01第一章-緒論污染控制微生物學

1、污染控制微生物學1 第一章 緒 論 2一、污染控制微生物學的研究對象和任務 污染控制微生物學是環(huán)境污染治理與微生物學相結合而產(chǎn)生發(fā)展起來的一門邊緣性學科，屬于環(huán)境微生物學的研究范疇，重點是研究污染控制工程中涉及到的微生物學問題，是在普通微生物學的基礎上，著重研究棲息在自然環(huán)境、受污染環(huán)境和人工處理系統(tǒng)中的微生物生態(tài)、環(huán)境的自凈作用、環(huán)境污染及其生物處理工程中的微生物學原理。3 微生物學(microbiology)是研究微生物及其生命活動規(guī)律的一門基礎學科。研究的內(nèi)容涉及到微生物的形態(tài)結構、分類鑒定、生理生化、生長繁殖、遺傳變異、生態(tài)分布，微生物各類群之間、微生物與其他生物之間及微生物與環(huán)境之間

2、的相互作用、相互影響的復雜關系等，目的是為了更好地認識、利用、控制和改造微生物，造福于人類。 本學科就是要在學習微生物學原理的基礎上，著重討論與環(huán)境污染控制有關的微生物學問題。 污染控制微生物學的研究對象和任務4微生物在自然界的重要作用 整個自然界可以說是由無機物和有機物構成，或者說是由無機界和有機界組成的，二者之間并不是孤立的、雜亂無章地存在，而是有機的、按一定規(guī)律形成五彩繽紛的自然界 。56陽光排 泄吸 收生產(chǎn)者植 物光 合微生 物消 費 者草食動物肉食動物寄生動物雜食動物分解者微生物無機環(huán)境CO2、H2O、NH3、PO43-人類社會經(jīng)濟基礎上層建筑貨 幣QQQ7 自然界中最大的生態(tài)系統(tǒng)就

3、是生物圈，而物質(zhì)是不生不滅，往復循環(huán)的，即從無機有機無機，實現(xiàn)這一循環(huán)的就是分解者微生物 對于大量人工合成的化合物，在短時間內(nèi)微生物不能降解，經(jīng)過生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)，會積累在不同的生物體內(nèi)，特別是有毒有害、致畸致癌物質(zhì)，經(jīng)過生物放大作用，使生態(tài)系統(tǒng)中的生物在質(zhì)和量兩方面發(fā)生很大的變化，而最終威脅人類的健康 8 人和其他生物一樣離不開水，人體的70%是水，若少于20%將無法進行氧化、還原、分解、合成等生命活動，絕水者活不過7晝夜。自然生態(tài)的每個環(huán)節(jié)都有水的存在，維持著整個生態(tài)系統(tǒng)的平衡與運動，在其流動過程中，將人們一味追求財富的過程中，排放的有毒有害、致畸致癌及其它廢棄物輸送到每一個角落，導致生

4、態(tài)平衡的破壞，最終威脅人類的生存和發(fā)展。水就象生物圈的血液一樣，水污染可以說是自然界的血液病。二、污染控制中的微生物作用9二、污染控制中的微生物作用 除水污染之外，象大氣污染、土壤污染、固體廢物污染等等，最終都將通過水循環(huán)使污染物進入生態(tài)系統(tǒng)。因此，利用微生物強大的分解作用，并通過人工手段，才能真正經(jīng)濟、高效地清除環(huán)境污染。10在給水工程中的作用 飲用水安全保障技術已成為重要的研究課題，其目的主要是從水質(zhì)和水量評價給水水質(zhì)的一個重要內(nèi)容就是水的衛(wèi)生細菌學標準。 藻類大量滋生時會堵塞給水廠的濾池，并會使水中帶有異味或增加水的色度、濁度等，因此，在給水工程中應盡可能除去這些微生物，以提供符合標準的

5、生活飲用水和工業(yè)生產(chǎn)用水。 利用工程菌形成固定化生物活性炭，來消除水中的微量有機物；利用微生物生產(chǎn)生物絮凝劑，取代無機和有機絮凝劑，以進一步提高飲用水水質(zhì)。污染控制中的微生物學作用11在排水工程中的作用 生物處理法的基本原理就是利用各種微生物的分解作用，對廢水中的污染物進行降解和轉(zhuǎn)化，使之礦化且使水中的重金屬得以適當轉(zhuǎn)化。由于生物處理法具有高效、經(jīng)濟等優(yōu)點，因此被普遍采用。 生物處理法主要包括活性污泥法、生物膜法(生物轉(zhuǎn)盤、生物濾池、接觸氧化)、自然處理法(氧化塘、氧化溝等)、厭氧消化法等等。在實際處理中，可以根據(jù)被處理的廢水性質(zhì)以及各種處理法的特點來選擇較為適宜的組合或處理工藝。另外，在受污

6、染水體的生物修復技術中，微生物起著極為重要的作用。 污染控制中的微生物學作用12在土壤凈化工程中的作用 由于農(nóng)業(yè)上不斷增加化肥、農(nóng)藥的使用量，工業(yè)廢水的農(nóng)田排放、有毒有害固體廢物的堆放與填埋所引起的有毒有害物質(zhì)的泄漏等，造成了土壤環(huán)境質(zhì)量的日益惡化。被污染的土壤通過對地表水和地下水形成二次污染和經(jīng)土壤-植物系統(tǒng)由食物鏈進入人體，直接危及人體健康。 因此，土壤污染治理技術研究與開發(fā)，已成為當前國內(nèi)外環(huán)境保護領域的熱點課程，如利用土壤微生物或篩選馴化的工程菌來進行污染土壤修復的生物修復技術研究就是其中之一。污染控制中的微生物學作用13在污染空氣凈化工程中的作用 空氣質(zhì)量對人類健康有著直接的影響?？?/p>

7、氣中缺乏微生物可直接利用的營養(yǎng)物質(zhì)，微生物不能獨立地在空氣中生長繁殖，它不是微生物生長繁殖的天然環(huán)境，所以，空氣中沒有固定的微生物種群。正因如此，利用微生物對污染空氣進行凈化并不普遍，但在可控條件下采用微生物處理法還是比較經(jīng)濟、高效的。例如，城市垃圾中轉(zhuǎn)站的惡臭空氣，可以通過向空氣中噴灑有效菌群加以凈化；在污泥消化過程中產(chǎn)生的含H2S的氣體，也可以通過生物濾塔得以凈化。污染控制中的微生物學作用14污染控制微生物學的研究大致有以下幾方面的內(nèi)容：自然環(huán)境以及污染環(huán)境中的微生物生態(tài)學污染控制中的微生物學原理以及微生物資源的開發(fā)與利用生物工程和一些微生物新技術在污染控制中的應用環(huán)境中有害微生物的去除以

8、及病原微生物的快速檢測技術特種廢水的處理技術以及高效、經(jīng)濟、節(jié)能廢水處理技術的開發(fā)與應用 廢水及固體廢棄物生物處理過程中的減量化和資源化技 術污染控制中的微生物學作用15三、微生物概述1. 微生物的定義 微生物(microorgnisms)一詞并非生物分類學上的專用名詞，而是指所有形體微小單細胞的，或個體結構較為簡單的多細胞，甚至無細胞結構的，必須借助光學顯微鏡甚至電子顯微鏡才能觀察到的低等生物的通稱。因此，微生物類群十分復雜，其中包括不具備細胞結構的病毒，單細胞的細菌和藍細菌，屬于真菌的酵母菌和霉菌，單細胞藻類和原生動物、后生動物等。16微生物概述2. 原核微生物與真核微生物原核微生物：凡是

9、細胞核發(fā)育不完全，僅有一個核物質(zhì)高度集中的核區(qū)(叫擬核結構)，不具核膜，核物質(zhì)裸露，與細胞質(zhì)沒有明顯的界限，沒有分化的特異細胞器，只有膜體系的不規(guī)則泡沫結構，不進行有絲分裂的細胞稱為原核細胞，由原核細胞構成的微生物稱為原核微生物。真核微生物：凡是具有發(fā)育完好的細胞核，有核膜(使細胞核與細胞質(zhì)具有明顯的界限)，有高度分化的特異細胞器(如線粒體、葉綠體、高爾基體等)，進行有絲分裂的細胞稱為真核細胞，由真核細胞構成的微生物稱真核微生物。17真核細胞與原核細胞的主要區(qū)別18微生物概述3. 微生物的分類地位污染控制微生物學在生物分類中的地位19微生物概述4. 微生物的分類單位、命名和分類依據(jù) 分類學(T

10、axonomy)是將有機體進行分類或系統(tǒng)地編排成類群(groups)，即所謂的分類單位(taxa)。分類學可以分成以下三個部分。 分類(classification)，將各單位(units)有規(guī)則地編排列入較大單位的類群中去； 命名法(nomenclature)，對由分類所劃分了的(測知特征的)并進行過描述的單位給予名稱；20微生物概述微生物的分類單位、命名和分類依據(jù) 鑒定(identification)，運用上述分類和命名法所規(guī)定了的標準，按“未知的”和“已知的”單位相互比較來鑒定微生物。鑒定一個“新”分離的微生物，需要充分確定其特征，進行特征描述，并與已知的微生物特征相比較。 當然，分類學

11、的這三個部分并非彼此獨立，在很大程度上是相互依賴的。21微生物概述微生物的分類單位、命名和分類依據(jù)微生物的分類單位 界真核原生生物界(Protistae) 門原生動物門(Protozoa) 綱纖毛綱(Ciliata)目緣毛目(Peritrichida)科鐘形科(Vornicellidae)屬鐘蟲屬(Vorticella)種小口鐘蟲(Vorticella microstoma )22微生物概述微生物的分類單位、命名和分類依據(jù)微生物的命名 采用國際統(tǒng)一的命名法則，即林耐所創(chuàng)立的“雙名法”(binomial)。它是由兩個部分組成的命名方法，即一個物種的名字，是由它所屬的屬名后面加上種名形容詞(spe

12、cificepithet)所組成的。 23微生物概述微生物的命名因此，每一種微生物的學名都依據(jù)屬和種而命名，由兩組拉丁字或希臘字或者拉丁化的其他文字組成。屬名在前，規(guī)定用拉丁字名詞表示，字首字母要大寫，由微生物的構造、形狀或由科學家名字而來，用以描述微生物的主要特征；種名在后，常用拉丁字形容詞表示，字首字母小寫，為微生物的色素、形狀、來源、病名或科學家的姓名等，用以描述微生物的次要特征。 即：屬名+種名(+命名者等)。 24微生物概述下面舉例說明金黃色葡萄球菌(Stapylococcus aures)巴斯德酵母(Saccharomyces pastori)破傷風梭菌(Clostridium t

13、etani) 另外，大家熟知的學名，其屬名可以縮寫，如E.coli,但屬名第一個字母應用記號，即用實心圓點。再有，當泛指某一屬微生物時，可以在屬名后面寫上sp.或spp.，例如，Pseudomonas sp.表明是假單胞菌屬的某一種細菌，具體種名不知。25微生物概述微生物的分類單位、命名和分類依據(jù)微生物的分類依據(jù) 微生物分類是在對大量微生物進行觀察、分析和描述的基礎上，以它們的形態(tài)、結構、生理生化反應和遺傳性等特征的異同為依據(jù)，并根據(jù)生物進化的規(guī)律和應用的方便，將微生物分門別類地排列成一個系統(tǒng)。 微生物的分類依據(jù)很多，主要有形態(tài)特征，包括個體形態(tài)、群體形態(tài)(即培養(yǎng)特征)，生理生化反應，生態(tài)特征

14、，血清學反應，細胞成分，紅外吸收光譜，GC含量(G代表鳥嘌呤，C代表胞嘧啶)，DNA雜交，DNA-rRNA雜交，16S RNA堿基順序分析等等。在實際工作中，可以根據(jù)需要來選擇各種分類依據(jù)，以達到區(qū)分和鑒定微生物的目的。26微生物概述：微生物的特點1. 個體微小，分布廣泛 微生物的大小用微米(m)甚至納米(nm)來表示，從零點幾微米到幾百微米不等，而病毒的大小不能用普通光學顯微鏡觀測，因為它無法分辨小于0.2 m的物體。盡管微生物之間大小差異顯著，但都需要借助顯微鏡才能觀察到。由于微生物個體微小而且輕，故可通過風和水的散播而廣泛分布。江、河、湖、海、高山、陸地、人體等，甚至在寒冷的北極冰層中也

15、發(fā)現(xiàn)有微生物存在。 272829從永凍冰層分離微生物2930南極Vostok湖冰芯樣品中的微生物30假單胞菌 31微生物概述：微生物的特點2. 種類繁多，代謝旺盛 已發(fā)現(xiàn)的微生物有十幾萬種，而且不同種類的微生物具有不同的代謝方式，能用各種各樣的有機物和無機物作為營養(yǎng)物質(zhì)，使之分解和轉(zhuǎn)化，同時，又能將無機物合成復雜的有機物。 由于微生物的個體微小，與高等生物相比，具有極大的表面積和體積之比，所以，能夠迅速和周圍環(huán)境進行物質(zhì)交換(營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與廢棄物的排泄)，代謝十分旺盛。由于微生物的個體微小，與高等生物相比，具有極大的表面積和體積之比，所以，能夠迅速和周圍環(huán)境進行物質(zhì)交換(營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與廢棄

16、物的排泄)，代謝十分旺盛。 323. 繁殖快速，易于培養(yǎng) 微生物在最適宜的條件下具有高速度繁殖的特性。尤其是細菌，其細胞一分為二，即裂殖，繁殖速度非常驚人。 大多數(shù)微生物都能在常溫常壓下，利用簡單的營養(yǎng)物質(zhì)生長繁殖，這就使我們?nèi)菀着囵B(yǎng)微生物，特別是獲得純種微生物，有利于微生物的研究和利用。 微生物概述：微生物的特點334. 容易變異，利于應用 微生物繁殖后，其子代與親代在形態(tài)、生理等性狀上常有差異，這些差異又能穩(wěn)定地遺傳下去，這一特性為變異。由于絕大多數(shù)微生物結構簡單，多為單細胞且無性繁殖，與環(huán)境直接接觸，易受外界環(huán)境影響，因而容易發(fā)生變異或菌種退化，有可能變異為優(yōu)良菌種，這也是微生物能廣泛適

17、應各種環(huán)境的一個有利因素，同時也為利用遺傳變異手段篩選優(yōu)良菌種提供了有利條件。除上述特點外，細胞型微生物還具有其他一些特點：以細胞為結構單位，并隨時間的增加而生長；細胞的構成物質(zhì)大致相同；細胞內(nèi)的化學反應大致相同，適應能力較強。微生物概述：微生物的特點34微生物學的發(fā)展簡史微生物學的真正發(fā)展大致經(jīng)過三個階段：形態(tài)學、生理學和分子生物學微生物的形態(tài)學發(fā)展階段微生物的生理學發(fā)展階段微生物的分子生物學階段3536 1664年，微生物學的先驅(qū)列文虎克曾用原始的顯微鏡對生長在皮革表面及薔薇枯葉上的霉菌進行觀察。1676年，首次觀察到了細菌。（一）形態(tài)描述階段（1676 1861）3637微生物的發(fā)現(xiàn)列文

18、虎克向英國皇家學會的信中對細菌形態(tài)的描繪3738（二）生理水平研究階段（巴斯德、科赫）（1861 1897） 1、微生物學開始建立 2、創(chuàng)立了一整套獨特的微生物學基本研究方法 3、開始運用“實踐理論實踐的思想方法開展 研究 4、 建立了許多應用性分支學科 5、進入尋找人類和動物病原菌的黃金時期3839Louis Pasteur (1822 1895)1、解決了當時工、農(nóng)、醫(yī)方面提 出的許多難題，推動了生產(chǎn)的發(fā)展：2、徹底否定了生命“自然發(fā)生”學說；3、奠定了微生物學的理論基礎；4、創(chuàng)造了一些微生物學實驗方法；5、證實發(fā)酵是由微生物引起的；6、免疫學預防接種；7、發(fā)明巴氏消毒法（ Pasteur

19、ization）3940巴斯德的雁頸瓶曲頸瓶實驗4041Robert Kock (1843 1910)1、發(fā)明了固體培養(yǎng)基，提出了 微生物純培養(yǎng)的概念和方法；2、創(chuàng)造了細菌染色的方法；3、發(fā)現(xiàn)了許多病原菌，如炭疽桿菌、結核桿菌、霍亂弧菌等；4、證明某種微生物是否為某種疾病病原體的基本原則柯赫原則 4142柯赫原則 1) 在每一病例中都出現(xiàn)這種微生物； 2) 要從寄主分離出這樣的微生物并在培養(yǎng)基中培養(yǎng)出來； 3) 用這種微生物的純培養(yǎng)接種健康而敏感的寄主，同樣的疾病會重復發(fā)生； 4) 從試驗發(fā)病的寄主中能再度分離培養(yǎng)出這種微生物來。4243 1、對無細胞酵母菌”酒化酶“進行研究； 2、發(fā)現(xiàn)微生物的代謝統(tǒng)一性； 3、普通微生物學開始形成； 4、開展廣泛尋找微生物的有益代謝產(chǎn)物； 5、青霉素的發(fā)現(xiàn)推動了微生物工業(yè)化培