第一章 环境微生物学绪论

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1、环境微生物学 马悦欣,本课程的基本情况,本课程是环境类专业学生的专业基础课； 本课程强调实践能力，要求每个学生通过实验，掌握有关基本技能，并加深对理论部分的理解和记忆； 本课程内容分两大部分：一是微生物学的基础知识；二是微生物学在环境领域中的应用。,一、环境微生物学的形成和发展 环境微生物学环境科学的重要分支， 20世纪60年代后期兴起 独立的学科， 环境科学和环境工程的重要理论基础。,20世纪起 出现环境污染问题： 美国洛杉矶的光化学烟雾、伦敦烟雾；日本四日市的哮喘病、熊本的水俣病及神通川骨痛病。,1943年美国洛杉矶市的250万辆汽车每天燃烧掉1100吨汽油，汽油燃烧后产生的碳氢化合物等在

2、太阳紫外光线照射下引起化学反应，形成浅蓝色烟雾，使该市大多市民患了眼红、头疼病。后来人们称这种污染为光化学烟雾。1955年和1970年洛杉矶又两度发生光化学烟雾事件，前者有400多人因五官中毒、呼吸衰竭而死，后者使全市四分之三的人患病。,1952年伦敦烟雾事件是1952年12月5日9日发生在伦敦的一次严重大气污染事件。这次事件造成多达12000人因为空气污染而丧生，并推动了英国环境保护立法的进程。,四日市位于日本东部海湾。1955年这里相继兴建了十多家石油化工厂，化工厂终日排放的含SO2的气体和粉尘，使昔日晴朗的天空变得污浊不堪。1961年，呼吸系统疾病开始在这一带发生，并迅速蔓延。据报道患者

3、中慢性支气管炎占25%，哮喘病患者占30%，肺气肿等占15%。1964年这里曾经有3天烟雾不散，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杀。1970年患者达500多人。1972年全市哮喘病患者871人，死亡11人。,1953-1956年，日本熊本县水俣湾发生了水俣病事件。因化工厂排入海湾的废水中含有甲基汞，在海洋生物中富集，人类因食用这些有毒鱼类等中毒而死亡。,1955-1972年骨痛病事件是于日本富士县神通川流域发现的一种土壤污染公害事件。主要污染源是重金属尤其是镉中毒引起的的水和食物污染。患者全身各部位会发生神经痛、骨痛现象，行动困难，骨骼软化、萎缩，四肢弯曲，脊柱

4、变形，骨质松脆，不能进食，疼痛无比。,墨西哥湾漏油事故,中海油渤海湾油田漏油事故,2010年7月16日大连新港溢油事故,环境污染的治理： 发达国家于20世纪50年代开始，如泰晤士河河水变清，有鱼类生长。 我国于60年代开始环境污染治理工作， “九五”期间我国推出两项重大举措：全国主要污染物排放总量控制和中国跨世纪绿色工程计划。前者中规定了烟尘、粉尘、二氧化硫、重金属、COD和工业废弃物等12种主要污染物的排放量。2000年12项主要污染物的排放总量比“八五”末期分别下降了10-15%。,“十一五”期间又对化学需氧量、二氧化硫两种主要污染物实行排放总量控制计划管理，排放基数按2005年环境统计结

5、果确定。计划到2010年，全国主要污染物总量比2005年减少10%。,2010年，全国化学需氧量排放量1238.1万吨，比2009年下降3.09%；二氧化硫排放量2185.1万吨，比2009年下降1.32%。与2005年相比，化学需氧量和二氧化硫排放量分别下降12.45%和14.29%。,通过“十二五”全国主要污染物排放总量控制规划，四大主要污染物（二氧化硫、化学需氧量、氨氮、氮氧化合物）平均排放量，在2015年年末分别比2010年年末下降10%。,据环保部污染排放总量控制司初步估算，2015年前三季度，全国化学需氧量、氨氮、二氧化硫、氮氧化物排放总量分别比去年同期下降3%、3%、5%、9%左

6、右，“十二五”规划五年总目标已完成。,“十三五”规划建议提出扩大污染物总量控制范围。在“十二五”时期总量控制为四项污染物二氧化硫、氮氧化物、化学需氧量和氨氮的基础上，“十三五”不仅要将重点行业挥发性有机物纳入控制指标，还明确将细颗粒物（PM2.5）等环境质量指标列入约束性指标，到2020年，实现生态环境质量总体改善，主要污染物排放总量大幅减少。,近几年，环境污染物总排放量仍处于历史高位，复合型污染的特征更加明显，环境质量状况非常复杂。 雾霾袭城，水体黑臭，土壤污染，新的致命病毒流行环境形势依然严峻。,微生物在环境保护和环境治理中的作用： 微生物容易变异，适应性强，用于多种污染环境的治理；现代人

7、们对污染物高效降解菌的筛选，污染物降解途径的研究，基因工程等分子生物技术的应用，污染物工业化处理中涉及的反应器、机械、电力、供气、监测和控制技术的完善，对污染物的物理、化学和生物处理技术的进步等为环境污染控制打下坚实的基础。,二、 环境微生物学的研究对象与任务 1、 环境微生物学的研究对象 环境微生物学是研究与环境领域（包括环境工程、给水排水工程、环境监测与治理等）有关的微生物及其生命活动规律。,其内容包括： 微生物个体形态、群体形态； 细胞结构功能、生理特性、生长繁殖、遗传变异等； 微生物与环境的关系（尤其是微生物与污染环境之间的关系）； 微生物对物质的转化分解作用（特别是应用微生物来处理各

8、种污染物质，如废水、废气和固体废弃物）。,2、环境微生物学的研究任务 总的归纳起来有两大方面的任务： （1）充分利用有益的微生物资源 （2）防止或消除有害微生物,对于人类而言，大多数微生物是有益的。古代，微生物用于酿酒、制作酱、醋和发面。近代，微生物用于发酵工业生产乙醇、丙酮、各种有机酸、氨基酸、抗生素。微生物的酶制剂应用于纺织退浆、制革脱毛、洗涤剂的助剂、医药、印染等。微生物应用于石油发酵；用作农肥；用于防止植物害虫生物防治等。,病原微生物也会对人类的生产生活造成不利的影响。还有的微生物能引起作物病害和动物疾病，某些细菌和霉菌能使食品和农副产品腐败和腐烂。有些细菌生命活动所产生的代谢产物与环

9、境中的化学物质起作用会产生不良后果，如硫细菌和铁细菌能引起混凝土管道和金属管道腐蚀，蓝细菌，绿藻和金藻中的某些种能引起湖泊“水华”和海洋的“赤潮”等。,3、微生物在环境污染治理（水处理）中的应用 （）在环境监测方面（水污染的监测） 利用在环境中生存的生物的种类、数量、活性等特征，来判断环境状况的好坏。 这些生物称为指示生物。,生物监测的优缺点： 生物监测的主要优越性： （ a ）长期性汇集了生物在整个生活时期中环境因素改变的情况，可以反映当地的环境变化； （ b ）综合性能反映环境诸因子、多成分对生物有机体综合作用的结果； （ c ）直观性直接把污染物与其毒性联系起来； （ d ）灵敏性有时甚

10、至具有比精密仪器更高的灵敏性，有助于提早发现环境污染。,生物监测的主要缺点： （ a ）定量化程度不够； （ b ）需要一定的专业知识和经验。,（）在环境治理方面 废水、废物和废气处理：物理法、化学法、 生物处理法 生物处理法的优点：经济、高效、达到无害化。微生物是对废水、废物和废气进行生物处理、净化环境的工作主体。,学习环境微生物学的意义： 了解微生物及其在环境中的作用（包括其有益和有害的作用）；更好地为生产服务（保护环境，造福子孙万代）。,学好环境微生物要注意的问题： 建立微观世界的想象空间；充分理解知识点、牢记基本概念；系统学习、融会贯通；注重理论联系实践，重视实验环节。,细 菌,病 毒

11、,三、 微生物概述 1、微生物的定义 微生物是肉眼看不见或看不清楚的微小生物的总称。 微生物包括：（1）无细胞结构的病毒、亚病毒（类病毒、拟病毒、朊病毒）；（2）原核细胞结构的真细菌、古菌；（3）真核细胞结构的真菌（酵母菌、霉菌、蕈菌）、单细胞藻类、原生动物 少数肉眼可见，如：纳米比亚硫磺珍珠菌（Epulopiscium fishelsoni）,2、微生物的特点 （1）体积小，面积大 微生物由于个体非常微小，因而每一个体的表面积相对较大。这一特点赋予微生物一个巨大的营养吸收面、代谢废物排泄面和信息交换面。,.,（2）吸收多，转化快 微生物可吸收大量的营养物质，迅速将其转化。 大肠杆菌在1h内可

12、分解其自重100010 000倍的乳糖；产朊假丝酵母合成蛋白质的能力比大豆强100倍，比食用牛强10万倍。,（3）生长旺，繁殖快 微生物具有极高的生长和繁殖速度。 如大肠杆菌在合适的条件下，12.520min 细胞可分裂一次。 液体培养，细菌细胞的浓度一般为 108109个 /mL。,（4）适应强，易变异 微生物具有极其灵活的适应性或代谢调节机制。 微生物的个体一般都是单细胞、简单多细胞甚至是非细胞的，它们通常都是单倍体，加之具有繁殖快、数量多以及与外界环境直接接触等特点，因此即使变异频率很低，也可在短时间内产生出大量变异的后代。,（5）分布广，种类多 微生物的分布可谓是无所不在，江、河、湖、

13、 海、土壤、空气、温泉水、人和动物体内外、酷热的沙漠、寒冷的雪地、南极、北极、冰川、污水、淤泥、固体废物里等处处都有。 据估计，微生物的总数约在50万至600万种之间。目前所了解的微生物总数至多不超过生活在自然界为生物总数的10%。由于近年来分离培养方法的改进，不断发现新的微生物种类。,3、原核微生物和真核微生物 具有原核细胞的生物称为原核微生物。 原核细胞：其细胞核发育不完善，仅有核质，没有定形的细胞核，无明显的核膜，没有特异的细胞器，不进行有丝分裂。 典型的原核生物有细菌、放线菌、蓝细菌等。 见图,细菌细胞结构模式图,具有真核细胞的生物称为真核生物。 真核细胞：细胞核发育完善，有定形的细胞

14、核（核仁、染色体等），有明显的核膜，有特异的细胞器，进行有丝分裂。 大多数生物，包括高等生物都是真核的，如酵母菌。 见图,酵母菌细胞结构模式图,4、微生物的分类与命名 （1）微生物分类 根据一定的原则（表型特征相似性或系统发育相关性）对微生物进行分群归类，根据相似性或相关性水平排列成系统，并对每个分类群的特征进行描述。微生物的分类单元（指具体的分类群）分为7级，自上而下依次是界、门、纲、目、科、属、种。,种（species）是一个基本分类单元，它是一大群表型特征高度相似、亲缘关系极其接近、与同属内的其他物种有着明显差异的一大群菌株的总称。微生物的种通常用该种内一个模式菌株作为代表。 把具有某些

15、共同特征或密切相关的种归为属。依次类推，属归为科，科归为目。,菌株表示任何由一个独立分离的单细胞繁殖而成的纯遗传型群体及其一切后代。如枯草芽孢杆菌的两个菌株 Bacillus subtilis AS 1.398(蛋白酶生产菌，AS代表中国科学院“Academia Sinica”的缩写) B. subtilis BF 7658(淀粉酶生产菌种，BF代表“北纺”，即“北京纺织工业局科学研究所的缩写),微生物的分类有其分类系统，其中最常用的也是具有权威性的是伯杰氏手册，是对原核微生物（细菌等）进行分类；另外，放线菌、真菌（包括丝状真菌和酵母菌）等也有各自的分类系统。,伯杰氏手册简介 Bergeys

16、Manual of Determinative Bacteriology 1923年宾夕法尼亚大学的细菌学教授David Bergy和四个同事发表了细菌分类法，至1994年，发行了第9版。 从1974年的第8版开始，已经成为世界通用的“官方的分类”。,Bergeys Manual of Systematic Bacteriology 1984-1989年分4卷出版。 第一卷:医学和工业方面重要的G-细菌（1984） 第二卷：放线菌以外的G+细菌（1986） 第三卷：古菌、蓝细菌及其他G-细菌（1989） 第四卷：放线菌（1989）,第一版（给出的系统基本上是表型性的）； 自2001年起发行，该手册的第二版（rRNA，DNA和蛋白质，系统发育）共分5卷。,一般大家比较熟悉的生物分类是所谓的二界学说，即把生物分为动物界和植物界两个界，这种分法已有很长的历史。 随着人们认识的不断进步，新的分类手段不断被应用，新的生物类群划分方法也不断被提出。 1969年，魏塔克提出“五界学说”，后经Margulis修改，为较多的人