微生物篇(1)

1.通过“食物品尝会”活动，学会从提出的问题中进行准确的猜想与假设。

2.在教师指导下，学会搜集资料，验证猜想。

3.知道什么是微生物，以及微生物与人类的关系。

二、教学重难点

1.重点：通过“食物品尝会”活动，学会从提出的问题中进行准确的猜想与假设，并进行验证。

2.难点：了解有害微生物是怎样影响我们的生活的。

三、教学准备

1.老师准备：鲜牛奶、酸牛奶、新鲜豆腐、豆腐乳、新鲜蔬菜、泡菜。

2.学生准备：查阅有关微生物的资料。

四、教学过程

（一）激趣导入

1.谈话：今天老师给大家带来了礼物，想看吗？

2.老师从盒子里逐一拿出豆腐乳、酸牛奶、泡菜，“吃过吗？它们是用什么食物加工的？”

3.“想尝一尝这些食物吗？”

（这一环节的目的是激发学生探究的兴趣。）

（二）自主探究

1.食物品尝会

出示要求：（1）尝一尝：看看这些食品在加工前后发生了什么

变化？

（2）想一想：你有什么问题？

（3）说一说：对比品尝后的发现和想知道的问题。

（食品品尝会虽然是本课的导入，出示的食物学生可能经常吃，但很多学生根本没有注意思考与观察，所以“品尝”这一看似简单的活动是能否达到教学目标的关键。通过品尝希望学生能够猜想出：微生物参与了食品加工的过程，同时让学生学会小组合作学习，要

有秩序地品尝，要在品尝的同时仔细认真地观察与思考，体会食物加工前后的一些变化。）

2.猜想与假设

（1）引导提出探究的问题：食物加工前后有什么变化？是什么改变了它们的品质和味道？

（2）学生小组讨论，大胆猜想。

（3）学生汇报，导入课题。

（我在课堂上引导学生对“是什么改变了这些食物的品质和味道”这一问题组织学生大胆猜想，至于学生猜想的是否正确并不关键，只要学生敢于大胆猜想，我就给予鼓励，从而培养学生的自

信心。）

3.搜集资料

（1）怎么知道我们的猜想是否正确呢？

（2）查阅相关资料，小组内相互交流。

（3）小组汇报。

（对课本上的资料卡以及学生课前搜集到的资料进行阅读、理

解并不困难，关键在于学生阅读后能用自己的话说出“是什么改变了它们的品质和味道”这一问题的答案，从而验证各自的猜想。我在课堂上给学生留出充足的时间，让学生从资料中梳理出问题的答案。知道生活中很多地方都有微生物，知道微生物对人类有利也有弊，与人类关系密切。）

微生物篇(2)

按说，微生物是很难被发现的。可尽管它们的身体小到可以忽略不计，却在一个磨镜片的人那里露出了马脚，从此身份暴露……

“磨”出来的微生物

想认识这位发现微生物的奇人，了解微生物被发现的奇事，你恐怕还得回到1675年的荷兰。不推荐你去繁忙的阿姆斯特丹，因为这个怪人至死都没有离开另一个城市——德尔夫特市半步。

行走在德尔夫特的街道上，你兴许会看见当地著名的风俗画家维米尔，他正对着房子和街道写生呢！继续往前走，你会发现我们的目的地——市政府就在不远处。或许你会以为我们正要去面见市长，不过咱可没那份殊荣——在市政府门房处停下就成。透过门房的玻璃往里看，你会大吃一惊——这哪里是门房啊，简直是一个透镜库，大的小的、厚的薄的镜片层层叠叠塞满了整个屋子。在仅有的缝隙中，你终于发现了今天的主角——列文虎克，那个被后世奉为微生物学鼻祖的人。

原来，这个列文虎克是个十足的磨镜狂人，标准的“透镜控”。他从20多岁起就在市政府门房上班。在多数人眼里，看大门可是个乏味至极的工作，可列文虎克却充分利用工作的闲暇，发展起自己的爱好来——磨镜片。自从迷上磨镜片，他每天茶不思饭不想的，早起晚睡，全身心投入到打磨镜片上，简直走火入魔了。而且，他不仅爱打磨精致的透镜，还喜欢透过镜片看身边各种东西——木块、虫子、蝌蚪等。在透镜下，他发现光滑的木块竟然是坑坑洼洼的，虫子像猪一样大，蝌蚪“血液的流动，竟像小河里的水一样，循环流动到各处……”这些新奇的发现，无疑让列文虎克更加痴迷于自己的爱好。

这一天，秋雨淅沥，列文虎克突发奇想，让女儿从外面舀点雨水进来。他小心翼翼地用管子吸了一滴，放在透镜下仔细观察。看了好久，列文虎克突然抓住女儿的手，激动地说：“孩子，你知道你刚才舀回了什么吗？这是一个小王国啊……这是些什么样的居民啊，奇形怪状，有的像个圆球，有的是一根长皮条，有的浑身是毛……”正是这滴不起眼的雨水，让这个守门人开启了通向微生物世界的大门。紧接着，他又找到一个从不刷牙的老头，从他牙齿上取下一些牙垢，加水稀释后仔细观察，发现了几乎同样的场景：有的小东西像小棍一样慢慢移动，有的则像小鱼一样来回穿梭。他不无惊叹地说道：“在一个人的口腔中生活着的小动物，比整个王国的居民还要多！”

发现“小动物”的消息不胫而走，闻讯赶来观看的市民络绎不绝，这事儿甚至惊动了英国王妃——这在当时可是件新鲜事哪！不过，直到更高性能的显微镜被制造出来后，人们才重新审视列文虎克所描述的“小动物”。当意识到它们与人类生存息息相关时，才真正认识到列文虎克为人类作出的伟大贡献。

没错，列文虎克所发现的“小动物”，正是我们今天所说的微生物。

从进化的角度来说，微生物是一类低级的简单生物，代表着生物圈中最为原始的生命形式。一般来说，微生物是指一切肉眼看不见或看不清的微小生物，它们结构简单，个体微小，通常要用显微镜才能看清楚。

微生物大家族的成员种类繁多、各种各样：细菌、古菌、真菌、藻类、病毒、类病毒，等等。就目前所知，细菌大约有6000种，真菌约7万种，而实际数量远不止这些。其实，尽管已知的微生物种类有如此之多，但我们也只认识了微生物世界1%～10%的居民而已。你若非要问这一家族的成员到底有多少，我也只能很抱歉地转达一下科学界的讨论结果——数量多得惊人，但争议也很大。

那它们究竟有多小呢？我们不妨从描述它们的计量单位说起。大家知道，尺子上的最小刻度一般是毫米，而表示微生物的单位则是微米（千分之一毫米）或纳米（千分之一微米）。也就是说，如果一个微生物的直径约为0.5微米的话，那恐怕得有2000个这样的微生物“肩并肩”站在一起，才能占领尺子上那短小的一毫米。一根普通的头发直径约为70微米，由此可以想象，在微生物面前，头发丝可真算得上是庞然大物了。

就目前所知，个头最小的微生物是芬兰科学家发现的纳米细菌，其细胞直径最小只有50纳米。个头最大的微生物，或许是1998年在非洲纳米比亚海岸海底沉积物中发现的纳米比亚硫磺珍珠菌，其直径最大可达0.75毫米，凭肉眼清晰可见。

虽然单个的微生物个体微小，但一旦它们聚集起来，就让人想忽视都难喽。比如食物、水果变质后，它们身上会冒出奇怪的“雀斑”，似乎在向我们发出警告：“食物已被占领，禁止食用。”在柜子里放了很久的衣服、棉被等，也会长出难看的斑，还会散发出一股难闻的味道。当你看到这些斑点时，不要害怕，这不过是霉菌在搞“聚餐”罢了！不瞒你说，我们熟悉的蘑菇其实也属于微生物，它们是大型真菌的一种，你是不是也被它们的体形“欺骗”了很久呢？

有化石记录表明，早在32亿年前，微生物居民就“落户”地球了。这些细小的生物，凭着各自超强的适应能力，在地球的各个角落安家落户。

如今，微生物在地球上几乎无处不在、无孔不入：从我们呼吸的空气，到脚踩的土壤；从喝的水，到吃的食物；从睡的床铺，到穿的衣服鞋子；从人体的皮肤、口腔，甚至到胃、肠道，都是微生物生存的沃土。即便是在极端的环境中，比如上至几万米的高空，下至数千米的深海，温度高达90摄氏度的温泉，冷至零下80摄氏度的南极，我们均能发现微生物的影子。不过，微生物分布最多的地方，还是土壤和海洋。土壤可是微生物的美好家园，在一克肥沃的土壤中，细菌的数量可达数亿乃至几十亿个。

不是吓唬你，人体上就有数万亿微生物。其中，肠道中的微生物数量最多、种类最丰富，大约占人体所有微生物的80%。皮肤也是微生物聚集的重要场所，人体分泌的汗液为微生物提供了丰盛的食物，但经常的淋浴又成为微生物们不得不面对的灭顶之灾。若要在人体上找一个微生物的最佳栖身之所，口腔是再好不过的了。那里不仅有唾液带来的营养和充足的水分，口腔高低不平的表面又为各类微生物提供了居所，因此近百种细菌、真菌和原生生物都能在这里生活。相比之下，胃就不是微生物的好去处，充斥这里的胃酸让大部分微生物受不了，只有少量的微生物在这里“探险”。有科学家认为，人体上细胞与细菌的数量比为1∶10。不过由于微生物体积很小，因此它们只占人类体重的1%～3%，即1个体重50千克的人身上有0.5千克～1.5千克是细菌。大家不妨计算一下，自己身上有多少千克的微生物呢？

人类虽然用肉眼看不见这些小生命，但它们却始终伴随着人类，对人类的生活和生产产生着巨大的影响。

在种类多样的微生物家族中，人们比较耳熟的恐怕是细菌和病毒吧。提起这俩词儿，人们也总是不自觉地把它们与疾病联系在一起。譬如，父母经常在我们耳边唠叨：“饭前便后要洗手，否则细菌跑到肚子里，小心拉肚子。”你或许早就对这些话不耐烦了，但事实上这种提醒很有道理。细菌虽小，但有些的确可以引起疾病，如霍乱、鼠疫等。而病毒更是臭名昭著，天花、肝炎、脑炎等，哪个不是病毒捣的鬼？至今尚未攻克的艾滋病，也是病毒在作祟。

不过，就因为这些原因而把微生物“一棒子打死”，未免有些武断。事实表明，一些微生物虽然在某些方面上搞破坏，却在更大的层面上造福着人类。

虽然有些微生物会导致食物腐败变质，但如果没有它们的存在，死去的动物将会尸横遍野，落下的树叶会堆积成山，我们丢掉的垃圾也会越积越多，总之，自然界的物质将不会实现有序的循环。或许你会觉得自己身上沾满了微生物，脏不可言，但你也要认识到其中大部分还是善意的，它们有的帮助消化，有的分解有毒物质，有的产生某种维生素，它们共同维系着身体的“生态平衡”。

其实，早在人类发现微生物之前，就已经在利用微生物了，并且积累了丰富的经验。进入农业社会后不久，原始人就学会了用剩余的粮食酿酒，并在9000年前开始了最早的啤酒生产。北魏的贾思勰在他的《齐民要术》中，就详细记载了用微生物酿酒、制醋的方法，其中还有防止食物因微生物过度繁殖而变质的措施。

不过，那时的人对微生物的利用，可谓歪打正着，因为他们并不知道有微生物这回事。而今，在对微生物有了初步的认识的前提下，对微生物的利用也就有了更清晰的方向。微生物不仅被用来除虫、清理环境、酿酒，更是广泛应用于医学领域，如青霉素就曾救人无数，被称为人类文明史上最伟大的发明之一。

如今，科技的发展，逐渐揭开了微生物世界的面纱，让我们有幸一睹这个“小人国”的风采，也让我们享受着它们带来的便利与利益。不过，展现在我们面前的，也只不过是冰山一角，我们既不知道它们的全部种类，也不知道它们的总体数量，更不知道在未来它们是敌是友。但是，我们知道一件事，那就是——微生物虽小，微生物世界却很大。

微生物篇(3)

微生物培养基是按照微生物生长的营养需求及其相互比例配制的。牛肉膏和蛋白胨提供微生物生长所需的蛋白质、核酸和维生素、无机盐（微量元素），琼脂只为培养基提供半固体的支撑结构，不提供微生物生长的营养。有时，也根据所培养的微生物的特殊需要配制培养基，如特别提供某种营养素，或专门缺乏某种营养素，使微生物得以鉴别、分离。

（来源：文章屋网 https://www.wzu.com）

微生物篇(4)

微生物燃料电池并不是新兴的东西，利用微生物作为电池中的催化剂这一概念从上个世纪70年代就已存在，并且使用微生物燃料电池处理家庭污水的设想也于1991年实现。但是，经过提升能量输出的微生物燃料电池则是新生的，为这一事物的实际应用提供了可能的机会。

MFCs将可以被生物降解的物质中可利用的能量直接转化成为电能。要达到这一目的，只需要使细菌从利用它的天然电子传递受体，例如氧或者氮，转化为利用不溶性的受体，比如MFC的阳极。这一转换可以通过使用膜联组分或者可溶性电子穿梭体来实现。然后电子经由一个电阻器流向阴极，在那里电子受体被还原。与厌氧性消化作用相比，MFC能产生电流，并且生成了以二氧化碳为主的废气。

与现有的其它利用有机物产能的技术相比，MFCs具有操作上和功能上的优势。首先它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率。其次，不同于现有的所有生物能处理，MFCs在常温，甚至是低温的环境条件下都能够有效运作。第三，MFC不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化碳，一般条件下不具有可再利用的能量。第四，MFCs不需要能量输入，因为仅需通风就可以被动的补充阴极气体。第五，在缺乏电力基础设施的局部地区，MFCs具有广泛应用的潜力，同时也扩大了用来满足我们对能源需求的燃料的多样性。

微生物燃料电池中的代谢

为了衡量细菌的发电能力，控制微生物电子和质子流的代谢途径必须要确定下来。除去底物的影响之外，电池阳极的势能也将决定细菌的代谢。增加MFC的电流会降低阳极电势，导致细菌将电子传递给更具还原性的复合物。因此阳极电势将决定细菌最终电子穿梭的氧化还原电势，同时也决定了代谢的类型。根据阳极势能的不同能够区分一些不同的代谢途径：高氧化还原氧化代谢，中氧化还原到低氧化还原的代谢，以及发酵。因此，目前报道过的MFCs中的生物从好氧型、兼性厌氧型到严格厌氧型的都有分布。

在高阳极电势的情况下，细菌在氧化代谢时能够使用呼吸链。电子及其相伴随的质子传递需要通过NADH脱氢酶、泛醌、辅酶Q或细胞色素。Kim等研究了这条通路的利用情况。他们观察到MFC中电流的产生能够被多种电子呼吸链的抑制剂所阻断。在他们所使用的MFC中，电子传递系统利用NADH脱氢酶，Fe/S（铁/硫）蛋白以及醌作为电子载体，而不使用电子传递链的2号位点或者末端氧化酶。通常观察到，在MFCs的传递过程中需要利用氧化磷酸化作用，导致其能量转化效率高达65%。常见的实例包括假单胞菌（Pseudomonasaeruginosa），微肠球菌（Enterococcusfaecium）以及Rhodoferaxferrireducens。

如果存在其它可替代的电子受体，如硫酸盐，会导致阳极电势降低，电子则易于沉积在这些组分上。当使用厌氧淤泥作为接种体时，可以重复性的观察到沼气的产生，提示在这种情况下细菌并未使用阳极。如果没有硫酸盐、硝酸盐或者其它电子受体的存在，如果阳极持续维持低电势则发酵就成为此时的主要代谢过程。例如，在葡萄糖的发酵过程中，涉及到的可能的反应是：C6H12O6+2H2O=4H2+2CO2+2C2H4O2或6H12O6=2H2+2CO2+C4H8O2。它表明，从理论上说，六碳底物中最多有三分之一的电子能够用来产生电流，而其它三分之二的电子则保存在产生的发酵产物中，如乙酸和丁酸盐。总电子量的三分之一用来发电的原因在于氢化酶的性质，它通常使用这些电子产生氢气，氢化酶一般位于膜的表面以便于与膜外的可活动的电子穿梭体相接触，或者直接接触在电极上。同重复观察到的现象一致，这一代谢类型也预示着高的乙酸和丁酸盐的产生。一些已知的制造发酵产物的微生物分属于以下几类：梭菌属（Clostridium），产碱菌（Alcaligenes），肠球菌（Enterococcus），都已经从MFCs中分离出来。此外，在独立发酵实验中，观察到在无氧条件下MFC富集培养时，有丰富的氢气产生，这一现象也进一步的支持和验证这一通路。

发酵的产物，如乙酸，在低阳极电势的情况下也能够被诸如泥菌属等厌氧菌氧化，它们能够在MFC的环境中夺取乙酸中的电子。

代谢途径的差异与已观测到的氧化还原电势的数据一起，为我们一窥微生物电动力学提供了一个深入的窗口。一个在外部电阻很低的情况下运转的MFC，在刚开始在生物量积累时期只产生很低的电流，因此具有高的阳极电势（即低的MFC电池电势）。这是对于兼性好氧菌和厌氧菌的选择的结果。经过培养生长，它的代谢转换率，体现为电流水平，将升高。所产生的这种适中的阳极电势水平将有利于那些适应低氧化的兼性厌氧微生物生长。然而此时，专性厌氧型微生物仍然会受到阳极仓内存在的氧化电势，同时也可能受到跨膜渗透过来的氧气影响，而处于生长受抑的状态。如果外部使用高电阻时，阳极电势将会变低，甚至只维持微弱的电流水平。在那种情况下，将只能选择适应低氧化的兼性厌氧微生物以及专性厌氧微生物，使对细菌种类的选择的可能性被局限了。

MFC中的阳极电子传递机制

电子向电极的传递需要一个物理性的传递系统以完成电池外部的电子转移。这一目的既可以通过使用可溶性的电子穿梭体，也可以通过膜结合的电子穿梭复合体。

氧化性的、膜结合的电子传递被认为是通过组成呼吸链的复合体完成的。已知细菌利用这一通路的例子有Geobactermetallireducens、嗜水气单胞菌（Aeromonashydrophila）以及Rhodoferaxferrireducens。决定一个组分是否能发挥类似电子门控通道的主要要求在于，它的原子空间结构相位的易接近性（即物理上能与电子供体和受体发生相互作用）。门控的势能与阳极的高低关系则将决定实际上是否能够使用这一门控（电子不能传递给一个更还原的电极）。

MFCs中鉴定出的许多发酵性的微生物都具有某一种氢化酶，例如布氏梭菌和微肠球菌。氢化酶可能直接参加了电子向电极的转移过程。最近，这一关于电子传递方法的设想由McKinlay和Zeikus提出，但是它必须结合可移动的氧化穿梭体。它们展示了氢化酶在还原细菌表面的中性红的过程中扮演了某一角色。

细菌可以使用可溶性的组分将电子从一个细胞（内）的化合物转移到电极的表面，同时伴随着这一化合物的氧化。在很多研究中，都向反应器中添加氧化型中间体比如中性红，劳氏紫（thionin）和甲基紫萝碱（viologen）。经验表明这些中间体的添加通常都是很关键的。但是，细菌也能够自己制造这些氧化中间体，通过两种途径：通过制造有机的、可以被可逆的还原化合物（次级代谢物），和通过制造可以被氧化的代谢中间物（初级代谢物）。

第一种途径体现在很多种类的细菌中，例如腐败谢瓦纳拉菌（Shewanellaputrefaciens）以及铜绿假单胞菌（Pseudomonasaeruginosa）。近期的研究表明这些微生物的代谢中间物影响着MFCs的性能，甚至普遍干扰了胞外电子的传递过程。失活铜绿假单胞菌的MFC中的这些与代谢中间体产生相关的基因，可以将产生的电流单独降低到原来的二十分之一。由一种细菌制造的氧化型代谢中间体也能够被其他种类的细菌在向电极传递电子的过程中所利用。

通过第二种途径细菌能够制造还原型的代谢中间体——但还是需要利用初级代谢中间物——使用代谢中间物如Ha或者HgS作为媒介。Schroder等利用E.coliK12产生氢气，并将浸泡在生物反应器中的由聚苯胺保护的铂催化电极处进行再氧化。通过这种方法他们获得了高达1.5mA/cm2（A，安培）的电流密度，这在之前是做不到。相似的，Straub和Schink发表了利用Sulfurospirillumdeleyianum将硫还原至硫化物，然后再由铁重氧化为氧化程度更高的中间物。评价MFCs性能的参数

使用微生物燃料电池产生的功率大小依赖于生物和电化学这两方面的过程。

底物转化的速率

受到如下因素的影响，包括细菌细胞的总量，反应器中混合和质量传递的现象，细菌的动力学（p-max——细菌的种属特异性最大生长速率，Ks——细菌对于底物的亲和常数），生物量的有机负荷速率（每天每克生物量中的底物克数），质子转运中的质子跨膜效率，以及MFC的总电势。

阳极的超极化

一般而言，测量MFCs的开放电路电势（OCP）的值从750mV~798mV。影响超极化的参数包括电极表面，电极的电化学性质，电极电势，电极动力学以及MFC中电子传递和电流的机制。

阴极的超极化

与在阳极观测到的现象相似，阴极也具有显著的电势损失。为了纠正这一点，一些研究者们使用了赤血盐（hexacyanoferrate）溶液。但是，赤血盐并不是被空气中的氧气完全重氧化的，所以应该认为它是一个电子受体更甚于作为媒介。如果要达到可持续状态，MFC阴极最好是开放性的阴极。

质子跨膜转运的性能

目前大部分的MFCs研究都使用Nafion—质子转换膜（PEMs）。然而，Nafion—膜对于（生物）污染是很敏感的，例如铵。而目前最好的结果来自于使用Ultrex阳离子交换膜。Liu等不用使用膜，而转用碳纸作为隔离物。虽然这样做显著降低了MFC的内在电阻，但是，在有阳极电解液组分存在的情况下，这一类型的隔离物会刺激阴极电极的生长，并且对于阴极的催化剂具有毒性。而且目前尚没有可信的，关于这些碳纸-阴极系统在一段时期而不是短短几天内的稳定性方面的数据。

MFC的内在电阻

这一参数既依赖于电极之间的电解液的电阻值，也决定于膜电阻的阻值（Nafion—具有最低的电阻）。对于最优化的运转条件，阳极和阴极需要尽可能的相互接近。虽然质子的迁移会显著的影响与电阻相关的损失，但是充分的混合将使这些损失最小化。

性能的相关数据

在平均阳极表面的功率和平均MFC反应器容积单位的功率之间，存在着明显的差异。表2提供了目前为止报道过的与MFCs相关的最重要的的结果。大部分的研究结果都以电极表面的mA/m以及mW/m2两种形式表示功率输出的值，是根据传统的催化燃料电池的描述格式衍生而来的。其中后一种格式对于描述化学燃料电池而言可能已经是充分的，但是MFCs与化学燃料电池具有本质上的差异，因为它所使用的催化剂（细菌）具有特殊的条件要求，并且占据了反应器定的体积，因此减少了其中的自由空间和孔隙的大小。每一个研究都参照了以下参数的特定的组合：包括反应器容积、质子交换膜、电解液、有机负荷速率以及阳极表面。但仅从这一点出发要对这些数据作出横向比较很困难。从技术的角度来看，以阳极仓内容积（液体）所产生的瓦特/立方米（Watts/m3）为单位的形式，作为反应器的性能比较的一个基准还是有帮助的。这一单位使我们能够横向比较所有测试过的反应器，而且不仅仅局限于已有的研究，还可以拓展到其它已知的生物转化技术。

此外，在反应器的库仑效率和能量效率之间也存在着显著的差异。库仑效率是基于底物实际传递的电子的总量与理论上底物应该传递的电子的总量之间的比值来计算。能量效率也是电子传递的能量的提示，并结合考虑了电压和电流。如表2中所见，MFC中的电流和功率之间的关系并非总是明确的。需要强调的是在特定电势的条件下电子的传递速率，以及操作参数，譬如电阻的调整。如果综合考虑这些参数的问题的话，必须要确定是最大库仑效率（如对于废水处理）还是最大能量效率（如对于小型电池）才是最终目标。目前观测到的电极表面功率输出从mW/m2~w/m2都有分布。

优化

生物优化提示我们应该选择合适的细菌组合，以及促使细菌适应反应器内优化过的环境条件。虽然对细菌种子的选择将很大程度上决定细菌增殖的速率，但是它并不决定这一过程产生的最终结构。使用混合的厌氧-好氧型淤泥接种，并以葡萄糖作为营养源，可以观察到经过三个月的微生物适应和选择之后，细菌在将底物转换为电流的速率上有7倍的增长。如果提供更大的阳极表面供细菌生长的话，增长会更快。

批处理系统使能够制造可溶性的氧化型中间体的微生物的积累成为了可能。持续的系统性选择能形成生物被膜的种类，它们或者能够直接的生长在电极上，或者能够通过生物被膜的基质使用可移动的穿梭分子来传递电子。

通过向批次处理的阳极中加入可溶性的氧化中间体也能达到技术上的优化：MFCs中加入氧化型代谢中间体能够持续的改善电子传递。对这些代谢中间体的选择到目前为止还仅仅是出于经验性的，而且通常只有低的中间体电势，在数值约为300mV或者还原性更高的时候，才认为是值得考虑的。应该选择那些具有足够高的电势的氧化中间体，才能够使细菌对于电极而言具有足够高的流通速率，同时还需参考是以高库仑效率还是以高能量效率为主要目标。

一些研究工作者们已经开发了改进型的阳极材料，是通过将化学催化剂渗透进原始材料制成的。Park和Zeikus使用锰修饰过的高岭土电极，产生了高达788mW/m2的输出功率。而增加阳极的特殊表面将导致产生更低的电流密度（因此反过来降低了活化超极化）和更多的生物薄膜表面。然而，这种方法存在一个明显的局限，微小的孔洞很容易被被细菌迅速堵塞。被切断食物供应的细菌会死亡，因此在它溶解前反而降低了电极的活化表面。总之，降低活化超极化和内源性电阻值将是影响功率输出的最主要因素。

IVIFC：支柱性核心技术

污物驱动的应用在于能够显著的移除废弃的底物。目前，使用传统的好氧处理时，氧化每千克碳水化合物就需要消耗1kWh的能量。例如，生活污水的处理每立方米需要消耗0.5kWh的能量，折算后在这一项上每人每年需要消耗的能源约为30kWh。为了解决这一问题，需要开发一些技术，特别是针对高强度的废水。在这一领域中常用的是UpflowAnaerobicSludgeBlanket反应器，它产生沼气，特别是在处理浓缩的工业废水时。UASB反应器通常以每立方米反应器每天10~20kg化学需氧量的负荷速率处理高度可降解性的废水，并且具有（带有一个燃烧引擎作为转换器）35%的总电力效率，意味着反应器功率输出为0.5~1kW/m3。它的效率主要决定于燃烧沼气时损失的能量。未来如果发展了比现有的能更有效的氧化沼气的化学染料电池的话，很可能能够获得更高的效率。

能够转化具有积极市场价值的某种定性底物的电池，譬如葡萄糖，将以具有高能量效率作为首要目标。虽然MFCs的功率密度与诸如甲醇驱动的FCs相比是相当低的，但是对于这项技术而言，以底物安全性为代表的多功能性是它的一个重要优势。

微生物篇(5)

物理方法中主要是温度控制、湿度控制，微生物生长繁殖必须具备一定的温度和湿度。一般说，低温、干燥不利于微生物生长，甚至能够杀灭微生物。所以可以用低温和干燥控制微生物生长繁殖，酸度过高或过低、渗透压过高或过低也能控制微生物生长繁殖；化学方法中主要有营养物质控制和化学物质抑制两种，微生物没有必须的营养物质就无法生长繁殖。如控制碳源、氮源、微量元素或必须的维生素等，都可以抑制或控制微生物的生长繁殖。

（来源：文章屋网 http://www.wzu.com）

微生物篇(6)

[关键词]微生物药物；生产工艺；应用

中图分类号：TG407 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0345-01

0.引言

随着社会科学技术水平不断发展，为微生物药物的研发和制造提供了理论基础。作为一种高新生产技术，微生物药物生产工艺对制药业的发展带来了巨大的潜力和发展前景。不断加强制药工艺的应用和创新是实现制药业可持续发展的必要手段。目前虽然我国微生物药物制造工艺已经有了较快的发展，但其生产工艺依旧存在一些问题。

1.微生物药物

1.1 微生物药物概述

微生物药物是天然药物，包括传统的非抗菌的生理活性物质和抗生素，经过微生物转换或合成对临床疾病进行康复治疗。微生物制药技术就是微生物药物的生产工艺，对生产工艺的研究和新药物的研发，是微生物药物研究的两个关键。在工业微生物技术中，微生物制药技术占有重要的地位，它能够对菌株生产、发酵、提取工艺进行完善和优化。

1.2 微生物药物审查的过程

首先在对有效菌株筛选的基础上进行化学修饰，得到新的活性化合物，然后进行结构的确定和专利的申请及获得并进行临床试验（动物实验）对菌种的优化以及其他生物活性进行研究，确定其副作用和作用机制，在此基础上进行临床试验，当取得较好成效时便可进行药品的注册和上市。

1.3 微生物药物研究的进展

1.3.1 微生物来源拓宽

在现有的已经发现的微生物来看与自然固有的微生物相比数量不多，对微生物药物的研究，离不开对微生物不同的种类进行区别和分离，也是微生物药物研制的必经之路。目前的药物制造中，微生物的主要来源是土壤，随着科技的不断发展和人们认知及经验的拓展，在各类生理活性物质的分离中对海洋微生物的重视度日益提高，且已经有成功的案例。微生物来源渠道不断拓宽，对土壤、海洋微生物的不断深入分析和研究使得各类新型微生物不断被发现，对新型微生物药物的研发创造了基础[1]。

1.3.2 新型微生物Y选模型的建立

在目前的研究报道中，已经面世的关于酶抑制剂的筛选模式大量出现，在此类筛选模式的建立中，大多是以药物的作用机制为基础的，在不断的发展中结合同位素标记法和反射免疫学等，实现筛选模式的不断建立、完善和创新。各类筛选模式的不断建立离不开药理学家、生物学家、化学家等专业人才的共同合作。

2.生产工艺在微生物药物生产中应用的现状

2.1 基因工程技术

随着基因工程技术的不断发展，为微生物筛选模型的建立和新型抗生素的产生提供了应用技术。随着各类受体和酶的筛选模型的不断建立和发展，基因重组技术在筛选中可以将数量少、筛选难度大的受体和酶从大量的微生物中变大出来，促进筛选的效率和降低筛选的难度。微生物药物的发展在基因工程技术的发展、技术改造等基础上，产生了新的药物来源，在微生物药物的筛选时，利用调控机理和定向生物合成等新型发酵技术，为新的衍生物等提供了新的来源。

2.2 菌种的改良

2.2.1 基因重组技术

在基因重组技术的发展中离不开计算机技术的应用，在微生物基因研究的基础上，将基因的DNA序列进行确定、分析、设计、合成，应用计算机技术对得到的样品进行扫描得出需要的理论数据。该技术的应用使得研究者能够对生物细胞进行综合的研究，通过对生物细胞生理状态的分析，进行临床微生物研究，研发新的微生物药物[2]。

2.2.2 修饰技术的发展

在现有的修饰技术中，RNA聚合酶得到官方的应用。要实现基因的表达，就必须先实现遗传信息的转录，在转录的过程中，RNA能够有效的实现信息的转录，RNA聚合酶和抗生素之间的内在联系，使得对RNA聚合酶的功能进行修饰能够实现对抗生素的有效合成，提供合成的水平。

2.2.3 菌种的改良

对菌种的选用和培育是微生物药物生产的重要技术，通过对微生物化学和遗传学的分析，研究微生物的遗传和变异，以微生物学的理论为基础，旨在不断开发微生物的品种和实现微生物代谢产物的优化，通过基因重组对菌株进行筛选和识别，实现微生物的优良筛选。随着青霉素的研发，微生物菌种的开发和研究逐渐发展，为微生物药物生产的菌种筛选和培育奠定了基础；随着科学研究技术的不断发展和研究的不断深入，基因重组技术不断发展和完善，对抗生素产量的提高以及新型活性物质的提取起到了促进作用，促进了基因工程对菌种改良的发展。

3.微生物药物生产工艺的创新措施

3.1 菌株的生产

3.1.1 菌种来源

微生物菌种的质量是微生物药物质量的决定性因素，因此在进行微生物药物制造的时候偶，应该对菌株的性能进行优化，为发酵工艺提供基础；同时应该对菌种的来源和选育的过程及方式进行详细的记录以及生产价值坚定资料，为后期的申报提供有力的数据，确保菌种来源的可靠度和菌种质量。通过对菌种生产价值的鉴定，能够对菌种的形态、代谢、抗原的进行全面的了解，其中分子生物学的发展，在对菌种的分类鉴定中，核酸得到广泛的应用。

3.1.2 菌种库的建立及保存

菌种库的建立，可以为微生物药物制造提供性能稳定、质量合格的菌种。将原始菌种培养获得的包子悬液定量分装于冻存管，要注意的是，孢子悬液均一且同质。在进行申报时，应该提供全面的资料，具体包括：建立过程中的参数；建立的日期、方法、传代数；菌种库质量标准；建立使用的培养基和试剂；储存条件及有效期；检测方法等[3]。

3.2 发酵工艺

微生物的发酵工艺主要包括三个方面：孢子、种子制备和发酵。

3.2.1 孢子制备

孢子制备是发酵的基础，将培养基进行灭菌处理后进行前期保存的孢子的接种，进行培养后用进行灭菌处理，制作孢子悬液待用。在此过程中，制作的菌种应该无外部污染，保持孢子的均匀和丰满性性，在制备的过程中，培养的温度、湿度、时间等对孢子的质量会产生一定影响，因此应该对个环节进行严格的控制，保证孢子制备的质量。

3.2.2 种子制备

作为发酵的关键，种子的制备通过对孢子或者菌体的转入培养使得菌丝数量扩大，一边后期将近似接种到发酵罐中。在此过程中对罐中的压力、空气流量、温度以及培养的时间要进行严格的控制，通过抽样试验的方式对菌丝的变化进行观察，确保种子的质量；除此之外种子的质量与培养基、孢子质量、接种等得影响较大。

3.2.3 发酵

通过发酵能够让微生物产生大量所需的产物，在微生物药物发酵的过程中，需要根据孢子的不同性质应该选用不同的培养基，对相同性质的孢子，在培B的不同阶段对营养的需求也不同；微生物的发酵一般是在有氧环境中进行的，因此要特别注意培养过程中不受其他病毒的感染；在接种的过程中应该对运行参数进行合理的控制，保证微生物的生产力。

3.3 提取工艺的改进

提取工艺主要是对发酵液的处理，由于发酵液中杂质含量较高且其中菌体细胞以及各类细胞代谢物较多，进一步加大了提取的难度。因此提取工艺是常培质量得以保障的重要环节，主要包括对发酵液预处理、目标物的分离、目标物的精制。

4.结语

综上所述，微生物药物生产的工艺处在不断发展和完善的过程中。良好的生产工艺是微生物药物质量的重要保障，由于微生物药物生产的复杂性，对生产工艺的控制显得更加重要。在药物制造的过程中，应该加强对菌种的选择、发酵、提取环节的控制，根据不同菌种的特点，选用适应的工艺进行药物的生产，促进微生物药物生产工艺的可持续发展。

参考文献

[1] 吴佳新.微生物药物的研究与开发综述[J].现代农业科技.2014（21）.

[2] 李国亮，郑昆，陈代杰，王华，邵雷.革兰阴性菌中脂质A修饰造成多黏菌素耐药机制的研究进展[J].药物生物技术.2016（06）.

[3] 陈代杰.细菌耐药性与抗生素增效剂开发[J].上海应用技术学院学报（自然科学版）.2016（01）.

微生物篇(7)

关键词：印染废水 好氧生物处理 微生物菌群变化

1.前言

印染行业是工业废水排放大户，据不完全统计，全国印染废水每天排放量为3×106～4×106m3。印染废水具有水量大、有机污染物含量高、色度深、碱性大、水质变化大等特点，属难处理的工业废水。目前，国内的印染废水处理手段以生化法为主，有的还将化学法与之串联。生物接触氧化法是一种介于活性污泥法与生物滤池之间的生物膜法工艺，其特点是在池内设置填料，池底曝气对污水进行充氧，并使池体内污水处于流动状态，以保证污水同浸没在污水中的填料充分接触，避免生物接触氧化池中存在污水与填料接触不均的缺陷。生物接触氧化法中微生物所需的氧常通过鼓风曝气供给，生物膜生长至一定厚度后，近填料壁的微生物由于缺氧而进行厌氧代谢，产生的气体及曝气形成的冲刷作用会造成生物膜的脱落，并促进新生物膜的生长，形成生物膜的新陈代谢，脱落的生物膜将随出水流出池外

本项目废水采用“絮凝沉淀＋水解酸化＋接触氧化”处理工艺，通过水质监测和调试过程中环境的变化对好氧生化池中生物相的变化进行了分析和研究，以为工程调试提供帮助。

2.工程简介

2.1 设计水量

处理水量：1200m3/d。

处理能力：50m3/h（以24h计）。

2.2 处理水质

进水水质：pH=5~6.5，ρ(CODcr)= 600~800mg／L，ρ(BOD5)=100~400 mg／L，ρ(SS)＝100~200 mg／L，色度100~400倍。

出水水质：执行《纺织染整工业水污染物排放标准》（GB4287-92）3中Ⅰ级标准：ρ(CODcr) 100 mg／L，ρ(BOD5) 25 mg／L，ρ(SS) 70 mg／L，色度40倍。

2.3 工艺流程

废水处理工艺流程见图1。

3.废水微生物概述

3.1 主要微生物

在好氧生物处理系统中的微生物主要是细菌（包括真菌），其它还有藻类、原生动物等微型动物。

在废水好氧生物处理过程中，去除含碳有机物起主要作用的是异氧菌，数量最多的也是异氧菌。真菌为多细胞异氧微生物，为严格好氧，喜欢酸性环境（最佳pH约5.6），需氧量低。

单细胞原生生物如原生动物和多细胞后生动物如微型动物轮虫在废水处理过程中也起主要的作用。这些微生物以小的胶体有机颗粒和分散的细菌细胞为食料，可减少生物处理系统出水的浊度。原生动物和后生动物的种类多少、生长情况和数量被用来评价生物系统是否正常。当原生动物种类多、生长好、数量多并出现后生动物时，一般认为废水处理系统处理情况良好，运行正常的象征。

必须指出，新生的微生物细菌，是一种不稳定的有机物，呈悬浮固体状，易于分离。好氧生物处理的实质时废水中的溶解性有机物转化成不溶性可沉的微生物固体和一部分无机物，从而使废水得到净化。固液分离后的微生物固体是不稳定的，一般尚需进一步处理或处置。

3.2 影响好氧生物处理的因素

影响好氧生物处理的因素主要是温度、pH、营养物、供氧、毒物和有机物性质等。

（1）温度

根据生长的最适宜温度范围，细菌可分为嗜冷、嗜温和嗜热（或可分为低温、中温和高温）三大类。嗜冷菌的最佳生长温度为4～10℃，嗜热菌为50～55℃，嗜温菌为20～40℃，废水好氧生物处理一般在15～35℃内运行，温度低于10℃或高于40℃，去除BOD的效率大大降低，降低。20～30℃效果最佳。一般在5～35℃内，温度每增加10～15℃，微生物活动能力可增加一倍。

（2）pH

废水氢离子浓度对微生物的生长有直接影响。好氧生物处理系统在中性环境中运行最好，一般在pH6.5～8.5范围内。当pH>9或pH

（3）供氧

好痒生物处理过程中提供足够的溶解氧是至关重要的，供氧不足会出现厌氧状态，妨碍好氧微生物正常的代谢过程，并滋长丝状细菌。为了使微生物正常代谢和沉淀分离性能良好，一般要求溶解氧维持在2mg/L左右。

（4）营养物

微生物的代谢需要一定比例的营养物质。除需要以BOD表示的碳源外，还需要氮、磷和其它微量元素。生活污水含有微生物所需要的各种元素；有些工业废水则缺乏某些关键的元素，如氮、磷等，这是就需要透加适量的氮、磷等或生活污水。好氧生物处理对氮、磷的需要量可根据下式估计：

（5）有毒物质

对生物处理有毒害的物质很多，其中包括重金属、氰、H2S等无机物质和某些有机毒物。毒物的毒害作用与pH值、水温、溶解氧、有无其它毒物及微生物的数量和是否驯化等有很大关系。

4.工程调试进程与微生物生长的关系

4.1 工程调试初期

废水接种城市污水处理厂的活性污泥。水中的微生物恢复活性后，镜观好氧池中主要的微生物仍为原城市污水处理中的优势菌体。主要有菌类、原生动物和浮游甲壳动物等。

4.2 调试过程中生物相变化

调试过程中随着水量的不断增加和各种外界条件的变化，好氧生物池中的微生物种类和数量也随之发生着变化。通过观测水中的微生物的这些变化就可以判断出工程调试的效果，也可以根据观测结果来对工程调试给出指导。