华北理工水处理生物学教案01绪论

课程名称：《水处理生物学》第1讲次，总16讲摘要授课题目（章、节）绪论本讲目的要求及重点难点：【目的要求】了解微生物学的发展及水处理微生物学的发展；微生物的分类；水中常见的微生物；区分原核生物与真核生物；微生物的特点。【重点】微生物分类的方法，以及水中常见的微生物，区分原核生物与真核生物。【难点】水中常见的微生物，区分原核生物与真核生物。内容【本讲课程的引入】我们在日常生活是不是与微生物有关系呢？想想我们的食品（酸奶、酱油、酸菜、泡菜等）、药品（青霉素、红霉素等）、体内（大肠杆菌），到污水处理厂，我们的生活都与微生物息息相关。【本讲课程的内容】0.1我们身边的微生物当你清晨起床后，深深吸一口清新的空气，喝一杯可口的酸奶，品尝着美味的面包或馒头的时候，你就已经开始享受到了微生物给你带来的恩惠；当你因患感冒或其他某些疾病而躺在医院的恶病床上，经受病痛的折磨时，那边是有害的微生物侵蚀了你的身体；但当白衣护士给你服用（或注射）抗生素类药物，使你很快恢复了健康时，你得感谢微生物给你带来的福音，因为抗生素是微生物的“奉献”。然而，如果高剂量的某种抗生素注入到你的体内后，效果甚微或者毫无效果，你可能想到这也是微生物的恶作剧——病原微生物对药物产生了抗性。这是医生只好尝试用其它药物，这些药物有有待于微生物学家和其他科学家去研究、开发……0.1.1微生物给我们带来的众多好处微生物与人类关系重要性，怎么强调都不过分，微生物是一把十分锋利的双刃剑，他们在给人类带来巨大利益的同时也带来“残忍”的破坏。面包、奶酪、啤酒、抗生素、酶、疫苗、污水处理等0.1.2微生物的残忍1347年的一场由鼠疫耶森氏菌引起的瘟疫几乎摧毁了整个欧洲，有1/3的人（约2500万人）死于这场灾难，此后80年间，这种疾病一再肆虐，实际上消灭了大约75%的欧洲人口。解放前我国多次流行鼠疫，死亡率极高。今天一种新的瘟疫——艾滋病（AIDS）正在全球蔓延。禽流感——越南非典型性肺炎（SARS）0.2微生物学微生物是个体很小的生物，其大小用µm来量测，用显微镜来观察。微生物学就是研究为生物的形态结构、生理特性、营养与代谢、生长与繁殖、遗传与变异等及其应用微生物于生产生活的学科。微生物学包括基础微生物学和应用微生物学，水处理微生物学——应用微生物学（包括基础微生物学的内容）。0.2.1微生物的发现世界上，很早就有关于看不见的生物的描述。真正看到并描述微生物的第一人是荷兰商人安东·列文虎克（1632-1723），他利用自制的显微镜发现了微生物世界。0.2.2微生物学发展过程中的重大事件巴斯德证明乳酸发酵是由微生物引起的巴斯德建立巴氏消毒法Fleming发现青霉素Watson和Crick提出DNA双螺旋结构Millus建立PCR技术第一个自养生活的古生菌基因组测序完成第一个真核生物（啤酒酵母）基因组测序完成0.2.3微生物学发展的奠基者——巴斯德（1822-1895）彻底否定了“自生说”学说实验证明了空气中的微生物引起了有机质的腐败免疫学——预防接种证实发酵是由微生物引起的其他贡献——巴氏消毒法0.2.4微生物学发展的奠基者——柯赫（1843-1910）具体证实了炭疽病菌是炭疽病的病原菌。发现肺结核病的病原菌——诺贝尔奖提出了证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本法则——柯赫法则用固体培养基分离纯化微生物的技术配制培养基0.2.520世纪的微生物学1.多学科交叉促进微生物学的全面发展微生物学走出了独自发展，以应用为主的狭窄研究范围，与生物学发展的主流汇合、交叉，获得全面、深入发展。2.微生物学推动生命科学的发展促进许多重大理论问题的突破对生命科学研究技术的贡献微生物与“人类基因组计划”我国微生物学的发展0.2.621世纪微生物学展望微生物基因组学研究将全面展开以了解微生物之间、微生物与其他生物、微生物与环境的相互作用为研究内容的微生物生态学、环境微生物、细胞微生物学等，将在基因信息的基础上获得长足发展，为人类的生存和健康发挥积极作用微生物生命现象的特性和共性将更加受到重视与其他学科实现更广泛的交叉，获得新的发展微生物产业将呈现全新的局面0.3水处理微生物学0.3.1给水处理中的微生物病原菌：痢疾、伤寒、霍乱等病原菌，都可以通过水传播，消毒可以解决这个问题。另外：隐孢子虫和贾滴虫给水生物处理：生物陶粒滤池、生物活性碳0.3.2废水生物处理中的微生物物理处理：格栅、沉淀、过滤（颗粒状）化学处理：酸碱中和、氧化还原、电解、化学沉淀物理化学处理：混凝、气浮、吸附、离子交换、膜法以上方法都有各自适用的范围。对于城市污水、有机废水（导致环境污染的主要问题）如何来处理？——生物处理例如，废水生物处理最简单的流程——活性污泥法工艺北京高碑店污水处理厂就是采用的活性污泥法流程，该厂的工艺流程如下：废水中的有机物质微生物作为食料合成细胞物质微生物大量繁殖废水中有机物被降解微生物自身絮凝沉淀，排除废水的到了净化该厂正在运行的曝气池取曝气池的混合液进行镜检，可以看到活性污泥的状态，还可以看到众多的微生物。活性污泥是微生物群体及它们所吸附的有机物质和无机物质的总称。微生物群体主要包括细菌、原生动物和藻类等。——“菌胶团”——“生物絮凝体”物理性质：颜色：褐色、（土）黄色、铁红色气味：泥土味（城市污水）比重：略大于1（1.0021.006）粒径：0.020.2mm比表面积：20100cm2/ml0.3.3水处理微生物学水处理微生物学是研究微生物对废水的作用与规律的科学。阐明微生物对废水中有机物、营养盐类及重金属等去除的微生物学原理及其规律。污水的微生物处理是利用微生物代谢反应进行的一种处理方法，因此在微生物处理设施的运转管理中，必须创造微生物的最适环境和营养条件。废水微生物处理包括细菌、原生动物等很多种类生物的混合生物体系的共同作用结果，其中存在着各种微生物种群之间复杂的生存竞争和生态平衡关系，因而会出现纯培养中想象不到的现象，这就是生物处理的难度所在。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，促进了微生物应用技术的进步，推动了生物工程、酶学和基因工程在各个领域的应用和长足的发展，也有力地促进了水处理微生物学的发展。随着水处理微生物工程技术的发展，水和废水微生物处理的新技术、新工艺不断出现，例如固定化酶、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菌处理废水；在传统的生物处理技术基础上，出现了许多个新的技术和代用技术，有力地促进了水处理技术的进步，推动了给水排水、环境工程等学科的发展。0.3.4微生物与水处理工程研究的内容与研究任务水处理微生物学是在微生物的形态、细胞结构及其功能，微生物的营养、呼吸、物质代谢、生长、繁殖、遗传和变异等基础知识的基础上，阐述城市生活污水、工业废水和污泥生物处理中的微生物。水处理微生物学的研究方向和任务就是充分利用微生物控制、消除水体的有机污染物、营养盐类、重金属污染，利用微生物进行水处理使水资源再生。0.3.5微生物与水处理工程涉及的技术系统微生物与水处理工程由基础研究和工程实施两部分组成，其中的技术系统与微生物的研究、开发和利用相结合，并具有工程的特征，涉及的技术系统有：1.微生物菌株筛选、驯化、鉴定、结构、功能、生理生化、遗传变异机污染物降解，转化途径测定的实验技术。2.基因工程、酶工程、发酵工程和细胞工程等高新生物技术。3.水处理工程及相关技术。4.环境污染的物化监测及微生物监测的等分析技术。5.污染物净化过程中原位测量、自动控制与信息传递技术。6.工业化处理工程要涉及水力系统、机械系统、电力系统、构筑系统、供气系统和监测控制系统的设计和制图技术等。7.微生物与水处理工程除了需要工业化有关的技术之外，还需补充生态技术和其他有关技术。8.用于环境微生物工程的经济效益分析、环境效益分析和社会效益分析的计算机等现代信息处理技术。0.3.6微生物与水处理工程涉及的学科根据微生物与水处理工程的基础研究和应用分析，所涉及的学科范围可概述如下：1.微生物与水处理工程的建立和运行中均需对有关微生物进行基础研究，它涉及到微生物学、细胞学、生理生化学、分子生物学和遗传学等。2.微生物与水处理工程中构建新菌株要涉及到基因工程、细胞工程、酶工程和分子遗传学等相关学科。3.微生物与水处理工程中构筑物和处理设施的建立、污染物的去除，要涉及到水处理工艺学、水力学和生态学；涉及到市政工程、环境工程的概念相关学科。4.微生物与水处理工程中污染物的降解、转化及监测评价要涉及到环境化学、环境生态学、环境地学、环境卫生学、环境毒理学和环境监测与评价等。5.微生物与水处理工程中对污染物原位测量和自动化控制要涉及到信息科学、电子工程技术、仪器分析科学和计算机科学等。6.对微生物与水处理工程进行预算和评价要涉及到经济学、法律学、环境规划和管理和系统工程等。0.3.7微生物与水处理工程进展1.土著菌的开发利用自然界存在着大量的微生物菌株资源，从中筛选并经驯化可以获得去污高效菌株或微生物类群，直接用于微生物与水处理工程。常规水处理工程设施中——从自然环境中获得的微生物经过驯化具有高效的降解能力对于印染废水和农药废水等难降解有机物，也可从自然界中获得高效菌2.构建遗传工程菌土著细菌细胞内可能含有降解特定污染物的酶基因编码，但是它们的繁殖速度和处理污染物的效率及适应能力可能达不到人类的要求。如果将有关的基因转入繁殖速度快、适应能力强的受体菌细胞内，则可能构建初见具有多种优势的新型工程菌。例如清除石油污染的基因工程菌、降解化学农药的基因工程菌、降解塑料的基因工程菌和降解木质素的基因工程菌。3.固定化细胞技术在水处理中的应用将降解相应有机物的微生物细胞进行固定化，特别是对那些在污染物去除中起重要作用，而增殖速度又很慢的微生物进行固定化，增加反应系统中微生物的浓度和微生物的滞留期，提高反应速率和污染物去除率。固定化甲烷八叠球菌厌氧处理高浓度有机废水提高甲烷化速率4.废水资源化微生物与水处理工程中废水资源化成熟的例子有发酵细菌和光合细菌净化高浓度有机废水生产清洁能源——氢气、有机废水厌氧消化产生甲烷作为民用燃料和发电、利用废纤维素生产燃料乙醇已经成为废物能源化的有效途径。5.微生物与水处理工程是环境微生物学基础和应用研究、生物技术和其他工程技术结合产物微生物与水处理工程开发是以基础研究为先导的，研究微生物降解转化污染物的机理以及经深入到基因DNA的分子水平。从基因DNA组成结构的变化追溯到相关的生理生化的变化及其代谢功能的变化已经成为基础研究的热点。从环境微生物中分离鉴定出降解特定污染物的基因，并应用该基因构建高效降解污染物的基因工程菌已成为水处理微生物工程中高新技术的前沿课题目标之一。利用环境微生物分子遗传学指标和生理生化指标作为生物标志去指示环境污染状况，已经成为环境污染生物监测的重要技术手段。研究微生物降解污染物反应动力学及其数学模型和相关参数，发现清除污染物与相关因素之间的定量关系已经成为水处理微生物工程的设计依据。相关的计算机软件开发、试剂盒的应用、遥感技术的配合和多种传感器及生物反应器的问世等各种基础研究和应用研究的成果，均有力地推动了微生物与水处理工程不断发展。0.4微生物的分类与命名微生物（Microorganisms）是指所有形体微小单细胞的，或个体结构较为简单的多细胞，甚至无细胞结构的，必须借助关学显微镜甚至电子显微镜才能观察到的低等生物的通称。0.4.1水中常见的微生物0.4.2微生物的分类界Kingdom——真核原生生物界Protistae门Phylum（Division）——原生动物门Protozoa纲Class——纤毛纲Ciliata目Order——缘毛目Peritrichida科Fiamly——钟形科Vornicellidae属Genus——钟虫属Vorticella