环境工程微生物学-绪论

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（1822－1895）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）
Preventative vaccination-Immunology Fermentation caused by Microorganisms，解决了当
发展期（1897-1953）
毕希纳(E. Buchner) 1860~1917 ，德国人 开创了微生物生化的研究
没有酵母的酒精发酵
1907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-
类型 病毒与立克次氏体 支原体 细菌与放线菌 蓝细菌 藻类 真菌 原生动物 总数
低限 1,217
42 >1,000
1,227 15,051 37,175 24,068 79,780
倾向种数 高限
1,217
1,217
42
42
1,500
1,500
1,500
1,500
23,100 23,100
47,300 68,939
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。
Aerobic-Anaerobic Bioreactor
Gas Collection to Generate Energy
Air Injection
Groundwater Monitoring
Liquids Storage
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
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
重量为100341012吨。
引自 沈萍 《微生物学》
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
微生物 病毒 细菌 真菌
原生动物 藻类
大小近似值 0.01~0.25m
微生物是一把双刃剑double-edged sword
2. 一百年多来微生物学发展中的重大事件
时间 1857 1861 1864 1867 1867-1877 1881 1882 1884 1885 1887 1888 1890 1891 1892 1897 1899
重大事件 巴斯德证明乳酸发酵是由微生物引起的 巴斯德用曲颈瓶实验证明微生物非自然发生，推翻了争论已久的“自生说” 巴斯德建立巴氏消毒法 Lister创立了消毒外科，并首次成功地进行了石炭酸消毒试验 柯赫证明炭疽病由炭疽杆菌引起 柯赫等首创用明胶固体培养基分离细菌，巴斯德制备了炭疽菌苗 柯赫*发现结核杆菌 柯赫法则首次发表；Metchnikoff*阐述吞噬作用；建立高压蒸汽灭菌和革兰氏染色法 巴斯德研究狂犬疫苗成功，开创了免疫学 Richard Petri发明了双层培养皿 Beijerinck首次分离根瘤菌 Von Behring*制备抗毒素治疗白喉和破伤风 Steinberg与巴斯德同时发现了肺炎球菌 Ivanowsky提供烟草花叶病毒是由病毒引起的证据；Winogradsky发现硫循环 Buchner用无细胞存在的酵母菌抽提液对葡萄糖进行酒精发酵成功 Ross*证实疟疾病原菌由蚊子传播
土壤的形成及其肥力的提高有赖于微生物 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
三、微生物学的研究内容与成就
（一）微生物学的基本内容
①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； ②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； ③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； ④微生物同人类的关系。
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
阳光工程
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
1.3.1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 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）
24,068 30,000
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)。
ESt.acpohlyi looncothcecussurafuarceeuosfohnutmheansusrkfianceanodf hhuaimr afonllsikcilne
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
Bioreactor Program
（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些工业有机废弃物转化 为氢气、乙醇和甲烷等清洁能源。
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碳氢化合物的经济转变
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。
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
Fra Baidu bibliotek
我们生活在“微生物的海洋”中!
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，20003000种执行不同生理功能的蛋白质
极端环境的适应能力
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。
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：1870s－1920s 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 细菌的染色方法 1905年获得诺贝尔生理学奖
Robert Koch (科赫) 1843~1910，德国人
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
0.1~10m 2m~1m 2~1000m 1米~几米
细胞的特性 非细胞的 原核生物 真核生物 真核生物 真核生物
（二）生物中哪些是微生物
原核生物：三菌、三体
细胞生物
生
真核生物：真菌、单细胞藻类、
物
原生动物
非细胞生物：病毒、亚病毒
（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
6000
变形虫
1.0 m
1012
6 m2
60000
球菌
0.1 m
1015
60 m2
600000
大胶粒
0.01 m
1018
600 m2
6000000
大分子
1.0 nm
1021
6000 m2 60000000
分子
1. 吸收多转化快
大肠杆菌每小时可分解其自重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
《环境工程微生物学》
绪论 我国目前的环境形势十分严峻！
(1) 水体污染（富营养化）
➢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。
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》”
一、微生物概述
（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。
体积小，面积大，比表面积大
边长比表面积立S方u体rf数ace to总V表ol面um积e Ratio比面值 类似对象 1.0营cm养物质吸1收、代谢废6 c物m2排泄、环境6 信息交换豌豆
1.0 mm
103
60 cm2
60
细小药丸
0.1 mm
106
600 cm2
600
滑石粉粒
0.01 mm
109
6000 cm2
2. 生长旺繁殖快
E.coli：12.5~20 min/次分裂
液体培养物细菌浓度一般为108~109CFU/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。
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。
Fannie Eilshemius（将琼脂应用于固体培养基 的家庭主妇）和她先生Walther Hesse
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。
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