微生物学课件绪论

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1、环境工程微生物学环境工程微生物学南京理工大学化工学院南京理工大学化工学院陈守文陈守文Email:1本课程的基本情况本课程的基本情况本课程是我校环境工程专业学生的学科基础课；本课程是我校环境工程专业学生的学科基础课；与另一门课与另一门课环境微生物学实验环境微生物学实验相结合，构相结合，构成一个完整的体系；成一个完整的体系；本课程强调每个学生要动手，通过实验，加深本课程强调每个学生要动手，通过实验，加深对讲课内容的理解和记忆；对讲课内容的理解和记忆；本课程内容分两大部分：一是微生物学的基础本课程内容分两大部分：一是微生物学的基础知识；二是微生物学在环境领域中的应用。知识；二是微生物学在环境领域中的

2、应用。2本课程的教材和主要参考书：本课程的教材和主要参考书：周周群群英英、王王士士芬芬环环境境工工程程微微生生物物学学(第第三三版版)，高等教育出版社，高等教育出版社，2008年年周周群群英英、高高廷廷耀耀环环境境工工程程微微生生物物学学（第第二二版版），高高等等教教育育出出版版社社，（面面向向21世世纪纪课课程教材）程教材）2002Ross E.McKinney.“Environmental PollutionControlMicrobiology”,MarcelDekker,20043关于教材：关于教材：在整个教学过程中，教材是主要的依据。教在整个教学过程中，教材是主要的依据。教师在上课过

3、程中，也会适当增加一些内容。师在上课过程中，也会适当增加一些内容。由于学时关系，有些内容可能不在课堂上详由于学时关系，有些内容可能不在课堂上详细讲述。每个同学可以根据自己的情况，进细讲述。每个同学可以根据自己的情况，进行学习或选择一些相关的书籍进行阅读。行学习或选择一些相关的书籍进行阅读。4主要授课内容主要授课内容绪论绪论第一章第一章非细胞结构的超微生物非细胞结构的超微生物病毒病毒第二章第二章原核微生物原核微生物第三章第三章真核微生物真核微生物第四章第四章微生物的生理微生物的生理第五章第五章微生物的生长繁殖与生存因子微生物的生长繁殖与生存因子第六章第六章微生物的遗传和变异微生物的遗传和变异第七

4、章第七章微生物的生态微生物的生态第八章第八章微生物在环境物质循环中的作用微生物在环境物质循环中的作用第九章第九章水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理第十章第十章污（废）水深度处理和微污染源水预处理中的微生物学污（废）水深度处理和微污染源水预处理中的微生物学原理原理第十一章第十一章有机固体废物与废气的微生物处理及其微生物群落有机固体废物与废气的微生物处理及其微生物群落5绪绪论论6主要内容：主要内容：第一节第一节环境工程微生物学的研究对象和任务环境工程微生物学的研究对象和任务研究对象研究对象研究任务研究任务第二节第二节微生物的概述微生物的概述微生

5、物的定义微生物的定义微生物的特点微生物的特点原核微生物与真核微生物原核微生物与真核微生物微生物的命名与分类微生物的命名与分类7第一节第一节环境工程微生物学的研究环境工程微生物学的研究对象和任务对象和任务8 一、环境工程一、环境工程微生物学的研究对象微生物学的研究对象定义：定义：环境微生物学是研究与环境领域（包括环境环境微生物学是研究与环境领域（包括环境工程、给水排水工程）有关的微生物及其生命活动工程、给水排水工程）有关的微生物及其生命活动规律。规律。其内容包括：其内容包括：微生物个体形态、群体形态；细胞结微生物个体形态、群体形态；细胞结构功能、生理特性、生长繁殖、遗传变异等；微生构功能、生理特

6、性、生长繁殖、遗传变异等；微生物与环境的关系（尤其是微生物与污染环境之间的物与环境的关系（尤其是微生物与污染环境之间的关系）；微生物对物质的转化分解作用（特别是应关系）；微生物对物质的转化分解作用（特别是应用微生物来处理各种污染物质，如废水、废气和固用微生物来处理各种污染物质，如废水、废气和固体废弃物）。体废弃物）。9二、环境微生物学的研究任务二、环境微生物学的研究任务微生物无处不在，我们无时不生活在微生物无处不在，我们无时不生活在“微生物的海洋微生物的海洋”中。中。细菌量：数亿个细菌量：数亿个/g土壤，土壤中的细菌总重量估计为：土壤，土壤中的细菌总重量估计为：100341012吨；吨；每个喷

7、嚏的飞沫含每个喷嚏的飞沫含4500-150,000个细菌，重感冒患者为个细菌，重感冒患者为8,500万；万；人体体表及体内存在大量的微生物。人体体表及体内存在大量的微生物。10微生物既是人类的敌人，更是人类的朋友！微生物既是人类的敌人，更是人类的朋友！时时刻刻与微生物时时刻刻与微生物“共舞共舞”是是祸祸？是是福福？11鼠鼠疫疫艾艾滋滋病病少数微生物是人类的敌人少数微生物是人类的敌人12埃博拉病毒埃博拉病毒防止或消除有害微生物防止或消除有害微生物13微生物是人类的朋友微生物是人类的朋友14微生物是自然界物质循环的关键环节；微生物是自然界物质循环的关键环节；体内的正常菌群是人及动物健康的基本保证体

8、内的正常菌群是人及动物健康的基本保证帮助消化、提供必需的营养物质、组成生理屏障帮助消化、提供必需的营养物质、组成生理屏障微生物可以为我们提供很多有用的物质；微生物可以为我们提供很多有用的物质；有机酸、酶、各种药物、疫苗、奶酪、啤酒、酱有机酸、酶、各种药物、疫苗、奶酪、啤酒、酱油等油等基因工程为代表的现代生物技术基因工程为代表的现代生物技术充分利用有益的微生物资源充分利用有益的微生物资源15三、微生物在环境污染治理（水处理）中的应用三、微生物在环境污染治理（水处理）中的应用 1 1.在环境监测方面（水污染的监测）在环境监测方面（水污染的监测）利用在环境中生存的生物的种类、数量、利用在环境中生存的

9、生物的种类、数量、活性等特征，来判断环境状况的好坏。活性等特征，来判断环境状况的好坏。这些生物称为这些生物称为指示生物。指示生物。16生物监测的优缺点：生物监测的优缺点：生物监测的生物监测的主要优越性：主要优越性：长期性长期性汇集了生物在整个生活时期中环境改变汇集了生物在整个生活时期中环境改变情况，可以反映当地的环境变化；情况，可以反映当地的环境变化；综合性综合性能反映环境诸因子、多组分对于生物有能反映环境诸因子、多组分对于生物有机体综合作用的结果；机体综合作用的结果；直观性直观性直接将污染物与其毒性联系起来；直接将污染物与其毒性联系起来；灵敏性灵敏性有时甚至具有比精密仪器更高的灵敏性，有时甚

10、至具有比精密仪器更高的灵敏性，有助于提早发现环境污染。有助于提早发现环境污染。17生物监测的生物监测的主要缺点：主要缺点：定量化程度不够；定量化程度不够；需要一定的专业知识和经验需要一定的专业知识和经验。2.2.在环境治理方面的应用在环境治理方面的应用包括水、大气、固体废弃物处理方面包括水、大气、固体废弃物处理方面其中特别在水处理方面，有着大量成功应用的其中特别在水处理方面，有着大量成功应用的例子。例子。18第二节第二节微生物的概述微生物的概述19一、微生物的定义一、微生物的定义微微生生物物是是指指所所有有形形体体微微小小，用用肉肉眼眼无无法法看看到到，须须借借助助于于显显微微镜镜才才能能看看

11、见见的的，单单细细胞胞或或个个体体结结构构简简单的多细胞，或无细胞结构的低等生物的统称。单的多细胞，或无细胞结构的低等生物的统称。Toosmalltobeseenwithnakedeyes20列列 文文 虎虎 克克（1632-1723），荷荷兰兰人人。自自制制能能放放大大270-300倍倍的显微镜。的显微镜。二、微生物学简史二、微生物学简史1、微生物学的启蒙时期、微生物学的启蒙时期形态学期形态学期211668年他证实了红血球细胞怎样通过兔子年他证实了红血球细胞怎样通过兔子耳朵的毛细血管和青蛙脚上的网循环的；耳朵的毛细血管和青蛙脚上的网循环的；1674年他对红血球细胞做了精确的描述；年他对红血球

12、细胞做了精确的描述；1675年发现原生动物（轮虫和滴虫）；年发现原生动物（轮虫和滴虫）；1677年他描述了动物的精子，并证实精子年他描述了动物的精子，并证实精子对胚胎发育的重要性；对胚胎发育的重要性；1683年又发现细菌，并描述了细年又发现细菌，并描述了细菌的菌的3种类型种类型:bacilli（杆菌），（杆菌），cocci（球菌），和（球菌），和spirilla（螺（螺旋菌）。他对动植物的显微构造旋菌）。他对动植物的显微构造也有所观察。也有所观察。222 2、微生物学的奠基时期、微生物学的奠基时期生理学期生理学期法国的巴斯德（法国的巴斯德（Louispasteur，1822-1895）主要贡献

13、：主要贡献：证证实实微微生生物物的的活活动动，推推翻翻了了自自然然发发生说生说。证实了证实了发酵发酵作用与微生物活动有关作用与微生物活动有关 发明了发明了巴斯德消毒法巴斯德消毒法。分分离离鉴鉴定定了了引引起起家家蚕蚕蚕蚕病病杆杆菌菌并并提提出预防措施，被誊为细菌学之父。出预防措施，被誊为细菌学之父。初初步步应应用用免免疫疫学学，利利用用预预防防接接种种法法治疗疾病治疗疾病（首次制成狂犬疫苗）。2324柯赫柯赫RobertKoch(1843-1910)（1）微生物学基本操作技术方面的贡献细菌纯培养方法的建细菌纯培养方法的建立立 土豆切面土豆切面 营养营养明胶明胶 营养琼脂营养琼脂（平皿）（平皿）

14、设计了各种培养基，实现了在实验室内对各种微设计了各种培养基，实现了在实验室内对各种微生物的培养生物的培养流动蒸汽灭菌流动蒸汽灭菌染色观察和显微摄影染色观察和显微摄影25（2 2）对病原细菌的研究作出了突出的贡献）对病原细菌的研究作出了突出的贡献具体证实了炭疽杆菌是炭疽病的病原菌具体证实了炭疽杆菌是炭疽病的病原菌发现了肺结核病的病原菌；（发现了肺结核病的病原菌；（1905年获诺贝尔奖）年获诺贝尔奖）26证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则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著名的柯赫原则1、在每一相同病例中都出在每一相同病例中都出现这种微生物；现这种微生物；2、要从

15、寄主分离出这样的、要从寄主分离出这样的微生物并在培养基中培养微生物并在培养基中培养出来；出来；3、用这种微生物的纯培养接、用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主，同种健康而敏感的寄主，同样的疾病样的疾病会重复会重复发生；发生；4、从试验发病的寄主中能、从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生再度分离培养出这种微生物来。物来。273 3、微生物学的发展时期、微生物学的发展时期生化水平研究阶段（生化水平研究阶段（1897189719531953）诺贝尔奖生理与医学奖获得者：诺贝尔奖生理与医学奖获得者：1901年，埃米尔年，埃米尔阿道夫阿道夫冯冯贝林（德国）。利用血清疗法防治白喉，破伤风。贝林（

16、德国）。利用血清疗法防治白喉，破伤风。1902年年，Ronald Ross（英国）。发现疟原虫通过疟蚊传入人体的途径。（英国）。发现疟原虫通过疟蚊传入人体的途径。1905年年，R.柯赫（德国）。关于结核方面的研究和发现。柯赫（德国）。关于结核方面的研究和发现。1907年年，C.L.A.拉拉韦朗朗（法国），发现原生动物在引起疾病中的作用（法国），发现原生动物在引起疾病中的作用1908年年，Paul Ehrlich（德国）关于免疫方面的研究。（德国）关于免疫方面的研究。1928年，年，Charles Jules Henri Nicolle（法国），关于斑疹伤寒的研究（法国），关于斑疹伤寒的研究。1

17、939年，年，Gerhard Domagk（德国），（德国），发现磺胺磺胺类药物的抗菌作用。物的抗菌作用。1945年年，亚亚历历山山大大弗弗莱莱明明（英英国国），E.B.钱钱恩恩（英英国国），Howard Walter Florey（澳大利亚）发现青霉素及其在治疗各种传染病中效果。（澳大利亚）发现青霉素及其在治疗各种传染病中效果。1951年年，Max Theiler（南非），发现黄热病疫苗（南非），发现黄热病疫苗。1952年年，Selman Abraham Waksman（美美国国），发现链霉霉素素，第第一一种种有有效的效的结核病菌抗生素核病菌抗生素。k1954年年，John Franklin

18、 Enders（美美国国），Thomas Huckle Weller（美美国国），Frederick Chapman Robbins（美美国国），发发现现脊脊髓髓灰灰质质炎炎病病毒毒的的能能够够在各种组织培养基上生长培养小儿麻痹病毒成功。在各种组织培养基上生长培养小儿麻痹病毒成功。28（1）免疫学兴起：免疫学兴起：利用利用预防接种方法（疫苗）预防接种方法（疫苗）防病。防病。狂犬病疫苗、卡介苗狂犬病疫苗、卡介苗1901年诺贝尔奖年诺贝尔奖，冯，冯贝林（德国）贝林（德国）血清血清疗法防治白喉，破伤风。疗法防治白喉，破伤风。1951年年诺贝尔奖，M.蒂勒（南非）（南非）黄黄热病疫苗热病疫苗。29（2

19、）化化学学疗疗法法：用用化化学学药药物物来来治治传传染染病病。首首先先合合成成化化学学治治疗疗剂剂的的是是Paul Ehrlich(德德国国)，他他在在1910年年合合成成了了治治疗疗梅梅毒毒的的砷砷凡凡纳纳明明（606），后后又又合合成成新新砷砷凡凡纳纳明明（914），开开创创了了微微生生物物性性疾疾病病化化学学治治疗疗时时期期。1908年年，Paul Ehrlich开开展展了了关关于于免免疫疫方方面面的的研研究究.（19081908年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）1932年，年，杜杜马克克（德国）（德国）磺胺类药物磺胺类药物(百浪多息百浪多息)的抗菌作用（的抗菌作用（19391939年诺贝尔奖）年

20、诺贝尔奖）30（3）抗生素应用）抗生素应用：1928年弗莱明发现青霉素，年弗莱明发现青霉素，1940年开始应用真年开始应用真菌等生物产生的抗生素来治疗疾病。菌等生物产生的抗生素来治疗疾病。1952年年，瓦瓦克克斯斯曼曼（美美国国）链链霉霉素素，第第一一种种有有效效的的结结核核病病菌菌抗抗生生素素（19521952年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）（19451945年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）31病毒的发现病毒的发现1892年年俄俄国国伊伊凡凡诺诺夫夫斯斯基基（18641920）首先发现病毒）首先发现病毒;1935年年美美国国斯斯坦坦来来（STANLEY）分分离离到到烟烟草草花花叶叶（TMV）病病毒毒结结晶。

21、晶。324 4、成成熟熟期期分分子子生生物物学学水水平平研研究究（19531953至至今）今）1953年年佛佛朗朗西西斯斯克克里里克克（英英国国）和和J.D.沃沃森森（美美国国）发现发现DNA双螺旋结构。双螺旋结构。1962年获诺贝尔生理医学奖。年获诺贝尔生理医学奖。特点：特点：广广泛泛运运用用分分子子生生物物学学理理论论和和现现代代研研究究方方法法，深深刻刻解解释释微微生生物物的各种生命活动规律的各种生命活动规律以基因工程为主导，把传统工业发酵提高到发酵工程水平以基因工程为主导，把传统工业发酵提高到发酵工程水平大量理论性、交叉性、应用性和实验性分支科学飞速发展大量理论性、交叉性、应用性和实验

22、性分支科学飞速发展微微生生物物学学基基础础理理论论和和独独特特实实验验技技术术推推动动生生命命科科学学各各领领域域飞飞速速发展发展微生物基因组的研究促进了生物信息学时代的来临微生物基因组的研究促进了生物信息学时代的来临33三、三、微生物的分类与命名微生物的分类与命名（一）微生物的分类（一）微生物的分类在在生生物物学学上上，对对生生物物的的分分类类采采用用按按其其生生物物属属性性和和它它们们的的亲亲缘缘关关系系有有次次序序地地分分门门别别类类排排列列成成一一个个系统。系统。七个等级：界、门、纲、目、科、属、种。七个等级：界、门、纲、目、科、属、种。每每一一种种生生物物，包包括括微微生生物物，都都

23、可可在在这这个个系系统统中中找找到到相相应应的的位位置置。其其中中种种(species)是是分分类类的的基基本本单单位位。必必要要时时，还还可可以以在在这这些些等等级级之之间间再再增增设设一一些些亚等级。亚等级。34微生物的分类有其分类系统，其中最常用的微生物的分类有其分类系统，其中最常用的也是具有权威性的是也是具有权威性的是伯杰氏手册伯杰氏手册，是对原核，是对原核微生物（细菌等）进行分类；另外，放线菌、真微生物（细菌等）进行分类；另外，放线菌、真菌（包括丝状真菌和酵母菌）等也有各自的分类菌（包括丝状真菌和酵母菌）等也有各自的分类系统。系统。二界学说二界学说五界学说五界学说六界学说六界学说35

24、六界学说六界学说病毒界病毒界原核生物原核生物界原核生物界原核生物(细菌、放线菌、蓝藻细菌、放线菌、蓝藻)真核原生生物界真核原生生物界（原生动物、藻类）（原生动物、藻类）真菌界真菌界真核生物真核生物 （酵母菌、霉菌）（酵母菌、霉菌）动物界动物界（后生动物）（后生动物）植物界植物界（低、高等植物）（低、高等植物）具细胞形具细胞形态态非细胞形态非细胞形态36（二）微生物的命名二）微生物的命名瑞典植物学家林奈瑞典植物学家林奈(C(CLinnaeus)Linnaeus)在分类学上最大的在分类学上最大的贡献是创立双名法贡献是创立双名法(binomial (binomial nomenclature)nom

25、enclature)，解决生物名，解决生物名称的纠纷。称的纠纷。37双名法：双名法：学名属名种名（命名人姓氏）学名属名种名（命名人姓氏）生生物物的的学学名名都都是是用用拉拉丁丁文文书书写写，属属名名用用名名词词，第一个字母大写，种名用形容词，第一个字母小写。第一个字母大写，种名用形容词，第一个字母小写。如用电脑打印或印刷，应该用斜体表示。如用电脑打印或印刷，应该用斜体表示。例例 如如 我我 们们 所所 熟熟 悉悉 的的 大大 肠肠 杆杆 菌菌，其其 学学 名名 为为Escherichia coli（大肠埃希氏杆菌），简称（大肠埃希氏杆菌），简称E.coli。如如Bacillus sp.的的表表

26、达达方方式式，表表明明该该菌菌株株只只鉴鉴定定到属到属(芽孢杆菌芽孢杆菌)，未能确定其种名。，未能确定其种名。38四、原核微生物和真核微生物四、原核微生物和真核微生物具有原核细胞的生物称为原核微生物。具有原核细胞的生物称为原核微生物。l原核细胞：原核细胞：其细胞核发育不完善，仅有核质，没其细胞核发育不完善，仅有核质，没有定形的细胞核，无明显的核膜，没有特异的细胞有定形的细胞核，无明显的核膜，没有特异的细胞器，不进行有丝分裂。器，不进行有丝分裂。典型的原核生物有细菌、放线菌、蓝细菌等。典型的原核生物有细菌、放线菌、蓝细菌等。39l真核细胞：真核细胞：细胞核发育完善，有定形的细胞核（核仁、细胞核发

27、育完善，有定形的细胞核（核仁、染色体等），有明显的核膜，有特异的细胞器，进行染色体等），有明显的核膜，有特异的细胞器，进行有丝分裂。有丝分裂。具有真核细胞的生物称为具有真核细胞的生物称为真核生物真核生物。大多数生物，包括高等生物都是真核的，如酵母菌。大多数生物，包括高等生物都是真核的，如酵母菌。40微生物主要有以下几个特点：微生物主要有以下几个特点：1、体积小，比表面积大、体积小，比表面积大微微生生物物的的个个体体极极其其微微小小，表表示示微微生生物物大大小小的的单单位位是微米（是微米（1米米106微米）或纳米（微米）或纳米（1米米109纳米）。纳米）。单单位位体体积积内内有有极极大大的的表表

28、面面积积是是微微生生物物最最重重要要的的特特性。性。五、微生物的特点五、微生物的特点乳酸杆菌乳酸杆菌120,000豌豆豌豆6.0鸡蛋鸡蛋1.5体重体重200磅的人磅的人0.3412.胃口大：胃口大：由于微生物的比表面积大得惊人，所以它与外界环境的接由于微生物的比表面积大得惊人，所以它与外界环境的接触面特别大，这十分有利于微生物吸收外界的营养和排泄触面特别大，这十分有利于微生物吸收外界的营养和排泄废物，也有利于它迅速接受和传递外界的信息。消耗自身废物，也有利于它迅速接受和传递外界的信息。消耗自身重量重量2000倍食物的时间：倍食物的时间：大肠杆菌：大肠杆菌：1小时小时人人：500年（按年（按20

29、0kg/年计算）年计算）3.食谱广：食谱广：微生物获取营养的方式多种多样，其食谱之广是动植物微生物获取营养的方式多种多样，其食谱之广是动植物完全无法相比的！完全无法相比的！纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲醇、甲烷、纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲醇、甲烷、天然气、塑料、酚类、氰化物、各种有机物均可被微生天然气、塑料、酚类、氰化物、各种有机物均可被微生物作为粮食。物作为粮食。424.繁殖快：繁殖快：大肠杆菌一个细胞重约大肠杆菌一个细胞重约1012克，平均克，平均20分钟繁殖分钟繁殖一代。一代。24小时后：小时后：4,722,366,500万亿个后代，重量达到：万亿个后代，重量达到

30、：4722吨。吨。48小时后：小时后：2.21043个后代，重量达到个后代，重量达到2.21025吨。吨。相当于相当于4000个地球的重量！个地球的重量！一头一头500kg的食用公牛，的食用公牛，24小时生产小时生产0.5kg蛋白质，而同蛋白质，而同样重样重量的酵母菌，以质量较次的糖液（如糖蜜）和氨水量的酵母菌，以质量较次的糖液（如糖蜜）和氨水为原料，为原料，24小时小时可以生产可以生产50000kg优质蛋白质。优质蛋白质。435 5、适应强，变异频。、适应强，变异频。微生物的适应性很强。微生物容易微生物的适应性很强。微生物容易受到环境条件的影响而发生变异，受到环境条件的影响而发生变异，尽管变

31、异发生的机会只有百万分之尽管变异发生的机会只有百万分之一到百亿分之一，但由于微生物繁一到百亿分之一，但由于微生物繁殖快，也可在短时间内产生大量变殖快，也可在短时间内产生大量变异的后代异的后代。446、种类多，分布广。、种类多，分布广。微微生生物物种种类类繁繁多多，迄迄今今为为止止，我我们们所所知知道道的的微微生生物物约约有有10万万种种，有有人人估估计计目目前前已已知知的的种种只只占占地地球球上上实实际际存存在在的的微微生生物物总总数数的的20%，但但在在人人类类生生产产和和生生活活中中仅仅开开发发利利用用了了已已发发现现微微生生物种数的物种数的1%。微生物几乎无处不在，无微生物几乎无处不在，无孔不入。在高温、低温、高孔不入。在高温、低温、高酸、高盐、高碱等极端环境酸、高盐、高碱等极端环境中也有微生物存在。中也有微生物存在。45