第一章 环境微生物学基础

第一章环境微生物学基础

要点：回顾微生物学的主要研究对象和基本方法；对微生物在自然界物质循环中所起的作用、微生物的代谢特征和生态习性有进一步的了解。

环境生物工程的本质就是将生物技术应用于解决环境保护领域中面临的问题，改善优化人类生存环境，促进人类社会与自然环境的和谐可持续发展。与以往的利用物理化学手段解决人类生境恶化的方式不同，生物学方法更重视环境的自然规律，手段更为温和，对环境的再破坏更小，也更为经济可行，所以环境生物工程也受到越来越多的国家政府和企业的重视，人们也越来越自发的树立起良好的环境保护意识。

在环境生物工程中所涉及到的生物学内容主要是微生物学范畴(也含有部分动植物学内容)，所应用到的生物技术主要包括基因工程、微生物工程、酶工程、细胞工程等。与环境生物工程密切相关的生物主要是微生物，包括原核的细菌、放线菌、蓝细菌；真核的原生生物(单细胞类，如鞭毛虫，肉足纲的变形虫、太阳虫、表壳虫，纤毛虫纲的草履虫、钟虫，孢子虫纲的疟原虫；显微藻)、微型后生动物(多细胞类，如轮虫、水蚤、线虫)、真菌、部分高等植物(水生陆生)；以及病毒。这些生物涉及到水(给排水、循环冷却水、天然水体) 处理、空气污染生物治理、污染场地的生物修复、生物可降解材料的生产、生物能源的制取、重金属的吸附和有毒有害化合物的生物降解等。

一、微生物的定义、化学组成和分类

1.微生物定义：一切肉眼看不清或看不见的微小生物的总称。

2.微生物细胞的化学组成：C、H、O、N、P、S、Fe、Mg、Ca、Zn…….

3.分类.国际通用生物分类法则，林奈创立的“双名法”：属名+种名加词

如：金黄色葡萄球菌Stapylococcus aures

巴斯德酵母Saccharomyces pastori

二、微生物在自然界物质循环中的作用

1. 碳素循环

碳素循环主要包括空气中的CO2通过光合作用生成有机化合物，以及有机物被分解释放出CO2到大气中，这是自然界最基本的物质循环。

光能和化能自养菌把大气中的CO2固定成有机碳----活细胞组分。其中一部分有机碳通过食物链在生态系统中转移。食物链各营养级机体的呼吸作用释放出CO2，机体的排泄物和尸体被还原者分解而释放出CO2。

在缺氧条件下，有机物分解一般不完全，积累的有机质经地质变迁形成煤、石油等矿物燃料。这部分有机碳从生态系统中损失，当火山爆发或矿物燃料被开采后，其中的碳大部分再转变成CO2。矿物燃料作为化工原料时，生产出各种各样非生物性含碳化合物，这使得碳循环变得更为复杂(人工合成的有机化合物不少是抗生物降解的)。产CH4 菌利用有机物厌氧分解中产生的H2和CO2作为底物进行代谢活动，从而使有机物继续分解；生成的CH4逸入好氧环境被甲烷氧化菌氧化为CO2。在有氧条件下，几乎所有的碳都转变为CO2。

1.1 碳的有机化(固定)

1.2 有机碳矿化(CO2再生)

2. 氮素循环产

程中形成的N2O也是重要的温室气体。

2.1 固氮作用

2.2 氨化作用

2.3 硝化作用

●进行硝化作用的微生物有：

2.4 反硝化作用

●进行反硝化作用的微生物有：

3. 硫素循环

4.磷素循环

三、微生物的生物地球化学循环活动对环境造成的污染和危害●亚硝酸、亚硝胺和硝酸

●氮氧化物和羟胺

●硫化氢

●酸性矿泉水

三、微生物培养技术

1.微生物菌种采样、灭菌

1.1 采样

微生物菌种主要来源于自然界或菌种保藏机构。

自然界中的微生物是混杂生长的，直接而快速获得所需菌种可以向菌种保藏机构索取有关菌种。如中国微生物菌种保藏管理委员会(CCCCM)、美国标准菌种保藏中心(ATCC)、英国国家典型菌种保藏所(MCTC)荷兰真菌中心收藏所(CBS)、德国科赫研究所(RKI)、日本大阪发酵研究所(IFO)、法国里昂巴斯德研究所(IPL)等。

采样就是根据微生物的生态特点从自然界取样分离所需菌种的过程。如从堆

积有枯枝落叶或朽木的地方分离产纤维素酶的菌种，从果皮上、果树下的土壤中分离酒精酵母，从豆科植物根部土壤中分离根瘤菌，从油田附近土壤中分离出石油酵母，从污泥中分离得到产甲烷菌，从海洋中分离出耐盐菌和低温菌等。

土壤是微生物生长的大本营，尤以细菌和放线菌居多(水体和大气中的微生物多数是从土壤中散发出去的)。如果事先不了解某生产菌的具体来源，一般可先从土壤中分离；1ｇ表土中含微生物约为百万至数十亿个，且种类也因土质不同而有所差异。从土壤中采样时应该注意以下几个方面：

●土壤有机质和通风状况；田园土、耕作土层有机质丰富，土壤呈团状颗粒，通气保水性能好，微生物生长旺盛数量多，适于细菌和放线菌生长。山坡林地植被厚，有机质丰富，阴湿，适于霉菌、酵母菌生长。沙土、无植被山地、新开垦生土微生物种类数量都偏少。

●土壤酸碱度和植被状况；中性或偏碱(pH7.0—7.5)性土壤适于细菌和放线菌生长；偏酸性(Ph7.0以下)土壤适于霉菌和酵母菌生长。果园菜地土壤中酵母菌较多。

●地理条件；南方土壤中微生物种类数量较北方多(温度湿度都适于)。

●季节与气候；春秋季节温度湿度适于微生物生长；土壤水分过多不利于好氧微生物生长(酵母菌，霉菌，放线菌)生长。

●采样方法：土壤采样在选好地点后，用无菌小铲剔出表土，取距地表5—15㎝处的土壤几十克，装入消毒牛皮纸袋或塑料袋中，作好标记(时间、地点、环境状况等)。

根据微生物生理特点采样：如森林土及肉类加工厂、饮食店排水沟的污泥中会有许多蛋白酶产生菌；粮食(面粉)加工厂、酒厂、淀粉加工厂等场所，容易分离出产淀粉酶、糖化酶的菌株；筛选高温酶产生菌时，通常应到温度较高的地方(南方、温泉、火山口附近及北方的堆肥中)采样；大多数微生物在中温、中性pH条件下生长，能在高温、低温、酸性、碱性、高盐、高辐射强的环境下生存的微生物被称为极端微生物。

1.2 灭菌

灭菌是指用理化方法杀死物体表面和孔隙内的一切微生物或生物体。

常用的灭菌方法可分为物理和化学两类，即物理法---干热(烘烧或灼烧)、湿热(常压和高压蒸煮)、射线处理(紫外线、超声波、微波)、过滤、清洗和大量