环境工程微生物学

1. 环境工程微生物学 湖南大学环境科学与工程学院 徐卫华老师主讲 Tel: 13187000416 E-mail: whxu@hnu.edu.cn 实验指导教师:张薇 Tel:15111324488

2. 教学目的和要求： 主要介绍环境中微生物的主要类群及它们的生理、生态特性，微生物与环境污染的关系，污染物的微生物降解与转化规律，微生物在环境污染防治中的应用，以及环境微生物学实验、研究的基本方法和技能。

3. 第一节 环境与环境工程面临的问题、可持续发展与微生物

4. 当今世界各国面临着严重的环境污染问题，环境污染日趋严重，人类赖以生存的地球环境质量急剧恶化。当今世界各国面临着严重的环境污染问题，环境污染日趋严重，人类赖以生存的地球环境质量急剧恶化。 • 废水、废气、固体废物三大公害严重污染人类的生存环境。

5. 中国经济高速发展进程Economic Growth in China (1985-2001) 全国人均GDP 1981：489元 2001：7543元  15.4倍

6. 复合性环境污染 老债新帐叠加共存 1940 1980 2000 1900 粪便污染 SO2、颗粒物 光化学烟雾 酸雨 重金属 氮磷富营养化 垃圾 温室气体 黑碳、气溶胶 有机金属污染物 持久性有机物污染 二次污染 核废料 工业危险废弃物 微生物污染 耗氧有机物 面临全球最严峻、最复杂的环境问题 我们二十年经历了发达国家上百年的发展历程

7. 1981年3月 1991年2月 2001年2月 Ⅲ类 Ⅱ类 Ⅳ类 Ⅴ类 太湖20年来水质分布变化

8. 我国沿海海域赤潮出现的频率 2003年赤潮累计面积达14550平方公里，主要特点为：时段长、高发期集中、持续时间延长。全年12个月均有赤潮发生，最长持续35天。

9. 水体富营养化和水华

10. 水体污染

11. 海洋赤潮

12. 粉尘 大气 NOx SO2 CO2 H2S 微生物 造纸、石油炼厂、 石油化工、印染、 毛条、豆制品、油脂、制药、 各种发酵工业废水 工厂和汽车废气 CO、CO2、NOx、SO2、H2S、NH3、CH4、酚、氰、粉尘、微生物 水体、土壤 有机固体废物 微生物 城市生活污水 病原体

13. 微生物在环境保护和环境治理中，在保持生态平衡等方面与其他生物一样，起着举足轻重的作用。微生物容易发生变异的特点，随着新污染物的产生和数量的增多，微生物的种类可随之相应增多，呈现出更加多样性。这使得它有别于其他生物，在环境污染中，微生物的作用更独树一帜。 利用自然环境中的有益微生物，降解污染物，治理环境污染，实现可持续性发展，是环境工程微生物学研究的主要任务和目的。

14. 随着微生物学中各个分支学科相互渗透，尤其是分子生物学、分子遗传学的发展，促进了微生物分类学的完善，也促进微生物应用技术的进步，推动了生物工程的发展，酶学和基因工程在各个领域得到应用和长足的发展。在环境工程中也是如此，如固定化酶、固定化微生物细胞处理工业废水，筛选优势菌，筛选处理特种废水的菌种，甚至在探索用基因工程技术构建超级菌，用于环境工程事业。这方面已有分解石油烃类的超级菌的例子。随着微生物学中各个分支学科相互渗透，尤其是分子生物学、分子遗传学的发展，促进了微生物分类学的完善，也促进微生物应用技术的进步，推动了生物工程的发展，酶学和基因工程在各个领域得到应用和长足的发展。在环境工程中也是如此，如固定化酶、固定化微生物细胞处理工业废水，筛选优势菌，筛选处理特种废水的菌种，甚至在探索用基因工程技术构建超级菌，用于环境工程事业。这方面已有分解石油烃类的超级菌的例子。

15. 第二节 环境工程微生物学的 研究内容与任务

16. 研究对象 • 微生物形态、结构及功能，微生物的营养、生长、代谢、繁殖、遗传变异等； • 微生物生态和微生物参与物质循环和转化中的行为和作用； • 微生物对废气、废水和固体废物的处理； • 污染环境中的微生物种群变化和行为，以及对污染环境的修复； • 病原微生物在环境中行为以及如何防止和控制其行为；

17. 研究任务 • 充分利用有益的微生物资源，为人类造福； • 防止、控制、消除微生物的有害活动，化害为利； • 废水、废气、固体废物的生物处理。

18. 污水处理厂

21. 氧化沟

22. Herrenhausen污水处理厂 : 生物滤床

23. 浸没式生物膜反应器

25. 垃圾的堆肥处理

26. 环境生物技术 • 微生物絮凝剂的开发和应用 • 固体废物的堆肥处理 • 生物脱氮、除磷、脱硫 • 生物脱臭技术 • 环境生物监测 • 生物传感器 • 微生物杀虫剂 • 超级工程菌的构建

27. 环境微生物学主要教学参考书 1.王家玲，《环境微生物学》(第二版)，高等教育出版社，北京， 2004； 2. 沈萍，《微生物学》，高等教育出版社，北京，2000； 3. 王建龙，《现代环境生物技术》，北京，清华大学出版社，2001； 4. 贺延龄，《环境微生物学》，北京，中国轻工业出版社，2001； 5.顾夏声，《水处理微生物学（第3版）》，北京，中国建筑工业出版社 ，1998； 6. 史家樑，《环境微生物学》，华东师范大学出版社，上海，1993; 7. 翁稣颖，《环境微生物学》，科学出版社，北京，1985； 8. J. Nicklin, K., Instant Notes in Microbiology（影印版），科学出版社、Bios Scientific Publishers Limited, 1999；

28. 国内环境微生物学相关中文杂志 • 中国环境科学 • 环境科学学报 • 环境科学 • 微生物学报 • 应用与环境生物学报 • 中国给水排水

29. 国外环境微生物学相关杂志 • Applied and Environmental Microbiology • Environmental Microbiology • Journal of Applied Microbiology • Applied Microbiology and Biotechnology • Biodegradation

30. 环境微生物相关的网站 • 环境微生物学信息门户 http://www.lifesciences.cn/SPT--QuickSearch.php?ss=Environmental+microbiology • 微生物之家 http://www.microbiohome.com/ • 中国科学院微生物研究所 http://www.im.ac.cn/chinese.php • 中国环境微生物学信息http://www.ynjhb.com/fagui/xj/envmicrinfor.htm

31. 第三节 微生物概述

32. ？ • 你所知道的微生物有哪些？ • 微生物有什么作用？ • 当看到或听到细菌这个词时，你首先想到什么？

33. 微生物(microorganism)：是存在于自然界的一大群体形微小、结构简单、肉眼直接看不见，必须借助光学显微镜或电子显微镜放大数百倍、数千倍，甚至数万倍才能观察到的微小生物。微生物(microorganism)：是存在于自然界的一大群体形微小、结构简单、肉眼直接看不见，必须借助光学显微镜或电子显微镜放大数百倍、数千倍，甚至数万倍才能观察到的微小生物。 • 微生物种类繁多，但它不是系统分类学上的名称，仅为了与动植物相区别和叙述的方便，把无细胞结构的病毒、原核生物的细菌、放线菌，以及真核生物中的真菌统称为微生物。

34. 一、 微生物的种类和命名 • 原核细胞型微生物——细胞核的分化较低，仅有原始核，无核膜、核仁。细胞器很不完善。DNA和RNA同时存在。这类微生物众多，包括细菌、放线菌、支原体、衣原体、立克次体、螺旋体。 • 真核细胞型微生物——细胞核分化程度高，有核膜和核仁，细胞器完整。如真菌。 • 非细胞型微生物——是最小的一类微生物。无典型的细胞结构，只能在活细胞内生长繁殖。核酸类型为DNA或RNA。病毒属之。

35. 按16SrRNA碱基序列比较细菌、古菌 和真核生物系统

36. 生物物种是在一定的地理和物候条件下形成的。分类工作者根据生物的形态特征和生理生化特征把不同的物种划分开。物种也叫“种”，是生物分类的基本单位。保守地估计，全球约有500万种生物，已被描述并记录在案的约有140万种。人们经过几百年的努力把这些生物种类“归档”并建立“户口簿”，分成植物界、动物界、真菌界、原核生物界等。界下面的分类单位是门、纲、目、科、属、种、亚种等。这种分类级别就像一株大树，分成几个主干，每个主干再分成许多枝杈。生物物种是在一定的地理和物候条件下形成的。分类工作者根据生物的形态特征和生理生化特征把不同的物种划分开。物种也叫“种”，是生物分类的基本单位。保守地估计，全球约有500万种生物，已被描述并记录在案的约有140万种。人们经过几百年的努力把这些生物种类“归档”并建立“户口簿”，分成植物界、动物界、真菌界、原核生物界等。界下面的分类单位是门、纲、目、科、属、种、亚种等。这种分类级别就像一株大树，分成几个主干，每个主干再分成许多枝杈。

37. Fungi Plants Animals Protista Prokaryotae Five-kingdom system is a commonly accepted system of classification

38. 在微生物这个大家族内，真菌形成了一个独立的世界，与动物、植物同属于生物发展到高级阶段的三个分支。目前已发现的真菌约10万种。微生物家族中的第二个成员是细菌。在微生物这个大家族内，真菌形成了一个独立的世界，与动物、植物同属于生物发展到高级阶段的三个分支。目前已发现的真菌约10万种。微生物家族中的第二个成员是细菌。 • 细菌虽然繁殖极快，但它们的种类并不太多。到目前为止，记录“归档”的细菌大约有4000多种。绝大多数种类的细菌是无害的，许多种是人类不可缺少的好朋友。

39. 除了少数放线菌会引起动物、植物和人类疾病外，我们今天认识的大部分放线菌对人类都没有害处。应该特别强调的是，放线菌对维护人类健康的贡献比其他微生物都要大。目前在我们治病用的抗生素中，有70%是用放线菌生产的，此外它们还能生产用于农业生产的杀虫剂、除草剂等等。我们做菜时，要往菜里加味精，制造味精也是用放线菌。除了少数放线菌会引起动物、植物和人类疾病外，我们今天认识的大部分放线菌对人类都没有害处。应该特别强调的是，放线菌对维护人类健康的贡献比其他微生物都要大。目前在我们治病用的抗生素中，有70%是用放线菌生产的，此外它们还能生产用于农业生产的杀虫剂、除草剂等等。我们做菜时，要往菜里加味精，制造味精也是用放线菌。

40. 在微生物家族中比较特殊的是病毒。它们的个体实在太小，只有在电子显微镜下放大几万倍，才显露原形。与其他微生物不同，病毒没有细胞结构，只能在寄主细胞内繁殖。进入“病毒户口簿”的大约有2800种。病毒与人类关系极为密切，病毒能引起人类、动植物、昆虫的多种疾病，像艾滋病、肝炎等。目前人类还没找到一种对病毒有直接治疗效果的药说。当然，病毒并不全“坏”，它们在分子生物学领域中的应用、在病虫害防治中的作用正被人类所认识。在微生物家族中比较特殊的是病毒。它们的个体实在太小，只有在电子显微镜下放大几万倍，才显露原形。与其他微生物不同，病毒没有细胞结构，只能在寄主细胞内繁殖。进入“病毒户口簿”的大约有2800种。病毒与人类关系极为密切，病毒能引起人类、动植物、昆虫的多种疾病，像艾滋病、肝炎等。目前人类还没找到一种对病毒有直接治疗效果的药说。当然，病毒并不全“坏”，它们在分子生物学领域中的应用、在病虫害防治中的作用正被人类所认识。

41. 病毒 类病毒 拟病毒 朊病毒 非细胞型微生物 病毒界 蓝藻门（蓝绿细菌） 真细菌亚纲 原核细胞生物 原核细胞生物界 放线菌亚纲 生物 原生动物 粘细菌纲 真核原生生物界 细菌门 立克次氏体纲 真核藻类 酵母菌 螺旋体纲 真菌界 细胞型微生物 支原体纲 霉菌 微型后生动物 动物界 高低等动物 低等植物 植物界 高等植物 二、环境工程中的微生物范畴

42. 显微镜下一滴水中的原生动物和细菌菌落 生物曝气池 显微镜下一滴水中 的原生动物 菌落形态的观察

43. 微生物的命名——二名法 • 二名法，即用两个拉丁词命名一个微生物的种。这个种的名称是一个属名和一个种名组成。 • 学名=属名+种名+（首次定名人）+现定人+定名年份 • 学名=属名+种名+菌株（用字母、符号等字形表示） • 学名=属名+sp.(或spp.)

44. 三、微生物的发现和微生物学的建立与发展 • 列文虎克(1632—1723) • 利用单式显微镜观察了许多微小物体 • 和生物，并于1676年用自磨镜片，制 • 造了一架能放大266倍的原始显微镜， • 检查了污水、齿垢、粪便等，发现了 • 许多肉眼看不见的微小生物，正确描 • 述了微生物的形态有球形、杆状和螺 • 旋样，为微生物的存在提供了科学依 • 据。

45. 2.巴斯德 (Louis Pasteur,1822-1895) 探明了微生物发酵和微生物致病的原 因，提出了生命的胚种学 说，成功研制鸡霍乱、炭疽和狂犬病 疫苗，再加上消毒灭菌等一系列方法 的建立，为微生物学的发展奠定了坚 实的基础。 自此微生物学成为一门独立学科。

46. 3. 柯赫 (Robert Koch,1843-1910) 建立了研究微生物的一系列重要的分离和纯培养技术、培养基技术、染色技术等，尤其在分离微生物纯种方面；分离到多种传染病的病原体（炭疽病菌、结核杆菌、链球菌、霍乱弧菌）

47. 四、 微生物的特点 1. 个体极小，比面值大 比面值= 面积/体积 豌豆 6 ，球菌 60000 cm = 10-2 meter mm = 10-3 meter μm = 10-6 meter nm = 10-9 meter

48. 2. 分布广、种类多 分布广：土壤、空气、海洋、人体肠道 种类多：（1）微生物的生理代谢类型多 微生物特有：分解天然气、石油、纤维素、木质素能力； 多种产能方式：细菌光合作用、自养细菌的化能合成作用、各种厌氧菌的产能途径 （2）代谢产物种类繁多 含氮代谢产物：氨基酸、核苷酸类 糖类代谢产物：酒精、乳酸、甘油、丙酮丁醇、柠檬酸、苹果酸、葡萄糖酸； 微生物多糖：黄原胶、右旋糖苷； 微生物酶类：蛋白酶、淀粉酶、酯肪酶、工具酶； 次级代谢产物：抗生素、维生素、激素、生物碱 （3）微生物的种数多 目前比较肯定的微生物种数大约10万种， 随着分离、培养方法的改进，研究工作的 深入，新种、新属、新科、新纲陆续被发现。

49. 消化系统中微生物群体(个/g) • 胃内由于强酸性环境，微生物较少 • 其他消化道 回肠 结肠 直肠或粪便 双歧杆菌 104 107 1010 拟杆菌 103 108 1010 肠杆菌 103 106 106 肠球菌 107 乳杆菌 104

50. 3. 繁殖快 大肠杆菌在合适的生长条件下，每分裂1次的时间是12.5~20.0分钟，按20分钟分裂一次计，每昼夜可分裂72次，后代 272（4 722 366 500），重约4772吨，48小时为2.2*1043,约为4 000个地球之重。 事实上，由于种种客观条件的限制，指数分裂只能维持几小时，液体培养基中一般仅能达到108 ~ 109个/ml。