环境工程微生物学绪论

1、环境工程微生物学1我国目前的环境形势十分严峻！绪 论2水体富营养化和赤潮日益严重 每年我国近海都有大面积的赤潮发生。(1) 水体污染（富营养化）赤潮发生景观34水体富营养化和赤潮发生流域图浙江近海2004年赤潮分布5中国各海区赤潮发生情况（1952-1998） 资料来自“邹景忠，赤潮灾害，海洋志”6沿海省（自治区、直辖市）赤潮发现次数7(2) 有毒化学物危害891011（3）大气污染近段时间来，雾霾又成为国人心中的痛！12人民网雾霾中的天安门城楼?13环保工作者必须有所作为！学习环境工程微生物学意义重大14我们在一个被大量微生物包围着的环境中空气水体食品 微生物无处不在 我们生活在“微生物的海

2、洋”中!E. coli on the surface of human skin and hair follicleStaphylococcus aureus on the surface of human skin15Infection Transfer-Airborne Droplet Nuclei16一些数字每克新鲜植物叶子表面附生着大约1106个微生物 人的皮肤上平均每平方厘米含有105个细菌人体肠道内菌体总数达100万亿个左右（人体细胞数量50万亿）。粪便中细菌大约占粪便干重的1/3每个喷嚏的飞沫含4500-150000个细菌，重感冒患者为8500万生活在土壤中和地下的细菌数加起来，

3、估计其总重量为100341012吨。引自 沈萍 微生物学17一些数字每张纸币带有9106个细菌，其中两角纸币带有的菌数将近是十元纸币的5倍。大肠杆菌在1个小时内可消耗相当于它们自身重量2000倍的糖。被埋在琥珀中达2500万年的芽孢，当放到营养培养基上时仍可萌发生长。全世界海洋中微生物的总重量约280亿吨引自 沈萍 微生物学18课程内容安排第一部分 微生物学基础知识第二部分 微生物生态学及环境工程中的微生物应用19（一）什么是微生物微生物(microbe，microorganism) ，是对所有形体微小、单细胞或个体结构较为简单的多细胞，甚至无细胞结构的低等生物的总称。或简单地说是对人们肉眼看

4、不见的细小的生物的总称。微生物是指大量的、极其多样的、不借助显微镜看不见的微小生物类群的总称。一、微生物概述20微生物通常包括病毒、亚病毒（类病毒、拟病毒、朊病毒）、具原核细胞结构的细菌、古菌以及具真核细胞结构的真菌（酵母、霉菌、蕈菌等）、原生动物和单细胞藻类，它们的大小和特征见表1.1所示。21表1.1 微生物形态、大小和细胞类型微生物大小近似值 细胞的特性 病毒0.010.25m 非细胞的 细菌0.110m 原核生物 真菌2m1m 真核生物 原生动物21000m 真核生物 藻类1米几米 真核生物 22（二）生物中哪些是微生物生 物细胞生物非细胞生物：病毒、亚病毒原核生物：三菌、三体真核生物

5、：真菌、单细胞藻类、 原生动物232425（三） 微生物的特点体积小，比表面积大吸收多，转化快生长旺，繁殖快适应强，易变异分布广，种类多26体积小，面积大，比表面积大比表面积Surface to Volume Ratio营养物质吸收、代谢废物排泄、环境信息交换边长立方体数总表面积比面值类似对象1.0 cm 1 6 cm2 6 豌豆1.0 mm 103 60 cm2 60 细小药丸0.1 mm 106 600 cm2 600 滑石粉粒0.01 mm 109 6000 cm2 6000 变形虫1.0 m 1012 6 m2 60000 球菌0.1 m 1015 60 m2 600000 大胶粒0.

6、01 m 1018 600 m2 6000000 大分子1.0 nm 1021 6000 m2 60000000 分子271. 吸收多转化快大肠杆菌每小时可分解其自重1000-10,000倍的乳糖产朊假丝酵母（Candida utilis ）比大豆强100倍的蛋白质合成能力微生物的高呼吸速率282. 生长旺繁殖快E.coli：12.520 min/次分裂液体培养物细菌浓度一般为108109CFU/ml谷氨酸短杆菌：摇瓶种子50吨发酵罐，52小时内细胞数目可增加32亿倍。对于发酵工业的实践意义生产效率高，发酵周期短例如生产鲜酵母时，几乎12小时就可以收获一次，每年可以收获数百次。293. 适应强

7、易变异灵活的适应性或代谢调节机制蛋白质分子的数量E. coli 中能容纳20万-30万个蛋白质分子，2000-3000种执行不同生理功能的蛋白质极端环境的适应能力极端环境高温、高酸、高盐、高辐射、高压、低温、高碱、高毒低的变异频率304.分布广种类多无孔不入，随遇而安分布广：如: 万米深海、85km高空、 地层下128m和427m沉积岩中都发现有微生物存在微生物生理代谢类型多、代谢产物种类多。31类型 低限 倾向种数 高限 病毒与立克次氏体 1,217 1,217 1,217 支原体 42 42 42 细菌与放线菌 1,000 1,500 1,500 蓝细菌 1,227 1,500 1,500

8、 藻类 15,051 23,100 23,100 真菌 37,175 47,300 68,939 原生动物 24,068 24,068 30,000 总数 79,780 98,727 127,29832二、微生物的重要性环境能源医药食品农业33（一） 微生物与环境保护环境、维护生态平衡以提高土壤、水域和大气的环境质量，创造一个适宜人类生存繁衍，并能生产安全食品的良好环境，是人类生存所面临的重大任务。微生物是有机废水污物和合成有毒化合物的强有力的分解者和转化者，起着环境“清道夫”的作用(有机废水和污染物的处理、污染土壤的微生物修复)。某些微生物也以其本身作为病原或其代谢毒物污染各类环境或食品，危

9、害着人类健康。34Aerobic-Anaerobic Bioreactor Liquids Storage Gas Collection to Generate Energy Air Injection GroundwaterMonitoring Bioreactor Program 35（二）微生物与能源化学燃料对环境的污染是一个严重问题。能源的供给微生物可以将农业和某些工业有机废弃物转化为氢气、乙醇和甲烷等清洁能源。3636只有微生物，才能将来源于太阳能的可再生资源-碳水化合物，转变为现代社会所需要的化工原料和能源。实现这种能源结构和资源结构的转变，直接关系到我国经济的可持续发展、社会的稳

10、定和国家安全。碳氢化合物的经济转变阳光工程37Idealized biorefinery concept. Nature Biotechnology 22, 671 - 675 (2004) (Image courtesy of Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN, USA.)38（三） 微生物与农业土壤的形成及其肥力的提高有赖于微生物的作用。农产品的加工、贮藏-利用有益的微生物或抑制有害微生物。绿色农业、绿色食品或有机农业都离不开微生物生物防治、生物固氮作用39微生物细胞的结构和功能，研究细胞的构建及其能量、物质、信息的运转；微生物的进化

11、和多样性，研究微生物的种类，它们之间的相似性和区别，以及微生物的起源；生态学规律，研究不同微生物之间以及它们同环境之间的相互作用；微生物同人类的关系。 三、微生物学的研究内容与成就（一）微生物学的基本内容401.3.1微生物学的基本内容41（二）微生物学的发展与成就1. 微生物学的发展主线42史前期（约8000年前-1676）进展古中国的制曲、酿酒技术天工开物齐民要术东坡酒经特点视而不见臭而不闻触而不觉食而不察得其益而不感其好受其害而不知其恶43初创期（1676-1861）进展Antony van Leeuwenhoek，1632-1723，17世纪最伟大的业余科学家只上过中学的布店学徒工英国

12、皇家学会会员Member of Royal Society巴黎科学院通讯院士重大贡献：显微镜的发明，微生物形态描述。44Antony van Leeuwenhoek45奠基期（1861-1897）进展生理水平的研究，微生物生理学的研究微生物学奠基人：巴斯德细菌学奠基人：科赫46巴斯德（18221895）对人类的贡献奠定微生物学理论，开创新的微生物学科否定“自然发生说”（曲颈瓶实验）Preventative vaccination-ImmunologyFermentation caused by Microorganisms，解决了当时生产中提出的许多难题。创造一些微生物学实验方法巴氏消毒法：6

13、0-65家蚕软化病47Louis Pasteur, one of the greatest scientists of the nineteenth century 48The spontaneous Generation Experiment49科赫（细菌学家）的主要贡献病原学的研究炭疽病菌肺结核病病原菌病原菌的寻找与分离：1870s1920s科赫法则微生物学基本操作技术固体培养基的使用培养基的配制细菌的染色方法1905年获得诺贝尔生理学奖50Robert Koch (科赫) 18431910，德国人 511、在每一相同病例中都出现这种微生物；2、能从寄主分离出这样的微生物并在培养基中培养出

14、来；3、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；4、从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物来。证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则 著名的柯赫原则52Fannie Eilshemius（将琼脂应用于固体培养基的家庭主妇）和她先生Walther Hesse 53发展期（1897-1953）毕希纳(E. Buchner) 18601917 ，德国人开创了微生物生化的研究没有酵母的酒精发酵1907年诺贝尔化学奖54Fleming-Sir-Alexander55成熟期（1953- ）进展分子生物学水平的研究James D. Watson (left) and Fr

15、ancis Crick propose a double- helical structure for DNA 56微生物学的发展前沿微生物基因组学与蛋白组学微生物生态学环境微生物学细胞微生物学微生物生命现象的特性和共性微生物学与其他学科的交叉微生物产业的全新发展57微生物学发展史的结论微生物学发展的历史认识微生物的历史开发利用有益微生物的历史控制和消灭有害微生物的历史。微生物是一把双刃剑double-edged sword582. 一百年多来微生物学发展中的重大事件 时 间重 大 事 件1857巴斯德证明乳酸发酵是由微生物引起的1861巴斯德用曲颈瓶实验证明微生物非自然发生，推翻了争论已久的

16、“自生说”1864巴斯德建立巴氏消毒法1867Lister创立了消毒外科，并首次成功地进行了石炭酸消毒试验1867-1877柯赫证明炭疽病由炭疽杆菌引起1881柯赫等首创用明胶固体培养基分离细菌，巴斯德制备了炭疽菌苗1882柯赫*发现结核杆菌1884柯赫法则首次发表；Metchnikoff*阐述吞噬作用；建立高压蒸汽灭菌和革兰氏染色法1885巴斯德研究狂犬疫苗成功，开创了免疫学1887Richard Petri发明了双层培养皿1888Beijerinck首次分离根瘤菌1890Von Behring*制备抗毒素治疗白喉和破伤风1891Steinberg与巴斯德同时发现了肺炎球菌1892Ivano

17、wsky提供烟草花叶病毒是由病毒引起的证据；Winogradsky发现硫循环1897Buchner用无细胞存在的酵母菌抽提液对葡萄糖进行酒精发酵成功1899Ross*证实疟疾病原菌由蚊子传播591909-1910Ricketts发现立克次氏体；Ehrtich*首次合成了治疗梅毒的化学治疗剂1928Griffith发现细菌转化1929Fleming*发现青霉素1935Stanley*首次提纯了烟草花叶病毒，并获得了它的“蛋白质结晶”1943Luria*和Delbruck*用波动试验证明细菌噬菌体的抗性是基因自发突变所致；Chain*和Florey*形成青霉素工业化生产的工艺1944Avery等证

18、实转化过程中DNA是遗传信息的载体；Waksman*发现链霉素1946-1947Lederberg*和Tatum发现细菌的接合现象、基因连锁现象1949Enders*、Robbins*和Weller*在非神经的组织培养中，培养脊髓灰质炎病毒成功1952Hershey*和Chase发现噬菌体将DNA注入宿主细胞；Lederberg*发明了影印培养法；Zinder和Lederberg 发现普遍性转导1953Watson*和Crick*提出DNA双螺旋结构1956Umbarger发现反馈阻遏现象1961Jacob*和Monod*提出基因调节的操纵子模型601961-1966Holhy*、Khoran

19、a*、Nirenberg*等阐明遗传密码1969Edelman*测定了抗体蛋白分子的一级结构1970-1972Arber*、Nathans*和Smith*发现并提纯了限制性内切酶；Temin和Baltimore发现反转录酶1973Ames建立细菌测定法检测致癌物；Cohen等首次将重组质粒转人大肠杆菌成功1975Khler和Milstein*建立生产单克隆抗体技术1977Woese提出古生菌是不同于细菌和真核生物的特殊类群；Sanger*首次对X174噬菌体DNA进行了全序列分析1982-1983Cech*和Altman*发现具催化活性的RNA(ribozyme)；McClintock*发现的

20、转座因子获得公认；Prusiner*发现朊病毒(prion)1983-1984Gallo和Montagnier分离和鉴定人免疫缺陷病毒；Mullis*建立PCR技术1988Deisenhofer等发现并研究细菌的光合色素1989Bishop*和Varmus*发现癌基因1995第一个独立生活的生物(流感嗜血杆菌)全基因组序列测定完成1996第一个自养生活的古生菌基因组测定完成1997第一个真核生物(啤酒酵母)基因组测序完成61近年来诺贝尔生理学奖2008年，德国学者哈拉尔德-楚尔-豪森(Harald zur Hausen)以及法国学者朗索瓦丝-巴尔-西诺西(Francoise Barre-Sin

21、oussi )和吕克-蒙塔尼(Luc Montagnier)共同获得该奖项。他们分别在宫颈癌致病因和艾滋病病毒研究上有突出成就。 2007年，美国科学家马里奥卡佩基、奥利弗史密斯和英国科学家马丁埃文斯。他们的一系列突破性发现为“基因靶向”技术的发展奠定了基础，使深入研究单个基因在动物体内的功能并提供相关药物试验的动物模型成为可能。 2006年，美国科学家安德鲁法尔和克雷格梅洛。发现核糖核酸（RNA）干扰机制，被广泛用作研究基因功能的一种手段，有望在未来帮助科学家开发出治疗疾病的新疗法。 2005年，澳大利亚科学家巴里马歇尔和罗宾沃伦。他们发现了导致人类罹患胃炎、胃溃疡和十二指肠溃疡的罪魁幽门螺

22、杆菌，革命性地改变了世人对这些疾病的认识。62(一) 定义由普通微生物学发展而来的环境科学和环境工程的一门学科。以普通微生物学为基础，在研究微生物一般规律的同时，着重微生物和环境之间相互作用的规律、微生物活动对环境和人类产生的有益和有害影响及在环境污染控制工程中有关微生物学原理的研究，是环境科学和环境工程的重要理论基础。简言之，环境微生物学是研究保护环境的微生物学。四、环境微生物学63（二） 环境微生物学的内容和任务微生物在人类生存环境中的活动与作用规律；微生物对人类环境产生的有利或有害影响；环境污染防治的微生物学原理、途径、技术与方法；64（1）研究自然环境中的微生物及其与环境间的相互关系以

23、及对人类环境有益和有害的影响，此即广义的环境微生物学研究内容。（2） 研究污染环境的微生物行为及微生物对污染物的去除或转化、微生物活动对环境的影响等，此即污染微生态学研究内容。65（3）在治理污染的人工构筑系统中微生物的作用与应用，即环境工程微生物学的主要内容。（4）在环境监测中的应用，即环境微生物监测。66微生物、环境和人类间的关系微生物环境人类环境67（三）环境微生物学对环境可持续发展的重要作用环境净化和环境工程微生物中的应用在环境微生物监测中的应用 68全球首座温室气体零排放极地考察站(2009.2.15) 以比利时国王孙女伊丽莎白公主的名字命名；依靠风能和太阳能运转，其设计力求实现环境

24、影响最小化。 考察站产生的所有废物都能被循环利用。利用微生物分解技术；考察站内的洗澡水和厕所用水最多能循环利用5次。 69南极洲东部的“伊丽莎白公主”极地考察站70新加坡发明新型马桶 可将粪便变成煮饭燃料2012-6-29新加坡南洋理工大学的科学家研发出一种新型马桶，可以将人类粪便转变成无味而安全的燃料，用于煮饭。“非混合真空马桶”可将人类排泄物分离为固态和液态两部分。液态部分加工成氮磷肥料，固态部分被送入生物反应器中产生气态燃料（沼气），可取代天然气。节水，最多可节约90%的冲洗用水。若在公共卫生间安装“非混合真空马桶”，按每天冲水100次计算，每年可节省16万升水。717172“非混合真空马桶”可将人类排泄物分离为固态和液态两部分南洋理工大学教授王晶元（Wang