第一章-環(huán)境微生物學(xué)緒論-PPT幻燈片

本課程的基本情況本課程是環(huán)境類專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課；本課程強(qiáng)調(diào)實(shí)踐能力，要求每個(gè)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，掌握有關(guān)基本技能，并加深對(duì)理論部分的理解和記憶；本課程內(nèi)容分兩大部分：一是微生物學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)；二是微生物學(xué)在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用。一、環(huán)境微生物學(xué)的形成和發(fā)展

環(huán)境微生物學(xué)—環(huán)境科學(xué)的重要分支，

20世紀(jì)60年代后期興起→獨(dú)立的學(xué)科，環(huán)境科學(xué)和環(huán)境工程的重要理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)起出現(xiàn)環(huán)境污染問題：美國洛杉磯的光化學(xué)煙霧、倫敦?zé)熿F；日本四日市的哮喘病、熊本的水俁病及神通川骨痛病。

1952年倫敦?zé)熿F事件是1952年12月5日－9日發(fā)生在倫敦的一次嚴(yán)重大氣污染事件。這次事件造成多達(dá)12000人因?yàn)榭諝馕廴径鴨噬?，并推?dòng)了英國環(huán)境保護(hù)立法的進(jìn)程。

四日市位于日本東部海灣。1955年這里相繼興建了十多家石油化工廠，化工廠終日排放的含SO2的氣體和粉塵，使昔日晴朗的天空變得污濁不堪。1961年，呼吸系統(tǒng)疾病開始在這一帶發(fā)生，并迅速蔓延。據(jù)報(bào)道患者中慢性支氣管炎占25%，哮喘病患者占30%，肺氣腫等占15%。1964年這里曾經(jīng)有3天煙霧不散，哮喘病患者中不少人因此死去。1967年一些患者因不堪忍受折磨而自殺。1970年患者達(dá)500多人。1972年全市哮喘病患者871人，死亡11人。1953-1956年，日本熊本縣水俁灣發(fā)生了水俁病事件。因化工廠排入海灣的廢水中含有甲基汞，在海洋生物中富集，人類因食用這些有毒魚類等中毒而死亡。

1955-1972年骨痛病事件是于日本富士縣神通川流域發(fā)現(xiàn)的一種土壤污染公害事件。主要污染源是重金屬尤其是鎘中毒引起的的水和食物污染?；颊呷砀鞑课粫?huì)發(fā)生神經(jīng)痛、骨痛現(xiàn)象，行動(dòng)困難，骨骼軟化、萎縮，四肢彎曲，脊柱變形，骨質(zhì)松脆，不能進(jìn)食，疼痛無比。墨西哥灣漏油事故中海油渤海灣油田漏油事故2010年7月16日大連新港溢油事故

環(huán)境污染的治理：發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)50年代開始，如泰晤士河河水變清，有魚類生長(zhǎng)。我國于60年代開始環(huán)境污染治理工作，“九五”期間我國推出兩項(xiàng)重大舉措：全國主要污染物排放總量控制和中國跨世紀(jì)綠色工程計(jì)劃。前者中規(guī)定了煙塵、粉塵、二氧化硫、重金屬、COD和工業(yè)廢棄物等12種主要污染物的排放量。2000年12項(xiàng)主要污染物的排放總量比“八五”末期分別下降了10-15%。

“十一五”期間又對(duì)化學(xué)需氧量、二氧化硫兩種主要污染物實(shí)行排放總量控制計(jì)劃管理，排放基數(shù)按2005年環(huán)境統(tǒng)計(jì)結(jié)果確定。計(jì)劃到2010年，全國主要污染物總量比2005年減少10%。2010年，全國化學(xué)需氧量排放量1238.1萬噸，比2009年下降3.09%；二氧化硫排放量2185.1萬噸，比2009年下降1.32%。與2005年相比，化學(xué)需氧量和二氧化硫排放量分別下降12.45%和14.29%。

通過“十二五”全國主要污染物排放總量控制規(guī)劃，四大主要污染物（二氧化硫、化學(xué)需氧量、氨氮、氮氧化合物）平均排放量，在2015年年末分別比2010年年末下降10%。

據(jù)環(huán)保部污染排放總量控制司初步估算，2015年前三季度，全國化學(xué)需氧量、氨氮、二氧化硫、氮氧化物排放總量分別比去年同期下降3%、3%、5%、9%左右，“十二五”規(guī)劃五年總目標(biāo)已完成。

“十三五”規(guī)劃建議提出擴(kuò)大污染物總量控制范圍。在“十二五”時(shí)期總量控制為四項(xiàng)污染物——二氧化硫、氮氧化物、化學(xué)需氧量和氨氮的基礎(chǔ)上，“十三五”不僅要將重點(diǎn)行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物納入控制指標(biāo)，還明確將細(xì)顆粒物（PM2.5）等環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)列入約束性指標(biāo)，到2020年，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體改善，主要污染物排放總量大幅減少。

近幾年，環(huán)境污染物總排放量仍處于歷史高位，復(fù)合型污染的特征更加明顯，環(huán)境質(zhì)量狀況非常復(fù)雜。

霧霾襲城，水體黑臭，土壤污染，新的致命病毒流行……環(huán)境形勢(shì)依然嚴(yán)峻。

微生物在環(huán)境保護(hù)和環(huán)境治理中的作用：微生物容易變異，適應(yīng)性強(qiáng)，用于多種污染環(huán)境的治理；現(xiàn)代人們對(duì)污染物高效降解菌的篩選，污染物降解途徑的研究，基因工程等分子生物技術(shù)的應(yīng)用，污染物工業(yè)化處理中涉及的反應(yīng)器、機(jī)械、電力、供氣、監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)的完善，對(duì)污染物的物理、化學(xué)和生物處理技術(shù)的進(jìn)步等為環(huán)境污染控制打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。二、環(huán)境微生物學(xué)的研究對(duì)象與任務(wù)

1、環(huán)境微生物學(xué)的研究對(duì)象

環(huán)境微生物學(xué)是研究與環(huán)境領(lǐng)域（包括環(huán)境工程、給水排水工程、環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理等）有關(guān)的微生物及其生命活動(dòng)規(guī)律。其內(nèi)容包括：微生物個(gè)體形態(tài)、群體形態(tài)；細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能、生理特性、生長(zhǎng)繁殖、遺傳變異等；微生物與環(huán)境的關(guān)系（尤其是微生物與污染環(huán)境之間的關(guān)系）；微生物對(duì)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化分解作用（特別是應(yīng)用微生物來處理各種污染物質(zhì)，如廢水、廢氣和固體廢棄物）。2、環(huán)境微生物學(xué)的研究任務(wù)總的歸納起來有兩大方面的任務(wù)：（1）充分利用有益的微生物資源（2）防止或消除有害微生物

對(duì)于人類而言，大多數(shù)微生物是有益的。古代，微生物用于釀酒、制作醬、醋和發(fā)面。近代，微生物用于發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)乙醇、丙酮、各種有機(jī)酸、氨基酸、抗生素。微生物的酶制劑應(yīng)用于紡織退漿、制革脫毛、洗滌劑的助劑、醫(yī)藥、印染等。微生物應(yīng)用于石油發(fā)酵；用作農(nóng)肥；用于防止植物害蟲生物防治等。

病原微生物也會(huì)對(duì)人類的生產(chǎn)生活造成不利的影響。還有的微生物能引起作物病害和動(dòng)物疾病，某些細(xì)菌和霉菌能使食品和農(nóng)副產(chǎn)品腐敗和腐爛。有些細(xì)菌生命活動(dòng)所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物與環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)起作用會(huì)產(chǎn)生不良后果，如硫細(xì)菌和鐵細(xì)菌能引起混凝土管道和金屬管道腐蝕，藍(lán)細(xì)菌，綠藻和金藻中的某些種能引起湖泊“水華”和海洋的“赤潮”等。3、微生物在環(huán)境污染治理（水處理）中的應(yīng)用（１）在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面（水污染的監(jiān)測(cè)）利用在環(huán)境中生存的生物的種類、數(shù)量、活性等特征，來判斷環(huán)境狀況的好壞。這些生物稱為指示生物。生物監(jiān)測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)：生物監(jiān)測(cè)的主要優(yōu)越性：（

a）長(zhǎng)期性——匯集了生物在整個(gè)生活時(shí)期中環(huán)境因素改變的情況，可以反映當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境變化；（

b）綜合性——能反映環(huán)境諸因子、多成分對(duì)生物有機(jī)體綜合作用的結(jié)果；（

c）直觀性——直接把污染物與其毒性聯(lián)系起來；（

d）靈敏性——有時(shí)甚至具有比精密儀器更高的靈敏性，有助于提早發(fā)現(xiàn)環(huán)境污染。

生物監(jiān)測(cè)的主要缺點(diǎn)：（

a）定量化程度不夠；（

b）需要一定的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。（２）在環(huán)境治理方面廢水、廢物和廢氣處理：物理法、化學(xué)法、

生物處理法生物處理法的優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)、高效、達(dá)到無害化。微生物是對(duì)廢水、廢物和廢氣進(jìn)行生物處理、凈化環(huán)境的工作主體。

學(xué)習(xí)環(huán)境微生物學(xué)的意義：

了解微生物及其在環(huán)境中的作用（包括其有益和有害的作用）；更好地為生產(chǎn)服務(wù)（保護(hù)環(huán)境，造福子孫萬代）。

學(xué)好環(huán)境微生物要注意的問題：

建立微觀世界的想象空間；充分理解知識(shí)點(diǎn)、牢記基本概念；系統(tǒng)學(xué)習(xí)、融會(huì)貫通；注重理論聯(lián)系實(shí)踐，重視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

細(xì)菌

病毒

三、微生物概述

1、微生物的定義

微生物是肉眼看不見或看不清楚的微小生物的總稱。

微生物包括：（1）無細(xì)胞結(jié)構(gòu)的病毒、亞病毒（類病毒、擬病毒、朊病毒）；（2）原核細(xì)胞結(jié)構(gòu)的真細(xì)菌、古菌；（3）真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)的真菌（酵母菌、霉菌、蕈菌）、單細(xì)胞藻類、原生動(dòng)物少數(shù)肉眼可見，如：納米比亞硫磺珍珠菌（Epulopisciumfishelsoni）

2、微生物的特點(diǎn)

（1）體積小，面積大微生物由于個(gè)體非常微小，因而每一個(gè)體的表面積相對(duì)較大。這一特點(diǎn)賦予微生物一個(gè)巨大的營養(yǎng)吸收面、代謝廢物排泄面和信息交換面。

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（2）吸收多，轉(zhuǎn)化快微生物可吸收大量的營養(yǎng)物質(zhì)，迅速將其轉(zhuǎn)化。

大腸桿菌在1h內(nèi)可分解其自重1000~10000倍的乳糖；產(chǎn)朊假絲酵母合成蛋白質(zhì)的能力比大豆強(qiáng)100倍，比食用牛強(qiáng)10萬倍。（3）生長(zhǎng)旺，繁殖快

微生物具有極高的生長(zhǎng)和繁殖速度。

如大腸桿菌在合適的條件下，12.5~20min細(xì)胞可分裂一次。液體培養(yǎng)，細(xì)菌細(xì)胞的濃度一般為108~109個(gè)/mL。

（4）適應(yīng)強(qiáng)，易變異

微生物具有極其靈活的適應(yīng)性或代謝調(diào)節(jié)機(jī)制。微生物的個(gè)體一般都是單細(xì)胞、簡(jiǎn)單多細(xì)胞甚至是非細(xì)胞的，它們通常都是單倍體，加之具有繁殖快、數(shù)量多以及與外界環(huán)境直接接觸等特點(diǎn)，因此即使變異頻率很低，也可在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生出大量變異的后代。

（5）分布廣，種類多

微生物的分布可謂是無所不在，江、河、湖、海、土壤、空氣、溫泉水、人和動(dòng)物體內(nèi)外、酷熱的沙漠、寒冷的雪地、南極、北極、冰川、污水、淤泥、固體廢物里等處處都有。據(jù)估計(jì)，微生物的總數(shù)約在50萬至600萬種之間。目前所了解的微生物總數(shù)至多不超過生活在自然界為生物總數(shù)的10%。由于近年來分離培養(yǎng)方法的改進(jìn)，不斷發(fā)現(xiàn)新的微生物種類。

3、原核微生物和真核微生物具有原核細(xì)胞的生物稱為原核微生物。原核細(xì)胞：其細(xì)胞核發(fā)育不完善，僅有核質(zhì)，沒有定形的細(xì)胞核，無明顯的核膜，沒有特異的細(xì)胞器，不進(jìn)行有絲分裂。典型的原核生物有細(xì)菌、放線菌、藍(lán)細(xì)菌等。見圖細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)模式圖具有真核細(xì)胞的生物稱為真核生物。真核細(xì)胞：細(xì)胞核發(fā)育完善，有定形的細(xì)胞核（核仁、染色體等），有明顯的核膜，有特異的細(xì)胞器，進(jìn)行有絲分裂。大多數(shù)生物，包括高等生物都是真核的，如酵母菌。見圖酵母菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)模式圖

4、微生物的分類與命名（1）微生物分類根據(jù)一定的原則（表型特征相似性或系統(tǒng)發(fā)育相關(guān)性）對(duì)微生物進(jìn)行分群歸類，根據(jù)相似性或相關(guān)性水平排列成系統(tǒng)，并對(duì)每個(gè)分類群的特征進(jìn)行描述。微生物的分類單元（指具體的分類群）分為7級(jí)，自上而下依次是界、門、綱、目、科、屬、種。

種（species）是一個(gè)基本分類單元，它是一大群表型特征高度相似、親緣關(guān)系極其接近、與同屬內(nèi)的其他物種有著明顯差異的一大群菌株的總稱。微生物的種通常用該種內(nèi)一個(gè)模式菌株作為代表。

把具有某些共同特征或密切相關(guān)的種歸為屬。依次類推，屬歸為科，科歸為目……。

菌株表示任何由一個(gè)獨(dú)立分離的單細(xì)胞繁殖而成的純遺傳型群體及其一切后代。如枯草芽孢桿菌的兩個(gè)菌株

BacillussubtilisAS1.398(蛋白酶生產(chǎn)菌，AS代表中國科學(xué)院“AcademiaSinica”的縮寫)B.subtilisBF7658(α淀粉酶生產(chǎn)菌種，BF代表“北紡”，即“北京紡織工業(yè)局科學(xué)研究所的縮寫)

微生物的分類有其分類系統(tǒng)，其中最常用的也是具有權(quán)威性的是《伯杰氏手冊(cè)》，是對(duì)原核微生物（細(xì)菌等）進(jìn)行分類；另外，放線菌、真菌（包括絲狀真菌和酵母菌）等也有各自的分類系統(tǒng)?！恫苁鲜謨?cè)》簡(jiǎn)介

Bergey’sManualofDeterminativeBacteriology1923年賓夕法尼亞大學(xué)的細(xì)菌學(xué)教授DavidBergy和四個(gè)同事發(fā)表了細(xì)菌分類法，至1994年，發(fā)行了第9版。

從1974年的第8版開始，已經(jīng)成為世界通用的“官方的分類”。Bergey’sManualofSystematicBacteriology1984-1989年分4卷出版。第一卷:醫(yī)學(xué)和工業(yè)方面重要的G-細(xì)菌（1984）第二卷：放線菌以外的G+細(xì)菌（1986）第三卷：古菌、藍(lán)細(xì)菌及其他G-細(xì)菌（1989）第四卷：放線菌（1989）

第一版（給出的系統(tǒng)基本上是表型性的）；自2001年起發(fā)行，該手冊(cè)的第二版（rRNA，DNA和蛋白質(zhì)，系統(tǒng)發(fā)育）共分5卷。一般大家比較熟悉的生物分類是所謂的二界學(xué)說，即把生物分為動(dòng)物界和植物界兩個(gè)界，這種分法已有很長(zhǎng)的歷史。隨著人們認(rèn)識(shí)的不斷進(jìn)步，新的分類手段不斷被應(yīng)用，新的生物類群劃分方法也不斷被提出。1969年，魏塔克提出“五界學(xué)說”，后經(jīng)Margulis修改，為較多的人所接受：原核生物界、真核原生生物界、真菌界、動(dòng)物界、植物界。我國學(xué)者提出的六界學(xué)說，在上述五界的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)病毒界。六界學(xué)說：

非細(xì)胞形態(tài)－－－－－－－－－－－－－病毒界原核生物（細(xì)菌、放線菌、藍(lán)藻）－原核生物界具細(xì)（原生動(dòng)物、藻類）－真核原生生物界胞真核生物（酵母菌、霉菌）－－－－－真菌界形（后生動(dòng)物）－－－－－－－動(dòng)物界態(tài)（低、高等植物）－－－－－植物界

1990年，Woese等提出三域?qū)W說：

即細(xì)菌域（Bacteria）古菌域（Archaea）真核生物域（Eukarya）人類認(rèn)識(shí)和了解微生物的歷史很長(zhǎng)，從列文虎克開始，許多著名的微生物學(xué)家通過他們出色的工作，為我們解開了一個(gè)又一個(gè)有關(guān)微生物的謎團(tuán)，使我們今天能對(duì)這些微小的生物有比較全面的了解。巴斯德（微生物學(xué)奠基人）羅伯特·科赫（細(xì)菌學(xué)奠基人）斯坦利（病毒學(xué)家）首次提純并結(jié)晶了煙草花葉病毒（1935年）弗萊明（青霉素的發(fā)現(xiàn)者）格哈德·多馬克發(fā)明第一種抑菌藥物“百浪多息”（磺胺藥）

（2）微生物的命名雙名法指一個(gè)物種的學(xué)名由一個(gè)屬名和一個(gè)種名加詞兩部分組成。屬名的詞首應(yīng)大寫，種名加詞的首字母須小寫。

屬名表示該微生物的主要特征，一般為名詞或用作名詞的形容詞，單數(shù)。其詞源可來自拉丁詞、希臘詞或其他拉丁化的外來詞，也有以組合的方式拼成。

種名加詞表示一個(gè)物種的次要特征，常用形容詞，也可用人名、地名、病名或其他名詞。

屬名，種名印刷體一律斜體。

學(xué)名=屬名+種名加詞+（首次定名人）+

現(xiàn)名定名人+現(xiàn)名定名年份例如：

StaphylococcusaureusRosenbach1884Bacillussubtilis(Ehrenberg)Cohn1872