第一章 環(huán)境微生物學(xué)緒論

環(huán)境微生物學(xué)

馬悅欣

本課程的基本情況本課程是環(huán)境類專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課；本課程強調(diào)實踐能力，要求每個學(xué)生通過實驗，掌握有關(guān)基本技能，并加深對理論部分的理解和記憶；本課程內(nèi)容分兩大部分：一是微生物學(xué)的基礎(chǔ)知識；二是微生物學(xué)在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用。一、環(huán)境微生物學(xué)的形成和發(fā)展

環(huán)境微生物學(xué)—環(huán)境科學(xué)的重要分支，

20世紀(jì)60年代后期興起→獨立的學(xué)科，環(huán)境科學(xué)和環(huán)境工程的重要理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)起出現(xiàn)環(huán)境污染問題：美國洛杉磯的光化學(xué)煙霧、倫敦?zé)熿F；日本四日市的哮喘病、熊本的水俁病及神通川骨痛病。

1943年美國洛杉磯市的250萬輛汽車每天燃燒掉1100噸汽油，汽油燃燒后產(chǎn)生的碳?xì)浠衔锏仍谔栕贤夤饩€照射下引起化學(xué)反應(yīng)，形成淺藍(lán)色煙霧，使該市大多市民患了眼紅、頭疼病。后來人們稱這種污染為光化學(xué)煙霧。1955年和1970年洛杉磯又兩度發(fā)生光化學(xué)煙霧事件，前者有400多人因五官中毒、呼吸衰竭而死，后者使全市四分之三的人患病。1952年倫敦?zé)熿F事件是1952年12月5日－9日發(fā)生在倫敦的一次嚴(yán)重大氣污染事件。這次事件造成多達(dá)12000人因為空氣污染而喪生，并推動了英國環(huán)境保護(hù)立法的進(jìn)程。

四日市位于日本東部海灣。1955年這里相繼興建了十多家石油化工廠，化工廠終日排放的含SO2的氣體和粉塵，使昔日晴朗的天空變得污濁不堪。1961年，呼吸系統(tǒng)疾病開始在這一帶發(fā)生，并迅速蔓延。據(jù)報道患者中慢性支氣管炎占25%，哮喘病患者占30%，肺氣腫等占15%。1964年這里曾經(jīng)有3天煙霧不散，哮喘病患者中不少人因此死去。1967年一些患者因不堪忍受折磨而自殺。1970年患者達(dá)500多人。1972年全市哮喘病患者871人，死亡11人。1953-1956年，日本熊本縣水俁灣發(fā)生了水俁病事件。因化工廠排入海灣的廢水中含有甲基汞，在海洋生物中富集，人類因食用這些有毒魚類等中毒而死亡。

1955-1972年骨痛病事件是于日本富士縣神通川流域發(fā)現(xiàn)的一種土壤污染公害事件。主要污染源是重金屬尤其是鎘中毒引起的的水和食物污染?；颊呷砀鞑课粫l(fā)生神經(jīng)痛、骨痛現(xiàn)象，行動困難，骨骼軟化、萎縮，四肢彎曲，脊柱變形，骨質(zhì)松脆，不能進(jìn)食，疼痛無比。墨西哥灣漏油事故中海油渤海灣油田漏油事故2010年7月16日大連新港溢油事故

環(huán)境污染的治理：發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)50年代開始，如泰晤士河河水變清，有魚類生長。我國于60年代開始環(huán)境污染治理工作，“九五”期間我國推出兩項重大舉措：全國主要污染物排放總量控制和中國跨世紀(jì)綠色工程計劃。前者中規(guī)定了煙塵、粉塵、二氧化硫、重金屬、COD和工業(yè)廢棄物等12種主要污染物的排放量。2000年12項主要污染物的排放總量比“八五”末期分別下降了10-15%。

“十一五”期間又對化學(xué)需氧量、二氧化硫兩種主要污染物實行排放總量控制計劃管理，排放基數(shù)按2005年環(huán)境統(tǒng)計結(jié)果確定。計劃到2010年，全國主要污染物總量比2005年減少10%。2010年，全國化學(xué)需氧量排放量1238.1萬噸，比2009年下降3.09%；二氧化硫排放量2185.1萬噸，比2009年下降1.32%。與2005年相比，化學(xué)需氧量和二氧化硫排放量分別下降12.45%和14.29%。

通過“十二五”全國主要污染物排放總量控制規(guī)劃，四大主要污染物（二氧化硫、化學(xué)需氧量、氨氮、氮氧化合物）平均排放量，在2015年年末分別比2010年年末下降10%。

據(jù)環(huán)保部污染排放總量控制司初步估算，2015年前三季度，全國化學(xué)需氧量、氨氮、二氧化硫、氮氧化物排放總量分別比去年同期下降3%、3%、5%、9%左右，“十二五”規(guī)劃五年總目標(biāo)已完成。

“十三五”規(guī)劃建議提出擴大污染物總量控制范圍。在“十二五”時期總量控制為四項污染物——二氧化硫、氮氧化物、化學(xué)需氧量和氨氮的基礎(chǔ)上，“十三五”不僅要將重點行業(yè)揮發(fā)性有機物納入控制指標(biāo)，還明確將細(xì)顆粒物（PM2.5）等環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)列入約束性指標(biāo)，到2020年，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體改善，主要污染物排放總量大幅減少。

近幾年，環(huán)境污染物總排放量仍處于歷史高位，復(fù)合型污染的特征更加明顯，環(huán)境質(zhì)量狀況非常復(fù)雜。

霧霾襲城，水體黑臭，土壤污染，新的致命病毒流行……環(huán)境形勢依然嚴(yán)峻。

微生物在環(huán)境保護(hù)和環(huán)境治理中的作用：微生物容易變異，適應(yīng)性強，用于多種污染環(huán)境的治理；現(xiàn)代人們對污染物高效降解菌的篩選，污染物降解途徑的研究，基因工程等分子生物技術(shù)的應(yīng)用，污染物工業(yè)化處理中涉及的反應(yīng)器、機械、電力、供氣、監(jiān)測和控制技術(shù)的完善，對污染物的物理、化學(xué)和生物處理技術(shù)的進(jìn)步等為環(huán)境污染控制打下堅實的基礎(chǔ)。二、環(huán)境微生物學(xué)的研究對象與任務(wù)

1、環(huán)境微生物學(xué)的研究對象

環(huán)境微生物學(xué)是研究與環(huán)境領(lǐng)域（包括環(huán)境工程、給水排水工程、環(huán)境監(jiān)測與治理等）有關(guān)的微生物及其生命活動規(guī)律。其內(nèi)容包括：微生物個體形態(tài)、群體形態(tài)；細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能、生理特性、生長繁殖、遺傳變異等；微生物與環(huán)境的關(guān)系（尤其是微生物與污染環(huán)境之間的關(guān)系）；微生物對物質(zhì)的轉(zhuǎn)化分解作用（特別是應(yīng)用微生物來處理各種污染物質(zhì)，如廢水、廢氣和固體廢棄物）。2、環(huán)境微生物學(xué)的研究任務(wù)總的歸納起來有兩大方面的任務(wù)：（1）充分利用有益的微生物資源（2）防止或消除有害微生物

對于人類而言，大多數(shù)微生物是有益的。古代，微生物用于釀酒、制作醬、醋和發(fā)面。近代，微生物用于發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)乙醇、丙酮、各種有機酸、氨基酸、抗生素。微生物的酶制劑應(yīng)用于紡織退漿、制革脫毛、洗滌劑的助劑、醫(yī)藥、印染等。微生物應(yīng)用于石油發(fā)酵；用作農(nóng)肥；用于防止植物害蟲生物防治等。

病原微生物也會對人類的生產(chǎn)生活造成不利的影響。還有的微生物能引起作物病害和動物疾病，某些細(xì)菌和霉菌能使食品和農(nóng)副產(chǎn)品腐敗和腐爛。有些細(xì)菌生命活動所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物與環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)起作用會產(chǎn)生不良后果，如硫細(xì)菌和鐵細(xì)菌能引起混凝土管道和金屬管道腐蝕，藍(lán)細(xì)菌，綠藻和金藻中的某些種能引起湖泊“水華”和海洋的“赤潮”等。3、微生物在環(huán)境污染治理（水處理）中的應(yīng)用（１）在環(huán)境監(jiān)測方面（水污染的監(jiān)測）利用在環(huán)境中生存的生物的種類、數(shù)量、活性等特征，來判斷環(huán)境狀況的好壞。這些生物稱為指示生物。生物監(jiān)測的優(yōu)缺點：生物監(jiān)測的主要優(yōu)越性：（

a）長期性——匯集了生物在整個生活時期中環(huán)境因素改變的情況，可以反映當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境變化；（

b）綜合性——能反映環(huán)境諸因子、多成分對生物有機體綜合作用的結(jié)果；（

c）直觀性——直接把污染物與其毒性聯(lián)系起來；（

d）靈敏性——有時甚至具有比精密儀器更高的靈敏性，有助于提早發(fā)現(xiàn)環(huán)境污染。

生物監(jiān)測的主要缺點：（

a）定量化程度不夠；（

b）需要一定的專業(yè)知識和經(jīng)驗。（２）在環(huán)境治理方面廢水、廢物和廢氣處理：物理法、化學(xué)法、

生物處理法生物處理法的優(yōu)點：經(jīng)濟(jì)、高效、達(dá)到無害化。微生物是對廢水、廢物和廢氣進(jìn)行生物處理、凈化環(huán)境的工作主體。

學(xué)習(xí)環(huán)境微生物學(xué)的意義：

了解微生物及其在環(huán)境中的作用（包括其有益和有害的作用）；更好地為生產(chǎn)服務(wù)（保護(hù)環(huán)境，造福子孫萬代）。

學(xué)好環(huán)境微生物要注意的問題：

建立微觀世界的想象空間；充分理解知識點、牢記基本概念；系統(tǒng)學(xué)習(xí)、融會貫通；注重理論聯(lián)系實踐，重視實驗環(huán)節(jié)。

細(xì)菌

病毒

三、微生物概述

1、微生物的定義

微生物是肉眼看不見或看不清楚的微小生物的總稱。

微生物包括：（1）無細(xì)胞結(jié)構(gòu)的病毒、亞病毒（類病毒、擬病毒、朊病毒）；（2）原核細(xì)胞結(jié)構(gòu)的真細(xì)菌、古菌；（3）真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)的真菌（酵母菌、霉菌、蕈菌）、單細(xì)胞藻類、原生動物少數(shù)肉眼可見，如：納米比亞硫磺珍珠菌（Epulopisciumfishelsoni）

2、微生物的特點

（1）體積小，面積大微生物由于個體非常微小，因而每一個體的表面積相對較大。這一特點賦予微生物一個巨大的營養(yǎng)吸收面、代謝廢物排泄面和信息交換面。

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（2）吸收多，轉(zhuǎn)化快微生物可吸收大量的營養(yǎng)物質(zhì)，迅速將其轉(zhuǎn)化。

大腸桿菌在1h內(nèi)可分解其自重1000~10000倍的乳糖；產(chǎn)朊假絲酵母合成蛋白質(zhì)的能力比大豆強100倍，比食用牛強10萬倍。（3）生長旺，繁殖快

微生物具有極高的生長和繁殖速度。

如大腸桿菌在合適的條件下，12.5~20min細(xì)胞可分裂一次。液體培養(yǎng)，細(xì)菌細(xì)胞的濃度一般為108~109個/mL。

（4）適應(yīng)強，易變異

微生物具有極其靈活的適應(yīng)性或代謝調(diào)節(jié)機制。微生物的個體一般都是單細(xì)胞、簡單多細(xì)胞甚至是非細(xì)胞的，它們通常都是單倍體，加之具有繁殖快、數(shù)量多以及與外界環(huán)境直接接觸等特點，因此即使變異頻率很低，也可在短時間內(nèi)產(chǎn)生出大量變異的后代。

（5）分布廣，種類多

微生物的分布可謂是無所不在，江、河、湖、海、土壤、空氣、溫泉水、人和動物體內(nèi)外、酷熱的沙漠、寒冷的雪地、南極、北極、冰川、污水、淤泥、固體廢物里等處處都有。據(jù)估計，微生物的總數(shù)約在50萬至600萬種之間。目前所了解的微生物總數(shù)至多不超過生活在自然界為生物總數(shù)的10%。由于近年來分離培養(yǎng)方法的改進(jìn)，不斷發(fā)現(xiàn)新的微生物種類。

3、原核微生物和真核微生物具有原核細(xì)胞的生物稱為原核微生物。原核細(xì)胞：其細(xì)胞核發(fā)育不完善，僅有核質(zhì)，沒有定形的細(xì)胞核，無明顯的核膜，沒有特異的細(xì)胞器，不進(jìn)行有絲分裂。典型的原核生物有細(xì)菌、放線菌、藍(lán)細(xì)菌等。見圖細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)模式圖具有真核細(xì)胞的生物稱為真核生物。真核細(xì)胞：細(xì)胞核發(fā)育完善，有定形的細(xì)胞核（核仁、染色體等），有明顯的核膜，有特異的細(xì)胞器，進(jìn)行有絲分裂。大多數(shù)生物，包括高等生物都是真核的，如酵母菌。見圖酵母菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)模式圖

4、微生物的分類與命名（1）微生物分類根據(jù)一定的原則（表型特征相似性或系統(tǒng)發(fā)育相關(guān)性）對微生物進(jìn)行分群歸類，根據(jù)相似性或相關(guān)性水平排列成系統(tǒng)，并對每個分類群的特征進(jìn)行描述。微生物的分類單元（指具體的分類群）分為7級，自上而下依次是界、門、綱、目、科、屬、種。

種（species）是一個基本分類單元，它是一大群表型特征高度相似、親緣關(guān)系極其接近、與同屬內(nèi)的其他物種有著明顯差異的一大群菌株的總稱。微生物的種通常用該種內(nèi)一個模式菌株作為代表。

把具有某些共同特征或密切相關(guān)的種歸為屬。依次類推，屬歸為科，科歸為目……。

菌株表示任何由一個獨立分離的單細(xì)胞繁殖而成的純遺傳