環(huán)境微生物學01第一章緒論

環(huán)境微生物學01第一章緒論第一頁，共49頁。Appl.Environ.Microbiol.Environ.Microbiol.CurrentMicrobiol.MicrobialReviewJ.Bacteriol.Biotechnol.Bioeng.Appl.Microbiol.Biotechnol.Biotechnol.Appl.Biochem.TrendsinBiotechnol.ProcessBiochem.BioresourceTechnol.EnzymeMicrobeTechnol.J.Microbial.MethodsJ.Ferment.Bioeng.環(huán)境科學中國環(huán)境科學生物工程學報微生物學雜志微生物學報微生物學通報應用與環(huán)境生物學報有關學術期刊2第二頁，共49頁。學時安排3學分(授課∶28學時、實驗6學時)

成績評價方法/方式平時作業(yè) ∶15%實驗+報告 ∶15%期末考試 ∶70%學時安排與成績評價3第三頁，共49頁。第一章緒論第二章原核微生物第三章古細菌第四章真核（微）生物第五章病毒第六章微生物的生理特性第七章微生物的生長和遺傳變異第八章微生物的生態(tài)第九章微生物對污染物的分解與轉化第十章污水生物處理系統(tǒng)中的主要微生物第十一章水衛(wèi)生生物學第十二章水中有害生物的控制第十三章水質安全的生物檢測十四章微生物的研究方法(以實驗為主)本課程的主要內容4第四頁，共49頁。一、環(huán)境微生物學的研究內容二、微生物的一般特點三、微生物的分類與命名第一章緒論5第五頁，共49頁。1、什么叫微生物？微生物（microorganism、microbe）肉眼看不見或看不清楚的微小生物的總稱。

?。▊€體微?。┖啠ńY構簡單）低（進化地位低）一、環(huán)境微生物學的研究內容6第六頁，共49頁。小m級：光鏡可見nm級：電鏡可見形體微小7第七頁，共49頁。Thewhitebaraboverepresents10microns(0.01mm).Belowaresomeorganismsandcellsdrawntoapproximatescale.virus(0.05to0.1microns)bacteria(0.5to1.5microns)redbloodcell(5microns)8第八頁，共49頁。簡單細胞簡單多細胞非細胞結構結構簡單一、環(huán)境微生物學的研究內容9第九頁，共49頁。低原核類：三菌(細菌、放線菌、藍細菌)三體(支原體、衣原體、立克次氏體)真核類：真菌原生動物單細胞藻類非細胞生物：病毒類病毒朊病毒進化地位低一、環(huán)境微生物學的研究內容10第十頁，共49頁。細胞群體分子形態(tài)結構生理代謝遺傳變異生態(tài)分布分類進化2、微生物學及其分科

研究微生物的科學。在水平上研究微生物的等的基本規(guī)律，并將其應用到發(fā)酵、醫(yī)學衛(wèi)生、生物工程、環(huán)境保護等領域。其主要任務是發(fā)掘、利用和改善有益微生物，控制、消滅或改造有害微生物。一、環(huán)境微生物學的研究內容11第十一頁，共49頁。微生物學的分科基礎微生物學（GeneralMicrobiology）或微生物生物學（BiologyOfMicroorganisms）微生物生態(tài)學、微生物分類學按基本生命規(guī)律分應用微生物學（AppliedMicrobiology）按應用領域分工業(yè)微生物學、農業(yè)微生物學、食品微生物學、環(huán)境微生物學細菌學、真菌學、藻類學、自養(yǎng)微生物學按研究對象分一、環(huán)境微生物學的研究內容12第十二頁，共49頁。土壤微生物學、海洋微生物學、水微生物學、環(huán)境微生物學按所在生態(tài)環(huán)境分按與其他學科交叉情況分微生物數(shù)值分類學、微生物化學分類學、化學微生物學一、環(huán)境微生物學的研究內容13第十三頁，共49頁。誕生：隨著環(huán)境污染的日益加劇，微生物在環(huán)境污染防治方面的作用越來越大，環(huán)境微生物技術的研究越來越深入。在此背景下，逐步由微生物學分化出來一個邊緣學科3、環(huán)境微生物學（EnvironmentalMicrobiology）美國微生物學會（ASM）AmericanSocietyForMicrobiology“AppliedMicrobiology”改名為“AppliedandEnvironmentalMicrobiology，標志著環(huán)境微生物學作為一門學科的正式形成。研究對象：自然和人工環(huán)境中的微生物及其微生物過程。環(huán)境微生物學一、環(huán)境微生物學的研究內容14第十四頁，共49頁。

Cycleofnaturalsubstancesintheearth.Self-purificationofanecosystemBiologicalwastewatertreatmentBiologicaldeodorizationBioremediation/biorestorationofcontaminatedsoilsandgroundwaterBiotransformationofsolidwastes(Composting)RolesofmicroorganismsinthefliedofEnvironmentalandEcologicalEngineeringBigjobsGreatworkerBB一、環(huán)境微生物學的研究內容15第十五頁，共49頁。自然環(huán)境（水、土壤等）人工環(huán)境（生物反應器等）污染物的微生物分解與轉化過程及其復雜性污染物（種類、濃度）微生物（種類、濃度）＋細胞分解產物一、環(huán)境微生物學的研究內容16第十六頁，共49頁。污水活性污泥（AS）處理系統(tǒng)污水活性污法的工藝流程為了給生物反應器中的微生物(活性污泥)提供氧氣，工程上要用空壓機向反應器中的污水鼓氣(即曝氣)，因此活性污泥處理系統(tǒng)的生物反應器一般稱為“曝氣池”。一、環(huán)境微生物學的研究內容17第十七頁，共49頁。環(huán)境工程微生物學的研究任務微生物的形態(tài)、結構、生理特性、代謝、生長/繁殖、遺傳與變異微生物在環(huán)境中存在的基本狀況與活動規(guī)律微生物對污染物的轉化與分解作用有害微生物的控制理論環(huán)境微生物的檢測技術環(huán)境污染防治中的微生物學問題一、環(huán)境微生物學的研究內容18第十八頁，共49頁。環(huán)境微生物工程（A）與工業(yè)微生物工程（B）的比較目的A：代謝產物和菌體盡量少。B：代謝產品的生產和菌體。目標：投入少，產出多。分解對象A：量和質隨時間變化大，組成不明確。（對微生物活性影響大）。環(huán)境條件B：分解對象（培養(yǎng)基組成）明確，量質方面的變動小。A：環(huán)境條件變化大。B：條件一定，被保持在一定水平上，發(fā)酵一、環(huán)境微生物學的研究內容19第十九頁，共49頁。利用的微生物(微生物利用水平)微生物種群水平（population）A：復合微生物系統(tǒng)多種微生物共存，通過不同微生物的“接力”，最終把污染物分解為CO2.有機物BCDCO2抗變能力強穩(wěn)定性好（形成食物鏈）bacteriaprotozoametozoa適應性強馴化群體構造復雜，可控制性差B：純培養(yǎng)（purecultures）（封閉/半封閉）生態(tài)系統(tǒng)水平一、環(huán)境微生物學的研究內容20第二十頁，共49頁。生成物A：復合菌體+CO2、CH4等。B：一種菌體+各種代謝產物操作方式A：連續(xù)操作多、間歇操作少。（開放系）B：間歇操作、半連續(xù)。（密閉系）非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的控制穩(wěn)態(tài)運行的實現(xiàn)規(guī)模A：大，數(shù)千立方米~數(shù)十萬立方米B：小，數(shù)立方米水平一、環(huán)境微生物學的研究內容21第二十一頁，共49頁。環(huán)境微生物反應器的特點（復雜系統(tǒng)）進料組分不明確（復雜、多樣）微生物群體不明確（種類多、性質各異）規(guī)模大微生物群落結構的認識非常重要局限性反應速率慢不能處理所有的污染物不易控制一、環(huán)境微生物學的研究內容22第二十二頁，共49頁。環(huán)境微生物技術是一種具有廣闊發(fā)展前景的高新技術經濟、大規(guī)模、穩(wěn)定性應用領域逐漸擴大清潔生產生活污水處理工業(yè)廢水固體廢物廢氣土壤污染/地下水/水體修復一、環(huán)境微生物學的研究內容23第二十三頁，共49頁。前沿課題高效菌株、菌群的培育、開發(fā)與利用有毒有害污染物的降解機理與調控極端條件下的環(huán)境生物技術（古細菌）寒冷地區(qū)、炎熱地區(qū)高溫廢水（70~80攝氏度）高含鹽廢水（石油廢水）酸性廢水（礦山廢水）低溫廢水（味精廢水）微生物能源、生物煉制微生物種群結構及其功能的優(yōu)化與調控一、環(huán)境微生物學的研究內容24第二十四頁，共49頁。比表面積大、種類多、分布廣、代謝快、繁殖快、適應性強、易變異1、比表面積大：specificarea（體積小、面積大）球體積：1/6πD3面積：πD2比表面積==πD21/6πD36D立方體體積：L3面積：6L2比表面積==6L2L36L1cm：61.0μm：6×104比表面積極大是微生物與大型動物相區(qū)別的關鍵所在，也是賦予微生物其他共性的本質所在。大面積系統(tǒng)必然有一個巨大的物質交換面，可以促進營養(yǎng)物的吸收、代謝物的排泄、環(huán)境信息的接收等。二、微生物的一般特點25第二十五頁，共49頁。體積小，面積大，比表面積大比表面積SurfacetoVolumeRatio

營養(yǎng)物質吸收、代謝廢物排泄、環(huán)境信息交換邊長立方體數(shù)總表面積比面值類似對象1.0cm16cm26豌豆1.0mm103

60cm2

60細小藥丸0.1mm106

600cm2

600滑石粉粒0.01mm109

6000cm2

6000變形蟲1.0m

10126m2

60000球菌0.1m

1015

60m2

600000大膠粒0.01m

1018

600m2

6000000大分子1.0nm1021

6000m2

60000000分子26第二十六頁，共49頁。2、種類多目前已發(fā)現(xiàn)的微生物大約有10萬種以上。（見表）目前發(fā)現(xiàn)的微生物僅僅是冰山的一角。隨著分離、培養(yǎng)方法的改進和非培養(yǎng)技術（DNA雜交法、化學分析法）微生物的新種、新屬、新目將會增加許多。二、微生物的一般特點就目前的分離、培養(yǎng)技術只能培養(yǎng)出所存在微生物的1%~20%左右。有一些是不能被培養(yǎng)的微生物。VBNC/VNC（Viablebutnon-culturable）（見表）27第二十七頁，共49頁。類型

種

數(shù)

低限

傾向性種數(shù)

高限

病毒與立克次氏體支原體細菌與放線菌藍細菌藻類真菌原生動物

121742>100012271505137175240681217421500150023100473002406812174215002500231006893930000總計

7978098727127298主要微生物的種數(shù)**本表參考Whittaker,R.H.etal.BiologyDataBook,2nded.,Vol.1,1972.P.529。28第二十八頁，共49頁。Culturabilitydeterminedasapercentageofculturablebacteriatototalcellcounts* Habitat Culturability(%) Freshwater 0.25 Mesotrophiclake 0.1-1 Unpollutedestuarinewaters0.1-3 Activatedsludge1-15 Sediments 0.25 Soil 0.3*Amann,R.I.,etal:Phylogeneticidentificationandinsitudetectionofindividualmicrobialcellswithoutcultivation,MicrobiologicalReviews,Mar.1995,p143-169.29第二十九頁，共49頁。由種類多而派生出來的特點代謝類型多能利用自然中各種有機物和無機物，甚至許多有毒物（氰、酚、多環(huán)芳炔）。產能方式多：光合作用、化能合成作用代謝產物種類多大腸桿菌E.coli：能產生2000~3000種蛋白質。目前發(fā)現(xiàn)的抗生素達上萬種，其中97%以上來自細菌和放線菌。二、微生物的一般特點30第三十頁，共49頁。微生物產酶的種類也非常豐富，僅“工具酶”中的Ⅱ型限制性內切酶，在各種微生物中就發(fā)現(xiàn)1400種以上。3、分布廣廣泛分布于土壤、空氣和水體等自然環(huán)境中。也廣泛的存在于生物體內。人體腸道中經常聚居著100~400種不同種類的微生物（總重量約等于糞便干重的1/3左右）。植物細胞中的微生物微生物小而輕可以到處傳播和定居。適應能力強二、微生物的一般特點31第三十一頁，共49頁。一些數(shù)字引自沈萍《微生物學》每克新鮮植物葉子表面附生著大約1106個微生物人的皮膚上平均每平方厘米含有105個細菌人體腸道內菌體總數(shù)達100萬億個左右（人體細胞數(shù)量50萬億）。糞便中細菌大約占糞便干重的1/3每個噴嚏的飛沫含4500-150000個細菌，重感冒患者為8500萬生活在土壤中和地下的細菌數(shù)加起來，估計其總重量為100341012噸。32第三十二頁，共49頁。一些數(shù)字每張紙幣帶有9106個細菌。大腸桿菌在1個小時內可消耗相當于它們自身重量2000倍的糖。被埋在琥珀中達2500萬年的芽孢，當放到營養(yǎng)培養(yǎng)基上時仍可萌發(fā)生長。全世界海洋中微生物的總重量約280億噸引自沈萍《微生物學》33第三十三頁，共49頁。4、代謝速度快呼吸速率遠遠大于高等動植物組織。比呼吸速率OUR(OxygenUtilizationRate)※Pseudomonas（假單胞菌屬）30oC1200腎和肝組織37oC10~20根和葉組織20oC0.4~4※單位：ml-O2/mg-drycell.h二、微生物的一般特點大腸桿菌每小時可分解其自重1000-10,000倍的乳糖產朊假絲酵母（Candidautilis）比大豆強100倍的蛋白質合成能力34第三十四頁，共49頁。5、繁殖快微生物的代時（generationtime）倍加時間（doublingtime）大腸桿菌18min（每日分裂80次）指數(shù)分裂2n增加率1.2×1024注意：細菌的指數(shù)分裂只能維持很短的時間。在液體培養(yǎng)基中，細菌濃度一般僅能達到108~109cell/mL。在工業(yè)上的應用（發(fā)酵）上：降低生產周期。在科學研究上：縮短研究周期生物毒性研究遺傳毒性研究繁殖快的意義：二、微生物的一般特點35第三十五頁，共49頁。若干微生物的代時及每日增殖率

微生物名稱

代時

每日分裂次數(shù)

溫度（oC）

每日增殖率

細菌乳酸菌大腸桿菌根瘤菌枯草桿菌光合細菌

38分18分110分31分144分

388013461025372530302.7×10111.2×10248.2×1037.0×10131.0×103釀酒酵母

120分

12304.1×103藻

類

小球藻念珠藻*硅藻

7小時23小時17小時

2.41.041.42525204

草履蟲

10.4小時2.3264.92*為念珠藍菌屬（Nostoc）的舊稱。與細菌同屬原核生物。

36第三十六頁，共49頁。6、適應性強：是分布廣的基本原因微生物對環(huán)境條件，特別是“極端環(huán)境”具有驚人的適應力。耐高溫菌：80~90oC條件下能正常生長。北斐濟海底熱水(285℃)中發(fā)現(xiàn)的細菌沖縄海底熱水bloom中發(fā)現(xiàn)的細菌東太平洋南部熱水中發(fā)現(xiàn)的硫氧化菌（熒光染色）二、微生物的一般特點37第三十七頁，共49頁。耐低溫菌：在－80oC條件下大多數(shù)細菌仍能保持生命。（菌的保存）耐壓菌：酵母菌為500atm。深海微生物：低溫?高圧耐性微生物美國海洋研究所在1萬米海底峽谷中采集的細菌（能耐受700大気圧，380大気圧以下不能生長。只能在高壓環(huán)境中生長的微生物稱絕對嗜壓微生物二、微生物的一般特點38第三十八頁，共49頁。耐干燥：能產生芽孢的細菌可在干燥條件保藏幾十年。耐酸菌：（Thiobacillusthiooxidans氧化硫硫桿菌）可以在0.5~1.0mol/l（pH=0.5）的H2SO4中生存。耐堿菌：e.g.Thiobacillusdenitrificans（脫氮硫桿菌）的生長最高pH值為10.7。有些青霉和曲霉也能在pH9~11的堿性條件下生長。耐毒物菌：如Cr6+、HCN耐輻射菌二、微生物的一般特點39第三十九頁，共49頁。三角菌

日本石川縣鹽田中發(fā)現(xiàn)的嗜鹽菌（能在20％的鹽溶液中生長）嗜鹽菌：甚至在飽和鹽水中能生活。溶媒耐性菌在高濃度有機溶劑（甲苯等）中能生長的細菌溶媒耐性菌二、微生物的一般特點40第四十頁，共49頁。7、易變異由于數(shù)量多，繁殖快，與外界直接接觸等原因，容易產生變化。最常見的是基因突變。菌株選育、馴化耐抗生素菌二、微生物的一般特點41第四十一頁，共49頁。微生物的分類原核生物細菌放線菌藍細菌（俗稱綠藻）支原體、立克次氏體、衣原體真核微生物非細胞生物—病毒藻類真菌酵母菌霉菌原生動物微型后生動物肉足類鞭毛類纖毛類古菌細胞生物三、微生物的分類與命名1、微生物的分類42第四十二頁，共49頁。綠色非硫細菌greennonsulfurbacteriaG菌grampositives紫色硫細菌purplebacteria藍細菌cyanobacteria黃桿菌屬flavobacteriathemotogaleskorarchaeota熱網菌屬pyrodictum熱變形菌屬thermoproteus熱球菌屬thermococctus甲烷球菌屬methanococcus甲烷桿菌屬methanobacteriacrenarcaeoya甲烷八疊球菌methanosarcina嗜鹽菌halophilesentanoebae粘菌類Slimemolds動物animal真菌fungi植物plants纖毛類ciliates鞭毛類flagellates三分體trichononds微擔孢體microsporidia二分體diplononods細菌bacteria古菌achaca真核生物cukarya按16SrRNA堿基順序比較細菌、古菌核真核生物的系統(tǒng)發(fā)育樹的綜合圖(摘自T.D.Brlck.BiologyofMicroorganisms.1997)43第四十三頁，共49頁。生物分類方法：TAXONOMYThenamingofdifferentspecies界KingdomAgroupofsimilardivisions門Division(Phylum)Agroupofsimilarclass綱ClassAgroupofsimilarorder目OrderAgroupofsimilarfamily科FamilyAgroupofsimilargenera屬GeneraAgroupofsimilarspecies種SpeciesAgroupwithsimilarcharacteristics七級分類，必要時每一級還進行更細的區(qū)分，如亞門、亞綱三、微生物的分類與命名44第四十四頁，共49頁。生物具細胞結構微生物非細胞結構生物——病毒界（Vira）原核細胞生物——原核生物界