环境工程微生物学基本概况

1、环境工程微生物学 绪 论 0.1 微生物与环境工程 0.1.1 环境工程面临的问题 0.1.2 微生物对人类生存环境的影响 是宝贵的自然资源；是生物多样性的重要成员； 是环境中有机物的主要分解者； 是参与环境污染物综合利用，变废为宝的积极分子； 某些微生物及微生物代谢产物可污染环境，危害人体健康； 在特定的环境中可产生大量的CO2等温室气体，有可能有 助于大气温室效应。 0.1 微生物与环境工程 0.1.3 微生物在环境工程中应用的优点 容易发生变异 能在极端环境中生存 经济、高效 0.2 课程研究对象与任务 研究对象 1 微生物的形态、细胞结构及功能，微生物的营养、 呼吸、物质代谢、生长繁殖

2、、遗传与变异等基础 知识。 2 栖息在水体、土壤等环境中的微生物及其生态 3 自然环境物质循环与转化 4 污染水体、污染土壤等修复工程的净化原理 0.2 课程研究对象与任务 研究任务 1 微生物在自然环境中存在的基本状况及活动 规律。 2 微生物对化学污染物及其他有利影响。 0.3 微生物的概述 0.3.1 什么是微生物 微生物 （microorganisms）是肉 眼看不见的，必须在电 子显微镜或光学显微镜 下才能看见的微小生物 的统称。 小小 m级：光镜可见级：光镜可见 nm级：电镜可见级：电镜可见 形体微小形体微小 The white bar above represents 10 mi

3、crons (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) lymphocyte (5 to 8 microns) human sperm (60 microns) 简简 单细胞单细胞 简单多细胞简单多细胞 非细胞结构非细胞结构 结构简单 0.3 微生物的概述 0.3.2 微生物的类群 原核微生物，（细菌） 细胞型微生物 真核微生物

4、，（酵母菌） 非细胞型微生物，（病毒） 0.3 微生物的概述 0.3.3 微生物的分类 界、门、纲、目、科、属、种 魏泰克 生物五界分类系统： 原核生物界(细菌、放线菌、蓝绿菌) 真核原生生物界(蓝藻以外的藻类及原生动物) 真菌界(酵母菌、霉菌) 动物界 植物界 王大耜 生物六界分类系统 非细胞结构生物 病毒界 原核细胞生物原核生物界 蓝藻门（蓝绿细菌） 细菌门 真菌界 动物界 植物界 酵母菌 真核原生生物界 原生动物 真核藻类 霉菌 微型后生动物 高低等动物 低等植物 高等植物 细 胞 结 构 生 物 0.3 微生物的概述 0.3.4 微生物的命名 生物学中的二名法： 属名种名（斜体拉丁文）

5、 名词，首字母大写 形容词，首字母小写 0.3 微生物的概述 0.3.5 微生物的特点 A 个体极小 B 分布极广，种类繁多 C 繁殖快 D 易变异 第一章 原核微生物 第一节 细 菌 1.1 细菌（bacteria） 1.1.1 细菌的个体形态 球状 杆状 螺旋状 1.1 细菌（bacteria） 1.1.1 细菌的个体形态 单球菌 双球菌 1. 球菌 链球菌 四联球菌 八叠球菌 葡萄球菌 新细胞的排列方式可作为分类鉴定的依据。 1.1 细菌（bacteria） 1.1.1 细菌的个体形态 单杆菌 2. 杆菌 双杆菌 链杆菌 其排列方式不可作为分类鉴定的依据。 1.1 细菌（bacteria

6、） 1.1.1 细菌的个体形态 弧菌 3. 螺旋菌 螺旋菌 螺距、螺数因菌种而异，可作为分类鉴定依据。 4. 丝状菌 1.1 细菌（bacteria） 1.1.2 细菌的大小 单位：m 球菌：用直径表示，0.52.0 表示方法 杆菌：宽长，(0.51.0)(15) 螺旋菌：宽长，(0.251.7)(260) 影响细菌大小的因素： 菌龄、环境渗透压、代谢产物的积累、pH等 菌 名 直径或宽长度 ( m) 乳链球菌 ( Streptococcus lactis ) 0.51 金黄色葡萄球菌 ( Staphylococcus aureus )0.8 1 最大八叠球菌 ( Sarcina maxima

7、 ) 4 4.5 大肠杆菌 ( Escherichia coli )0.5 （1 3） 伤寒沙门氏菌 ( Salmonella typhi ) （0.6 0.7） （ 2 3） 枯草芽孢杆菌 ( Bacillus subtilis ) （0.8 1.2） （ 1.2 3） 炭疽芽孢杆菌 ( Bacillus anthracis ) （1 1.5） （4 8） 德氏乳细菌 ( Lactobacterium delbruckii ) （0.4 0.7 ）（ 2.8 7 ） 表表1.1 1.1 一些细菌的大小一些细菌的大小 1.1.3 细菌的细胞结构 基本结构：细胞壁、细胞膜 、细胞质和原核，为所有

8、细菌 细胞所共有 特殊结构：如荚膜、鞭毛、菌毛、芽孢和胞囊等，这些结 构只在某些细菌种类中发现，具有某些特定功能 1.1.3.1 细胞壁（cell wall） 1. 概念及其生理功能 固定外形和保护细胞 屏障作用，阻碍某些分子进入 为鞭毛提供力学支点 2. 细胞壁的化学组成与结构 G 细胞壁厚（20 80nm） 化学组成： a 肽聚糖 b 磷壁酸teichoic acid c 少量蛋白质和脂肪 肽聚糖单体组分：NAG，NAM，四肽链 Gram positive bacterial cell wall structure diagram G 细胞壁较薄（10nm） 外层：脂多糖 外壁层 中层：磷

9、脂层 内层：脂蛋白 内壁层：肽聚糖（10） 表1.2 G和G细胞壁的主要区别 内壁层外壁层 厚度/nm2080238 层次单层 肽聚糖结构 多层，75亚单位交 联，网格紧密坚固 与细胞膜的关系不紧密 肽聚糖4090510%无 磷壁酸多数有无无 多糖有无无 蛋白质有或 无无有 脂多糖无无1122 脂蛋白无有或无有 敏感 敏感 对青霉素 对溶菌酶 不够敏感 不够敏感 G性质 G 多层 单层，30亚单位 交联，网格较疏松 紧密 组成 结构 1.1.3 细菌的细胞结构 2.1.3.2 原生质体 1. 细胞质膜 化学组成 (a) 脂类(3040):主要为甘油磷脂 (b) 蛋白质(6070%) 外周蛋白，

10、存在于膜内或外表面，水溶性蛋白， 内嵌蛋白，镶嵌在磷脂双层中，多为非水溶性 (c) 多糖（2） 细胞质膜 （protoplasmic membrane） 细胞质膜的结构 1.细胞质膜（protoplasmic membrane） 细胞膜的生理功能 a. 渗透酶（载体蛋白）：控制细胞内外的物质运送、交 换，维持正常渗透压的屏障作用。 b. 合成酶：在膜上合成细胞壁。 c. 呼吸酶：进行呼吸作用。 d. ATP合成酶：进行物质代谢和能量代谢。 e. 细胞膜上有鞭毛基粒，鞭毛由此长出，即为鞭毛提供 附着点。 2. 细胞质及内含物 细胞质(cytoplasm)，又称原生质，是在细胞质膜 内除核物质以外

11、的无色透明、粘稠的复杂胶体。 特点 幼龄菌：富含RNA，嗜碱性强，着色均匀 老龄菌：RNA少，着色不均匀 可通过染色均匀与否来判断细菌的生长阶段。可通过染色均匀与否来判断细菌的生长阶段。 2. 细胞质及内含物 (1) 核糖体(ribosome) 合成蛋白质的部位，合成蛋白质的部位，由RNA和蛋白质组成。 原核微生物：是分散在细胞质中的亚微颗粒 真核微生物：可游离状，也可结合于内质网上 (2) 气泡(gas vesicle) 指某些水生细菌如蓝细菌、不放氧的光合细菌和盐 细菌内贮存气体的特殊结构。 能使细胞保持浮力，有助于调节并使细菌生活在最 佳水层位置，以利于获得氧气、光和营养等。 1.1.3

12、.2 原生质体（protoplasm） (3)内含物 ( cytoplasmic inclusions ) 异染粒 嗜碱性或嗜中性较强。缺营养时被用作C和P源。 聚羟基丁酸(PHB) 是一种碳源和能源贮藏物。缺营养 时被用作C和P源。 硫粒 某些氧化硫的细菌细胞内可积累硫粒，硫细菌在 外界缺H2S时，利用硫粒取得能量。 肝糖和淀粉粒 都是碳源贮藏物。 内含物 硫粒 PHB 3. 拟核(nucleoid) 细菌无核膜和核仁，故称原始核或拟核。 细菌的原核只有一个染色体，主要含具有遗传特征 的脱氧核糖核酸 (DNA) 。少量 RNA 和蛋白质。 染色体是由双螺旋的大分子链高度折叠缠绕构成， 一般呈

13、环形结构，总长度为0.25mm3mm 。 功能：决定遗传性状和传递遗传信息。 1.1.3.3 荚膜、粘液层、菌胶团和衣鞘 1. 荚膜和粘液层荚膜和粘液层 荚膜：分泌物质粘滞性较大，相对稳定地附着在细胞壁外， 具一定外形，称为荚膜或大荚膜 (macrocapsule) 。 微荚膜 (microcapsule) ：厚度在 200nm 以下，它与细胞表 面结合较紧，用光学显微镜不易观察到。微荚膜易被胰蛋 白酶消化。 粘液层 (slime layer) ：比较疏松，无明显形状，悬浮在基质 中更易溶解，并能增加培养基粘度。 荚膜是分类特征之一荚膜是分类特征之一 产荚膜的细菌菌落光滑透明光滑型(S型)菌落

14、 不产荚膜的菌落表面粗糙粗糙型(R型)菌落 1. 荚膜和粘液层荚膜和粘液层 化学组成 H2O（9098） 多糖或多肽 n功能 a 具有保护功能 b 有助于细菌的侵染力 c 可作为能源 d 有吸附作用 负染色法负染色法 2. 菌胶团菌胶团(zoogloea) 指多个细菌按一定的排列方式互相粘集 在一起，被一个公共荚膜包围形成一定形 状的细菌集团。 3. 衣鞘衣鞘(sheath) 指水生环境中的一些丝状菌体表面的粘 液层或荚膜硬质化，而形成一个透明坚韧 的空壳。 1.1.3.4 芽孢(spore) 1. 概念： 芽孢是某些细菌在其生长的某个阶段或 遇到外界不良环境时，在其细胞内形成一个 圆形、椭圆

15、形或圆锥形的休眠体，其对环境 具有较强的抵抗力。 根据芽孢的位置、形状和大小，可作为细菌 的分类鉴定依据之一。 2. 芽孢类型 a 位于细胞中央，直径大于细胞直径，孢子囊呈梭状，如梭 状芽孢杆菌； b 位于细胞顶端，直径大于细胞直径，呈鼓槌状，如破伤风 杆菌； c 位于细胞中间，直径小于细胞直径，如枯草芽孢杆菌。 3. 芽孢的特点 a 含水率低，3840 b 芽孢壁厚而致密 c DPA含量高，具有耐热性 d 含有耐热性酶 n芽孢没有繁殖意义，仅仅是芽孢细菌生活史中的一环， 是细菌的休眠体。 1.1.3.5 鞭毛(flagella) 1. 概念：是一条由细胞质膜上的鞭毛基粒长 出，穿过细胞壁伸向

16、体外的纤细的波浪状 的丝状物。 2. 化学组成 蛋白质，少量的多糖或多肽 3. 分类 一端生鞭毛：菌体的一端只生一根鞭毛，如霍乱弧菌 两端生鞭毛：菌体两端各具一根鞭毛，如鼠咬热螺旋体 丛生鞭毛：菌体一端生一束鞭毛，如铜绿假单胞菌；菌体两端 各具一束鞭毛，如红色螺菌 周生鞭毛：周身都有鞭毛，如大肠杆菌 、枯草杆菌等。 根据着生部位、数目和排列，鞭毛可作为细菌分类的依据。 (a) 周生鞭毛 (b) 极生鞭毛 (c) 丛生鞭毛 1.1.4 细菌的培养特征 1.1.4.1 细菌在固体培养基上的培养特征 菌落特征 菌落：是由一个细菌繁殖起来的，由无数细菌组 成的具有一定形态特征的细菌集团。 培养方法：采

17、用稀释平板法或平板划线法将呈单 个细胞的细菌接种在固体培养基上，给予一定的 培养条件，细菌就可在固体培养基上迅速生长繁 殖形成一个菌落。 1.1.4.1 细菌在固体培养基上的培养特征 表面特征：光滑or粗糙、干燥or湿润 边缘特征：圆形、锯齿状等 纵剖面特征：平坦、扁平、隆起等 菌落特征可作为细菌分类鉴定的依据之一。 Eg: 肺炎链球菌：具荚膜，表面光滑、湿润粘稠 枯草芽孢杆菌：无荚膜，表面粗糙、皱褶、平坦 蕈状芽孢杆菌：表面粗糙、边缘有毛状凸起并卷曲 浮游球衣菌：平坦、透明、边缘呈卷曲毛发状 细菌菌落特征 正面观： 1. 扁平 2. 隆起 3. 低凸起 4. 高凸起 5. 脐状 6. 草帽状

18、 7. 乳头状 表面结构、形态及边缘： 8. 圆形、边缘完整 9. 不规则、边缘波浪 10. 不规则、 颗粒 状 、边缘叶状 11. 规划、放射状、边缘呈叶状 12. 规则、边缘呈扇边状 13. 规则、边 缘呈齿状 14. 规则、有同心环、边缘完整 15. 不规则、似毛毯状 16. 规则、似菌丝状 17. 不 规则、卷发状、边缘波状 18. 不规则、呈丝状 19. 不规则、根状 1.1.4 细菌的培养特征 1.1.4.2 细菌在明胶培养基中的培养特征 采用穿刺接种法培养细菌，可形成不同形态 的溶菌区。 1.1.4.3 细菌在液体培养基中的培养特征 均匀一致的浑浊液 形成沉淀 形成菌膜漂浮在液面

19、 产生气泡、酸、碱和色素等 细菌在明胶培养基中的培养特征细菌在明胶培养基中的培养特征 细菌在液体培养基中的培养特征 1.1.4 细菌的培养特征 1.1.4.4 细菌在半固体培养基中的培养特征 1. 根据细菌的生长状态判断其呼吸类型 培养基表面及穿刺线上部生长：好氧菌 沿穿刺线自上而下生长：兼性厌氧菌 在穿刺下部生长：厌氧菌 2. 根据细菌的生长状态判断有无鞭毛 只沿穿刺线生长：无鞭毛，不运动的细菌 穿透培养基扩散生长：有鞭毛，运动的细菌 1.1.5 细菌的物理化学性质 1.1.5.1 细菌表面电荷和等电点 等电点：指在某一定pH溶液中，氨基酸所带的正电荷和负电荷相 等时的pH值。 氨基酸 蛋白

20、质 细菌也具有两性电解质的性质 G pH等23 细菌等电点 G pH等45 pH25 G不稳定菌 pH等34 偏碱性 pH7 细菌所处 中性 pH7 高于细菌的等电点 培养基 偏酸性 pH67 故细菌表面总是带负电荷故细菌表面总是带负电荷 1.1.5.2 细菌的染色原理及染色方法 1. 染色原因 细菌菌体无色透明，染色以增加菌体与背景的反差， 便于观察。 2. 染色原理 细菌在培养状态下总带负电荷，故可用带正电荷 的碱性染料染色。 3. 染色方法 简单染色法 复合染色法 4. 革兰氏染色法革兰氏染色法鉴别染色法鉴别染色法 C.Gram（革兰）于革兰）于1884 年发明的一种鉴别不同类年发明的一

21、种鉴别不同类 型细菌的染色方法。型细菌的染色方法。 v 用草酸铵结晶紫染色用草酸铵结晶紫染色1min，水洗水洗 v I2KI溶液媒染溶液媒染1min，倾去余溶液倾去余溶液 v 用乙醇或丙酮冲洗进行脱色。在经历脱色后用乙醇或丙酮冲洗进行脱色。在经历脱色后 仍将结晶紫保留在细胞内的为革兰氏阳性细仍将结晶紫保留在细胞内的为革兰氏阳性细 菌，而革兰氏阴性细菌的结晶紫被洗掉，细菌，而革兰氏阴性细菌的结晶紫被洗掉，细 胞呈无色。胞呈无色。 v 用蕃红染液复染用蕃红染液复染1min，进行镜检。进行镜检。 原来无色的原来无色的 革兰氏阴性细菌最后呈现革兰氏阴性细菌最后呈现 红色，而革兰氏阳性细菌继续保持深紫色

22、红色，而革兰氏阳性细菌继续保持深紫色 v 将细菌均匀涂布在载玻片上并固定将细菌均匀涂布在载玻片上并固定 1.1.5.2 细菌的染色原理及染色方法 5. 革兰氏染色机制 (1) 与细菌等电点有关 23 pH等(G+) pH等(G)=45 G+带的负电荷比G多，结合力大 用I2KI媒染后，等电点都下降， G+等电点下降的多 与草酸铵结晶紫结合的更牢固，对脱色剂的抵抗力更强 1.1.5.2 细菌的染色原理及染色方法 5. 革兰氏染色机制 (2) 与细胞壁有关 G+脂类含脂类含 量低量低 (14%) 乙醇既是脱色乙醇既是脱色 剂又是脱水剂剂又是脱水剂 肽聚糖脱水，细胞壁孔 径缩小，其通透性降低 G脂类

23、含量 高 (4090%) 脂类物质被乙醇溶解，增 加细胞壁的孔径和通透性 1.1.5 细菌的物理化学性质 1.1.5.3 细菌悬液的稳定性 S型细菌：悬液稳定，不发生凝聚 R型细菌：不稳定，易凝聚而沉淀，培养基很清 应用： 废水生物处理中的二沉池，应使其中的R型菌数 量占优势，以取得较好的沉淀效果 1.1.5 细菌的物理化学性质 1.5.1.4 细菌悬液的浑浊度 测定方法：目力比浊法、光电比色计、比浊计等 目的：略知细菌数(包括活菌和死菌) 1.5.1.5 细菌的多相胶体性质 细菌细胞质是多相胶体，在各相中进行各自的 生化反应，因此，在一个细菌体内可同时进行多 种生化反应。 1.1.5 细菌的

24、物理化学性质 1.1.5.6 细菌的比表面积 细菌体积小，但有巨大的比表面积，这有利 于细菌吸附和吸收营养物，有利于排泄代谢产 物，使细菌快速生长繁殖。 1.1.5.7 细菌的密度和重量 1.071.19(1.09) (H2O) m110911010mg/个 第一章 原核微生物 第二节 古 菌 1.2 古菌(Archaea) 1.2.1 古菌的特点 1. 形态：细胞很薄，扁平 2. 细胞结构：大多不含二氨基庚二酸和胞壁酸，主要 是脂蛋白，蛋白质是酸性 3. 代谢：多样性 4. 呼吸类型：多为严格厌氧、兼性厌氧，还有专性好 氧 5. 繁殖速度：较慢，进化速度也比细菌慢 6. 生活习性：大多生活在

25、极端环境 1.2.2 古菌的分类 根据生活习性和生理功能 产甲烷菌 嗜热嗜酸菌 极端嗜盐菌 伯杰氏系统细菌分类手册 产甲烷菌 古生硫酸盐还原菌 极端嗜盐菌 无细胞壁古生菌 极端嗜热硫代谢菌 1.2.2.1 产甲烷菌 专性厌氧菌 1. 产甲烷菌的细胞结构 细胞封套、细胞质膜、原生质、核质细胞封套、细胞质膜、原生质、核质 n 细胞封套有四种 (a) 大多数的G产甲烷菌 一层：不含胞壁质(二氨基庚二酸or胞壁酸) 厚度1020nm，如甲烷杆菌属 巴氏甲烷八叠球菌，200nm 三层：由内、中、外三层组成，厚2030nm。 外层在细胞分裂横隔形成时消失。如胃瘤甲烷短杆菌 (b) G的炽热高温甲烷菌的细胞

26、壁外有一层六角形的蛋白质亚基(S层)覆盖。 (c) G产甲烷菌不具有球囊多聚物或外膜，只有一层六角形或四角形的，由蛋 白质亚基或糖蛋白亚基的S层。 (d) 甲烷螺菌的细胞质膜外只有一层由蛋白纤维组成的鞘包裹几个细胞，其厚 为10nm。 2. 产甲烷菌的培养方法 液体深层培养法、抽真空培养法、去氧培养法、厌氧培养法 1.2.2.2 嗜热嗜酸菌 特点 专性嗜热，最适生长温度70 105 G 形状：杆状、球状、丝状 呼吸类型：好氧、兼性厌氧、严格厌氧 营养类型：自养或异养生长 多数为硫代谢菌 1.2.2.3 极端嗜盐古菌 1. 栖息在高盐环境 2. 形态：杆状、链状、球状 3. G或G 4. 呼吸类型：好氧或兼性厌氧 5.