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环境工程微生物学湖南大学环境科学与工程学院杨朝晖教授主讲Tel:0731-8649168E-mail:yzh@hnu.cn实验指导教师:张薇Tel:13787033730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。教学目的和要求：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.,InstantNotesinMicrobiology（影印版），科学出版社、BiosScientificPublishersLimited,1999；环境微生物学主要教学参考书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国外环境微生物学相关杂志AppliedandEnvironmentalMicrobiologyEnvironmentalMicrobiologyJournalofAppliedMicrobiologyAppliedMicrobiologyandBiotechnologyBiodegradation环境微生物相关的网站环境微生物学信息门户=Environmental+microbiology微生物之家中国科学院微生物研究所中国环境微生物学信息第一节环境与环境工程面临的问题、可持续发展与微生物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。中国经济高速发展进程EconomicGrowthinChina(1985-2001)全国人均GDP1981：489元2001：7543元15.4倍老债新帐叠加共存粪便污染1900194019802000微生物污染耗氧有机物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复合性环境污染1981年3月1991年2月2001年2月Ⅴ类Ⅳ类Ⅲ类Ⅱ类太湖20年来水质分布变化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。近年来我国海域赤潮发生次数152877791190204060801001201401999年2000年2001年2002年2003年水体富营养化和水华水体污染海洋赤潮微生物在环境保护和环境治理中，在保持生态平衡等方面起着举足轻重的作用。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。第二节环境工程微生物学的研究内容与任务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；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。污水处理厂氧化沟Herrenhausen污水处理厂:生物滤床浸没式生物膜反应器垃圾的堆肥处理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环境生物技术第三节微生物概述微生物(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。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。一、微生物的种类按16SrRNA碱基序列比较细菌、古菌和真核生物系统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。FungiPlantsAnimalsProtistaProkaryotaeFive-kingdomsystemisacommonlyacceptedsystemofclassification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。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。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。二、环境工程中的微生物范畴非细胞型微生物病毒类病毒拟病毒朊病毒病毒界细胞型微生物真核原生生物界原生动物真核藻类真菌界酵母菌霉菌动物界微型后生动物高低等动物植物界低等植物高等植物原核细胞生物原核细胞生物界蓝藻门（蓝绿细菌）细菌门真细菌亚纲放线菌亚纲粘细菌纲立克次氏体纲螺旋体纲支原体纲生物三、微生物的发现和微生物学的建立与发展1.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。2.巴斯德(LouisPasteur,1822-1895)探明了微生物发酵和微生物致病的原因，提出了生命只能来生命的胚种学说，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。意志、工作、成功，是人生的三大要素。意志将为你打开事业的大门；工作是入室的路径；这条路径的尽头，有个成功来庆贺你努力的结果……只要有坚强的意志，努力的工作，必定有成功的那一天。——巴斯德3.柯赫(RobertKoch,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）cm=10-2metermm=10-3meterμm=10-6meternm=10-9meter1.个体极小，比面值大比面值=面积/体积豌豆6，球菌60000四、微生物的特点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。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1041071010拟杆菌1031081010肠杆菌103106106肠球菌107乳杆菌1043.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（4722366500），重约4772吨，48小时为2.2*1043,约为4000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。4.易变异微生物有极其灵活的适应性，这是高等动、植物所无法比拟的。其原因主要是因为其体积小和面积大，即比表面积大。为了适应多变的环境条件，微生物在其长期的进化过程中就产生了许多灵活的代谢调控机制，并有种类很多的诱导酶（可占细胞蛋白质含量的10%）。青霉素生产菌1943年每毫升只分泌20单位，目前，先进发酵水平已超过50000单位；各种极端环境中生长的微生物在基因工程、菌种选育、污泥驯化中应用前景广阔。五、微生物的形态结构的观察方法：显微技术显微技术在微生物学研究中发挥了重要作用，至今仍离不开。第一台有科研价值的显微镜是英国学者虎克（1635-1703）制造。分辨率：显微镜的最重要参数，能够区分开两个质点的最小距离。D=0.61λN•sinα/2D：分辨率λ：光波的波长N：介质折射率α：物镜镜口角N与D成反比，λ与D成正比一些物质的折射率：水1.33玻璃1.52空气1.0香柏油1.51显微镜的种类光学显微镜普通光学显微镜紫外线显微镜荧光显微镜暗视野显微镜相差显微镜电子显微镜透射电子显微镜扫描电子显微镜扫描隧道显微镜电子显微镜肉眼的分辨率：0.2mm光镜的分辨率：0.2um电镜的分辨率：0.1nm普通光学显微镜目镜物镜聚光器光源六、微生物与人类的关系绝大多数微生物对人类和动、植物是有益的，而且有些是必需的。1.在自然界中元素的循环2.在工业方面的作用3.在农业方面