哈工大污染控制微生物课件

1. 绪论 1.1 微生物概述 1.1.1 微生物的概念 请思考并回答： 什么是微生物？是否微小就是微生物呢？微生物是否都难以肉眼分辨？ 微生物(microorgnisms)一词并非生物分类学上的专用名词，而是指所有形体微小、结构较为 简单，一般须借助光学显微镜甚至电子显微镜才能观察到的低等生物的统称。 包括病毒（不具细胞结构） 、原核生物（如细菌和蓝藻等） 、真菌（如酵母菌和霉菌等） 、单 细胞藻类（衣藻、硅藻等）以及原生动物（如草履虫、肉足虫和太阳虫等）和后生动物（轮 虫、线虫甚至蛔虫等）等。 1.1.2 微生物的分类地位 （1）生物的分类阶元和命名 （1-1）生物的分类阶元 界 门（亚门） 纲（亚纲） 目（亚目） 科（亚科） 属（亚属） 种（亚种、品种、变异株） 种是生物分类的最基本单位。什么是“种”呢？ 雌雄个体交配可以形成具有生殖能力的子代，这样的生物群体称为一个物种。 物种分类举例1 界 动物界原生生物界 门 脊索动物门原生动物门 纲 哺乳纲纤毛纲 目 灵长目钟形目 科 人科钟虫科 属 人属钟虫属 种 人种小口钟虫 物种分类举例2 界 原核生物界 门 细菌门 纲 放线菌纲 目 放线菌目 科 分枝杆菌科 属 分枝杆菌属 种 结核分枝杆菌 （1-2）生物的命名 生物的命名均采用国际统一的命名法则，即“双名法”。一个物种的名称由两个部分组成，即 属名和种名，属名在前，种名在后；用拉丁文字，斜体，属名用名词，首字母大写；种名用 形容词表示，字首字母小写，为微生物的色素、形状、来源、病名或科学家的姓名等。 下面举例说明。 Stapylococcus aures金黄色葡萄球菌 Saccharomyces pastori巴斯德酵母 Clostridium tetani 破伤风梭菌 Ethanoligenens hit B49 产乙醇杆菌B49 （2）生物界的分类 二界说：动物界、植物界； 三界说：动物界、植物界、微生物界； 四界说：动物界、植物界、微生物界、病毒界； 六界说：动物界、植物界、真菌界、原生生物界、原核生物界、病毒界。 （3）微生物的分类地位及其研究对象 正如我们前面了解到的，微生物也是种类庞杂，多种多样。那么，微生物在生物界的分类地 位如何呢？它属于何门何纲？污染控制微生物学所研究的对象在生物界又占什么地位？ 1.1.3 微生物的特点 （1）结构简单，个体微小 在生物界中， 微生物的结构虽然也因种类的不同而变化多样， 但总体而言是相对简单的最简 单的，其体积大小也非常微小。如细菌门的生物，属原核生物，单细胞个体，无细胞器等的 分化，其度量单位一般用微米(m)；再如病毒，甚至连基本的细胞结构也不具备，其大小 的度量采用纳米(nm)来表示。 （2）分布广泛，种类繁多 由于微生物个体微小而且轻，故可通过风和水的散播而广泛分布。高至12,000 米的高空， 深至10,000 米的海底，营养贫乏的岩石中，干旱的沙漠中，动植物的体表体内，甚至再高 达90以上的温泉和寒冷的北极冰层中， 都有相适应的微生物种类存在。 微生物的种类繁多， 已发现的微生物有十几万种，且代谢类型多样化。 启示 无论在地球的哪个角落，到处都有微生物存在，而且代谢类型多样。生命有机体无论在 地球的哪个角落死亡后，都能因微生物的作用而被分解氧化 （3）繁殖速度快，代谢强度高 微生物具有在适宜条件下的高速度繁殖的特性。尤其是细菌，其繁殖速度更是惊人。例如， 大肠杆菌和梭状芽孢杆菌在最合适的条件下，20 分钟可繁殖一代，即由1 个分裂成2个，在 三小时多一点的时间内，其代谢位能要增加一千倍。如果细菌始终处在最适宜的条件下，那 么一昼夜可繁殖72 代，这样经过45 天，就能形成与地球同样大小的物体。 微生物具有很高的代谢强度，是由于微生物体积小，与高等生物相比表面积十分巨大，从而 使它们能快速地和周围环境进行物质交换的缘故。 例如，乳酸杆菌的表面积/体积120,000；鸡蛋的表面积/体积1.5；休重200 磅(90.7公斤) 的人体表面积/体积0.3。 有人计算，乳酸杆菌1 小时内生成的乳酸约为其体重的1,00010,000 倍，但一个人如要想 得到1000 倍于其体重的糖代谢物，则需40 多年。 有人统计， 一头500 公斤重的牛每天增加的蛋白质为0.4 公斤， 而500 公斤的酵母菌再24 小 时内至少可以形成5,000 公斤的蛋白质。 （4）适应能力强，易于培养 总体而言，微生物的适应性极强（如前所述） ，大多数微生物都能在常温常压下，利用简单 的营养物质生长繁殖，培养相对容易。 （5）易变异 微生物繁殖后，其子代与亲代在形态、生理等性状上常有差异，这些差异又能稳定地遗传下 去，这一特性被称为变异。 1.2 污染控制微生物学 1.2.1 在微生物学中的地位 微生物学是研究微生物在一定条件下的形态结构、生理生化、遗传变异以及微生物的进化、 分类、生态等生命活动规律及其用用的一门科学。随着微生物学的不断发展，已经形成了基 础微生物学和应用微生物学， 又可分为许多不同的分支学科， 并还在不断地形成新的学科和 研究领域。 1.2.2 污染控制微生物学的内涵 污染控制微生物学是环境污染治理与微生物学相结合而产生发展起来的一门边缘性学科， 属 于环境微生物学的研究范畴， 重点是研究污染控制工程中涉及到的微生物学问题， 是在普通 微生物学的基础上， 着重研究栖息在自然环境、 受污染环境和人工处理系统中的微生物生态、 环境的自净作用、环境污染及其生物处理工程中的微生物学原理。 1.2.3 主要研究内容和任务 自然环境以及污染环境中的微生物生态学； 污染控制中的微生物学原理以及微生物资源的开发与利用； 特种废水的处理技术以及高效、经济、节能废水处理技术的开发与应用； 生物工程和一些微生物新技术在污染控制中的应用； 环境中有害微生物的去除以及病原微生物的快速检测技术； 废水及固体废弃物生物处理过程中的减量化和资源化技术。 作业： 微生物的概念； 微生物的特点； 概述微生物在环境污染控制中的作用。 2. 原核微生物 微生物除病毒外都具有细胞结构， 而具有细胞结构的微生物， 又可分为真核微生物和原核微 生物。细菌、放线菌、立克次氏体、支原体、衣原体、蓝细菌属原核生物（procaryote） ， 真菌、单细胞藻类和原生动物以及后生动物属真核生物（eucaryote） 。这两类微生物在细胞 结构上，特别在细胞核上有显著区别。 原核微生物与真核微生物的主要区别 2.1 细菌 2.1.1 形态和大小 （一）细菌的形态 细菌个体均为单细胞生物，其基本形态有三种：球状、杆状和螺旋状，分别称为球菌、杆菌 和螺旋菌(包括弧菌)。此外，一些细菌具有较为特殊的形态，如分叉、具柄、具附器等。 细菌的基本形态图片 细菌的基本形态 （二）细菌的大小 细菌一般都很小，以微米（m）作为度量单位（长度、宽度或直径） 。但是，不同种类的 细菌或同一种类的细菌在不同环境条件下，大小的差异很大。 2.1.2 细菌的细胞结构 细菌属典型的原核生物， 其结构可分为两部分： 一是为全部细菌细胞所共有的不变部分或基 本结构，包括细胞壁、细胞膜、原核和核糖体以及内含物等；二是只有部分细菌所有且具有 特定功能的可变部分或特殊结构，包括鞭毛、纤毛、荚膜、芽孢和气泡等。 （参见P14） 。 （1-1） 细胞壁（教材P14-16） 细胞壁(cell wall)是包在原生质体外面，厚约1080 nm 的略有弹性和韧性的网状结构， 其质量约占总细胞干重的10%25%左右。 （1）细菌染色 细菌染色的主要目的（教材P15） 细菌本身为无色透明的，在普通光学显微镜下，菌体与背景反差很小，不易看清楚细菌 的形态和结构，所以，通常要对细菌进行染色，以增加菌体与背景的反差，以便于在显微镜 下观察。 通过染色特征对不同特性的细菌进行鉴别。 常用染色方法（教材P15） 单染色法和复染色法 革兰氏染色（教材P15） 革兰氏染色是最重要的细菌染色方法之一， 甚至成为鉴别不同细菌的一个重要特征。 它是丹 麦细菌学家革兰氏(Christian Gram)于1884 年发明的。 革兰氏染色的主要步骤及细菌鉴别（教材P15-16） 先用碱性染料结晶紫染色，再加碘液媒染，然后用酒精脱色，最后以沙黄或蕃红复染。 由于不同种类细菌的细胞壁组成和结构不同，而被染成紫色或红色。凡是呈现紫色的细菌， 称为革兰氏阳性(G+)细菌；而被染成红色的细菌，称为革兰氏阴性(G-)细菌。 （2）细胞壁的化学组成及结构 细胞壁的化学组成（教材P14） 细胞壁的主要成分是肽聚糖、 脂类和蛋白质。 在不同细菌细胞壁中还含有磷壁酸 （又称垣酸） 和脂多糖等成分。 细胞壁的结构 肽聚糖是由N-乙酰葡萄糖胺(NAG)和N-乙酰胞壁酸(简写NAM)以及少量短肽链聚合而成的一 个大分子复合体，形成多层网状结构。 G+细菌 G-细菌 G+细菌和G-细菌细胞壁结构的比较 （3）细胞壁的生理功能（教材P16） 1) 细胞壁具有保护细胞免受机械性或渗透压的破坏，维持细胞外形的功能； 2) 细胞壁的化学组成，使之具有一定的抗原性、致病性以及对噬菌体的敏感性； 3) 细胞壁为鞭毛提供支点，支撑鞭毛的运动； 4) 细胞壁具有多孔性，具有一定的屏障作用，允许水及一些化学物质通过，但对大分子物 质有阻拦作用。 （1-2） 细胞膜（教材P16） 细胞膜又称原生质膜， 是外侧紧贴于细胞壁而内侧包围细胞质的一层柔软而富有弹性的半透 性薄膜，厚度约710 nm。约占细胞干重的10%，其化学组成是脂类(20%30%)和蛋白质 (60%70%)，还有少量糖蛋白、糖脂(约2%)和微量核酸。 （1）细胞膜的结构（教材P16） 膜的单位结构是由磷脂双分子层与蛋白质组成， 蛋白质分布与磷脂双分子层的表面， 或镶嵌 其间，具有流动的特性。细胞膜中的蛋白质种类很多，起酶和载体的作用。 （2）细胞膜的功能（P17） 1) 起渗透屏障作用并进行物质运输； 2) 参与细胞壁的生物合成； 3) 参与能量的产生； 4) 参与细胞繁殖中的DNA 分离过程； 5) 与细胞的运动有关，细菌鞭毛和纤毛着生在细胞膜上 （1-3）细胞质及其内含物（P16） （1）细胞质（P17） 细胞质又称细胞浆，是细胞膜内除细胞核质外的一切半透明、胶状、颗粒状物的总称，含水 量约80，其它主要成分有蛋白质、核酸、脂类、少量的糖类和无机盐类。 （2）内含物 细胞质内形状较大的颗粒状构造称为内含物（inclusion body） ，包括核糖体、羧酶体、载 色体、类囊体、颗粒状内含物和气泡等。 A. 核糖体(ribosome) （P17） 核糖体是细胞中的一种核糖核蛋白的颗粒状结构，由65%的核糖核酸(RNA)和35%的蛋白质组 成，分散存在于细菌细胞质中。核糖体是合成蛋白质的部位。 B. 间体(mesosome) （P17） 亦称中体，是一种由细胞膜内褶而形成的囊状结构，其中充满着层状或管状的泡囊。多见于 革兰氏阳性菌。与酶的分泌、DNA 的复制与分配以及细胞分裂有关。 C. 内含颗粒(inclusion granule) （P17-18）在许多细菌体内，常含有各种较大的颗粒物， 大多系细胞储藏物，如异染粒、聚羟基丁酸、肝糖、硫粒等。这些内含物常因菌种而异， 即使同一种菌， 颗粒的多少也随菌龄和培养条件不同而由很大变化。 往往在某些营养物质过 剩时，细菌就将其聚合成各种贮藏颗粒，当营养缺乏时，它们又被分解利用。以下是几种重 要的内含颗粒： C-a.异染颗粒(metachromatic granule) 又称捩转菌素(volutin)，主要成分是多聚偏磷酸盐，