环境微生物学环境微生物学

环境微生物学环境微生物学

第二章环境中的微生物1.微生物：细小的肉眼看不见的生物称微生物。2.细菌细胞结构和形状：细胞结构分为基本结构和特殊结构，基本结构包括细胞壁和原生质体（由质膜和细胞质构成），特殊结构包括鞭毛，芽孢和荚膜。细菌形状主要有球状、杆状和螺旋状三种。3.革兰氏染色程序和结果：步骤方法结　　　果阳性(G+)阴性(G-)初染结晶紫30s紫色紫色媒染剂碘液30s仍为紫色仍为紫色脱色95%乙醇10—20s保持紫色脱去紫色复染蕃红(或复红)30—60s仍显紫色红色4.革兰氏染色反应过程及结果：涂片固定；结晶紫初染1min；碘液媒染1min；95%乙醇脱色0.5min；番红复染2min。阳性菌——紫色；阴性菌——红色。5.特殊的细胞形态：（1）原生质体：革兰氏阳性细菌以溶菌酶或青霉素处理后失去正常细胞壁的细胞（2）原生质球：利用上述方法部分去掉细胞壁后的细胞（3）细菌L-型：由于基因突变所导致的细胞壁缺陷细菌细胞（4）周质间隙：细胞壁和细胞膜之间的空间6.真菌的无性繁殖（1）无性繁殖的类型：菌丝体断裂、细胞裂殖、出芽、无性孢子（2）无性繁殖孢子有：游动孢子，孢囊孢子，分生孢子，节孢子，厚垣孢子7.真菌的有性繁殖（1）有性繁殖是不同性别细胞结合后，经质配、核配、减数分裂形成孢子的过程，而产生的孢子称为有性孢子。（2）在霉菌中，有性繁殖不及无性繁殖普遍，仅发生于特定条件下，一般培养基上不常出现。（3）霉菌的有性孢子主要有：卵孢子、接合孢子、子囊孢子。\n8.真菌的菌落特征１、固体：菌落大、绒毛状、棉絮状、珠网状等。疏松，有多种颜色，有时一个菌落有好几种颜色，同心圆，有的有颗粒状（子实体，菌核）。２、液体：在表面生长，需氧，潮湿的地方生长。9.菌丝和菌丝体：（1）正常菌丝体：多数菌体均由分枝或不分枝的菌丝构成。许多菌丝交织在一起，称为菌丝体。菌丝在光学显微镜下呈管状，直径约3～10微米，与酵母细胞直径类似，但比细菌或放线菌的细胞约粗10倍。真菌的菌丝结构有两种：无隔膜菌丝和有隔膜菌丝。（2）菌丝变态：假根和匍匐枝------根霉属霉菌的匍匐菌丝与营养基质接触处分化出的根状结构，具有固着和吸收养料等功能。(3)菌丝的特殊结构:菌网和菌环-------某些捕食性霉菌的菌丝变态成环状或网状，用于捕捉其它小生物如线虫、草履虫等，然后进一步从这类环或网上生出菌丝侵入线虫等体内，吸收养料。10.放线菌:是具有菌丝、以孢子进行繁殖、高G+Cmol％（63-78%）、革兰氏染色阳性的一类细菌。11.放线菌的形态构造:放线菌的形态比细菌复杂些，但仍属于单细胞。在显微镜下，放线菌呈分枝丝状,称为菌丝。菌丝无隔膜，直径与细菌相似，小于1微米,呈多核的单细胞状态。其细胞壁的主要成分是肽聚糖，也含有胞壁酸和二氨基庚二酸，不含几丁质或纤维素。12.放线菌与细菌的区别：（1）单细胞，大多由分枝发达的菌丝(mycelium)组成；（2）菌丝直径与杆菌类似，约1mm；（3）细胞壁组成与细菌类似，绝大多数革兰氏染色阳性；（4）细胞的结构与细菌基本相同。菌丝按形态和功能可分为三种：营养菌丝，气生菌丝，孢子丝13.放线菌菌丝分类：菌丝按形态和功能可分为三种：营养菌丝，气生菌丝，孢子丝1.营养菌丝(基内菌丝,基丝,初级菌丝体,substratemycelium)匍匐生长于培养基内，吸收营养，一般无隔膜，不断裂，直径0.2-0.8mm，长度差别很大，有的可产生色素。2.气生菌丝(二级菌丝体,aerialmycelium)营养菌丝发育到一定阶段，伸向空间形成气生菌丝，叠生于营养菌丝上，可覆盖整个菌落表面。在光学显微镜下观察，颜色较深，直径较粗（1-1.4mm），有的产色素。3.孢子丝,sporophores气生菌丝发育到一定阶段，其上可分化出形成孢子的菌丝，即孢子丝，又称产孢丝或繁殖菌丝。其形状和排列方式因种而异，常被作为对放线菌进行分类的依据。\n14.放线菌菌落特征：呈辐射状，一般圆形，干燥、有皱折、表面粉末状，不易被针挑起。15.古细菌的特点染色：革兰氏阳性或是革兰氏阴性形态：球形、杆状、螺旋形、耳垂形、不规则形状一些为单细胞，也有形成丝状体或多聚体。大小：直径0.1至15µm以上，有些丝状体能夠生长至200µm增殖：可以用二分裂、出芽或其他机制氧气：好氧性、兼性厌氧性或绝对厌氧性营养：化学无机自养型生物到有机营养型生物温度：有些是嗜温，另一些超嗜热生物常存在于厌气、高盐或高温环境中16.真细菌和古细菌间的某些差异特征真细菌古细菌细胞壁有胞壁酸无胞壁酸脂类酯键连接醚键连接甲烷生成过程没有可能有RNA多聚酶一个几个起始tRNA甲酰甲硫氨酸甲硫氨酸核糖体链霉素和氯霉素敏感白喉毒素抗性链霉素和氯霉素抗性白喉毒素敏感17.微生物的命名国际命名法则：林奈的双名法枯草芽孢杆菌：BacillussubtilisCohn学名=属名+种名+命名人姓氏亚种：subsp.（subspecies）变种：var.(variety)荧光假单胞菌纤维素亚种：Pseudomonasfluorescenssubsp.Cellulosae18.微生物的鉴定方法分类鉴定方法：包括经典方法，数值分类法，分子分类法第三章微生物的生长与代谢\n1.微生物的营养物质（1）碳源：提供微生物营养所需碳元素的营养源。有机碳源：蛋白质，核酸，淀粉，葡萄糖等无机碳源：CO2,Na2CO3,CaCO3等异养微生物：必须利用有机碳源自养微生物：能利用无机碳源（2）氮源：凡能提供微生物营养所需氮元素的营养源。氮源一般不作能源。有机氮源：蛋白胨、黄豆粉、玉米浆无机氮源：NH4NO3、(NH4)2SO4气态氮源：大气N2（3）无机盐：（4）生长因子：一类对微生物正常代谢必不可少且又不能从简单的碳源，氮源自行合成的、所需极微量的有机物。作用：辅酶或酶活化所需。培养基中生长因子来源：酵母膏、玉米浆、麦芽汁等。狭义：维生素广义：维生素、氨基酸、碱基、脂肪酸等（5）水：存在状态——游离态（溶剂）和结合态（结构组成）生理作用：（1）细胞组成成分（2）生化反应溶剂（3）化学、生理反应介质（4）物质运输媒体（5）调节细胞温度（6）维持细胞的渗透压2.培养基(medium，culturemedium)：是一种人工配制的、适合微生物生长繁殖或产生代谢产物用的混合养料。培养基类型：（1）依培养基来源：天然培养基，合成培养基，半合成培养基（2）　按培养基外观的物理状态：固体、半固体、液体。(3)根据培养基用途：普通型、选择型、鉴别型作用：\n3.微生物营养类型（1）依能源不同：光能营养型(phototrophs):光反应产能化能营养型(chemotrophs):物质氧化产能（2）依碳源不同：异养型(heterotrophs):不能以CO2为主要或唯一碳源自养型(autotrophs):能以CO2为主要或唯一碳源（3）依生长因子的不同：原养型(prototroph)或野生型(wildtype)营养缺陷型(auxotroph)4.营养物质的摄取（一）影响营养物质透过细胞膜的因素：1.细胞壁与细胞膜结构2.营养物质本身的性质3.微生物生活环境（二）营养物质的运输机制：1.单纯扩散2.促进扩散3.主动运输4.基团转位5.微生物的呼吸作用类型（一）有氧呼吸1.化能异养菌以有机碳化合无为底物进行氧化分解：（1）EMP途径（糖酵解途径、三磷酸己糖途径）（2）TCA循环柠檬酸循环或Krebs循环2.细菌化能自养作用（二）无氧呼吸（厌氧呼吸）特点：a常规途径脱下的氢，经部分呼吸链传递；b氢受体：氧化态无机物（个别：延胡索酸）c产能效率低。1.硝酸盐呼吸（反硝化作用）即硝酸盐还原作用\n2.硫酸盐呼吸（硫酸盐还原）3..碳酸盐呼吸（碳酸盐还原）6.微生物的同化作用1、光合细菌类群1）产氧光合细菌——好氧菌：各种绿色植物、藻类，蓝细菌：专性光能自养。2）不产氧光合细菌a、紫色细菌——只含菌绿素a或b。紫硫细菌（着色菌科）（旧称红硫菌科）含紫色类胡萝卜素，菌体较大。S沉积胞内。氢供体：H2S、H2或有机物。H2S®S®SO42----少数暗环境以S2O32-作为电子供体b、绿色细菌（绿硫细菌）含较多的菌绿素c、d或e，少量a。电子供体：硫化物或元素硫，S沉积胞外（类似紫色非硫细菌）；暗环境中不进行呼吸代谢，还可同化乙酸、丙酸、乳酸等简单有机物。7.环境因素对微生物生长的影响一、氧化还原电位：某物质与氢电极构成原电池时的电压高低,反映该物质氧化性强弱。二、温度的影响1.高温的影响：一般来说无芽孢的细菌在水中加热到100℃迅速死亡。2.适宜温度：根据细菌适宜温度的不同，可将细菌分为四大类，嗜冷菌、嗜中温菌、嗜热菌及嗜超热菌。三、水：（在不受热和其它外界因素干扰下）干燥细胞将处于长期休眠状态四、氢离子浓度：大多数细菌最适环境pH为6～8，可生存的pH范围在4～10之间。五、辐射：通常细菌在阴暗环境中能够更好的生长六.超声波：几乎所有的细菌体都能被超声波所破坏，但敏感程度各有不同。七．化学物质：（1）有机化合物；（2）无机化合物8.微生物生长测定方法：（1）直接计数法：借助显微镜观察测定。分为涂片染色法，计数器(血球计数板）测定法，比浊计数法（2）活菌记数法：分为稀释平板计数法，稀释液体计数法，薄膜计数法9.细菌数量生长曲线（1）缓慢期：特征：代谢活跃，个体体积、重量增高，不立即进行细胞分裂、增殖，数量不变甚至减少（2）对数期：特征：平均代时（繁殖一代的时间）最短，繁殖速度最快（3）稳定期：出生率＝死亡率（4）死亡期：死亡率＞出生率\n第四章微生物的遗传和变异1.突变的类型：突变包括：基因突变和染色体畸变（一）形态突变型：细胞形态或菌落形态的变异（二）生化突变型：1.营养缺陷型2.抗性突变型3.抗原突变型（三）致死突变型（四）条件致死突变型2.基因突变的机理基因突变：一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变，包括自发突变和诱发突变3.原核微生物基因重组：细菌的三种水平基因转移形式-------接合，转导和自然转化细菌的接合作用：通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组过程细菌的转导：能将一个细菌宿主的部分染色体或质粒DNA带到另一个细菌的噬菌体称为转导噬菌体4.遗传物质在微生物中的存在形式：染色体，细胞器DNA，质粒5.第五章微生物在环境中的分布和相互关系1.微生物在环境中的相互关系：互生关系，共生关系，寄生关系，拮抗关系，竞争关系，捕食关系。第六章微生物在物质循环中的作用1.微生物在碳循环中的作用:降解作用，呼吸作用，发酵作用，甲烷形成，光合作用碳素主要存在形式：二氧化碳微生物分解有机物，纤维素的分解，半纤维素的分解，果胶物质的分解，微生物分解淀粉，微生物分解脂质物质，微生物分解木质素及芳香族物质，微生物分解烃类。2.微生物在氮素循环中的作用：\n固氮，氨化作用，硝化作用，硝酸盐还原和反硝化作用氮素主要存在形式：分子态氮，无机态氮，有机态氮。（一）氨化作用：有机态N被微生物降解形成NH3的过程（二）硝化作用：铵氧化形成硝酸影响硝化作用的环境因素(1)pH值：适宜微碱性(2)温度：4-40℃，最适：25-35℃(3)通气：需氧(4)湿度：过量影响通气，不足引起细胞缺水（三）反硝化作用：微生物还原硝酸为亚硝酸、氨和N2的作用（四）反硝化作用微生物大多数：异养兼厌气性极少数：化能自养型（脱氮硫杆菌）环境对反硝化作用的影响：水分及通气状况；pH值；有机质与NO-3含量3.磷的生物循环：1.有机磷化物的分解(解磷作用)2.不溶性无机磷化物的转化(溶磷作用)3.有效磷的微生物固定第七章微生物对污染物的降解与转化1.生物降解(biodegradation)：复杂有机化合物在微生物作用下转变成结构较简单化合物或被完全分解的过程。2.生物转化(biotransformation或bioconversion)：通过微生物代谢导致有机或无机化合物的分子结构发生某种改变、生成新化合物的过程。3.微生物降解污染物的一般途径(一）矿化作用：有机污染物在一种或多种微生物的利用下彻底分解成CO2、水和简单的无机化合物的过程。(二）共代谢作用：有些合成的化合物不能被微生物降解，但若有另一种可供碳源和能源的辅助基质存在时，它们则可被部分降解。降解其它有机物提供能源等；靠其它微生物协同作用；经别的物质诱导等。4.微生物降解转化的作用方式：第八章污水的生物处理\n1.水体富营养化：水体中含有过量的溶解性营养盐类（主要是NH3-N、NO3-N、NO2-N、PO4-P），使水中藻类等浮游生物大量生长繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，从而破坏了水体生态平衡的现象。2.生物脱氮技术原理：硝化-反硝化生物脱氮-------a.有机氮通过微生物的分解和水解转化为氨氮，即氨化作用；b.氨氮通过硝化作用转化为亚硝酸态氮和硝酸态氮；c.硝酸态氮在厌氧条件下经反硝化作用而脱氮；3.生物脱氮过程中主要参与的细菌类群氨化细菌：进行有机氮化合物的脱氨基作用，生成NH3；亚硝酸和硝酸细菌（总称为硝化菌）：将NH3转化为NO2-和NO3-；反硝化细菌：将NO2-、NO3-转化为N2。影响硝化-反硝化的因素：（1）pH值，（2）温度，（3）溶解氧，（4）碳源，（5）污泥龄，（6）抑制物质4.生物除磷技术基本原理：通过聚磷剩余活性污泥排放和含磷上清液排降使磷脱离处理系统，达到除磷目的。在生物除磷过程中BOD亦得到分解。5.生物除磷工艺中的微生物（1）聚磷菌，（2）发酵产酸菌生物除磷影响因素（1）溶解氧，（2）温度，（3）pH值，（4）污泥龄，（5）BOD负荷和有机物性质6.污水生物处理：包括好氧生物处理和厌氧生物处理，好氧生物处理包括活性污泥法和生物膜法7.活性污泥法的原理：活性污泥法是利用悬浮生长的微生物絮体处理有机废水的一类好氧生物处理方法。活性污泥系统对有机底物的降解是通过几个阶段和一系列作用完成的。包括以下阶段：①絮凝和吸附阶段②活性污泥中微生物的代谢和增殖③活性污泥的凝聚、沉淀和浓缩8.活性污泥中的微生物：（1）形成活性污泥絮状体的细菌——菌胶团细菌；（2）原生动物及微型后生动物；（3）丝状细菌9.生物膜法的基本原理：利用微生物在固体表面的附着生长对废水进行生物处理的技术方法。生物膜污水处理的关键就是生物膜的质量，生物膜的形成及其生长是实现污水有效处理的前提。10.生物膜中的微生物\n（1）细菌和真菌在生物膜的好气层专性好气的芽孢杆菌占优势；在厌气层可见到反硫化弧菌属；数量最多的是兼性菌，如假单胞菌属等。（2）原生动物：纤毛虫居多。（3）微型后生动物：如轮虫类、线虫类、昆虫类等，个体数较多。11.厌氧生物处理的原理：在厌氧条件下，利用厌氧微生物分解废水中的有机物并产生甲烷、二氧化碳的过程，又称厌氧发酵。12.厌氧生物处理的过程（三个阶段）水解阶段：复杂有机物¬水解和发酵性细菌酸化阶段：简单有机物（可溶态）¬产氢、产乙酸细菌甲烷化阶段：简单有机酸类、醇类¬产甲烷菌13.厌氧反应器内的微生物：（1）发酵细菌群（水解产酸细菌）:多为兼性厌氧或专性厌氧细菌，主要参与复杂有机物的水解;(2)产氢产乙酸菌群：绝对厌氧或兼性厌氧细菌；（3）产甲烷细菌：产甲烷细菌是严格专性厌氧细菌14.污水排放生物学指标：第九章废气与废渣的生物处理\n1.适宜生物处理的废气应具有的特点：（1）水溶性强（2）易降解2.废气生物处理原理：生物反应器处理废气一般经历以下三个阶段-------（1）溶解过程：废气与水或固相表面的水膜接触，污染物溶于水中成为液相中的分子或离子，这一过程是物理过程，符合亨利定律。（2）吸着过程：溶于水中的污染物被微生物吸附、吸收，污染物从水中转入微生物体内。作为吸收剂的水被再生复原，继而再用以溶解新的废气成分。（3）生物降解过程：一，进入微生物细胞的污染物作为微生物生命活动的能源或养分被分解和利用，从而使污染物得以去除。二，烃类和其它有机物成分被氧化分解为CO2和H2O，含硫还原性成分被氧化为S、SO42-，含氮成分被氧化分解成NH3，NO2-和NO3-等。3.处理废气的微生物一处理无机废气的微生物：（1）微生物对无机废气的处理主要利用一些化能自养菌，如硝化细菌、硫化细菌和氢细菌等。（2）适合于微生物处理的无机废气污染组分主要有：氨和硫化氢。二处理挥发性有机废气的微生物：微生物种类以异氧细菌为主，霉菌为次，较少酵母菌。4.处理废气的主要影响因素1．水分（湿度）微生物生命活动的必要成分；吸收废气的溶剂。40％-60％为适宜的含水量。通常预处理需要加湿，防止滤料变干。2．养分（1）废气可为微生物提供一定的养分，VOCs可以提供碳源和能源，但是需要适当补足其它养分。（2）不同的处理工艺对养分控制有差异，例如生物滴滤池补充营养盐十分重要，但是堆肥生物滤池补给营养盐的次数可以减少，一年补给二次即可。3．温度（1）废气生物处理多用中温条件(25～35℃)，少用高温。（2）土壤或堆肥处理废气时通常采用自然温度，如果微生物分解基质放热造成温度过高则需采取降温措施。4．氧气（1）废气处理多用异养型好氧微生物；（2）氧的供给量与供给方式对处理效率的影响很大，微生物数量、基质浓度和温度等因素也会影响供氧。5、酸碱度以中性或微碱性为宜5.废气生物处理的工艺类型：（1）生物过滤法\n(biofilter)（附着生长系统）（2）生物吸收法(bioscrubber)（悬浮生长系统）（3）生物滴滤法(biotrickling)第十二章微生物与废气资源化1.微生物产甲烷：第十六章环境污染的指示微生物1.细菌总数：是指1ml（1g）环境检样在一定条件下（培养基成分、培养温度和时间、pH及通气等）培养后，所生长的细菌菌落总数。检测意义：评价被检样品的微生物污染程度和安全性。环境样品菌落总数越多，说明环境被微生物污染程度越严重，病原微生物存在的可能性越大，但不能说明污染的来源。2.总大肠菌群：是指一群需氧及兼性厌氧的，37℃生长时，24h内能使乳糖发酵产酸产气的革兰氏阴性无芽胞杆菌。检测意义：作为粪便污染的指标。样品总大肠菌群数的含量，表明环境被粪便污染的程度，而且间接地表明有肠道致病菌存在的可能。3.粪大肠菌群：是指在44.5℃生长24h内能使乳糖发酵和分解色氨酸产生靛基质的大肠菌群。检测意义：粪大肠菌群数与粪便中大肠菌群数直接相关，在外环境中不易繁殖，因此作为粪便指示菌的意义更大。4.检测方法：（1）细菌总数的测定--平板菌落计数法（2）总大肠菌群的测定--多管发酵法粪（3）大肠菌群的测定--平板菌落计数法ß