1、环境工程微生物学环境工程微生物学绪论l微生物:是形体微小，结构简单，肉眼看不见的、必须在电子显微镜或光学显微镜下才能看见的所有微小生物的统称。l微生物的特点:1个体极小;2分布广，种类繁多;3繁殖快;4易变异。l原核微生物:原核微生物的核很原始，只是DNA链高度折叠形成的一个核区，没有核膜，核质裸露与细胞质没有明显的界限，称为拟核或似核，也没有细胞器，不进行有丝分裂。l真核微生物:真核微生物有发育完好的细胞核，核内有核仁和染色质.有核膜将细胞核和细胞质分开，使两者有明显的界限.有高度分化的细胞器，进行有丝分裂。第一篇微生物学基础l病毒的特点:1形体极其微小，一般能通过细菌滤器，只有在电子显微镜
2、下才能观察到，用nm表示;2无细胞构造，主要是核酸与蛋白质;又称分子生物;3只含一种核酸，DNA或RNA;4缺乏独立代谢能力;只能在活细胞内利用宿主细胞的代谢机器，合成核酸和蛋白质。l病毒粒子:成熟的病毒感染单位，病毒复制的最后阶段，在宿主脂肪体细胞、血细胞和上皮细胞的核内复制，形成多边形和多角形的包含体，裸露或被囊膜包裹。l病毒的繁殖过程:吸附、侵入、复制、聚集、释放。l毒性噬菌体:侵入宿主细胞后，随即引起宿主细胞裂解的噬菌体;l温和噬菌体:当它侵入宿主细胞后，其核酸附着并整合在宿主染色体上，和宿主的核酸同步复制，宿主细胞不裂解而继续生长的噬菌体。古菌的分类:产甲烷菌、嗜热嗜酸菌、极端嗜盐菌
3、。l细菌的四种形态:球状、杆状、螺旋状和丝状，分别称为球菌、杆菌、螺旋菌和丝状菌。l细菌的细胞结构:细菌为单细胞结构。所有的细菌均有如下结构:细胞壁、细胞质膜、细胞质以及其内含物、拟核。l部分细菌有特殊结构:芽孢、鞭毛、荚膜、黏液层、衣鞘及光合作用层片等。l细胞壁:是包围在细菌体表最外层的、坚韧而有弹性的薄膜。原生质体:包括细胞质膜(原生质膜)、细胞质及内含物、拟核。细胞质内含物如下:核糖体、内含颗粒(多聚磷酸盐颗粒、聚-羟基丁酸、硫粒、糖原、气泡、藻青素颗粒、羧酶体、磁小体和磁铁矿颗粒)。荚膜:是一些细菌在其细胞表面分泌的一种黏性物质，把细胞壁完全包围封住。l芽孢:某些细胞在它的生活史中的某
4、个阶段或某些细菌在它遇到外界不良环境时，在其细胞内形成一个内生孢子叫芽孢。l芽孢的特点:1芽孢的含水率低，38%-40%;2芽孢壁厚而致密，分3层:外层是芽孢外壳，为蛋白质性质。中层为皮层，由肽聚糖构成，含大量2，6-吡啶二羧酸。内层为孢子壁，由肽聚糖构成，包围芽孢、细胞质和核质。芽孢萌发后孢子壁变为营养细胞的细胞壁;3芽孢中的2，6-吡啶二羧酸含量高，为芽孢干重的5%-15%;4芽孢含有耐热性酶;以上4个特点使芽孢对不良环境如:高温、低温、干燥、光线和化学药物有很强的抵抗力。芽孢是抵抗外界不良环境的休眠体。l鞭毛:生长在某些细菌表面的长丝状、波曲的蛋白质附属物，称为鞭毛，其数目为一至数十条，
5、具有运动功能。l革兰氏染色法:1在无菌操作条件下，用接种环挑取少量细菌于干净的载玻片上涂布均匀，固定;2用草酸铵结晶紫染色1min，水洗去掉浮色;3用碘-碘化钾溶液媒染1min，倾去多余溶液;4用中性脱色剂如乙醇或丙酮脱色，革兰氏阳性菌不被褪色而呈紫色，革兰氏阴性菌被褪色而呈无色;5用番红染液复染1min，革兰氏阳性菌仍呈紫色，革兰氏阴性菌则呈现红色。l革兰氏染色机理:1革兰氏染色与细菌等电点有关系:革兰氏阳性菌的等电点为pH2-3，革兰氏阴性菌的等电点为pH4-5;2革兰氏染色与细胞壁有关系:革兰氏阳性菌的脂质的含量很低，肽聚糖的含量高，革兰氏阴性菌脂质含量高，肽聚糖含量低。l蓝细菌的分类:
6、按其形态和细胞结构的特征分类为两纲:色球藻纲和藻殖段纲。l放线菌:主要呈丝状生长、以孢子进行繁殖、革兰氏染色阳性的一类原核微生物，属于真细菌范畴。l原生动物的营养类型:1全动性营养;2植物性营养;3腐生性营养。原生动物的分类及各纲简介:鞭毛纲、肉足纲、纤毛纲和孢子纲。使水体富营养化:的属于蓝藻门、甲藻门、裸藻门。l酵母菌:是单细胞真菌。酵母菌有发酵型和氧化型两种。l酶的组成:从化学组成来看，酶可分为单成分酶和全酶两类。前者只含蛋白质，而全酶除了蛋白质外，还要结合一些被称为辅基或辅酶的热稳定的非蛋白质小分子有机物或金属离子。l酶的活性中心:酶分子中氨基酸残基的侧链有不同的化学组成。其中一些与酶的
7、活性密切相关的化学基团称作酶的必需基团。这些必需基团在一级结构上可能相距很远，但在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能和底物特异结合并将底物转化为产物。这一区域称为酶的活性中心或活性部位。l影响酶促反应速率的因素(具体阐述作用机理):1酶的浓度对酶促反应速率的影响;2底物浓度对酶促反应速率的影响;3温度对酶促反应速率的影响;4pH对酶促反应速率的影响;5激活剂对酶促反应速率的影响;6抑制剂对酶促反应速率的影响。l异化作用:物质分解反应-将营养物质和细胞物质分解的过程释放能量;l同化作用:物质合成反应-将营养物质转变为机体组分的过程吸收能量。l培养基:根据各种微生物对营养的需要，包
8、括水、碳源、能源、氮源、无机盐及生长因子等按一定的比例配制而成的，用以培养微生物的基质。l培养基的种类:按培养基组成物的性质分类:1合成培养基;2天然培养基;3复合培养基。按培养基的物理性状分类:1液体培养基;2半固体培养基;3固体培养基。按培养基对微生物的功能和用途分类:1选择培养基;2鉴别培养基;3加富培养基;4普通培养基。l营养物进入微生物细胞的方式:1单纯扩散;2促进扩散;3主动运输;4基团转位。主动运输:当微生物细胞内所积累的营养物质浓度高于细胞外的浓度时，营养物质就不能按浓度梯度扩散到细胞内，而是逆浓度梯度被“抽“进细胞内。这一过程需要渗透酶和消耗能量。在主动运输中，有三种运载方式
9、:单一运载(是一种通过载体使带电荷或不带电荷的底物进入细胞的运输方式)、协同运载(两种底物通过同一载体按同一个方向运输的方式)和反向运载(两种底物通过同一载体以相反方向同时移动，阳离子及非电荷物质由胞内排出)。主动运输的渗透酶有三种:单向转运载体、协同转运载体和反向转运载体。1钠钾泵主动运输;2离子浓度梯度主动运输;3H+浓度梯度主动运输。lATP的生成方式:1基质水平磷酸化;2氧化磷酸化;3光合磷酸化。发酵:在无外在电子受体时，底物脱氢后所产生的还原力H不经呼吸链传递而直接交给某一内源性中间产物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。l好氧呼吸:有外在最终电子受体(O2)存在时，对
10、底物的氧化过程。l无氧呼吸:又称厌氧呼吸，是一类电子传递体系末端的受氢体为外源无机氧化物的生物氧化。l研究微生物生长的方法:分批培养(1停滞期;2对数期;3静止期;4衰亡期)和连续培养(1恒浊连续培养;2恒化连续培养)。l微生物生长的温度范围:温度是微生物的重要生存因子。每种微生物都有一定的温度生长范围，不同的微生物要求的最高、最低、最适生长温度不同。根据微生物生长温度范围和最适温度，通常把微生物分成嗜冷菌、嗜中温菌、嗜热菌及嗜超热菌。温度对微生物生长影响:升高温度，细胞中生化反应速率加快:每升高10，生化反应速度增加一倍。温度过高，细胞蛋白质、核酸可遭破坏。降温可延缓微生物的生命活动。在适宜
11、的温度界限以外，过高过低的温度均对微生物有影响。lpH对微生物生长影响:影响微生物生长的一个重要因素1引起细胞膜电荷的变化，从而影响了微生物对营养物质的吸收;2影响代谢过程中酶的活性;3改变生长环境中营养物质的可给性,以及有害物质毒性。l微生物与微生物之间的关系:1竞争关系;2原始合作关系(互生关系);3共生关系;4偏害关系;5捕食关系;6寄生关系。lDNA的变性:DNA的双螺旋结构由碱基对中碱基之间的氢键维持。当天然双链DNA受热或其他因素的作用下，两条链之间的结合力被破坏而分开成单链DNA。lDNA的复性:变性DNA溶液经适当处理后重新形成天然DNA的过程叫复性，或叫退火。l蛋白质合成过程
12、:1DNA复制:决定某种蛋白质分子结构的相应一段DNA链(结构基因)的自我复制;2转录mRNA:DNA的碱基排序决定mRNA(信使RNA)核苷酸碱基的排序叫转录。转录是双链DNA分开，以它其中一条单链为模板遵循碱基配对的原则转录出一条mRNA。新转录的mRNA链的核苷酸碱基的排列顺序与模板DNA链的核苷酸碱基排列顺序互补。DNA分子的某些部分核苷酸碱基顺序还转录成反义RNA、tRNA(传递信息RNA)和rRNA(核糖体RNA)。转录后mRNA的顺序又通过三联密码子的方式按相应的氨基酸排列顺序在rRNA上合成具有不同生理特性的功能蛋白质;3翻译:翻译由tRNA完成，tRNA链上有反密码子与mRN
13、A链上对氨基酸顺序编码的核苷酸碱基顺序(三联密码子)互补。tRNA具有特定识别作用的两端:tRNA的一端识别特定的、已活化的氨基酸，并与之暂时结合形成氨基酸-tRNA的结合分子。tRNA另一端有三个核苷酸碱基顺序组成的反密码子。它识别mRNA上的与之互补的三联密码子，并与之暂时结合;4蛋白质合成:通过两端识别作用，把特定氨基酸转送到rRNA核糖体上，使不同的氨基酸按照mRNA上的碱基顺序连接起来，在多肽合成酶的作用下合成多肽链，多肽链通过高度折叠形成特定的蛋白质结构，最终产生具有不同生理特性的功能蛋白。l微生物的变异:微生物的遗传性状发生变化称微生物的变异，主要是由基因突变和基因重组造成的。l
14、基因重组的手段:1杂交;2转化;3转导。基因工程:在基因水平上的遗传工程，又叫基因剪接或核酸体外重组。l基因工作操作五步:1先从供体细胞中选择获取带有目的基因的DNA片段;2将目的DNA的片段和质粒在体外重组;3将重组体转入受体细胞;4重组体克隆的筛选与鉴定;5外源基因表达产物的分离与提纯。lPCR即为DNA聚合酶链反应，广泛应用于法医鉴定、医学、卫生检疫、环境监测等方面。PCR技术是一种有选择性的体外扩增DNA或RNA片段的方法。第二篇微生物生态与环境生态工程中的微生物作用l生态系统:在一定时间和空间范围内由生物与它们的生境通过能量流动和物质循环所组成的一个自然体，简称生态系，用公式表达:生
15、态系统=生活群落+环境条件。l生态系统有四个基本组成:环境、生产者、消费者以及分解或转化者。l生物圈生态平衡:即使有外来干扰生态系统一般也能通过自行调节的能力恢复到原来的稳定状态，这就是生态系统的平衡，即生态平衡。l土壤自净:土壤对施入一定负荷的有机物或有机污染物具有吸附和生物降解的能力，通过各种物理、化学过程自动分解污染物使土壤恢复到原有水平的净化过程。l土壤生物修复:利用土壤中天然的微生物资源或人为投加目的菌株，甚至用构建的特异降解功能菌投加到各污染土壤中，将滞留的污染物快速降解和转化，恢复土壤的天然功能。l土壤生物修复技术的关键:微生物种、微生物营养、溶解氧、微生物的环境因子。l土壤修复
16、工程:1.微生物修复法原位生物修复和异位生物修复);2.植物修复法。l水体自净:河流接纳了一定量的有机污染物后，在物理的、化学的和水生物(微生物、动物和植物)等因素的综合作用后得到净化，水质恢复到污染前的水平和状态。l自净容量:指在水体正常生物循环中能够净化有机污染物的最大数值。l根据指示生物的种群、数量及水质划分污化带:多污带、-中污带、-中污带和寡污带。l氮循环:氮素以三种形态存在:分子氮、有机氮化合物、无机氮化合物。在微生物、植物和动物的三者协同作用下将三种形态的氮互相转化，构成氮循环。l氨化作用:有机氮化合物在氨化微生物的脱氨基的作用下产生氢的过程，成为脱氨作用，也叫氨化作用。l硝化作
17、用:氨基酸脱下的氨，在有氧条件下，经亚硝化细菌和硝化细菌的作用转化为硝酸。l反硝化作用:植物、藻类及其他微生物吸收硝酸盐，通过硝酸还原酶将硝酸还原成氨，由氨合成氨基酸、蛋白质及其他含氮化合物质。兼性厌氧的硝酸盐还原细菌将硝酸盐还原为氮气。l硫循环:参与硫循环的微生物有:好氧的贝日阿托氏菌属、发硫菌、硫杆菌;厌氧的微生物有:绿菌属、脱硫弧菌属、脱硫单胞菌属、着色菌属、不产氧光合细菌，还有嗜热古菌和蓝细菌。l硫化作用:在有氧条件下，通过硫细菌的作用将硫化氢氧化为单质硫，进而氧化为硫酸。参与硫化作用的微生物有硫化细菌和硫磺细菌。l反硫化作用:土壤淹水、河流、湖泊等水体处于缺氧状态时，硫酸盐、亚硫酸盐
18、、硫代硫酸盐和次硫酸盐在微生物的还原作用下形成硫化氢。l菌胶团的作用:(1)具有很强的生物絮凝、吸附能力和氧化分解有机物的能力;(2)对有机物的吸附和分解，为原生动物和微型后生动物提供了良好的生存环境;(3)为原生动物、微型后生动物提供附着栖息场所;(4)具有指示作用。l原生动物及微型后生动物的作用:指示作用、净化作用、促进絮凝作用和沉淀作用。l甲烷发酵理论与机制(四段论):l第一阶段:是水解和发酵性细菌群将复杂有机物如纤维素、淀粉等水解为单糖后，再酵解为丙酮酸;将蛋白质水结为氨基酸，脱氨基成有机酸和氨;脂质水解为各种低级脂肪酸和醇。第一阶段的微生物群落是水解、发酵性细菌群。l第二阶段:是产氢
19、和产乙酸细菌群把第一阶段的产物进一步分解为乙酸和氢气。第二阶段的微生物群落为产氢、产乙酸的细菌。l第三阶段:第三阶段的微生物是两组生理性质不同的专性厌氧产甲烷菌群。一组是将氢气和二氧化碳合成甲烷，或一氧化碳和氢气合成甲烷，另一组是将乙酸脱羧生成甲烷和二氧化碳，或利用甲酸、甲醇及甲基胺裂解为甲烷。l第四阶段:为同型产乙酸阶段，是同型产乙酸细菌将H2和CO2转化为乙酸的过程。l微生物脱氮原理:脱氮是利用好氧段经硝化作用，由亚硝化细菌和硝化细菌的协同作用，将NH3转化为NO2-N和NO3-N。再利用缺氧段经反硝化细菌将NO2-N(经反亚硝化)和NO3-N(经反硝化)还原为氮气(N2)，溢出水面释放到
20、大气，参与自然界氮的循环。l微生物除磷原理:某些微生物在好氧时不仅能大量吸收磷酸盐合成自身核酸和ATP，而且能逆浓度梯度过量吸收磷合成贮能的多聚磷酸盐颗粒(即异染颗粒)于体内，供其内源呼吸用，这些细菌称为聚磷菌。聚磷菌在厌氧时，又能释放磷酸盐于体外，故可以创造厌氧、缺氧和好氧环境，让聚磷菌先在含磷污(废)水中厌氧放磷，然后在好氧条件下充分地过量吸磷，然后通过排泥从污(废)水中除去部分磷，可以达到减少污(废)水中磷含量的目的。l堆肥法:一种古老的微生物处理有机固体废物的方法，俗称“堆肥“。堆肥化:依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌和真菌等微生物，有控制的促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程。堆肥是堆肥化的产品。堆肥是优质的土壤改良剂和农肥。有好氧堆肥和厌氧堆肥。l固定化酶:从筛选、培育获得的优良菌种体中提取活性极高的酶，再用包埋法等方法将酶固定在载体上，制成不溶于水的固态酶。l固定化微生物:以与固定化酶相同的固定方法将酶活力强的微生物固定在载体上。l特性:性能好，具有稳定、降解有机物性能强、耐毒、抗杂菌、耐冲击负荷等优点。l固定方法:1载体结合法;2交联法;3包埋法;4逆胶束酶反应系统。
