环境生物技术复习2

第二章环境生物技术的

生物学基础微生物（病毒）古生菌（Archaea）细菌（Bacteria）真菌（酵母、霉菌、蕈菌等）、单细胞藻类、原生动物等非细胞型细胞型原核微生物真核微生物（Eukarya）细菌又称真细菌（eubacteria），包括普通细菌、放线菌、支原体、立克次氏体和衣原体等古生菌在进化谱系上与真细菌及真核生物相互并列，且与后者关系更近，而其细胞构造却与真细菌较为接近，同属于原核生物。Eubacteria（真细菌）Archaebacteria

（古细菌）微生物的命名法

StaphylococcusaureusRosenbach

Staphylococcus（属名）葡萄球菌

aureus（种名）金黄色的Rosenbach（命名人）EscherichiacoliEscherich

Escherichia（埃希氏杆菌属）coli（大肠菌，原意是从结肠colon分离出来的）

Escherich(最早分离人）

原核微生物第一节普通细菌（Eubacteria）一、一般形态及细胞结构（一）个体形态和排列球状杆状螺旋状基本形态1、球状

细胞个体呈球形或椭圆形，不同种的球菌在细胞分裂时会形成不同的空间排列方式，常被作为分类依据。金黄色葡萄球菌2、杆状

细胞呈杆状或圆柱形，一般其粗细（直径）比较稳定，而长度则常因培养时间、培养条件不同而有较大变化。

杆状细菌的排列方式常因生长阶段和培养条件而发生变化，一般不作为分类依据。3、螺旋状弧菌螺旋菌螺旋体菌弧菌：菌体只有一个弯曲，其程度不足一圈，形似“C”字或逗号，鞭毛偏端生。(寄生性弧菌-----蛭弧菌)霍乱弧菌螺旋体菌：菌体柔软，用于运动的类似鞭毛的轴丝位于细胞外鞘内。梅毒密螺旋体1、细胞壁1）概念：

细胞壁（cellwall）是位于细胞表面，内侧紧贴细胞膜的一层较为坚韧，略具弹性的细胞结构。2）细胞壁的功能：（1）固定细胞外形和提高机械强度；（2）为细胞的生长、分裂和鞭毛运动所必需；（3）渗透屏障，阻拦酶蛋白和某些抗生素等大分子物质（分子量大于800）进入细胞，保护细胞免受溶菌酶、消化酶和青霉素等有害物质的损伤；（4）细菌特定的抗原性、致病性以及对抗生素和噬菌体的敏感性的物质基础；革兰氏染色的意义（1）细菌分类，将致病菌的范围缩小；（2）选择药物，细胞壁结构的差异导致其对抗菌素等药物的敏感度不同；（3）致病性，大多数革兰氏阳性菌致病物质是外毒素，而阴性菌是内毒素。2、细胞膜1）概念：

细胞质膜（cytoplasmicmembrane），又称质膜（plasmamembrane）、细胞膜（cellmembrane）或内膜（innermembrane），是紧贴在细胞壁内侧、包围着细胞质的一层柔软、脆弱、富有弹性的半透性薄膜，厚约7～8nm，由磷脂（占20%～30%）和蛋白质（占50%～70%）组成。The

cellmembrane

isa

biologicalmembrane

thatseparatesthe

interior

ofallcellsfromtheoutsideenvironment.[1]

Thecellmembraneisselectivelypermeable

toionsandorganicmoleculesandcontrolsthemovementofsubstancesinandoutofcells.2）细胞膜的化学组成与结构模型（1）磷脂亲水的极性端疏水的非极性端3）细胞膜的生理功能：①选择性地控制细胞内、外的营养物质和代谢产物的运送；②是维持细胞内正常渗透压的屏障；③合成细胞壁和糖被的各种组分（肽聚糖、磷壁酸、LPS、荚膜多糖等）的重要基地；④膜上含有氧化磷酸化或光合磷酸化等能量代谢的酶系，

是细胞的产能场所；⑤是鞭毛基体的着生部位和鞭毛旋转的供能部位；细胞质的主要成分为核糖体、贮藏物、多种酶类和中间代谢物、质粒、各种营养物和大分子的单体等，少数细菌还有类囊体、羧酶体、气泡或伴孢晶体等。3、细胞质和内含物1）概念：

细胞质（cytoplasm）是细胞质膜包围的除核区外的一切半透明、胶状、颗粒状物质的总称。含水量约80%。②多糖类贮藏物在真细菌中以糖原为多糖原粒较小，不染色需用电镜观察，用碘液染成褐色，可在光学显微镜下看到。糖原粒淀粉粒有的细菌积累淀粉粒，用碘液染成深兰色。4、特殊的休眠构造——芽孢1）概念

某些细菌在其生长发育后期，在细胞内形成一个圆形或椭圆形、厚壁、含水量极低、抗逆性极强的休眠体，称为芽孢（endospore或spore，偶译“内生孢子”）。2）细菌芽孢的特点整个生物界中抗逆性最强的生命体，是否能消灭芽孢是衡量各种消毒灭菌手段的最重要的指标。芽孢是细菌的休眠体，在适宜的条件下可以重新转变成为营养态细胞；产芽孢细菌的保藏多用其芽孢。产芽孢的细菌多为杆菌，也有一些球菌。芽孢的有无、形态、大小和着生位置是细菌分类和鉴定中的重要指标。芽孢与营养细胞相比化学组成存在较大差异，容易在光学显微镜下观察。（相差显微镜直接观察；芽孢染色）一、概念在形态上具有分枝状菌丝、菌落形态与霉菌相似，以孢子进行繁殖。“介于细菌与丝状真菌之间又接近细菌的一类丝状原核生物”近代生物学技术放线菌实际上是属于细菌范畴内的原核微生物，只不过其细胞形态为分枝状菌丝。第二节放线菌二、形态与结构单细胞，大多由分枝发达的菌丝组成；菌丝直径与杆菌类似，约1mm；细胞壁组成与细菌类似，革兰氏染色阳性（少数阴性）；细胞的结构与细菌基本相同，按形态和功能可分为营养、气生和孢子丝三种。1、营养菌丝匍匐生长于培养基内，吸收营养，也称基内菌丝。一般无隔膜，直径0.2-0.8mm，长度差别很大，有的可产生色素。2、气生菌丝营养菌丝发育到一定阶段，伸向空间形成气生菌丝，叠生于营养菌丝上，可覆盖整个菌落表面。在光学显微镜下观察，颜色较深，直径较粗（1-1.4mm），有的产色素。3、孢子丝气生菌丝发育到一定阶段，其上可分化出形成孢子的菌丝，即孢子丝，又称产孢丝或繁殖菌丝。其形状和排列方式因种而异，常被作为对放线菌进行分类的依据。孢子在适宜的条件下萌发，长出1-3个芽管三、生长与繁殖营养菌丝气生菌丝繁殖菌丝（孢子丝）孢子丝释放孢子繁殖方式无性孢子菌丝断裂凝聚孢子横隔孢子孢囊孢子分生孢子厚壁孢子存在多种孢子形成方式常见于液体培养中，工业发酵生产抗生素时都以此法大量繁殖放线菌细菌的芽孢是休眠体，而放线菌的孢子是繁殖体第三节

蓝细菌（Cyanobacteria）1、概念也称蓝藻或蓝绿藻（blue-greenalgae），是一类含有叶绿素a、能以水作为供氢体和电子供体、通过光合作用将光能转变成化学能、同化CO2为有机物质的光合细菌。以前曾归于藻类，因为它和高等植物一样具有光和色素----叶绿素a，能进行产氧型光合作用。2、特性1）分布极广；2）形态差异极大，有球状、杆状和丝状等形态；3）细胞中含有叶绿素a，进行产氧型光合作用；4）具有原核生物的典型细胞结构：细胞核无核膜，也不进行有丝分裂，细胞壁含胞壁酸和二氨基庚二酸，革兰氏染色阴性。5）营养极为简单，不需要维生素，以硝酸盐或氨作为氮源，多数能固氮，其异形细胞（heterocyst）是进行固氮的场所。6）分泌粘液层、荚膜或形成鞘衣，因此具有强的抗干旱能力。7）无鞭毛，但能在固体表面滑行，进行光趋避运动。8）许多种类细胞质中有气泡，使菌体漂浮，保持在光线最充足的地方，以利光合作用。第四节古生菌（Archaea）一、概念的提出1977年，CarlWoese以16SrRNA序列比较为依据，提出的独立于真细菌和真核生物之外的生命的第三种形式。

在分类地位上与真细菌和真核生物并列为三域（Domain），并且在进化谱系上更接近真核生物。

在细胞构造上与真细菌较为接近，同属原核生物。

多生活于一些生存条件十分恶劣的极端环境中，例如高温、高盐、高酸等。

原名：古细菌（Archaebacteria）；后改名：古生菌（Archaea）二、细胞形态在显微镜下，古生菌与细菌具有类似的个体形态。三、细胞结构在细胞的结构与功能上，古生菌既有类似真细菌之处，也有类似真核生物之处，还具有一些自己独特的特点。β-1,3糖苷键不被溶菌酶水解

真核微生物细胞核具有核膜；能进行有丝分裂；细胞质中存在线粒体或同时存在叶绿体等细胞器；真核微生物的特征：具有上述特征的微小生物真菌单细胞藻类原生动物霉菌酵母菌覃菌（蘑菇）丝状真菌单细胞真菌大型真菌真核微生物一、霉菌（一）概念

霉菌（mold）是一些“丝状真菌”的统称，不是分类学上的名词。霉菌菌体均由分枝或不分枝的菌丝（hypha）构成。许多菌丝交织在一起，称为菌丝体（mycelium）。菌丝功能营养菌丝气生菌丝繁殖菌丝霉菌菌丝直径约为2~10mm，比一般细菌和放线菌菌丝大几到几十倍。2、菌丝的特化1）菌环：菌丝交织成套状2）菌网：菌丝交织成网状捕虫菌目（Zoopagales）在长期的自然进化中形成的特化结构，特化菌丝构成巧妙的网，可以捕捉小型原生动物或无脊椎动物，捕获物死后，菌丝伸入体内吸收营养。3）附枝：匍匐菌丝、假根（类似树根，吸收营养），功能是固着和吸收营养。4）附着枝：若干寄生真菌由菌丝细胞生出1-2个细胞的短枝，以将菌丝附着于宿主上，这种特殊的结构即附着枝。3、细胞结构（四）菌落由粗而长的分枝状菌丝组成，菌落疏松，呈绒毛状、絮状或蜘蛛网状，比细菌菌落大几倍到几十倍，有的没有固定大小。各种霉菌，在一定培养基上形成的菌落大小、形状、颜色等相对稳定，所以菌落特征也为分类依据之一。（五）霉菌繁殖方式及生活史霉菌的繁殖方式无性孢子有性孢子菌丝断片1）无性孢子繁殖1、繁殖方式

不经两性细胞配合，只是营养细胞的分裂或营养菌丝的分化（切割）而形成新个体的过程。无性孢子有：厚垣孢子、节孢子、分生孢子、孢囊孢子等。二、酵母菌（一）概念酵母菌（yeast）是一群单细胞的真核微生物。这个术语也是无分类学意义的普通名称，通常用于以芽殖或裂殖来进行无性繁殖单细胞真菌，以与霉菌区分开。有些可产生子囊孢子进行有性繁殖。（二）分布及与人类的关系1、多分布在含糖的偏酸性环境，也称为“糖菌”。如水果、蔬菜、叶子、树皮等处，及葡萄园和果园土壤中等。2、重要的微生物资源；3、重要的科研模式微生物；啤酒酵母（Saccharomycescerevisae）第一个完成全基因组序列测定的真核生物（1997）4、有些酵母菌具有危害性；酵母菌是人类的第一种“家养微生物”有些酵母菌能引起皮肤、呼吸道、消化道、泌尿生殖道疾病（三）形态结构卵圆、圆、圆柱、梨形等单细胞，其细胞直径一般比细菌粗10倍左右。有的酵母菌子代细胞连在一起成为链状，称为假丝酵母。（五）繁殖方式和生活史1、无性繁殖1）芽殖

主要的无性繁殖方式，成熟细胞长出一个小芽，到一定程度后脱离母体继续长成新个体。2）裂殖

少数酵母菌可以象细菌一样借细胞横割分裂而繁殖，例如裂殖酵母。原核生物和真核生物遗传和细胞组装上的主要区别微生物的营养和生长微生物的营养微生物与其他动物一样，也是由C、H、O、N等元素构成的，而这些元素最终也是来自外界的各种营养物质。这些营养物质可归纳为水、无机盐、碳源、氮源和生长因子五类。碳源、氮源、生长因子的归纳：凡能为微生物提供所需C的营养物质凡能为微生物提供所需N的营养物质微生物生长不可缺少的微量有机物无机：CO2、NaHCO3；有机：糖类、脂肪酸、花生粉饼、石油等无机：N2、氨、铵盐、硝酸盐等；有机：尿素、牛肉膏、蛋白胨、氨基酸等。维生素、氨基酸、碱基、蛋白胨、动植物提取液等糖类尤其是葡萄糖铵盐、硝酸盐维生素用于构成细胞物质和代谢产物。还可以是异养型微生物的主要能源物质主要用于合成蛋白质、核酸以及含N的代谢产物一般是酶和核酸的组成成分氢细菌具氢化酶，能从氢的氧化中获取能量来同化二氧化碳：H2十1/2O2→H2O十能量化能自养（chemoautotroph）或称化能无机营养（chemolithotroph）硝化细菌氧化氨（铵盐）或亚硝酸获得能量，同化二氧化碳。硫化细菌氧化还原态无机硫化物（H2S、S、S2O32－、SO32一等）获得能量，同化二氧化碳。铁细菌通过氧化Fe2＋为Fe3＋来获取能量并同化二氧化碳：2Fe2+十1/2O2十2H＋→2Fe3+十H2O十能量化能异养（chemoheterotroph）或称化能有机营养（chemoorganotroph）腐生性微生物——利用无生命的有机物（包括动植物的残体）；寄生性微生物——从活的有机体（寄主）中获得营养物质，离开寄主便不能生长和繁殖。StreakplatePourplateSpreadplateAwidevarietyoftechniquescanbeusedtostudymicrobialgrowthbyfollowingchangesinthetotalcellnumber,thepopulationofviablemicroorganisms,orthecellmass.SpreadplatePourplate微生物的生长研究方法：以细菌为例将少量同种细菌接种到容积恒定液体培养基中定期取样、检测培养基中细菌群体的生长情况置于适宜的条件下培养如何测定？1、测细菌的细胞数目2、测细菌的细胞总重量（干重或湿重）（一）以数量变化对微生物生长情况进行测定1、培养平板计数法采用培养平板计数法要求操作熟练、准确，否则难以得到正确的结果：样品充分混匀；每支移液管及涂布棒只能接触一个稀释度的菌液；同一稀释度三个以上重复,取平均值；每个平板上的菌落数目合适，便于准确计数；一个菌落可能是多个细胞一起形成，所以在科研中一般用菌落形成单位（colonyformingunits，CFU）来表示，而不是直接表示为细胞数。2、膜过滤培养法当样品中菌数很低时，可以将一定体积的湖水、海水或饮用水等样品通过膜过滤器，然后将将膜转到相应的培养基上进行培养，对形成的菌落进行统计。3、Themostprobablenumbermethod（液体稀释法）主要适用于只能进行液体培养的微生物，或采用液体鉴别培养基进行直接鉴定并计数的微生物。对未知样品进行十倍稀释，然后根据估算取三个连续的稀释度平行接种多支试管，对这些平行试管的微生物生长情况进行统计，长菌的为阳性，未长菌的为阴性，然后根据数学统计计算出样品中的微生物数目。一条典型的生长曲线至少可以分为

迟缓期，对数期，稳定期和衰亡期等四个生长时期微生物的生长时间细菌数目的对数增长不明显快速增长活菌数目达到最大（K值）活菌数目急剧减少代谢活跃体积增大大量合成初级代谢产物细胞分裂速率最快个体形态、生理特征较稳定繁殖速率等于死亡速率细胞内大量积累次级代谢产物，某些细菌可形成芽孢繁殖速率小于死亡速率菌体出现多种形态（畸形），细胞解体、释放代谢产物生长曲线的实践意义：生产上常用对数期的细菌作为菌种，以缩短生产周期。用连续培养法来有效延长稳定期、提高代谢产物的产量。Effectofoxygenconcentration–reductionpotentialEffectofoxygenconcentrationonthegrowthofvariousbacteriain

tubesofsolidmedium

微生物生态水中的病原微生物会对水质产生重要影响b）水表微生物会受辐射等作用而被杀灭；c）原生动物等的吞噬作用；d）由固形物吸附再沉积到水底；a）致病菌一般对营养要求苛刻，因此在一般的水中只能存活2-3天；饮用水的微生物指标：总菌数：<100个/ml大肠杆菌<3个/L水体大量的有机物或无机物，特别是磷酸盐和无机氮化合物水的富营养化藻类等过量生长，产生大量的有机物异养微生物氧化这些有机物，耗尽水中的氧，使厌氧菌开始大量生长和代谢分解含硫化合物，产生H2S，从而导致水有难闻的气味，鱼和好氧微生物大量死亡，水体出现大量沉淀物和异常颜色

上述过程又称富营养化作用，它是水体受到污染并使水体自身的正常生态失去平衡的结果。“水花”或“水华”（waterbloom）：藻类（主要是微藻）的大量繁殖使水体出现颜色，并变得浑浊，许多藻类团块漂浮在水面上形成。赤潮或红潮（redtides）：在海洋中，某些甲藻类大量繁殖也可也可以形成水花，从而使海水出现红色或褐色。引起水体富营养化的藻类除通过消耗水中的氧气危害养殖业外，很多藻类还能产生各种毒素，使动物得病或死亡.因此由于富营养化作用致死的鱼等水产品不能食用

土壤是固体无机物(岩石和矿物质)、有机物、水、空气和生物组成的复合物，是微生物的合适生境。

土壤微生物种类多、数量多、代谢潜力巨大，是主要的微生物源，是微生物的大本营。土壤微生物生态1）土壤微生物的数量和分布主要受到营养物、含水量、氧、温度、pH等因子的影响，并随土壤类型的不同而有很大变化。2）土壤微生物的数量和分布受季节影响；3）微生物的数量也与于土层的深度有关，一般土壤表层微生物最多，随着土层的加深，微生物的数量逐步减少。第四节微生物与生物环境间的相互关系自然环境中的微生物一般都不是单独存在的个体、种群、群落和生态系统从低到高的组织层次种群（population）：具有相似特性和生活在一定空间内的同种个体群，是组成群落的基本组分。群落（community）：在一定区域或一定生态环境内，各种生物群体构成的一个生态学结构单位，群落中各生物群体之间存在各种相互作用。一、互生

二种可以单独生活的生物，当它们生活在一起时，通过各自的代谢活动而有利于对方，或偏利于一方的一种生活方式。“可分可合，合比分好”一）微生物间的互生关系二、共生二种生物共居在一起，相互分工协作、相依为命，甚至形成在生理上表现出一定的分工，在组织和形态上产生了新的结构的特殊的共生体。互惠共生：二者均得利偏利共生：一方得利，但另一方并不受害一）微生物间的共生关系三、寄生一种小型生物生活在另一种相对较大型生物的体内或体表，从中取得营养和进行生长繁殖，同时使后者蒙受损害甚至被杀死的现象。寄生物（parasite）寄主或宿主（host）四、拮抗

某种生物产生的代谢产物可抑制它种生物的生长发育甚至将后者杀死。第三节微生物在环境物质循环中的作用有机污染物生物净化天然物质、人工合成物质无机污染物生物净化有机污染物的生物净化机理

净化本质——微生物转化为无机物

依靠——好氧分解与厌氧分解

厌氧分解厌氧细菌原理：发酵、厌氧无机盐呼吸好氧分解细菌是其中的主力军原理：好氧有机物呼吸

碳循环

一、碳源污染物的转化包括:

糖类、蛋白质、脂类、石油和人工合成的有机化合物等。（一）糖类污染物提问：哪些糖类会成为污染物？难溶的多糖，且当一些难溶解的多糖数量较大时才会使自净时间大大增加，从而对环境造成污染。这类多糖主要是纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉。提问：为什么这些有机物难于生物降解？二、人工合成的难降解碳源污染物的转化难———对于自然生态环境系统,如果一种化合物滞留可达几个月或几年之久,或在人工生物处理系统,几小时或几天之内还未能被分解或消除种类：稳定剂、表面活性剂、人工合成的聚合物、杀虫剂、除草剂以及各种工艺流程中的废品等。微生物缺乏相应的水解酶蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、腈化物、硝基化合物等。（一）蛋白质的转化水中来源：生活污水、屠宰废水、罐头食品加工废水、制革废水等1．降解蛋白质的微生物好氧细菌——链球菌和葡萄球菌好氧芽孢细菌——枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌兼性厌氧菌——变形杆菌、假单胞菌厌氧菌——腐败梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌此外，还有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及链霉菌(放线菌)。氮循环3.典型含氮有机物的转化氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈类化合物及硝基化合物

水中来源：化工腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。危害：生物毒害、环境积累细菌——紫色杆菌、假单胞菌放线菌——诺卡氏菌真菌——氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病镰刀霉)、木霉及担子菌等A．降解这些物质的微生物酶什么是酶？酶是一种生物催化剂，它能改变生物化学反应的速度，并传递电子、原子和化学基团。酶的活性中心是指酶蛋白分子中与底物结合，并起催化作用的小部分氨基酸微区。酶的活性中心以外的其它部位在维持酶的空间构型、保持酶的活性中心和催化作用方面起作用。酶的活性中心按催化反应类型分：

水解酶类氧化还原酶类转移酶类异构酶类裂解酶类合成酶类按细胞部位分：胞外酶胞内酶表面酶按作用底物分：淀粉酶蛋白酶脂肪酶等酶的分类与命名加快反应速度：反应结束后，酶本身保持不变；专一性：一种酶只作用于一种物质或一类物质；作用条件温和：在常温、常压和近中性的水溶液环境条件下进行反应；对环境条件敏感：高温、强酸、强碱能使酶失活；催化效率极高：能降低反应的能阈，从而降低反应物所需的活化能。如过氧化氢酶的催化效率是铁离子的1010倍。酶的催化特性

k1k3

E+SES

→E+P

k2Vmax[S]V=—————

Km为米氏常数Km+[S]米门公式

米门公式

米氏常数Km是表示反应速度为最大速度一半时的底物浓度。Km值越小，表示酶与底物的反应越完全；Km值越大，表示酶与底物的反应越不完全。微生物的产能代谢能量供体——ATP微生物共同的、直接的能量供体几乎都是高能化合物ATP。ATP被认为是生物能量的转移中心。

化能异养微生物通过对有机物的氧化产生能量而生成ATP；化能自养微生物利用无机物氧化产生能量而生成ATP；光能利用微生物通过太阳能转化为化学能产生ATP。

ATP的生成方式

好氧微生物在无分子氧环境中不能进行正常生命活动。专性厌氧微生物在有氧环境下会受到抑制或死亡。它们广泛存在于无氧环境中，在高浓度有机废水处理中起重要的作用。兼性厌氧微生物在无氧、有氧环境中均可正常生长繁殖。微生物的三个生理群在好氧呼吸过程中，葡萄糖的氧化分解分两个阶段。1、葡萄糖经EMP途径形成丙酮酸；2、丙酮酸通过三羧酸（TCA）循环进行有氧分解，被彻底氧化为CO2和H2O。好氧呼吸外源呼吸和内性呼吸在正常情况下，微生物利用外界供给的能源进行呼吸，为外源呼吸。外界没有能源时，微生物会利用自身贮存的能源物质进行呼吸，为内源呼吸。内源呼吸和外源呼吸的比较微生物的合成代谢微生物的生长过程包括营养物质的