1、1,环境工程微生物 （水处理生物学）,枯草杆菌,大肠杆菌（基因工程菌）,2,教 材 顾夏声等编：水处理生物学(第4版) ，建工出版社主要参考书 王家玲主编: 环境微生物学，高教社 周群英等编环境工程微生物学（第二版），高教社 周德庆编微生物学教程（第二版），高教社 Madigan, M.T. et al., Biology of Microbiology, Prentice Hall,教材与主要参考书,3,Appl. Environ. Microbiol. Environ. Microbiol. Current Microbiol. Microbial Review J. Bacteriol.
2、 Biotechnol. Bioeng. Appl. Microbiol. Biotechnol. Biotechnol. Appl. Biochem. Trends in Biotechnol. Process Biochem. Bioresource Technol.,Enzyme Microbe Technol. J. Microbial. Methods J. Ferment. Bioeng. 环境科学 中国环境科学 生物工程学报 微生物学杂志 微生物学报 微生物学通报 应用与环境生物学报,有关学术期刊,4,学时安排3学分(授课28学时、实验6学时)成绩评价方法/方式平时作业 15%实
3、验+报告 15%期末考试 70%,学时安排与成绩评价,5,第一章 绪论 第二章 原核微生物 第三章 古细菌 第四章 真核（微）生物 第五章 病毒 第六章 微生物的生理特性 第七章 微生物的生长和遗传变异 第八章 微生物的生态 第九章 微生物对污染物的分解与转化 第十章 污水生物处理系统中的主要微生物 第十一章 水卫生生物学 第十二章 水中有害生物的控制 第十三章 水质安全的生物检测 十四章 微生物的研究方法(以实验为主),本课程的主要内容,6,一、环境微生物学的研究内容二、微生物的一般特点三、微生物的分类与命名,第一章 绪论,7,1、什么叫微生物？,微生物（microorganism、 mic
4、robe） 肉眼看不见或看不清楚的微小生物的总称。小（个体微小）简（结构简单）低（进化地位低）,一、环境微生物学的研究内容,8,小,m级：光镜可见 nm级：电镜可见,形体微小,9,The white bar above represents 10 microns (0.01mm). Below are some organisms and cells drawn to approximate scale.,virus(0.05 to 0.1 microns),bacteria (0.5 to 1.5 microns),red blood cell (5 microns),10,简,单细胞 简单
5、多细胞 非细胞结构,结构简单,一、环境微生物学的研究内容,11,低,原核类： 三菌(细菌、放线菌、蓝细菌)三体(支原体、衣原体、立克次氏体) 真核类：真菌原生动物单细胞藻类 非细胞生物：病毒类病毒朊病毒,进化地位低,一、环境微生物学的研究内容,12,细胞,群体,分子,形态结构,生理代谢,遗传变异,生态分布,分类,进化,并将其应用到发酵、医学卫生、生物工程、环境保护等领域。,其主要任务是发掘、利用和改善有益微生物，控制、消灭或改造有害微生物。,一、环境微生物学的研究内容,13,微生物学的分科,基础微生物学（General Microbiology）或 微生物生物学（Biology Of Micr
6、oorganisms）,微生物生态学、微生物分类学,按基本生命 规律分,应用微生物学（Applied Microbiology）,按应用领域分,工业微生物学、农业微生物学、 食品微生物学、环境微生物学,细菌学、真菌学、藻类学、自养微生物学,按研究对象分,一、环境微生物学的研究内容,14,土壤微生物学、海洋微生物学、 水微生物学、环境微生物学,按所在生态 环境分,按与其他学科 交叉情况分,微生物数值分类学、 微生物化学分类学、 化学微生物学,一、环境微生物学的研究内容,15,诞生：随着环境污染的日益加剧，微生物在环境污染防治方面的作用越来越大，环境微生物技术的研究越来越深入。在此背景下，逐步由微
7、生物学分化出来一个边缘学科,3、环境微生物学（Environmental Microbiology）,美国微生物学会（ASM）American Society For Microbiology,“Applied Microbiology”改名为“Applied and Environmental Microbiology，标志着环境微生物学作为一门学科的正式形成。,研究对象：自然和人工环境中的微生物及其微生物过程。,环境微生物学,一、环境微生物学的研究内容,16,Roles of microorganisms in the flied of Environmental and Ecologic
8、al Engineering,Big jobs,Great worker,B,B,一、环境微生物学的研究内容,17,污染物的微生物分解与转化过程及其复杂性,一、环境微生物学的研究内容,18,污水活性污泥（AS）处理系统,污水活性污法的工艺流程,为了给生物反应器中的微生物(活性污泥)提供氧气，工程上要用空压机向反应器中的污水鼓气(即曝气)，因此活性污泥处理系统的生物反应器一般称为“曝气池”。,一、环境微生物学的研究内容,19,环境工程微生物学的研究任务,微生物的形态、结构、生理特性、代谢、生长/繁殖、遗传与变异 微生物在环境中存在的基本状况与活动规律 微生物对污染物的转化与分解作用 有害微生物的
9、控制理论 环境微生物的检测技术 环境污染防治中的微生物学问题,一、环境微生物学的研究内容,20,环境微生物工程（A）与工业微生物工程（B）的比较,目的,A：代谢产物和菌体尽量少。,B：代谢产品的生产和菌体。目标：投入少，产出多。,分解对象,A：量和质随时间变化大，组成不明确。（对微生物活性影响大）。,环境条件,B：分解对象（培养基组成）明确，量质方面的变动小。,A：环境条件变化大。,B：条件一定，被保持在一定水平上，发酵,一、环境微生物学的研究内容,21,利用的微生物 (微生物利用水平),微生物种群水平（population）,A：复合微生物系统,多种微生物共存，通过不同微生物的“接力”，最终
10、把污染物分解为CO2.,抗变能力强,稳定性好（形成食物链）,群体构造复杂，可控制性差,生态系统水平,一、环境微生物学的研究内容,22,生成物,A：复合菌体+CO2、CH4等。,B：一种菌体+各种代谢产物,操作方式,A：连续操作多、间歇操作少。（开放系）,B：间歇操作、半连续。（密闭系）,非稳态系统的控制,稳态运行的实现,规模,A：大，数千立方米数十万立方米,B：小，数立方米水平,一、环境微生物学的研究内容,23,环境微生物反应器的特点 （复杂系统）,进料组分不明确（复杂、多样）,微生物群体不明确（种类多、性质各异）,规模大,微生物群落结构的认识非常重要,局限性,反应速率慢,不能处理所有的污染物
11、,不易控制,一、环境微生物学的研究内容,24,环境微生物技术是一种具有广阔发展前景的高新技术,经济、大规模、稳定性,应用领域逐渐扩大,清洁生产,一、环境微生物学的研究内容,25,高效菌株、菌群的培育、开发与利用,有毒有害污染物的降解机理与调控,极端条件下的环境生物技术（古细菌）,寒冷地区、炎热地区,高温废水（7080摄氏度）,高含盐废水（石油废水）,酸性废水（矿山废水）,低温废水（味精废水）,微生物能源、生物炼制,微生物种群结构及其功能的优化与调控,一、环境微生物学的研究内容,26,比表面积大、种类多、分布广、代谢快、繁殖快、适应性强、易变异,1、比表面积大：specific area （体积
12、小、面积大）,比表面积极大是微生物与大型动物相区别的关键所在，也是赋予微生物其他 共性的本质所在。 大面积系统必然有一个巨大的物质交换面，可以促进营养物的吸收、代谢物的排泄、环境信息的接收等。,27,体积小，面积大，比表面积大,比表面积Surface to Volume Ratio 营养物质吸收、代谢废物排泄、环境信息交换,28,2、种类多,目前已发现的微生物大约有10万种以上。（见表）,目前发现的微生物仅仅是冰山的一角。,随着分离、培养方法的改进和非培养技术（DNA杂交法、化学分析法）微生物的新种、新属、新目将会增加许多。,就目前的分离、培养技术只能培养出所存在微生物的1%20%左右。有一些
13、是不能被培养的微生物。 VBNC/VNC （Viable but non-culturable） （见表）,29,主要微生物的种数*,*本表参考Whittaker, R.H.et al.Biology Data Book, 2nd ed.,Vol.1,1972.P.529。,30,Culturability determined as a percentage of culturable bacteria to total cell counts*Habitat Culturability (%)Seawater 0.001-0.1Freshwater 0.25Mesotrophic lake
14、 0.1-1Unpolluted estuarine waters 0.1-3Activated sludge 1-15Sediments 0.25Soil 0.3*Amann, R. I., et al : Phylogenetic identification and in situ detection of individual microbial cells without cultivation, Microbiological Reviews, Mar. 1995, p143-169.,31,由种类多而派生出来的特点,32,微生物产酶的种类也非常丰富，仅“工具酶”中的型限制性内切酶
15、，在各种微生物中就发现1400种以上。,3、分布广,广泛分布于土壤、空气和水体等自然环境中。,也广泛的存在于生物体内。,人体肠道中经常聚居着100400种不同种类的微生物（总重量约等于粪便干重的1/3左右）。 植物细胞中的微生物,微生物小而轻可以到处传播和定居。 适应能力强,33,一些数字,引自 沈萍 微生物学,每克新鲜植物叶子表面附生着大约1106个微生物 人的皮肤上平均每平方厘米含有105个细菌 人体肠道内菌体总数达100万亿个左右（人体细胞数量50万亿）。粪便中细菌大约占粪便干重的1/3 每个喷嚏的飞沫含4500-150000个细菌，重感冒患者为8500万 生活在土壤中和地下的细菌数加起
16、来，估计其总重量为100341012吨。,34,一些数字,每张纸币带有9106个细菌。 大肠杆菌在1个小时内可消耗相当于它们自身重量2000倍的糖。 被埋在琥珀中达2500万年的芽孢，当放到营养培养基上时仍可萌发生长。 全世界海洋中微生物的总重量约280亿吨,引自 沈萍 微生物学,35,4、代谢速度快,呼吸速率远远大于高等动植物组织。,大肠杆菌每小时可分解其自重1000-10,000倍的乳糖 产朊假丝酵母（Candida utilis ）比大豆强100倍的蛋白质合成能力,36,5、繁殖快,微生物的代时（generation time）,倍加时间（doubling time）,大肠杆菌18min
17、 （每日分裂80次）,指数分裂 2n,增加率1.21024,注意：细菌的指数分裂只能维持很短的时间。在液体培养基中，细菌浓度一般仅能达到108109cell/mL。,37,若干微生物的代时及每日增殖率,*为念珠蓝菌属（Nostoc）的旧称。与细菌同属原核生物。,38,6、适应性强：,是分布广的基本原因,微生物对环境条件，特别是 “极端环境”具有惊人的适应力。,耐高温菌：8090oC条件下能正常生长。,北斐济海底熱水(285)中发现的细菌,沖縄海底熱水bloom中发现的细菌,東太平洋南部熱水中发现的硫氧化菌（荧光染色）,39,耐低温菌：在80oC条件下大多数细菌仍能保持生命。（菌的保存）,耐压菌
18、：酵母菌为500atm。,40,耐干燥：能产生芽孢的细菌可在干燥条件保藏几十年。,耐毒物菌：如Cr6+、HCN,耐辐射菌,41,42,7、易变异,由于数量多，繁殖快，与外界直接接触等原因，容易产生变化。最常见的是基因突变。,菌株选育、驯化,耐抗生素菌,43,微生物的分类,原核生物,真核微生物,非细胞生物病毒,古菌,细胞生物,三、微生物的分类与命名,1、微生物的分类,44,按16SrRNA碱基顺序比较细菌、古菌核真核生物的系统 发育树的综合图(摘自T.D.Brlck. Biology of Microorganisms.1997),45,生物分类方法：,TAXONOMYThe naming of
19、 different species 界 Kingdom A group of similar divisions门 Division(Phylum) A group of similar class纲 Class A group of similar order目 Order A group of similar family科 Family A group of similar genera属 Genera A group of similar species种 Species A group with similar characteristics,七级分类，必要时每一级还进行更细的区分
20、，如亚门、亚纲,三、微生物的分类与命名,46,细胞核（nucleus）：包含DNA的小器官，原核微生物的细胞核与细胞质没有明确的分离开。,古菌Archaea（？）,47,说明：目前，国内外在分类学方面还不统一，本课程不深究这些方法，需要时可查阅专门书籍如:伯杰氏细菌鉴定手册19231974， 1-8版Bergeys Manual of Delerminative Bacteriology1984版称伯杰氏系统细菌学手册（4册）Bergeys Manual of systematic Bacteriology 2000年起第二版分5册陆续出版,三、微生物的分类与命名,48,Family 科 -
21、Enterobacteri 肠杆菌科Genera 属 - Escherichia 埃希菌属Species 种 - coli 大肠埃希氏菌,2、微生物的命名方法,三、微生物的分类与命名,49,属名：表示该种微生物主要特征的名词或用作名词的形容词。,种名加词：代表一个种的次要特征,三、微生物的分类与命名,50,几点说明：,1） 属名的第一个字母大写,2）属名略写时，常用第一个字母或第一个母音的主音节。,三、微生物的分类与命名,51,4）种名未确定时，可以用 sp. (正体字) 代替。,三、微生物的分类与命名,52,5）菌株（strain）：表示由任何一个独立分离的单细胞 繁殖而成的纯种群体即其一切
22、后代。,菌株的表达方法：菌株的名称放在学名的后面，可随意用字母和加编号（有些往往有一定的意义，比如，机关名字、人名等的缩写等。）,E. Coli K12 (最常用的大肠杆菌菌株。基因组已于1997年发表） E. Coli O-157：H7 （一致病性大肠杆菌。基因组已于2000年发表）,三、微生物的分类与命名,53,一种微生物的每一不同来源的纯培养物均可成为该菌种的一个菌株。 在同一菌种的不同菌株间，作为分类鉴定的主要性状上虽然相同，但作为非鉴定用的小性状可以有很大的差异。尤其是生化性状、代谢产物的产量、性状等。菌株实际上是某一微生物达到“遗传性纯”的标志。因此，一旦某菌株发生自发变异或经诱变后，均应标上新的菌株名称。,关于菌株的几点说明,三、微生物的分类与命名,
