环境工程微生物学绪论

,page,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,page,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,page,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,page,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,page,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,page,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,page,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,page,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,page,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,page,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,page,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,page,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,page,*,环境工程微生物学,1,我国目前的环境形势十分严峻！,绪 论,2,水体富营养化,和,赤潮,日益严重 每年我国近海都有大面积的赤潮发生。,(1),水体污染（富营养化）,赤潮发生景观,3,4,水体富营养化和赤潮发生流域图,浙江近海,2004,年赤潮分布,5,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,”,6,沿海省（自治区、直辖市）赤潮发现次数,7,(2),有毒化学物危害,8,9,10,11,（,3,）大气污染,近段时间来，雾霾又成为国人心中的痛！,12,人民网,雾霾中的天安门城楼,13,环保工作者必须有所作为！,学习环境工程微生物学意义重大,14,我们在一个被大量微生物包围着的环境中,空气,水体,食品,微生物无处不在,我们生活在“微生物的海洋”中,!,E. coli,on the surface of human skin and hair follicle,Staphylococcus aureus,on the surface of human skin,15,Infection Transfer,-Airborne Droplet Nuclei,16,一些数字,每克新鲜植物叶子表面附生着大约,1,10,6,个,微生物,人的皮肤上平均每平方厘米含有,10,5,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的,1/3,每个喷嚏的飞沫含,4500-150000,个,细菌，重感冒患者为,8500,万,生活在土壤中和地下的细菌数加起来，估计其总重量为,10034,10,12,吨,。,引自 沈萍,微生物学,17,一些数字,每张纸币带有,9,10,6,个,细菌，其中两角纸币带有的菌数将近是十元纸币的,5,倍,。,大肠杆菌在,1,个小时内可消耗相当于它们自身重量,2000,倍,的糖。,被埋在琥珀中达,2500,万年,的芽孢，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的总重量约,280,亿吨,引自 沈萍,微生物学,18,课程内容安排,第一部分 微生物学基础知识,第二部分 微生物生态学及环境工程中的微生物应用,19,（一）什么是微生物,微生物,(microbe,，,microorganism),，是对所有形体微,小,、单细胞或个体结构较为,简,单的多细胞，甚至无细胞结构的,低,等生物的总称。,或简单地说是对人们,肉眼看不见,的细小的生物的总称。,微生物,是指大量的、极其多样的、不借助显微镜看不见的微小生物类群的总称。,一、微生物概述,20,微生物通常包括,病毒、亚病毒,（类病毒、拟病毒、朊病毒）、具原核细胞结构的,细菌、古菌,以及具真核细胞结构的,真菌,（酵母、霉菌、蕈菌等）、,原生动物,和,单细胞藻类,，它们的大小和特征见表,1.1,所示。,21,表,1.1,微生物形态、大小和细胞类型,微生物,大小近似值,细胞的特性,病毒,0.010.25,m,非细胞的,细菌,0.110,m,原核生物,真菌,2,m1m,真核生物,原生动物,21000,m,真核生物,藻类,1,米,几米,真核生物,22,（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,23,24,25,（三） 微生物的特点,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,26,体积小，面积大，比表面积大,比表面积,Surface to Volume Ratio,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,1.0 cm,1,6 cm,2,6,豌豆,1.0 mm,10,3,60 cm,2,60,细小药丸,0.1 mm,10,6,600 cm,2,600,滑石粉粒,0.01 mm,10,9,6000 cm,2,6000,变形虫,1.0,m,10,12,6 m,2,60000,球菌,0.1,m,10,15,60 m,2,600000,大胶粒,0.01,m,10,18,600 m,2,6000000,大分子,1.0 nm,10,21,6000 m,2,60000000,分子,27,1.,吸收多转化快,大肠杆菌每小时可分解其自重,1000-10,000,倍的乳糖,产朊假丝酵母（,Candida utilis,）比大豆强,100,倍的蛋白质合成能力,微生物的高呼吸速率,28,2.,生长旺繁殖快,E.coli,：,12.520 min/,次分裂,液体培养物细菌浓度一般为,10,8,10,9,CFU/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。,对于发酵工业的实践意义,生产效率高，发酵周期短,例如生产鲜酵母时，几乎12小时就可以收获一次，每年可以收获数百次。,29,3.,适应强易变异,灵活的适应性或代谢调节机制蛋白质分子的数量,E. coli,中能容纳,20,万,-,30,万个蛋白质分子，,2000,-,3000,种执行不同生理功能的蛋白质,极端环境的适应能力,极端环境高温、高酸、高盐、高辐射、高压、低温、高碱、高毒,低的变异频率,30,4.,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,沉积岩中都发现有微生物存在,微生物生理代谢类型多、代谢产物种类多。,31,类型 低限 倾向种数 高限,病毒与立克次氏体 1,217 1,217 1,217,支原体 42 42 42,细菌与放线菌 1,000 1,500 1,500,蓝细菌 1,227 1,500 1,500,藻类 15,051 23,100 23,100,真菌 37,175 47,300 68,939,原生动物 24,068 24,068 30,000,总数 79,780 98,727 127,298,32,二、微生物的重要性,环境,能源,医药,食品,农业,33,（一） 微生物与,环境,保护环境、维护生态平衡以提高土壤、水域和大气的环境质量，创造一个适宜人类生存繁衍，并能生产安全食品的良好环境，是人类生存所面临的重大任务。,微生物是有机废水污物和合成有毒化合物的强有力的分解者和转化者，起着环境“清道夫”的作用,(,有机废水和污染物的处理、污染土壤的微生物修复,),。,某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。,34,Aerobic-Anaerobic Bioreactor,Liquids,Storage,Gas Collection to Generate Energy,Air Injection,GroundwaterMonitoring,Bioreactor Program,35,（二）微生物与,能源,化学燃料对环境的污染是一个严重问题。,能源的供给,微生物可以将农业和某些工业有机废弃物转化为氢气、乙醇和甲烷等清洁能源。,36,36,只有,微生物，,才能将来源于,太阳能的可再生资源,-,碳水化合物，转变为现代社会所需要的,化工原料,和,能源,。,实现这种,能源结构,和,资源结构,的转变，直接关系到我国经济的可持续发展、社会的稳定和国家安全。,碳氢化合物的经济转变,阳光工程,37,Idealized biorefinery concept.,Nature Biotechnology,22, 671 - 675 (2004),(Image courtesy of Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN, USA.),38,（三） 微生物与,农业,土壤的形成及其肥力的提高有赖于微生物的作用。,农产品的加工、贮藏,-,利用有益的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,39,微生物细胞的结构和功能，研究细胞的构建及其能量、物质、信息的运转；,微生物的进化和多样性，研究微生物的种类，它们之间的相似性和区别，以及微生物的起源；,生态学规律，研究不同微生物之间以及它们同环境之间的相互作用；,微生物同人类的关系。,三、微生物学的研究内容与成就,（一）微生物学的基本内容,40,1.3.1,微生物学的基本内容,41,（二）微生物学的发展与成就,1.,微生物学的发展主线,42,史前期（约,8000,年前,-1676,）,进展,古中国的制曲、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,43,初创期（,1676-1861,）,进展,Antony van Leeuwenhoek,，,1632-1723,，,17,世纪最伟大的业余科学家,只上过中学的布店学徒工,英国皇家学会会员,Member of Royal Society,巴黎科学院通讯院士,重大贡献：显微镜的发明，微生物形态描述。,44,Antony van Leeuwenhoek,45,奠基期（,1861-1897,）,进展,生理水平的研究，微生物生理学的研究,微生物学奠基人：巴斯德,细菌学奠基人：科赫,46,巴斯德（,1822,1895,）对人类的贡献,奠定微生物学理论，开创新的微生物学科,否定“自然发生说”（曲颈瓶实验）,Preventative vaccination-Immunology,Fermentation caused by Microorganisms,，解决了当时生产中提出的许多难题。,创造一些微生物学实验方法,巴氏消毒法：,60-65,家蚕软化病,47,Louis Pasteur, one of the greatest scientists of the nineteenth century,48,The spontaneous Generation Experiment,49,科赫（细菌学家）的主要贡献,病原学的研究,炭疽病菌,肺结核病病原菌,病原菌的寻找与分离：,1870s,1920s,科赫法则,微生物学基本操作技术,固体培养基的使用,培养基的配制,细菌的染色方法,1905,年获得诺贝尔生理学奖,50,Robert Koch,(,科赫,) 18431910,，德国人,51,1、在每一相同病例中都出现这种微生物；,2、能从寄主分离出这样的微生物并在培养基中培养出来；,3、用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主，同样的疾病会重复发生；,4、从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物来。,证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则,著名的柯赫原则,52,Fannie Eilshemius,（将琼脂应用于固体培养基的家庭主妇）和她先生,Walther Hesse,53,发展期（,1897-1953,）,毕希纳(E.,Buchner) 18601917,，,德国人,开创了微生物生化的研究,没有酵母的酒精发酵,1907,年诺贝尔化学奖,54,Fleming-Sir-Alexander,55,成熟期（,1953-,）,进展,分子生物学水平的研究,James D. Watson (left) and Francis Crick propose a double- helical structure for DNA,56,微生物学的发展前沿,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,微生物生命现象的特性和共性,微生物学与其他学科的交叉,微生物产业的全新发展,57,微生物学发展史的结论,微生物学发展的历史,认识微生物的历史,开发利用有益微生物的历史,控制和消灭有害微生物的历史。,微生物是一把双刃剑,double-edged sword,58,2.,一百年多来微生物学发展中的重大事件,时 间,重 大 事 件,1857,巴斯德证明乳酸发酵是由微生物引起的,1861,巴斯德用曲颈瓶实验证明微生物非自然发生，推翻了争论已久的“自生说”,1864,巴斯德建立巴氏消毒法,1867,Lister,创立了消毒外科，并首次成功地进行了石炭酸消毒试验,1867-1877,柯赫证明炭疽病由炭疽杆菌引起,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*发现结核杆菌,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,1887,Richard Petri,发明了双层培养皿,1888,Beijerinck,首次分离根瘤菌,1890,Von Behring*,制备抗毒素治疗白喉和破伤风,1891,Steinberg,与巴斯德同时发现了肺炎球菌,1892,Ivanowsky,提供烟草花叶病毒是由病毒引起的证据；,Winogradsky,发现硫循环,1897,Buchner,用无细胞存在的酵母菌抽提液对葡萄糖进行酒精发酵成功,1899,Ross*,证实疟疾病原菌由蚊子传播,59,1909-1910,Ricketts,发现立克次氏体；,Ehrtich*,首次合成了治疗梅毒的化学治疗剂,1928,Griffith,发现细菌转化,1929,Fleming*,发现青霉素,1935,Stanley*,首次提纯了烟草花叶病毒，并获得了它的“蛋白质结晶”,1943,Luria*,和,Delbruck*,用波动试验证明细菌噬菌体的抗性是基因自发突变所致；,Chain*,和,Florey*,形成青霉素工业化生产的工艺,1944,Avery,等证实转化过程中,DNA,是遗传信息的载体；,Waksman*,发现链霉素,1946-1947,Lederberg*,和,Tatum,发现细菌的接合现象、基因连锁现象,1949,Enders*,、,Robbins*,和,Weller*,在非神经的组织培养中，培养脊髓灰质炎病毒成功,1952,Hershey*,和,Chase,发现噬菌体将,DNA,注入宿主细胞；,Lederberg*,发明了影印培养法；,Zinder,和,Lederberg,发现普遍性转导,1953,Watson*,和,Crick*,提出,DNA,双螺旋结构,1956,Umbarger,发现反馈阻遏现象,1961,Jacob*,和,Monod*,提出基因调节的操纵子模型,60,1961-1966,Holhy*,、,Khorana*,、,Nirenberg*,等阐明遗传密码,1969,Edelman*,测定了抗体蛋白分子的一级结构,1970-1972,Arber*,、,Nathans*,和,Smith*,发现并提纯了限制性内切酶；,Temin,和,Baltimore,发现反转录酶,1973,Ames,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,1975,Khler,和,Milstein*,建立生产单克隆抗体技术,1977,Woese,提出古生菌是不同于细菌和真核生物的特殊类群；,Sanger*,首次对,X174,噬菌体,DNA,进行了全序列分析,1982-1983,Cech*,和,Altman*,发现具催化活性的,RNA(ribozyme),；,McClintock*,发现的转座因子获得公认；,Prusiner*,发现朊病毒,(prion),1983-1984,Gallo,和,Montagnier,分离和鉴定人免疫缺陷病毒；,Mullis*,建立,PCR,技术,1988,Deisenhofer,等发现并研究细菌的光合色素,1989,Bishop*,和,Varmus*,发现癌基因,1995,第一个独立生活的生物,(,流感嗜血杆菌,),全基因组序列测定完成,1996,第一个自养生活的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,61,近年来诺贝尔生理学奖,2008,年，德国学者哈拉尔德,-,楚尔,-,豪森,(Harald zur Hausen),以及法国学者朗索瓦丝,-,巴尔,-,西诺西,(Francoise Barre-Sinoussi ),和吕克,-,蒙塔尼,(Luc Montagnier),共同获得该奖项。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。,2007,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。他们的一系列突破性发现为“基因靶向”技术的发展奠定了基础，使深入研究单个基因在动物体内的功能并提供相关药物试验的动物模型成为可能。,2006,年，美国科学家安德鲁,法尔和克雷格,梅洛。发现核糖核酸（,RNA,）干扰机制，被广泛用作研究基因功能的一种手段，有望在未来帮助科学家开发出治疗疾病的新疗法。,2005,年，澳大利亚科学家巴里,马歇尔和罗宾,沃伦。他们发现了导致人类罹患胃炎、胃溃疡和十二指肠溃疡的罪魁,幽门螺杆菌，革命性地改变了世人对这些疾病的认识。,62,(,一,),定义,由普通微生物学发展而来的环境科学和环境工程的一门学科。,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有益和有害影响及在环境污染控制工程中有关微生物学原理的研究，是环境科学和环境工程的重要理论基础。,简言之，环境微生物学是研究保护环境的微生物学。,四、环境微生物学,63,（二） 环境微生物学的内容和任务,微生物在人类生存环境中的活动与作用规律；,微生物对人类环境产生的有利或有害影响；,环境污染防治的微生物学原理、途径、技术与方法；,64,（,1,）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，此即广义的环境微生物学研究内容。,（,2,） 研究污染环境的微生物行为及微生物对污染物的去除或转化、微生物活动对环境的影响等，此即污染微生态学研究内容。,65,（,3,）在治理污染的人工构筑系统中微生物的作用与应用，即环境工程微生物学的主要内容。,（,4,）在环境监测中的应用，即环境微生物监测。,66,微生物、环境和人类间的关系,微生物,环境,人类,环境,67,（三）环境微生物学对环境可持续发展的重要作用,环境净化和环境工程微生物中的应用,在环境微生物监测中的应用,68,全球首座温室气体零排放极地考察站,(2009.2.15),以比利时国王孙女伊丽莎白公主的名字命名；,依靠风能和太阳能运转，其设计力求实现环境影响最小化。,考察站产生的所有废物都能被循环利用。,利用微生物分解技术；,考察站内的洗澡水和厕所用水最多能循环利用,5,次。,69,南极洲东部的“伊丽莎白公主”极地考察站,70,新加坡发明新型马桶 可将粪便变成煮饭燃料,2012-6-29,新加坡南洋理工大学的科学家研发出一种新型马桶，可以将人类粪便转变成无味而安全的燃料，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态两部分。液态部分加工成氮磷肥料，固态部分被送入生物反应器中产生气态燃料（,沼气,），可取代天然气。,节水，最多可节约,90%,的冲洗用水。若在公共卫生间安装“非混合真空马桶”，按每天冲水,100,次计算，每年可节省,16,万升水。,71,71,72,“非混合真空马桶”可将人类排泄物分离为固态和液态两部分,南洋理工大学教授王晶元（,Wang Jing-Yuan,，音译）说：“利用我们的创新马桶系统，能以更简单、更廉价的方式从人体废物中提取有用的化学物质，甚至生产燃料。”,72,乡镇生活污水微动力处理工艺,(,四川遂宁,),73,五、显微镜下的微生物,Single Rod (,Bacillus,),Streptobacillus,Arrangement (Note bacilli in chains),74,Scanning Electron Micrograph of,Streptococcus pneumoniae,Electron Micrograph of Diplococcus,，,Neisseria gonorrhoeae,75,青霉菌,产生对人类有用的抗生素（青霉素）,76,六、 如何学好本课程,培养兴趣,广泛阅读,积极思考,勤于实验,学会从微生物学角度和观点看待、处理和解决生产实际和生活中的环境问题,77,课程考核方法,闭卷成绩：期末考试（,50%,）,开卷成绩：平时作业、自学与讨论内容（,40%,）,考勤成绩：课堂出席（,10%,）,78,参考书目,教材,周群英,. ,环境工程微生物学,北京：科学出版社，,2007,参考书：,任南琪等,.,污染控制微生物学,.,哈尔滨工业大学出版社, 2004,周德庆著微生物学教程 北京：高等教育出版社，,2002,沈萍主编微生物学北京：高等教育出版社，,2000,尼克林著，林稚兰译微生物学科学出版社，,2000,Madigan,、,Martinko,、,Parker. Brock Biology of Microorganisms(Ninth Edition) Prentice Hall,，,2000,马迪根等著，杨文博等译微生物生物学北京：科学出版社，2001,79,期刊,微生物学报,微生物学通报,菌物系统,应用与环境生物学报,Systematic and Applied Microbiology,International Journal of Systematic Bacteriology,80,