第一二章环境工程微生物课件1-2章

环境工程微生物学桂明生材料与化学工程学院

guimingsheng@126.com本课程的基本情况和参考书本课程是环境工程专业学生的专业基础课程本课程的主要内容微生物学基础知识；微生物学在环境领域的应用。

本课程的教材和主要参考书周群英，王士芬《环境工程微生物学》第三版，高等教育出版社，2008年；乐毅全，王士芬《环境工程微生物学》，化学工业出版社，2005年；周群英，高延耀高等教育《环境工程微生物学》出版社，2000年。关于教材教材是主要依据，适当的增加一些内容；

有些内容可能不在课堂上详细讲述，同学们可以根据自己的情况进行学习或者选择一些相关的书进行阅读。第一章：绪论1.环境工程微生物学的研究对象和任务

1.1

环境与环境工程1.2微生物及其类群1.3微生物的特性与环境工程

2.环境工程微生物学的的发展3.微生物的分类、命名及生物地位1.1环境与环境工程

环境（environmental）

环境系指某一特定生物或群体以外的空间以直接或间接影响生物体或生物群体生存与活动的外部条件的总和。环境的属性：自然环境社会环境环境工程是一门保护和改善环境的应用性工程技术学科微生物A）气性坏疽，B）少孢根霉菌，C）大肠杆菌，D）霍乱病毒ABDC1.2微生物及其类群

微生物(microbe,microorganism):指形体小，结构简单，肉眼看不见，必须显微镜才能看到的微小生物的总称。微生物非细胞生物真核微生物原核生物病毒亚病毒因子真菌原生动物微型后生动物藻类细菌古生菌微生物及其类群微生物类群1.3微生物学与环境工程微生物学

微生物学是研究微生物及其生命活动规律的一门学科。

内容：微生物的形态结构、分类鉴定、生理生化、生长繁殖、遗传变异及微生物的生态等。

目的:更好的认识微生物、利用微生物、控制和改造微生物，造福人类。

环境工程微生物学是一门环境工程与微生物学相结合发展起来的新兴交叉学科。

内容：

研究污染控制工程中所涉及的微生物学原理及过程;

目的：利用微生物控制和保护环境。

微生物特性与环境工程形体微小，比表面积大；

高代谢活性分布广；身在菌营不知菌多样性；代谢速率高；繁殖快；适应性强，易变异。1.环境工程微生物研究对象和内容对象：

1.微生物2.环境工程内容：

1.认识微生物2.利用微生物结决环境问题2.环境工程微生物的发展诞生于“生物滤池”和“活性污泥”技术（19世纪末20世纪初）生物化学、生物分子技术（20世纪80年代）快速发展期（20世纪60年代）好氧厌氧系统（20世纪70年代）生物滤池（19世纪末）活性污泥（20世纪初）发展进程3.微生物的分类、命名和地位微生物分类(Classification)分类标准：按微生物的亲缘关系对微生物进行分群归类，根据相似性或相关性将微生物排列成系统。种Species界(Kingdom)、门(Phylum)、纲(Class)、目(Order)、科(Family)、属(Genus)亚种(subspecies)、菌株(strain)微生物的基本单元种是显示微生物高度相似性、亲缘关系及其接近的一群菌株的总称种的细分单元除某一明显而稳定特征外，其余鉴定特性都与模式种相同。起源于共同祖先并保持祖先特性的一组纯种后代菌群微生物的命名

俗名(如：结核杆菌、猪霍乱杆菌、红色面包酶)学名:Bacillus

cholere-suisSmith1894标准：采用双命名法

属名+种名+首次命名人的名字+年份微生物的分类、命名和地位拉丁名词第一个字母大写斜体形容词、斜体和小写可省略微生物在生物界的地位六界学说动物界、植物界、原生生物界、原核生物界、真菌界、病毒界微生物的分类、命名和地位三域生物系统真细菌古细菌真核生物第二章：原核微生物原核微生物定义：指细胞内有一个核区，无核膜包裹，无核仁，核区只有一个DNA分子，无细胞器的原始单细胞微生物。原核微生物的主要共同特点：

有明显的核区；没有核膜包围；有染色体（由一条双链DNA构成）；代谢在质膜上进行；蛋白质合成在细胞质中进行。原核微生物分类微生物的种类细胞型微生物非细胞型微生物：病毒原核生物(由原核细胞组成）真核生物(由真核细胞组成）细菌放线菌真菌显微藻类原生生物第一节：细菌细菌是单细胞微生物，是最小的细胞型生物，以典型的裂殖方式繁殖，有不同的形状和大小。细菌的三种基本形态细菌的形态球菌杆菌螺旋菌基本形态特殊形态2.1球菌（Coccus）球菌通常呈球状或椭圆状；分类依据：不同种的球菌在细胞分裂时会形成不同的空间排列方式。球菌的分类2.2杆菌（Bacillus）杆菌细胞呈杆状或圆柱形，沿平面分裂，形态稳定，但会因培养条件的改变而变化；杆菌在细菌中种类最多，环境工程中应用广泛。杆菌的分类2.3螺旋菌（Spirillum）细胞呈弯曲杆状且螺旋满2-6圈的细菌称为螺旋菌；螺旋不足一圈的为弧菌(Vibrio)；但都可统称螺旋菌。螺旋菌的特点：

细胞壁坚韧，菌体较硬；常以单细胞分散存在；不同的细胞个体，其长度、螺旋数目和螺距有显著差异。ACB弧菌螺旋菌（细菌）螺旋体菌（病毒）弧菌（Vibrio）只有一个弯曲，如“C”或

“逗号”；鞭毛是偏端单生或丛生。弧菌（Vibrio）蛭弧菌霍乱菌(寄生虫)假单胞菌螺旋菌（Spirillum）螺旋菌：菌体回转如螺旋状，螺旋数目和螺距大小因种而异，鞭毛生两端。弧菌螺旋菌细菌的特殊形态细菌的形态受环境条件的影响，是他们适应环境的必然选择。畸形、衰颓型…柄杆菌2.4细菌的大小细菌大小随种而异(0.2~80μm），需显微镜观察，μm(Micrometer)是测量细菌常用的单位.细菌的大小测量的方法：显微镜测微尺；电子扫描电镜测量步骤：（固定、染色）细菌的大小的测量花粉流感嗜血菌0.12*1.2μm肺炎链球菌0.8μm（D）大肠杆菌0.5*2μm巨大芽孢菌1.3*3μm颤蓝细菌5*40μm细菌尺寸在环境工程中的实际意义小细菌具有更大的比表面积，且在某种环境压力下（如干燥）能够发生“自我收缩”(rounding)细胞变得更小、更圆、比表面积更大更易发生交换。

因此，小球菌比大球菌能更有效地与环境进行物质交换，污染物可被快速降解。2.5细菌的细胞结构生命活动绝对需要的结构，为所有细菌或原核生物共有。只存在部分细菌中，有特殊功能。2.5.1细胞壁细胞壁（Cellwall）是位于细胞的最外的一层（一般结构）坚韧、略具弹性的外被，厚度约为10-80nm，占细胞干重的10%-25%。主要成分是肽聚糖，但不同细菌，细胞壁在结构和成分上各有自己的特点。细菌细胞壁可用电子显微镜直接观察细菌的超薄切片。细胞壁是区分不同特性细菌的依据。革兰氏染色细菌染色的主要目的：1.增加菌体与背景的反差，以便在显微镜下观察；2.通过染色特征对不同特性的细菌进行鉴别。常用的染色法：

单染色法复染色法革兰氏染色革兰氏染色

1884年，丹麦医生C.Gram发明，是最重要的染色和鉴定生物特性的方法之一。染色程序：初染固定结晶紫染色(30S)碘液（媒染剂）(30S)媒染95%乙醇(10-20S)脱色复染沙黄或番红(30-60S)紫色：革兰氏染色阳性细菌（G+）；红色：革兰氏染色阴性细菌（G-).G+和G-细菌的细胞壁结构比较G+G-G+和G-细菌的细胞壁结构比较革兰氏染色的机理脱色剂95%乙醇为脂溶剂破坏G-的外膜、肽聚糖层和细胞质膜，于是被乙醇溶解的结晶紫和碘的复合物从细胞中渗漏出来，当再用番红复染时，显现红色。在G+细胞中，乙醇使后的肽聚糖层脱水，导致空隙变小，由于结晶紫和碘的复合物分子较大，不能通过细胞壁，保持紫色。细胞壁的生理功能保护作用：细胞壁具有固定细胞外形和保护细胞的功能；屏障作用：细胞壁是多孔的，可允许水及一些化学物质通过，但对大分子物质有阻拦作用；提供运动质点：细胞壁的存在为鞭毛运动提供了力学支点；免疫原性：细胞壁的化学组成赋予细菌一定的抗原性、致病性以及对噬菌体的敏感性。？细菌细胞壁与重金属的吸附2.5.2细胞(质)膜Cellmembrance蛋白质磷脂非极性基团(难溶性脂肪酸）极性基团(水溶性甘油和磷酸）8nm细胞膜占细菌干重10%左右；主要成分是脂类(20%-30%)和蛋白质(60%-70%)。通常不含胆固醇细胞膜的生理功能细胞膜是一个重要的代谢活动中心。细胞膜含有多种多样的膜蛋白，这些蛋白各具特殊活性。（合成酶、呼吸酶、渗透酶和ATP合成酶）。细胞膜的生理功能1）控制细胞内外的物质的运送和交换；2）维持细胞内正常渗透压的屏障作用；3）提供合成细胞壁各种组分（肽聚糖、LPS、磷壁酸）和荚膜等大分子的场所；4）是进行氧化磷酸化和光合磷酸化的产能基地；5）传递信息。细胞膜与污染物的吸收小分子易自由扩散；非极性污染物分子比极性分子跟容易自由扩散（膜的成分主要是脂，尾部的非极性链较长）；非解离态的污染物分子更容易透过膜；pH与解离度有关。吸附污染物的影响因素：(1)膜上孔道直径；(2).分子极性(3).污染物解离状态(4).pH值。自由扩散2.5.3细胞质及其内物质细胞质（cytoplasm）是细胞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%，主要成分是水、蛋白质核酸和脂类，并含有少量的无机盐。内物质（inclusionbody）是细胞质内形状较大的颗粒状构造，包括核糖体、羟酶体、载色体、类囊体、颗粒状内含物和气泡等。核糖体大亚基核糖体小亚基镁核糖体(ribosome)核糖体(ribosome)是细胞中的一种核糖核蛋白的颗粒结构，由65%的核糖核酸(RNA)和35%的蛋白质组成。核糖体的作用：合成肽链，繁殖细菌。气泡(gasvacuold)气泡是许多光合营养型、无鞭毛运动的水生细菌中存在的充满气体的泡囊状内含物，大小为0.2~1.0μm*75nm内由数排柱形小空泡组成，外约有2nm厚的蛋白质膜包裹。功能：调节细胞比重以使细胞漂浮在最适水层中获取光能、O2和营养物质。颗粒状内含物（1）内含物质系细胞的储藏物，是一类由不同化学成分累积而成的不溶性沉淀颗粒。但细菌生长到成熟阶段，因营养过剩而形成。主要功能是储存营养物。白喉菌的异染颗粒1）异染颗粒因其可用蓝色的染料（甲苯胺蓝或甲烯蓝）染成紫红色而得名。颗粒大小为0.5~1.0μm，是无机偏磷酸的聚合物，一般在含磷丰富的环境下形成。功能：是磷元素和能量的储藏物，在老龄细菌中，异染粒常被用作碳源和磷源。颗粒状内含物（2）2）聚-β-羟基丁酸(poly-β-hydroxybutyrate，PHB)聚-β-羟基丁酸为细菌特有，是一种碳源和能源性储藏物。组成为脂溶性物质，不溶于水。很容易被脂溶性染料苏丹黑着染，在光学显微镜下清晰可见。颗粒状内含物（2）聚-β-羟基丁酸的应用PHB是一种可降解性塑料，具有化学合成材料所不具有的特性，如：密度大、透氧性、抗紫外线辐射、良好的生物组织相容性及抗凝血性等优点。1.PHB在生物医学中应用，可作为外科手术的缝合线及部分需要延缓的药物进入机体的载体（PHB微胶囊）；2.PHB在农业上的应用，可避免白色污染。产碱杆菌属假单胞菌属固氮菌属破壁分离提取与提纯PHBPHB的提取颗粒状内含物（3）肝糖（blycogne）粒和淀粉粒

均可用碘染色，前者为红褐色，后者为蓝色，二者可作为碳源和能源。细菌中的肝糖粒颗粒状内含物（4）硫粒是细菌的硫源和能源物质。某些硫细菌，如贝氏硫细菌属（Beggiatoa）和丝状硫细菌属（Thiothrix）等可以利用H2S作为能源，氧化为硫粒累积在菌体中，但缺乏营养时，氧化体内硫粒为SO42-，从而获取能量。硫粒具有很好的折光性，在显微镜下可轻松看到。2.5.4细胞核与质粒细胞核简称拟核(nucleoid)，是原核生物与真核生物的主要区别之一，拟核位于细胞质内，无核膜、无核仁、没有固定的形态，结构简单。原核只有一个染色体，主要是含有遗传特征的脱氧核糖核酸(DNA)，有少量的RNA和蛋白质，细菌染色体由双螺旋的大分子链构成，一般呈环状结构。拟核的功能：是重要的遗传物质，携带着细菌的全部遗传信息。一般一个细菌对应一个核区，但细菌活跃生长是会有2-4个。质粒和染色体遗传信息的必须物质；总长度为0.25~3mm的大环DNA分子，分子质量较大。小环DNA分子，质量较小；不是细菌必须的；可独立于染色体之外而转移，构建新菌株。2.6细菌的特殊结构除一般结构外，细菌还具有一定特殊的结构，包括荚膜、芽孢及鞭毛等。1.荚膜（Capsule）：细菌在一定的营养条件下，能够向细胞壁的表面分泌出一层透明的、黏液状或胶质状的物质所形成的一层膜。荚膜的主要成分：因种而异，大多为糖、多肽或蛋白质。荚膜的主要功能：(1).作为细胞外碳源和能源性储存物；(2).保护细胞免受干燥的影响；(3).增强某些病原体的致病能力，抵抗宿主的吞噬。2.6细菌的特殊结构—荚膜荚膜的类型：(依据细胞表面的存在状况）1).微荚膜：厚度小于200nm，与细胞表层紧密结合，无法用显微镜观察；2).荚膜或大荚膜：稳定的吸附在细胞壁外，有一定形状，厚约200nm；荚膜与细胞的结合力较差。3).黏液层：没有明显边缘，比荚膜疏松，向周围环境扩散的黏性物质层；4).黏接物：局限于一定区域的黏液物；5).菌胶团：荚膜物质相融合在一起的一团胶状物；是活性污泥的主要成分，具有较强的氧化和吸附能力。黏液层荚膜细菌荚膜和黏液层2.6细菌的特殊结构—鞭毛鞭毛（Flagellum）：在运动性微生物细胞的表面，着生有一根或数根由细胞内伸出的细长、波曲、毛发装的丝状结构。鞭毛约占菌体干重的1%，最长可达70μm，直径10~20nm，可直接在电子显微镜下观察，通过染色可在光学显微镜下观察。2.6细菌的特殊结构—鞭毛根据鞭毛的数量和排列情况,细菌可以分为以下五种类型2.6细菌的特殊结构—鞭毛鞭毛的结构：始于细胞内层基体，穿过细胞壁后成为构装体，由此伸出丝状鞭毛。2.6细菌的特殊结构—鞭毛鞭毛的功能：运动主要运动方式：

旋转鞭毛的运动特性与趋避运动细菌鞭毛的运动是由鞭毛基部的一个鞭毛“发动器”引发的。当S环和M环彼此向相反方向旋转时，“发动器”启动，导致中心杆转动，使鞭毛丝急速旋转，推动菌体前进。趋避运动系指因环境刺激使原有的运动方式发生改变，这种改变所表现出的新的运动方式。2.6.1细菌的趋避运动趋避运动化学趋避运动光趋避运动趋化性是细菌对外界化学变化所作出的行为反应，是寻找碳源和能源时所表现的出的一种能力。细菌趋化性可提高其在自然环境中降解污染物的效果。细菌的趋化性与降解性之间的关系已成为一个研究热点。细菌的趋化性具有方向性，或顺浓度梯度迁移，即正趋化；逆浓度梯度迁移即负趋化。在大多数情况下，趋化物(chemoattractant)能作为细菌的碳源和能源，而负趋化物(chemorepellent)则对细菌有毒害作用。细菌对环境污染物的趋化性当环境中存在大量污染物时，细菌细胞便进化了伴随着趋化性而产生的对污染物的降解性。2.6.2细菌的趋化性趋化性在生物修复中的作用趋化性可使降解菌株与污染物紧密接触，提高污染物的生物可利用性和生物降解性趋化性使降解性细菌与土著微生物在营养竞争中表现出优势。趋化性促进自主转移性代谢质粒的转移。2.6.2细菌的趋化性2.7菌毛菌毛（pili或fimbria）是生于细菌细胞表面比鞭毛细，且较短而直硬的丝状结构。菌毛(功能)普通菌毛性菌毛可增加细菌吸附与其他细胞或物体的能力；是在性质粒（F因子）控制下形成的菌毛，比普通菌毛粗而长，数量少，是细菌传递游离基因的器官，即遗传物质通道；

某些细菌在其生长发育后期或遇到不良环境时，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。

所有的芽孢都可以抵挡外界不良环境。它是抵挡外界不良环境的休眠体。2.8芽孢细菌芽孢的各种类型左：端位；中：近端位；右：中央位,2.8.1芽孢结构枯草杆菌芽孢的超薄切片电镜照片（标尺：0.2μm）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含水率低，38～40％芽孢壁厚而致密

DPA含量高，具有耐热性含有耐热性酶2.8.2细菌芽孢的特点请说出下面细菌菌体从内到外的结构鞭毛菌毛拟核细胞质细胞质膜细胞壁荚膜cytoplasm第二节：放线菌1.放线菌的形态构造2.放线菌的繁殖3.放线菌的群体特征

从分类学上，是真细菌的一大类群，G+。在伯杰氏手册中属厚壁菌门，放线菌纲。是介于细菌和真菌之间的单细胞微生物：（1）细胞结构和化学组成与细菌同属原核生物。（2）菌体呈纤细的菌丝，且分枝，又以外生孢子的形式繁殖，这些特征又与霉菌相似。2.1放线菌的形态构造

放线菌的形态比细菌复杂些，但仍属于单细胞。呈分枝丝状，菌丝直径与细菌相似，小于1微米。菌丝细胞的结构与细菌基本相同。

根据菌丝形态和功能的不同，放线菌菌丝可分为基内菌丝、气生菌丝和孢子丝三种。链霉菌属是放线菌中种类最多、分布最广。放线菌的菌丝链霉菌的一般形态和构造2.1放线菌的形态构造光学显微镜下观察到的放线菌2.1放线菌的形态构造

放线菌没有有性繁殖，主要通过形成无性孢子方式进行无性繁殖，成熟的分生孢子或孢囊孢子散落在适宜环境里发芽形成新的菌丝体；另一种方式是菌丝体的无限伸长和分枝，在液体振荡培养（或工业发酵）中，放线菌每一个脱落的菌丝片段，在适宜条件下都能长成新的菌丝体，也是一种无性繁殖方式。

2.2放线菌的繁殖

放线菌在固体培养基上形成与细菌不同的菌落特征，放线菌菌丝相互交错缠绕形成质地致密的小菌落，干燥、不透明、难以挑取，当大量孢子覆盖于菌落表面时，就形成表面为粉末