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1、环境工程微生物学备课笔记 环境工程微生物学 Evirometal Microbiology绪论教学内容： 提问1：什么是微生物学？ 研究微生物的“衣食住行”的科学。 衣什么是微生物，长什么样？（形态、结构）食能吃、爱吃什么、如何消化？（营养、代谢或称生理）住喜欢住在哪？为什么？（环境影响或称生态）行能有何种行为、作为？是敌是友？如何监测、控制或使用呢？ 提问2：什么是环境工程微生物学？与环境保护技术相关的微生物学知识。偏重于水环境保护，是本专业环境工程的基础课。行环境保护 有害微生物（病原性、腐蚀性）的监控与防治 有益微生物培养与利用（水处理中的各种微生物的高效、密集培养、强化生物去污）第一节

2、 环境面临的问题、可持续发展与微生物环境问题提问1：如今面临哪些环境问题？提问2：环境问题的根源何在？ 人祸，观念的错误 “征服自然改造自然”人与环境的极端对立提问3：如何解决环境问题？ 治本纠正错误观念 走可持续发展战略(天地人和）可持续发展策略1992年 “可持续发展”的口号提出，思想革命“有福共享，顾忌后代”可持续发展观念的环保实例:封山育林、定期休牧、休渔、珍稀动植物保护、可降解塑料、无磷洗衣粉、不含氟制冷剂、无铅汽油、垃圾分类回收、达标排放与总量控制等等；提问4：由谁来完成？包括在座的各位同学环保理论研究环保监测、环保执法、污染物治理、改行提问5：社会最需要的方向是？第二节 微生物概

3、述微肉眼看不见通常指直径小于或等于0.1mm的生物。微生物的发现1676年，荷兰，列文虎克，单式显微镜（复制品）微生物(microorgaism, microbio)的定义微生物是所有形体微小的单细胞或个体结构较简单的多细胞，以及没有细胞结构的低等生物的通称。 细小的、肉眼看不见或看不清楚的微小生物的统称。 微生物仅是一个人为的分类名称。 微生物的种类第三节 微生物的分类和命名分类方法在生物学上，对生物的分类采用按其生物属性和它们的亲缘关系有次序地分门别类排列成一个系统。七个等级：界、门、纲、目、科、属、种。每一种生物，包括微生物，都可在这个系统中找到相应的位置。其中种(species)是分类

4、的基本单位。必要时，还可以在这些等级之间再增设一些亚等级。微生物的命名 瑞典植物学家林奈(CLiaeus)在分类学上最大的贡献是创立双名法(biomial omeclature)，解决生物名称的纠纷。学名= 属名 + （种名）+ （命名人的姓）(拉丁文.） （拉丁文adj.） 斜体 斜体第一字母大写 第一字母小写 第一字母大写 1.学名=属名+种名+（首次定名人）+现定名人+定名年份例如 Pseudomoas aerugiosa (Schroeter)Migula 1920铜绿假单胞菌 1920年由Migula定名 2 .学名=属名+种名+菌株（用字母、符号等字形表示）例如 Bacillus.

5、subtilis AS 1.398 枯草杆菌中能生产蛋白酶的一株菌株3.学名=属名+sp.(或spp.) 只鉴定到属名，对具体的种，不能肯定。sp.（单数）或spp.（复数）表示未定种的含义。第四节 微生物的特点 (一)个体极小，比表面积大光学显微镜的分辨率为0.2um，可以看见大部分微生物的轮廓例如杆菌的长度约2um，故1500个杆菌头尾衔接起来仅有一颗芝麻长(3mm)。(二)代谢速率快、繁殖快生物界中，微生物具有最高的繁殖速度。尤其是以二分裂方式繁殖的细菌，其速度更是惊人。在适宜的环境条件下，十几分钟至二十分钟就可繁殖一代。伤寒杆菌在含0.125的蛋白胨培养基中的代时为800mi，而在含1

6、.0时仅为40mi。在物种竞争上取得优势，这是生存竞争的保证。（三）数量多因为繁殖速度快，所以数量多凡有微生物生存的地方，它们通常都拥有巨大的数量。例如： （1）土壤是微生物的“大本营”，其中细菌数量达数亿个g，放线菌孢子达数千万个g，霉菌孢子达数百万个g，酵母菌达数十万个g;(2) 全世界海洋中微生物的总重量约280亿吨(3) 人体肠道内菌体总数达100万亿个左右。(4) 新鲜叶子表面微生物数量达100多万个g(5) 每张纸币上的细菌数平均多达900万个，大肠杆菌检出率达879。(6) 一个喷嚏约含菌4，500150，000个，感冒患者的一个喷嚏含细菌多达8，500万个。一系列的调查数据表明

7、，我们是生活在一个被大量微生物包围着的环境中，只是因为肉眼不可见而常常“身在菌中不知菌”。(四)易变异提问：为什么微生物较其他生物容易变异呢？ 各种生物自发变异频率一样十分低(如10-510-10）保护能力差、数量大多数微生物为单细胞，结构简单，整个细胞直接与环境接触，易受环境因素影响，引起遗传物质DA的改变而发生变异；由于数量庞大，可以在短时间内出现大量变异后代，当环境变化时，微生物会大量死亡，活下来的微生物往往会发生结构和生理特性的变异以适应变化了的环境。(五) 种类多、分布广、代谢类型多样种类多目前已确定的微生物种数还只有10万种左右，其中细菌、放线菌约1500种。苏联微生物学家伊姆舍涅

8、茨基曾估计，“目前我们所了解的微生物总数，至多也不超过生活在自然界中的微生物总数的10”。如果这一估计不错的话，将来的某一天，微生物的总数可能会超过目前动、植物的种数之和。分布在地球的每一个毛孔，地球真正的主人代谢类型极其多样第五节 微生物学与环境工程微生物学微生物学定义 是一门在细胞、分子或群体水平上研究微生物的形态构造、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。环境工程微生物学研究内容： 1自然环境中微生物的基础知识2自然环境中的微生物生态学研究3污染环境中的微生物生态学研究4废弃物生物处理中微生物学原理和

9、方法的研究 生物膜法 活性污泥法研究任务: 充分利用有益微生物资源为人类造福，防止、控制、消除微生物的有害活动，化害为利。第六节 微生物学的发展历史 史前时期（直观应用时期）春秋战国时期 微生物分解有机物质,沤粪积肥。公元二世纪的神农本草经 白僵蚕治病。公元6世纪 后魏的贾思勰 齐民要术 谷物制曲、酿酒、制酱、造醋、腌菜。 豆科植物与其它作物轮作 初创时期（形态学发展时期）（17世纪下半叶十九世纪中叶） 使用显微镜观察微生物世界的时期。代表人物：列文虎克 贡献:（）发现了微生物世界（）科学地描述了微生物的形态并阐述了它们的繁茂性奠基时期（生理学发展时期）十九世纪下叶有关微生物的两个疑难问题：1

10、、生物是自然产生的吗？2、传染性疾病的本质是什么？巴斯德与自然发生学说 科赫与疾病的病菌说 发展时期（生物化学水平）始于二十世纪初，代表人物：E. Echer （1897年）成熟时期（分子水平）始于二十世纪五十年代 电子显微镜的使用 DA的发现第一章 原核生物的形态、结 构和功能第一节 细菌细菌是一类细胞细短、结构简单、胞壁坚韧、多以二分裂方式繁殖和水生性较强的原核生物。1.1 细菌的形态和大小一、球菌球菌就是球形的细菌，它是这类细菌的总称，细胞呈球形或椭圆形。 l 单球菌 2 双球菌 3链球菌 4 四联球菌 5八叠球菌 6 葡萄球菌二、杆菌 细胞呈杆状或圆柱状，菌体直或稍弯，粗短或细长。末端

11、钝圆、尖、膨大或平裁状。 直径在0.51um15um（宽径长）三、弧菌弧菌细胞呈弧形，其中若菌体多于一个弯曲，其程度超过一圈，又称为螺旋菌。直径在0.55um，长度不等。1.2 细菌的大小细菌大小测量: 显微测微尺 细胞大小表示：直径长, 单位：微米 球菌以直径表示，杆菌以长和宽表示，螺旋菌以细胞两端1.3 细菌细胞的结构 2.1 细菌的一般构造指细菌都具有的构造，包括细胞壁、细胞膜、细胞质及其内含物、核区等。 1. 细胞壁 功能 提问：哪些功能？固定细胞外形；保护细胞免受外力的损伤；阻拦大分子物质进人细胞使某些细菌具有致病性及对噬菌体的敏感性。 两种最常见的细菌细胞壁结构革兰氏染色法1.涂片

12、固定2.单染结晶紫染液第一次染色 1mi 3.媒染碘-碘化钾溶液浸湿30S4. 脱色95%乙醇溶液进行颜色洗脱5.复染红色的藩红染液第二次染色细菌呈现第一次染色的效果紫色，革兰氏阳性菌（紫阳G）； 呈现第二次染色的效果红色；称革兰氏阴性菌（红阴G -）请对照两种细菌细胞壁的不同结构，说明为什么染色上会有区别？2. 细胞膜（原生质体） 紧贴在细胞壁的内侧而包围细胞质的一层柔软而富有弹性的半渗透膜。 化学组成 脂质（2030）蛋白质（6070） 结构 极性磷脂双分子层 提问：功能？3. 细胞质 细胞膜内除拟核以外的所有无色透明、呈粘胶状物质。 （1）核糖体 提问：功能？ 多肽和蛋白质的合成场所。

13、（2）细胞内含物 1）气泡（水生细菌） 提问：功能？相当于鱼的鱼漂 2）异染颗粒 蓝色侵染呈紫红色。 化学本质偏磷酸盐的聚合物。 功能？ 磷源和能源性贮藏物， 3）聚 -羟基丁酸（简称 PHB）颗粒 功能？ 能量的贮存物;调节pH 4）糖原和淀粉粒 5）硫粒 某些化能自养型硫细菌，贮存的能源物质，4. 核质体 原核生物所特有的原始细胞核。 细菌的核质体是一个大型环状的双链DA分子，长度025mm3mm，为细菌遗传物质，卷曲折叠于核区。 核区没有外膜（这是原核生物与真核生物一个主要的区别之处）2.2 细菌的特殊构造5. 荚膜 是某些细菌在新陈代谢过程中形成的，分泌于细胞壁外的粘液状物质。含水率在

14、9098，极难染色；多糖 、糖蛋白单染后墨汁背景衬托法观察多出现在“中老年细菌”外围功能？ 储备粮； 生物吸附菌胶团多个菌体外面的荚膜物质互相融合，连为一体，组成共同的荚膜，菌体包埋其中，即成为菌胶团。 形成菌胶团的典型细菌为动胶菌属的细菌。菌胶团吸附物（物质、其他微生物）活性污泥形成菌胶团的生物作用？群体合作、阻挡原生动物的吞噬6. 鞭毛往往长度超过菌体若干倍，但直径很细。 提问：功能？ 细菌藉鞭毛趋避运动鞭毛的着生方式和数目是细菌分类鉴定的重要指标。 化学成分主要是？ 蛋白质7. 菌毛 纤细、中空、短直、数量较多（250根300根） 相当于各类禽兽的体表的毛发，如兔毛、狗毛、鸭毛等等，故称

15、为菌毛。 或称性丝，每一个有性细菌有1根4根，参与细菌有性生殖时细菌间传递遗传物质。8. 芽孢某些细菌当环境恶劣时，细胞质浓缩凝集，逐步形成一个圆形、椭圆形或圆柱形的休眠体，称为芽孢。1）多层结构功能 由内至外，依次为芽孢外壁 芽胞衣 主要成分是角蛋白，非常致密，通透性差，能够阻止各类化学物质包括杀菌剂的进入；皮层 很厚，主要成分为芽孢特有的肽聚糖，其中含有一种特殊的物质吡啶二羧酸以及大量的Ca2+，二者形成了一种极为耐热的凝胶状物质，使得芽孢菌异常抗热，在沸水中芽孢也可存活数小时。芽孢质中含水量极低，细胞内代谢极为缓慢，处于休眠状态。多层作用使芽孢对高温、干燥、辐射、酸、碱和有机溶剂等杀菌因

16、子具有极强抵抗能力 芽孢“复苏”合适的环境中，恢复普通的细胞结构，失去各类抵抗功能。芽孢孢子或种子 （孢子：繁殖体（种子） 1多） 能形成芽孢的细菌种类不多，最主要的是芽孢杆菌属（Bacillus）和梭菌属（Cletridium），它们都是革兰氏阳性菌。炭疽芽孢杆菌 .生物恐怖主义者为什么会看中这种细菌呢？首先因为炭疽是一种严重的疾病，分布又非常广泛。. 还因为它几乎是一种永不死亡的细菌，-它们能够形成芽孢，因而很不容易死亡。在环境恶劣的时候，细菌内部会有一小部分浓缩起来，在这一部分周围形成几层坚硬的壳。里面的生命活动变得非常缓慢，而壳外面那部分就死亡消失了，这就是芽孢。环境条件一变好，壳里面

17、的部分会像“发芽”一样长出来。2）形成过程 产芽孢菌通常在养料耗尽时停止生长形成芽孢，他有这样几个过程 芽孢的形成对于产芽孢菌度过困境有着极为重要的意义，芽孢可在普通条件下保存几年甚至几十年都依然可以复活。 在实验室进行灭菌处理时，由于芽孢最难杀死，灭菌手段主要考虑的是杀灭芽孢； 芽孢菌普遍存在于处理各类有毒废水中，并对水质净化起着十分重要的作用。1.4 细菌的繁殖（一）无性生殖 细菌的繁殖方式很多，主要是以无性的二分裂繁殖(二)有性生殖 研究表明各类细菌普遍具有有性生殖能力 极少数个体可以进行，大约只占0.11%。但这却有着十分重要的生物学意义。 提问：有性生殖意义何在呢？ 种内进化、种间合

18、作共生 特有的抗性基因可以传递给另一些种类的细菌1.5 细菌的菌落特征 定义固体培养基上的各种菌类的“村落”。 固体培养基固体状态的培养细菌的基质 有的是天然物质，如土豆、馒头及其他各种固体食物，微生物学研究中多使用人工制作的固体琼脂培养基。 培养皿通常称平板 细菌在培养基上生长，会形成各种颜色和外观的菌落。 菌落的特征主要由各种微生物特殊的遗传特性决定，同时也与培养基成分及培养条件有关 当固定培养基成分及培养条件相同时，不同种类微生物形成的菌落特征是固定的，可作为微生物鉴定的重要依据。没有鞭毛不运动的细菌，特别是球菌，常形成较小、较厚、边缘较整齐的菌落；有鞭毛的细菌则较大而扁平，边缘波状、锯

19、齿状等；有荚膜的细菌菌落较大并且表面光滑，而没有荚膜的则表面较粗糙；具有芽孢的细菌菌落表面常有褶皱并且不透明。a.隆起特征描述 b.边缘特征描述 c.表面特征描述细菌菌落具有一些共同的特征：小、湿润、粘稠、与基质结合松散，易被剥离，质地均匀，各部位颜色一致。但不同的细菌菌落也具有自己特有的特征。提问：在液体中群体细菌的生存会有哪些形式？随密度不同 在液体培养基表面形成膜（轻） 使培养液混浊（中） 产生絮状沉淀（粘重，如菌胶团、活性污泥）。第二节 放线菌的形态、结构和功能（一）放线菌的形态、大小和繁殖 特征：丝状分枝、菌丝：营养菌丝、气生菌丝、孢子丝放线菌的繁殖：通过分生孢子或孢囊孢子繁殖，也可

20、以一段营养菌丝繁殖(二)、鉴定特征及生理特性 菌落特征 （与细菌特征正好相反）表面常呈粉末状或皱褶状(？) ，有的则呈紧密干硬的圆形，有些为糊状。颜色各异，正反不同(？) ，质地紧密，菌落不易用接种环挑起(？)，较小 。 液体培养特征静置培养：培养基不混浊膜状附壁，或沉降于底部。震荡（或摇床）培养：短的菌丝体构成球状颗粒。生理特性： 大多数好氧，最适宜的pH值78，嗜中温。环保应用举例：降解木质素和纤维素第三节 蓝细菌蓝藻或蓝绿藻(blue-gree algae) 含有光合色素，能进行光合作用并产氧的原核生物。1、结构和形态 球状、杆状、长丝状、分枝丝状2、特殊结构异形胞？固氮的场所粘液？趋光

21、趋向性气泡？趋光趋向性3、营养类型 光能自养4、繁殖 无性生殖单细胞：二分裂、多次分裂、顶端释放（芽殖）丝状体：中间分裂、无规则分裂、顶端释放（芽殖）应用： 处理高浓度有机废水（含氨氮高） 饲料添加剂弊： 富营养化：人类活动使江河、湖泊中生物所需的 (0.2-0.3mg/L)、P（0.01-0.02mg/L）等营养物质短期内大量增加，引起藻类和浮游生物的迅速繁殖，导致水中溶解氧下降，水质恶化，鱼类和其它生物死亡。利： 自然水体自净（污水处理氧化塘） 藻类光合作用释放氧气，为好氧微生物提供有氧环境，保证水中的有机污染物好氧降解连续进行，周而复始的分解光合使水体净化。富集重金属离子利用其生物吸附作

22、用可从工业污水中去除有毒、放射性金属和回收稀有、贵重金属。该法具有高效、经济、简便、选择性好等优点 ,尤其适用于低浓度及一般方法不易去除的金属。主要菌种有菌藻共生体、啤酒酵母菌、盐泽螺旋藻、林可链霉素和黑根霉菌生物固氮作用微生物在常温常压下直接利用分子氮（2），将之还原为氨（H3）的过程。固氮微生物包括：蓝细菌、放线菌、细菌和古细菌。第四节 支原体、立克次氏体和衣原体“三体”是属于革兰氏阴性的代谢能力差、主要营细胞内寄生的小型原核生物。介于细菌与病毒间的一类生物。 4.1 支 原 体定义：是一类无细胞壁的原核生物，介于独立生活和细胞内寄生生活间的最小原核生物。多数为致病菌。特点：细胞很小，光镜

23、下勉强可见；细胞膜含甾醇，比其他原核生物的膜更坚韧；无细胞壁，故呈革兰氏阴性且形态易变，对渗透压较敏感，对抑制细胞壁合成的抗生素不敏感；菌落小，在固体培养基表面呈特有的“油煎蛋”状；能在含血清、酵母膏和甾醇等营养丰富的培养基上生长。4.2 立克次氏体（Rickettsia）立克次氏体是大小介于通常的细菌与病毒之间，在许多方面类似细菌，专性活细胞内寄生的原核微生物。H.T.Ricketts 1909年，首次发现洛杉矶斑疹伤寒的病原体，并因研究此病而牺牲，1916年人们以他的名字命名这类病原体作为纪念。 特 性 ：（1）专性活细胞寄生物，除五日热（战壕热）立克次氏体（Rickettsia wolh

24、yica）外均不能在人工培养基上生长繁殖； (2) 体内酶系不完全，一些必需的养料需从宿主细胞获得； (3)细胞膜比一般细菌的膜疏松； (4)可透性膜，使它们有可能容易从宿主细胞获得大分子物质，但也决定了它们一旦离开宿主细胞则易死亡 4.3 衣原体（Chlamydia）衣原体介于立克次氏体与病毒之间，能通过细菌滤器，专性活细胞内寄生的一类原核微生物。过去误认为“大病毒”，但它们的生物学特性更接近细菌而不同于病毒。 第二章 真核微生物的形态、结构和功能第一节 原生动物一、原生动物的一般特征 （一）形态特征单细胞，没有细胞壁、大多无色透明；器官分化（运动、感觉、消化、捕食等等）；行动胞器伪足、鞭毛

25、和纤毛消化、营养胞器胞口、胞咽、食物泡、吸管排泄胞器收集管、伸缩泡、胞肛视觉胞器眼点（二）营养类型纯动物性 (大部分) “吞食”活细菌、真菌、藻类或有机颗粒植物+动物性 (极少数) 本质上是裸藻、金藻等，改名为植物性鞭毛虫；腐生性(大多)寄生性（三）繁殖 通常无性繁殖二分裂、孢子当环境条件差时出现有性生殖。提问：为什么会这样（生物意义）？基因重组，加快变异进化（四）原生动物的孢（或胞）囊 当环境条件变坏（如水干枯、水温和pH过高或过低，溶解氧不足，缺乏食物，有机物浓度过高等等）情况下，原生动物抵抗不良环境的休眠体。 鞭毛、纤毛等细胞器缩入体内，缩水，并分泌一种胶状物质于体表，凝固成孢壳，均为球

26、状。提问：缩水、孢壳、球状用意？休眠、隔绝保护、较少接触面孢囊很容易随灰尘漂浮或被其他动物带到其他地方，胞囊遇到适宜环境胞壳破裂，恢复虫体形状。二、分类及各纲简介 根据原生动物的细胞器和其他特点，将原生动物分为四个纲，即肉足纲、鞭毛纲和纤毛纲、孢子纲。 其中孢子纲中原生动物专营寄生生活，其余三类存在于水体当中，重点介绍这三类原生动物 肉足纲 2050um 特征： 大多没有固定形状由体内细胞质不定方向的流动而呈现千姿百态，少数种类为球形。 细胞质可伸缩变动而形成伪足。作为运动和摄食的胞器。 典型种：变形虫、辐射变形虫、太阳虫、壳虫 可以任意改变形状的肉足类为根足变形虫，一般就叫做变形虫。还有一些

27、体形不变的肉足类、呈球形，它的伪足呈针状，如辐射变形虫和太阳虫。规律：大量出现时预示出水水质差。如活性污泥驯化初期（游离细菌大量出现后）。鞭毛纲 形态：具有一根或一根以上的鞭毛 鞭毛长度大致与其体长相等或更长些，是运动器官，分为植物性鞭毛虫和动物性鞭毛虫。.植物性鞭毛虫（兼有动物性营养）动物性鞭毛虫 形态：（原生动物中最小）长1122um，宽510um。 生活在腐化有机物较多的水体内。规律：与变形虫规律类似。常见的有波豆虫和滴虫等。纤毛纲 特征：周身表面或部分表面具有纤毛 提问：纤毛的功能？ 游动及摄食的工具。 纤毛虫喜吃游离细菌及有机颗粒，与废水生物处理的关系最为密切。已发现的种类有6000

28、种，远远超过肉足类和鞭毛类。纤毛虫是原生动物中构造最复杂的，不仅有比较明显的胞口，还有口围、口前庭和胞咽等吞食和消化的细胞器官。根据运动情况可分为游泳型、匍匐型、固着型和吸管虫四种。I. 游泳型纤毛虫80-300um42-75um自由游动如草履虫，豆形虫、肾形虫、漫游虫等。规律：预示出水较差，污泥驯化仍在继续 （常在鞭毛虫优势后出现） 。.匍匐型纤毛虫 匍匐在污泥絮体上爬行或游动。 常见为楯纤虫、尖毛虫、棘尾虫、游仆虫。.固着型纤毛虫1个体型 形态：个体或群生相连，固着在活性污泥上 喇叭虫、钟虫（更常见）特征：A.前端有环状纤毛带 钟虫纤毛摆动时使水形成旋涡，把水中的细菌、有机颗粒引进胞口。食物在虫体内形成食物泡。当泡内食物逐渐被消化和吸收后，泡亦消失，剩下的残渣和水分渗入较大的伸缩泡。伸缩泡逐渐胀大，到一定程度即收缩，把泡内废物排出体外。伸缩泡只有一个，而食物泡的个数则随钟虫活力的旺盛程度而增减。 B. 后端有尾柄 靠尾柄附着在其它物质(如活性污泥、生物滤池的生物膜)上 当环境不良时，柄消失，固着型钟虫成为游动性的 常见的单个个体的钟虫类有领钟虫、小口钟虫、沟钟虫。其中以小口钟虫在各类废水处理中出现频率最大，数量也是最多，小口钟虫的体长为3270um，宽2248um，口围1225um2群体型（“九头鸟”）固着型纤毛虫中的群体型生物有缩