PAGEPAGE10第六章生物化學工程基礎（一）教學設計1.1本章節內容歸納本章節主要內容包括以下幾個方面①水處理中的微生物②細菌的生理③微生物的代謝與合成1.2本章節重點本章節重點：微生物種類、細菌的元素及大分子組成、細菌的生長環境與營養、酶命名、組成、結構與催化、微生物代謝合成與機制、需氧代謝與厭氧代謝機制、微生物合成機制本章節難點：微生物代謝合成與機制、需氧代謝與厭氧代謝機制、微生物合成機制1.3本章節教學內容本章教學內容如下6.生物化學工程基礎——應用微生物生物化學6.1水處理中的微生物6.1.2原核細胞微生物6.1.2真核細胞微生物6.1.3病毒6.2細菌的生理6.2.4細菌的成分6.2.5細菌的營養與生長環境6.2.6細菌的生物催化劑——酶6.2.7分批培養物的生長規律6.2.8細菌的呼吸與生物氧化6.3微生物的代謝與合成6.3.9需氧代謝6.3.10厭氧代謝6.3.11微生物的生物合成1.4本章節教學方法1.情景導入微生物圖片入手，引入種類、元素及大分子組成、生長環境與營養、合成機制；酶及催化作用機制圖片入手，引入酶命名、組成、結構與催化。2.雙案例關聯微生物在基礎研究方面的應用（案例十一）優勢微生物在工程設計方面的應用（案例十二）1.5本章節教學互動與考核在課程雙案例教學過程中，引導研究生進行相關的教學討論。研究生在進行教學討論之前，主動加強與指導老師的溝通，明確以后研究方向所需要的本門課程的相關理論知識，了解這些理論知識在研究過程中的意義、地位、作用及如何應用，了解基礎理論在創新工作中的作用。利用本課程建立的教學網站，并將這類問題變成啟發問答式用來和學生互動，通過互動了解研究生對各個知識點掌握情況、學習的主動性、創新性等，并將互動情況作為課程成績考核的一個部分，主要問題有：①水處理微生物的類型、②原核細胞微生物作用、③真核細胞微生物特點、④病毒在水處理作用及意義、⑤細菌的成分與污水成分相互關系、⑥酶的作用機制、⑦細菌的呼吸、⑧需氧代謝與厭氧代謝應用等。結合最后的理論課閉卷考試完成對課程教學的考核。6.生物化學工程基礎——應用微生物生物化學6.1水處理中的微生物6.1.2原核細胞微生物6.1.2真核細胞微生物6.1.3病毒6.2細菌的生理6.2.4細菌的成分6.2.5細菌的營養與生長環境6.2.6細菌的生物催化劑—酶6.2.7分批培養物的生長規律6.2.8細菌的呼吸與生物氧化6.3微生物的代謝與合成6.3.9需氧代謝6.3.10厭氧代謝6.3.11微生物的生物合成（二）教學內容1.水處理中的微生物水處理中的微生物種類、原核細胞、真核細胞、病毒在水處理中的作用機制2.細菌的生理細菌的生理、成分、營養、生長環境、酶、呼吸與生物氧化3.微生物的代謝與合成需氧代謝、厭氧代謝、微生物的生物合成水處理中的微生物給水與廢水處理所涉及的微生物種類很多，根據其細胞結構、功能和組分差異，主要分三類：原核細胞微生物、真核細胞微生物和病毒(噬菌體)。§6.1原核細胞微生物原核細胞微生物的細胞僅有原始的核物質，無核膜與核仁的分化，也無細胞器等。它包括細菌、放線菌、藍細菌等。1.細菌（真細菌）水處理所涉及的細菌種類很多。對給水處理而言，由于細菌在常規過程中不參與處理作用，因此水中出現的細菌只是一種應被去除的有害雜質；對廢水的生物處理而言，細菌是參與處理過程的基本動力，它們直接或間接地氧化分解有機污染物．是生物絮體和生物膜的基本成分。例如：假單胞菌屬、動膠菌屬、產堿桿菌屬、黃桿菌屬、埃希氏菌屬等。2.絲狀菌絲狀茵在廢水處理中的作用重要而獨特。廢水處理中常見的絲狀細菌主要有球衣菌屬、鐵細菌屬、貝日阿托氏菌屬和發硫菌屬。在正常運行的廢水生物處理系統中，這些絲狀細菌往往是生物絮體或生物膜的骨架，其上附著菌膠團，絲狀細菌與菌膠團細菌形成互惠關系。因此這種結構性的絲狀細菌對于維持廢水處理系統穩定性，提高系統抗沖擊負荷能力有重要點義。但絲狀細菌過度繁殖，特別是游離于菌膠團之外的非結構性絲狀細菌的大量繁殖．會引起廢水處理系統的污泥膨脹。在需氧生物處理生物膜法中，球衣菌是構成生物膜的重要菌種。在活性污泥中保持一定數量的球衣菌，對有機物的去除是有利的。但球衣菌在系統中易于游離，在活性污泥中大量繁殖時，會引起污泥膨脹。3.放線菌放線菌為具有分枝的絲狀菌，介于細菌與真菌之間，是單細胞微生物。放線菌中的諾卡氏菌屬有分解氧化無機氰化物和烴類化合物的能力，在處理含烴類和無機氰化物的廢水中起著重要作用。4.藍細菌藍細菌有時列入藻類，也稱為藍藻。因其細胞結構為原核，故歸入細菌類。藍細菌是光合型微生物。多數藍細菌生存于淡水中，是水生系統食物鏈中的重要一環。當惡性增殖時．可形成“水華”，造成水質惡化。海洋中的“赤潮”有時也系藍細菌大量繁殖所致。§6.2真核細胞微生物真核細胞微生物的細胞核分化程度較高，有核膜和核仁。真核生物的結構更復雜。真菌、單細胞藻類及原生動物等均屬于真核細胞微生物。1.原生動物總結起來，在廢水及廢水處理過程中，從重要性及數量上說，原生動物為僅次于細菌的微生物。原生動物所起的最主要作用是吞食細菌。吞食細菌一方面起了凈化廢水的作用，另一方面控制了細菌的增殖速度。保持了微生物群體的生態平衡。另外，原生動物也可以直接從廢水中吞食固體有機物，吸收溶解的有機物，直接發揮凈化廢水的作用。2.真菌廢水處理的生物膜中，可能有很多的真菌組成膜網。今年來也發現某些霉菌如鐮刀霉等能有效地氧化分解無機氰化物，去除率可達90%以上，對有機氰化物（腈）的處理效果則差些。因此國內外都在進行利用霉菌處理含氰等廢水的研究。3.藻類藻類是含有能進行光合作用的葉綠素的低等植物。一般都很微小，須借助顯微鏡才能看見。藻類以其色素的顏色分成綠藻、藍藻、紅藻及褐藻等。由于光在廢水中透過較差，故其在廢水處理中所起的作用是有限的，另外，湖水或水庫中的藻類，能使水質產生色度、異味和異臭等，并導致過濾設備的堵塞。§6.3病毒病毒為沒有細胞結構的唯一的微生物，大多病毒只是核酸與蛋白質組成的大分子，而且只含有DNA或RNA一種類型的核酸。是自然界最小的生物，能通過細菌濾器，1.病毒的大小與形態病毒的體積大小差別很大，大多數病毒直接為100nm左右。2.病毒的結構大多數病毒是由蛋白質與核酸組成，只有少數幾種較大病毒含有脂類和多糖等。一種病毒只含有DNA和RNA一種類型的核酸。噬菌體大多數只含有DNA，只有少數含有RNA。核酸位于病毒的中心，形成病毒的核髓。蛋白質是病毒的主要組成，主要作用是構成病毒粒子的衣殼，保護病毒核酸，決定病毒感染的特異性．并具有抗原性。3.病毒的感染與繁殖病毒是以復制方式繁殖。繁殖過程可分為吸附、侵入與脫殼、復制與合成、裝配和釋放五步。§6.4細菌的成分細菌也和其它活的生物一樣，需要某些營養物才能生長。這些營養物必須包含該細胞的細胞物質中所含的元素，以及酶的活力及運輸系統所必需的元素。1.細菌的元素組成細菌所必需的元素可以稱為細菌的生物元素。細菌元素可以通過細菌細胞物質的分析得出。2.細菌的大分子組成細菌或其它的微生物細胞物質主要是由一些大分子組成的。其中蛋白質和核酸是微生物細胞進行生命活動的最重要的物質基礎。3.核酸核酸又稱多核苷酸，是單核苷酸的多聚體，它與蛋白質結合成核蛋白。核酸是構成微生物細胞核中染色體及細胞質內核糖體和質粒的主要成分。基因工程是通過對遺傳物質的直接操縱、改組、重建來實現對遺傳性狀定向的改造。目前基本采用把遺傳物質從一種細胞中提取出來，在體外施行“外科手術”，然后再把它導人另一細菌細胞中，改變其遺傳結構，使其產生符合人類需要的新遺傳特性，定向地創造新生物類型。在廢水處理的研究中，已有不少運用遺傳工程的例子。1983年瑞士學者Kulla利用兩種假單胞菌分別具有降解印染廢水中兩種染料的能力，將兩個菌株的兩種基因接合到一個菌株內，獲得具有降解兩種染料的新菌種。§6.5細菌的營養與生長環境細菌與其它生物一樣，需要不斷地進行新陳代謝活動以維持生命。1.細菌的營養類型細菌可分為光能和化能兩種營養類型，分述如下。（1）光能營養光能營養菌具有一整套光合作用機構，它能將光能轉化為ATP的高能磷酸鍵。光合細菌能利用各種有機碳化物和氧化物，因而近幾年利用光合細菌凈化有機廢水取得較好效果，例如可以使洗毛廢水BOD的去除率達98%。（2）化能營養大多數細菌依靠各種氧化還原反應以獲得ATP。在反應中一種底物被還原，另一種底物被氧化。化能無機營養菌也稱化能自養菌，能利用無機物、氫、硫化氫、亞硝酸鹽或氨等作為電子供體，按其能源又可分成下列幾類：硝化細菌、硫黃細菌、鐵細菌，它們均是需氧菌。2.營養物質的傳遞各種營養物質的進出細菌菌體．直接依賴于細菌細胞膜的功能，營養物質從周圍環境通過細胞膜進入細胞質有以下三種方式。（1）滲透作用（被動擴散）（2）促進擴散（3）主動運輸3.細菌的生長環境在廢水生物處理中，把有計劃、有目的地控制細菌的生長條件，使細菌遺傳性有利于處理某種廢水的定向誘導過程叫馴化。在工業廢水的生物處理中，往往要利用細菌對營養要求、溫度、pH值和耐毒力的變異，以改善處理效果。（1）溫度大多數細菌生長適宜的溫度為20~40℃。按照溫度的不同，可將微生物（主要是細菌）分為低溫、中溫和高溫菌三類。（2）pH值大多數細菌在PH=6.5、7.5之間生長最好。PH的控制，在廢水的生物處理中具有重要的意義，廢水的pH值太高或太低都應作適當的調整。（3）氧化還原電勢各種細菌生活時要求的氧化還原條件不同。在廢水生物處理的一般運轉情況下，需氧的活性污泥法系統，氧化還原電勢在200-400mV之間。（4）光線除少數光和細菌外，大多數細菌不需要光線。（5）壓力壓力對細菌的作用可分為滲透壓、機械壓和氣體壓力。當細菌周圍水溶液的滲透壓與其細胞內液體的滲透壓相等時，細菌生活得最好；廢水生物處理的廢水滲透壓問題是否需考慮有待在實踐中解決。另外，細菌在溶液中可以抵抗很高的壓力，但高氧壓環境對細菌是有害的。（6）干燥環境過于干燥，細菌就不能生長。一般沒有莢膜、芽孢的細菌對環境的干燥比較敏感。由于細菌等微生物在干燥環境中不能生長發育，因而人們廣泛用干燥法來保存食品，防止食品腐敗。（7）化學藥劑一些化學藥物對細菌的生活影響很大。強氧化劑可使細菌正常代謝受到阻礙，甚至死亡。高錳酸鉀的消毒作用即屬這一類。有些有機物在達到一定濃度時對細菌具有毒害作用。§6.6細菌的生物催化劑——酶酶是由活細菌細胞產生的一類具有高度催化專一性的特殊蛋白質。在酶作用下進行化學變化的物質叫底物，有酶催化的化學反應稱為酶促反應。酶也可以被分離出來．做成酶劑或固定化酶，在廢水生物處理中應用。1.酶的命名與分類（1）酶的命名目前采用的是1961年由國際酶學委員會制定的分類法。每一種酶的編號有四種數字，用圓點分開，如E·C·1·1·1·1前三個數字表示該酶所屬的大類、亞類、次亞類，第四個數為該酶在次亞類中的位置，E·C為酶委員會代號。（2）酶的分類酶的分類除由國際酶學委員會進行編號并制定檢索表外，根據酶在細胞內外的不同，可分為外酶和內酶兩類；大多數微生物的酶的產生與底物的存在與否無關，這些酶稱為固有酶；在某些情況下，微生物會在體內產生出適應新環境的酶，這種酶則稱為適應酶，適應酶的產生在廢水生物處理中具有重要意義。2.酶的組成與性質（1）酶的組成酶按其組成，可分為單成分酶和雙成分酶（復合酶）。（2）酶的性質經研究證明，所有的酶皆是蛋白質，因而酶具有蛋白質的理化性質。另外，酶是真正的催化劑、酶能夠在常溫和pH值近乎中性的溫和條件下發揮其催化功能、酶的催化具有高效性，其效率要比一般催化劑的催化效率高得多。3.酶的結構與催化機理酶的催化功能是由酶的分子結構，特別是由酶的特殊的空間構象所決定的。當酶的構象發生改變時，酶的催化功能將相應地發生改變。酶的催化本質是降低反應能閾、減少活化能、使反應能夠進行。關于酶的催化機理，目前較公認的是1913年由MichaeIis和Menten首先提出的中間產物學說。基本論點是，首先酶(E)和底物(S)結合生成中間產物(ES)，然后中間產物再形成產物(P)，同時使酶更新游離出來，表示為下列反應：對于有兩種底物的酶促反應，可以下式表示：4.影響酶催化活性的因素（1）pH值氫離子濃度對酶反應速度的影響很大。每種酶都有其特定的最適宜pH值，大于或小于這個數值，酶的活力就要降低，甚至引起酶蛋白變性而失去活性。（2）各種酶的反應有其最適宜的溫度，此時，酶的反應速率最快。溫度對酶反應速率的影響通常用溫度系數Q10來表示：（3）激活劑許多酶促反應必須有其它適當物質存在時才能表現酶的催化活性或加強催化效力，這種作用稱酶的激活作用。引起激活作用的物質叫激活劑。激活劑的種類很多，其中有無機陽離子、無機陰離子、有機物分子和一些酶。（4）抑制劑有些化學物質可以減弱、抑制甚至破壞酶的作用，稱為酶的抑制劑。由于抑制而引起的作用稱為抑制作用。酶的抑制劑有許多種：重金屬離子、硫化氫、有機陽離子、表面活性劑等。有的抑制作用可加入其它物質或用其它方法解除，使酶活性恢復；有的不能。能使巰基氧化或改變的抑制劑有：氧化劑、烷化劑、含重金屬的有機化合物。（5）反饋抑制作用在下列反應式中：起始物A被酶E1，E2，E3轉化為所需要的產物D，產物D對酶E1具有專一的可逆的抑制作用，稱為反饋抑制。§6.7分批培養物的生長規律細菌通過代謝作用將營養物質轉變成細胞物質，增加了菌體重量，這是生長。實際上，細菌的生長是以群體細胞數日的增加作標志。1.分批培養物的生長在一給定容積的培養基中生長的細菌，稱為分批培養物。平衡生長條件是通常的細菌增殖率公式表達的前提。平衡生長的細菌培養物的增值率可同時用下列三個公式來表示：另一個常用來描述細菌增殖率的參數稱為倍增時間，或稱增代時間，指細菌培養物的各種成分都增為原來的二倍所需要的時間。增代時間（td）與的關系如下：2.細菌的生長曲線細菌的增殖過程可用生長曲線來表示。一般用半對數坐標把生長曲線表示的形式來介紹。生長曲線共分成滯后、指數生長、靜止和死亡四個期。滯后期：幼齡菌菌體內物質增加顯著，菌體體積增大，代謝機能卻非常活躍，但抵抗力較低。該期長短與細菌菌種、菌齡和培養條件等有關。指數生長