环境微生物学课件

1、环境微生物学教学安排54 学时，3学分成绩评定平时成绩 30%期末考试 50%期中考试成绩 20%主要参考教材: 殷士学主编. 环境微生物学. 北京: 机械工业出版社, 2006参考书目:乐毅全,王世芬主编.环境微生物学.北京:化学工业出版社,2005和文祥,洪坚平主编.环境微生物学. 北京:中国农业大学出版社，2007李顺鹏主编.环境生物学. 北京:中国农业出版社, 2002王家玲主编.环境微生物学.北京:高等教育出版社,第二版,2004第一章 绪 论一、微生物学及其分科1.微生物学定义 是一门在细胞、分子或群体水平上研究生物的形态构造、生理代谢、遗传变异、生态分布和分类进化等生命活动基本规

2、律，并将其应用于工业发酵、医药卫生、生物工程和环境保护等实践领域的科学，其根本任务是发掘、利用、改善和保护有益微生物，控制、消灭或改造有害微生物，为人类社会的进步服务。2.微生物学的分科普通微生物 按研究对象微生物分类学 细菌学微生物形态学 病毒学微生物生理学 真菌学微生物生态学 藻类学分子微生物学 原生动物学 细胞微生物学 所处生态环境 按领域土壤微生物学 工业海洋微生物学 农业环境微生物学 医学水微生物学 药学宇宙微生物学 食品 预防按学科间交叉、融合分化学微生物学分析微生物学二、什么是微生物1、定义：微生物（microorganism）是对所有形体微小、构造简单的低等生物的统称。种类：微

3、生物类群十分庞杂，包括：非细胞结构的病毒、类病毒、拟病毒等；细胞结构的：属于原核生物的细菌、放线菌、立克次氏体、衣原体等；属于真核生物的酵母菌、霉菌、蕈菌、单细胞藻类、原生动物等。脊髓灰质炎病毒 H1N1病毒 我们生活中的微生物土壤：细菌数亿/g人口腔中的微生物土壤水体空气极端环境皮肤肠道人体体表及体内存在大量的微生物： 皮肤表面：平均10万个细菌/平方厘米； 口腔：细菌种类超过500种； 肠道：微生物总量达100万亿， 粪便干重的1/3是细菌，每克粪便的细菌总数为：1000亿个； 土壤：细菌数亿/g土壤； 每张纸币带细菌：900万个；少数微生物是人类的敌人！鼠疫；天花；梅毒；小儿麻痹症；肺结

4、核；麻疯病；流感；脑膜炎；艾滋病；非典；疯牛病；猪伪狂犬病毒；猪伪狂犬病毒三、人类对微生物世界的认识史（一）一个难以认识的微生物世界原因：微小、群体间外貌不明显、种间杂居混生、形态与其作用的后果之间很难被人认识。（二）微生物学发展史1、史前期（朦胧阶段） 约8000年前-1676年开创者：各国劳动人民，其中尤以我国的制曲、酿酒技术著称。 特点：未见细菌等微生物个体；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）。2、初创期（形态描述阶段） 时 间：1676-1861开创者：列文虎克（Leeuwenhoek )当时他为布店的学徒工，对制造高倍扩大镜特别感兴趣 。特 点：用

5、自制的单式显微镜观察到细菌的 个体； 对一些微生物形态进行描述。为微生物的存在提供了有力的证据，对以后微生物的研究创造了条件。这便是微生物的启蒙时代。1676年，微生物学的先驱荷兰人列文虎克（Antony van leeuwenhoek）首次观察到了细菌。他没有上过大学，是一个只会荷兰语的小商人，但却在1680年被选为英国皇家学会的会员。今天用虎克发明的显微镜观察红血球的照片虎克用自己发明的显微镜观察到的形态手绘图虎克发明及使用过的显微镜 生命科学院 生物工程教研室 1664年，英国人列文虎克（ Leeuwenhoek ）曾用原始的显微镜对生长在皮革表面及蔷薇枯叶上的霉菌进行观察。3、奠基期时

6、 间：18611897开创者：巴斯德Pasteur和柯赫Koch特 点：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。微生物学的奠基者法国人巴斯德（Louis Pasteur） （18221895）德国人柯赫（Robert Koch）（ 18431910）巴斯德对人类的贡献：1. 否定了生命“自然发生”的学说（曲颈瓶实验）。2. 解决了当时生产中提出的许多难题。（啤酒变酸：乳酸杆菌 ）3. 奠定了微生物学的理论，开创了许多新的微生物学科。4. 创造了一些

7、微生物学实验方法，“巴氏消毒法”。 生命科学院 生物工程教研室目前国际上通用的巴氏高温消毒法主要有两种： 一种是将牛奶加热到62-65，保持30分钟。采用这一方法，可杀死牛奶中各种生长型致病菌，灭菌效率可达97.3%-99.9%，经消毒后残留的只是部分嗜热菌及耐热性菌以及芽孢等，但这些细菌多数是乳酸菌，乳酸菌不但对人无害反而有益健康。 第二种方法将牛奶加热到75-90，保温15-16秒，其杀菌时间更短，工作效率更高。但杀菌的基本原则是，能将病原菌杀死即可，温度太高反而会有较多的营养损失。 巴斯德发现并证实发酵是由微生物引起的柯赫的主要贡献：发明了固体培养基。创造了细菌染色方法。发现了许多病原菌

8、，为以后研究药物和寻找治疗方法提供了依据。提出了为证明某种特定细菌是某种特定疾病的病原菌的“柯赫原则” 生命科学院 生物工程教研室 柯赫原则:1、在每一病例中都出现这种微生物；2、要从寄主分离出这样的微生物并在培养基中培养出来；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。4.发展期 时 间：18971953开创者：Buchner 布赫纳特 点：对酵母菌进行生化水平的研究；发现微生物的代谢统一性；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；青霉素的发现推动了微生物工业化培养技术的猛进。5.成熟期(现代微生物时

9、期)时间：1953年现在特点：理论-深入到分子生物学实践-深入到生物工程水平 生命科学院 生物工程教研室华生和克里克及DNA双螺旋结构华生和克里克及DNA双螺旋结构 生命科学院 生物工程教研室用“工程菌”生产药物干 扰 素脑 菲 肽胰 岛 素乙肝疫苗抗生素各种单克隆抗体免疫血清微生物与医药卫生四、微生物学的广泛应用 微生物与农业和畜牧业微生物饲料农用抗菌素生物菌肥微生物能源微生物饲料 菌体蛋白饲料 饲 料 酵 母 维 生 素 饲 料 发 酵 饲 料 青 贮 饲 料农用抗菌素 某些微生物能够产生具有抑制 或杀死植物病原菌的物质,该物质称 农用抗菌素。如P27 生物菌肥 主要是根瘤菌肥即含固氮菌活

10、菌的肥料。微生物与工业酶 工 业氨基酸工业有机酸工业新材料开发 生 物 化 工 微生物与饮食、调味品酱，酱油，豆豉食 用 醋发酵饮料味 精发酵面食食用菌食用色素食品添加剂淹渍蔬菜我们日常生活烹调所用的味精生产用菌种：我国微生物发酵工程生产谷氨酸常用的菌种有北京棒状杆菌、谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌等 。微生物与环保微生物处理污水：生物除臭法是近年来新发展起来的除臭技术,它是利用微生物的代谢作用降解臭气物质,适合去除污水处理厂产生的臭气物质。目前,在污水处理厂中应用的生物除臭法主要有3 种:生物滤池法、洗涤式活性污泥法以及曝气式活性污泥法。 微生物处理腈纶废水的塔式滤池微生物处理石油污染石油造成的

11、污染主要由烃类引起。有一些细菌可以分解烃类，如长链烷烃(石蜡)、芳香烃、萜类物质等。可以用这些细菌分解石油中的烃类。 1975年，科学家用基因工程的方法，把能分解三种烃类的基因都转移到能分解另一种烃类的假单孢杆菌内，创造出了能分解四种烃类的“超级细菌”。 环境微生物学是由普通微生物学发展起来的环境科学和环境工程相结合的一门理论基础学科。 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影响以及在环境污染控制工程中有关微生物学原理的研究。（一）环境微生物学概念五 环境微生物学及其研究内容我国环境微生物学的兴起与发展 我国环境微生物

12、学科研起始于20世纪70年代。 目前研究的成果： 1、中科院微生物研究所在70年代初分离筛选有效微生物，成功处理氯丁橡胶、腈纶、TNT炸药等工业废水。华东师范大学研究球衣菌处理生活污水及光合细菌处理豆制品废水。 2、针对农药污染，中科院南京土壤研究所在70年代末开展666等多种农药降解菌的研究。 3、针对石油污染，中科院林业土壤研究所在80年代初研究污灌区微生物区系及其中石油降解微生物。4、针对污染物对人体的潜在危害，致突变及致癌，武汉医学院在70年代末及时引进了国外新兴的Ames致突变试验（即鼠伤寒沙门氏菌组氨酸营养缺陷型菌株检测污染物致突变性）。微生物在人类环境中的活动与作用规律微生物对人

13、类环境的有利或有害影响环境污染防治的微生物学原理人类环境有益生物作用有害生物作用（二）环境微生物学的内容和任务（1）研究自然环境中的微生物及其与环境间的相互关系以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。（3）在治理污染的人工构筑系统中微生物的作用与应用，此即环境工程微生物学的主要内容。（4）在环境监测中的应用，此即环境微生物监测技术。相近的几门学科1、以微生物学为基础，与微生物生态学联系紧密。2、是实用性极强的独立学科。与发酵微生物、工业微生物、卫生微生物、环境

14、生物技术等相互渗透、相互影响。3、 不断发展、完善、成熟的年轻学科。（三）环境微生物学学科特点（一）微生物在自然环境中存在的基本状况与活动规律1、研究不同自然环境中微生物生物种群、组成、种类和数量。可为环境质量综合评价提供微生物学参数。2、研究可以长期埋藏在特定环境中的微生物新种。六、环境微生物学的研究内容例如： 在高温环境中分离得到的嗜热菌，开发利用其独特的耐高温聚合酶，使DNA体外扩增技术得到突破。即PCR技术PCR技术的基本原理：该技术是在模板DNA、引物和四种脱氧核糖核苷酸存在下，依赖于DNA聚合酶的酶促合成反应。DNA聚合酶以单链DNA为模板，借助一小段双链DNA来启动合成，通过一个

15、或两个人工合成的寡核苷酸引物与单链DNA模板中的一段互补序列结合，形成部分双链。在适宜的温度和环境下，合成一条新的DNA互补链。 （二）微生物对化学污染物的防治及其他有利影响废气废水工业废水按工业废水中所含主要污染物的化学性质分类： 含无机污染物为主的无机废水、含有机污染物为主的有机废水、兼含有机物和无机物的混合废水、重金属废水、含放射性物质的废水和仅受热污染的冷却水。 废渣安徽淮北工业废渣“毒气”熏人 化工厂的工业废渣占去了大片土地，也留下了环境隐患 1、微生物在“三废”处理中大显身手微生物能很快适应并能够对付各种化学污染物，使之发生降解或在转化为无毒害化学物质。微生物处理污染的突出优点：所

16、需费用低，经济有效无二次污染2、微生物对污染物降解转化的基础性研究研究内容： 查明微生物对特定污染物生物降解的可能性； 确定降解污染物的微生物类群及种类； 筛选优良降解菌或人工培育高效降解菌； 掌握该菌的降解作用原理与机理，所需适宜条件、代谢途径和代谢产物等。3、“三废”的生物处理废水：处理对象：生活污水、工业废水和各种化工废水 现在对水的处理已扩展到饮用水，例如利用生物膜法处理自来水厂源水，使其中的有机物及藻类得以除去，提高饮用水质量。处理方法：生物膜法、厌氧-好氧联合法（A/O法）、厌氧-缺氧-好氧联合法（A/A/O）法、硝化-反硝化联合脱氮工艺等。生物膜法工艺的实质： 利用固着于载体上的

17、天然微生物群处理废水，也就是固定化微生物处理法。 膜的表面溶有较多的溶解氧，形成好氧层，膜的内层溶解氧较少，易形成厌氧层，整个膜处于增长、脱落和更新的生态系统。微生物的生长代谢将污水中的有机物作营养，从而使污染物得到降解。正常生物膜厚23mm。 生物膜 生物膜的形成：含有营养物质和接种微生物的污水在填料的表面流动，一定时间后，微生物会附着在填料表面而增殖和生长，形成一层薄的生物膜。生物膜的成熟：在生物膜上由细菌及其它各种微生物组成的生态系统以及生物膜对有机物的降解功能都达到了平衡和稳定。生物膜从开始形成到成熟，一般需要30天左右(城市污水，20C)生物膜的性质： 高度亲水，存在着附着水层； 微

18、生物高度密集：各种细菌以及微型动物，这些微生物起着主要去除废水中的有机污染物的作用，形成了有机污染物细菌原生动物的食物链。 生物膜中的微生物主要有细菌（包括时气、厌气及兼气细菌）、真菌、放线菌、原生动物（主要是纤毛虫）和较高等的动物。 生物膜法分为三类： 1）润壁型生物膜法废水和空气沿固定的或转动的接触介质表面的生物膜流过，如生物滤池和生物转盘等； 2）浸没型生物膜法接触滤料固定在曝气池内，完全浸没在水中，采用鼓风曝气，如生物接触氧化； 3）流动床型生物膜法使附着有生物膜的活性炭、砂等小粒径接触介质悬浮流动于曝气池中，如生物流化床。4、环境微生物制剂的开发研究环保型微生物制剂 滥用化学品导致全

19、球环境的污染与危害，国内外微生物学工作者先后开发了多种环保型的微生物制剂，用于取代或补充化学品的使用。 例如：生物农药、生物肥料、生物降解剂及减少化学塑料“白色污染”的生物塑料等。废物资源中的微生物学产品 某些微生物在降解或转化污染物后，可生成含丰富营养的菌体蛋白及各种有益的代谢产物，这些可开发为产品。例如：酵母菌处理含糖废水可生成大量单细胞蛋白；厌氧微生物（产甲烷菌）分解有机质生成大量的沼气；厌氧微生物处理废水后还可大量生成一些代谢产物如有机酸、醇类等。（三）微生物对环境的有害影响及其防治1、病原微生物 防治：医院污水处理后排放、空气喷雾消毒、食物严格检验检疫、进口产品严格检验检疫等。2、微

20、生物代谢产物 具有毒性的甲基汞化合物、致癌性的亚硝胺类化合物、致肝癌的黄曲霉毒素均与微生物代谢有关。3、富营养化水体中的微生物 严重的污染使沿海港湾或湖泊等水体称为富营养化水体，在一定条件下会发生赤潮或水华危害。蓝细菌所造成的环境污染水华 赤潮 毒素 赤潮（四）环境监测中的微生物学技术与方法 目前，在环境监测中常将物理学、化学与生物学等多种技术与方法综合运用，以查明并评价环境污染与危害状况。 微生物用于环境监测的优势： 微生物个体小、易培养、繁殖快，对环境变化反应灵敏等。微生物在环境监测中的应用：应用微生物作为环境污染的指示菌。 例如应用发光细菌速测环境污染物的生物毒性及生物致突变性的方法。研

21、究建立直接测定测定环境中致病微生物及产毒素微生物的方法。微生物环境人类微生物、环境、人类三者关系第二章 微生物基本概念微生物（microorganism）是对所有形体微小、构造简单的低等生物的统称。 非细胞生物（病毒）原核生物（细菌、古生菌、放线菌、立克次氏体、衣原体）真核生物（真菌、藻类、原生动物）微生物一、微生物的定义2-1 微生物的基本概念1.个体小：以微米(m)来衡量。2.形态简单：由单细胞、简单多细胞或非细胞生命物质所构成。3.种类多：生物分原核生物界、原生生物界(藻类, 原生动物)、真菌界(酵母、霉菌)、植物界、动物界和病毒界。微生物在六界中占绝对数量优势。肠道杆菌二、微生物的共同

22、特点4,繁殖快：微生物繁殖速度极高,其中以二分裂方式繁殖的细菌尤为突出.一般细菌数十分钟繁殖一代，以20分钟一代计算，1个细菌在24小时内可以繁殖72代，生成272个即 4.7221021个后代，每个细菌的重量以10-12g计算,总重量达4722吨。 5.数量多：由于微生物的营养食谱广,生长繁殖速度快,故凡有微生物生存之处,它们都拥有巨大的数量。如在一个1mm3大小的菌落中,就可含有数十亿乃至数百亿个的个体。6.分布广 7.胃口大：“胃口大”即新陈代谢旺盛。具有强大的合成和分解能力.8.食谱广：即代谢类型多。如纤维素,几丁质,胶蛋白,石油,甲醇,甲烷,天然气,塑料,橡胶,酚类,氰化物等微生物都

23、可以利用。石油酚醇甲烷氰化物硫10.易变异：易受环境作用与变化的影响,发生突变。9.起源早：地球诞生46亿年, 微生物40亿年前即已形成分类等级(rank或category) ：细菌的分类单元分为七个基本的分类等级或分类阶元，由上而下依次是：界、门、纲、目、科、属、种。 一、微生物分类分类单元(taxon) ：指具体分类群，如原核生物界(Procaryotae)、肠杆菌科(Enterobacteriaceae)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)等都分别代表一个分类单元。 门 纲 亚纲 目 科属种界2-2 微生物类群与生物三域原核生物界Procaryotae光能营养原核生物门化

24、能营养原核生物门蓝绿光和细菌纲红色光和细菌纲绿色光和细菌纲细菌纲古细菌纲立克次氏体纲柔膜体纲Barkrei（一种产甲烷八叠球菌）的分类为：原核生物界、化能营养原核生物门、古细菌纲、Methanoosarcina (甲烷八叠球菌属）、barkrei （种）甲烷八叠球菌属 Methanothrix(属） 分解醋酸主力菌barkrei （种）举例： 种（species),是生物分类中基本的分类单元和分类等级。它指的是“物种”，目前微生物中的种仍主要是根据各种特征(主要是表型特征)分析划分的。因此微生物的种可以看作是：具有高度特征相似性的菌株群，这个菌株群与其它类群有明显区别。 分类单元等级不足以反映

25、分类单元之间的差异时也可增加亚等级，即亚界、亚门亚种，细菌分类中还可在科和属之间增加族和亚族等级。 采用国际上通用的双名法，学名通常由一个属名加一个种的加词构成。出现在分类学文献上的学名，往往还加上首次定名人、现名定名人和现名定名年份，但在一般使用时这几个部分总是省略的。学名=属名+种的加词 +(初定名人)+现名定名人+定名年斜体字可省略例如 ，枯草杆菌的学名为:Bacillus subtilis (Ehrenberg) Cohn 1872.属名 + 种的加词 + （首次定名人) 现定名人 定名年二、微生物的命名三、生物三域 近年沃思(C.R. Woese)在界上使用域(domain)，把生物

26、分为古生菌域、细菌域和真核生物域。此观念已得到广泛接受。 始祖生物细菌域真核生物域古生菌域 Woese等人通过16S rRNA序列比较分析首先提出：生物的发展不是一个简单的由原核生物发展到更为复杂的真核生物的过程，生物界发展进化明显存在着3个不同的基因系统。始祖生物细菌域真核生物域古生菌域这三个系统都是由一个尚不明确的始祖生物大约在35亿年前各自发展起来的。该理论后经大量研究证实，构成三域学说的主要依据。四、微生物的分类依据微生物种类繁多类群庞杂，但可按有无细胞构造的结构特征分成细胞型和非细胞型两类细胞型非细胞型(病毒等)微生物按细胞核分化程度又常将细胞型微生物分为原核微生物和真核微生物两大类

27、真核微生物原核微生物真细菌古生菌按不同发育进化系统特征分类可将原核生物分为真细菌与古生菌。结构特征进化系统特征原核微生物是指细胞核无核膜包裹，只有核区的裸露DNA的原始单细胞生物，包括真细菌和古生菌两大群。古生菌的研究相对较晚，被认为是很古老的生物，但不要因此而产生误解，古生菌与真细菌的分别不是古老之分，他们的系统进化途经的根本不同是其主要分类依据。近20年来从细胞壁的化学构造研究它们的区别有很大的进展，越来越受到学术界的重视。真核微生物是指细胞核具有核膜、能进行有丝分裂、在细胞质中存在线粒体或同时存在叶绿体等细胞器的生物(真菌、显微藻类、原生动物以及地衣等)。个体形态：镜检细胞的形状特征，革

28、兰氏染色反应，运动特征等形态特征培养菌落形态特征：固体、半固体或液体培养基的培养菌落特征（形状、光泽、透明度、颜色、质地等) 。形态特征呈现圆形，边缘整齐圆形，边缘不规则固体培养基平板上菌落性状：圆形边缘完整规则，有同心环不规则，卷发状在半固体培养基上（内）的群体形态：形态特征培养菌落形态特征：液体培养基（内）的群体形态形态特征培养菌落形态特征：生理生化特征光能型化能型能源形式自养菌异养菌碳源形式藻类细胞利用光能，甲烷菌利用化学能藻类、产甲烷菌、硝化菌碳源来自简单无机物CO2光能自养菌 光能+无机碳源光能异养菌光能+有机碳源化能自养菌化学能+无机碳化能异养菌化学能+有机碳呼吸方式对氧的不同要求

29、：好氧微生物：只能在有氧环境中生存厌氧微生物：要求严格厌氧环境兼性微生物：有氧与缺氧环境都可生存生态习性；细胞壁特性； rRNA碱基顺序等等个体形态：镜检细胞的形状特征，革兰氏染色反应，运动特征等培养特征：固体培养基平板上的菌落的性状（形状、光泽、透明度、颜色、质地等)， 半固体或液体培养基中的培养特征。形态特征能量代谢：光能还是化学能，比如藻类可利用光能，甲烷菌利用化学能氧气要求：专性好氧、微需氧、兼性厌氧、严格厌氧营养特性：特殊营养需要（碳源、氮源、酶的存在等要求）比如甲烷菌只能利用CO2 或 甲酸、乙酸等低级碳源生理生化特征生态习性血清反应细胞壁成分等rRNA的碱基顺序微生物的分类依据很

30、多,十分复杂,并不十分科学。该领域的研究十分活跃。权威的细菌分类参考书，伯杰氏鉴定细菌学手册RNA的碱基顺序是由DNA转录来的，故具有相对应的规律。提取并分离细菌内32P标记的16SrRNA，以核糖核酸酶消化，可获得各种寡核苷酸，测定这些寡核苷酸上的碱基顺序，可作为细菌分类学的一种标记。微生物的分类归纳结构特征除国际公认的分类单元的等级外，在细菌分类中，还常常使用非正式的类群术语。如亚种以下常用培养物、菌株和型；种以上常用群、组、系等类群名称。 培养物(culture)：指一定时间一定空间内微生物的细胞群或生长物。如微生物的斜面培养物、摇瓶培养物等。如果某一培养物是由单一微生物细胞繁殖产生的，就称之为该微生物的纯培养物(pure culture)。 重要术语变种(variety):某些特性表现与模式种不同,如有毒细菌变异为无毒的变种。菌株(strain)：在不同地区或不同实验室分离到的具体菌种称为菌株。用实验方法(如通过诱变)获得某一菌株的变异型，可以称为一个新菌株。菌株是微生物分类和研究工作中最基础的操作实体。由于同种的不同菌株之间，就某些非鉴别性特征(不是界定种的特征)而言，可能存在重要差别。在实