环境工程微生物学 Environmental Microbiology 西安交通大学环境工程系 赵景联 电话：82668572 E-mail: jlzhao1957@163. com

绪论 1.  微生物概述 (1)     什么是微生物： ●微生物(microorganism)是一切肉眼看不见或看不清楚的、必须在电子显微镜或光学显微镜下才能看见或看清楚的微小生物的总称。

Antony van Leeuwenhock (1632-1723) 微生物学发展史上的几个重要人物 形态学描述阶段- 初创期 The first person to accurately observe and describe microorganisms 第一个报告自己观察的人。他观察了几乎每一个想看到的东西，雨水、污水、血液、体液、酒、醋、牙垢等，发现了微生物，称为“微动体”。 Antony van Leeuwenhock (1632-1723)

Leeuwenhoek’s drawings of bacteria from the human mouth. lens Object being viewed A drawing of one of the microscopes showing the lens a; mounting pin b; and focusing screws c and d. adjusting screws Leeuwenhoek’s drawings of bacteria from the human mouth.

Louis Pasteur (1822 – 1895) Pasteur’s contributions: 生理水平研究阶段 奠基期 生理水平研究阶段 奠基期 Pasteur’s contributions: Final refutation of spontaneous generation – birth of microbiology as a science Discovery of the existence of anaerobic life – fermentation Vaccines Pasteurization 他的一生给人类生活带来了史无前例的影响。 (1) 发现并证实发酵是由微生物引起的 (2) 彻底否定了微生物“自然发生”学说 (3) 免疫学——预防接种　　　　　　　　(4) 其他贡献：巴斯德消毒法等 Louis Pasteur working in his laboratory 法国科学家巴斯德

Robert Koch (1843-1910) (1) 微生物学基本操作技术方面的贡献 a） 细菌纯培养方法的建立　分离和纯化细菌：划线法，混合倒平板法。琼脂、培养皿（Petri）。　 b）设计了培养细菌用的肉汁胨培养液和营养琼脂培养基。 c） 流动蒸汽灭菌　　　　 d） 细菌染色观察和显微摄影 （2） 对病原细菌的研究作出了突出的贡献： a） 具体证实了炭疽病菌是炭疽病的病原菌。　　 b） 发现了肺结核病的病原菌 c） 证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则——柯赫假设： 德国微生物学家柯赫

Alexander Fleming (1881-1955) Sir Alexander Fleming discovered the antibiotic penicillin. He had the insight to recognize the significance of the inhibition of bacterial growth in the vicinity of a fungal contaminant when most other scientists probably would have simply discarded the contaminated plates. 英国科学家弗莱明

分子生物学水平研究阶段,成熟期 J.D.Waston, H.F.C.Crick 发现DNA双螺旋模（1953年）

与微生物学有关的诺贝尔生理或医学奖 Nobel Prize in Physiology or Medicine 1901－1999之间有39项。 总人数：77人 美国 46人，英国人 11人，法国人 7人，德国人 6人，瑞士人 4人，澳大利亚人 2人，意大利人 1人 1945年，青霉素的发现与发展 1952年，链霉素的发现与发展 1953年，碳水化合物在细胞中的代谢 1958年，微生物遗传的生物化学研究 1959年，DNA 和 RNA的发现与合成机理

1962年，DNA结构的测定 1965年，细胞中基因活性的调节研究 1969年，细胞病毒感染的机理研究 1984年，单克隆抗体技术的发展，免疫学研究 1997年，朊病毒的研究 1999年，蛋白质在细胞中的移动和定位机理研究

微生物主要类群 真核生物－真菌、微型藻类、原生动物、 和某些寄生蠕虫 原核生物－细菌、放线菌、蓝细菌 和古生菌 真核生物－真菌、微型藻类、原生动物、　　　　　　　　 　　　　　和某些寄生蠕虫 原核生物－细菌、放线菌、蓝细菌　　　　 　　　　　和古生菌 非细胞生物－病毒、类病毒和朊病毒　　

病毒是形体微小，结构简单，仅含有1种核酸DNA或RNA，具有超级寄生性，且必须在电子显微镜下才能观察到的一类非细胞形态的微生物。 ● 原核微生物（procaryote）：核很原始，发育不全，只是DNA链高度折叠形成一个核区，无核膜，核质裸露，与细胞质没有明显界限，叫拟核或似核，无细胞器，不进行有丝分裂。 ● 真核微生物（eucaryote）：有发育良好的细胞核，核内有核仁和染色质，有核膜将细胞核与细胞质分开，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、高尔基体、内质网、叶绿体等。进行有丝分裂。 ●病毒 (Viruses) 病毒是形体微小，结构简单，仅含有1种核酸DNA或RNA，具有超级寄生性，且必须在电子显微镜下才能观察到的一类非细胞形态的微生物。 Structure of viruses

（2）微生物和我 们的生活 ---微生物学的重要性与社会需求 （2）微生物和我 们的生活 ---微生物学的重要性与社会需求 微生物与人类和动物健康及疾病密切相关 微生物在工业生产中有很多应用 微生物对农业生产有着很大的影响 微生物学促进了生物学的发展 微生物作为模式生物具有如下优点： （1）微生物具有相对不复杂的结构； （2）微生物培养成本低、群体数量大，易于获得统计学上可信度高的结果； （3）微生物生长速度快，倍增时间短， 极大缩短了世代培养研究所需周期。

（3）微生物科学（microbiology） ●  研究内容及分科

（4）微生物的分类和命名 ●微生物的分类

● 微生物的分类依据 ▲ 形态特征 ★ 个体形态 ★ 培养特征 ▲ 生理生化特征 ▲ 生态习性 ▲ 血清学反应 ▲ 噬菌反应 ▲ 细胞壁成分 ●      微生物的分类依据 ▲    形态特征 ★    个体形态 ★    培养特征 ▲    生理生化特征 ▲    生态习性 ▲    血清学反应 ▲    噬菌反应 ▲    细胞壁成分 ▲    红外吸收光谱 ▲    GC含量 ▲    其它

如大肠杆菌: Escherichia coli (Migula) Castellani & Chalmers 1919 ●微生物的命名 双名法： 学名=属名+种的加词+（首次定名人）+现名定名人+定名年份 斜体字 正体，可省略 如大肠杆菌: Escherichia coli (Migula) Castellani & Chalmers 1919 变种（variety，var.）： 从自然界分离到的某一微生物纯种，与典型种的特征不完全符合，而不符合的这一特性又是稳定的，则将这种微生物称为典型种的变种。 亚种（subspecies，subsp.）： 在实验室里获得的变异种 。 变种和亚种的命名按“三名法”构成 属名+种的加词+ var或subsp+变种或亚种的加词 斜体字 正体，可省略 斜体字

（5） 微生物的五大共性 ● 体积小，面积大   细胞大小以μm和nm计量。但也有例外，如许多真菌的子实体、蘑菇等为肉眼可见；某些藻类能生长几米长。 ● 吸收多，转化快 ●  生长旺，繁殖快 生长繁殖快，在实验室培养条件下细菌几十分钟至几小时可以繁殖一代。

●   适应强，易变异 青霉素的使用剂量：     1940年开始使用：10万元单位/次     1980年：                输液80万单位/次     2000年：                输液800万-1000万单位/次      青霉素生产菌的发酵水平      1940年         每毫升20单位      2000年          每毫升10万单位

●  分布光，种类多  多数细菌能耐0～－196℃的低温；  在海洋深处的某些硫细菌可在250℃～300℃的高温条件下正常生长；  一些嗜盐细菌可能在饱和盐水中正常生活；有高等生物的地方均有微生物生活， 动植物不能生活的极端环境也有微生物存在。

2．环境工程微生物概述 （1）环境微生物学： 研究人类生存环境与微生物之间的相互关系与作用规律的科学，它着重研究微生物对人类环境所产生的有益与有害的影响，阐明微生物、污染物与环境三者之间相互关系及作用规律，起源于20世纪60年代。 （2）环境微生物工程： 将微生物发现的规律进行归纳分析，对其中应用的部分助以技术系统，加以工程化即形成环境微生物工程。

（3）环境微生物工程涉及的技术系统： ▲基础研究 ▲工程实施 其中技术系统必须与微生物的研究，开发和利用相结合，还必须具有环境工程的特征。 其涉及的技术系统可归纳为： ■基础与应用研究 ▲微生物菌株筛选、驯化、鉴定、结构、功能、生理生化、遗传变异、污 染物降解、转化途径的实验技术； ▲基因工程、酶工程、发酵工程和细胞工程等高新生物技术； ▲环境污染的物化监测及微生物监测等分析技术； ▲污染物净化过程中的原位测量、自动化监测与信息传递技术；

■环境微生物工程建立与运行 ▲生态系统中，除了需要工业化有关的技术之外，还需补充生态技术和其他有关技术； ▲工业化处理工程涉及水力系统、机械系统、电力系统、构筑系统、供气系统及监测控制系统的设计与制图技术； ▲生态系统中，除了需要工业化有关的技术之外，还需补充生态技术和其他有关技术； ▲应用微生物菌体及生物制品转化污染物为有用物质或建立清洁生产工艺，其技术手段主要是利用微生物工程的发酵设备系统； ▲用于环境微生物工程的经济效益分析、环境效益分析和社会效益分析的计算机等现代信息处理技术

（4）环境微生物工程涉及的学科 ▲环境微生物工程的建立和运行之中均需对有关微生物进行基础研究，它涉及到微生物学、细胞学、生理生化学、分子生物学和遗传学。 ▲环境微生物工程中构建菌株要涉及到基因工程、细胞工程、酶工程和分子遗传学。 ▲环境微生物工程中污染物的降解转化及监测评价要涉及到环境化学、环境生物学、环境地学、环境卫生学、环境毒理学和环境监测与评价。 ▲环境微生物工程中对污染物的原位测量和自动化控制要涉及信息科学、电子工程技术、仪器分析科学和计算机科学。 ▲应用发酵工程技术使污染物净化和资源化或建立清洁生产工艺的环境微生物工程要涉及工业微生物学和化工机械。 ▲在自然环境中建立滑冰微生物修复工程要涉及土壤学、水利学、气象学和生态学。 ▲对环境微生物工程进行预算和评价要涉及经济学、法律学、环境葵花管理和系统工程。

对象： 微生物的形态、细胞结构及其功能、微生物的营养、呼吸、物质代谢、繁殖、遗传与变异等基础知识； （5）环境微生物工程研究的对象及任务 对象： 微生物的形态、细胞结构及其功能、微生物的营养、呼吸、物质代谢、繁殖、遗传与变异等基础知识； 水体、土壤、空气、城市生活污水、工业废水、城市有级固体废弃物生物处理、废气生物处理中的微生物及其生态； 饮用水卫生学； 自然环境物质循环与转化； 水体和土壤的自净作用、污染水体治理、污染土壤修复等环境工程净化原理。

任务： 医疗方面消除病原微生物和利用有益微生物处理环境中的各种有害物质； 环境工程中利用微生物处理废水、废气和废弃物； 自然环境中利用微生物进行环境污染修复；

（6）环境微生物及环境微生物工程研究进展 土著菌的开发利用：从自然界存在的大量微生物菌株资源中筛选并经驯化已获得去污高效菌株或微生物类群； 印染废水、农药废水、尾矿废水、塑料降解、石油污染清除、垃圾堆肥。

构建遗传工程菌用于环境微生物工程：将有关基因转入繁殖速度快、适应能力强的受体菌细胞内，则可以构建出兼具多种优势的新型工程均；清除石油污染基因工程菌、降解化学农药的基因工程菌、降解塑料的基因工程菌和降解木质素的基因工程菌。

野外污染现场修复用的环境微生物修复工程---生物修复（Bioremediation)： 污染物资源化及建立清洁生产工艺的环境微生物工程：酵母和光和细菌净化高浓度有机废水生产单细胞蛋白、废纤维生产燃料酒精、有机废物生产甲烷、木材废物生产木糖和木糖醇。生物制浆造纸工艺。

本课程是环境科学与环境工程各专业学生的专业基础课； 与《环境微生物学实验》相结合，构成一个完整的体系； 基础研究：从DNA分子水平研究微生物降解转化污染物的机理；从环境微生物中分离鉴定出降解特定污染物的基因，并用该基因构件高效降解污染物的基因工程菌；利用环境微生物分子遗传指标和生理生化指标作为生物标志（Biomarker)去指示环境污染状况—环境污染生物监测。研究微生物降解反应动力学及其数学模型和相关参数，发现清除污染物与相关因素之间的定量关系，为环境微生物工程提供设计依据。相关的计算机软件开发、试剂盒的研究与应用、遥感技术的配合和多种传感器及生物反应器的研究与开发。 3 环境工程微生物课程的教与学 ■本课程的基本情况： 本课程是环境科学与环境工程各专业学生的专业基础课； 与《环境微生物学实验》相结合，构成一个完整的体系； 本课程强调每个学生要动手，通过实验，加深对讲课内容的理解和记忆； 本课程内容分两大部分：一是微生物学的基础知识；二是微生物学在环境领域中的应用。 总学时：56学时； ●讲课：40学时；（1~11周，4学时/周) ●实验：16学时；(具体有教学实验中心安排） ■本课程的教材： 《环境工程微生物学》（第二版） 周群英、高廷耀编著 高等教育出版社 2000年 关于教材： 在整个教学过程中，本教材是主要的参考资料，当然，每个同学可以根据自己的情况，适当选择一些其他相关的书进行阅读。 由于本教材的内容比较多，有一部分内容，将不在课上进行讲述，希望同学们在课外时间自学。 参考书： “Microbiology”5th ed., Lansing M.Prescott, John P. Harley and Donald A. Klein, The McGraw-Hill Companies,Inc “Microbiology of Extreme Environments” Edited by Clive Edwards, McGraw-Hill Publishing Companies,Inc 《环境微生物工程》，马文漪 杨柳燕主编， 顾宗濂主审 南京大学出版社 《污染控制微生物工程》，徐亚同 史家樑 张 明 编著 化学工业出版 关于微生物实验课： 为了更好地掌握本课程课堂上讲授的内容，需要把相应的实验课内容做好，理论联系实际， 在本课程中也会涉及许多实验课上的内容。 。 考试与成绩 __________________________ ● 平时成绩 （课堂+小论文）： 30% ● 期末考试（闭卷）：70%