环境工程微生物学

环境工程微生物学环境工程微生物学第1页我国当前环境形势十分严峻！绪论环境工程微生物学第2页水体富营养化和赤潮日益严重

每年我国近海都有大面积赤潮发生。(1)水体污染（富营养化）赤潮发生景观环境工程微生物学第3页环境工程微生物学第4页水体富营养化和赤潮发生流域图浙江近海年赤潮分布环境工程微生物学第5页中国各海区赤潮发生情况（1952-1998）

资料来自“邹景忠，赤潮灾害，《海洋志》”环境工程微生物学第6页沿海省（自治区、直辖市）赤潮发觉次数环境工程微生物学第7页(2)有毒化学物危害环境工程微生物学第8页环境工程微生物学第9页环境工程微生物学第10页环境工程微生物学第11页（3）大气污染近段时间来，雾霾又成为国人心中痛！环境工程微生物学第12页人民网雾霾中天安门城楼?环境工程微生物学第13页环境保护工作者必须有所作为！学习环境工程微生物学意义重大环境工程微生物学第14页咱们在一个被大量微生物包围着环境中空气水体食品……微生物无处不在咱们生活在“微生物海洋”中!E.colionthesurfaceofhumanskinandhairfollicleStaphylococcusaureusonthesurfaceofhumanskin环境工程微生物学第15页InfectionTransfer-AirborneDropletNuclei环境工程微生物学第16页一些数字每克新鲜植物叶子表面附生着大约1106个微生物人皮肤上平均每平方厘米含有105个细菌人体肠道内菌体总数达100万亿个左右（人体细胞数量50万亿）。粪便中细菌大约占粪便干重1/3每个喷嚏飞沫含4500-150000个细菌，重感冒患者为8500万生活在土壤中和地下细菌数加起来，预计其总重量为100341012吨。引自沈萍《微生物学》环境工程微生物学第17页一些数字每张纸币带有9106个细菌，其中两角纸币带有菌数快要是十元纸币5倍。大肠杆菌在1个小时内可消耗相当于它们本身重量倍糖。被埋在琥珀中达2500万年芽孢，当放到营养培养基上时仍可萌发生长。全世界海洋中微生物总重量约280亿吨引自沈萍《微生物学》环境工程微生物学第18页课程内容安排第一个别微生物学基础知识第二个别微生物生态学及环境工程中微生物应用环境工程微生物学第19页（一）什么是微生物微生物(microbe，microorganism)，是对全部形体微小、单细胞或个体结构较为简单多细胞，甚至无细胞结构低等生物总称。或简单地说是对大家肉眼看不见细小生物总称。微生物是指大量、极其多样、不借助显微镜看不见微小生物类群总称。一、微生物概述环境工程微生物学第20页微生物通常包含病毒、亚病毒（类病毒、拟病毒、朊病毒）、具原核细胞结构细菌、古菌以及具真核细胞结构真菌（酵母、霉菌、蕈菌等）、原生动物和单细胞藻类，它们大小和特征见表1.1所表示。环境工程微生物学第21页表1.1微生物形态、大小和细胞类型微生物大小近似值细胞特征病毒0.01~0.25m非细胞细菌0.1~10m原核生物真菌2m~1m真核生物原生动物2~1000m真核生物藻类1米~几米真核生物环境工程微生物学第22页（二）生物中哪些是微生物生物细胞生物非细胞生物：病毒、亚病毒原核生物：三菌、三体真核生物：真菌、单细胞藻类、

原生动物环境工程微生物学第23页环境工程微生物学第24页环境工程微生物学第25页（三）微生物特点体积小，比表面积大吸收多，转化快生长旺，繁殖快适应强，易变异分布广，种类多环境工程微生物学第26页体积小，面积大，比表面积大比表面积SurfacetoVolumeRatio

营养物质吸收、代谢废物排泄、环境信息交换边长立方体数总表面积比面值类似对象1.0cm16cm26豌豆1.0mm103

60cm2

60细小药丸0.1mm106

600cm2

600滑石粉粒0.01mm109

6000cm2

6000变形虫1.0m

10126m2

60000球菌0.1m

1015

60m2

600000大胶粒0.01m

1018

600m2

6000000大分子1.0nm1021

6000m2

60000000分子环境工程微生物学第27页1.吸收多转化快大肠杆菌每小时可分解其自重1000-10,000倍乳糖产朊假丝酵母（Candidautilis

）比大豆强100倍蛋白质合成能力微生物高呼吸速率环境工程微生物学第28页2.生长旺繁殖快E.coli：12.5~20min/次分裂液体培养物细菌浓度普通为108~109CFU/ml谷氨酸短杆菌：摇瓶种子→50吨发酵罐，52小时内细胞数目可增加32亿倍。对于发酵工业实践意义生产效率高，发酵周期短

比如生产鲜酵母时，几乎12小时就能够收获一次，每年能够收获数百次。环境工程微生物学第29页3.适应强易变异灵活适应性或代谢调整机制

蛋白质分子数量

E.coli中能容纳20万-30万个蛋白质分子，-3000种执行不一样生理功效蛋白质极端环境适应能力极端环境

高温、高酸、高盐、高辐射、高压、低温、高碱、高毒低变异频率环境工程微生物学第30页4.分布广种类多无孔不入，随遇而安分布广：如:万米深海、85km高空、地层下128m和427m沉积岩中都发觉有微生物存在微生物生理代谢类型多、代谢产物种类多。环境工程微生物学第31页类型低限倾向种数高限病毒与立克次氏体1,2171,2171,217支原体424242细菌与放线菌>1,0001,5001,500蓝细菌1,2271,5001,500藻类15,05123,10023,100真菌37,17547,30068,939原生动物24,06824,06830,000总数79,78098,727127,298环境工程微生物学第32页二、微生物主要性环境能源医药食品农业环境工程微生物学第33页（一）微生物与环境保护环境、维护生态平衡以提升土壤、水域和大气环境质量，创造一个适宜人类生存繁衍，并能生产安全食品良好环境，是人类生存所面临重大任务。微生物是有机废水污物和合成有毒化合物强有力分解者和转化者，起着环境“清道夫”作用(有机废水和污染物处理、污染土壤微生物修复)。一些微生物也以其本身作为病原或其代谢毒物污染各类环境或食品，危害着人类健康。环境工程微生物学第34页Aerobic-AnaerobicBioreactorLiquidsStorageGas

Collection

toGenerate

EnergyAir

InjectionGroundwater

MonitoringBioreactorProgram环境工程微生物学第35页（二）微生物与能源化学燃料对环境污染是一个严重问题。能源供给微生物能够将农业和一些工业有机废弃物转化为氢气、乙醇和甲烷等清洁能源。36环境工程微生物学第36页37只有微生物，才能未起源于太阳能可再生资源--碳水化合物，转变为当代社会所需要化工原料和能源。实现这种能源结构和资源结构转变，直接关系到我国经济可连续发展、社会稳定和国家安全。碳氢化合物经济转变阳光工程环境工程微生物学第37页Idealizedbiorefineryconcept.NatureBiotechnology

22,671-675()

(ImagecourtesyofOakRidgeNationalLaboratory,OakRidge,TN,USA.)环境工程微生物学第38页（三）微生物与农业土壤形成及其肥力提升有赖于微生物作用。农产品加工、贮藏--利用有益微生物或抑制有害微生物。绿色农业、绿色食品或有机农业都离不开微生物—生物防治、生物固氮作用环境工程微生物学第39页①微生物细胞结构和功效，研究细胞构建及其能量、物质、信息运转；②微生物进化和多样性，研究微生物种类，它们之间相同性和区分，以及微生物起源；③生态学规律，研究不一样微生物之间以及它们同环境之间相互作用；④微生物同人类关系。三、微生物学研究内容与成就

（一）微生物学基础内容环境工程微生物学第40页1.3.1微生物学基础内容环境工程微生物学第41页（二）微生物学发展与成就

1.微生物学发展根本环境工程微生物学第42页史前期（约8000年前-1676）进展古中国制曲、酿酒技术《天工开物》《齐民要术》《东坡酒经》特点视而不见臭而不闻触而不觉食而不察得其益而不感其好受其害而不知其恶环境工程微生物学第43页初创期（1676-1861）进展AntonyvanLeeuwenhoek，1632-1723，17世纪最伟大业余科学家只上过中学布店学徒工英国皇家学会会员MemberofRoyalSociety巴黎科学院通讯院士重大贡献：显微镜创造，微生物形态描述。环境工程微生物学第44页AntonyvanLeeuwenhoek环境工程微生物学第45页奠基期（1861-1897）进展生理水平研究，微生物生理学研究微生物学奠基人：巴斯德细菌学奠基人：科赫环境工程微生物学第46页巴斯德（1822－1895）对人类贡献奠定微生物学理论，开创新微生物学科否定“自然发生说”（曲颈瓶试验）Preventativevaccination-ImmunologyFermentationcausedbyMicroorganisms，处理了当初生产中提出许多难题。创造一些微生物学试验方法巴氏消毒法：60-65℃家蚕软化病环境工程微生物学第47页LouisPasteur,oneofthegreatestscientistsofthenineteenthcentury环境工程微生物学第48页ThespontaneousGenerationExperiment环境工程微生物学第49页科赫（细菌学家）主要贡献病原学研究炭疽病菌肺结核病病原菌病原菌寻找与分离：1870s－1920s科赫法则微生物学基础操作技术固体培养基使用培养基配制细菌染色方法1905年取得诺贝尔生理学奖环境工程微生物学第50页RobertKoch

(科赫)1843~1910，德国人

环境工程微生物学第51页1、在每一相同病例中都出现这种微生物；2、能从寄主分离出这么微生物并在培养基中培养出来；3、用这种微生物纯培养接种健康而敏感寄主，一样疾病会重复发生；4、从试验发病寄主中能再度分离培养出这种微生物来。证实某种微生物是否为某种疾病病原体基础标准——著名柯赫标准环境工程微生物学第52页FannieEilshemius（将琼脂应用于固体培养基家庭主妇）和他先生WaltherHesse

环境工程微生物学第53页发展期（1897-1953）毕希纳(E.

Buchner)1860~1917，德国人开创了微生物生化研究没有酵母酒精发酵1907年诺贝尔化学奖环境工程微生物学第54页Fleming-Sir-Alexander环境工程微生物学第55页成熟期（1953-）进展分子生物学水平研究JamesD.Watson(left)andFrancisCrickproposeadouble-helicalstructureforDNA环境工程微生物学第56页微生物学发展前沿微生物基因组学与蛋白组学微生物生态学环境微生物学细胞微生物学微生物生命现象特征和共性微生物学与其它学科交叉微生物产业全新发展环境工程微生物学第57页微生物学发展史结论微生物学发展历史认识微生物历史开发利用有益微生物历史控制和毁灭有害微生物历史。微生物是一把双刃剑double-edgedsword环境工程微生物学第58页2.一百年多来微生物学发展中重大事件

时间重大事件1857巴斯德证实乳酸发酵是由微生物引发1861巴斯德用曲颈瓶试验证实微生物非自然发生，推翻了争论已久“自生说”1864巴斯德建立巴氏消毒法1867Lister创建了消毒外科，并首次成功地进行了石炭酸消毒试验1867-1877柯赫证实炭疽病由炭疽杆菌引发1881柯赫等首创用明胶固体培养基分离细菌，巴斯德制备了炭疽菌苗1882柯赫*发觉结核杆菌1884柯赫法则首次发表；Metchnikoff*阐述吞噬作用；建立高压蒸汽灭菌和革兰氏染色法1885巴斯德研究狂犬疫苗成功，开创了免疫学1887RichardPetri创造了双层培养皿1888Beijerinck首次分离根瘤菌1890VonBehring*制备抗毒素治疗白喉和破伤风1891Steinberg与巴斯德同时发觉了肺炎球菌1892Ivanowsky提供烟草花叶病毒是由病毒引发证据；Winogradsky发觉硫循环1897Buchner用无细胞存在酵母菌抽提液对葡萄糖进行酒精发酵成功1899Ross*证实疟疾病原菌由蚊子传输环境工程微生物学第59页1909--1910Ricketts发觉立克次氏体；Ehrtich*首次合成了治疗梅毒化学治疗剂1928Griffith发觉细菌转化1929Fleming*发觉青霉素1935Stanley*首次提纯了烟草花叶病毒，并取得了它“蛋白质结晶”1943Luria*和Delbruck*用波动试验证实细菌噬菌体抗性是基因自发突变所致；Chain*和Florey*形成青霉素工业化生产工艺1944Avery等证实转化过程中DNA是遗传信息载体；Waksman*发觉链霉素1946-1947Lederberg*和Tatum发觉细菌接合现象、基因连锁现象1949Enders*、Robbins*和Weller*在非神经组织培养中，培养脊髓灰质炎病毒成功1952Hershey*和Chase发觉噬菌体将DNA注入宿主细胞；Lederberg*创造了影印培养法；Zinder和Lederberg发觉普遍性转导1953Watson*和Crick*提出DNA双螺旋结构1956Umbarger发觉反馈阻遏现象1961Jacob*和Monod*提出基因调整操纵子模型环境工程微生物学第60页1961-1966Holhy*、Khorana*、Nirenberg*等说明遗传密码1969Edelman*测定了抗体蛋白分子一级结构1970-1972Arber*、Nathans*和Smith*发觉并提纯了限制性内切酶；Temin和Baltimore发觉反转录酶1973Ames建立细菌测定法检测致癌物；Cohen等首次将重组质粒转人大肠杆菌成功1975Köhler和Milstein*建立生产单克隆抗体技术1977Woese提出古生菌是不一样于细菌和真核生物特殊类群；Sanger*首次对X174噬菌体DNA进行了全序列分析1982-1983Cech*和Altman*发觉具催化活性RNA(ribozyme)；McClintock*发觉转座因子取得公认；Prusiner*发觉朊病毒(prion)1983-1984Gallo和Montagnier分离和判定人免疫缺点病毒；Mullis*建立PCR技术1988Deisenhofer等发觉并研究细菌光合色素1989Bishop*和Varmus*发觉癌基因1995第一个独立生活生物(流感嗜血杆菌)全基因组序列测定完成1996第一个自养生活古生菌基因组测定完成1997第一个真核生物(啤酒酵母)基因组测序完成环境工程微生物学第61页多年来诺贝尔生理学奖年，德国学者哈拉尔德-楚尔-豪森(HaraldzurHausen)以及法国学者朗索瓦丝-巴尔-西诺西(FrancoiseBarre-Sinoussi)和吕克-蒙塔尼(LucMontagnier)共同取得该奖项。他们分别在宫颈癌致病因和艾滋病病毒研究上有突出成就。年，美国科学家马里奥·卡佩基、奥利弗·史密斯和英国科学家马丁·埃文斯。他们一系列突破性发觉为“基因靶向”技术发展奠定了基础，使深入研究单个基因在动物体内功效并提供相关药品试验动物模型成为可能。年，美国科学家安德鲁·法尔和克雷格·梅洛。发觉核糖核酸（RNA）干扰机制，被广泛用作研究基因功效一个伎俩，有望在未来帮助科学家开发出治疗疾病新疗法。年，澳大利亚科学家巴里·马歇尔和罗宾·沃伦。他们发觉了造成人类罹患胃炎、胃溃疡和十二指肠溃疡罪魁——幽门螺杆菌，革命性地改变了世人对这些疾病认识。环境工程微生物学第62页(一)定义由普通微生物学发展而来环境科学和环境工程一门学科。以普通微生物学为基础，在研究微生物普通规律同时，着重微生物和环境之间相互作用规律、微生物活动对环境和人类产生有益和有害影响及在环境污染控制工程中相关微生物学原理研究，是环境科学和环境工程主要理论基础。简言之，环境微生物学是研究保护环境微生物学。四、环境微生物学环境工程微生物学第63页（二）环境微生物学内容和任务微生物在人类生存环境中活动与作用规律；微生物对人类环境产生有利或有害影响；环境污染防治微生物学原理、路径、技术与方法；环境工程微生物学第64页（1）研究自然环境中微生物及其与环境间相互关系以及对人类环境有益和有害影响，此即广义环境微生物学研究内容。（2）研究污染环境微生物行为及微生物对污染物去除或转化、微生物活动对环境影响等，此即污染微生态学研究内容。环境工程微生物学第65页（3）在治理污染人工构筑系统中微生物作用与应用，即环境工程微生物学主要内容。（4）在环境监测中应用，即环境微生物监测。环境工程微生物学第66页微生物、环境和人类间关系微生物环境人类环境环境工程微生物学第67页（三）环境微生物学对环境可连续发展主要作用环境净化和环境工程微生物中应用在环境微生物监测中应用

环境工程微生物学第68页全球首座温室气体零排放极地考查站

(.2.15)以比利时国王孙女伊丽莎白公主名字命名；依靠风能和太阳能运转，其设计力争实现环境影响最小化。考查站产生全部废物都能被循环利用。利用微生物分解技术；考查站内洗澡水和厕所用水最多能循环利用5次。环境工程微生物学第69页南极洲东部“伊丽莎白公主”极地考查站环境工程微生物学第70页新加坡创造新型马桶可将粪便变成煮饭燃料

-6-29新加坡南洋理工大学科学家研发出一个新型马桶，能够将人类粪便转变成无味而安全燃料，用于煮饭。

“非混合真空马桶”可将人类排泄物分离为固态和液