水处理微生物学

水处理微生物学 主讲 吴声东 给水排水工程专业基础课程 Email wsdncu MicrobiologistofWaterTreatment TextBook 教材 顾夏声 胡洪营 文湘华 王慧等 水处理生物学 第四版 北京 中国建筑工业出版社 2006 Reference 参考书 顾夏声 李献文 竺建荣 水处理微生物学 第三版 北京 中国建筑工业出版社 1998 张胜华等 水处理微生物学 北京 化学工业出版社 2005 周群英 高廷耀 环境工程微生物学 第二版 高等教育出版社 王国惠等 环境工程微生物学 北京 化学工业出版社 2005 肖琳等 环境微生物实验技术 北京 中国环境科学出版社 课程评分方法 考试总分100 考勤 10 作业 20 考试 70 作业要求 按时完成 看得清楚 主观题目要有自己的见解 第一章 绪论 这门课程是讲些什么东西 从课程名称来理解 水处理微生物学 1 水 2 水处理 3 微生物 4 微生物学 5 水处理微生物学 1 水资源 城市水环境 城市水系 给水厂 输送 配水 生活 工业 其他 预处理 城市管网 污水处理厂 排放 中水回用 土地利用 水的人工循环 水的自然循环 1 我国水资源总储量为2 81万亿吨 位居世界第6 2 我国人均水资源量不足2400吨 仅为世界人均占水量的1 4 相当于美国的1 5 前苏联的1 7 加拿大的1 48 世界排名110位 被列为全球13个人均水资源贫乏的国家之一 我国的人水够不够用 3 我国的水资源分布极其不平衡 课堂思考 4 我国476个城市中 约有333个城市缺水 大家算一算 在我国的333个缺水城市中 有19个城市缺水的原因是因为水源污染所导致的 另外有76个城市的缺水与这个有关 时间 空间 2 水处理 水处理是综合运用化学 生物 物理的技术方法对被污染的水体进行净化处理 以改善水体水质 理化特性的过程 常用的污水处理技术有生物化学法 如活化污泥法 ActivatedSludgeProcess 生物结层法 FixedBiofilmProcesses 混合生物法 CombinedBiologicalProcesses 等 物理化学法 如粒质过滤法 GranularMediaFiltration 活化炭吸附法 ActivatedCarbonAdsorption 化学沉淀法 ChemicalPrecipitation 膜滤 析法 MembraneProcesses 等 自然处理法 如稳定塘法 StabilizationPonds 氧化沟法 AeratedorFacultativeLagoons 人工湿地法 ConstructedWetlands 等 生物处理方法的优点 工艺便于操作 适应能力强 运行费用较低 和化学方法相比 运用范围广等 我们对水处理中的微生物似乎陌生 但在我们的生活中 微生物无处不在 比如说酒的酿造 事物的变质等都是微生物的作用 不妨来了解下微生物 一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总称 是一些个体微小 构造简单的低等生物 微生物的菌落 细菌的显微图样 3 微生物 3 1 什么是微生物 微生物是肉眼看不见的 必须在电子显微镜或光学显微镜下才能看见的微小生物的统称 微生物一词不是分类学上的名词 虽然我们用肉眼看不到单个的微生物细胞 但是当微生物大量繁殖在某种材料上形成一个大集团时 或是把微生物培养在某些基质上 我们就能看到它们了 我们把这一团由几百万个微生物细胞组成的集合体称为菌落 例如腐败的馒头和面包上长的毛 烂水果上的斑点 皮鞋上的霉点 皮肤上的藓块等就是许多微生物形成的菌落 微生物无时无刻不与人和其他生物相随相伴 我们随时都享受着微生物的恩惠 例如很多美味的食物 药物和多种工业原料来自微生物代谢 一些微生物活动可使污染环境的质量和功能得到恢复 使我们生活得更加舒适等 抗生素 青霉 香菇 野蘑菇 同时 我们也承受着微生物带来的经济损失和困苦 例如 由病原微生物引起的疾病 动植物病害 微生物引起的生活资料和生产资料的腐败 在某些条件下 微生物也引起环境的损害 甚至崩溃等 艾滋病病毒模拟图 艾滋病 12 13年的潜伏期 人类免疫缺陷病毒 HIV 引起 发霉的面包 非典是由某种冠状病毒引起的中间的病毒粒子具有复杂的形态 遗传物质是单链的RNA目前所知 冠状病毒科 只感染脊椎动物 与人和动物的许多疾病有关 发霉的玉米 花生等胚附近 生长能产生剧毒真菌毒素的黄曲霉 对于我们人类的生存和发展来说 微生物就像是一把双刃剑 因此 限制他们对人类的危害 了解微生物 研究微生物 对于人类是十分有意义的 大家对微生物了解吗 不了解 了解一点点 3 2 人类对微生物世界的认识过程 3 2 1 一个难以认识的微生物世界 3 2 2 人类揭开微生物世界奥妙的历史 人类对微生物世界缺乏认识的主要原因 a 个体微小b 外貌不显c 杂居混生d 因果难联 3 2 1 一个难以认识的微生物世界 3 2 2 人类揭开微生物世界奥妙的历史 人类对微生物的认识发展历史可分为五个时期 史前期 初创期 奠基期 发展期 成熟期 人类对微生物的认识发展历史史前期 约8000年前 1676 制曲 酿酒等初创期 1676 1861 形态描述阶段 列文虎克自制显微镜奠基期 1861 1897 生理水平研究 巴斯德 科赫发展期 1897 1953 生化水平研究 E B chner成熟期 1953 至今 分子生物学水平研究 J Watson和F Crick 史前期 约8000年前 1676年 史前期是指人类还未见到微生物个体尤其是细菌细胞前的一段漫长的历史时期 代表人物 各国劳动人民 代表事件 凭实践经验利用微生物的有益活动 酿酒 制酱 酿醋 沤肥 轮作 治病 其中尤以我国的制曲 酿酒技术蓍称 特点 未见细菌等微生物个体 凭实践经验利用微生物 我国史前期关于对微生物认识的一些成果 公元前2000年就用微生物酿酒 明代李时珍 本草纲目 中记载病人衣物蒸洗过再穿就不会染疾病 神农本草 中有黄连止泻的记载 公元6世纪 齐民要术 记载制曲 酿酒 制酱工艺公元9世纪我国发明用鼻苗法种痘明末吴又可提出 戾气 学说 把病原菌看作戾气 1676年 荷兰商人列文虎克用自制的简单显微镜 图1 来观察牙垢 雨水 井水和植物浸液后 发现其中有许多运动着的 微小动物 并用文字和图画记载了人类最早看见的 微小动物 细菌的不同形态 球状 杆状和螺旋状等 从此人们有了可以观察过去从未见过的另一个生物世界的工具 初创期 图1 列文 虎克的显微镜 主要贡献 三个方面 第一个从形态来研究微生物 共加工419架显微镜或放大镜 发表约400篇相关文章 对该学科的进步作用巨大 列文 虎克的显微镜 现代光学显微镜 奠基期 1861 1897年 法国人 巴斯德 LouisPasteur 1822 1895 德国人 柯赫 RobertKoch 1843 1910 代表人物 Pasteur和Koch 巴斯德 微生物学奠基人 代表事件 发现并证实发酵是由微生物引起的 化学家出生的巴斯德涉足微生物学是为了治疗 酒病 和 蚕病 彻底否定了 自然发生 学说 创建免疫学 预防接种 首次制成狂犬疫苗 发明巴斯德消毒法等 曲颈瓶试验 证明了 细菌不是自然发生的 是由原来已经存在的细菌造成 知识连接 否定 自然发生 学说之旅 柯赫 细菌学奠基人 代表事件 细菌纯培养方法的建立 土豆切面 营养明胶 营养琼脂 平皿 设计了各种培养基 实现了在实验室内对各种微生物的培养 染色观察和显微摄影 具体证实了炭疽杆菌是炭疽病的病原菌 发现了肺结核病的病原菌 1905年获诺贝尔奖 提出著名的柯赫法则 柯赫法则 在每一相同病例中都出现这种微生物 要从寄主分离出这样的微生物并在培养基中培养出来 用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主 同样的疾病会重复发生 从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物来 成就 建立了一系列研究微生物所必要的独特方法 借助于良好的研究方法 开创了寻找病原微生物的 黄金时期 把微生物的研究从形态描述推进到生理学研究的新水平 微生物学以独立的学科形式开始形成 发展期 1897 1953年 代表人物 Buchner 毕西纳 Fleming 弗来明 代表事件 发现酶的生物催化作用 发现青霉素等抗生素 成就 进入微生物生化水平的研究 应用微生物的分支学科更为扩大 出现了抗生素等学科 开始寻找各种有益微生物代谢产物 普通微生物学开始形成 各相关学科和技术方法相互渗透 相互促进 加速了微生物学的发展 成熟期 1953年至今 代表人物 Watson 华生 和Crick 克里克 代表事件 DNA双螺旋结构的发现 成就 微生物学从一门在生命科学中较为孤立的以应用为主的学科 成为一门十分热门的前沿基础学科 在基础学理论的研究方面 逐步进入到分子水平的研究 微生物迅速成为分子生物学研究中的最主要的对象 在应用研究方面 向着更自觉 更有效和可人控制的方向发展 3 3 微生物在自然界中的作用 微生物在能量流动中的作用微生物在物质循环中的作用微生物在物质转化中的作用 3 4 微生物的特点 个体微小 结构简单 面积大吸收多 转化快生长旺 繁殖快 作用大适应强 易变异分布广 种类多 3 4 微生物的五大特点1 体积小 面积大比面值 某一物体单位体积所占的表面积 物体的体积越小 其比表面积越大如 1cm3豌豆 总表面积6cm2 1cm3球菌 总表面积6m2 2 吸收多 转化快如 Escherichacoli在1h内可分解其自重1000 10000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 比牛强10万倍 3 生长旺 繁殖快例 E coli合适条件下 细胞分裂一次仅需12 5 20min 每昼夜可分裂72次 这时产生4722366500万亿个后代 总重约可达4722吨 培养4 5d就形成与地球体积同样大小的杆菌群体 4 适应强 易变异适应极端环境如高温 高酸 高辐射等 变异频率低 但短时间能产生大量变异的后代 5 分布广 种类多物种多样性生理代谢类型的多样性代谢产物的多样性遗传基因的多样性生态类型的多样性 3 5 微生物的分类和命名三个概念1 分类 classification 解决从个别到一般或从具体到抽象的问题 2 鉴定 identification 与分类的概念相反 3 命名 nomenclature 为新发现的微生物确定一个新学名 1 通用的分类单元界 Kingdom 门 Phylum 纲 Class 目 Order 科 Family 属 Genus 种 Species 大肠埃希氏菌在分类学中的地位 例 细菌界 Bacteria 朊细菌门 Protobacteria 发酵细菌纲 Zymobacteria 肠杆菌目 Enterobacteriales 埃希氏菌属 Escherichia 大肠埃希氏菌 E coli 系统手册 2000年 界是最大的分类单位 往下依次递小在越是大的分类单位中 生物彼此的共同特征越少 亲缘关系越远 在越是小的分类单位中 共同特征越多 亲缘关系越近 补充两个知识点1 种 微生物的种是一个基本分类单元 它是一大群表形特征高度相似 亲缘关系及其接近 与同属那的其他物种有着明显的差异的一大群菌株的总称 新种 指权威性的分类 鉴定手册中从未记载过得一种新分离并鉴定过的微生物 2 界两界系统 动物界和植物界三界 菌物界 动物界和植物界四界 原始生物界 菌界 植物界 动物界 由Copeland提出 五界 Whittaker提出生物五界分类系统 后被Margulis修改为 原核生物界 原生生物界 真菌界 动物界和植物界我国王大耜教授对生物分类提出六界 病毒界 原核生物界 真核原生生物界 真菌界 动物界和植物界 2 分类依据 鉴定 形态学特征 表型特征 生理特征 生态特征 血清反应 噬菌体反应等DNA中G C DNA杂交 DNA rRNA杂交 16SrRNA碱基序列分析等 3 微生物命名通常以学名命名 常采用双命名法即 一个属名 一个种名 均为拉丁字 注意 属名和种名都要用斜体表示属名在前 第一个字母大写种名在后 第一个字母小写 瑞典博物学家林奈 Linnaeus 创立的 例子 a 大肠埃希氏杆菌 Escherichiacoli分类学文献中 上述两部分还应加写3项内容 即首次定名人 现定名人和现名的定名年分如 Escherichiacoli Migula CastellanietChalmers1919 大肠杆菌 b 枯草芽孢杆菌 枯草杆菌 Bacillussubtilis Ehrenberg Cohn1872c 浮游球衣菌SpgaerotilusnatansKiitzingd 甲烷杆菌属Methanobacterium 枯草芽孢杆菌菌落 若该菌鉴定到属 没有鉴定到种 则只有属名 如 芽孢杆菌属的名称是Bacillus 芽胞杆菌的几种形态 4 微生物学 什么是微生物学 研究微生物的 衣 食 住 行 的科学 衣 什么是微生物 长什么样 食 能吃 爱吃什么 如何消化 住 喜欢住那里 为什么 行 能有何种行为 作为 是敌是友 如何监测 控制和使用呢 形态 结构 营养 代谢或生理 环境影响或称生态 在水处理中的应用 补充知识 研究工作向着纵深方向和分子水平发展学科的丰富学科的交叉 渗透新技术 新方法在微生物学中的广泛应用向着复合生态系统和宏观范围拓宽 现代微生物学的特点及其发展趋势 5 水处理微生物学MicrobiologistofWaterTreatment 研究对象 水中常见的微生物研究内容 衣 食 住 行 研究目的 为水处理服务 5 1 本书研究的对象 内容和目的 5 2 水处理中常见的微生物 在上述微生物中 大部分是单细胞生物 在生物学中 藻类属于植物学的范畴 原生动物和后生动物属于脊椎动物范畴 一些个体较大的藻类 原生动物和后生动物 严格地讲 不属于微生物的范畴 基于水处理工程实践的实际 将其列出 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 原核生物 由原核细胞构成的 真核微生物 由真核细胞构成的 真菌显微藻类原生动物 细菌 草履虫 水绵 放线菌 5 3 本书的知识结构 章节 见课本目录 课堂思考1 我们专业学习该课程有什么意义 课后作业课本上的思考题 1 5 下次上课的时候交 谢谢大家 否定 自然发生 学说之旅 千百年来 普遍流行着一种所谓 自然发生说 该学说认为 不洁的衣物会自生蚤虱 污秽的死水会自生蚊蚋 肮脏的垃圾会自生虫蚁 粪便和腐败的尸体会自生蝇蛆 总之生物可以从它们存在的物质元素中自然发生 而没有上代 古希腊学者亚里斯多德 中世纪神学家阿奎那 甚至连17世纪的大科学家哈维和牛顿 都相信这种学说 有些过于执着的自生论者 例如17世纪的比利时化学家 医生范 赫尔蒙脱 甚至想入非非地提出了 创造大老鼠 的方法 第一个用实验来向自然发生论发起进攻的是意大利生物学家 医生雷迪 他决心要用实验验证腐肉到底能不能生蛆 雷迪把牛肉 羊肉 鹿肉 蛇肉等各种不同的肉放在敞开口的瓶子里 让其腐败 几天后腐肉长出了蛆 雷迪观察得非常细致 他看到蛆变成了蛹 蛹变成苍蝇 他还注意到苍蝇盘旋时 有时要撒下一些小东西在肉上 苍蝇在肉上爬过后也会留下一些小东西 他提出蛆很可能就是苍蝇留在肉上的这些小东西变成的 为了证实这个想法 1668年他设计了一个非常简单的实验 他把一块块新鲜的肉分别放到一个个容器中 有的容器盖上纱布 有的不盖 这样 苍蝇就无法在盖了布的瓶子上下卵了 过了几天 那些敞口的 苍蝇能自由出入的瓶中的肉都长出了蛆 而盖了纱布的瓶子里 尽管肉也腐烂 变臭 但却没有生出蛆来 他由此得出结论 蛆是苍蝇排在肉上的卵变来的 雷迪的实验大大动摇了自然发生论 既然连小小的蛆都不可能自生 那么高级复杂的生物更不可能自生了 生命必有母体 生命来自生命 这就叫做生物论 正当自然发生论发生动摇时 人类发现了微生物 1675年 列文虎克用自制的显微镜 观察到在雨水 牙垢中都有大量的微生物 于是自然发生论又复活了 人们认为 腐肉虽然不能生蛆 但其中有大量微生物 起码像微生物这样简单的生物是可以从无生命物质自然产生 围绕着微生物能不能自然产生 科学界展开了一场持续了近200年的大论战 还是一个意大利的科学家 证明了微生物也不能自然发生 他的名字叫斯巴兰扎尼 斯巴兰扎尼坚信微生物和其它生物一样 也必有母体 微生物只能来自微生物 肉汤所以腐败 是因为空气中的微生物进去了 不让微生物进去 肉汤就不会腐败 1765年 他设计了一个试验 他准备了两组瓶子 分别装入肉汤 一组开着口 让空气进出 另一组先煮沸45分钟 把里边的微生物都杀死 然后立刻把瓶口封好 不让空气中可能有的微生物进去 头一组瓶子里的肉汤很快就腐败 变臭 长满了微生物 而煮过并封口的瓶子中的肉汤始终没有细菌 斯巴兰扎尼由此得出结论 就连微生物也不可能自然产生 法国