环境微生物学01第一章绪论.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,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）,1,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,2,Appl.Environ.Microbiol.,Environ.Microbiol.,Current Microbiol.,Microbial Review,J.Bacteriol.,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,3,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%,实验+报告 15%,期末考试 70%,学时安排与成绩评价,4,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,5,一、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,6,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),9,简,单细胞,简单多细胞,非细胞结构,结构简单,一、环境微生物学的研究内容,10,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,11,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,2、微生物学及其分科,研究微生物的科学。,在 水平上研究微生物的 等的基本规律，,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,12,微生物学的分科,基础微生物学（General Microbiology）或,微生物生物学（Biology Of Microorganisms）,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,13,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,14,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,15,Cycle of natural substances in the earth.,Self-purification of an ecosystem,Biological wastewater treatment,Biological deodorization,Bioremediation/,biorestoration,of,contaminated soils and groundwater,Biotransformation of solid wastes(Composting),Roles of microorganisms in the flied,of Environmental and Ecological Engineering,Big jobs,Great,worker,B,B,一、环境微生物学的研究内容,16,自然环境（水、土壤等）,人工环境（生物反应器等）,污染物的微生物分解与转化过程及其复杂性,污染物,（种类、浓度）,微生物,（种类、浓度）,细胞,分 解 产 物,一、环境微生物学的研究内容,17,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,18,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,19,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,20,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”，最终把污染物分解为,CO,2,.,有机物,B,C,D,CO,2,抗变能力强,稳定性好（形成食物链）,bacteria,protozoa,metozoa,适应性强,驯化,群体构造复杂，可控制性差,B：纯培养（pure cultures）,（封闭/半封闭）,生态系统水平,一、环境微生物学的研究内容,21,生成物,A：复合菌体+CO,2,、CH,4,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,22,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,不易控制,一、环境微生物学的研究内容,23,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,生活污水处理,工业废水,固体废物,废气,土壤污染/地下水,/,水体修复,一、环境微生物学的研究内容,24,前沿,课题,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,25,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 （体积小、面积大）,球,体积：1/6D,3,面积：D,2,比表面积=,D,2,1/6D,3,6,D,立方体,体积：L,3,面积：6L,2,比表面积=,6L,2,L,3,6,L,1cm：6,1.0m：610,4,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。,二、微生物的一般特点,26,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,边长,立方体数,总表面积,比面值,类似对象,1.0 cm,1,6 cm,2,6,豌豆,1.0 mm,10,3,60 cm,2,60,细小药丸,0.1 mm,10,6,600 cm,2,600,滑石粉粒,0.01 mm,10,9,6000 cm,2,6000,变形虫,1.0,m,10,12,6 m,2,60000,球菌,0.1,m,10,15,60 m,2,600000,大胶粒,0.01,m,10,18,600 m,2,6000000,大分子,1.0 nm,10,21,6000 m,2,60000000,分子,27,2、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。,二、微生物的一般特点,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。有一些是不能被培养的微生物。,VBNC/VNC（Viable but non-culturable）,（见表）,28,类型,种,数,低限,倾向性种数,高限,病毒与立克次氏体,支原体,细菌与放线菌,蓝细菌,藻类,真菌,原生动物,1217,42,1000,1227,15051,37175,24068,1217,42,1500,1500,23100,47300,24068,1217,42,1500,2500,23100,68939,30000,总计,79780,98727,127298,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。,29,Culturability determined as a percentage of,culturable bacteria to total cell counts,*,Habitat Culturability(%),Seawater 0.001-0.1,Freshwater 0.25,Mesotrophic lake 0.1-1,Unpolluted estuarine waters 0.1-3,Activated sludge 1-15,Sediments 0.25,Soil 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,.,30,由种类多而派生出来的特点,代谢类型多,能利用自然中各种有机物和无机物，,甚至许多有毒物（氰、酚、多环芳炔）。,产能方式多：光合作用、化能合成作用,代谢产物种类多,大肠杆菌 E.,coli,：能产生20003000种蛋白质。,目前发现的抗生素达上万种，其中97%以上来自细菌和放线菌。,二、微生物的一般特点,31,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，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,二、微生物的一般特点,32,一些数字,引自 沈萍 微生物学,每克新鲜植物叶子表面附生着大约,1,10,6,个,微生物,人的皮肤上平均每平方厘米含有10,5,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来，估计其总重量为,10034,10,12,吨,。,33,一些数字,每张纸币带有,9,10,6,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,34,4、代谢速度快,呼吸速率远远大于高等动植物组织。,比呼吸速率OUR(Oxygen Utilization Rate),Pseudomonas,（假单胞菌属）30,o,C 1200,肾和肝组织 37,o,C 1020,根和叶组织 20,o,C 0.44,单位：ml-O,2,/mg-dry cell.h,二、微生物的一般特点,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,35,5、繁殖快,微生物的代时（generation time）,倍加时间（doubling time）,大肠杆菌18min,（每日分裂80次）,指数分裂 2,n,增加率1.210,24,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10,8,10,9,cell/mL。,在工业上的应用（发酵）上：降低生产周期。,在科学研究上：缩短研究周期,生物毒性研究,遗传毒性研究,繁殖快的意义：,二、微生物的一般特点,36,若干微生物的代时及每日增殖率,微生物名称,代时,每日分裂次数,温度（,o,C,）,每日增殖率,细 菌,乳酸菌,大肠杆菌,根瘤菌,枯草杆菌,光合细菌,38分,18分,110分,31分,144,分,38,80,13,46,10,25,37,25,30,30,2.7 10,11,1.210,24,8.210,3,7.010,13,1.010,3,酿酒酵母,120,分,12,30,4.110,3,藻,类,小球藻,念珠藻*,硅藻,7小时,23小时,17,小时,2.4,1.04,1.4,25,25,20,10.6,2.1,2.64,草履虫,10.4小时,2.3,26,4.92,*,为念珠蓝菌属（,Nostoc,）的旧称。与细菌同属原核生物。,37,6、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：,8090,o,C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）,二、微生物的一般特点,38,耐低温菌：,在80,o,C条件下大多数细菌仍能保持生命。（菌的保存）,耐压菌：,酵母菌为500atm。,深海,微生物：低温高圧耐性微生物,美国海洋研究所在1万米海底峡谷中采集的细菌（能耐受700大気圧，380大気圧以下不能生长。只能在高压环境中生长的微生物称绝对嗜压微生物,二、微生物的一般特点,39,耐干燥：,能产生芽孢的细菌可在干燥条件保藏几十年。,耐酸菌,：,（,Thiobacillus thiooxidans,氧化硫硫杆菌）,可以在0.51.0mol/l（pH=0.5）的H,2,SO,4,中生存。,耐碱菌：,e.g.,Thiobacillus denitrificans,（脱氮硫杆菌）,的生长最高pH值为10.7。,有些青霉和曲霉也能在pH911的碱性条件下生长。,耐毒物菌：,如Cr,6+,、HCN,耐辐射菌,二、微生物的一般特点,40,三角菌,日本石川县盐田中发现的嗜盐菌（能在20的盐溶液中生长）,嗜盐菌：,甚至在饱和盐水中能生活。,溶媒耐性菌,在高浓度有机溶剂（甲苯等）中能生长的细菌,溶媒耐性菌,二、微生物的一般特点,41,7、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,二、微生物的一般特点,42,微生物的分类,原核生物,细 菌,放线菌,蓝细菌（俗称绿藻）,支原体、立克次氏体、衣原体,真核微生物,非细胞生物病毒,藻类,真菌,酵母菌,霉菌,原生动物,微型后生动物,肉足类,鞭毛类,纤毛类,古菌,细胞生物,三、微生物的分类与命名,1、微生物的分类,43,绿色非硫细菌,green non,sulfur bacteria,G菌,gram,positives,紫色硫细菌,purple bacteria,蓝细菌,cyanobacteria,黄杆菌属,flavobacteria,themotogales,korarchaeota,热网菌属,pyrodictum,热变形菌属,thermoproteus,热球菌属,thermococctus,甲烷球菌属,methanococcus,甲烷杆菌属,methanobacteria,crenarcaeoya,甲烷八叠球菌,methanosarcina,嗜盐菌,halophiles,entanoebae,粘菌类,Slime,molds,动物,animal,真菌,fungi,植物,plants,纤毛类,ciliates,鞭毛类,flagellates,三分体,trichononds,微担孢体,microsporidia,二分体,diplononods,细菌,bacteria,古菌,achaca,真核生物,cukarya,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),44,生物分类方法,：,TAXONOMY,The naming of 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，如亚门、亚纲,三、微生物的分类与命名,45,生物,具细胞结构微生物,非细胞结构生物病毒界（Vira）,原核细胞生物原核生物界,Procaryotac,真核原生生物界,Protistae,原生动物,真核藻类,真菌界,Fungi,酵母菌,霉菌,动物界,Animalia,微型后生动物,高低等动物,植物界,Plantae,低等植物,高等植物,蓝藻门（蓝绿细菌）,Cyanophyta,细菌门,Bacteriophyta,真细菌纲,Eubacteriae,粘细菌纲 Myxobacteriae,立克次氏体纲 Rickettsiae,螺旋体纲 Spirochaetae,支原体纲 Mycoplasmae,真细菌亚纲,Eubacteria,放线菌亚纲,Actinomycetes,环境与环境工程中的微生物范畴,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（？）,46,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 Bacteriology,1984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,47,Family 科-Enterobacteri 肠杆菌科,Genera 属 -Escherichia 埃希菌属,Species 种-coli 大肠埃希氏菌,微生物的名字,俗名：common name,学名：scientific name,俗名：绿脓杆菌,学名：,Pseudomonas aeruginosa（,铜绿假单胞菌）,2、微生物的命名方法,三、微生物的分类与命名,48,属名+种名加词,+（首次定名人）+现定名人+定名年份,不能省略，斜体字,一般省略，可用正体排字,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,例：铜绿假单胞菌,Pseudomonas aeruginosa,（Schroeter）Migula 1920,三、微生物的分类与命名,49,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。,如：,E,.,coli,或,Esch,.,coli,P,.,aeruginosa,Escherichia coli,苏云金芽孢杆菌蜡螟亚种,Bacillus thuringiensis,subsp.,galleria,3）亚种和变种的表达方式,：（subspecies,variety）,subsp.,var.,排成正体,三、微生物的分类与命名,50,4）种名未确定时，可以用 sp.(,正体字),代替。,Bacillus,sp.,正体，小写,species 的简写,表示一种尚未定名的芽孢杆菌,可译为“一种芽孢杆菌”,Bacillus,spp.,正体，小写,Species复数的简写,表示一批尚未定名的芽孢杆菌,可译为“若干芽孢杆菌”,三、微生物的分类与命名,51,5）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,52,一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,53,