课件：环境微生物学绪论.ppt

环境微生物学,绪论,2019,-,1,第一节 环境面临的问题、可持续发展与微生物,环境问题 环境问题是随着文明的进步，工农业的发展伴生的一种负效应。如随着工业的进步，大量化石能源及矿石中处于惰性的化学元素如C、S、重金属等被以大量释放到环境中并不断积累，而产生诸如温室效应、酸雨、重金属中毒、白色垃圾、石油污染等等污染事件。 又如农业大量使用化肥以及农药导致灌溉用水富含N、P等营养物质和有毒农药进入水体导致河流及海域的污染；人口的不断膨胀，随之而来数量更多的生活污水及废弃物进一步加剧了污染的恶化。 自20世纪西方产业革命起，世界各国环境污染日趋严重，环境质量急剧恶化。50年代后公害问题相继发生。美国洛杉矾的光化学烟雾、伦敦烟雾、日本四日市的哮喘病、水俣病、骨痛病等，均对人类造成极大伤害。我国也不例外，一些地区，如上海的黄浦江、苏州河，太湖、巢湖、淮河、海河、昆明滇池、东北嫩江、松花江等，均污染严重。80年代以后，随着改革开放，乡镇企业的兴起，乡镇的河流也不例外地受严重污染。 一些发达国家于20世纪50年代开始治理环境，经过一二十年的努力治理，已见成效。如泰晤士河现在已变清，有鱼类生长。我国于20世纪60年代末开始认识到环境污染的危害，首先在一些大城市，如上海、北京、天津等地开始不同程度地处理废水。继而也广泛地开展了环境保护、环境污染的治理工作。现在虽然环境保护已深人人心，但目前全国范围污染加重的态势依然没有得到有效控制。,2019,-,2,可持续发展策略,严峻的危机逐渐让人们认识到发展必须与环境相协调的道理， 1987年发表 “可持续发展”的口号至今的提出，可持续发展的思想广为各国接收和重视，也就是当代人类的发展，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。 “九五”期间我国推出两项重大举措：即“全国主要污染物排放总量控制”和“中国跨世纪绿色工程规划”。在“全国主要污染物排放总量控制”中规定烟尘、粉尘、二氧化硫、石油类、重金属、化学耗氧量(COD)和工业固体废弃物等12种主要污染物的排放量，到2000年要控制在国家批准的水平上。大量排污违规企业被关闭，如果各种污染物按照各自排放标准排放，他们可以在自然力的作用下被净化而不会造成污染. 我们环境工作者的主要任务就是用先进的科学技术治理好各种污染物，使其达到排放标准，从而能够以环境自身净化能够承受的程度，实现各项事业的可持续发展。,2019,-,3,微生物在治污中的地位 污染物的微生物净化是自然环境自身净化的主要手段，同时也是地球生态平衡、物质循环的极为重要的一个环节，我们实际上是取法天地，并能动地利用已知的微生物规律比自然界更为高效地消除污染，保护环境。这也就是这门课开设的用意所在，即认识微生物规律，能动地利用这些客观规律指导环保工作。,2019,-,4,第二节 环境微生物学的研究 对象与任务,环境微生物学是在环境工程与微生物学的交叉学科。微生物是指个体很小，肉眼看不见的生物，通常指直径小于或等于1毫米的生物。这门课围绕环境微生物主要讲述以下几个问题 一、环境微生物学的研究对象 （一）微生物形态结构与功能(静态特征) （二）微生物生理、生长特性与遗传变异(动态特征） （三）微生物与环境污染治理(应用研究) （四）微生物研究方法,2019,-,5,（一）微生物的形态、细胞结构及其功能 这属于微生物的静态特征，包括外部结构、内部组成及各组成部分的功能； （二）微生物生理、生长特性与遗传变异 这属于微生物的动态特征，包括微生物的营养、呼吸、物质代谢、生长、繁殖、遗传与变异等的基础知识，由于治污微生物的主力军是细菌，故我们重点学习掌握细菌的生长规律，同时兼顾其它微生物的相关知识。 （三）微生物与环境污染治理 这属于微生物的应用研究，内容涉及 1.自然状态下的微生物参与环境自身净化的原理(自然环境物质循环与转化原理)； 2.人工治污设施中的微生物对于污染水体治理的原理； 3.饮用水卫生细菌学原理；（主要指饮用水中引起人体疾病的病原菌监测与控制原理） （四）微生物的研究方法（包括微生物观察、培养、检测等的实验技术）,2019,-,6,二、环境微生物学的研究任务,自然界环境中的微生物大多数是有益的。自古以来有益微生物被人类广泛应用，酿酒、制作酱、醋和发面。近代，将微生物应用于发酵工业生产乙醇、丙酮、各种有机酸、氨基酸(主要有谷氨酸即味精和赖氨酸)、抗生素。微生物的酶制剂应用于纺织退浆、制革脱毛、洗涤剂的助剂、医药、印染等及应用于石油发酵如微生物脱蜡和脱硫；用作农肥(如固氮菌肥、磷、钾细菌肥料等)用于植物害虫生物防治的苏云金杆菌等杀虫剂及矿业(探油、回收重金属和稀有金属)。用于污染治理是有益微生物另一个极为重要的研究领域。 自然环境中同时也存在病原微生物，病原微生物也会对人类的生产、生活造成不利影响。如细菌、病毒、霉菌、变形虫的某些种能引起人的各种疾病，如肝炎、沙眼、肠道病、伤风、感冒等，黄曲霉能产生致癌的黄曲霉毒素，岛青素、枯青霉和黄绿青霉等能产生致癌的黄变米黄素。还有的微生物能引起作物病害及动物疾病，某些细菌和霉菌能使食品和农副产品腐败和腐烂。 有些细菌尽管不是病原菌，但它们的生命活动所产生的代谢产物与环境中的化学物质起作用会产生不良后果。如硫细菌和铁细菌能引起混凝土管道和金属管道腐蚀，蓝藻、绿藻和金藻中的某些种能引起湖泊“水华”和海洋的“赤潮”等。,2019,-,7,充分利用有益微生物资源为人类造福,同时防止、控制、消除微生物的有害活动，化害为利。 环境工程中处理废水、废物和废气的方法很多，其中生物处理法占重要位置。它与物理法、化学法相比，具有经济、高效的优点，更重要的是可达到无害化。微生物是对废物进行生物处理、净化环境的工作主体，只有全面了解和掌握微生物的基本特性，才能培养好微生物，取得较高的净化效果。,2019,-,8,第三节 微生物概述,一、微生物的分类 （一）分类方法(界 门 纲 目 科 属 种) （二）分类依据(生物属性 生化属性) 主要包括个体形态及大小、染色反应、菌落特征、细胞结构、生理生化反应、与氧的关系、血清学反应等及它们的亲缘关系。 （三）分类图,2019,-,9,非细胞结构生物 病毒界 真细菌亚纲 原核细胞生物 原核生物界 真细菌纲 原生动物 放线菌纲 真核原生 细菌门 粘细菌纲 生物界 真核藻类 立克氏体纲 酵母菌 螺旋体纲 真菌界 支原体纲 真核细胞 霉菌 生物 微型后生动物 动物界 高低等动物 低等植物 植物界 高等植物,具细胞结构生物,生物,蓝藻门（蓝绿细菌）,微生物,2019,-,10,二、微生物命名,1.学名=属名+种名+（首次定名人）+现定名人+定名年份 例如 Pseudomonas aeruginosa (Schroeter)Migula 1920 铜绿假单胞菌 1920年由Migula定名 2 .学名=属名+种名+菌株（用字母、符号等字形表示） 例如 Bacillus.subtilis AS 1.398 枯草杆菌中能生产蛋白酶的一株菌株 3.学名=属名+sp.(或spp.) 只鉴定到属名，对具体的种，不能肯定。sp.（单数）或spp.（复数）表示未定种的含义。,2019,-,11,三、微生物的特点,（一）个体极小 （二）繁殖快、代谢速率快 （三）数量多 （四）易变异 （五）种类多、分布广、代谢类型多样,2019,-,12,(一)个体极小,微生物的个体极小，由几纳米(nm)到几微米(um)(1mm=103um=106nm),人类肉眼的分辨率为0.1mm，几十甚至上百个细菌排在一起才能看见；光学显微镜的分辨率为0.2um，可以看见大部分微生物的轮廓，而病毒小于02um，在光学显微镜可视范围外，需通过电子显微镜才可看见，电子显微镜的分辨率为0.20.4nm,利用电子显微镜可以是清晰地看见各种微生物的结构。,艾滋病毒攻击人体淋巴细胞 电子显微镜放大十万倍 4mm:40nm,2019,-,13,(二)繁殖快、代谢速率快,生物界中，微生物具有最高的繁殖速度。尤其是以二分裂方式繁殖的细菌，其速度更是惊人。例如，大肠杆菌和梭状芽孢杆菌在最合适的条件下，20分钟可繁殖一代。如果它始终处在最适宜的条件下，则一昼夜可由一个细菌产生471021个后代，经48h后可产生221043个后代。假如一个细菌重量为1012g，那么，这里的总重量将达到221025吨。这个重量相当于4000个地球之重。当然，由于种种限制，这种几何级数增殖速度最多也只能维持几个小时。由于这一特点，废水处理中，提供合适的条件， 微生物很快就会达到相当的数量，从而废物处理效率很高。我们以12小时内 一种肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）繁殖的短片 ，作为实例。,2019,-,14,12小时内 一种肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）的繁殖记录,2019,-,15,由于微生物形体微小，表面积大，有利于细胞吸收营养物质和加强新陈代谢。我们可用表面积和体积之比来表示生物的代谢活跃程度。例如： 乳酸杆菌 表面积体积约为120000 鸡蛋 表面积体积约为15 体重200公斤的人 表面积体积约为03 有人计算，乳酸杆菌一小时内生成的乳酸约为其体重的100010000倍；但一个人如要产生相当于其体重1000倍的代谢物则需要40多年。利用这一特性，我们可使废水中的污染物质迅速地降解。,2019,-,16,（三）数量多,由于微生物的营养食谱极广，生长繁殖速度快，代谢强度大，因此，凡有微生物生存的地方，它们通常都拥有巨大的数量。以下一些数字可说明环境中微生物数量之多： (1)土壤是微生物的“大本营”，其中细菌数量达数亿个g，放线菌孢子达数千万个g，霉菌孢子达数百万个g，酵母菌达数十万个g; (2)全世界海洋中微生物的总重量约280亿吨 (3)人体肠道内菌体总数达100万亿个左右。,2019,-,17,(4)新鲜叶子表面微生物数量达100多万个g (5)人们使用的钞票，平均每张纸币上的细菌数多达900万个，大肠杆菌检出率达879。 (6)人的一个喷嚏约含菌4，500150，000个，感冒患者的一个喷嚏含细菌多达8，500万个。 一系列的调查数据表明，我们是生活在一个被大量微生物包围着的环境中，只是因为肉眼不可见而常常“身在菌中不知菌”。,2019,-,18,(四)易变异,多数微生物为单细胞，结构简单，整个细胞直接与环境接触，易受环境因素影响，引起遗传物质DNA的改变而发生变异，即使变异频率十分低（如10-510-10），由于数量庞大，也可以在短时间内出现大量变异后代，当环境变化时，微生物会大量死亡，活下来的微生物往往会发生结构和生理特性的变异以适应变化了的环境。,2019,-,19,近五十年来，由于工业化的发展出现来大量人工合成的有机化合物，如杀虫剂、除草剂、洗涤剂、增塑剂、塑料等。这些化合物对地球来讲是新参加进来的成员。开始，微生物很难降解他们，但由于微生物有很强的变异性特点陆续出现了能分解他们的微生物种类。 微生物易变异的特点对于人类不利处在于在微生物研究中会引起菌种退化，同时在医疗中致病菌对抗生素产生抗药性；但我们也可以利用微生物易变异的特点在废水处理中进行活性污泥的驯化，及选育特定的微生物以分解难降解的有机物等工作。,2019,-,20,(五) 种类多、分布广、代谢类型多样,目前已确定的微生物种数还只有10万种左右，其中细菌、放线菌约1500种。苏联微生物学家伊姆舍涅茨基曾估计，“目前我们所了解的微生物总数，至多也不超过生活在自然界中的微生物总数的10”。如果这一估计不错的话，将来的某一天，微生物的总数可能会超过目前动、植物的种数之和。 在地球上，微生物的分布可说是无微不至，无孔不入，无远不达。微生物只怕“火”，地球上除了火山的中心区域外，从生物圈、土壤、水圈直至大气圈、岩石圈，到处都有微生物的足迹。,2019,-,21,例如，在70年代，美国科学家发现了东太平洋深达10000m的海底温泉中有一个不依赖太阳能的独特生态系统，支持这一生态系统的生产者是一类硫细菌。它们以地壳中逸出的硫化氢气体为能源，以CO2为碳源，在100高温、1140个大气压和厌氧条件下进行自养生活。每毫升海水这类硫细菌的数量达100万-100亿个。大量的硫细菌供养了海底特殊的蠕虫、蛤、贝和蟹等无脊椎动物。,2019,-,22,微生物的代谢类型极其多样，其“食谱”之广是任何生物都不能相比的。凡自然界存在的有机物，都能被微生物利用、分解。例如，假单胞菌属的某些种，甚至能分解90种以上的有机物，可利用其中的任何一种作为唯一的碳源和能源进行代谢。有些微生物还可利用有毒物质如酚、氰(脂)化物等作为营养。再如，汞是一种人所共知的环境毒物，有一类微生物能使汞甲基化，进一步加大汞的毒性和危害；又有另一类抗汞微生物，可使甲基汞变为元素汞，从而可利用于回收汞，去除汞害。在废物处理中，我们能很容易找到用于处