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1、环 境 微 生 物 学,Environmental Microbiology,讲 授 人：张 琼,绪 论,一、学习本门课程的意义,1 掌握污染物的生物治理技术,2 生物处理已成为一门重要的的技术,（1）减少对资源、能源的消耗，对环境友好,（2）现代生物技术的发展为生物处理提供支持,（4）树立科学的世界观,（3）微生物的种类和数量随污染物增加而增加,二、本门课程的内容与任务,1 内容：微生物的形态大小、结构与功能、微生物的生理、生长与繁殖、遗传与变异等基础知识；微生物在环境中的生态；微生物在自然界物质循环中的作用；微生物在环境中 的应用,微生物基础知识,微生物在环境工程中的应用,微生物实验,2
2、任务:为掌握污染物的生物处理打下基础,三、学习方法与要求,微生物学基础,病毒原核微生物真核微生物微生物的生理微生物的生长繁殖与生存因子微生物的遗传与变异,微生物生态:各种环境中的微生物,微生物在环境工程中的应用:,污水生物处理污水深度处理微污染源水生物处理,四、微生物概述,1 什么是微生物？,一切肉眼看不见或看不清楚的微小生物的总称,结构特点：,小体积小,简构造简单,低进化低，低等生物,分类：,非细胞型微生物：病毒、亚病毒等,原核微生物：细菌、古细菌、放线菌、蓝细菌等,真核微生物：真菌、显微藻类、原生动物、微型后生动物,2 微生物的五大共性,体积小面积大,吸收多转化快,生长旺繁殖快,适应强易变
3、异,分布广种类多,3 微生物学,研究微生物生命活动的科学,分类:,基础微生物学,应用微生物学,4 微生物的发现和微生物学的发展,发现：1676年列文虎克自制显微镜发现了微生物,奠基人：,巴斯德（微生物）,科赫（细菌学）,5 微生物学推动了生命科学的发展,Pastuer 试验,煮沸的长颈瓶内的培养基无微生物生长，还指出某些微生物能生长在缺氧状况下。,Koch(1843-1910),建立炭疽芽孢杆菌和炭疽病之间的关系,Koch 定 律,1、微生物必须在患病动物中存在，而不存在于健康个体中；2、该微生物能离开动物进行纯培养；3、纯培养的微生物还能致病；4、该微生物还能再从患病动物中分离出来，再纯培养
4、，和原来分离出来的一样。,Koch主要贡献：,找到并分离了多种传染病,传染病原则科赫定律,用固体培养基分离纯化微生物的技术,配制培养基,第一章 原 核 微 生 物（Prokaryomicrobe）,（1）包括:细菌、古细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、衣原体、立克次氏体、螺旋体、粘细菌等,（2）特点是：有原始的核，无核膜；缺少细胞器和相应的内部结构,概述：,1.1 细 菌,细菌：是一类细胞细而短（细胞直径约0.5um，长度约0.55um）、结构简单、细胞壁坚韧、以二等分裂方式繁殖和水生性较强的原核微生物,单细胞生物。,一、形态与大小,1 基本形态,杆状杆菌,球状球菌,螺旋状螺旋菌、弧菌,除上述基本
5、形态外，还有丝状菌及星形、方形等其他形状的细菌,杆 菌 杆菌细胞呈杆状或圆柱形。有长杆菌、短杆菌。,Arrangements of Bacilli,球 菌 细胞呈球状或椭圆形。根据细胞分裂后新细胞所保持的空间排列方式，分为以下几种情形：单球菌尿素微球菌双球菌肺炎双球菌链球菌溶血链球菌四联球菌四联微球菌八叠球菌尿素八叠球菌葡萄球菌金黄色葡萄球菌,螺 旋 菌 细胞呈弯曲杆状的细菌统称为螺旋菌。包括：弧菌 偏端单生鞭毛或丛生鞭毛螺旋菌 两端都有鞭毛。,2 细菌的大小,球菌，一般以直径来表示杆菌和螺旋菌，以长和宽来表示。如 2.5 1 m,细菌大小的度量：以m为单位,细菌大小的表示：,细菌大小的测定：
6、在显微镜下使用显微测微尺测定,细菌的形态是相对稳定的,不同细菌大小不同，细菌大小随菌龄变化,自然界中杆菌最常见，球菌次之，螺菌最少,注 意:,二、细菌的细胞结构,特殊构造：部分细菌具有的或一般细菌在特殊环境下才有的构造，如粘液层、荚膜、菌胶团、鞭毛、菌毛、芽孢、衣鞘及光合作用层片等,一般构造：一般细菌都有的构造，如细胞壁、细胞膜、细胞质、拟核、间体、内含物等,1 细胞壁（cell wall）,概 念：是细胞质膜外面坚韧而带有弹性的一层薄膜，使细胞保持一定形状，保障其在不同渗透压条件下生长，即使在不良环境中也能防止胞溶作用。,化学组成：主由肽聚糖构成 肽聚糖是N-乙酰氨基葡萄糖(NAG)和带有交
7、替排列的D-型或L-型氨基酸侧链的N-乙酰胞壁酸(NAM)的多聚体。,革兰氏阳性菌,肽聚糖：约20-80nm,磷壁酸,少量蛋白质和脂肪,革兰氏阴性菌,内壁层：肽聚糖（约10nm）,外壁层：,脂多糖,磷 脂,蛋白质或脂蛋白,（无磷壁酸）,（G+）,（G-）,注：缺细胞壁的原核微生物有：L-型细菌、原生质体、球状体、支原体等,1）G+细菌细胞壁组成革兰氏阳性细菌细胞壁具有较厚（2080nm）而致密的肽聚糖层，多达40层，占细胞壁的成分6090%，它同细胞膜的外层紧密相连；革兰氏阳性细菌细胞壁中含有磷壁酸（teichoi-acid），它又分为两种，即壁磷壁酸和膜磷壁酸。,2）G-细菌细胞壁组成外膜
8、革兰氏阴性细菌只有一薄层肽聚糖(23nm)，但是在肽聚糖层外边，仍有另一层外膜，作为另外的屏障。外膜上含有许多独特的结构：把外膜与肽聚糖层连接起来的布朗(Brauns)脂蛋白；使营养物被动运输通过膜的膜孔蛋白和起保护细胞作用的脂多糖(LPS)。脂多糖也称为内毒素，对哺乳动物有高度毒性。,G-细菌细胞壁外膜的基本成分是脂多糖，此外还有磷脂、多糖和蛋白质。外膜被分为脂多糖层（外）、磷脂层（中）、脂蛋白层（内）。肽聚糖层 G-细菌细胞壁肽聚糖层很薄，约有23nm厚。它与外膜的脂蛋白层相连。周质空间 周质空间(periplasmic space，即壁膜间隙）是革兰氏阴性细菌细胞膜与外膜两膜之间的一个透
9、明的区域。,周质空间含有与营养物运输和营养物进入有关的蛋白质，如营养物进入细胞的蛋白；营养物运输的酶，如蛋白水解酶；细胞防御有毒化合物的酶，如破坏青霉素的-内酰胺酶。革兰氏阳性细菌以上这些酶常分泌到胞外周围，革兰氏阴性细菌则依靠它的外膜，保持这些酶与菌的紧密结合。,G+与G-菌的细胞壁的特征比较,功能:,（1）维持细菌的细胞形态,（2）抵抗外界环境的低渗,（3）协助鞭毛运动,（4）细胞分裂所必须,（5）阻挡有害物质进入细胞,（6）与细菌的抗原性、致病性和对噬菌体的敏感性有关,紧贴在细胞壁内侧而包围 细胞质的一层柔软而富有弹性的薄膜,选择透过性膜半透膜,结构磷脂双分子层,2 细胞膜（cytopl
10、asmic membrane）,Diagram of a Cytoplasmic Membrane,细胞膜的构造：是一个磷脂双分子层其中埋藏着与物质运输、能量代谢和信号接收有关的整合蛋白(integral)，它是完全地与膜连接而且贯穿全膜的蛋白另外，有通过电荷相互作用，疏松附着于膜的外周蛋白(peripheral proteins)。它是由于磷脂带正电荷极性头，只是通过电荷作用与膜松散连接的一类膜中的脂类和蛋白质均在运动，而且是彼此之间互相相对运动膜内陷形成（中）间体（mesosome）,细胞膜的功能：维持渗透压梯度和溶质的转移。细胞膜由含有亲水区域的和疏水区域的两性分子磷脂组成，膜对于大分子
11、或电荷高的分子成为一个选择渗透屏障，它们不易通过磷脂双分子的疏水性内层，选择性的控制内、外营养物质和代谢产物的运送。维持细胞内正常渗透压的屏障。参与细胞壁、糖被合成。细胞质膜上有合成细胞壁和形成横隔膜组分的酶。,细胞膜的功能：参与物质代谢和能量代谢。膜上含有氧化磷酸化或光合磷酸化等能量代谢的酶系，是细胞的产能场所为鞭毛提供附着点。细胞质膜上有鞭毛基粒，鞭毛由此长出。间体是从质膜向内伸展的细胞质中主要单位膜结构，其功能可能参与呼吸作用、同DNA的复制和细胞的分裂有关,细胞质（cytoplasm）：指除核以外，质膜以内的原生质。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。细胞质的
12、主要成分：含水的、含有细胞功能所需的各种分子、RNA和蛋白质的混合物，含水量约80%。细胞质的主要成分是核糖体。,3 细胞质和内含物,核糖体(ribosome)由一个小的亚基和一个大的亚基组成，核糖体的亚基是由蛋白质和RNAs组成的复合物，是细胞中合成蛋白质的场所。原核细胞中的核糖体，尽管在形状上和功能上与真核细胞相似，但是组建核糖体亚基的蛋白质和RNAs性质上有差别。,内含物(inclusion bodies)细胞质内形状较大的颗粒状构造称为内含物，包括各种贮藏物和羧酶体、气泡等，在光学显微镜下可观察到：聚-羟基丁酸盐(PHB)颗粒；多聚磷酸盐颗粒(也称异染粒)；某些细菌中也能看到脂肪滴；,
13、气泡：在蓝细菌(蓝绿藻)和生活在水环境中的其它光合细菌内发现的一个有趣的内含体。在细胞内四周排列的由蛋白质构成的气泡，可提供浮力，使得细菌漂浮靠近水的表面羧酶体（carboxysome）：又称为多角体，是自养细菌细胞内所特有的多角形或六角形内含物，可能是固定CO2场所贮藏物：是一类由不同化学成分累积而成的不溶性沉淀颗粒,贮藏物,细菌细胞质中的内含物,4 拟核（nucleoid）,指原核生物所特有的无核膜结构、无固定形态的原始细胞核。一般为14个核区 细菌的DNA在细胞质中为单个环状染色体、双链结构，无核膜包围，在电子显微镜中常可看到细胞内分离的核区，称为拟核。,细菌的DNA位于细胞质中，由一个
14、染色体构成，不同种的细菌之间染色体大小不同。其DNA是环状、致密超螺旋，与组蛋白相类似的蛋白质结合。古细菌的染色体和细菌的染色体类似，是一个单个环状的DNA分子，大小通常小于大肠杆菌的DNA。,function:The nucleoid is the genetic material of the bacterium.Genes located along the DNA are transcribed into RNA which,in the case of mRNA,is then translated into protein at the ribosomes.In other wor
15、ds,DNA determines what proteins and enzymes an organism can synthesize and,therefore,what chemical reactions it is able to carry out.,鞭毛（flagellum）是从细胞质膜和细胞壁伸出细胞外面的蛋白质组成的丝状体结构，使细菌具有运动性。鞭毛纤细而具有刚韧性，直径仅20nm，长度达15-20 m。,5、细菌形态之鞭毛菌毛性菌毛,有鞭毛的细菌，鞭毛数目和在细胞表面分布因种不同而有差异，是细菌鉴定的依据之一。鞭毛有三类：单生鞭毛、丛生鞭毛和周生鞭毛。鞭毛与细菌运动有关
16、，如趋化性和趋渗性等。,5、细菌形态之鞭毛菌毛性菌毛,Bacterial Flagellar Arrangements,单生鞭毛、丛生鞭毛、对生鞭毛、周生鞭毛,菌毛（pili）细菌细胞表面发现的象头发样的特殊的蛋白质表膜附属物，有几微米长。,5、细菌形态之鞭毛菌毛性菌毛,Bacterial Pili,性菌毛（sex pili）与遗传物质从一个细菌转移到另一个细菌有关，即在细菌接合交配时起作用。性菌毛比菌毛稍长，数量少，只有一根或几根。,5、细菌形态之鞭毛菌毛性菌毛,6、细菌形态之芽孢,芽孢（endospore）某些细菌在它生活史中的某个阶段或某些细菌在它遇到外界不良环境时，在其细胞内形成一个圆
17、形或椭圆形的内生孢子。是生物界中抗逆性最强的休眠体。,在一些属包括芽孢杆菌属和梭菌属中产生细菌的芽孢。它们是由细菌的DNA和外部多层蛋白质及肽聚糖包围而构成，芽孢对干燥和热具有高度抗性。,6、细菌形态之芽孢,形态与结构 芽孢结构相当复杂，最里面为核心，含核质、核糖体和一些酶类，由核心壁所包围；核心外面为皮层，由肽聚糖组成；皮层外面是由蛋白质所组成的芽孢衣；最外面是芽孢外壁。一般含内生芽孢的细菌总称为孢子囊(sporangium)。,6、细菌形态之芽孢,孢外壁：主含脂蛋白，透性差,芽孢衣：主含疏水性脂蛋白，抗酶解、抗药物，多价阳离子难通过,皮 层：主含芽孢肽聚糖及DPA-Ca，体积大，渗透压高,
18、核 心：芽孢壁、芽孢质膜、芽孢质和核区,芽孢,生理特性 芽孢杆菌属和梭菌属产生的一种特化的繁殖结构，它无繁殖功能。在光学显微镜下用特殊的芽孢染色(如孔雀绿染色)或通过相差显微镜能够观察到芽孢。由于芽孢有许多层包围细菌遗传物质的结构，使其具有惊人的、对所有类型环境应力的抗性，为抗逆性休眠体。如热、紫外线辐射、化学消毒剂和干燥。,6、细菌形态之芽孢,芽孢的特点,(1)含水量下降，蛋白质凝固点提高，受热不易变性(2)形成了厚而致密的芽孢壁，渗透性降低，代谢活力随之降低，使其处于休眠状态(3)合成了一些耐热性较强的酶(4)合成了特有的耐热芽孢成分(2,6-吡啶二羧酸钙盐),6、细菌形态之芽孢,研究芽孢
19、的意义,(1)芽孢的有无在细菌鉴定中 是一项重要的形态学指标(2)芽孢的存在有利于 菌种的筛选和保藏(3)是否能杀灭一些代表菌的芽孢就 成了衡量各种消毒灭菌措施 的主要指标,6、细菌形态之芽孢,7、细菌形态之细胞外层：糖被,特性：包被于某些细菌细胞壁外的一层厚度不定的胶状物质为细胞的外层结构，起保护细胞免受干燥和有毒化合物的损害，也使细菌附着于物体表面。糖被按其有无固定层次、层次厚薄又可细分为荚膜、微荚膜、粘液层和菌胶团。,糖被,包裹在单个细胞上,包裹在细胞群上：菌胶团（形成的公共荚膜）,在壁上有固 定 层,松散，未固定在壁上：粘液层,层 次 厚：（大）荚膜,层次薄：微荚膜,功能：对细菌表面起
20、渗透屏障作用保护细胞免受吞噬保护细胞免受干燥损伤帮助细菌附着到物体表面表面吸附作用,7、细菌形态之细胞外层：糖被,三、细菌的培养特征,1、有关的基本概念 菌落（colony）：单个微生物在适宜的固体培养基表面或内部生长、繁殖到一定程度可以形成肉眼可见的、有一定形态结构的子细胞生长群体，称为菌落。菌苔(lawn)：当固体培养基表面众多菌落连成一片时，便成为菌苔。,三、细菌的培养特征,培养物：在人为条件下，培养繁殖得到的 微生物群体。纯培养物(pure culture)：只有一种 微生物的培养物培养基(culture medium)：培养微生物的 营养物质无菌技术(aseptic techniqu
21、e)：防止微生物进入机体或物体的技术。常用的是高压蒸气灭菌法,三、细菌的培养特征,菌落特征的概念 各种细菌在一定条件下形成的菌落具有一定的稳定性和专一性特征，称为菌落特征。它是衡量菌种纯度、辨认和鉴定菌种的重要依据。菌落特征描述 菌落特征包括大小，形状，隆起形状，边缘情况，表面状态，表面光泽，质地，颜色，透明度等。,影响菌落特征的因素 细胞结构和生长行为；邻近菌落影响菌落的大小；培养条件，尤其是培养基成分。,2、培 养 特 征,（1）在固体培养基上的培养特征（2）在半固体培养基上的培养特征（3）在液体培养基中的培养特征,2 细菌悬液的稳定性,水处理中的重要意义,四、细菌的物理化学性质,1 细菌
22、表面电荷 氨基酸的等电点 细菌表面含表面蛋白：有等电点，一般为pH25 细菌培养液的pH比等电点高，细菌带负电荷。,3 细菌细胞的革兰氏染色,细菌细胞革兰氏染色1884年革兰姆克里斯琴(Christian Gram)发明；细菌常被分成两类：G+和G-染色反应的差别是由于两类细菌的细胞壁结构的差异引起。,革兰氏染色程序,五、环境工程中重要的细菌,1 球菌 广泛分布于自然界，多数为G+，不能运动，少数厌氧，微球菌科为代表2 杆菌（1）芽孢杆菌：产芽孢，多数为G+，周身鞭毛常见的有枯草芽孢杆菌、腊样芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、丙酮丁醇羧菌、溶纤维素芽孢杆菌等。,（2）无芽孢杆菌：主要有假
23、单胞菌科、硝化杆菌科、硫杆菌科、肠杆菌科、固氮菌科等。假单胞菌科：多需氧异养型，其假单胞菌属科可降解糖类和蛋白质，动胶菌属化能异养，对糖类物质有很强的氧化能力。硫杆菌科：多数自养，能将硫和硫化氢氧化为硫酸，在自然界硫转化中有重要作用。硝化杆菌科：严格化能自养，有机环境中不生长，有的氧化氨为亚硝酸盐，而有的氧化亚硝酸盐为硝酸盐，在氮素转化中其重要作用。,固氮菌科：固定大气中的氮大肠杆菌科：作为水体污染的 指示生物3 螺旋菌 菌体为弯曲的杆状或螺旋状，多为G-，好养或厌氧。比较重要的有螺菌属，厌氧或微好养，主要存在于污水中。,1.2 古 菌（Archaea）,2 初步掌握古菌的特点，了解研究古菌的
24、意义和价值,1 了解古菌在微生物中的类别,1.3 放 线 菌（Actinomycetes）,分布：土壤是其主要场所，特别是中性或偏碱性土壤和有机质丰富的土壤中较多，陆生性强,概述：因菌落在固体培养基上呈放射状生长而得名。菌体为单细胞，介于细菌和丝状真菌之间而又接近于细菌的一类原核生物。放线菌是一个大类群，多数为革兰氏阳性。,放线菌与人类生活及生产的关系 多为腐生，少数为寄生。腐生菌在自然界物质循环中起积极作用。寄生型放线菌会引起放线菌病和诺卡氏病。主要能产生大量的、种类繁多的抗生素。世界上绝大多数的抗生素由放线菌产生。其他作用：酶制剂的生产、甾体转化、石油脱蜡、烃类发酵、污水处理等,形态结构放
25、线菌菌体为单细胞，大多数由分枝发达的菌丝组成。根据放线菌菌丝的形态和功能,其菌丝可分为营养菌丝、气生菌丝和孢子丝三种(见图)。,营养菌丝 又称为初级菌丝体、一级菌丝体或基内菌丝，匍匐生长于培养基内，主要生理功能是吸收营养物。营养菌丝一般无隔膜；直径m；长度差别很大；短的小于100 m，长的可达600 m；有的产生色素：黄、橙、红、紫、蓝、绿、灰、褐、黑等，有脂溶性和水溶性，脂溶性局限于菌丝，水溶性可在培养基中扩散,气生菌丝 又称为二级菌丝体。营养菌丝体发育到一定时期，长出培养基外并伸向空间的菌丝为气生菌丝。,孢 子 丝 当气生菌丝发育到一定程度，其上部分化出可形成孢子的菌丝即为孢子丝，又名产孢
26、丝或繁殖菌丝。气生菌丝和孢子丝伸展在空气中，菌丝间不存在，毛细管水,菌落特征 放线菌的菌落由菌丝体组成，一般圆形、初期光平，后期产生皱褶。在光学显微镜下观察，菌落周围具有辐射状菌丝。据种的不同分为两类。,由大量产生分枝的和气生菌丝的菌种所形成的菌落，如链霉菌特点：菌落小而不蔓延，质地致密，表面呈紧密的绒状，坚实，干燥，多皱，与培养基结合紧密，不易挑取，或挑起后不易破碎。有时气生菌丝体呈同心圆环状，大量孢子布满整个菌落表面后，形成絮状，粉状或颗粒状的典型放线菌菌落。有的产生色素。,由不产生大量菌丝的种类形成，如诺卡氏菌。特点：菌落粘着力差，结构呈粉质状，用针挑取则粉碎。,繁殖方式 放线菌主要通过
27、形成无性孢子的方式进行繁殖，也可利用菌丝片断进行繁殖。放线菌生长到一定阶段，一部分菌丝形成孢子丝，孢子丝成熟便分化形成许多孢子，称为分生孢子。孢子呈白、黄、绿、淡紫、粉红、蓝、褐、灰等颜色。,1 放线菌属 多为致病菌。该属只有营养菌丝，有横隔，不形成孢子，一般为厌氧或兼型厌氧菌。2 链霉菌属 菌丝无横隔，有营养菌丝、气生菌丝和孢子丝。是许多重要抗生素的生产者。3 原放线菌属 即诺卡氏菌属，有典型的菌丝体，有气生菌丝和无气生菌丝两类，通常不抗酸。这属菌呈现各种颜色，多数好氧型腐生菌，很多种能分解不含氮的有机物，可用于烃类发酵、石油脱蜡、污水处理中晴类化合物的降解等。,几种常见的放线菌,1.4 蓝
28、 细 菌(Crynobacteria),概述：（1）在植物学和藻类学中被分类为蓝藻门（2）细胞结构简单，只具原始核，无核膜和核仁，只有染色质，只具叶绿素，无叶绿体，故隶属于原核生物界的蓝色光合藻门（3）电镜研究表明，其细胞结构近似于细菌，如无核膜，细胞壁由肽聚糖组成，G-，裂殖，不进行有性繁殖。（4）蓝细菌在自然界分布很广,蓝细菌形态 蓝细菌形态差异极大，有单细胞和丝状体两类形态。细胞的直径从0.5-1m到60m，丝状体的长度差异很大。多个个体聚集在一起，可形成肉眼可见的很大的群体。,蓝细菌细胞生理特性 为原核，G-，细胞壁与G-细菌相似，由肽聚糖等多粘复合物组成，并含有二氨基庚二酸，细胞壁可以分泌许多胶粘物质使一群群的细胞或丝状结合在一起形成胶团或胶鞘；细胞核无核膜；细胞质中有汽泡，可使细胞漂浮蓝细菌具有特殊结构光合器，光合器中含有光合作用色素，有叶绿素a、藻胆素和类胡萝卜素。蓝细菌可进行光合作用。有的蓝细菌有异形胞，是进行固氮作用的场所,蓝细菌的繁殖 蓝细菌无有性繁殖，以分裂繁殖为主，极少种类有孢子。有的利用藻殖段繁殖。,蓝细菌的一些重要属 蓝细菌中的微囊藻属、腔球藻属可引起水体富营养化,
