環(huán)境工程微生物基礎(chǔ)

2004年深圳研究生院《環(huán)境工程概論》

——籍國東北京大學(xué)環(huán)境工程系2004年03月24日環(huán)境工程微生物學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容1概述2微生物類群與形態(tài)結(jié)構(gòu)3微生物的生理生化4微生物生態(tài)5環(huán)境微生物檢測6微生物對污染物的降解與轉(zhuǎn)化（生物修復(fù)）7環(huán)境污染生物處理的一般技術(shù)原理1概述1.1環(huán)境微生物工程的由來1.2環(huán)境微生物工程涉及的學(xué)科體系1.3環(huán)境微生物工程的進(jìn)展

自然界有豐富的生物資源，微生物是其中重要的一種，微生物在自然界物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程中具有巨大的作用，是整個(gè)生物圈維持生態(tài)平衡不可缺少重要組成部分；環(huán)境微生物學(xué)：環(huán)境微生物學(xué)是研究人類生存環(huán)境與微生物之間的相互關(guān)系與作用規(guī)律的科學(xué)，它著重研究微生物對人類環(huán)境所產(chǎn)生的有益與有害的影響，闡明微生物、污染物與環(huán)境三者之間相互關(guān)系及作用規(guī)律。1.1環(huán)境微生物工程的由來

環(huán)境微生物工程：在研究環(huán)境微生物特性的基礎(chǔ)上，將發(fā)現(xiàn)的規(guī)律進(jìn)行歸納分析，對其中應(yīng)用的部分助以技術(shù)系統(tǒng)，加以工程化，即形成了環(huán)境微生物工程。環(huán)境微生物工程中起主體作用的是微生物或其生物制品，應(yīng)用的范圍是目標(biāo)環(huán)境，貫穿其間的是相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)，通過工程技術(shù)的實(shí)施達(dá)到消除污染造福人類的根本目的。環(huán)境微生物工程的起源：環(huán)境微生物學(xué)起源于20世紀(jì)60年代，環(huán)境微生物工程幾乎與其同期誕生。60年代前雖然已有利用微生物凈化污染的工程實(shí)例，但是相關(guān)機(jī)理和技術(shù)系統(tǒng)的研究還很少受到關(guān)注。

環(huán)境微生物工程的目標(biāo)：

環(huán)境微生物工程利用微生物工程（發(fā)酵工程）的原理、技術(shù)和設(shè)備，面對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，以生產(chǎn)有用物質(zhì)和凈化環(huán)境為目標(biāo)，包括對污染物的資源化和建立清潔生產(chǎn)工藝。環(huán)境微生物工程由基礎(chǔ)研究和工程實(shí)施兩部分組成，其學(xué)科體系涉及技術(shù)體系和學(xué)科體系兩部分。其中的技術(shù)系統(tǒng)必須與微生物的研究、開發(fā)和利用相結(jié)合，還必然具有環(huán)境工程的特征，歸納如下：（1）微生物茵株篩選、馴化、鑒定、結(jié)構(gòu)、功能、生理生化、遺傳變異，以及污染物降解轉(zhuǎn)化途徑的檢測和實(shí)驗(yàn)技術(shù)；（2）基因工程、酶工程、發(fā)酵工程和細(xì)胞工程等高新生物技術(shù)；（3）環(huán)境污染的檢測分析技術(shù)；1.2環(huán)境微生物工程的學(xué)科體系(4)污染物凈化過程的測量、自控與信息傳遞技術(shù)；(5)工業(yè)化處理工程中水力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、構(gòu)筑系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和監(jiān)測控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制圖技術(shù)；(6)生態(tài)處理中的生態(tài)技術(shù)及其他技術(shù)；(7)應(yīng)用微生物菌體及其生物制品轉(zhuǎn)化污染物為有用物質(zhì)或建立清潔生產(chǎn)工藝的有關(guān)技術(shù)；(8)用于環(huán)境微生物工程的經(jīng)濟(jì)效益分析、環(huán)境效益分析和社會效益分析的現(xiàn)代信息處理技術(shù)。根據(jù)環(huán)境微生物的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用層次分析，相關(guān)工程所涉及的學(xué)科范圍可概述如下：（1）環(huán)境微生物工程的建立和運(yùn)行均需對有關(guān)微生物進(jìn)行基礎(chǔ)研究，涉及到微生物學(xué)、細(xì)胞學(xué)、生理學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)和遺傳學(xué)等；（2）環(huán)境微生物工程中構(gòu)建新菌株要涉及到基因工程、細(xì)胞工程、酶工程和分子遺傳學(xué)等學(xué)科；（3）環(huán)境微生物工程中污染物的降解轉(zhuǎn)化及監(jiān)測評價(jià)涉及環(huán)境化學(xué)、環(huán)境生物學(xué)、環(huán)境地學(xué)、環(huán)境衛(wèi)生學(xué)、環(huán)境毒理學(xué)和環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)等；（4）環(huán)境微生物工程中對污染物測量和自動化控制涉及信息科學(xué)、電子工程技術(shù)、儀器分析和計(jì)算機(jī)科學(xué)等；（5）應(yīng)用發(fā)酵工程技術(shù)使污染物凈化和資源化或建立清潔生產(chǎn)工藝的環(huán)境微生物工程要涉及工業(yè)微生物學(xué)和化工機(jī)械學(xué)等；（6）在自然環(huán)境中建立環(huán)境微生物修復(fù)工程要涉及土壤學(xué)、水力學(xué)、氣象學(xué)和生態(tài)學(xué)等；（7）對環(huán)境微生物工程進(jìn)行預(yù)算和評價(jià)要涉及經(jīng)濟(jì)學(xué)、法律學(xué)、環(huán)境規(guī)劃管理和系統(tǒng)工程等。

環(huán)境微生物工程清除污染及實(shí)現(xiàn)廢物資源化或建立清潔生產(chǎn)工藝已取得了顯著的成就，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）土著微生物的開發(fā)利用：自然界存在著大量的微生物資源，從中篩選并經(jīng)馴化可以獲得去污高效菌株或微生物類群，直接用于環(huán)境微生物工程。例如，常規(guī)廢水生物處理工程設(shè)施中的微生物類群，往往是直接從自然環(huán)境中獲取的微生物，經(jīng)過馴化之后，形成理想的群落結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢種群。1.3環(huán)境微生物工程的進(jìn)展垃圾滲濾液、印染廢水、農(nóng)藥生產(chǎn)廢水和尾礦廢水等特種廢水的處理菌株，塑料降解、石油污染清除和垃圾堆肥高效微生物菌群均可以從自然界直接篩選馴化獲得。這類污染物的降解一般需要多種菌株的參與，單一菌株難以完成有機(jī)污染物特別是人工合成污染物降解的復(fù)雜過程。污染環(huán)境中的微生物往往是環(huán)境微生物工程獲取菌株的重要場所，從農(nóng)藥污染的水體或土壤中篩選馴化菌種用以處理農(nóng)藥生產(chǎn)廢水，從石油污染的水體或土壤中篩選馴化菌種用以清除石油污染等都是較為快速獲取菌種的途徑。（2）構(gòu)建遺傳工程菌用于環(huán)境微生物工程：從自然界篩選馴化獲得的土著菌有時(shí)不能滿足治理工程的需要。土著菌細(xì)胞內(nèi)可能含有降解特定污染物的生物酶基因編碼，但是它的繁殖速度和處理污染物的效率及適應(yīng)能力可能達(dá)不到人類的要求。如果將其有關(guān)的基因轉(zhuǎn)入繁殖速度快適應(yīng)能力強(qiáng)的受體菌細(xì)胞內(nèi)，則可能構(gòu)建出兼具多種優(yōu)勢的新型工程菌?；蚬こ叹糜诃h(huán)境微生物工程的成功事例有清除石油污染的基因工程菌、降解化學(xué)農(nóng)藥的基因工程菌、降解塑料的基因工程茵和降解木質(zhì)素的基因工程菌等等。（3）微生物制劑和污染現(xiàn)場修復(fù)工程：將發(fā)酵裝置安故在野外處理現(xiàn)場，源源不斷地提供菌體，用于治理目標(biāo)水和土壤環(huán)境，使環(huán)境微生物目標(biāo)菌株在凈化環(huán)境中始終占據(jù)優(yōu)勢，這是室內(nèi)與室外環(huán)境微生物工程相結(jié)合的一種方式。但是，大量的野外環(huán)境微生物工程并無發(fā)酵耀相隨。環(huán)境微生物以菌體的固體或液體的形式，或以微生物的其他生物制品的形式投放于目標(biāo)環(huán)境之中，達(dá)到清除污染的目的。生物修復(fù)(Bioremediation)是近幾年興起的生物治理技術(shù)，它最初的主要目標(biāo)是利用微生物清除土壤和水體（包括地下水）中的污染。由于高新生物技術(shù)系統(tǒng)的利用和對其他傳統(tǒng)技術(shù)的改革與創(chuàng)新，使得生物修復(fù)發(fā)展成一項(xiàng)頗具生命力的產(chǎn)業(yè)。環(huán)境微生物在生物修復(fù)工程中占據(jù)中心位置。因?yàn)樯镄迯?fù)面對的是自然環(huán)境，所以其他因素，包括植物、動物和理化等因素對生物修復(fù)的影響也不可忽視。（4）污染物資源化及建立清潔生產(chǎn)工藝的環(huán)境微生物工程:污染物資源化成熟的例證有應(yīng)用酵母和光合細(xì)菌凈化高濃度有機(jī)無毒廢水生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白等，在高效凈化廢水的同時(shí)生產(chǎn)飼料和餌料。利用皮纖維素生產(chǎn)燃料乙醇、利用有機(jī)廢物生產(chǎn)甲烷、利用木材廢棄物所含半纖維素生產(chǎn)木糖及木糖醇，已成為廢物能源化的有效途徑。在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家，廢物能源化已建立產(chǎn)業(yè)并納入國家生物能源資源開發(fā)的長遠(yuǎn)戰(zhàn)賂目標(biāo)之中。生物制漿造紙工藝是環(huán)境微生物工程在清潔生產(chǎn)工藝中一個(gè)最新的例證。生物制漿是利用環(huán)境微生物菌體或其酶制劑降解原料中的木質(zhì)素，釋放出其中的纖維素和半纖維素用于造紙制漿。由此改變了化學(xué)制漿、機(jī)械制漿和化學(xué)機(jī)械制漿廢水中大量木質(zhì)素污染狀況。從自然界篩選出的菌株中含有降解木質(zhì)素酶類的基因編碼，將這類基因轉(zhuǎn)入高效表達(dá)的受體菌細(xì)胞內(nèi)的基因工程已獲得成功。生物制漿的清潔工藝在美國已獲得突破。它既能回避傳統(tǒng)工藝所造成的嚴(yán)重污染現(xiàn)象，又能提高紙張的質(zhì)量，還可以降低生產(chǎn)成本。（5）基礎(chǔ)研究：環(huán)境微生物工程是環(huán)境微生學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究、生物技術(shù)和其他工程技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)物。環(huán)境微生物工程開發(fā)是以基礎(chǔ)研究為先導(dǎo)的。研究微生物降解轉(zhuǎn)化污染物的機(jī)理已深入到基因DNA的分子水平，從基因DNA組成結(jié)構(gòu)的變化追朔到相關(guān)的生理生化學(xué)的變化及其代謝功能的變化已成為環(huán)境生物基礎(chǔ)研究的熱點(diǎn)。從環(huán)境微生物中分離鑒定出降解特定污染物的基因，并應(yīng)用該基因構(gòu)建高效降解污染物的基因工程茵已成為環(huán)境微生物工程中高新技術(shù)的前沿課題目標(biāo)之一。利用環(huán)境微生物分子遺傳學(xué)指標(biāo)和生理生化指標(biāo)作為生物標(biāo)記物(Biomarker)去指示環(huán)境污染狀況，已成為環(huán)境污染生物監(jiān)測的重要技術(shù)手段。研究微生物降解污染物反應(yīng)動力學(xué)及其數(shù)學(xué)模型和相關(guān)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)清除污染物與相關(guān)因素之間的定量關(guān)系已成為環(huán)境微生物工程的設(shè)計(jì)依據(jù)。相關(guān)的計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)，試劑盒的應(yīng)用，遙感技術(shù)的配合和多種傳感器及生物反應(yīng)器的問世等各種基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究的成果，均有力地推動了環(huán)境微生物工程不斷達(dá)到更高更新的層次。2微生物類群與形態(tài)結(jié)構(gòu)2.1微生物的分類2.2原核微生物2.3真核微生物2.4非細(xì)胞型微生物mm)、結(jié)構(gòu)簡單的低等生物的統(tǒng)稱。我們觀察微生物，需借助顯微鏡使之放大幾百倍、幾千倍，甚至幾萬倍才能視見其形體。微生物大多是單細(xì)胞的，有些是簡單的多細(xì)胞型，有的甚至沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)。按微生物的個(gè)體結(jié)構(gòu)，可歸為原核細(xì)胞型、真核細(xì)胞型和非細(xì)胞型三大類。為認(rèn)識種類繁多的微生物，了解它們之間的親緣關(guān)系，并為微生物資源的開發(fā)、利用控制和改進(jìn)提供理論依據(jù)，需要掌握有關(guān)微生物分類的知識。2.1微生物的分類2.1.1微生物的分類單位與命名生物最基本的分類單位是種(species)、其上是屬(genus)、科(family)、目(order)、綱(classe)和門(phyllum)等。門、綱、目、科、屬名的字首字母要大寫，除屬名外不印成斜體字。屬、種名印刷用斜體字或底下劃線。如釀酒酵母在分類系統(tǒng)中的歸屬情況為：門：真菌門Eumycophyta

綱：子裹菌綱Ascomycetes

亞綱：原子囊菌亞綱Prtoascomycetes

目：內(nèi)孢霉目Endomycetales

科：內(nèi)孢霉科Endomycetaceae

亞科：酵母亞科Sacchromycetoideae

屬：酵母屬Sacchromyces

種：釀酒酵母S．cerevisiaeHansen微生物的命名，與其他生物一樣，采用國際上通用的雙名法，學(xué)名通常由一個(gè)屬名加一個(gè)種的加詞構(gòu)成。出現(xiàn)在分類學(xué)文獻(xiàn)中的學(xué)名，往往還加上首次定名人(外加括導(dǎo))、現(xiàn)名定名人和現(xiàn)名定名年份，但在一般使用時(shí)，這幾個(gè)部分總是省賂的。即：例如，由Ehrenberg于1838年定名為Vibriosubtilis(枯草弧菌)的細(xì)菌，到1872年，Coln發(fā)現(xiàn)弧狀不是該菌的特征，它的特征是桿狀具芽孢，故特它轉(zhuǎn)到芽抱桿菌屬，稱為枯草芽孢桿菌(簡稱枯草桿菌)，其學(xué)名為Bacillussubtilis（Ehrenberg）Cohn1872。有時(shí)．從自然界分離到的某一微生物純種，與典型種的特征不完全符合，而不相符的這一特性又是穩(wěn)定的，則將這種微生物稱為典型種的變種(variety，簡稱var.)。在實(shí)驗(yàn)室里獲得的變異型則稱為亞種(subspecies，簡稱subsp.)。

變種或亞種的學(xué)名按“三名法”構(gòu)成，即：例如，有一種芽孢桿菌，能產(chǎn)生黑色素，其余特征與典型的枯草桿菌完全符合，該菌學(xué)名為BacllussubstilisVar.

niger

(枯草芽孢桿菌黑色變種)。同種不同來源的微生物純培養(yǎng)，稱為菌株(strain)。菌株的名稱都放在學(xué)名(即屬名和種的加詞)的后面，可用字母、符號、編號等自行決定。例如B.subtilisAS1.398和B.subtilis是枯草桿菌的兩個(gè)菌株，前者可生產(chǎn)蛋白酶，后者可生產(chǎn)α—淀粉酶。2.1.2微生物的分類依據(jù)

（1）形態(tài)特征

①個(gè)體形態(tài)：鏡檢細(xì)胞形狀、大小、排列，革蘭氏染色反應(yīng)，運(yùn)動性，鞭毛位置、數(shù)目，芽孢有無、形狀和部位，莢膜，細(xì)胞內(nèi)含物；放線茵和真菌的苗絲結(jié)構(gòu)、孢子囊或孢子穗的形狀和結(jié)構(gòu)，孢子的形狀、大小、顏色及表面特征等。②培養(yǎng)特征：

a.在固體培養(yǎng)基平板上的菌落(colony)和斜面上的菌苔(1awn)性狀(形狀、光澤、透明度、顏色、質(zhì)地等)；

b.半固體培養(yǎng)基中穿刺接種培養(yǎng)的生長情況；

c.在液體培養(yǎng)基中混濁程度，液面有無菌膜、菌環(huán)，管底有無絮狀沉淀，培養(yǎng)液顏色等。③生理生化特征

a.能量代謝——利用光能還是化學(xué)能；

b.對O2的要求——專性好氧、微需氧、兼性厭氧及專性厭氧等；

c.營養(yǎng)和代謝特性所需碳源、氮源的種類，有無特殊營養(yǎng)需要，存在的酶種類等。

④血清學(xué)反應(yīng)用已知菌種、型或菌株制成抗血清，然后根據(jù)它們與待鑒定微生物是否發(fā)生特異性的血清學(xué)反應(yīng)，來確定未知菌種、型或菌株。⑤噬菌反應(yīng)噬茵體的寄生有專一性，在有敏感菌的平板上產(chǎn)生噬茵斑，噬茵斑的形狀和大小可作為鑒定的依據(jù)；在液體培養(yǎng)基中，噬菌體的侵染使培養(yǎng)液由混濁變?yōu)槌吻濉?/p>

⑥細(xì)胞壁成分革蘭氏陽性細(xì)菌細(xì)胞壁含肪聚糖多，脂類少。革蘭陰性細(xì)菌與之相反。鏈霉菌屬的細(xì)胞壁含丙氨酸、谷氨酸、甘氨酸和2，6—二氨基庚二酸，而含有阿拉伯糖是諾卡氏菌屬的特征。霉菌細(xì)胞壁則主要含幾丁質(zhì)。⑦紅外吸收光譜利用紅外吸收光譜技術(shù)測定微生物細(xì)胞的化學(xué)成分，了解微生物的化學(xué)性質(zhì)，作為分類依據(jù)之一。⑧GC含量

生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是核酸，核酸組成上的異同反映生物之間的親緣關(guān)系。就一種生物的DNA來說，它的堿基排列順序是固定的。測定四種堿基中烏膘呤(G)和胞密啶(C)所占的摩爾百分比，就可了解各種微生物DNA分子同源性程度。⑨DNA雜合率要判斷微生物之間的親緣關(guān)系，須比較它們的DNA的堿基順序，最常用的方法是DNA雜合法。其基本原理是DNA解鏈的可逆性和堿基配對的專一性。⑩核糖體核糖核酸(rRNA)相關(guān)度及其它

在DNA相關(guān)度低的菌株之間，rRNA同源性能顯示它們的親緣關(guān)系。rRNA—DNA分子雜交試驗(yàn)可測定rRNA的相關(guān)度，揭示rRNA的同源性。

RNA的堿基順序是由DNA轉(zhuǎn)錄來的，故完全具有相對應(yīng)的關(guān)系。提取并分離細(xì)菌內(nèi)32P標(biāo)記的16SrRNA、以核糖核酸酶消化，可獲得各種寡核苷酸，測定這些寡糖苷酸上的堿基順序，可作為細(xì)菌分類學(xué)的一種標(biāo)記。分離被測細(xì)菌的30S和50S核糖體蛋白亞單位，比較其中所含核糖體蛋白的種類及其含量，可將被鑒定的菌株分為若干類群，并繪制系統(tǒng)發(fā)生圖。此外，脂類分析、核磁共振(NMR)譜、細(xì)胞色素類型以及輔酶Q的種類(所含異戊間二烯側(cè)鏈的長度)等也被用于微生物分類。2.1.3微生物的分類系統(tǒng)這里僅簡述原核微生物和真核微生物的分綱體系。（1）原核生物界(Procaryotae)①光能營養(yǎng)原核生物門

a.藍(lán)綠光合細(xì)菌綱(藍(lán)細(xì)菌類)

b.紅色光合細(xì)菌綱

c.綠色光合細(xì)菌綱②化能營養(yǎng)原核生物門

a.細(xì)菌綱

b.立克次氏體綱

c.柔膜體綱

d.古細(xì)菌綱（2）真核微生物(EucaryoticMicrobes)

真核微生物主要包括各類真菌、粘菌、藻類、原生動物和后生動物等。真菌劃分的基本原則是以形態(tài)特征為主，生理生化、細(xì)胞化學(xué)和生態(tài)等特征為輔。絲狀真菌主要根據(jù)其孢子產(chǎn)生的方法和孢子本身的特征，以及培養(yǎng)特征來劃分各級的分類單位。真菌可分以下四綱：

a.藻狀菌綱:菌絲體無分隔，合多個(gè)核;

b.子囊菌綱:有性階段形成子裹孢子;

c.擔(dān)子菌綱:菌絲體有分隔，有性階段形成擔(dān)孢子;

d.半知菌綱:包括一切只發(fā)現(xiàn)無性世代而未發(fā)現(xiàn)有性階段的真菌。粘菌也可分以下四綱：

a.網(wǎng)粘菌綱:自細(xì)胞兩端各自伸出長的粘絲并接連形成粘質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)——假原質(zhì)團(tuán);

b.集胞粘菌綱:分泌集胞粘菌素，形成假原質(zhì)團(tuán);

c.粘菌綱:形成原質(zhì)團(tuán)，腐生性自由生活;

d.根腫病茵綱:形成原質(zhì)團(tuán)，專性寄生。亦有將之歸于真菌類。2.2原核微生物2.2.1細(xì)菌和放線菌2.2.2其它原核微生物2.2.1細(xì)菌和放線菌細(xì)菌(bacteria)和放線菌(actinomycetes)都是單細(xì)胞原核生物。細(xì)菌細(xì)胞微小而透明，用顯微鏡也很難看清楚。通常用適當(dāng)染料染色，增加標(biāo)本與背景間折光率的差異，以便觀察。不能染色的活體細(xì)胞，則可用相差顯微鏡進(jìn)行觀察。放線茵是一類呈菌絲狀生長的原核生物，它們在細(xì)胞結(jié)構(gòu)等許多方面與細(xì)菌類似?？梢哉f，放線菌是一類具有絲狀分枝細(xì)胞的細(xì)菌。在污染物的生化處理中，細(xì)菌的作用非常重要。例如，假單胞菌屬具有代謝多種化合物的能力，有些菌株可利用100多種化合物，故而對污染物有相當(dāng)高的降解活性；棒桿菌屬是裂解雜環(huán)化合物和碳?xì)浠衔镦湹闹饕N；節(jié)桿菌屬可氧化烴類化合物、淄體化合物等。產(chǎn)堿桿菌屬參與淡水、海水和陸地環(huán)境中物質(zhì)的分解和礦化。放線菌如諾卡氏菌屬等可攻擊許多種復(fù)雜的難降解有機(jī)化合物，包括芳香族化合物、石蠟以至木質(zhì)素。它們分解有機(jī)物，生成各種代謝產(chǎn)物，再在其他微生物作用下使之礦質(zhì)化。（1）細(xì)菌細(xì)胞的形態(tài)與排列①球菌(圖2－1A)單球菌雙球菌、鏈球菌鏈球菌八疊球菌葡萄球菌②桿菌（圖2－1B）

細(xì)胞呈桿狀或圓柱狀，其形態(tài)較球菌復(fù)雜。菌體直或稍彎，稍短或細(xì)長。末端鈍圓、尖、膨大或平截狀。桿菌細(xì)胞常沿一個(gè)平面分裂，菌體單個(gè)分散存在，或以短鏈狀、長鏈狀、柵欄狀、八字形、絲狀等方式排列。③螺旋菌（圖2－1C）

細(xì)胞呈螺旋形，若菌體只有一個(gè)彎曲，其程度不足一團(tuán)，則稱為弧菌。

（2）細(xì)菌的大小μm,桿菌寬0.5-1μm，長1-8μm，螺旋菌寬0.5-5μm，其長度(菌體兩端間的距離)為5-50μm。菌體大小與茵齡和培養(yǎng)條件等有關(guān)。幼齡菌較長，老齡茵較短，但菌體寬度相對恒定。培養(yǎng)基滲透壓增大，則細(xì)胞變小。（2）細(xì)菌細(xì)胞的結(jié)構(gòu)

鞭毛細(xì)胞壁細(xì)胞質(zhì)膜細(xì)胞核物質(zhì)貯藏物顆粒細(xì)胞質(zhì)液胞莢膜菌毛某些細(xì)菌生長到一定時(shí)期、細(xì)胞質(zhì)濃縮凝集，逐步形成一個(gè)圓形、橢圓形或圓柱形的抗逆性休眠體，稱為芽袍或內(nèi)生芽孢.圖2－6各種芽孢的形狀和位置（3）細(xì)菌的繁殖裂殖是細(xì)菌最普遍、最主要的繁殖方式。球菌的分裂方式與其細(xì)胞之排列密切相關(guān)。桿菌和螺旋菌在分裂前先延長菌體，然后垂直于長軸分裂。分裂后兩個(gè)子細(xì)胞大小基本相等，稱為同型分裂。若分裂后兩個(gè)子細(xì)胞大小不等，則稱為異型分裂，此種情況偶而出現(xiàn)于陳舊培養(yǎng)基中。少數(shù)細(xì)菌進(jìn)行出芽繁殖。還有少數(shù)細(xì)菌能進(jìn)行有性結(jié)合，通過性菌毛傳遞遺傳物質(zhì)，但頻率很低。（4）細(xì)菌的培養(yǎng)特征①在固體培養(yǎng)基上②在半固體培養(yǎng)基上穿刺接種于試管半固體培養(yǎng)基中的細(xì)菌培養(yǎng)特征見圖2－9。③液體培養(yǎng)基上穿刺接種于試管半固體培養(yǎng)基中的細(xì)菌培養(yǎng)特征見圖2－10。（5）放線菌的形態(tài)和結(jié)構(gòu)與普通桿菌差不多。在營養(yǎng)生長階段，菌絲內(nèi)無隔，為單細(xì)胞。細(xì)胞內(nèi)有為數(shù)眾多的核質(zhì)體。放線菌的菌絲按形態(tài)和功能分為基內(nèi)菌絲、氣生菌和袍子絲三類?；鶅?nèi)菌絲又稱一級菌絲，生長于培養(yǎng)基內(nèi)，生理功能為吸收和排泄代謝廢物?；鶅?nèi)菌絲無色或產(chǎn)生各種小同的色素，色素水溶性或脂溶性，水溶性色素使培養(yǎng)基和菌絲一樣呈色。氣生菌絲或稱二級菌絲，由基內(nèi)菌絲向空間伸長而成，比基內(nèi)菌絲粗，直形或彎曲狀分枝，有的產(chǎn)生色素。孢子絲也稱繁殖菌絲，由成熟的氣生菌絲分化而成，各種孢子絲形態(tài)見圖2－11。孢子絲通過橫割分裂，產(chǎn)生單個(gè)、雙個(gè)或成串的分生孢子。孢子球形、橢圓形、桿狀、瓜子狀等，表面光滑或帶刺和毛，呈各種不同顏色，因種而異。

（6）放線菌的繁殖放線菌主要由孢子絲通過橫割分裂方式形成分生抱子進(jìn)行繁殖。放線菌也可借菌絲斷裂的片段形成新的菌體，此種繁殖方式常見于液體培養(yǎng)基中。

（7）放線菌的培養(yǎng)特征放線菌在固體培養(yǎng)基上的菌落一般圓形，光平或有許多褶皺。因其緊密、堅(jiān)實(shí)，用針不易挑取。長孢子后，菌落表面呈粉末狀。放線菌菌落的底(基內(nèi)菌絲)和面(氣生菌絲、孢子絲)常呈不同顏色。在液體培養(yǎng)基內(nèi)靜置培養(yǎng)放線茵，會在容器內(nèi)壁液面處形成斑狀或膜狀培養(yǎng)物，或沉陷于底部而不使培養(yǎng)基混濁。（8）放線菌的代表屬①鏈霉菌屬(Streptomyces)

此屬放線菌種類繁多，各種鏈霉菌有不同形態(tài)的孢子絲，是分類鑒定的重要指標(biāo)。由放線菌產(chǎn)生的抗生素，其中90％是由鏈霉菌屬產(chǎn)生的。如常用的鏈霉震、土露素，抗結(jié)核的卡那霉柬，抗真菌的制霉菌素等，都是鏈霉菌的次生代謝產(chǎn)物。有的鏈霉菌能產(chǎn)生一種以上的抗生素。灰色鏈霉菌是生產(chǎn)維生素DI2的菌種。鏈霉茵屬具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和醫(yī)學(xué)意義。②諾卡氏菌屬(Nocardia)

又稱原放線菌屬(Proactinomyces)，在培養(yǎng)基上形成典型的菌絲體。其特點(diǎn)是在培養(yǎng)15h-4d內(nèi)，菌絲產(chǎn)生橫隔膜，分枝的茵絲突然全部斷裂成桿狀、球狀或帶杈的桿狀體。此屬的不少種能產(chǎn)抗生素，能同化各種碳水化合物，有的能利用碳?xì)浠衔铩⒗w維素等，可用于石油脫蠟、烴類發(fā)酵以及污水處理。因此，諾卡氏苗對醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護(hù)都有重要意義。③放線菌屬(Actinomyces)

此屬只有基內(nèi)菌絲，其上有橫隔．可斷裂成“V”形或“Y”形體。無氣生茵絲，也不形成孢子。放線菌屆多為致病菌，如牛型放線菌引起牛領(lǐng)腫病，衣氏放線菌引起人的后顎骨腫瘤和肺部感染。2.2.2其它原核生物（1）藍(lán)細(xì)菌(Cyanobacteria)

細(xì)菌是一類含有葉綠親a，具有放氧性光合作用的原核生物，過去一直被稱為藍(lán)藻或藍(lán)綠藻。μm。許多藍(lán)細(xì)菌能向細(xì)胞外分泌類似細(xì)菌莢膜樣的膠粘物質(zhì)，形成外膜或鞘，使細(xì)胞群或絲狀體結(jié)合在一起。藍(lán)細(xì)菌的細(xì)胞壁與革蘭氏陰性細(xì)菌的相似，外層為脂多糖層，內(nèi)層為肽聚糖層。藍(lán)細(xì)菌的光合色素有葉綠素a、藻膽素和類胡蘿卜素，藻膽素包括藻蘭素和藻紅素。藻蘭素與葉綠家a一起，使藍(lán)細(xì)菌呈綠色。產(chǎn)藻紅素的藍(lán)細(xì)菌則呈紅色或橙色。許多藍(lán)細(xì)菌的細(xì)胞質(zhì)中有氣泡，使細(xì)胞浮在上層水內(nèi)并保證細(xì)胞的浮力，調(diào)節(jié)細(xì)胞距離水面的深淺，以利于吸收適當(dāng)?shù)墓饩€進(jìn)行光合作用。藍(lán)細(xì)菌在固體表面滑行運(yùn)動。未發(fā)現(xiàn)藍(lán)細(xì)菌有鞭毛.藍(lán)細(xì)菌以分裂方式進(jìn)行繁殖，少數(shù)藍(lán)細(xì)菌可形成孢子。袍子壁厚，能抵抗不良環(huán)境。（2）立克次氏體(Rickettsia)

立克次氏體是一類介于細(xì)菌與病毒之間，較接近于細(xì)菌的、專性活細(xì)胞內(nèi)寄生的原核微生物，現(xiàn)歸屬于細(xì)菌。是斑疹傷寒的病原體.（2）立克次氏體(Rickettsia)

立克次氏體是一類介于細(xì)菌與病毒之間，較接近于細(xì)菌的、專性活細(xì)胞內(nèi)寄生的原核微生物，現(xiàn)歸屬于細(xì)菌。是斑疹傷寒的病原體.（3）支原體(Mycoplasma)

支原體是介于細(xì)菌與立克次氏體之間的原核生物，又有些性狀介于立克次氏體與病毒之間。在伯杰氏分類系統(tǒng)中,它們被歸于柔膜菌綱。支原體是目前已知的可獨(dú)立生長和生活的最簡單的生命形式，也是最小的細(xì)胞型生物直徑一般為0.2-0.25μm，能通過細(xì)菌濾器。（4）衣原體(Chlamydia)

是介于立克次氏體與病毒之間的一類原核微生物，可通過細(xì)茵濾器，細(xì)胞結(jié)構(gòu)與細(xì)菌相似。有獨(dú)立的物質(zhì)代謝能力，但缺乏能量代謝系統(tǒng)，必需依賴宿主獲得ATP，故謂“能量寄生物”。（5）螺旋體螺旋體是介于細(xì)菌與原生動物(原蟲)之間的單細(xì)胞原核生物。菌體細(xì)長、柔軟、彎曲如螺旋狀。有細(xì)菌的基本結(jié)構(gòu)細(xì)胞壁、細(xì)腦膜、細(xì)胞質(zhì)及核區(qū)。（6）粘細(xì)菌（Myxobacteria)

粘細(xì)菌又稱子實(shí)粘細(xì)菌，其生活史包括營養(yǎng)細(xì)胞階段和休眠體(子實(shí)體)階段。營養(yǎng)細(xì)胞桿狀，包埋在粘液層中．菌體柔軟，除缺乏堅(jiān)硬的細(xì)胞壁外，與G－細(xì)菌無甚差別。在固體表面或氣—液界面滑動。以二橫裂方式繁殖。粘細(xì)菌嚴(yán)格好氧。有機(jī)化能營養(yǎng)，能產(chǎn)生典型的可水解大分子入蛋白質(zhì)、核酸、脂肪酸、酯類及各種多糖的酶．許多酶能溶解其他一些原核和真核微生物，有些種能水解纖維素。粘細(xì)菌可分成兩個(gè)生理類群：①溶菌群——需培養(yǎng)在含有活的或死的細(xì)菌、真菌的瓊脂培養(yǎng)基上；

②溶纖維群——營養(yǎng)需要簡單，可生長在含一種碳水化合物(纖維素或單糖)的無機(jī)培養(yǎng)基上。大多數(shù)已知的粘細(xì)菌存在于土壤、腐敗的植物性物質(zhì)、活樹的皮及動物糞便上。有些粘細(xì)菌具有分解纖維系、瓊脂、幾丁質(zhì)等復(fù)雜基質(zhì)的能力，因而受到環(huán)境微生物工作者的重視。2.3真核微生物2.3.1酵母菌2.3.2霉菌2.3.3粘菌2.3.1酵母菌酵母菌(yeast)是一類單細(xì)胞的真核微生物的通俗名稱，在分類上屆于子囊菌綱、擔(dān)子菌綱或半知菌綱。它們主要分布在含糖較高的偏酸性環(huán)境中，油田和煉油廠附近的土層中則往往生長著能利用烴類的酵母菌。在釀造、食品、醫(yī)藥和石油工業(yè)等方面，酵母菌都占有重要地位。（1）酵母菌的形態(tài)結(jié)構(gòu)酵母茵的細(xì)胞形態(tài)與細(xì)菌類似，但比細(xì)菌細(xì)胞大得多，為1μm—5×5μm—30μm。一般呈卵圓形、圓柱形或球狀。有的酵母茵細(xì)胞與其子細(xì)胞連接成一串．相連面積極狹小、細(xì)胞串呈藕節(jié)狀的謂假菌絲；相連細(xì)胞問的橫隔面積與細(xì)胞橫截面一致的竹節(jié)狀細(xì)胞串則稱真菌絲。酵母茵的結(jié)構(gòu)具有真核生物的特征，有真核．還有其他具膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器，如線粒體，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜等。老熟細(xì)胞中常含有較大的液泡。（2）酵母菌的繁殖方式無性繁殖有性繁殖（3）酵母菌的代表菌屬

①酵母屬(Saccharomyces)

以出芽方式進(jìn)行天性繁殖，子細(xì)胞與母細(xì)胞分離。能形成子囊孢子。為發(fā)酵工業(yè)的重要菌種。

②假絲酵母屬（Candida）

以出芽方式進(jìn)行無性繁殖，形成假菌絲。不產(chǎn)生子囊孢子。此屬有的種能利用碳?xì)浠衔锷a(chǎn)蛋白質(zhì)；有的可利用烴類，用于石油脫蠟及生產(chǎn)檸檬酸、脂肪酸等；有的種能致病。2.3.2霉菌霉菌(mold，mou1d)是絲狀真菌的通俗名稱，霉菌分布極廣，土壤、水域、空氣、動植物體內(nèi)外……，到處都有它們的蹤跡，對人類起著有益或有害的作用。在自然界，霉菌作為分解者，使淀粉、纖維素等復(fù)雜的大分子化合物變成葡萄糖等一般微生物都能利用的物質(zhì)，從而保證了生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)得以不斷循環(huán)。霉菌對降解和轉(zhuǎn)化復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碳?xì)浠衔锖烷L鏈碳?xì)浠衔镉休^大的潛力，不過，霉菌代謝這些碳?xì)浠衔锿ǔＪ遣粡氐椎?，需由?xì)菌接著作用，代謝物才完全礦化。（1）霉菌的形態(tài)結(jié)構(gòu)霉菌菌體均由分枝或不分枝的菌絲構(gòu)成，許多菌絲交織在一起，稱為菌絲體。菌絲直徑2-10ym，比一般桿菌和放線菌菌絲寬幾倍到幾十倍。霉菌菌絲細(xì)胞均由細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核、線粒體、核糖體及內(nèi)含物組成。幼齡時(shí)，細(xì)胞質(zhì)充滿整個(gè)細(xì)胞；老齡細(xì)胞出現(xiàn)大的液泡。（2）霉菌的繁殖無性孢子有性孢子菌絲斷裂

（3）霉菌的培養(yǎng)特征霉菌的培養(yǎng)特征與放線菌的相似，但明顯大而疏松，呈絨毛狀、絮狀或蛛網(wǎng)狀。在固體培養(yǎng)基上，霉菌菌落表面呈現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)和色澤特征。在液體培養(yǎng)基中，霉菌往往長在液面，培養(yǎng)基并不呈現(xiàn)混濁。（3）霉菌的代表菌屬①毛霉屬(Mucor)

菌絲無隔。由菌絲體生出孢囊柄，一般單生，分枝較少或不分枝。孢子囊球形。對淄族化合物有轉(zhuǎn)化作用。②根霉屬(Rhizopus)

與毛霉屬類似，由絲也無隔，但有匍匐枝，匍匐枝末端存假根，假根處的匍匐枝上著生成群的孢囊梗，孢子囊球形或近球形。根霉的淀粉酶活力很強(qiáng)，是淀粉質(zhì)原料釀酒的重要菌種。根霉還可用于生產(chǎn)有機(jī)酸、轉(zhuǎn)化淄族化合物等。（3）霉菌的代表菌屬①毛霉屬(Mucor)

菌絲無隔。由菌絲體生出孢囊柄，一般單生，分枝較少或不分枝。孢子囊球形。對淄族化合物有轉(zhuǎn)化作用。②根霉屬(Rhizopus)

與毛霉屬類似，由絲也無隔，但有匍匐枝，匍匐枝末端存假根，假根處的匍匐枝上著生成群的孢囊梗，孢子囊球形或近球形。根霉的淀粉酶活力很強(qiáng)，是淀粉質(zhì)原料釀酒的重要菌種。根霉還可用于生產(chǎn)有機(jī)酸、轉(zhuǎn)化淄族化合物等。③曲霉屬④青霉屬⑤木霉屬⑥鐮孢霉屬

2.3.3粘菌粘菌(slimemold)是一類有趣的真核微生物，它們既像真菌，又似原生動物，有的學(xué)者曾稱之為枯菌蟲(mycetozoa)。在分類上，粘菌隸用于真菌界。它們的經(jīng)濟(jì)價(jià)值尚待研究開發(fā)。粘菌的營養(yǎng)階段為自由生、無細(xì)胞壁、多核的變形蟲狀原生質(zhì)所組成的原質(zhì)團(tuán)。處于營養(yǎng)階段的原質(zhì)團(tuán)，具負(fù)趨光性，在黑暗潮濕的環(huán)境中，以細(xì)菌、酵母菌和其他有機(jī)顆粒為食.2.4非細(xì)胞性微生物病毒病毒是一類超顯微的非細(xì)胞型生物，每一種病毒只含有一種核酸；它們只能在活細(xì)胞內(nèi)營專性寄生，靠其宿主代謝系統(tǒng)的協(xié)助來復(fù)制核酸、合成蛋白質(zhì)等組分，然后再進(jìn)行裝配而得以增殖；在離體條件下，它們模以無生命的化學(xué)大分子狀態(tài)長期存在并保持其侵染活性。亞病毒類病毒家病毒一樣，嚴(yán)格專性寄生，只在宿主細(xì)胞內(nèi)才表現(xiàn)出生命特征——核酸分子的自我復(fù)制，使宿主致病，死亡。但類病毒比病毒更小，更簡單。3微生物的生理生化3.1微生物的營養(yǎng)與生長3.2微生物的代謝3.3微生物的遺傳和變異

3.1微生物的營養(yǎng)與生長3.1.1微生物營養(yǎng)類型和培養(yǎng)基3.1.2微生物生長率3.1.3微生物分離3.1.4環(huán)境因素對微生物生長的影響3.1.1微生物營養(yǎng)類型和培養(yǎng)基（1）微生物營養(yǎng)類型按能源分:有光能營養(yǎng)型和化能營養(yǎng)型兩大類；按主要碳源分，有自養(yǎng)型和異養(yǎng)型兩大類。綜合能源相碳源兩大因素，可將微生物分為光能自養(yǎng)型、光能異養(yǎng)型、化能自養(yǎng)型和化能異養(yǎng)型四個(gè)基本營養(yǎng)類型。（2）微生物培養(yǎng)基固體培養(yǎng)基、液體培養(yǎng)基和半固體培養(yǎng)基天然培養(yǎng)基、合成培養(yǎng)基和半合成培養(yǎng)基基礎(chǔ)培養(yǎng)基、增殖培養(yǎng)基、鑒別培養(yǎng)基和選擇培養(yǎng)基3.1.2微生物的生長規(guī)律3.1.3微生物的分離（1）微生物的培養(yǎng)方式分批培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng)、半連續(xù)培養(yǎng)、補(bǔ)料分批培養(yǎng)、同步培養(yǎng)（1）微生物的純培養(yǎng)分離稀釋法、平板畫劃線法、單細(xì)胞挑菌法、利用選擇培養(yǎng)基分離及其它分離方法3.1.4環(huán)境因素對微生物生長的影響（1）溫度

（2）酸堿度各種微生物有其最適pH值和一定的pH范圍。強(qiáng)酸強(qiáng)堿對一般微生物有致死作用。通常，酵母茵和霉菌適宜pH4－6的環(huán)境，放線茵適宜pH為7.5-8，細(xì)菌則為6.5—7.5。嗜酸菌，如氧化硫硫桿最適pH2—3.5.（3）氧化還原電位（4）水或活度和滲透壓

（5）輻射（6）超聲波（7）化學(xué)試劑

3.2微生物代謝3.2.1微生物的主要產(chǎn)能方式3.2.2營養(yǎng)物質(zhì)的分解3.2.3細(xì)胞物質(zhì)的合成3.2.4代謝調(diào)節(jié)3.2.1微生物的主要產(chǎn)能方式（1）氧化有機(jī)物發(fā)酵：呼吸：（2）氧化無機(jī)物（3）化能合成作用3.2.2營養(yǎng)物質(zhì)的分解（1）糖類的分解①單糖的分解代謝

a.雙磷酸己糖降解途徑(EMP途徑)b.單磷酸己糖裂解途徑(HMP途徑)c.脫氧酮糖酸途徑(ED途徑)d.磷酸酮糖裂解途徑(PK途徑)e.三羧酸循環(huán)(TCA循環(huán))f.乙醛酸循環(huán)(TCA循環(huán))②多糖的分解

a.淀粉的分解

α-淀粉酶;β-淀粉酶;葡萄糖淀粉酶;極限淀粉酶等.

b.纖維素和半纖維素的分解纖維素酶;噬纖維素菌;纖維單胞菌;真菌和放線菌等.c.幾丁質(zhì)的分解

（2）脂肪的分解微生物分解脂肪主要靠脂酶催化。脂酶是胞外酶或胞內(nèi)酶，所以無論細(xì)胞內(nèi)外的脂肪都能被分解和利用。在一般條件下脂肪分解緩慢。其分解的初始產(chǎn)物為甘油和脂肪酸。甘油經(jīng)糖酵解和三羧酸循環(huán)迅速地降解，并產(chǎn)生各種中間產(chǎn)物和能量。脂肪酸通過p—氧化，形成乙酰C oA，后者可進(jìn)入TCA環(huán)或乙醛酸環(huán)。（2）蛋白質(zhì)的分解3.2.3細(xì)胞組成物質(zhì)的合成3.2.4代謝調(diào)節(jié)（1）酶合成的調(diào)節(jié)（2）酶合成的調(diào)節(jié)機(jī)制——操縱子學(xué)說（3）酶活性的調(diào)節(jié)

3.3微生物的遺傳和變異

微生物個(gè)體微小，與環(huán)境接觸項(xiàng)大而均勻，它們代謝旺盛，繁殖迅速，世代時(shí)間短，生活史周轉(zhuǎn)快，環(huán)境因素可在短期內(nèi)多次重復(fù)地影響微生物的生長繁殖過程，使個(gè)體容易發(fā)生變異，有利于人工或自然選擇。另外，微生物以無性繁殖為主或只有無性繁殖，且營養(yǎng)體大多為單倍體．一旦發(fā)生變異，能迅速在性狀上反映出來。因此，在遺傳學(xué)中，許多引入注目的進(jìn)展和發(fā)現(xiàn)，都是以微生物作為研究材料而取得的。3.3.1菌種的選育3.3.2