环境微生物学(课堂PPT)

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1、环境微生物学 赵彩艳手机 15172220611QQ 1103682157 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

2、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 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

3、低等生物的统称 种类 微生物类群十分庞杂 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

4、 小儿麻痹症 肺结核 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

5、用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 Antonyvanleeuwenhoek 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 奠基期时间 18

6、61 1897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 LouisPasteur 1822 1895 德国人柯赫 RobertKoch 1843 1910 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 创造了一些微生物学实验方法 巴氏消毒法 生命科学

7、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 为以后研究药物和寻找治疗方法提供了依据 提出了为证

8、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 1897 1953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 现代微生物时期 时间 1953年 现在特点 理论 深入到分子生物学实践 深

9、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

10、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

11、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

12、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类环境的有利或有害影响环境污染防治的微生物学原理 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

13、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

14、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

15、 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

16、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2 3mm 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