第1章绪论环微

1、张燕生 教学安排教学安排32 32 学时学时成绩评定成绩评定平时成绩平时成绩 50%50%考核考核 50%50%主要参考教材主要参考教材: : 1.1.乐毅全乐毅全, ,王世芬主编王世芬主编. .环境微生物学环境微生物学. .北京北京: :化学工化学工业出版社业出版社,2005,2005 环境微生物学是由普通微生物学发展起来的环境科学和环境工程的一门理论基础学科。 以普通微生物学为基础，在研究微生物一般规律的同时，着重微生物和环境之间相互作用的规律、微生物活动对环境和人类产生的影响以及在环境污染控制工程中有关微生物学原理的研究。一、环境微生物学概念一、环境微生物学概念1-1 1-1 环境微生物

2、学及其研究内容环境微生物学及其研究内容微生物在人类环境中的活动与作用规律微生物在人类环境中的活动与作用规律微生物对人类环境的有利或有害影响微生物对人类环境的有利或有害影响环境污染防治的微生物学原理环境污染防治的微生物学原理人类人类环境环境有益生物作用有害生物作用二、环境微生物学的内容和任务二、环境微生物学的内容和任务（1）研究自然环境中的微生物及其与环境间的相互关系以）研究自然环境中的微生物及其与环境间的相互关系以及对人类环境有益和有害的影响，此即及对人类环境有益和有害的影响，此即广义的环境微生广义的环境微生物学物学研究内容。研究内容。（2）研究污染环境的微生物行为及微生物对污染物的去除）研究

3、污染环境的微生物行为及微生物对污染物的去除或转化、微生物活动对环境的影响等，此即或转化、微生物活动对环境的影响等，此即污染微生态学污染微生态学研究内容。研究内容。（3）在治理污染的人工构筑系统中微生物的作用与应用，）在治理污染的人工构筑系统中微生物的作用与应用，此即此即环境工程微生物学环境工程微生物学的主要内容。的主要内容。（4）在环境监测中的应用，此即）在环境监测中的应用，此即环境微生物监测技术环境微生物监测技术。相近的几门学科相近的几门学科（一）、以微生物学为基础，与微生物生态学联系紧密。（二）是实用性极强的独立学科。与发酵微生物、工业微生物、卫生微生物、环境生物技术等相互渗透、相互影响。

4、（三） 不断发展、完善、成熟的年轻学科* 。三、环境微生物学学科特点三、环境微生物学学科特点微生物微生物环境环境人类人类1-21-2、微生物、环境、人类、微生物、环境、人类三者关系三者关系人类活动与物质流动人类活动与物质流动 主要元素的作用与循环主要元素的作用与循环 (单位为1000km3)存在于生物圈地球表面的物质循环受到地球生物活动的巨大影响存在于生物圈地球表面的物质循环受到地球生物活动的巨大影响氧气平衡氧气平衡植物与光合成菌植物与光合成菌的产氧活动的产氧活动生物固氮生物固氮氮气平衡氮气平衡氧气积累氧气积累产氧微生产氧微生物的光合物的光合成反应成反应氮气积累氮气积累原核生物原核生物厌氧脱氮

5、厌氧脱氮无氧（氮）无氧（氮）大气大气耗氧生物活动耗氧生物活动 先有植物还是先有细菌？ 在黑海海底发现的一处礁石或许可以提供线索。 礁石高约4米，奇特之处在于它的“创造”者是一种厌氧嗜甲烷菌。它们能利用硫酸盐处理甲烷，代谢产物为碳酸盐，在海底不断堆积形成碳酸盐礁石。 这种细菌生存了约40亿年，很可能是地球的最原始居民。 传统观点认为，地球早期生命形式的研究应集中在植物上，地球诞生初期缺乏氧气，二氧化碳很多，植物能通过光合作用将二氧化碳转化成氧气。但已发现最古老的植物为30亿35亿年前，其历史比不上嗜甲烷菌。细菌比植物还古老？细菌比植物还古老？co2h2oo2 (ch2o)n醇，有机酸co2h2矿

6、物燃料ch4产甲烷菌有氧无氧碳循环与氧、氢循环相偶联。微生物起关键作用碳循环与氧、氢循环相偶联。微生物起关键作用生物分解有机物燃烧生物合成甲烷氧化菌化石燃料（cnhm）能源利用，化工原料，人工合成有机物二氧化碳固定是二氧化碳还原到碳水化合物的生化过程，主要通过光合作用来实现。光合作用是地球上最重要的生物学过程之一，其实质是转化光能为化学能，把二氧化碳还原为细胞有机碳。能进行光合作用的细菌统称为光合细菌（pho-tosvnthetic bacteria，psb）。在在循环湖循环湖中，湖水循环，不利于形成厌氧层，中，湖水循环，不利于形成厌氧层，不利于光合细菌生长。但在夏季，湖泊分层，不利于光合细菌

7、生长。但在夏季，湖泊分层，下层形成含有下层形成含有h h2 2s s的厌氧停滞层，含有大量紫的厌氧停滞层，含有大量紫色或绿色硫细菌。色或绿色硫细菌。psbpsb的种类与水中的种类与水中h h2 2s s的浓度、盐浓度、温度、的浓度、盐浓度、温度、phph、eheh等有关。此外，活性污泥槽、下水道、等有关。此外，活性污泥槽、下水道、海洋、盐湖、沼泽、硫磺泉、水田、灌水土海洋、盐湖、沼泽、硫磺泉、水田、灌水土壤中都有壤中都有psbpsb分布。分布。psbpsb分布如此广泛，与其分布如此广泛，与其获能方式多样有关。获能方式多样有关。psbpsb在自然界广泛分布于水体中在自然界广泛分布于水体中。在在不

8、混湖不混湖中，上下水层不对流相混，下层水中，上下水层不对流相混，下层水常年有含常年有含h h2 2s s的厌氧停滞层。这些停滞层生的厌氧停滞层。这些停滞层生长着紫色硫细菌、绿色硫细菌。在它们的上长着紫色硫细菌、绿色硫细菌。在它们的上面，有紫色非硫细菌。不混湖是最适宜面，有紫色非硫细菌。不混湖是最适宜psbpsb生长发育的湖泊。生长发育的湖泊。大气中的大气中的coco2 2直接被光合成固定下来进入食物链，最后经过生命直接被光合成固定下来进入食物链，最后经过生命活动和燃烧返回到大气中。动植物死骸经常年的物化作用而形成活动和燃烧返回到大气中。动植物死骸经常年的物化作用而形成矿物燃料的速度远小于人类的

9、矿物利用速度，这种平衡的失控的矿物燃料的速度远小于人类的矿物利用速度，这种平衡的失控的影响是非常长远的，影响是非常长远的，从理论上来讲，海洋与陆地的地理变化会加从理论上来讲，海洋与陆地的地理变化会加速，并向新的平衡移动。速，并向新的平衡移动。人类生产活动人类生产活动大气圈大气圈co2升高升高能量平衡变化能量平衡变化物质平衡变化物质平衡变化海洋吸收加速海洋吸收加速生物链固碳必须加速生物链固碳必须加速生物圈升温生物圈升温微生物分解等反微生物分解等反固碳过程加速固碳过程加速新平衡的建立新平衡的建立矿物能源过量使用矿物能源过量使用砍伐森林砍伐森林 微生物是一群个体微小微生物是一群个体微小,结构简单结构

10、简单,肉眼看不见肉眼看不见,必须借助必须借助光学显微镜或电子显微镜放大后才能观察到的微小生物。光学显微镜或电子显微镜放大后才能观察到的微小生物。非细胞生物（病毒）非细胞生物（病毒）原核生物（细菌、古生菌）原核生物（细菌、古生菌）真核生物（真菌、藻类、原生动物）真核生物（真菌、藻类、原生动物）微生物微生物一、微生物的定义一、微生物的定义2-1 2-1 微生物的基本概念微生物的基本概念不同生物类型细胞相对大小不同生物类型细胞相对大小不同生物类型细胞相对大小示意图不同生物类型细胞相对大小示意图动物的模式细胞动物的模式细胞动物细胞核动物细胞核细菌细菌病毒病毒照片显示照片显示h5n1h5n1禽流感病毒禽

11、流感病毒( (蓝色部分蓝色部分) )正在攻击健康正在攻击健康的人体细胞的人体细胞( (红色部分红色部分) )25万倍的电子显微镜照片。中国生物信息网转载，照片发表于瑞典每日新闻报h5n1h5n1禽流感病毒禽流感病毒人体细胞人体细胞1,个体小：个体小：以微米以微米(m)来衡量。来衡量。2,形态简：形态简：由单细胞、简单多细胞由单细胞、简单多细胞或非细胞生命物质所构成。或非细胞生命物质所构成。3,种类多：种类多：生物分原核生物界、原生物分原核生物界、原生生物界生生物界(藻类藻类, 原生动物原生动物)、真菌、真菌界界(酵母、霉菌酵母、霉菌)、植物界、动物、植物界、动物界和病毒界。微生物在六界中占界和

12、病毒界。微生物在六界中占绝对数量优势。绝对数量优势。肠道杆菌二、微生物的共同特点二、微生物的共同特点4,4,繁殖快：繁殖快：微生物繁殖速度极高微生物繁殖速度极高, ,其中以其中以二分裂方二分裂方式繁殖式繁殖的细菌尤为突出的细菌尤为突出. .一般细菌数十分钟繁殖一一般细菌数十分钟繁殖一代，以代，以2020分钟一代计算，分钟一代计算，1 1个细菌在个细菌在2424小时小时内可以内可以繁殖繁殖7272代，生成代，生成2 27272个即个即 4.7224.72210102121个后代，个后代，每个每个细菌的重量以细菌的重量以1010-12-12g g计算计算, ,总重量达总重量达47224722吨。吨

13、。 一个大肠杆菌一个大肠杆菌培养培养4-5天天地球地球5,5,数量多数量多：由于微生物的营养食谱广由于微生物的营养食谱广, ,生长繁殖速生长繁殖速度快度快, ,故凡有微生物生存之处故凡有微生物生存之处, ,它们都拥有巨大的它们都拥有巨大的数量。如在一个数量。如在一个1mm1mm3 3大小的菌落中大小的菌落中, ,就可含有数十就可含有数十亿乃至数百亿个的个体。亿乃至数百亿个的个体。6,6,分布广分布广 7 7. .胃口大：胃口大：“胃口大胃口大”即新陈代谢旺盛。具有强大的合即新陈代谢旺盛。具有强大的合成和分解能力成和分解能力. .8.8.食谱广：食谱广：即代谢类型多。如纤维素即代谢类型多。如纤维

14、素, ,几丁质几丁质, ,胶蛋白胶蛋白, ,石油石油, ,甲醇甲醇, ,甲烷甲烷, ,天然气天然气, ,塑料塑料, ,橡胶橡胶, ,酚类酚类, ,氰化物等微氰化物等微生物都可以利用。生物都可以利用。石石油油酚酚醇醇甲甲烷烷氰化物氰化物硫硫10.10.易变异：易变异：易受环境作用与变化的影响易受环境作用与变化的影响, ,发生突变。发生突变。9.9.起源早：起源早：地球诞生地球诞生4646亿年亿年, , 微生物微生物4040亿年前即已形成亿年前即已形成低低p ph h分批培养时的甲烷杆菌分批培养时的甲烷杆菌较高较高ph连续培养时的甲烷杆菌连续培养时的甲烷杆菌分类等级分类等级(rank(rank或或

15、category)category) ：细菌的分类单元分为七个基本的分类等级或分类阶元，细菌的分类单元分为七个基本的分类等级或分类阶元，由上而下依次是：界、门、纲、目、科、属、种。由上而下依次是：界、门、纲、目、科、属、种。 一、微生物分类一、微生物分类分类单元分类单元(taxon) ：指具体分类群，如原核生物界指具体分类群，如原核生物界(procaryotae)、 肠 杆 菌 科、 肠 杆 菌 科(enterobacteriaceae)、枯草芽孢、枯草芽孢杆菌杆菌(bacillus subtilis)等都分别等都分别代表一个分类单元。代表一个分类单元。 门门 纲纲 亚纲亚纲 目目 科科属属种

16、种界界2-2 2-2 微生物类群与生物三域微生物类群与生物三域原核生物界原核生物界procaryotaeprocaryotae光能营养光能营养原核生物门原核生物门化能营养化能营养原核生物门原核生物门蓝绿光和细菌纲蓝绿光和细菌纲红色光和细菌纲红色光和细菌纲绿色光和细菌纲绿色光和细菌纲细菌纲细菌纲古细菌纲古细菌纲立克次氏体纲立克次氏体纲柔膜体纲柔膜体纲barkrei（一种产甲烷八叠球菌）的分类为：（一种产甲烷八叠球菌）的分类为：原核生物界、化能原核生物界、化能营养原核生物门、古细菌纲、营养原核生物门、古细菌纲、methanoosarcina methanoosarcina ( (甲烷八叠球菌甲烷八

17、叠球菌属）、属）、barkreibarkrei （种）（种）甲烷八叠球菌属甲烷八叠球菌属 methanothrixmethanothrix( (属）属） 分解醋酸主力菌分解醋酸主力菌barkreibarkrei （种）（种）举例举例： 种（种（species),species),是生物分类中基本的分类单元和分类是生物分类中基本的分类单元和分类等级。它指的是等级。它指的是“物种物种”，目前微生物中的种仍主要是根据各，目前微生物中的种仍主要是根据各种特征种特征( (主要是表型特征主要是表型特征) )分析划分的。因此微生物的种可以看分析划分的。因此微生物的种可以看作是：具有高度特征相似性的菌株群，这

18、个菌株群与其它类群作是：具有高度特征相似性的菌株群，这个菌株群与其它类群有明显区别。有明显区别。 分类单元等级不足以反映分类单元之间的差异时也可增加亚分类单元等级不足以反映分类单元之间的差异时也可增加亚等级，即等级，即亚界、亚门亚界、亚门亚种亚种，细菌分类中还可在科和细菌分类中还可在科和属之间增加属之间增加族族和和亚族亚族等级。等级。 采用国际上通用的双名法，学名通常由一个属名加一采用国际上通用的双名法，学名通常由一个属名加一个种的加词构成。出现在分类学文献上的学名，往往还个种的加词构成。出现在分类学文献上的学名，往往还加上首次定名人、现名定名人和现名定名年份，但在一加上首次定名人、现名定名人

19、和现名定名年份，但在一般使用时这几个部分总是省略的。般使用时这几个部分总是省略的。学名学名= =属名属名+ +种的加词种的加词 +(+(初定名人初定名人)+)+现名定名人现名定名人+ +定名年定名年斜体字斜体字可省略可省略例如例如 ，枯草杆菌的学名为，枯草杆菌的学名为: :bacillus subtilis bacillus subtilis (ehrenberg) cohn 1872.(ehrenberg) cohn 1872.属名属名 + + 种的加词种的加词 + + （首次定名人（首次定名人) ) 现定名人现定名人 定名年定名年二、微生物的命名二、微生物的命名三、生物三域三、生物三域 近

20、年沃思近年沃思(c.r. woese)(c.r. woese)在界上使用域在界上使用域(domain)(domain)，把，把生物分为古生菌域、细菌域和真核生物域。此观念生物分为古生菌域、细菌域和真核生物域。此观念已得到广泛接受。已得到广泛接受。 始祖生物始祖生物细菌域细菌域真核生物域真核生物域古生菌域古生菌域 woese woese等人通过等人通过16s rrna16s rrna序列比较分析首先提出：生物的发序列比较分析首先提出：生物的发展不是一个简单的由原核生物发展到更为复杂的真核生物的过展不是一个简单的由原核生物发展到更为复杂的真核生物的过程，生物界发展进化明显存在着程，生物界发展进化明

21、显存在着3 3个不同的基因系统。个不同的基因系统。始祖生物始祖生物细菌域细菌域真核生物域真核生物域古生菌域古生菌域这三个系统都是由一个这三个系统都是由一个尚不明确的始祖生物大尚不明确的始祖生物大约在约在3535亿年前各自发展亿年前各自发展起来的。该理论后经大起来的。该理论后经大量研究证实，构成三域量研究证实，构成三域学说的主要依据。学说的主要依据。四、微生物的分类依据四、微生物的分类依据微生物种类繁多类群庞杂，但可按有无细胞构造的微生物种类繁多类群庞杂，但可按有无细胞构造的结构特征结构特征分成分成细胞型细胞型和和非细胞型非细胞型两类两类细 胞 型细 胞 型非细胞型非细胞型( (病毒等病毒等)

22、)微微生生物物按细胞核分化程度又常将细胞型微生物分为按细胞核分化程度又常将细胞型微生物分为原核微生物原核微生物和和真核微真核微生物生物两大类两大类真核微生物真核微生物原核微生物原核微生物真细菌真细菌古生菌古生菌按不同发育按不同发育进化系统特征进化系统特征分类可将原核分类可将原核生物分为生物分为真细菌真细菌与与古生菌古生菌，还可把微生物分，还可把微生物分为细菌、古菌、真核生物三域为细菌、古菌、真核生物三域结构特征结构特征进化系统特征进化系统特征原核微生物原核微生物是指细胞核无核膜包裹，只有核区的裸露是指细胞核无核膜包裹，只有核区的裸露dnadna的的原始单细胞生物，包括原始单细胞生物，包括真细菌

23、真细菌和和古生菌古生菌两大群。两大群。古生菌古生菌的研究相对较晚，被认为是很古老的生物，但不要因的研究相对较晚，被认为是很古老的生物，但不要因此而产生误解，古生菌与真细菌的分别不是古老之分，他们的此而产生误解，古生菌与真细菌的分别不是古老之分，他们的系统进化过程的根本不同是其主要分类依据。系统进化过程的根本不同是其主要分类依据。近近2020年来从细胞年来从细胞壁的化学构造研究它们的区别有很大的进展，越来越受到学术壁的化学构造研究它们的区别有很大的进展，越来越受到学术界的重视界的重视。真核微生物真核微生物是指细胞核具有核膜、能进行有丝分裂、在细胞是指细胞核具有核膜、能进行有丝分裂、在细胞质中存在

24、线粒体或同时存在叶绿体等细胞器的生物质中存在线粒体或同时存在叶绿体等细胞器的生物( (真菌、显真菌、显微藻类、原生动物以及地衣等微藻类、原生动物以及地衣等) )。个体形态个体形态：镜检细胞的形状特征，革兰氏镜检细胞的形状特征，革兰氏染色反应，运动特征等染色反应，运动特征等形态特征形态特征培养菌落形态特征培养菌落形态特征：固体、半固体或液体培固体、半固体或液体培养基的培养养基的培养菌落菌落特征特征（形状、光泽、透明度、颜色、（形状、光泽、透明度、颜色、质地等质地等) 。形态特征形态特征呈现圆形，边缘整齐呈现圆形，边缘整齐圆形，边缘不规则圆形，边缘不规则固体培养基平板上菌落性状：固体培养基平板上菌

25、落性状：圆形边缘完整圆形边缘完整规则，有同心环规则，有同心环不规则，卷发状不规则，卷发状在半固体培养基上（内）的群体形态：在半固体培养基上（内）的群体形态：形态特征形态特征培养菌落形态特征培养菌落形态特征：液体培养基内的群体形态液体培养基内的群体形态形态特征形态特征培养菌落形态特征培养菌落形态特征：浑浊絮状浮膜状环状生理生化特征生理生化特征光能型光能型化能型化能型能源形式能源形式自养菌自养菌异养菌异养菌碳源形式碳源形式藻类细胞利用光能，甲烷菌藻类细胞利用光能，甲烷菌利用化学能利用化学能藻类、产甲烷菌、硝化菌碳源来自简单无机物co2光能自养菌 光能+无机碳源光能异养菌光能+有机碳源化能自养菌化学

26、能+无机碳化能异养菌化学能+有机碳呼吸方式对氧的不同要求：对氧的不同要求：好氧微生物：只能在有氧环境中生存好氧微生物：只能在有氧环境中生存厌氧微生物厌氧微生物：要求严格厌氧环境：要求严格厌氧环境兼性微生物兼性微生物：有氧与缺氧环境都可生存：有氧与缺氧环境都可生存生态习性；细胞壁特性； rrna碱基顺序等等个体形态：镜检细胞的形状特征，革兰氏染色反应，运动特征等培养特征：固体培养基平板上的菌落的性状（形状、光泽、透明度、颜色、质地等)， 半固体或液体培养基中的培养特征。形态特征能量代谢：光能还是化学能，比如藻类可利用光能，甲烷菌利用化学能氧气要求：专性好氧、微需氧、兼性厌氧、严格厌氧营养特性：特

27、殊营养需要（碳源、氮源、酶的存在等要求）比如甲烷菌只能利用co2 或 甲酸、乙酸等低级碳源生理生化特征生态习性血清反应细胞壁成分等rrna的碱基顺序微生物的分类依据很多,十分复杂,并不十分科学。该领域的研究十分活跃。权威的细菌分类参考书，伯杰氏鉴定细菌学手册rna的碱基顺序是由dna转录来的，故具有相对应的规律。提取并分离细菌内32p标记的16srrna，以核糖核酸酶消化，可获得各种寡核苷酸，测定这些寡核苷酸上的碱基顺序，可作为细菌分类学的一种标记。微生物的分类依据微生物的分类依据结构特征除国际公认的分类单元的等级外，在细菌分类中，还常常使用除国际公认的分类单元的等级外，在细菌分类中，还常常使

28、用非正式的类群术语。如亚种以下常用培养物、菌株和型；种以非正式的类群术语。如亚种以下常用培养物、菌株和型；种以上常用群、组、系等类群名称。上常用群、组、系等类群名称。 培养物培养物(culture)(culture)：指一定时间一定空间内微生物的细胞指一定时间一定空间内微生物的细胞群或生长物。如微生物的斜面培养物、摇瓶培养物等。如果某群或生长物。如微生物的斜面培养物、摇瓶培养物等。如果某一培养物是由单一微生物细胞繁殖产生的，就称之为该微生物一培养物是由单一微生物细胞繁殖产生的，就称之为该微生物的纯培养物的纯培养物(pure culture)(pure culture)。 重要术语重要术语变种变

29、种(variety):(variety):某些特性表现与模式种不同某些特性表现与模式种不同, ,如有毒细菌如有毒细菌变异为无毒的变种。变异为无毒的变种。菌株菌株( (strain) )：在不同地区或不同实验室分离到的具体在不同地区或不同实验室分离到的具体菌种称为菌株。用实验方法菌种称为菌株。用实验方法( (如通过诱变如通过诱变) )获得某一菌株的变异获得某一菌株的变异型，可以称为一个新菌株。菌株是微生物分类和研究工作中最型，可以称为一个新菌株。菌株是微生物分类和研究工作中最基础的操作实体。由于同种的不同菌株之间，就某些非鉴别性基础的操作实体。由于同种的不同菌株之间，就某些非鉴别性特征特征( (

30、不是界定种的特征不是界定种的特征) )而言，可能存在重要差别。在实际工而言，可能存在重要差别。在实际工作中，除了注意种名外，还要注意菌株的名称。作中，除了注意种名外，还要注意菌株的名称。菌株名称菌株名称常用数字编号、字母、人名、地名等表示。如枯草常用数字编号、字母、人名、地名等表示。如枯草杆菌杆菌asi.398(bacillus subtilis asi.398)asi.398(bacillus subtilis asi.398)和枯草杆菌和枯草杆菌bf7658(bacillus subtilis bf7658)bf7658(bacillus subtilis bf7658)代表枯草杆菌的两个菌株代表枯草杆菌的两个菌株(asi.398(asi.398和和bf7658bf7658分别为菌株的编号分别为菌株的编号) )，前者可用于生产蛋白，前者可用于生产蛋白酶，后者则可用于生产酶，后者则可用于生产-淀粉酶淀粉酶型（型（formform或或type)type)：同种之间在某些特殊性质上有同种之间在某些特殊性质上有区别的细菌。区别的细菌。“型型”常指亚种以下的细分，当同种或常指亚种以下的细分，当同种或同亚种不同菌株之间的性状差异，不足以分为新的亚同亚种不同菌株之间的性状差异，不足以分为新的亚种时，可以细分为不同的型。种时，可以细分为不同的型。 生物型生物型