环境工程微生物绪论.ppt

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人：,佘秋生,项目名称：白龟山湿地库区浮游生物动态监测,系统的建立及水质保护策略,所属学科：环境科学技术,起止时间：2010.032012.03,生物体的基本特征,1 共同的物质基础和结构基础,2 新陈代谢,3 应激性,4 生长、发育和生殖,5 遗传和变异,6 适应环境和影响环境,第一章,绪 论,第一节、微生物概述,第二节、环境与环境工程面临的问题,、,可持续 发展与微生物,第三节、环境工程微生物学的研究对象与任务,第四节、,微生物的发展史,第一节 微生物概述,一,.,什么是微生物,:,是一类形态微小,.,结构简单,.,单细胞或多细胞的低等生物的通称,.,包括病毒、细菌、放线菌、真菌、原生动物和藻类等，其大小用微米,(um),表示,非典病毒,禽流感病毒,HIV,脊髓灰质炎病毒,天花病毒,流感病毒,2010最佳科学图片:最详细艾滋病毒3D模型(图),生物学特征：,逆转录病毒，毒粒大小为100140nm，病毒蛋白主要有核蛋白、膜蛋白及与复制有关的酶蛋白3种，有两条相同的RNA单链，细胞膜芽生。,艾滋病病毒模式图,influenza A(H1N1),流感病毒三维结构图,流感病毒样子像一颗水雷：一个圆球上面插着许多小棍。那个圆球是一层脂质包膜，它像一个衣壳，包裹着病毒的遗传物质。,插在膜上有两种小棍，有一种数目较多、看上去像柱子的是一种叫血凝素(简称HA)的蛋白质;数目较少、看上去像蘑菇的是另一种叫神经氨酸酶(简称NA)的蛋白质。,甲型流感病毒主要就是血凝素和神经氨酸酶的变异。病毒学家给编上了不同的编号，如H1、H2、N1、N2等。其中可以有一种或两种以上发生变异，专家根据这些编号给流感病毒分类。,细菌,放线菌,短杆菌,大肠杆菌,链杆菌,梭状芽孢杆菌,c.,螺旋菌（,Spirilla),弧菌,(vibrio),螺菌,(spirillum,）,螺旋体,(spirochaeta),霍乱弧菌,螺菌,螺旋体,幽门螺旋菌,左：显微数码摄像,右：结构示意图,自然界中哪种最多？,最多,其次,最少,霉菌菌丝,A,、,无隔菌丝,B,、有隔菌丝,隔膜,Aspergillus variecolor,曲霉,青霉,微生物的种类,具有细胞结,构的微生物,没有细胞结构的,微生物,：,病毒,真菌,藻类,原生动物,草履虫,水绵,细菌,放线菌,原核微生物,：,（,由原核细胞构成）,真核微生物,（,由真核细胞构成,）,二微生物的分类和命名,微生物的分类,为了识别和研究微生物，各种微生物按其客观存在的生物属性及它们的亲缘关系，有次序地分门别类排列成一个系统，从大到小，按界、门、纲、目、科、属、种等分类,界门纲 目 科 属种,杨树,植物界被子植物门双子叶纲杨柳目杨科杨属杨树,狼,动物界脊椎动物门哺乳纲食肉目犬科犬属狼,人,动物界脊椎动物门哺乳纲灵长目人科人属人,钟虫,原生原生动物门纤毛纲缘毛目钟形科钟虫属小口钟虫,生物界,种,：是最小的分类单位，具有一定的自然分布区和一定的生理形态的生物类群，是生物进化和自然选择的产物，同一种中的各个个体具有相同的遗传性状，而且彼此交配可以产生后代,二界系统：植物界和动物界,三界系统：植物界,、,动物界和原生生物界,五界系统：植物界,、,动物界,、,原核生物界,、,原生生物界和真菌界,六界系统：植物界,、,动物界,、,原核生物界,、,真核原生生物界,、,真菌界和病毒界,微生物的命名,命名原则,：,微生物的命名是采用生物学中的二名法，即用两个拉丁文命名一个微生物的种,命名方法,：,这个种的名称是由一个属名和一个种名组成，属名和种名都用斜体字表示，属名在前，用拉丁文名词表示，第一个字母大写种名在后，用拉丁文的形容词表示，第一个字母小写,为了避免同物异名或同名异物，在微生物的名称后面缀上命名人的姓,炭黑曲霉(,Aspergillus carbonarius,),原核微生物和真核微生物,原核微生物：,原核微生物的核很原始，只是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，不进行有丝分裂原核微生物包括细菌、古菌、放线菌、蓝细菌、立克次氏体、支原体、衣原体和螺旋体等,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，如线粒体中心体高尔基氏体内质网等进行有丝分裂包括除蓝藻以外的藻类酵母菌霉菌原生动物微型后生动物等。,微生物的性质,（,一）体积小、面积大,（二）吸收多、转化快,（三）生长旺、繁殖快,（四）适应强、易变异,（五）分布广、种类多,（一）体积小、面积大,在形态上，个体微小，肉眼看不见，需用显微镜观察，病毒小于.um，在光学显微镜的可视范围外，必须通过电子显微镜才能看到，细胞大小以微米和纳米计量。,科学家研究发现微生物吸收和转化物质的能力比动物、植物要高很多倍，如在合适的环境下，,Escherichia coli,每小时内可消耗其自重,2000,倍,的乳糖,。,Candidautilis,(,产朊假丝酵母,),合成蛋白质的能力比大豆强,100,倍，,比食用公牛强,10,万倍，,微生物的这个特性为它们的高速生长繁殖和产生大量代谢产物提供了充分的物质基础，从而使微生物有可能更好地发挥“活的化工厂”的作用，人类对微生物的利用主要体现在它们的生物化学转化能力上。,（二）吸收多、转化快,（三）生长旺、繁殖快,24小时后：4722366500万亿个后代，重量达到：4722吨,48小时后：2.2 10,43,个后代，重量达到2.2 10,25,吨,相当于4000个地球的重量！,大肠杆菌,一个细胞重约10,12,克，,平均,20分钟繁殖一代,一头500,kg,的食用公牛，24小时生产 0.5,kg,蛋白质,而同样重量的酵母菌，以质量较次的糖液（如糖蜜）,和氨水为原料，24小时可以生产 50000,kg,优质蛋白质。,由于条件的限制，细菌的指数分裂速度只能维持数小时，而在液体培养基中，细菌细胞的浓度一般仅能达到10,8,-10,9,个/,ml。,微生物的这一特性在发酵工业上体现在：,生产效率高、发酵周期短,。,在生物学基本理论的研究上的优越性：,科研周期大大缩短、经费减少、效率提高,。,当然，对于危害人、畜和植物等的病原微生物或使物品发霉的微生物来说，它们的这个特性就会给人类带来极大的麻烦甚至严重的祸害，因而需要认真对待。,（四）适应强、易变异,抗热：,有的细菌能在,265个大气压,，,250,的条件下生长；,自然界中细菌生长的最高温度可以达到,113,；,有些细菌的芽孢，需,加热煮沸8小时,才被杀死；,抗寒,：,有些微生物可以在,12,30,的低温生长；,抗酸碱,：,细菌能耐受并生长的,pH,范围：,pH 0.5 13；,耐渗透压,：,蜜饯、腌制品，饱和盐水（,NaCl,32%),中,都有微生物生长；,抗压力,：,有些细菌可在1400个大气压下生长；,世界上最古老的活细菌（芽孢）：2.5亿年,Nature 407,897-900(2000),（四）适应强、易变异,个体小、结构简、且多与外界环境直接接触,繁殖快、数量多,短时间内产生大量的变异后代,突变率：一般105,10,-10,（四）适应强、易变异,青霉素的生产,：,20单位/,ml（1943）,10000单位/,ml,青霉素的用量,：,最高：10万单位/天（40年代）,数百万-千万单位/次,（四）适应强、易变异,在自然界中（土壤、水体、空气，动植物体内和体表）,都生存有大量的微生物！,生物圈上下限的开拓者、各项生存纪录的保持着,（五）,分布广,、种类多,物种的多样性,生理代谢类型的多样性,代谢产物的多样性,遗传基因的多样性,生态类型的多样性,（五）分布广、,种类多,生理代谢类型的多样性,分解地球上丰富的初级有机物,产能方式多样,生物固氮,合成次生代谢产物,生物转化,分解有毒物质,抵抗极端环境等五）分布广、,种类多,代谢产物的多样性,（五）分布广、,种类多,遗传基因的多样性,第二节 环境与环境工程面临的问题、可持续发展与微生物,亿年前，地球是无氧环境，由于蓝藻的作用，使地球变为有氧环境，才有好氧生物的出现,随着人类的发展，社会的进步，环境污染越来越严重，已成为各国关注的问题,八大公害,可持续发展观念的提出：,年挪威首相布伦特兰在其发表的文章“我们共同的未来”中提出其意义是：当代人类的发展，应该是既满足当代人的需求，又不危及后代人满足其需求的发展,世界八大公害,二十世纪的三十年代到六十年代，震惊世界的环境污染事件频繁发生，使众多人群非正常死亡、残废、患病的公害事件不断出现，其中最严重的有八起污染事件，人们称之为“八大公害”：,(1）,比利时马斯河谷烟雾事件,1930年12月1日5日，比利时的马斯河谷工业区，外排的工业有害废气（主要是二氧化硫）和粉尘对人体健康造成了综合影响，其中毒症状为咳嗽、流泪、恶心、呕吐，一周内有几千人发病，近60人死亡，市民中心脏病、肺病患者的死亡率增高，家畜的死亡率也大大增高。,(2）,美国洛杉矶烟雾事件,1943年5月10月，美国洛杉矶市的大量汽车废气产生的光化学烟雾，造成大多数居民患眼睛红肿、喉炎、呼吸道疾患恶化等疾病，65岁以上的老人死亡400多人,。,(3）,美国多诺拉事件,1948年10月26日30日，美国宾夕法尼亚洲多诺拉镇大气中的二氧化硫以及其它氧化物与大气烟尘共同作用，生成硫酸烟雾，使大气严重污染，4天内42的居民患病，17人死亡，其中毒症状为咳嗽、呕吐、腹泻、喉痛。,(4）,英国伦敦烟雾事件,1952年12月5日8日，英国伦敦由于冬季燃煤引起的煤烟形成烟雾，导致5天时间内4000多人死亡。,(5）,日本水俣病事件,1953年1968年，日本熊本县水俣湾，由于人们食用了海湾中含汞污水污染的鱼虾、贝类及其它水生动物，造成近万人中枢神经疾患，其中甲基汞中毒患者283人中有66余人死亡。,(6）,日本四日市哮喘病事件,1955年1961年，日本的四日市由于石油冶炼和工业燃油产生的废气严重污染大气，引起居民呼吸道疾患聚增，尤其是使哮喘病的发病率大大提高。,(7）,日本爱知县米糠油事件,1963年3月，在日本爱知县一带，由于对生产米糠油业的管理不善，造成多氯联苯污染物混入米糠油内，人们食用了这种被污染的油之后，酿成有13000多人中毒，数十万只鸡死亡的严重污染事件。,(8）,日本富山,“骨,痛病,”,事件,1955年到1968年，生活在日本富山平原地区的人们，因为饮用了含镉的河水和食用了含镉的大米，以及其它含镉的食物，引起“骨痛病”，就疹患者258人，其中因此死亡者达207人。,第三节 环境工程微生物学的 研究对象与任务,微生物学的概念：研究微生物生命活动规律及其应用的学科,环境工程微生物学：在微生物学的基础上，研究与,环境有关的微生物学科,微生物的种类很多，应用很广泛，因而在不同领域中的研究各有侧重如在医学中，主要是研究和医学有关的微生物学，称为医学微生物学在农业中，研究的则是和农业有关的微生物，称为农业微生物学依次类推，还有土壤微生物学工业微生物学等等,一,、,研究对象,微生物基础,不同环境中的微生物及其生态,卫生细菌学,物质循环与转化,生物净化原理,二,、,研究任务,充分利用有益微生物资源为人类造福,防止、控制、消除微生物的有害活动，化害为益,人体体表及体内存在大量的微生物：,皮肤表面：平均10万个细菌/平方厘米；,口腔：细菌种类超过500种；,肠道：微生物总量达100万亿，,粪便干重的1/3是细菌，每克粪便的细菌总数为：1000亿个；,微生物无处不在，我们无时不生活在“,微生物的海洋,”中。,细菌数亿/,g,土壤，土壤中的细菌总重量估计为：10034 10,12,吨,；,每张纸币带细菌：,900万个；,每个喷嚏的飞沫含4500-150000个细菌，重感冒患者为8500万；,第四节 人类对,微生物世界的认识史,一,.,一个难以认识的微生物世界,1.,个体过于微小,2.,群体外貌不显,3.,种间杂居混生,4.,形态与作用后果间很难被人认识,少数微生物也是人类的敌人,！,鼠疫；,天花；,梅毒；,小儿麻痹症；,肺结核；,麻疯病；,感冒；,脑膜炎；,艾滋病；,疯牛病；,埃博拉病毒；,朦胧阶段（史前期:公元前8000-公元1676年,）,形态描述阶段（初创期:公元1676-1860年）,生理水平研究阶段（奠基期:公元1861-1897年）,生化水平研究阶段（发展期:公元1897-1953年）,分子生物学发展阶段（成熟期:公元1953年以后）,二,、,微生物学发展史,我国8000年前就开始出现了曲蘖酿酒；,4000年前埃及人已学会烘制面包和酿制果酒；,2500年前,(,春秋战国,),发明酿酱、醋，用曲治消化道疾病；,公元六世纪(北魏时期)贾思勰的巨著,;,公元2世纪，张仲景：禁食病死兽类的肉和不清洁食物；,公元前112年-212年间，华佗：“割腐肉以防传染”；,公元九世纪痘苗预防天花；二,、,微生物学发展史,史前期,1676年，微生物学的先驱,荷兰人,列文虎克,（公元,1632-1723,年）制造了世界上第一台能放大,200,倍左右的显微镜并首次观察到了细菌。他没有上过大学，是一个只会荷兰语的小商人，却在1680年被选为英国皇家学会的会员。,二,、,微生物学的发展史,初创期,16,76,年，英国人列文虎克（,Robert Hooke）,曾用原始的显微镜对生长在皮革表面及蔷薇枯叶上的霉菌进行观察。,二,、,微生物学的发展史,奠基期,法国人巴斯德（,Louis Pasteur）,（18221895）,德国人柯赫（,Robert Koch）,（18431910）,1.巴斯德,(1)发现并证实,发酵是由微生物引起的；,(2),巴斯德消毒法,化学家出生的巴斯德涉足微生物学是为了治疗“酒病”和“蚕病”,6065作短时间加热处理，杀死有害微生物,(3),免疫学预防接种,首次制成狂犬疫苗,(4),彻底否定了“自然发生”学说；,著名的曲颈瓶试验无可辩驳地证实，空气内确实含有微生物，,是它们引起有机质的腐败,.,Louis Pasteur(1822-1895),曲颈瓶实验,2.柯赫,a）,细菌纯培养方法的建立,土豆切面,营养明胶 营养琼脂（平皿）,（1）微生物学基本操作技术方面的贡献,b,）,设计了各种培养基，实现了在实验室内对多种微生物的培养,c）,流动蒸汽灭菌,d）,染色观察和显微摄影,Robert Koch(1843-1910),（2）对病原细菌的研究作出了突出的贡献,a）,具体证实了炭疽杆菌是炭疽病的病原菌；,b）,发现了肺结核病的病原菌,（1905年获诺贝尔奖）,c）,证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本法则,著名的柯赫法则,柯赫法则,从动植物的患者体内分离出病原物进行纯培养,回接到同样类型的动植物体，引起同样的病症,再分离得到与第二步一致的菌系,二,、,微生物学的发展史,发展期,发现了多种微生物的代谢产物并利用,如抗菌素,微生物学和生物化学.遗传学的结合.,1892年,俄国学者伊万诺夫斯基发现了世界上第一个病毒-烟草花叶病病毒.,20世纪初又发现了立克次氏体.支原体和衣原体等.,1928年,英国学者格里菲斯在研究肺炎球菌感染小白鼠时发现了转化现象,由此证明了遗传物质是DNA.,30年代发明了可以放大几万几十万倍的电子显微镜.,二,、,微生物学的发展史,成熟期,1953年,沃森和克里克发现了DNA的双螺旋结构,标志着微生物学的研究进入了分子研究阶段.,70年代,又发现了比病毒更小.结构更简单的生命体-类病毒.,三、,微生物学的发展促进了人类的进步,微生物与医药卫生,微生物与工业,微生物与农业,微生物与环境保护,微生物学与生物技术,用“工程菌”生产药物,干 扰 素,脑 菲 肽,胰 岛 素,乙肝疫苗,众多抗生素,各种单克隆抗体免疫血清,微生物与医药卫生,微生物与工业,酶 工 业,氨基酸工业,有机酸工业,新材料开发,生 物 化 工,食 品 工 程,微生物与饮食、调味品,酱，酱油，豆豉,食 用 醋,发酵饮料,味 精,发酵面食,食药用菌,食用色素,食品添加剂,淹渍蔬菜,微生物与农业,微生物饲料,农用抗菌素,生物农药,生物菌肥,微生物能源,微生物饲料,菌体蛋白饲料,饲料酵母,维生素饲料,发酵饲料,青贮饲料,农用抗菌素,某些微生物能够产生具有抑制或杀死植物病原菌的物质,该物质称农用抗菌素。,生物农药,细菌农药,真菌农药,病毒农药,生物菌肥,主要是根瘤菌肥即含固氮菌活菌的肥料。,分解者,微生物,消费者,动物,环境,土壤、空气、水,生产者,植物（包括部分,微生物,）,微生物在生态系统中的地位：,消费者，部分生产者,微生物与环保,微生物处理腈纶废水的塔式滤池,污水处理,高效微生物污水处理技术，,其方法是通过化学或辐照的方法筛选出无毒、无致病性、“能吃污水”的高效微生物,(HEM),、然后投放到污水处理现场，使污水得到净化。,该技术可用于处理城市污水、酿造废水、屠宰废水等各种可生物降解的污水。安全可靠、操作简单，处理效率比传统方法提高,50%,以上，投资及运行费用降低,20-30%,，特别适合经费短缺的中小城市、乡村及厂矿使用，并可用于改造老的污水处理设施，使之重新获得新生。,三、微生物的作用,1.微生物与粮食,粮食生产是全人类生存中至关重要的大事。微生物在提高土壤肥力、改进作物特性（如构建固氮植物）、促进粮食增产、防治粮食作物的病虫害、防止粮食霉腐变质以及把多余粮食转化为糖、单细胞蛋白、各种饮料和调味品等方面，都可大显身手。,2微生物与能源,把自然界蕴藏量极其丰富的纤维素转化成乙醇；,利用产甲烷菌把自然界蕴藏量最丰富的可再生资源转化成甲烷；,利用光合细菌、蓝细菌或厌氧梭菌等微生物生产“清洁能源”-氢气；,通过微生物发酵产气或其代谢产物来提高石油采收率；,研制微生物电池使之实用化。,3.微生物与资源,微生物能将地球上永无枯竭的纤维素等可再生资源转化成各种化工、轻工和制药等工业原料。传统的：,乙醇、丙醇、丁醇、乙酸、甘油、乳酸、苹果酸,等；,现代的：,水杨酸、乌头酸、丙烯酸、已二酸、丙烯酸、长链脂肪酸、亚麻酸油和聚羟基丁酸酯（,PHB）,等；,另外：微生物在金属矿藏资源的开发和利用上也有独特的作用。,4.微生物与环境保护,利用,微生物肥料,、,微生物杀虫剂,或,农用抗生素,来取代会造成环境恶化的各种化学肥料或化学农药；,利用微生物生产的,PHB,（,聚羟基丁酸酯）制造易降解的医用塑料制品以减少环境污染；,利用微生物来净化生活污水和有毒工业污水；利用微生物技术来监察环境的污染度，如用,艾姆氏法,检测环境中的“,三致,”物质；,利用,EMB,培养来检查饮水的肠道病原菌等。,5.微生物与人类健康,防治这类疾病的主要手段又是各种微生物产生的药物：,抗生素、干扰素和白细胞介素,等高效药物纷纷转向由“工程菌”来生产。,与人类生殖、避孕等密切相关的甾体激素类药物,此外，一大批与人类健康、长寿有关的生物制品，如,疫苗、类毒素,等均是微生物产品。,微生物学与生命科学基础理论研究的关系,自然发生说的否定,糖酵解机制,基因与酶关系的发现,突变本质的阐明,遗传物质基础的证明,操纵子学说的提出,遗传密码的揭示,基因工程的开创,PCR技术的建立,真核细胞内共生学说的建立,生物三域理论的创建,方法学上的贡献,显微镜及染色,消毒、灭菌,无菌操作,纯种分离、培养,合成培养基,深层液体培养,菌种保藏,与微生物学相关的诺贝尔奖获得,近百年来生命科中所取得的重大成果，使生命科学跃居自然科学发展的前列。由1901-1989年获诺贝尔化学、生理和医学奖的杰出科学家及其贡献足见一斑。在159位获奖者中，97%以上的研究工作与生命科学有关，其中微生物学及与微生物学关系密切的学科的诺贝尔奖获得者占到三分之一以上。,本节回顾,一、什么是微生物,二、人类对微生物世界的认识史,三、环境微生物学的研究对象和任务,四、微生物的性质,