环境工程微生物学讲义

1本课程是环境学院各专业学生的专业基础课；与另一门课《环境微生物学实验》相结合，构成一个完整的体系；本课程强调每个学生要动手，通过实验，加深对讲课内容的理解和记忆；本课程内容分两大部分：一是微生物学的基础知识；二是微生物学在环境领域中的应用。绪论主要内容：环境微生物学的研究对象和任务研究对象研究任务微生物学概述微生物的定义微生物的特点原核微生物与真核微生物微生物的命名与分类第一节环境工程微生物学的研究对象和任务一、环境微生物学的研究对象定义：环境微生物学是研究与环境领域（包括环境工程、给水排水工程）有关的微生物及其生命活动规律。•其内容包括：微生物个体形态、群体形态；细胞结构功能、生理特性、生长繁殖、遗传变异等；微生物与环境的关系（尤其是微生物与污染环境之间的关系）；微生物对物质的转化分解作用（特别是应用微生物来处理各种污染物质，如废水、废气和固体废弃物）。二、环境工程微生物学的研究任务总的归纳起来有两大方面的任务：（1）防止或消除有害微生物（2）充分利用有益的微生物资源三、微生物在环境污染治理（水处理）中的应用１）在环境监测方面（水污染的监测）利用在环境中生存的生物的种类、数量、活性等特征，来判断环境状况的好坏。这些生物称为指示生物。生物监测的优缺点：生物监测的主要优越性：(a)长期性——汇集了生物在整个生活时期中环境因素改变的情况，可以反映当地的环境变化；(b)综合性——能反映环境诸因子、多成分对生物有机体综合作用的结果；(c)直观性——直接把污染物与其毒性联系起来；(d)灵敏性——有时甚至具有比精密仪器更高的灵敏性，有助于提早发现环境污染。生物监测的主要缺点：(a)定量化程度不够；(b)需要一定的专业知识和经验。２）在环境治理方面包括水、大气、固体废弃物处理方面其中特别在水处理方面，有着大量成功应用的例子。第二节微生物概述一、微生物的定义微生物是指所有形体微小，用肉眼无法看到，须借助于显微镜才能看见的，单细胞或个体结构简单的多细胞，或无细胞结构的低等生物的统称。Toosmalltobeseenwithnakedeyes二、微生物的特点（1）个体小；（2）分布广、种类繁多；（3）繁殖快；（4）易变异。三、原核微生物和真核微生物具有原核细胞的生物称为原核微生物。原核细胞：其细胞核发育不完善，仅有核质，没有定形的细胞核，无明显的核膜，没有特异的细胞器，不进行有丝分裂。典型的原核生物有细菌、放线菌、蓝细菌等。细菌细胞结构模式图P26具有真核细胞的生物称为真核生物。2真核细胞：细胞核发育完善，有定形的细胞核（核仁、染色体等），有明显的核膜，有特异的细胞器，进行有丝分裂。大多数生物，包括高等生物都是真核的，如酵母菌。见图69四、微生物的分类与命名（一）微生物的分类在生物学上，对生物的分类采用按其生物属性和它们的亲缘关系有次序地分门别类排列成一个系统，系统中有七个等级：界、门、纲、目、科、属、种。每一种生物，包括微生物，都可在这个系统中找到相应的位置。其中种(species)是分类的基本单位。必要时，还可以在这些等级之间再增设一些亚等级。微生物的分类有其分类系统，其中最常用的也是具有权威性的是《伯杰氏手册》，是对原核微生物（细菌等）进行分类；另外，放线菌、真菌（包括丝状真菌和酵母菌）等也有各自的分类系统。一般大家比较熟悉的生物分类是所谓的二界学说，即把生物分为动物界和植物界两个界，这种分法已有很长的历史。随着人们认识的不断进步，新的分类手段不断被应用，1969年，魏塔克提出“五界学说”，后经Margulis修改，为较多的人所接受：原核生物界、真核原生生物界、真菌界、动物界、植物界。我国学者提出的六界学说，在上述五界的基础上再增加一个病毒界。六界学说：非细胞形态－－－－－－－－－－－－－病毒界原核生物（细菌、放线菌、蓝藻）－原核生物界（原生动物、藻类）－真核原生生物界真核生物（酵母菌、霉菌）－－－真菌界（后生动物）－－－－－－动物界（低、高等植物）－－－－－植物界（二）微生物的命名双名法：学名＝属名＋种名＋（命名人姓氏）生物的学名都是用拉丁文书写，属名用名词，第一个字母大写，种名用形容词，第一个字母小写。如用电脑打印或印刷，应该用斜体表示。例如我们所熟悉的大肠杆菌，其学名为Escherichiacoli（大肠埃希氏杆菌），简称E.coli。•有时我们看到如Bacillussp.的表达方式，表明该菌株只鉴定到属，未能确定其种名。第一章病毒非细胞结构的超微生物由于病毒特殊的结构和形态及其生活习性，按照六界学说，把病毒列为单独的一个界，即病毒界。病毒个体极小（0.2µ），只有在电子显微镜下才能看见病毒的庐山真面目，而且病毒不具有细胞结构。本章主要内容第一节病毒的一般特征及分类病毒的特点；病毒的分类第二节病毒的形态与结构病毒的形态大小；病毒的化学组成和结构第三节病毒的繁殖病毒的繁殖过程；病毒的溶原性第四节病毒的培养病毒的培养特征；病毒的培养基；病毒的培养第五节病毒的抵抗力和去除第一节病毒的一般特征及其分类一、病毒的特点1.没有细胞结构，大多数由蛋白质和核酸组成，有的含有类脂质、多糖等，只有一种核酸（DNA或RNA）。2.专性寄生病毒没有合成蛋白质的机构——核糖体，也没有合成细胞物质和繁殖所必备的酶系统，不具独立的代谢能力，必须专性寄生在活的敏感宿主细胞内，依靠宿主细胞合成病毒的化学组成和繁殖新个体。3.体积极小，形态多样二、病毒的分类病毒有自己单独的分类系统，其分类依据主要有：病毒的宿主、所致疾病、核酸种类、病毒粒子的大小、病毒的结构、有无被膜等。3根据病毒不同的专性宿主，可把病毒分为：动物病毒、植物病毒、细菌病毒（噬菌体）、放线菌病毒（噬放线菌体）、藻类病毒（噬藻类体）、真菌病毒（噬真菌体）也可以按照所致的疾病进行分类按核酸分类，可把病毒分为：DNA病毒和RNA病毒。第二节病毒的形态与结构一、病毒的形态和大小病毒的形状多样，依种类不同而不同球状，卵圆形，砖形，……（动物病毒）杆状，丝状，……（植物病毒）蝌蚪状，丝状，……（噬菌体）病毒的大小常用纳米来表示（=10-9m）。如：痘病毒100nm×200nm×300nm，为砖形；口蹄疫病毒直径为22nm。二、病毒的化学组成和结构（1）病毒的化学组成（大多数病毒由蛋白质和核酸组成，有的含有类脂质、多糖等。（2）病毒的结构（病毒没有细胞结构，却有其自身特有的结构。整个病毒体分两个部分：蛋白质衣壳和核酸内芯。（病毒粒子有两类：一种是不具被膜（囊膜）的裸露病毒粒子；另一种有被膜包围的病毒粒子。（最简单的病毒只有核酸，不具蛋白质，如寄生在植物体内的类病毒和拟病毒，只有RNA。病毒粒子结构图，大肠杆菌图病毒的蛋白质和核酸各有不同的功能：蛋白质：主要是保护作用、决定特异性及决定致病性、毒力和抗原性等。核酸：DNA或RNA，决定遗传、变异和对宿主细胞的感染力。有些病毒具有被膜（囊膜），其中还含有类脂质（磷脂、胆固醇等）第三节病毒的繁殖一、病毒的繁殖各类病毒的繁殖过程基本相似，以E.coliT系列噬菌体为例，可分成以下五步：1.吸附：病毒吸附于敏感细菌（E.coli细胞）表面的受体上（特定部位）2.侵入：噬菌体通过水解破坏细胞壁，DNA进入。3.复制：细菌自身的DNA被破坏，病毒借助于细菌的合成机构，为自己工作，即复制噬菌体的DNA和其他结构。4.装配（聚集）：病毒的DNA和蛋白质等在细菌体内装配成一个完整的大肠杆菌噬菌体。5.宿主细胞裂解和成熟噬菌体粒子的释放：噬菌体粒子成熟后，导致宿主细胞破裂，释放出噬菌体，10～1000个（平均为300个）。释放出的新的病毒粒子又可去感染新的宿主细胞。大肠杆菌图T系列噬菌体繁殖过程图二、病毒的溶原性噬菌体有毒（烈）性噬菌体和温和噬菌体两种类型。毒（烈）性噬菌体，侵入宿主细胞后立即引起宿主细胞破裂。温和噬菌体，侵入宿主细胞后，其核酸附着并整合在宿主染色体上，和其一起同步复制，宿主细胞不裂解而继续生长。含有温和噬菌体的宿主细胞称为溶原细胞。在溶原细胞内的温和噬菌体核酸，称为原噬菌体或前噬菌体。溶原性是遗传的，一旦发生变异（自发或诱发），它会转化成毒性噬菌体。(噬菌体受感染后的两种反应)第四节病毒的培养一、病毒的培养基由于病毒的专性寄生的习性，所以其培养也较为困难，须提供活的敏感细胞，而且它能提供病毒附着4的受体，不对侵入的病毒核酸进行破坏（没有破坏特异性病毒限制性核酸内切酶）。二、病毒的培养特征在液体培养基内：原先浑浊的菌液变成透明的裂解溶液。在固体培养基上：宿主细菌菌落上出现空斑（噬菌斑）。三、病毒的培养动物病毒的培养主要方法有：动物接种鸡胚接种组织培养其中组织培养技术已被广泛应用植物病毒的培养噬菌体的培养双层琼脂法第五节病毒对物理、化学因素的抵抗力及在污水处理中的去除效果一、物理因素温度：高温和低温光（辐射）：干燥：二、化学因素环境中的各种化学因子，会对病毒产生影响。三、抗菌物质由于病毒的非细胞结构，一般情况下，作用于细胞结构的抗生素对病毒是无效的。四、病毒的存活和在污水处理中的去除效果环境中存在的各种因子会影响到病毒的生存，所以病毒在各种不同环境中的存活时间是不一样的。污水处理的不同程度，对病毒的去除效果也是不同的。一级处理：很低，最多30%二级处理：90-99%三级处理：进一步减少第二章原核微生物在生物分类中，属于原核生物界，包括真细菌的细菌门和蓝细菌门。细菌门有衣原体、立克次氏体、支原体、螺旋体、粘细菌、古（生）细菌、细菌（真细菌）、放线菌。蓝细菌门有蓝细菌。我们重点介绍细菌（包括古细菌）、放线菌和蓝细菌。本章主要内容细菌：形态结构、培养特征、物理化学性质；古菌：特点、分类；放线菌：形态、培养、应用；蓝细菌：特点、分类。第一节细菌一、细菌的个体形态和大小细菌属于原核生物，为单细胞，即一个细胞就是一个个体。细菌的个体（也就是细胞）基本形态有三种：球状、杆状和螺旋状。1.球菌－－细胞个体形状为球形，其直径约为0.5－2.0µ。各类球菌又可以根据其排列方式的不同，进一步分为：单球菌例：脲微球菌双球菌－－成对排列例：肺炎双球菌(肺炎链球菌)链球菌－－成链条状例：乳链球菌四联球菌－－四个叠在一起成田字形例：四联微球菌5八叠球菌－－八个叠成立方体例：甲烷八叠球菌葡萄球菌－－不规则排成一串例：金黄色葡萄球菌2.杆菌－－细胞个体形状为杆状，其大小为0.5－1×1—5µ杆菌有长、短之分，如枯草杆菌、大肠杆菌等，也可按细胞排列、双杆菌、链杆菌。3.螺旋菌－－细胞个体形状呈螺旋卷曲状，螺旋的数目和螺距随菌的不同而不同。其大小约为：0.25－1.7×2—60µ，螺纹不满一圈的称为弧菌，如逗号弧菌；螺纹在一圈以上的称为螺菌，如紫硫螺旋菌和红螺菌。另外，在环境工程中，我们经常会遇到一种被称为丝状菌的形态，在水体、潮湿土壤及活性污泥中普遍存在，如球衣菌、发硫菌等。在我们的教材上将其列为第四种细菌形态。•所谓丝状菌，其实是由柱状或椭圆状的细菌细胞一个一个连接而成的，外面有透明的硬质化的粘性物质包裹（称为鞘）。•所以它实际上是一种细菌的群体形态，故从严格意义上来说，是不应把它列为细菌的个体形态的，但从实际应用的角度，这种分法也是具有价值的。细菌的各种形态图在正常情况下，细菌的个体形态是相对稳定的，故它也是细菌分类时的重要依据。但是，环境条件的变化，如营养条件、温度、培养时间等，会引起细菌个体形态的改变或畸形；不同的种类和菌龄，在个体发育过程中，细菌的大小有变化，刚分裂的新细菌小，随发育逐渐变大，老龄细菌又变小；另外，有的细菌种，是多形态的，即在其生命的不同阶段，会有不同的个体形态出现。因此，在描述细菌的个体形态时，需要在给定条件下（给定的培养基、培养温度、时间等）。二、细菌的细胞结构细菌的细胞结构可分为一般结构和特殊结构：一般结构（或基本结构）：如细胞壁、细胞质膜、细胞质、内含物及细胞核物质等。它们是所有细菌所共有的。特殊结构：如芽孢、荚膜、鞭毛等。它们是某些细菌所特有的。所以特殊结构是细菌分类鉴定的依据。细菌细胞的模式图：(一）细菌的一般结构从细胞外开始，由外向内，依次有下列的细胞