. Это разделы в которых последовательно освещаются вопросы общей и санитарной микробиологии и на их основе раскрывается сущность биохимических процессов, протекающих в почве, природных водоемах и на сооружениях очистки природных и сточных вод.
Поскольку сведения о многих микробиологических процессах в учебниках преподносятся в предельно сжатой форме, можно считать оправданным написание пособия по микробиологии, которое можно рассматривать как вторую часть лекционного курса «Химии воды и микробиологии».
В пособие включен иллюстративный материал, способствующий лучшему усвоению разделов связанных с морфологией и строением микроорганизмов, а также табличные данные по составу вод различного происхождения. Биохимические процессы рассматриваются через конкретные химические реакции.
Для проверки усвоения знаний в учебное пособие включены тестовые задания, подобранные по соответствующим темам.
Учебное пособие по микробиологии может быть использовано студентами специальности 290800 «Водоснабжение и водоотведение» при изучении спецкурса «Химия воды и микробиология».
I . ОБЩАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ
Морфология и систематика микроорганизмов.
Наиболее часто в природных и сточных водах встречаются следующие группы микроорганизмов:
1. Ультрамикробы (вирусы и фаги).
2. Бактерии.
3. Актиномицеты.
4. Грибы.
5. Водоросли.
6. Простейшие.
7. Коловратки.
Вирусы.
Это микроорганизмы, не имеющие клеточного строения. Размеры от 10 до 300нм.
Состав – молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК) или дезоксирибонуклеиновой (ДНК), окруженные белковой оболочкой.
Форма - кубическая, сферическая, палочковидная и др.
Размножение – простое деление, или более сложным путем, внутри клетки.
Виды – 1) энтеровирусы, развивающиеся в пищеварительном тракте человека или животных. Они состоят из молекулы РНК и белковой оболочки. Устойчивы к высушиванию, могут образовывать кристаллы кубического типа симметрии.
2) Фаги – особая группа вирусов. Они являются паразитами микроорганизмов. Различают:
-бактериофаги
-актинофаги,
- микофаги,
- альгофаги.
Форма - булавовидная
Размеры -50 -100нм.
Размножение – только в других клетках.
Обладают избирательностью действия. Это свойство позволяет использовать их в качестве показательного организма. Для индикации определенного вида бактерий в воду помещают фагов. Через определенное время определяют титр фага. Возрастание этого показателя говорит о присутствии в воде определенного вида бактерий.
Рис. 1. Бактериофаги в момент атаки бактериальной клетки (а) и бактериофаги при большем увеличении (б).
Встречаются – в воде водоемов, сточных водах, почве.
Играют определенную роль в формировании биоценозов в природных водах.
Риккетсии.
Занимают промежуточное положение между вирусами и бактериями.
Размеры – десятые доли микрометра.
Форма – шаровидная, палочковидная, нитевидная.
Состав – нуклеиновые кислоты и оболочка из белка.
Являются паразитирующими формами жизни, не развиваются на питательных средах. Развиваются в живом организме, вызывают заболевания риккетсиозы (сыпной тиф).
Бактерии.
Это в большинстве одноклеточные формы.
Размер -104 -10микрометра.
Форма – по форме делятся на группы:
1. шаровидные (кокки) делятся на :
а) микрококки,
б) диплококки,
в) стрептококки
г) сарцины –плотная упаковка (кубическая),
д) стафилококки – образуется скопление, напоминающее кисть винограда.
Роды: Micrococus, Sarcia, Streptococcus и др.
Рис. 2. Шаровидные (кокки) бактерии:
а — отдельные кокки (1000Х); б — парное соединение кокков (1000Х); в — цепочкообразное соединение кокков (900Х); г — шаровидные клетки, связанные по четыре (900Х); д — шаровидные клетки, соединенные пакетами по восемь (1000Х).
2. Палочковидные – могут быть одиночными, соединенными попарно или в цепочки. Могут иметь утолщения в разных местах. Некоторые образуют споры (p.Bacillus).
Рис. 3. Палочкообразные (цилиндрические) бактерии: а — общий вид; б— спороносная форма (1000Х)
3. Извитые – по количеству витков делятся на:
а) вибрионы – в виде запятой,
б) спириллы – с одним или несколькими изгибами,
в) спирохеты – с большим количеством витков.
Рис.4. Извитые бактерии: о — слабоизвитая форма вибриона (1000Х); б —спирилла (сильно извитая форма) (800Х); в— очень сильно извитая форма — спирохета (1000Х)
Наряду с вышеперечисленными типичными формами существуют микроорганизмы, отличающиеся по некоторым признакам, сюда относятся:
1) нитчатые формы – в них клетки соединены капсулой в длинные нити (железобактерии, серобактерии).
Рис. 5. Нитчатая бактерия (150Х)
2) Миксобактерии – на раннем этапе это овальные клетки с обособленным ядром. После размножения образуются слизистые колонии (плодовые тела), в которых формируются микроцисты. Из них снова формируются миксобактерии.
3) Цитофаги – клетки измененной фрмы без микроцист. Разлагают сложные углеводы.
Движение бактерий осуществляется с помощью жгутиков (на всей поверхности или на одном конце).
Строение бактериальной клетки.
Бактериальная клетка имеет сложное строение. Она включает в себя структурные элементы, необходимые для осуществления обмена веществ. Наружный слой содержимого клетки — цитоплазмы — уплотнен и образует трехслойную цитоплазматическую мембрану, состоящую из внутреннего липидного слоя и внешних — белковых. Цитоплазматическая мембрана непосредственно примыкает к оболочке клетки. Она обладает избирательной проницаемостью по отношению к различным соединениям и регулирует осмотический перенос веществ в клетку и из нее. В цитоплазматической мембране сосредоточены системы, катализирующие энергетические процессы. Внешняя оболочка клетки плотная, но эластичная, что способствует сохранению определенной формы бактерий. Иногда эта оболочка набухает, ослизняется, образуя капсулу. В результате соединения капсул возникают слизистые образования, содержащие бактериальные клетки — зооглеи.
Рис. 6. Обобщенная схема строения клетки палочковидной бактерии. Справа указаны структуры, встречающиеся в каждой клетке, слева — встречающиеся не во всех клетках.
Цитоплазма представляет собой коллоидный раствор, дисперсной фазой которого являются сложные белковые соединения и вещества, близкие к жирам, а дисперсионной средой — вода. У некоторых форм бактерий в цитоплазме содержатся включения — капельки жира, серы, гликогена и др. Постоянными составляющими бактериальных клеток являются особые выросты цитоплазматической мембраны — мезосомы, в которых содержатся ферментные окислительно-восстановительные системы. В этих образованиях идут в основном процессы, связанные с дыханием бактерий. В мелких включениях — рибосомах, содержащих рибонуклеиновую кислоту, осуществляется биосинтез белка. Большинство видов бактерий не имеет обособленного ядра. Ядерное вещество, представленное ДНК, у них не отделено от цитоплазмы и образует нуклеоид. Транспортировка веществ, необходимых для жизнедеятельности клетки, и отвод продуктов обмена осуществляется по особым каналам и полостям, отделенным от цитоплазмы мембраной, имеющей такое же строение, как и цитоплазматическая. Это структурное образование называется эндоплазматической сетью (ретикулум).
У некоторых палочковидных форм бактерий (бацилл, клостридий) наблюдается образование спор, отличающихся высокой устойчивостью к воздействию факторов внешней среды. Спорообразование внутри бактериальной клетки сопровождается возникновением участка с цитоплазмой более вязкой консистенции, который окружается плотной водонепроницаемой оболочкой. Вода в спорах находится в связанном состоянии. Этим объясняется устойчивость
спор к воздействию высоких температур. Они менее восприимчивы
к действию токсичных для бактерий веществ. С наступлением благоприятных условий спора прорастает, давая бактериальную клетку.
Размножение бактерий происходит путем деления. При этом образуются колонии. Внешний вид колоний определяется: видовыми особенностями, свойствами питательной среды и др. факторами.
Время, необходимое для завершения деления клетки называется временем генерации.
Скорость генерации зависит от: наличия питательных веществ, рН, концентрации продуктов обмена, температуры и т.д.
В оптимальных условиях деление клеток происходит через 15 – 18 мин.
Систематика бактерии.
Отличительным признаком служит отношение клеток к окрашиванию. (По Грамму). Сущность этого метода состоит в выяснении возможности удерживания данной клеткой красителя (кристаллический фиолетовый + йод) при последующей обработке препарата спиртом. По этому признаку бактерии делятся на : грамположительные
грамотрицательные.
Наименьшей систематической единицей является вид, объединяющий особей нескольких разновидностей, имеющих определенные отличительные признаки к другой более общей группе организмов – роду.
Род объединяет близкие по морфологическим и физиологическим признакам организмы. Роды объединяются в семейства, а семейства в группы.
Группа → семейство → род → вид
Bacteria (род) coli (вид) -
Вид указывает на среду обитания.
Актиномицеты (лучистые грибы).
Занимает промежуточное положение между бактериями и грибами.
Вегетативное тело их называется мицелием. Нити мицелия образуют гифы 0,2 -15мкм.
Строение – одноклеточный разветвленный мицелий, не содержащий обособленных ядер.
Мицелий делится на
субстратный воздушный
(в питательной среде) (над средой)
На поверхности воздушного мицелия развиваются спороносцы.
Размножение – делением мицелия и спорами.
Среда обитания - почва.
Участвуют в переработке многих органических веществ в присутствии кислорода.
Продукты жизнедеятельности актиномицетов в условиях затрудненной аэрации могут вызвать появление запахов и привкусов воды.
Грибы.
Имеют (в основном) многоклеточный мицелий. Образуют субстратный и воздушный мицелий.
Размножаются – простым делением, почкованием, с помощью спор, половым путем.
Питание- органические вещества.
Наиболее часто встречаются роды
-Aspergillus
- Penecillium
-Musor.
Рис. 7. Плесневые грибы: а — Penicillium; б — Aspergillus; в — Mucor
Плесневые грибы (Aspergillus , Penecillium) имеют многоклеточный мицелий. Размножение спорами и половым путем.
Дрожжи –крупные овальные клетки. Размножаются пачкованием, реже спорами.
Mucor – одноклеточный разветвленный мицелий. Размножение с помощью эндоспор (внутри сферического спорангия).
Водоросли.
В клетках водорослей присутствует хлорофилл, обуславливая способность к фотосинтезу (бывают и другие пигменты). Наиболее часто встречаются: синезеленые, зеленые и диатомовые водоросли.
Рис.8. Синезеленые (1), зеленые (2), диатомовые (3) водоросли:
а, б —p. Oscillatoria; в — Anabaena spiroides; г — Scenedesmus quadricauda; д — Ulothrix; е — Diatoma vulgare; ж — Navicula
Синезеленые водоросли - самые низкоорганизованные формы. Наиболее приспособлены к жизни в водоемах, загрязненных органическими веществами.
Встречаются: одноклеточные формы, нитчатые формы.
Отличительные черты:
1) нет вакуолей с клеточным соком,
2) нет обособленных ядер,
3) хлорофилл и другие пигменты распределены в виде зерен в наружном слое протоплазмы,
4) внутри клетки имеется пузырек воздуха, благодаря чему они находятся во взвешенном состоянии.
Рис. 9. Синезеленые водоросли (Cyanophyceae):
а — Nostoc commune; б —Anabena; ft— гетероциста;
sp — спора; слева — прорастание споры
Зеленые водоросли – одноклеточные, многоклеточные и колониальные формы.
Отличительные черты - пигменты в хроматофорах.
-Содержат органоиды характерные для высших растений.
- Ядро дифференцированное и отделено от цитоплазмы мембраной. Оболочка состоит из целлюлозы. В цитоплазме зерна крахмала.
Размножение - деление цитоплазмы с образованием дочерних клеток или половым путем.
Форма – шаровидная, овальная и др.
| |
Рис.10. Зеленые водоросли (Chlorophyceae): a — Chlamydomonas (У — вегетативная особь; 2 — размножение делением на 4 клетки); б—Pleurococcus (клетки после деления)
Представители одноклеточные – Хлорелла (Chlorella vulgaris)
Хламидомонады. Колониальные – вольвокс (Volvox aureus).
Многоклеточные – улотриксовые.
|
|
Диатомовые – одноклеточные микроорганизмы, имеющие твердые силикатные панцири.
Рис.11. Различные виды почвенных диатомовых водорослей Navicula
Тип простейшие. (Protozoa).
Сюда относятся одноклеточные животные организмы. Постоянными обитателями водоемов являются следующие классы:
1. Саркодовые ( Sarcodina).
2. Жгутиковые (Mastigophora).
3. Инфузории (Infusoria).
Класс саркодовые включает в себя простейших, образующих выросты (псевдоподии) для передвижения и захвата пищи.
Сюда относятся: а) амебы (голые и раковинные), б) солнечники, в) фораминиферы, г) радиолярии.
Строение – цитоплазма двуслойная – этоплазма и экзоплазма. Обособленное ядро (у некоторых много ядер), пищеварительные вакуоли, сократительные вакуоли.
Питание - амебы питаются бактериями
Солнечники – другими простейшими.
У раковинных амеб имеются раковины для защиты от внешних воздействий. Фораминеферы и радиолярии имеют наружный известковый скелет, являются обитателями морей и океанов.
|
|
Рис. 12. Простейшие (класс Sarcodina):
а — Amoeba Птах; б —Amoeba radiosa (различные состояния); в —Arcella discoides; г — Centropyxis laevigata (/— раковинки с цистой; 2 — раковинка с ротовым отверстием; 3 — вид спереди; 4'—вид сбоку); д — Centropyxis aculeata; е — Euglypha alveclava; ж — Euglypha Iaevis (1 — раковинка с псевдоподиями; 2 —раковинка с цистой); з — Pamphagus hyalinus; и — Aktinophrys vesiculat
Класс жгутиковые - имеют постоянную форму. Передвигаются с помощью жгутиков. Среди них организмы с различным уровнем развития и типом питания. Некоторые из них, например, вольвоксовые и хламидомонады, обладают фотосинтезом и относятся к растительным организмам. Эвгленовые имеют смешанный тип питания. На свету – фотосинтез, в темноте – органические вещества. Эвгленовые распространены в водоемах, загрязненных органическими веществами.
Строение: один жгутик, хроматофоры (с хлорофиллом), сократительная вакуоль. Оболочка плотная, что обеспечивает постоянство формы. Наличие определенных видов жгутиковых в водоемах с определенной степенью загрязнения позволяет использовать их в качестве биоиндикаторов загрязнения воды органическими примесями. Так в водах со значительной степенью загрязнения обитают мелкие жгутиконосцы (10-25 нм) рода Bodo, имеющие тела яйцевидной формы и два противоположно направленных жгутика.
Рис. 13. Простейшие (Flagellata): а — Oicomonas socialis; б — Bodo; в — Trepomonas steini
Инфузории – имеют наиболее сложное строение. Органами передвижения являются реснички. Размер – 0,15 – 0,2 мм.
|
|
Место обитания – пресные и морские воды, почва. Питание – бактериями, взвешенными органическими примесями.
Рис. 14. Ресничные инфузории (Ciliata):
а — Paramaecum caudatum (/ — сократительная вакуоль; 2 — пищеварительная вакуоль; 3 — большое ядро; 4 — малое ядро; 5 —цитоплазма; 5 —порошица; 7 — реснички; 8 — ротовой желобок; S —глотка); б — Aspidisca costata; в — Oxytricha pellionella; г — Stylonychia pustulata; д — Cyclidium glaucoma; e — Rhabdostyla ovum; ж — Lionotus lamella; з — Vor-ticella microstoma; и — Vorticella conyallaria; к — Opercularia coarctata; л — Opercularia glomerata; м- Epistylis plicatilis; н — Cinetochilum margaritaceum
Строение – жгутики, оболочка, два ядра (макронуклеус и микронуклеус). Пищеварительная вакуоль, сократительная вакуоль.
Представители: Paramecium Caudatum (туфелька) –свободноживущая.
Рис. 15. Сосущие инфузории (Suctona): a —. Tokophrya lemnarum; 6 — Acineta flava
Прикрепленные формы имеют строение: стебелек, закрепленный на твердой поверхности, заканчивается овальной клеткой в виде колокольчика. Встречаются свободноживущие и колониальные формы. Особую группу составляют сосущие инфузории, ведущие паразитический образ жизни.
Коловратки.
Это многоклеточные животные организмы, имеющие членистое строение панциря. Размер до 2 мм.
Строение. В передней части ротовое отверстие, окруженное ресничками. Пищеварительная система состоит из ротовой полости, глотки, пищевода, желудка, тонкой кишки. Продукты обмена удаляются с помощью выделительных органов. Движение осуществляется с помощью коловращательного аппарата и ноги, выступающей из панциря в задней части. Коловратки используются в качестве индикаторных организмов при оценке работы очистных сооружений биологической очистки.
Рис. 16. Коловратки: а — Philodina roseola; б — Callidina vorax; в - Cathypna luna; г — Notommata ansata
Физиология микроорганизмов.
Конструктивный и энергетический обмен.
Физиология изучает процессы, протекающие в живом организме и их закономерности.
Современная материалистическая физиология основана на принципе единства с окружающей средой.
Взаимодействие организма со средой проявляется в обмене веществ и энергии (метаболизм). Он включает два процесса:
1. Конструктивный обмен –(ассимиляция).
2. Энергетический обмен – (диссимиляция).
Конструктивный обмен – это процессы усвоения веществ поступающих из окружающей среды и создание биомассы.
Энергетический обмен – это разрушение веществ, содержащихся в организме (гидролиз, окисление). При этом выделяется энергия, необходимая для биосинтеза.
Оба процесса идут одновременно и сочетаются друг с другом. Продукты жизнедеятельности выводятся из клетки или откладываются, образуя включения.
Ферменты.
Биохимические реакции протекают в присутствии биологических катализаторов – ферментов (энзимов). Это соединения белковой природы.
По месту действия ферменты делятся на:
1. Экзоферменты (наружные).
2. Эндоферменты (внутренние).
По химическому строению ферменты бывают:
1. Простыми (протеины).
2. Сложными (протеиды).
Протеины – проявляют активность вследствие наличия активных (каталитических) центров в белковой молекуле.
Протеиды – включают активные группы (сложная органика или металлы – Fe, Co). Белковая часть фермента называется фероном. Добавочная – агоном. Отдельно ферон и агон не проявляют активности. Если агон может существовать отдельно, он называтся коферментом. В состав коферментов часто входят витамины.
Например: кофермент НАД (никотинамидадениндинуклеотид) и НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), участвующие в переносе водорода содержат витамин В5 (никотинамид).
Механизм действия ферментов связан со снижением энергии активации взаимодействующих молекул.
Последовательность процессов:
Е+А ↔ ЕА↔ В+Е
Е – фермент
А – субстрат
В – продукт реакции.
Свойства ферментов.
1. Действие ферментов специфично.
2. Очень активны.
3. Активность зависит от: а) рН, б) температуры, в) присутствие ряда хим. соединений.
Активацию ферментов вызывают:
1. Ионы Мn 2+, Zn2+, Ca2+, Mg2+ .
2. Витамины и др.
Ингибиторы тормозят их действие, например, соли тяжелых металлов антибиотики.
В зависимости от типа хим. реакций ферменты делятся на:
1. Гидролазы (ускоряющие процессы с участием воды).
2. Оксиредуктазы – ускоряют окислительно – восстановительные реакции. Ферменты, участвующие в переносе водорода, называются дегидрогеназами.
3. Трансферазы – ускоряют реакции передачи атомных групп, радикалов от одних соединений к другим.
4. Лиазы – распад или синтез органических соединений.
5. Лигазы (синтетазы) – биосинтез белков.
6. Изомеразы – внутримолекулярные превращения.
Дата: 2019-02-02, просмотров: 550.
