环境工程微生物学绪论.ppt

环境工程微生物学,总54学时，3学分,吾尔恩,2,梭状芽孢杆菌属与肉毒杆菌属，可引起食物中毒,3,变形虫,毛霉,4,绪论,5,第一节环境与环境工程面临的问题、可持续发展与微生物,环境问题环境问题是随着文明的进步，工农业的发展伴生的一种负效应。如随着工业的进步，大量化石能源及矿石中处于惰性的化学元素如C、S、重金属等被大量释放到环境中并不断积累，而产生诸如温室效应、酸雨、重金属中毒、白色垃圾、石油污染等等污染事件。又如农业大量使用化肥以及农药导致灌溉用水富含N、P等营养物质和有毒农药进入水体导致河流及海域的污染；人口的不断膨胀，随之而来数量更多的生活污水及废弃物进一步加剧了污染的恶化。,6,温室效应加剧主要是由于现代化工业社会燃烧过多煤炭、石油和天然气，放出大量的二氧化碳气体进入大气造成的。二氧化碳气体具有吸热和隔热的功能。它在大气中增多的结果是形成一种无形的玻璃罩，使太阳辐射到地球上的热量无法向外层空间反射，其结果是地球表面变热起来。因此，二氧化碳也被称为温室气体。酸雨是指PH值小于5.6的雨雪或其他形式的降水。雨水被大气中存在的酸性气体污染。酸雨主要是人为的向大气中排放大量酸性物质造成的。我国的酸雨主要是因大量燃烧含硫量高的煤而形成的，多为硫酸雨，少为硝酸雨，此外，各种机动车排放的尾气也是形成酸雨的重要原因。近年来，我国一些地区已经成为酸雨多发区，酸雨污染的范围和程度已经引起人们的密切关注。石油污染是指石油开采、运输、装卸、加工和使用过程中，由于泄漏和排放石油引起的污染，主要发生在海洋。,7,自20世纪西方产业革命起，世界各国环境污染日趋严重，环境质量急剧恶化。50年代后公害问题相继发生。美国洛杉矾的光化学烟雾、伦敦烟雾、日本四日市的哮喘病、水俣病、骨痛病等，均对人类造成极大伤害。我国也不例外，一些地区，如上海的黄浦江、苏州河，太湖、巢湖、淮河、海河、昆明滇池、东北嫩江、松花江等，均污染严重。80年代以后，随着改革开放，乡镇企业的兴起，乡镇的河流也不例外地受严重污染。,8,一些发达国家于20世纪50年代开始治理环境，经过一二十年的努力治理，已见成效。如泰晤士河现在已变清，有鱼类生长。我国于20世纪60年代末开始认识到环境污染的危害，首先在一些大城市，如上海、北京、天津等地开始不同程度地处理废水。继而也广泛地开展了环境保护、环境污染的治理工作。现在虽然环境保护已深入人心，但目前全国范围污染加重的态势依然没有得到有效控制。,日前，公益人士邓飞微博爆料称,在山东潍坊,化工厂、造纸厂将致命性污水通过高压水井压到地下逃避监管,而地下排污法已在很多地方悄悄进行多年。该微博立即就掀起了一场揭露各地污染丑闻的网上讨伐运动。事实上，早前作为调查记者的邓飞就发布过一幅广为流传谷歌地图，显示100多个中国的“癌症村”。最近的报告表明这个数字可能超过了400。绝大多数都在富裕的东部沿海，这里是中国第一个从海外引进污染产业外包的区域。但随着这些地区重置价值链，并加强了法规，有迹象表明，污染带和癌症将转移到内陆地区，那里要么意识不到污染的危险要么穷到无法对钱说不。日期：2013-2-17(摘自搜狐网）,9,凡是癌症高发的村庄，一般都坐落在被严重污染的河流附近，村民们平时吃压水井的水，水井深度一般为7米至10米多，据相关部门调查报告显示，地表水和地下水是相互渗透的，优于河水污染严重，淮河流域的浅层地下水大部分已经不能饮用。,10,这是一杯从7米深的水井压上来的水，哪个城市人敢喝？但是当地村民没得选择，他们往往是头天晚上把水压起来，静置到第二天再使用，在村民们看来，水澄清了就算是干净了。,11,12,河南癌症村坐落在淮河支流沈丘市石槽乡孙营村，全村1600人。从90年代开始的14年间。患癌症去世的有上百人，占死亡总人数的51.5%。主持葬礼的人自言“死人就像家常便饭”。该村所属的周口地区曾是名噪一时的“皮都”，经济发展的标杆。然而，下游最贫困的农村，却在替上游富人们制造的环境污染买单。,内蒙古癌症村内蒙古包头白云鄂博矿稀土资源储量占全国的97%，但其稀土开采的利用率仅为10%，在开采过程中，大量的尾矿浆排入洼池，形成11平方公里的“矿湖”，堆放尾矿浆1.35亿吨，其中含有约7万吨放射性金属钍。钍和铀有着极其相似的特性，在宝钢“稀土湖”正西2公里处，就有一处远近闻名的“癌症村”。,13,云南宣威是个癌症村，每年有20多人死于癌症。11岁的学生徐丽患的是骨癌。,2月28日早上，北京遭遇严重空气污染，刚走出政协委员驻地酒店的全国政协委员姚明抬头看天，皱起眉头。,14,治理环境污染成两会关注焦点1.“中国现在发展的主要矛盾之一，就是资源环境制约。环境污染让人们难以感受到经济增长的幸福感。”全国政协委员、财政部财科所所长贾康说。2.新华网北京3月6日电（记者刘美子）全国人大代表、商务部国际贸易谈判副代表崇泉6日在安徽代表团分组审议政府工作报告时说，环境污染让中国又到了“最危险的时刻”。崇泉代表说，大家都在说食品安全问题是因为缺乏监管，我认为，环境污染也有着不可推卸的责任。我们进口的种牛，一到上海港就开始打喷嚏，一到饲养场就开始用抗生素。我国最适合发展养殖业的地区，像河北、陕西等，恰恰又是水污染最严重的地区。这样的环境，怎能让老百姓吃上放心肉、喝上放心奶？所以，环境污染让中国又到了“最危险的时刻”3.治理污染是现在最大的民生问题。其他关注民生的措施只有部分人受惠，污染问题治理好，是全民受惠。因为在污染面前，全体老百姓、包括国务院总理都是弱势群体。”全国人大代表、东华大学经济发展与合作研究所所长严诚忠（3月3日）说，他笑着指指自己的红鼻子说，“我这毛病是年纪大了免疫力下降引起的，但近期上海严重的雾霾污染也加重了病情。”“近5年来，节能减排等措施让某些环境污染指标下降。比如现在的黄浦江，就比过去最差的时候好一点，但跟我在黄浦江边抓过鱼的小时候还是没法比。”严诚忠说，从整体情况看，现在的环境保护形势非常严峻。“以前只知道雾，没见过霾。上海从纵向比，2012年到2013年，空气是新中国建国以来最差的。我活到67岁，从来没见过这么脏的空气。”他笑言，今年90岁的老母亲还跟他说过，近来空气污染的严重程度，跟当年日本人“八一三”轰炸上海时差不多。,15,16,可持续发展策略,严峻的危机逐渐让人们认识到发展必须与环境相协调的道理，1987年发表“可持续发展”的口号至今的提出，可持续发展的思想广为各国接收和重视，也就是当代人类的发展，应该是既满足当代人的需求，又不危及后代人满足其需求的发展。“九五”期间我国推出两项重大举措：即“全国主要污染物排放总量控制”和“中国跨世纪绿色工程规划”。在“全国主要污染物排放总量控制”中规定烟尘、粉尘、二氧化硫、石油类、重金属、化学耗氧量(COD)和工业固体废弃物等12种主要污染物的排放量，到2000年要控制在国家批准的水平上。大量排污违规企业被关闭，如果各种污染物按照各自排放标准排放，他们可以在自然力的作用下被净化而不会造成污染.,17,我们环境工作者的主要任务就是用先进的科学技术治理好各种污染物，使其达到排放标准，从而能够以环境自身净化能够承受的程度，实现各项事业的可持续发展。,18,微生物在治污中的地位污染物的微生物净化是自然环境自身净化的主要手段，同时也是地球生态平衡、物质循环的极为重要的一个环节，我们实际上是取法天地，并能动地利用已知的微生物规律比自然界更为高效地消除污染，保护环境。这也就是这门课开设的用意所在，即认识微生物规律，能动地利用这些客观规律指导环保工作。,19,第二节环境工程微生物学的研究对象与任务,20,环境工程微生物学是在环境工程与微生物学的交叉学科。微生物是指个体很小，肉眼看不见的生物，通常指直径小于或等于1毫米的生物。这门课围绕环境微生物主要讲述以下几个问题一、环境工程微生物学的研究对象(P3)（一）微生物形态结构与功能(静态特征)（二）微生物生理、生长特性与遗传变异(动态特征）（三）微生物与环境污染治理(应用研究)（四）微生物研究方法,21,（一）微生物的形态、细胞结构及其功能这属于微生物的静态特征，包括外部结构、内部组成及各组成部分的功能；（二）微生物生理、生长特性与遗传变异这属于微生物的动态特征，包括微生物的营养、呼吸、物质代谢、生长、繁殖、遗传与变异等的基础知识，由于治污微生物的主力军是细菌，故我们重点学习掌握细菌的生长规律，同时兼顾其它微生物的相关知识。,22,（三）微生物与环境污染治理这属于微生物的应用研究，内容涉及：1.自然状态下的微生物参与环境自净作用的原理（自然环境物质循环与转化原理）；2.人工治污设施中的微生物对于污染水体治理的原理；3.饮用水卫生细菌学原理（主要指饮用水中引起人体疾病的病原菌监测与控制原理）。（四）微生物的研究方法（包括微生物观察、培养、检测等的实验技术）,23,二、环境工程微生物学的研究任务,自然界环境中的微生物大多数是有益的。自古以来有益微生物被人类广泛应用，酿酒、制作酱、醋和发面。近代，将微生物应用于发酵工业生产乙醇、丙酮、各种有机酸、氨基酸(主要有谷氨酸即味精和赖氨酸)、抗生素。微生物的酶制剂应用于纺织退浆、制革脱毛、洗涤剂的助剂、医药、印染等及应用于石油发酵如微生物脱蜡和脱硫；用作农肥(如固氮菌肥、磷、钾细菌肥料等)用于植物害虫生物防治的苏云金杆菌等杀虫剂及矿业(探油、回收重金属和稀有金属)。用于污染治理是有益微生物另一个极为重要的研究领域。,24,自然环境中同时也存在病原微生物，病原微生物也会对人类的生产、生活造成不利影响。如细菌、病毒、霉菌、变形虫的某些种能引起人的各种疾病，如肝炎、沙眼、肠道病、伤风、感冒等，黄曲霉能产生致癌的黄曲霉毒素，岛青素、枯青霉和黄绿青霉等能产生致癌的黄变米黄素。还有的微生物能引起作物病害及动物疾病，某些细菌和霉菌能使食品和农副产品腐败和腐烂。有些细菌尽管不是病原菌，但它们的生命活动所产生的代谢产物与环境中的化学物质起作用会产生不良后果。如硫细菌和铁细菌能引起混凝土管道和金属管道腐蚀，蓝藻、绿藻和金藻中的某些种能引起湖泊“水华”和海洋的“赤潮”等。,25,充分利用有益微生物资源为人类造福,同时防止、控制、消除微生物的有害活动，化害为利。（P4-5）环境工程中处理废水、废物和废气的方法很多，其中生物处理法占重要位置。它与物理法、化学法相比，具有经济、高效的优点，更重要的是可达到无害化。微生物是对废物进行生物处理、净化环境的工作主体，只有全面了解和掌握微生物的基本特性，才能培养好微生物，取得较高的净化效果。,26,第三节微生物的概述,27,一、微生物的分类和命名（一）微生物的分类分类是根据一定的原则（表型特征相似性或系统发育相关性）对微生物进行分群归类，根据相似性或相关性水平排列成系统，并对各个分类群的特征进行描述，以便考察和对未被分类的微生物进行鉴定；分类依据(生物属性生化属性)主要包括个体形态及大小、染色反应、菌落特征、细胞结构、生理生化反应、与氧的关系、血清学反应等及它们的亲缘关系。,分类单元及其等级界Kingdom门Phylum亚门纲Class亚纲目Order亚目科Family亚科属Genus种Species,种：分类的基本单位，它是表型特征高度相似、亲缘关系极其接近、与其他菌株有明显差别的一群菌株的名称。菌株：从自然界分离得到的任何一种微生物的纯培养物都可以称为微生物的一个菌株；用实验方法（如通过诱变）所获得的某一菌株的变异型，也可以称为一个新的菌株，以便与原来的菌株相区别。,各类群微生物有各自的分类系统，如细菌分类系统、霉菌分类系统等。原核生物分类系统，有几种，其中只有国际学术界的权威学者不间断地集体修订为特色的“伯杰氏鉴定细菌学手册”。至1994年第九版已出版，是各国分类学界公认的一本经典著作。,30,双名法，由二个拉丁字或希腊字或拉丁化了的其它文字组成，一般用斜体表示。,属名在前，一般用拉丁字名词表示，字首字母大写,种名在后，常用拉丁文形容词表示，全部小写,若所分离的菌株只鉴定到属，而未鉴定到种，可用sp来表示，,例如Bacillussp,（二）微生物命名,32,1.学名=属名+种名+（首次定名人）+现定名人+定名年份例如Pseudomonasaeruginosa(Schroeter)Migula1920铜绿假单胞菌1920年由Migula定名2.学名=属名+种名+菌株（用字母、符号等字形表示）例如Bacillus.subtilisAS1.398枯草杆菌中能生产蛋白酶的一株菌株3.学名=属名+sp.(或spp.)只鉴定到属名，对具体的种，不能肯定。sp.（单数）或spp.（复数）表示未定种的含义。,33,二、病毒和类病毒,没有细胞机构，是明显区别于原核微生物和真核微生物的一类特殊的超微生物。,三、原核微生物和真核微生物,原核微生物的核很原始，发育不全，只是DNA链高度折叠形成的核区，没有核膜，核质裸露，与细胞质没有明显界线，叫拟核或似核。原核微生物没有细胞器。真核微生物有发育完好的细胞核，核内有核仁和染色质。其有核膜将细胞核和细胞质分开，使两者有明显的界线。有高度分化的细胞器。,34,草履虫,35,非细胞结构生物病毒界真细菌亚纲原核细胞生物原核生物界真细菌纲原生动物放线菌纲真核原生细菌门粘细菌纲生物界真核藻类立克氏体纲酵母菌螺旋体纲真菌界支原体纲真核细胞霉菌生物微型后生动物动物界高低等动物低等植物植物界高等植物,具细胞结构生物,生物,蓝藻门（蓝绿细菌）,微生物,36,四、微生物的特点,（一）个体极小（二）种类繁多、分布广（三）繁殖快（四）易变异,37,(一)个体极小，表面积大,微生物的个体极小，由几纳米(nm)到几微米(um)(1mm=103um=106nm),人类肉眼的分辨率为0.1mm，几十甚至上百个细菌排在一起才能看见；光学显微镜的分辨率为0.2um，可以看见大部分微生物的轮廓，而病毒小于02um，在光学显微镜可视范围外，需通过电子显微镜才可看见，电子显微镜的分辨率为0.20.4nm,利用电子显微镜可以清晰地看见各种微生物的结构。,艾滋病毒攻击人体淋巴细胞电子显微镜放大十万倍4mm:40nm,38,(二)种类繁多、分布广,目前已确定的微生物种数还只有10万种左右，其中细菌、放线菌约1500种。苏联微生物学家伊姆舍涅茨基曾估计，“目前我们所了解的微生物总数，至多也不超过生活在自然界中的微生物总数的10”。如果这一估计不错的话，将来的某一天，微生物的总数可能会超过目前动、植物的种数之和。在地球上，微生物的分布可说是无微不至，无孔不入，无远不达。微生物只怕“火”，地球上除了火山的中心区域外，从生物圈、土壤、水圈直至大气圈、岩石圈，到处都有微生物的足迹。,39,(三)繁殖快,生物界中，微生物具有最高的繁殖速度。尤其是以二分裂方式繁殖的细菌，其速度更是惊人。例如，大肠杆菌和梭状芽孢杆菌在最合适的条件下，20分钟可繁殖一代。如果它始终处在最适宜的条件下，则一昼夜可由一个细菌产生471021个后代，经48h后可产生221043个后代。假如一个细菌重量为1012g，那么，这里的总重量将达到221025吨。这个重量相当于4000个地球之重。当然，由于种种限制，这种几何级数增殖速度最多也只能维持几个小时。由于这一特点，废水处理中，提供合适的条件，微生物很快就会达到相当的数量，从而废物处理效率很高。,40,(四)易变异,多数微生物为单细胞，结构简单，整个细胞直接与环境接触，易受环境因素影响，引起遗传物质DNA的改变而发生变异，即使变异频率十分低（如10-510-10），由于数量庞大，也可以在短时间内出现大量变异后代，当环境变化时，微生物会大量死亡，活下来的微生物往往会发生结构和生理特性的变异以适应变化了的环境。,41,近五十年来，由于工业化的发展出现来大量人工合成的有机化合物，如杀虫剂、除草剂、洗涤剂、增塑剂、塑料等。这些化合物对地球来讲是新参加进来的成员。开始，微生物很难降解他们，但由于微生物有很强的变异性特点陆续出现了能分解他们的微生物种类。微生物易变异的特点对于人类不利处在于在微生物研究中会引起菌种退化，同时在医疗中致病菌对抗生素产生抗药性；但我们也可以利用微生物易变异的特点在废水处理中进行活性污泥的驯化，及选育特定的微生物以分解难降解的有机物等工作。,细菌抗药性的产生：,43,（五）数量多,由于微生物的营养食谱极广，生长繁殖速度快，代谢强度大，因此，凡有微生物生存的地方，它们通常都拥有巨大的数量。以下一些数字可说明环境中微生物数量之多：(1)土壤是微生物的“大本营”，其中细菌数量达数亿个g，放线菌孢子达数千万个g，霉菌孢子达数百万个g，酵母菌达数十万个g;(2)全世界海洋中微生物的总重量约280亿吨(3)人体肠道内菌体总数达100万亿个左右。,44,(4)新鲜叶子表面微生物数量达100多万个g(5)人们使用的钞票，平均每张纸币上的细菌数多达900万个，大肠杆菌检出率达879。(6)人的一个喷嚏约含菌4，500150，000个，感冒患者的一个喷嚏含细菌多达8，500万个。一系列的调查数据表明，我们是生活在一个被大量微生物包围着的环境中，只是因为肉眼不可见而常常“身在菌中不知菌”。,