环境工程微生物绪论

环境工程微生物学生物工程系佘秋生[e-mail]教学内容及安排绪论（2）第一篇微生物学基础第一章非细胞结构的超微生物—病毒（2）第二章原核微生物（2）第三章真核微生物（4）第四章微生物的生理（4）第五章微生物的生长繁殖与生存因子（4）第六章微生物的遗传和变异（2）第二篇微生物生态与环境生态工程中的微生物作用第七章微生物生态（2）第八章微生物在环境物质循环中的作用（2）第九章水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理（2）实验一显微镜使用和微生物形态观察（2）实验二微生物染色（2）实验三培养基的配制和灭菌（2）实验四水中细菌总数测定（2）参考书：1、《微生物学教程》（第二版）周德庆主编高教出版社2007年12月第13次印刷2、《环境微生物学》（第二版）王家玲主编高教出版社2006年12月第5次印刷3、《水处理微生物学》（第四版）顾夏声、胡洪营等编著中国建筑工业出版社2007年10月第25次印刷参考教学网站（课件）1.武汉大学微生物学教学网站2.江南大学微生物学教学网站3.华中农业大学微生物学微生物教学网站4.长春师范学院微生物学网络课程5.华南师范大学微生物学教学网站6.安徽科技学院微生物学网站7.江西农业大学精品课程8.西北农林科技大学微生物学教学网站9.山东大学生命科学院微生物学教学网站佘秋生有关水环境的科研论文佘秋生，王召东，赵桢等，燕山湿地库区水质监测及评价。安徽农业科学，2010，38（19）：10212-10213。佘秋生，姬晓娜，田勋等，湛河平顶山市区段水环境质量监测及评价。农技服务，2010，27（5）：656-657。佘秋生，郭端强，田勋等，蚕豆根尖细胞微核技术监测湛河水质状况。安徽农业科学，2011，39（2）：869～870。佘秋生，陈兰英，杨冠军等，昭平台水库环境质量状况监测与评价。宁夏农林科技（已录用，待刊登）。佘秋生，欧阳华澍，陆超等。湛河平顶山市区段水质监测，宁夏农林科技（已录用，待刊登）。佘秋生，谢朝晖，王召东等，白龟山湿地库区水质监测及评价，河南师范大学学报（待审）。计划公布文号：教科外（2009）987号项目下达编号：2010B610002河南省教育厅自然科学研究计划项目任务书负责人：佘秋生项目名称：白龟山湿地库区浮游生物动态监测系统的建立及水质保护策略所属学科：环境科学技术起止时间：2010.03～2012.03生物体的基本特征1共同的物质基础和结构基础2新陈代谢3应激性4生长、发育和生殖5遗传和变异6适应环境和影响环境第一章绪论第一节、微生物概述第二节、环境与环境工程面临的问题、可持续发展与微生物第三节、环境工程微生物学的研究对象与任务第四节、微生物的发展史第一节微生物概述一.什么是微生物:是一类形态微小.结构简单.单细胞或多细胞的低等生物的通称.包括病毒、细菌、放线菌、真菌、原生动物和藻类等，其大小用微米(um)表示．非典病毒禽流感病毒HIV脊髓灰质炎病毒天花病毒流感病毒2010最佳科学图片:最详细艾滋病毒3D模型(图)生物学特征：逆转录病毒，毒粒大小为100～140nm，病毒蛋白主要有核蛋白、膜蛋白及与复制有关的酶蛋白3种，有两条相同的RNA单链，细胞膜芽生。艾滋病病毒模式图influenzaA(H1N1)流感病毒三维结构图流感病毒样子像一颗水雷：一个圆球上面插着许多小棍。那个圆球是一层脂质包膜，它像一个衣壳，包裹着病毒的遗传物质。插在膜上有两种小棍，有一种数目较多、看上去像柱子的是一种叫血凝素(简称HA)的蛋白质;数目较少、看上去像蘑菇的是另一种叫神经氨酸酶(简称NA)的蛋白质。甲型流感病毒主要就是血凝素和神经氨酸酶的变异。病毒学家给编上了不同的编号，如H1、H2、N1、N2等。其中可以有一种或两种以上发生变异，专家根据这些编号给流感病毒分类。细菌放线菌短杆菌大肠杆菌链杆菌梭状芽孢杆菌c.螺旋菌（Spirilla)弧菌(vibrio)螺菌(spirillum）螺旋体(spirochaeta)霍乱弧菌螺菌螺旋体幽门螺旋菌左：显微数码摄像右：结构示意图自然界中哪种最多？最多其次最少霉菌菌丝A、无隔菌丝B、有隔菌丝隔膜Aspergillusvariecolor曲霉青霉微生物的种类具有细胞结构的微生物没有细胞结构的微生物：病毒真菌藻类原生动物草履虫水绵细菌放线菌原核微生物：（由原核细胞构成）真核微生物（由真核细胞构成）二．微生物的分类和命名微生物的分类为了识别和研究微生物，各种微生物按其客观存在的生物属性及它们的亲缘关系，有次序地分门别类排列成一个系统，从大到小，按界、门、纲、目、科、属、种等分类．界门纲目科属种杨树植物界被子植物门双子叶纲杨柳目杨科杨属杨树狼动物界脊椎动物门哺乳纲食肉目犬科犬属狼人动物界脊椎动物门哺乳纲灵长目人科人属人钟虫原生原生动物门纤毛纲缘毛目钟形科钟虫属小口钟虫生物界种：是最小的分类单位，具有一定的自然分布区和一定的生理形态的生物类群，是生物进化和自然选择的产物，同一种中的各个个体具有相同的遗传性状，而且彼此交配可以产生后代．二界系统：植物界和动物界三界系统：植物界、动物界和原生生物界五界系统：植物界、动物界、原核生物界、原生生物界和真菌界．六界系统：植物界、动物界、原核生物界、真核原生生物界、真菌界和病毒界微生物的命名命名原则：微生物的命名是采用生物学中的二名法，即用两个拉丁文命名一个微生物的种．命名方法：这个种的名称是由一个属名和一个种名组成，属名和种名都用斜体字表示，属名在前，用拉丁文名词表示，第一个字母大写．种名在后，用拉丁文的形容词表示，第一个字母小写．为了避免同物异名或同名异物，在微生物的名称后面缀上命名人的姓．炭黑曲霉(Aspergilluscarbonarius)原核微生物和真核微生物原核微生物：原核微生物的核很原始，只是ＤＮＡ链高度折叠形成的一个核区，没有核膜，核质裸露与细胞质没有明显的界限，称为拟核或似核，也没有细胞器，不进行有丝分裂．原核微生物包括细菌、古菌、放线菌、蓝细菌、立克次氏体、支原体、衣原体和螺旋体等．真核微生物：真核微生物有发育完好的细胞核，核内有核仁和染色质．有核膜将细胞核和细胞质分开，使两者有明显的界限．有高度分化的细胞器，如线粒体．中心体．高尔基氏体．内质网等．进行有丝分裂．包括除蓝藻以外的藻类．酵母菌．霉菌．原生动物．微型后生动物等。微生物的性质（一）体积小、面积大（二）吸收多、转化快（三）生长旺、繁殖快（四）适应强、易变异（五）分布广、种类多（一）体积小、面积大在形态上，个体微小，肉眼看不见，需用显微镜观察，病毒小于０.２um，在光学显微镜的可视范围外，必须通过电子显微镜才能看到，细胞大小以微米和纳米计量。科学家研究发现微生物吸收和转化物质的能力比动物、植物要高很多倍，如在合适的环境下，Escherichiacoli每小时内可消耗其自重2000倍的乳糖。Candidautilis(产朊假丝酵母)合成蛋白质的能力比大豆强100倍，比食用公牛强10万倍，微生物的这个特性为它们的高速生长繁殖和产生大量代谢产物提供了充分的物质基础，从而使微生物有可能更好地发挥“活的化工厂”的作用，人类对微生物的利用主要体现在它们的生物化学转化能力上。（二）吸收多、转化快（三）生长旺、繁殖快24小时后：4722366500万亿个后代，重量达到：4722吨48小时后：2.2×1043个后代，重量达到2.2×1025吨相当于4000个地球的重量！大肠杆菌一个细胞重约10–12克，平均20分钟繁殖一代一头500kg的食用公牛，24小时生产0.5kg蛋白质,而同样重量的酵母菌，以质量较次的糖液（如糖蜜）和氨水为原料，24小时可以生产50000kg优质蛋白质。由于条件的限制，细菌的指数分裂速度只能维持数小时，而在液体培养基中，细菌细胞的浓度一般仅能达到108-109个/ml。微生物的这一特性在发酵工业上体现在：生产效率高、发酵周期短。在生物学基本理论的研究上的优越性：科研周期大大缩短、经费减少、效率提高。当然，对于危害人、畜和植物等的病原微生物或使物品发霉的微生物来说，它们的这个特性就会给人类带来极大的麻烦甚至严重的祸害，因而需要认真对待。（四）适应强、易变异抗热：有的细菌能在265个大气压，250℃的条件下生长；自然界中细菌生长的最高温度可以达到113℃；有些细菌的芽孢，需加热煮沸8小时才被杀死；抗寒：有些微生物可以在―12℃~―30℃的低温生长；抗酸碱：细菌能耐受并生长的pH范围：pH0.5~13；耐渗透压：蜜饯、腌制品，饱和盐水（NaCl,32%)中都有微生物生长；抗压力：有些细菌可在1400个大气压下生长；世界上最古老的活细菌（芽孢）：2.5亿年Nature407,897-900(2000)（四）适应强、易变异个体小、结构简、且多与外界环境直接接触繁殖快、数量多短时间内产生大量的变异后代突变率：一般10-5–10-10（四）适应强、易变异青霉素的生产：20单位/ml（1943）10000单位/ml青霉素的用量：最高：10万单位/天（40年代）数百万-千万单位/次（四）适应强、易变异在自然界中（土壤、水体、空气，动植物体内和体表）都生存有大量的微生物！生物圈上下限的开拓者、各项生存纪录的保持着（五）分布广、种类多①物种的多样性②生理代谢类型的多样性③代谢产物的多样性④遗传基因的多样性⑤生态类型的多样性（五）分布广、种类多②生理代谢类型的多样性a.分解地球上丰富的初级有机物b.产能方式多样c.生物固氮d.合成次生代谢产物e.生物转化f.分解有毒物质g.抵抗极端环境等（五）分布广、种类多③代谢产物的多样性（五）分布广、种类多④遗传基因的多样性第二节环境与环境工程面临的问题、可持续发展与微生物５０亿年前，地球是无氧环境，由于蓝藻的作用，使地球变为有氧环境，才有好氧生物的出现．随着人类的发展，社会的进步，环境污染越来越严重，已成为各国关注的问题．八大公害可持续发展观念的提出：１９８７年挪威首相布伦特兰在其发表的文章“我们共同的未来”中提出．其意义是：当代人类的发展，应该是既满足当代人的需求，又不危及后代人满足其需求的发展．世界八大公害二十世纪的三十年代到六十年代，震惊世界的环境污染事件频繁发生，使众多人群非正常死亡、残废、患病的公害事件不断出现，其中最严重的有八起污染事件，人们称之为“八大公害”：(1）比利时马斯河谷烟雾事件1930年12月1日～5日，比利时的马斯河谷工业区，外排的工业有害废气（主要是二氧化硫）和粉尘对人体健康造成了综合影响，其中毒症状为咳嗽、流泪、恶心、呕吐，一周内有几千人发病，近60人死亡，市民中心脏病、肺病患者的死亡率增高，家畜的死亡率也大大增高。(2）美国洛杉矶烟雾事件1943年5月～10月，美国洛杉矶市的大量汽车废气产生的光化学烟雾，造成大多数居民患眼睛红肿、喉炎、呼吸道疾患恶化等疾病，65岁以上的老人死亡400多人。(3）美国多诺拉事件1948年10月26日～30日，美国宾夕法尼亚洲多诺拉镇大气中的二氧化硫以及其它氧化物与大气烟尘共同作用，生成硫酸烟雾，使大气严重污染，4天内42％的居民患病，17人死亡，其中毒症状为咳嗽、呕吐、腹泻、喉痛。(4）英国伦敦烟雾事件1952年12月5日～8日，英国伦敦由于冬季燃煤引起的煤烟形成烟雾，导致5天时间内4000多人死亡。(5）日本水俣病事件1953年～1968年，日本熊本县水俣湾，由于人们食用了海湾中含汞污水污染的鱼虾、贝类及其它水生动物，造成近万人中枢神经疾患，其中甲基汞中毒患者283人中有66余人死亡。(6）日本四日市哮喘病事件1955年～1961年，日本的四日市由于石油冶炼和工业燃油产生的废气严重污染大气，引起居民呼吸道疾患聚增，尤其是使哮喘病的发病率大大提高。(7）日本爱知县米糠油事件1963年3月，在日本爱知县一带，由于对生产米糠油业的管理不善，造成多氯联苯污染物混入米糠油内，人们食用了