环境工程微生物学-绪论.ppt

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1、环境工程微生物学,我国目前的环境形势十分严峻！,绪 论,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,水体富营养化和赤潮发生流域图,浙江近海2004年赤潮分布,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”,沿海省（自治区、直辖市）赤潮发现次数,(2)有毒化学物危害,（3）大气污染,近段时间来，雾霾又成为国人心中的痛！,人民网,雾霾中的天安门城楼,?,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,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!,

2、E.coli on the surface of human skin and hair follicle,Staphylococcus aureus on the surface of human skin,Infection Transfer-Airborne Droplet Nuclei,一些数字,每克新鲜植物叶子表面附生着大约1106个微生物 人的皮肤上平均每平方厘米含有105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

3、量为100341012吨。,引自 沈萍 微生物学,一些数字,每张纸币带有9106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,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,（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

4、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,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。,表1.1 微生物形态、大小和细胞类型,（二）生物中哪些是微生物,（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,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,1.吸收多转化快,大肠杆菌每

5、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,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108109CFU/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。,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

6、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,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。,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 79,7

7、80 98,727 127,298,二、微生物的重要性,环境能源医药食品农业,（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。,35,Aerobic-Anaerobic Bioreactor,（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

8、些工业有机废弃物转化为氢气、乙醇和甲烷等清洁能源。,36,37,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,38,Idealized biorefinery concept.Nature Biotechnology 22,671-675(2004)(Image courtesy of Oak Ridge National Laboratory,Oak Ridge,TN,USA.),（三）微生物与农业,土壤的形成及其肥力的提高

9、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,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,微生物学的基本内容,（二）微生物学的发展与成就1.微生物学的发展主线,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

10、触而不觉食而不察得其益而不感其好受其害而不知其恶,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。,Antony van Leeuwenhoek,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,巴斯德（18221895）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）Preventa

11、tive vaccination-ImmunologyFermentation 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,Louis Pasteur,one of the greatest scientists of the nineteenth century,The spontaneous Generation Experiment,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：1870s1920s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

12、的染色方法1905年获得诺贝尔生理学奖,Robert Koch(科赫)18431910，德国人,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,Fannie Eilshemius（将琼脂应用于固体培养基的家庭主妇）和她先生Walther Hesse,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1

13、907年诺贝尔化学奖,Fleming-Sir-Alexander,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,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,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,2.一百

14、年多来微生物学发展中的重大事件,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

15、）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。,(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,（二）环境微生物学

16、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；,（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。,（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。,微生物、环境和人类间的关系,微生物,环境,人类,环境,（三）环境微生物学对环境可持续发展的重要作用,环境净

17、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,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。,南极洲东部的“伊丽莎白公主”极地考察站,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

18、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。,71,72,“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。”,乡镇生活污水微动力处理工艺(四川遂宁),五、显微镜下的微生物,Single Rod(Bacillus),Streptobacillus Arrangement(Note bacilli in chains),

19、Scanning Electron Micrograph of Streptococcus pneumoniae,Electron Micrograph of Diplococcus，Neisseria gonorrhoeae,青霉菌产生对人类有用的抗生素（青霉素）,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,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%）,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

20、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，2000Madigan、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,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,