环境工程微生物学第一章.ppt

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1、环境工程微生物学Environmental Engineering Microbiology授课人员罗泽娇（理论授课）随机调查l为什么学习本课？随机调查 微生物与你的专业有什么关系？随机调查l你对微生物了解多少？教学目的l建立与特定环境过程相关的微生物学、生物化建立与特定环境过程相关的微生物学、生物化学、分子生物学基础；掌握微生物学在环境与学、分子生物学基础；掌握微生物学在环境与工程处理中的应用。工程处理中的应用。微生物多样性微生物多样性(代谢的多样性代谢的多样性)；极端环境中的生物；极端环境中的生物；微生物生态学；微生物生态学；生物地球化学循环；生物地球化学循环；污染物的生物学命运；污染物的

2、生物学命运；水质控制。水质控制。参考书目参考书参考书环境工程微生物学环境工程微生物学环境工程微生物习题集环境工程微生物习题集，罗泽娇编，罗泽娇编 课外参考书课外参考书环境微生物学环境微生物学，王家玲编，高教出版社，王家玲编，高教出版社环境微生物工程环境微生物工程，马文漪等，南大出版社，马文漪等，南大出版社现代微生物学现代微生物学，刘志恒主编，科学出版社，刘志恒主编，科学出版社微生物学微生物学（影印版），科学出版社（影印版），科学出版社办公时间周周二二 4 00-5 30 PM周四周四 10 00-11 30 AM课程大纲第第1章章 绪论绪论第第2章章 原核微生物原核微生物 第第3章章 真核微生

3、物真核微生物 第第4章章 非细胞微生物非细胞微生物-病毒病毒 第第5章章 微生物的营养微生物的营养 第第6章章 微生物的代谢微生物的代谢 第第7章章 微生物的生长繁殖及其控制微生物的生长繁殖及其控制 第第8章章 微生物的遗传变异和育种微生物的遗传变异和育种 第第9章章 微生物的生态微生物的生态 第第10章章 微生物对环境污染物的降解与转化微生物对环境污染物的降解与转化 第第11章章 环境微生物检测环境微生物检测 第第12章章 微生物在水污染控制中的应用微生物在水污染控制中的应用 第第13章章 微生物在固体废物和大气污染治理中的应用微生物在固体废物和大气污染治理中的应用 第第14章章 生物修复技

4、术生物修复技术 第第15章章 微生物新技术在环境治理中的应用微生物新技术在环境治理中的应用 第第16章章 微生物的分类命名与保藏微生物的分类命名与保藏 课程大纲实验部分实验部分 实验实验1 光学显微镜的操作、细菌形态的观察光学显微镜的操作、细菌形态的观察实验实验2 微生物的染色微生物的染色 实验实验3 培养基的制备和灭菌培养基的制备和灭菌 实验实验4 细菌纯种的分离及接种技术细菌纯种的分离及接种技术 实验实验5 微生物培养特征及个体形态的观察微生物培养特征及个体形态的观察 实验实验6 显微镜微生物计数法显微镜微生物计数法 实验实验7 水中细菌总数的测定水中细菌总数的测定 实验实验8 大肠菌群数

5、的测定大肠菌群数的测定-多管发酵法多管发酵法 第一章第一章 绪论绪论l1.1 微生物的概念微生物的概念l1.2 微生物学的研究内容微生物学的研究内容l1.3 人类对微生物的认识及研究人类对微生物的认识及研究l1.4 环境工程微生物学的概念环境工程微生物学的概念l1.5 环境工程微生物学的研究内容和任务环境工程微生物学的研究内容和任务l1.6 环境工程微生物的学发展及研究现状环境工程微生物的学发展及研究现状l1.7 环境工程微生物学所涉及的学科环境工程微生物学所涉及的学科1.1 微生物的概念微生物的概念l微生物微生物(Microorganism，MS)：微生物是指个：微生物是指个体微小、形态构造

6、简单的无器官分化或仅有低体微小、形态构造简单的无器官分化或仅有低级器官分化的单细胞的或多细胞的或非细胞生级器官分化的单细胞的或多细胞的或非细胞生物的统称，一般要借助显微镜才能观察。物的统称，一般要借助显微镜才能观察。l主要包括主要包括无细胞结构且不能独立生活的病毒；无细胞结构且不能独立生活的病毒；属原核细胞的细菌属原核细胞的细菌(真细菌和古细菌真细菌和古细菌)、放线菌、蓝细、放线菌、蓝细菌菌(蓝藻蓝藻)、支原体、衣原体及立克次氏体；、支原体、衣原体及立克次氏体；真核细胞的真菌、单细胞藻类及原生动物等。真核细胞的真菌、单细胞藻类及原生动物等。1.2 微生物学的研究内容微生物学的研究内容l微生物学

7、微生物学(Microbiology)：研究微生物生命活动：研究微生物生命活动规律的一门学科。内容包括研究微生物的形态规律的一门学科。内容包括研究微生物的形态结构、分类、生态、营养代谢、生长发育、遗结构、分类、生态、营养代谢、生长发育、遗传变异等。其目的是认识、利用、控制和改造传变异等。其目的是认识、利用、控制和改造微生物，为人类造福。微生物，为人类造福。环境微生物学：研究人类生存环境与微生物之间的环境微生物学：研究人类生存环境与微生物之间的相互关系与作用规律的科学，它着重研究微生物对相互关系与作用规律的科学，它着重研究微生物对人类环境所产生的有益与有害影响，阐明微生物、人类环境所产生的有益与有

8、害影响，阐明微生物、污染物与环境之间相互关系及作用规律。污染物与环境之间相互关系及作用规律。1.3 人类对微生物的认识及研究人类对微生物的认识及研究微生物推测时期：公元前微生物推测时期：公元前5000年到公元年到公元1675年年(清，康熙十四年清，康熙十四年)，思想家推测思想家推测传染传染病可病可能是由于微小生物生长的结果，但无法验能是由于微小生物生长的结果，但无法验证；证；1.3 人类对微生物的认识及研究人类对微生物的认识及研究微生物推测微生物推测时期时期微生物的发现时期：微生物的发现时期：17世纪世纪19世纪，以世纪，以列列文虎克文虎克1675年发年发表的作品为代表表的作品为代表；又叫形态

9、；又叫形态学时期。学时期。微生物学的开山祖1.3 人类对微生物的认识及研究人类对微生物的认识及研究(续续1)微生物的认识和利用时期：从微生物的认识和利用时期：从19世纪中期到世纪中期到20世世纪初（又称生理学时期）纪初（又称生理学时期）l路易路易巴斯德巴斯德(18221895)（道光（道光2年年甲午中日战争），甲午中日战争），法法国的化学家和伟大的微生物学家国的化学家和伟大的微生物学家细菌学之父1.3 人类对微生物的认识及研究人类对微生物的认识及研究(续续1)微生物的认识和利用时期：微生物的认识和利用时期：从从19世纪中期到世纪中期到20世纪世纪初初l路易路易巴斯德巴斯德(18221895)，

10、法国的化学家和伟大的，法国的化学家和伟大的微生物学家微生物学家A 证实微生物的活动；证实微生物的活动；B 初步应用免疫学，利用预防接种法治疗疾病，给人类带来初步应用免疫学，利用预防接种法治疗疾病，给人类带来幸福（如人类通过种牛痘预防天花病）；幸福（如人类通过种牛痘预防天花病）；C 证实了发酵作用与微生物活动有关；证实了发酵作用与微生物活动有关；D 发明了巴氏灭菌法发明了巴氏灭菌法E 分离鉴定了引起家蚕蚕病杆菌并提出预防措施，被誊为细分离鉴定了引起家蚕蚕病杆菌并提出预防措施，被誊为细菌学之父。菌学之父。1.3 人类对微生物的认识及研究人类对微生物的认识及研究(续续2)微生物的认识和利用时期：微生

11、物的认识和利用时期：从从19世纪中期世纪中期到到20世纪初世纪初l罗佰特罗佰特柯赫柯赫(18431910)（道光（道光23年年清宣统二年）清宣统二年）1.3 人类对微生物的认识及研究人类对微生物的认识及研究(续续2)微生物的认识和利用时期：微生物的认识和利用时期：从从19世纪中期到世纪中期到20世纪初世纪初l罗佰特罗佰特柯赫柯赫(18431910)A 提出了证明某种微生物是否为某种疾病病原体的提出了证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则基本原则柯赫原则（柯赫原则（柯赫法则），被誉为细柯赫法则），被誉为细菌学技术之父；菌学技术之父；B 具体证实了炭疽病菌是炭疽病的病原菌；具体证实了炭疽病菌

12、是炭疽病的病原菌；C 发现了肺结核病的病原菌发现了肺结核病的病原菌(当时死亡率极高当时死亡率极高)，因，因此获得诺贝尔奖此获得诺贝尔奖;D微生物基本操作技术方面的贡献：用固体培养基微生物基本操作技术方面的贡献：用固体培养基分离纯化微生物的技术、配制培养基等。分离纯化微生物的技术、配制培养基等。1.3 人类对微生物的认识及研究人类对微生物的认识及研究(续续3)近代微生物学发展近代微生物学发展（1）电镜的发展）电镜的发展（2）病毒的发现）病毒的发现1892年，俄国伊凡偌夫斯基年，俄国伊凡偌夫斯基18641970 首先发现病毒首先发现病毒;1897年美国斯年美国斯坦利（坦利（Stanley）分离到烟

13、草（分离到烟草（TMV）病毒结）病毒结晶晶（3）免疫学兴起：利用预防接种方法防病）免疫学兴起：利用预防接种方法防病（4）化学疗法：化学疗法：传染病用化学药物来治病传染病用化学药物来治病（5）抗生素应用：用真菌等生物产生的抗生素来治疗抗生素应用：用真菌等生物产生的抗生素来治疗疾病疾病1.4 环境工程微生物学的概念环境工程微生物学的概念l环境工程微生物学：在对微生物进行一般性研环境工程微生物学：在对微生物进行一般性研究的基础上，着重研究自然环境和污染环境中究的基础上，着重研究自然环境和污染环境中微生物的特点、作用规律及微生物在环境与工微生物的特点、作用规律及微生物在环境与工程处理中应用的学科程处理

14、中应用的学科。1.5 环境工程微生物学的研究内容环境工程微生物学的研究内容和任务和任务l研究微生物的基础知识研究微生物的基础知识l研究栖息在各种环境中的微生物及其生态研究栖息在各种环境中的微生物及其生态l饮水卫生微生物饮水卫生微生物l自然界物质循环与转化自然界物质循环与转化l水体、土壤的自净作用，环境污染与环境水体、土壤的自净作用，环境污染与环境工程净化的原理。工程净化的原理。l(1)、土著菌土著菌的开发利用的开发利用自然环境自然环境中微生物中微生物驯化驯化印染废水印染废水尾矿废水尾矿废水废弃塑料废弃塑料石油污染石油污染垃圾垃圾农药生产农药生产废水废水1.6 环境工程微生物学的发展环境工程微生

15、物学的发展及研究现状及研究现状l(2)、构建、构建遗传工程菌遗传工程菌1.6 环境工程微生物学的发展环境工程微生物学的发展及研究现状及研究现状l(3)、环境污染、环境污染原位处理原位处理生物修复生物修复Bioremediation：利用微生物清除：利用微生物清除土壤和水体包括地下水中的污染。土壤和水体包括地下水中的污染。1.6 环境工程微生物学的发展环境工程微生物学的发展及研究现状及研究现状l(4)、污染物资源化及建立清洁、污染物资源化及建立清洁生产工艺生产工艺利用废纤维素生产燃料乙醇利用废纤维素生产燃料乙醇利用有机废物生产甲烷利用有机废物生产甲烷利用木材废弃物所含纤维素生产木糖及木糖利用木材

16、废弃物所含纤维素生产木糖及木糖醇醇高浓度有机高浓度有机无毒废水无毒废水酵母和光合酵母和光合细菌细菌单细单细胞蛋胞蛋白白1.6 环境工程微生物学的发展环境工程微生物学的发展及研究现状及研究现状l(5)、基础研究基础研究微生物降解转化污染物的机理深入到基因微生物降解转化污染物的机理深入到基因DNA的分子水的分子水平平从基因从基因DNA组成结构的变化追溯到相关的生理生化学的组成结构的变化追溯到相关的生理生化学的变化及其代谢功能的变化变化及其代谢功能的变化从环境微生物中分离鉴定出特定降解污染物的基因，并从环境微生物中分离鉴定出特定降解污染物的基因，并应用该基因构建高效降解污染物的基因工程菌应用该基因构

17、建高效降解污染物的基因工程菌利用环境微生物分子遗传学指标和生理生化指标作为生利用环境微生物分子遗传学指标和生理生化指标作为生物标志（物标志（Biomarker）去指示环境污染状况）去指示环境污染状况研究微生物降解污染物反应动力学及其数学模型和相关研究微生物降解污染物反应动力学及其数学模型和相关参数，发现清除污染物与相关因素之间的定量关系参数，发现清除污染物与相关因素之间的定量关系计算机软件开发、试剂盒的应用、遥感技术的配合和多计算机软件开发、试剂盒的应用、遥感技术的配合和多种传感器及生物反应器等种传感器及生物反应器等1.7 环境工程微生物学所涉及的学环境工程微生物学所涉及的学科科l污染控制微生

18、物工程领域污染控制微生物工程领域环境科学、微生物学、环境工程学环境科学、微生物学、环境工程学l基础理论及工程实施领域基础理论及工程实施领域生物化学、遗传学、环境地学、环境毒理学、生物化学、遗传学、环境地学、环境毒理学、环境监测与评价、生态学、水力学、气象学、环境监测与评价、生态学、水力学、气象学、土壤学等土壤学等1.8 微生物的特点微生物的特点l(1)、个体微小、构造简单、比表面积大；、个体微小、构造简单、比表面积大；生物类别生物类别比表面积（表面积比表面积（表面积/体积体积/）乳酸杆菌乳酸杆菌12万倍万倍鸡蛋鸡蛋1.5倍倍90公斤体重的人公斤体重的人0.3倍倍EUCARYA真核生物真核生物A

19、RCHAEA古菌古菌BACTERIAProtists原生生物原生生物MacroscopicorganismsEURYARCHAEOTAGiardiaHexamitaTrichomonasVairimorphaPhysarumTrypanosomaEuglena眼虫属NaegleriaEntamoebaAmoebae阿米巴slime mold粘菌类BabesiaParameciumred algaebrown algaediatomsplantsfungianimalsCiliates纤毛AquifexThermotogaChloroflexusThermomicrobiumThermusStr

20、eptomyces链霉菌属Mitochondrion线粒体AgrobacteriumDesulfo-vibrioChloroplast叶绿体SynechococcusPlanctomycesClostridium梭菌属Bacillus杆菌属HeliobacteriumE.coliRhodocyclusChlorobiumFlavobacterium黄质菌属，产黄菌属CytophagapJP 27pJP 78marine SBAR5pSL12pSL4pSL50ThermofilumThermoproteus热变形菌属Pyrodictium热网菌属DesulfurococcusSulfolobus

21、MethanopyrusThermococcus热球菌属Methanococcus甲烷球菌属Methanobacterium甲烷杆菌属ArchaeoglobusThermoplasmaMethanospirillumHaloferaxLast commonancestor16S rRNA“Tree of Life”Barns&Nierzwicki-Bauer,1997CRENARCHAEOTAl(2)、种类繁、种类繁多，分布广多，分布广泛泛1.8 微生物的特点微生物的特点1.8 微生物的特点（续微生物的特点（续1）l(3)、生长繁殖快、生长繁殖快生物类别生物类别繁殖速率繁殖速率细菌细菌20分钟

22、分钟/代，代，24小时可繁殖成小时可繁殖成4万亿亿个细胞万亿亿个细胞植物植物细菌比之快细菌比之快500倍倍动物动物细菌比之快细菌比之快2000倍倍1.8 微生物的特点（续微生物的特点（续2）l(1)、个体微小、构造简单、比表面积大；、个体微小、构造简单、比表面积大；l(2)、种类繁多，分布广泛、种类繁多，分布广泛l(3)、生长繁殖快、生长繁殖快l(4)、适应性强、易发生变异、适应性强、易发生变异1.9 学习与研究微生物的基本方法学习与研究微生物的基本方法l(1)、普通光学显微镜、普通光学显微镜l(2)、微生物染色法、微生物染色法l(3)、培养观察法、培养观察法l(4)、微生物生理生化反应法、微

23、生物生理生化反应法l(5)、电子显微镜观察法、电子显微镜观察法观察病毒观察病毒观察研究细微构造观察研究细微构造(如细胞壁层次如细胞壁层次)l(1)、普通光学显微镜、普通光学显微镜l(2)、微生物染色法、微生物染色法1.9 学习与研究微生物的基本方法学习与研究微生物的基本方法l(3)、培养观察、培养观察法法1.9 学习与研究微生物的基本方法学习与研究微生物的基本方法l(4)、微生物生理生化反应法、微生物生理生化反应法生化特性生化特性艾希氏艾希氏菌属菌属志贺氏志贺氏菌属菌属爱德华爱德华氏菌属氏菌属沙门氏沙门氏菌属菌属枸橼酸枸橼酸杆菌属杆菌属靛基质靛基质+-/+V-P反应反应-西蒙氏枸西蒙氏枸橼酸盐

24、利橼酸盐利用试验用试验-d+注：注：+90%以上阳性；以上阳性；-90%以上阴性；以上阴性；-/+多数阴性，少数多数阴性，少数阳性；阳性；d有不同生化型有不同生化型1.9 学习与研究微生物的基本方法学习与研究微生物的基本方法l（5）、电子显微镜观察法）、电子显微镜观察法观察病毒观察病毒观察研究细微构造观察研究细微构造(如细胞壁层次如细胞壁层次)最大的杆菌（电镜，10000倍）1.9 学习与研究微生物的基本方法学习与研究微生物的基本方法l门、纲、目、科、属名的字首字母要门、纲、目、科、属名的字首字母要大写大写，除属名，除属名外不印成斜体字。属、种名印刷用斜体字或底下划外不印成斜体字。属、种名印刷

25、用斜体字或底下划线线1.10 微生物的分类单位与命名微生物的分类单位与命名二名法二名法=属名属名+种的加词种的加词+(首次定名人首次定名人)+现名定名人现名定名人+定名定名年份年份 如如Escherichia coli(Migula)Castellani&Chalmers 1919;简写为简写为E.coli.有时加命名人的姓来区别同物异名或同名异物有时加命名人的姓来区别同物异名或同名异物三名法三名法=学名学名+种的加词种的加词+var.或或subsp.+变种或亚种的加词变种或亚种的加词（变种或亚种（变种或亚种(在实验室获得的变异型，在实验室获得的变异型，subsp.)的学名的学名Bacillu

26、s substilis var.niger 枯草芽孢杆菌黑色变种枯草芽孢杆菌黑色变种1.10 微生物的分类单位与命名微生物的分类单位与命名l菌株菌株(strain)：同种不同来源的微生物纯培养。其名：同种不同来源的微生物纯培养。其名称放在学名后面，可用字母、符号、编号自行决定称放在学名后面，可用字母、符号、编号自行决定1.10 微生物的分类单位与命名微生物的分类单位与命名1.11 微生物学的重要性微生物学的重要性l（1）、微生物在分类学中的地位）、微生物在分类学中的地位但是，微生物研究兴起后，出现疑问：如眼虫藻，含叶绿体，但是，微生物研究兴起后，出现疑问：如眼虫藻，含叶绿体，又能走动，无真正的

27、细胞壁，属于动物还是植物？又能走动，无真正的细胞壁，属于动物还是植物？区别区别动物动物植物植物能源能源化学能化学能光能光能碳源碳源化学能化学能光能光能运动运动能能不能不能细胞壁细胞壁无无有有叶绿体叶绿体无无有有1.11 微生物学的重要性微生物学的重要性l（1）、微生物在分类学中的地位）、微生物在分类学中的地位但是，微生物研究兴起后，出现疑问：如眼虫藻，含叶绿体，但是，微生物研究兴起后，出现疑问：如眼虫藻，含叶绿体，又能走动，无真正的细胞壁，属于动物还是植物？又能走动，无真正的细胞壁，属于动物还是植物？区别区别动物动物植物植物能源能源化学能化学能光能光能碳源碳源化学能化学能光能光能运动运动能能不

28、能不能细胞壁细胞壁无无有有叶绿体叶绿体无无有有l（1）、微生物在分类学中的地位）、微生物在分类学中的地位原生生物原生生物生物生物细胞型生物细胞型生物非细胞型生物非细胞型生物 病毒病毒原核细胞生物原核细胞生物原核生物原核生物真核细胞生物真核细胞生物动物动物植物植物真菌真菌真核原生生物真核原生生物1.11 微生物学的重要性微生物学的重要性1.11 微生物学的重要性微生物学的重要性l（2）、）、微生物在环境中的作用微生物在环境中的作用l物质循环物质循环l植物病原菌植物病原菌l生物防治剂生物防治剂l环境保护环境保护花卉病虫害1.11 微生物学的重要性微生物学的重要性l（3）、）、医学医学l引起疾病引起疾病l抗生素抗生素l药物药物甲癣甲癣1.11 微生物学的重要性微生物学的重要性l（4）、）、食品食品l食品加工食品加工l食品腐败食品腐败发酵罐发酵罐螺旋藻腐乳1.11 微生物学的重要性微生物学的重要性l（5）、）、生物工程生物工程合成化合物合成化合物l（6）、科学研究）、科学研究l用作模式生物去研究生物化学和遗传学的过程用作模式生物去研究生物化学和遗传学的过程几百万个同样的、单细胞的拷贝，能以大量、非常快速而且几百万个同样的、单细胞的拷贝，能以大量、非常快速而且低值获得均质的实验材料；且没有种族上的异议低值获得均质的实验材料；且没有种族上的异议DNA