環(huán)境工程微生物學(xué),總54學(xué)時，3學(xué)分,吾爾恩,2,梭狀芽孢桿菌屬與肉毒桿菌屬，可引起食物中毒,3,變形蟲,毛霉,4,緒論,5,第一節(jié)環(huán)境與環(huán)境工程面臨的問題、可持續(xù)發(fā)展與微生物,環(huán)境問題環(huán)境問題是隨著文明的進(jìn)步，工農(nóng)業(yè)的發(fā)展伴生的一種負(fù)效應(yīng)。如隨著工業(yè)的進(jìn)步，大量化石能源及礦石中處于惰性的化學(xué)元素如C、S、重金屬等被大量釋放到環(huán)境中并不斷積累，而產(chǎn)生諸如溫室效應(yīng)、酸雨、重金屬中毒、白色垃圾、石油污染等等污染事件。又如農(nóng)業(yè)大量使用化肥以及農(nóng)藥導(dǎo)致灌溉用水富含N、P等營養(yǎng)物質(zhì)和有毒農(nóng)藥進(jìn)入水體導(dǎo)致河流及海域的污染；人口的不斷膨脹，隨之而來數(shù)量更多的生活污水及廢棄物進(jìn)一步加劇了污染的惡化。,6,溫室效應(yīng)加劇主要是由于現(xiàn)代化工業(yè)社會燃燒過多煤炭、石油和天然氣，放出大量的二氧化碳?xì)怏w進(jìn)入大氣造成的。二氧化碳?xì)怏w具有吸熱和隔熱的功能。它在大氣中增多的結(jié)果是形成一種無形的玻璃罩，使太陽輻射到地球上的熱量無法向外層空間反射，其結(jié)果是地球表面變熱起來。因此，二氧化碳也被稱為溫室氣體。酸雨是指PH值小于5.6的雨雪或其他形式的降水。雨水被大氣中存在的酸性氣體污染。酸雨主要是人為的向大氣中排放大量酸性物質(zhì)造成的。我國的酸雨主要是因大量燃燒含硫量高的煤而形成的，多為硫酸雨，少為硝酸雨，此外，各種機動車排放的尾氣也是形成酸雨的重要原因。近年來，我國一些地區(qū)已經(jīng)成為酸雨多發(fā)區(qū)，酸雨污染的范圍和程度已經(jīng)引起人們的密切關(guān)注。石油污染是指石油開采、運輸、裝卸、加工和使用過程中，由于泄漏和排放石油引起的污染，主要發(fā)生在海洋。,7,自20世紀(jì)西方產(chǎn)業(yè)革命起，世界各國環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，環(huán)境質(zhì)量急劇惡化。50年代后公害問題相繼發(fā)生。美國洛杉礬的光化學(xué)煙霧、倫敦?zé)熿F、日本四日市的哮喘病、水俁病、骨痛病等，均對人類造成極大傷害。我國也不例外，一些地區(qū)，如上海的黃浦江、蘇州河，太湖、巢湖、淮河、海河、昆明滇池、東北嫩江、松花江等，均污染嚴(yán)重。80年代以后，隨著改革開放，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的興起，鄉(xiāng)鎮(zhèn)的河流也不例外地受嚴(yán)重污染。,8,一些發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)50年代開始治理環(huán)境，經(jīng)過一二十年的努力治理，已見成效。如泰晤士河現(xiàn)在已變清，有魚類生長。我國于20世紀(jì)60年代末開始認(rèn)識到環(huán)境污染的危害，首先在一些大城市，如上海、北京、天津等地開始不同程度地處理廢水。繼而也廣泛地開展了環(huán)境保護(hù)、環(huán)境污染的治理工作?，F(xiàn)在雖然環(huán)境保護(hù)已深入人心，但目前全國范圍污染加重的態(tài)勢依然沒有得到有效控制。,日前，公益人士鄧飛微博爆料稱,在山東濰坊,化工廠、造紙廠將致命性污水通過高壓水井壓到地下逃避監(jiān)管,而地下排污法已在很多地方悄悄進(jìn)行多年。該微博立即就掀起了一場揭露各地污染丑聞的網(wǎng)上討伐運動。事實上，早前作為調(diào)查記者的鄧飛就發(fā)布過一幅廣為流傳谷歌地圖，顯示100多個中國的“癌癥村”。最近的報告表明這個數(shù)字可能超過了400。絕大多數(shù)都在富裕的東部沿海，這里是中國第一個從海外引進(jìn)污染產(chǎn)業(yè)外包的區(qū)域。但隨著這些地區(qū)重置價值鏈，并加強了法規(guī)，有跡象表明，污染帶和癌癥將轉(zhuǎn)移到內(nèi)陸地區(qū)，那里要么意識不到污染的危險要么窮到無法對錢說不。日期：2013-2-17(摘自搜狐網(wǎng)）,9,凡是癌癥高發(fā)的村莊，一般都坐落在被嚴(yán)重污染的河流附近，村民們平時吃壓水井的水，水井深度一般為7米至10米多，據(jù)相關(guān)部門調(diào)查報告顯示，地表水和地下水是相互滲透的，優(yōu)于河水污染嚴(yán)重，淮河流域的淺層地下水大部分已經(jīng)不能飲用。,10,這是一杯從7米深的水井壓上來的水，哪個城市人敢喝？但是當(dāng)?shù)卮迕駴]得選擇，他們往往是頭天晚上把水壓起來，靜置到第二天再使用，在村民們看來，水澄清了就算是干凈了。,11,12,河南癌癥村坐落在淮河支流沈丘市石槽鄉(xiāng)孫營村，全村1600人。從90年代開始的14年間?；及┌Y去世的有上百人，占死亡總?cè)藬?shù)的51.5%。主持葬禮的人自言“死人就像家常便飯”。該村所屬的周口地區(qū)曾是名噪一時的“皮都”，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的標(biāo)桿。然而，下游最貧困的農(nóng)村，卻在替上游富人們制造的環(huán)境污染買單。,內(nèi)蒙古癌癥村內(nèi)蒙古包頭白云鄂博礦稀土資源儲量占全國的97%，但其稀土開采的利用率僅為10%，在開采過程中，大量的尾礦漿排入洼池，形成11平方公里的“礦湖”，堆放尾礦漿1.35億噸，其中含有約7萬噸放射性金屬釷。釷和鈾有著極其相似的特性，在寶鋼“稀土湖”正西2公里處，就有一處遠(yuǎn)近聞名的“癌癥村”。,13,云南宣威是個癌癥村，每年有20多人死于癌癥。11歲的學(xué)生徐麗患的是骨癌。,2月28日早上，北京遭遇嚴(yán)重空氣污染，剛走出政協(xié)委員駐地酒店的全國政協(xié)委員姚明抬頭看天，皺起眉頭。,14,治理環(huán)境污染成兩會關(guān)注焦點1.“中國現(xiàn)在發(fā)展的主要矛盾之一，就是資源環(huán)境制約。環(huán)境污染讓人們難以感受到經(jīng)濟(jì)增長的幸福感?！比珖f(xié)委員、財政部財科所所長賈康說。2.新華網(wǎng)北京3月6日電（記者劉美子）全國人大代表、商務(wù)部國際貿(mào)易談判副代表崇泉6日在安徽代表團(tuán)分組審議政府工作報告時說，環(huán)境污染讓中國又到了“最危險的時刻”。崇泉代表說，大家都在說食品安全問題是因為缺乏監(jiān)管，我認(rèn)為，環(huán)境污染也有著不可推卸的責(zé)任。我們進(jìn)口的種牛，一到上海港就開始打噴嚏，一到飼養(yǎng)場就開始用抗生素。我國最適合發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)的地區(qū)，像河北、陜西等，恰恰又是水污染最嚴(yán)重的地區(qū)。這樣的環(huán)境，怎能讓老百姓吃上放心肉、喝上放心奶？所以，環(huán)境污染讓中國又到了“最危險的時刻”3.治理污染是現(xiàn)在最大的民生問題。其他關(guān)注民生的措施只有部分人受惠，污染問題治理好，是全民受惠。因為在污染面前，全體老百姓、包括國務(wù)院總理都是弱勢群體?！比珖舜蟠怼|華大學(xué)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與合作研究所所長嚴(yán)誠忠（3月3日）說，他笑著指指自己的紅鼻子說，“我這毛病是年紀(jì)大了免疫力下降引起的，但近期上海嚴(yán)重的霧霾污染也加重了病情?！薄敖?年來，節(jié)能減排等措施讓某些環(huán)境污染指標(biāo)下降。比如現(xiàn)在的黃浦江，就比過去最差的時候好一點，但跟我在黃浦江邊抓過魚的小時候還是沒法比?！眹?yán)誠忠說，從整體情況看，現(xiàn)在的環(huán)境保護(hù)形勢非常嚴(yán)峻?！耙郧爸恢漓F，沒見過霾。上海從縱向比，2012年到2013年，空氣是新中國建國以來最差的。我活到67歲，從來沒見過這么臟的空氣。”他笑言，今年90歲的老母親還跟他說過，近來空氣污染的嚴(yán)重程度，跟當(dāng)年日本人“八一三”轟炸上海時差不多。,15,16,可持續(xù)發(fā)展策略,嚴(yán)峻的危機逐漸讓人們認(rèn)識到發(fā)展必須與環(huán)境相協(xié)調(diào)的道理，1987年發(fā)表“可持續(xù)發(fā)展”的口號至今的提出，可持續(xù)發(fā)展的思想廣為各國接收和重視，也就是當(dāng)代人類的發(fā)展，應(yīng)該是既滿足當(dāng)代人的需求，又不危及后代人滿足其需求的發(fā)展。“九五”期間我國推出兩項重大舉措：即“全國主要污染物排放總量控制”和“中國跨世紀(jì)綠色工程規(guī)劃”。在“全國主要污染物排放總量控制”中規(guī)定煙塵、粉塵、二氧化硫、石油類、重金屬、化學(xué)耗氧量(COD)和工業(yè)固體廢棄物等12種主要污染物的排放量，到2000年要控制在國家批準(zhǔn)的水平上。大量排污違規(guī)企業(yè)被關(guān)閉，如果各種污染物按照各自排放標(biāo)準(zhǔn)排放，他們可以在自然力的作用下被凈化而不會造成污染.,17,我們環(huán)境工作者的主要任務(wù)就是用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)治理好各種污染物，使其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，從而能夠以環(huán)境自身凈化能夠承受的程度，實現(xiàn)各項事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。,18,微生物在治污中的地位污染物的微生物凈化是自然環(huán)境自身凈化的主要手段，同時也是地球生態(tài)平衡、物質(zhì)循環(huán)的極為重要的一個環(huán)節(jié)，我們實際上是取法天地，并能動地利用已知的微生物規(guī)律比自然界更為高效地消除污染，保護(hù)環(huán)境。這也就是這門課開設(shè)的用意所在，即認(rèn)識微生物規(guī)律，能動地利用這些客觀規(guī)律指導(dǎo)環(huán)保工作。,19,第二節(jié)環(huán)境工程微生物學(xué)的研究對象與任務(wù),20,環(huán)境工程微生物學(xué)是在環(huán)境工程與微生物學(xué)的交叉學(xué)科。微生物是指個體很小，肉眼看不見的生物，通常指直徑小于或等于1毫米的生物。這門課圍繞環(huán)境微生物主要講述以下幾個問題一、環(huán)境工程微生物學(xué)的研究對象(P3)（一）微生物形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能(靜態(tài)特征)（二）微生物生理、生長特性與遺傳變異(動態(tài)特征）（三）微生物與環(huán)境污染治理(應(yīng)用研究)（四）微生物研究方法,21,（一）微生物的形態(tài)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)及其功能這屬于微生物的靜態(tài)特征，包括外部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部組成及各組成部分的功能；（二）微生物生理、生長特性與遺傳變異這屬于微生物的動態(tài)特征，包括微生物的營養(yǎng)、呼吸、物質(zhì)代謝、生長、繁殖、遺傳與變異等的基礎(chǔ)知識，由于治污微生物的主力軍是細(xì)菌，故我們重點學(xué)習(xí)掌握細(xì)菌的生長規(guī)律，同時兼顧其它微生物的相關(guān)知識。,22,（三）微生物與環(huán)境污染治理這屬于微生物的應(yīng)用研究，內(nèi)容涉及：1.自然狀態(tài)下的微生物參與環(huán)境自凈作用的原理（自然環(huán)境物質(zhì)循環(huán)與轉(zhuǎn)化原理）；2.人工治污設(shè)施中的微生物對于污染水體治理的原理；3.飲用水衛(wèi)生細(xì)菌學(xué)原理（主要指飲用水中引起人體疾病的病原菌監(jiān)測與控制原理）。（四）微生物的研究方法（包括微生物觀察、培養(yǎng)、檢測等的實驗技術(shù)）,23,二、環(huán)境工程微生物學(xué)的研究任務(wù),自然界環(huán)境中的微生物大多數(shù)是有益的。自古以來有益微生物被人類廣泛應(yīng)用，釀酒、制作醬、醋和發(fā)面。近代，將微生物應(yīng)用于發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)乙醇、丙酮、各種有機酸、氨基酸(主要有谷氨酸即味精和賴氨酸)、抗生素。微生物的酶制劑應(yīng)用于紡織退漿、制革脫毛、洗滌劑的助劑、醫(yī)藥、印染等及應(yīng)用于石油發(fā)酵如微生物脫蠟和脫硫；用作農(nóng)肥(如固氮菌肥、磷、鉀細(xì)菌肥料等)用于植物害蟲生物防治的蘇云金桿菌等殺蟲劑及礦業(yè)(探油、回收重金屬和稀有金屬)。用于污染治理是有益微生物另一個極為重要的研究領(lǐng)域。,24,自然環(huán)境中同時也存在病原微生物，病原微生物也會對人類的生產(chǎn)、生活造成不利影響。如細(xì)菌、病毒、霉菌、變形蟲的某些種能引起人的各種疾病，如肝炎、沙眼、腸道病、傷風(fēng)、感冒等，黃曲霉能產(chǎn)生致癌的黃曲霉毒素，島青素、枯青霉和黃綠青霉等能產(chǎn)生致癌的黃變米黃素。還有的微生物能引起作物病害及動物疾病，某些細(xì)菌和霉菌能使食品和農(nóng)副產(chǎn)品腐敗和腐爛。有些細(xì)菌盡管不是病原菌，但它們的生命活動所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物與環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)起作用會產(chǎn)生不良后果。如硫細(xì)菌和鐵細(xì)菌能引起混凝土管道和金屬管道腐蝕，藍(lán)藻、綠藻和金藻中的某些種能引起湖泊“水華”和海洋的“赤潮”等。,25,充分利用有益微生物資源為人類造福,同時防止、控制、消除微生物的有害活動，化害為利。（P4-5）環(huán)境工程中處理廢水、廢物和廢氣的方法很多，其中生物處理法占重要位置。它與物理法、化學(xué)法相比，具有經(jīng)濟(jì)、高效的優(yōu)點，更重要的是可達(dá)到無害化。微生物是對廢物進(jìn)行生物處理、凈化環(huán)境的工作主體，只有全面了解和掌握微生物的基本特性，才能培養(yǎng)好微生物，取得較高的凈化效果。,26,第三節(jié)微生物的概述,27,一、微生物的分類和命名（一）微生物的分類分類是根據(jù)一定的原則（表型特征相似性或系統(tǒng)發(fā)育相關(guān)性）對微生物進(jìn)行分群歸類，根據(jù)相似性或相關(guān)性水平排列成系統(tǒng)，并對各個分類群的特征進(jìn)行描述，以便考察和對未被分類的微生物進(jìn)行鑒定；分類依據(jù)(生物屬性生化屬性)主要包括個體形態(tài)及大小、染色反應(yīng)、菌落特征、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、生理生化反應(yīng)、與氧的關(guān)系、血清學(xué)反應(yīng)等及它們的親緣關(guān)系。,分類單元及其等級界Kingdom門Phylum亞門綱Class亞綱目Order亞目科Family亞科屬Genus種Species,種：分類的基本單位，它是表型特征高度相似、親緣關(guān)系極其接近、與其他菌株有明顯差別的一群菌株的名稱。菌株：從自然界分離得到的任何一種微生物的純培養(yǎng)物都可以稱為微生物的一個菌株；用實驗方法（如通過誘變）所獲得的某一菌株的變異型，也可以稱為一個新的菌株，以便與原來的菌株相區(qū)別。,各類群微生物有各自的分類系統(tǒng)，如細(xì)菌分類系統(tǒng)、霉菌分類系統(tǒng)等。原核生物分類系統(tǒng)，有幾種，其中只有國際學(xué)術(shù)界的權(quán)威學(xué)者不間斷地集體修訂為特色的“伯杰氏鑒定細(xì)菌學(xué)手冊”。至1994年第九版已出版，是各國分類學(xué)界公認(rèn)的一本經(jīng)典著作。,30,雙名法，由二個拉丁字或希臘字或拉丁化了的其它文字組成，一般用斜體表示。,屬名在前，一般用拉丁字名詞表示，字首字母大寫,種名在后，常用拉丁文形容詞表示，全部小寫,若所分離的菌株只鑒定到屬，而未鑒定到種，可用sp來表示，,例如Bacillussp,（二）微生物命名,32,1.學(xué)名=屬名+種名+（首次定名人）+現(xiàn)定名人+定名年份例如Pseudomonasaeruginosa(Schroeter)Migula1920銅綠假單胞菌1920年由Migula定名2.學(xué)名=屬名+種名+菌株（用字母、符號等字形表示）例如Bacillus.subtilisAS1.398枯草桿菌中能生產(chǎn)蛋白酶的一株菌株3.學(xué)名=屬名+sp.(或spp.)只鑒定到屬名，對具體的種，不能肯定。sp.（單數(shù)）或spp.（復(fù)數(shù)）表示未定種的含義。,33,二、病毒和類病毒,沒有細(xì)胞機構(gòu)，是明顯區(qū)別于原核微生物和真核微生物的一類特殊的超微生物。,三、原核微生物和真核微生物,原核微生物的核很原始，發(fā)育不全，只是DNA鏈高度折疊形成的核區(qū)，沒有核膜，核質(zhì)裸露，與細(xì)胞質(zhì)沒有明顯界線，叫擬核或似核。原核微生物沒有細(xì)胞器。真核微生物有發(fā)育完好的細(xì)胞核，核內(nèi)有核仁和染色質(zhì)。其有核膜將細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)分開，使兩者有明顯的界線。有高度分化的細(xì)胞器。,34,草履蟲,35,非細(xì)胞結(jié)構(gòu)生物病毒界真細(xì)菌亞綱原核細(xì)胞生物原核生物界真細(xì)菌綱原生動物放線菌綱真核原生細(xì)菌門粘細(xì)菌綱生物界真核藻類立克氏體綱酵母菌螺旋體綱真菌界支原體綱真核細(xì)胞霉菌生物微型后生動物動物界高低等動物低等植物植物界高等植物,具細(xì)胞結(jié)構(gòu)生物,生物,藍(lán)藻門（藍(lán)綠細(xì)菌）,微生物,36,四、微生物的特點,（一）個體極?。ǘ┓N類繁多、分布廣（三）繁殖快（四）易變異,37,(一)個體極小，表面積大,微生物的個體極小，由幾納米(nm)到幾微米(um)(1mm=103um=106nm),人類肉眼的分辨率為0.1mm，幾十甚至上百個細(xì)菌排在一起才能看見；光學(xué)顯微鏡的分辨率為0.2um，可以看見大部分微生物的輪廓，而病毒小于02um，在光學(xué)顯微鏡可視范圍外，需通過電子顯微鏡才可看見，電子顯微鏡的分辨率為0.20.4nm,利用電子顯微鏡可以清晰地看見各種微生物的結(jié)構(gòu)。,艾滋病毒攻擊人體淋巴細(xì)胞電子顯微鏡放大十萬倍4mm:40nm,38,(二)種類繁多、分布廣,目前已確定的微生物種數(shù)還只有10萬種左右，其中細(xì)菌、放線菌約1500種。蘇聯(lián)微生物學(xué)家伊姆舍涅茨基曾估計，“目前我們所了解的微生物總數(shù)，至多也不超過生活在自然界中的微生物總數(shù)的10”。如果這一估計不錯的話，將來的某一天，微生物的總數(shù)可能會超過目前動、植物的種數(shù)之和。在地球上，微生物的分布可說是無微不至，無孔不入，無遠(yuǎn)不達(dá)。微生物只怕“火”，地球上除了火山的中心區(qū)域外，從生物圈、土壤、水圈直至大氣圈、巖石圈，到處都有微生物的足跡。,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細(xì)菌，其速度更是驚人。例如，大腸桿菌和梭狀芽孢桿菌在最合適的條件下，20分鐘可繁殖一代。如果它始終處在最適宜的條件下，則一晝夜可由一個細(xì)菌產(chǎn)生471021個后代，經(jīng)48h后可產(chǎn)生221043個后代。假如一個細(xì)菌重量為1012g，那么，這里的總重量將達(dá)到221025噸。這個重量相當(dāng)于4000個地球之重。當(dāng)然，由于種種限制，這種幾何級數(shù)增殖速度最多也只能維持幾個小時。由于這一特點，廢水處理中，提供合適的條件，微生物很快就會達(dá)到相當(dāng)?shù)臄?shù)量，從而廢物處理效率很高。,40,(四)易變異,多數(shù)微生物為單細(xì)胞，結(jié)構(gòu)簡單，整個細(xì)胞直接與環(huán)境接觸，易受環(huán)境因素影響，引起遺傳物質(zhì)DNA的改變而發(fā)生變異，即使變異頻率十分低（如10-510-10），由于數(shù)量龐大，也可以在短時間內(nèi)出現(xiàn)大量變異后代，當(dāng)環(huán)境變化時，微生物會大量死亡，活下來的微生物往往會發(fā)生結(jié)構(gòu)和生理特性的變異以適應(yīng)變化了的環(huán)境。,41,近五十年來，由于工業(yè)化的發(fā)展出現(xiàn)來大量人工合成的有機化合物，如殺蟲劑、除草劑、洗滌劑、增塑劑、塑料等。這些化合物對地球來講是新參加進(jìn)來的成員。開始，微生物很難降解他們，但由于微生物有很強的變異性特點陸續(xù)出現(xiàn)了能分解他們的微生物種類。微生物易變異的特點對于人類不利處在于在微生物研究中會引起菌種退化，同時在醫(yī)療中致病菌對抗生素產(chǎn)生抗藥性；但我們也可以利用微生物易變異的特點在廢水處理中進(jìn)行活性污泥的馴化，及選育特定的微生物以分解難降解的有機物等工作。,細(xì)菌抗藥性的產(chǎn)生：,43,（五）數(shù)量多,由于微生物的營養(yǎng)食譜極廣，生長繁殖速度快，代謝強度大，因此，凡有微生物生存的地方，它們通常都擁有巨大的數(shù)量。以下一些數(shù)字可說明環(huán)境中微生物數(shù)量之多：(1)土壤是微生物的“大本營”，其中細(xì)菌數(shù)量達(dá)數(shù)億個g，放線菌孢子達(dá)數(shù)千萬個g，霉菌孢子達(dá)數(shù)百萬個g，酵母菌達(dá)數(shù)十萬個g;(2)全世界海洋中微生物的總重量約280億噸(3)人體腸道內(nèi)菌體總數(shù)達(dá)100萬億個左右。,44,(4)新鮮葉子表面微生物數(shù)量達(dá)100多萬個g(5)人們使用的鈔票，平均每張紙幣上的細(xì)菌數(shù)多達(dá)900萬個，大腸桿菌檢出率達(dá)879。(6)人的一個噴嚏約含菌4，500150，000個，感冒患者的一個噴嚏含細(xì)菌多達(dá)8，500萬個。一系列的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，我們是生活在一個被大量微生物包圍著的環(huán)境中，只是因為肉眼不可見而常?！吧碓诰胁恢薄?