第二讲第二讲 生物学基础生物学基础 环境生物技术环境生物技术Environmental biotechnologyEnvironmental biotechnology主要内容主要内容一、一、 微生物学基础微生物学基础二、二、 植物学基础植物学基础 三、分子生物学基础三、分子生物学基础一、原核微生物一、原核微生物1. 细菌细菌 形态形态 结构结构第一节第一节 微生物的主要类群微生物的主要类群 杆菌杆菌（Bacillus）长长15 m，宽，宽0.51 m大肠杆菌、伤寒杆菌、假单胞菌大肠杆菌、伤寒杆菌、假单胞菌平均长平均长2 m,宽宽度：度：0.5 m 螺旋菌螺旋菌（Spirillum)长：长：515 m，宽：，宽：0.55 m 球菌球菌（Coccus） 0.52m单球菌单球菌链球菌链球菌(Streptococcus)八叠球菌八叠球菌(Sarcina)双球菌双球菌四联球菌四联球菌葡萄球菌葡萄球菌(Staphylococcus)eg. 产甲烷八叠球菌产甲烷八叠球菌弧菌弧菌(Vibrio)（只有一个弯曲的螺旋状细菌）（只有一个弯曲的螺旋状细菌）形形态态1）形态）形态eg. 肺炎球菌肺炎球菌 自然界中，杆菌最常见，自然界中，杆菌最常见，球菌次之，螺旋状最少。球菌次之，螺旋状最少。细胞壁、细胞膜、细胞壁、细胞膜、细胞质、核质体、细胞质、核质体、内含物、（间体）内含物、（间体）细菌细菌细胞结细胞结构构一般结构一般结构（基本结构）（基本结构） 原生质体原生质体 (protoplast)特殊结构特殊结构荚膜（粘液层）荚膜（粘液层）芽孢、鞭毛、菌毛芽孢、鞭毛、菌毛2）结构）结构不是所有细菌都具有的结构不是所有细菌都具有的结构p 特殊构造一：特殊构造一： 荚膜（荚膜（capsule）（1）定义）定义 一般厚于一般厚于200nm，硬度和强度远小于细胞壁；有些细，硬度和强度远小于细胞壁；有些细菌（硫磺细菌、铁细菌等）粘液层会逐渐变硬形成菌（硫磺细菌、铁细菌等）粘液层会逐渐变硬形成“鞘鞘”。糖被（糖被（糖被（糖被（glycocalyxglycocalyx）是某些细菌在一定营养条件下向胞是某些细菌在一定营养条件下向胞是某些细菌在一定营养条件下向胞是某些细菌在一定营养条件下向胞外分泌出厚度不定的胶粘状物质包被于细胞壁的外表外分泌出厚度不定的胶粘状物质包被于细胞壁的外表外分泌出厚度不定的胶粘状物质包被于细胞壁的外表外分泌出厚度不定的胶粘状物质包被于细胞壁的外表糖糖被被示示意意图图 钾细菌的染色照片钾细菌的染色照片（2）功能）功能 保护作用保护作用: 大量极性基团可保护菌体免受干旱损伤、噬大量极性基团可保护菌体免受干旱损伤、噬菌体的吸附和裂解菌体的吸附和裂解 贮藏养料贮藏养料: 以备营养缺乏时重新利用以备营养缺乏时重新利用 免受毒害免受毒害：作为透性屏障和离子交换系统，保护细菌免：作为透性屏障和离子交换系统，保护细菌免受重金属离子的毒害受重金属离子的毒害 表面附着作用表面附着作用: 某些水生丝状细菌的鞘衣状荚膜也有附某些水生丝状细菌的鞘衣状荚膜也有附着作用着作用 细菌间的信息识别作用细菌间的信息识别作用: 如如Rhizobium（根瘤菌属）（根瘤菌属） 堆积代谢废物堆积代谢废物 菌种鉴定菌种鉴定 用作药物和生化试剂用作药物和生化试剂：Leuconostoc mesenteroides（肠肠膜状明串珠菌膜状明串珠菌）的糖被可提取葡萄糖制备生化试剂和代）的糖被可提取葡萄糖制备生化试剂和代血浆血浆 用作工业原料用作工业原料：如：如Xanthomonas campestris（野油菜（野油菜黄单胞菌）的糖被（黏液层）可提取黄原胶，已被用黄单胞菌）的糖被（黏液层）可提取黄原胶，已被用于钻井液添加剂、印染和食品等工业中于钻井液添加剂、印染和食品等工业中 用于污水的生物处理：用于污水的生物处理：例如形成菌胶团的细菌，有助例如形成菌胶团的细菌，有助于污水中有害物质的吸附和沉降于污水中有害物质的吸附和沉降（3）应用）应用 菌胶团菌胶团：荚膜物质相融合成一块团，内含许多细：荚膜物质相融合成一块团，内含许多细 菌时称菌胶团。菌时称菌胶团。e.g. Zoogloea菌属（动胶菌属）菌属（动胶菌属） 枝状动胶菌枝状动胶菌(Zoogloea ramigera) 垂垂(悬悬)丝状动胶菌丝状动胶菌(Zoogloea filipendula)q 菌胶团是菌胶团是AS中细菌的主要存在形式中细菌的主要存在形式q 有较强的吸附和氧化有机物的能力有较强的吸附和氧化有机物的能力q AS性能的好坏与含菌胶团多少、性能的好坏与含菌胶团多少、 大小及结构大小及结构 的紧密程度有关的紧密程度有关q 要求结构紧密、吸附沉降性能好要求结构紧密、吸附沉降性能好q 遇到不适宜的环境时，菌胶团就发生松散遇到不适宜的环境时，菌胶团就发生松散活性活性污污泥泥( (activated sludgeactivated sludge，ASAS) ):一种一种绒绒絮状小泥粒，由好氧菌絮状小泥粒，由好氧菌为为主体的微型主体的微型生物群以及胶体、生物群以及胶体、悬悬浮物等浮物等组组成。成。 特殊构造二：芽孢（特殊构造二：芽孢（endospore, spore）（1）定义）定义 某些细菌在其生长发育后期可在细胞内形成某些细菌在其生长发育后期可在细胞内形成 一个圆形或椭圆形的抗逆性休眠体，称为芽孢。一个圆形或椭圆形的抗逆性休眠体，称为芽孢。 生物界中抗逆性最强的生命体生物界中抗逆性最强的生命体（ 在一定环境条件下，细胞质和核质体的浓缩在一定环境条件下，细胞质和核质体的浓缩所形成的一种特殊结构）所形成的一种特殊结构）各各各各种种种种芽芽芽芽胞胞胞胞示示示示意意意意图图图图厚度厚度25nm左右；左右；位于芽孢外层，是母细胞的残留物；位于芽孢外层，是母细胞的残留物；重量为芽孢干重的重量为芽孢干重的210；主要成分是脂蛋白。主要成分是脂蛋白。 厚度为厚度为3nm左右；左右； 主要含疏水性角蛋白和少量磷脂蛋白；主要含疏水性角蛋白和少量磷脂蛋白； 对溶菌酶、蛋白酶和表面活性剂有很强的抗性；对溶菌酶、蛋白酶和表面活性剂有很强的抗性； 对多价阳离子的透性很差。对多价阳离子的透性很差。 在芽孢中占有很大体积（在芽孢中占有很大体积（3660）；）； 含有大量的芽孢肽聚糖和吡啶二羧酸钙盐（不含磷壁酸）；含有大量的芽孢肽聚糖和吡啶二羧酸钙盐（不含磷壁酸）； 含水率含水率70，比芽孢平均含水率（，比芽孢平均含水率（40）高；）高； 但比一般细菌（但比一般细菌（80）低，渗透压高达）低，渗透压高达20atm左右。左右。 含水量极低；含水量极低； 不含磷壁酸和吡啶二羧酸钙（不含磷壁酸和吡啶二羧酸钙（DPA-Ca）；）； 核心中的其他成分与一般细胞相似。核心中的其他成分与一般细胞相似。（2）特点与功能）特点与功能 每一细胞仅形成一个芽孢，无繁殖功能每一细胞仅形成一个芽孢，无繁殖功能 有极强的抗热、抗化学药物和抗静水压等能力有极强的抗热、抗化学药物和抗静水压等能力 有惊人的休眠力有惊人的休眠力 休眠时检查不出代谢活力，可保存几年或几十年；休眠时检查不出代谢活力，可保存几年或几十年； 美国从一块美国从一块2500万万4000万年琥珀中的蜜蜂肠道内万年琥珀中的蜜蜂肠道内分离到有生命的芽胞。分离到有生命的芽胞。普通细胞：普通细胞：5石炭酸（苯酚）溶液中很快死亡石炭酸（苯酚）溶液中很快死亡芽孢：芽孢：5石炭酸（苯酚）溶液中忍耐石炭酸（苯酚）溶液中忍耐15d普通细胞：普通细胞：70 80 10min死亡死亡芽孢：芽孢：100 沸水中生存沸水中生存5.09.5h 121 时时10min是否能消灭芽孢是衡量各种消毒灭是否能消灭芽孢是衡量各种消毒灭菌手段的最重要的指标菌手段的最重要的指标 含水量低（含水量低（40%） 含有耐热的小分子酶类含有耐热的小分子酶类 富含大量吡啶二羧酸钙（富含大量吡啶二羧酸钙（DPA-Ca）和带有二硫）和带有二硫键的蛋白质键的蛋白质 有厚而致密的芽孢壁有厚而致密的芽孢壁（3）为什么抗逆性强？）为什么抗逆性强？以钙盐的形式存在，钙含量高。在营养细胞和不产以钙盐的形式存在，钙含量高。在营养细胞和不产芽孢的细菌体内未发现芽孢的细菌体内未发现DPA。芽孢形成过程中，。芽孢形成过程中，DPA随即合成，芽孢具有耐热性随即合成，芽孢具有耐热性; 芽孢萌发形成营养细胞芽孢萌发形成营养细胞时，时，DPA消失，耐热性就丧失。消失，耐热性就丧失。u 吡啶二羧酸吡啶二羧酸（DPA）（4）能形成芽孢的细菌）能形成芽孢的细菌 这类细菌种类不多这类细菌种类不多 主要是主要是G杆菌，芽孢杆菌科的两个属杆菌，芽孢杆菌科的两个属芽孢杆菌属（芽孢杆菌属（Bacillus）梭菌属（梭菌属（Clostridium） 球菌中只有极个别的属才形成芽孢（如：芽孢八叠球球菌中只有极个别的属才形成芽孢（如：芽孢八叠球菌属菌属sporesarcina）能否形成芽孢、芽孢的大小和位能否形成芽孢、芽孢的大小和位置是鉴别菌种的形态特征之一置是鉴别菌种的形态特征之一特殊构造三：特殊构造三： 鞭毛（鞭毛（flegellum）（1）定义）定义 着生在细胞表层的长丝状、波曲的附属物，称着生在细胞表层的长丝状、波曲的附属物，称 为鞭毛。为鞭毛。（2）功能）功能 具有运动功能；具有运动功能； 一般每秒可移动一般每秒可移动2080m，为自身长的十到数，为自身长的十到数十倍，非常快。十倍，非常快。（3）结构与组成）结构与组成 直径直径0.010.02m，其数量为十至数十根，其数量为十至数十根 G ，G细菌其结构不同细菌其结构不同 组成主要是蛋白质，有的还含有极少量的多糖组成主要是蛋白质，有的还含有极少量的多糖 和类脂和类脂鞭毛的有无和着生方式是鞭毛的有无和着生方式是细菌分类的依据之一细菌分类的依据之一特殊构造四：特殊构造四： 菌毛（菌毛（ pilus & fimbria ）(1) 定义定义 长在细胞表层的一种纤细（长在细胞表层的一种纤细（79nm）、中空）、中空（直径（直径22.5nm）、短直、数量较多（）、短直、数量较多（250300根）的附属物，主要成分是蛋白质。根）的附属物，主要成分是蛋白质。(2) 功能功能 使细菌细胞较牢固地粘接在物体表面上，使细菌细胞较牢固地粘接在物体表面上， G 常有菌毛。常有菌毛。性菌毛（性菌毛（sex pilus, F-pilus或或sex fimbria）性状介于鞭毛与菌毛之间，每一细胞有性状介于鞭毛与菌毛之间，每一细胞有14根。根。功能功能：经接合方式转移遗传物质。：经接合方式转移遗传物质。 形态结构、形态结构、DNA结构及其基本生命活动方式结构及其基本生命活动方式与原核细胞相似与原核细胞相似 RNA序列与细菌差别特大序列与细菌差别特大一、原核微生物一、原核微生物2. 古生菌古生菌 细菌域细菌域 （原核生物）（原核生物） 真核生物真核生物 古生菌（古细菌）古生菌（古细菌）卡尔卡尔乌斯（乌斯（Carl Woese），），1928.72012.12，美国的微生，美国的微生物学家和物理学家，古生菌物学家和物理学家，古生菌（Archaea）发现者）发现者20世纪世纪70年代年代 传统上，形态和生物化学特性传统上，形态和生物化学特性 RNA （mRNA、核糖体蛋白）、核糖体蛋白）1) 形态形态 跟真细菌类似跟真细菌类似,有有G+、G- 有球状、螺旋状、叶状、把碟球状、杆状等有球状、螺旋状、叶状、把碟球状、杆状等 单细胞、多细胞单细胞、多细胞 1um2) 主要类群主要类群 产甲烷古生菌（产甲烷古生菌（methanogenic archaeobacetria） 古生硫酸还原菌古生硫酸还原菌（archaeobacterial sulfate reducer） 极端嗜盐菌（极端嗜盐菌（extremely halophilic archaeobacteria） 极端嗜热硫代谢菌极端嗜热硫代谢菌(extremely themophilic so- metabolizer) 无细胞壁古生菌无细胞壁古生菌(cell walk-less archaeobacteria)v 嗜热微生物（嗜热微生物（thermophilic microorganism） 超嗜热微生物超嗜热微生物（hyperthermophilic microorganism ） 嗜热：最适温度超过嗜热：最适温度超过45 ，超嗜热（，超嗜热（80 ） 细胞膜富含饱和脂肪酸，保持高温下膜稳定性细胞膜富含饱和脂肪酸，保持高温下膜稳定性 核酸核酸GC含量高，有助于含量高，有助于DNA的稳定性的稳定性 一般化能自养或异养一般化能自养或异养 以有机物、氢、硫或以有机物、氢、硫或FeS为能量来源，分布在火山为能量来源，分布在火山口、温泉、盐湖、有机物堆等口、温泉、盐湖、有机物堆等v 嗜冷微生物（嗜冷微生物（psychrophilic microorganism） 最适温度为最适温度为15或更低，最高不超过或更低，最高不超过20 细胞壁厚，细胞膜不饱和脂肪酸含量高细胞壁厚，细胞膜不饱和脂肪酸含量高 酶活性在低温下高酶活性在低温下高 分布在高山、海洋、冰箱分布在高山、海洋、冰箱v 嗜酸微生物（嗜酸微生物（acidophilic microorganism） 分布酸性矿水、酸性热泉和酸性土壤中分布酸性矿水、酸性热泉和酸性土壤中 专性嗜酸菌能在专性嗜酸菌能在pH10，15%） 生产胞外多糖、聚羟基丁酸、食用蛋白、调味剂、生产胞外多糖、聚羟基丁酸、食用蛋白、调味剂、 海水淡化、盐碱地开发及能源利用等海水淡化、盐碱地开发及能源利用等二、真菌二、真菌 真菌是一类低等的真核微生物（酵母菌和霉菌）真菌是一类低等的真核微生物（酵母菌和霉菌） 真菌的特点真菌的特点1)不能进行光合作用不能进行光合作用2)以产生孢子进行繁殖以产生孢子进行繁殖3)一般有发达的菌丝一般有发达的菌丝4)异养型异养型5)陆生性较强陆生性较强1.酵母菌（酵母菌（yeast） 单细胞菌单细胞菌 特点特点一般以单细胞状态存在一般以单细胞状态存在多数为芽殖（出芽繁殖）多数为芽殖（出芽繁殖）能发酵糖类产能能发酵糖类产能喜在含糖量高、酸度大的水生环境中生长喜在含糖量高、酸度大的水生环境中生长 分布与利用分布与利用 果园土壤、水果、蔬菜表面果园土壤、水果、蔬菜表面 炼油厂、油田土层（利用烃类的酵母菌）炼油厂、油田土层（利用烃类的酵母菌） 发酵工业：食用单细胞蛋白质来源发酵工业：食用单细胞蛋白质来源环境中的应用：环境中的应用： 处理高浓度废水处理高浓度废水 含油废水含油废水 印染废水的脱色（能还原碱性染料）印染废水的脱色（能还原碱性染料）回收蛋白质回收蛋白质 菌落特征菌落特征 与细菌的菌落相似：较大，有一定透明度、与细菌的菌落相似：较大，有一定透明度、 湿润、较光滑湿润、较光滑 颜色比较单调：乳白色、少数为红色、个颜色比较单调：乳白色、少数为红色、个 别为黑色别为黑色 一般还会散发出一般还会散发出“酒香味酒香味”2. 霉菌（霉菌（mould，mold） 特点特点形成丝状、绒状或支柱网状菌丝体形成丝状、绒状或支柱网状菌丝体(mycelium)有较强的陆生性有较强的陆生性常引起食物、农产品的霉变，植物病害常引起食物、农产品的霉变，植物病害丝状真菌（丝状真菌（filamentous fungi）的俗称，意为）的俗称，意为“发霉的真菌发霉的真菌”Fungal Mycelium with Spores, Penicillium sp. (SEM x3,220)Fungal Mycelium with Hyphae, Sporangia and Spores, Penicillium sp. (SEM x1,560)Mold Fruiting Structure with Spores (SEM x2,420)黑曲霉黑曲霉 分布与利用分布与利用 分布广泛、到处可见分布广泛、到处可见污水处理中数目比细菌少污水处理中数目比细菌少大量繁殖会引起污泥膨胀大量繁殖会引起污泥膨胀 分解纤维素、半纤维素、木质素等复杂有机物分解纤维素、半纤维素、木质素等复杂有机物 工业上：有机酸、维生素（核黄素）、酶的生工业上：有机酸、维生素（核黄素）、酶的生 产、酱油产、酱油 环境上：固体废弃物的资源化（堆肥）环境上：固体废弃物的资源化（堆肥）降解有毒有害污染物降解有毒有害污染物腈、多环芳烃腈、多环芳烃高浓度有机废水高浓度有机废水 菌落特征菌落特征 与放线菌接近与放线菌接近 形态较大、质地疏松、外观干燥、不透明形态较大、质地疏松、外观干燥、不透明 正反面颜色不同正反面颜色不同 有霉味有霉味霉霉菌菌的的菌菌落落三、放线菌（三、放线菌（Actinomycetes）1. 定义：是一类呈菌丝状生长、以孢子繁殖和陆定义：是一类呈菌丝状生长、以孢子繁殖和陆生性强的原核生物生性强的原核生物 单细胞，至今发现的放线菌都是单细胞，至今发现的放线菌都是G+ 放线菌是一种习惯上的称呼，放线菌是一种习惯上的称呼，在分类学上没有在分类学上没有特定的意义特定的意义 由于与细菌十分接近，也可认为是呈丝状生长的由于与细菌十分接近，也可认为是呈丝状生长的G+细菌细菌放线菌与细菌相近之处：放线菌与细菌相近之处：1)1)有原核有原核2)2)菌丝直径与细菌相仿菌丝直径与细菌相仿3)3)细胞壁主要成分为肽多糖细胞壁主要成分为肽多糖5)5)最适生长最适生长pHpH与细菌相近，一般呈微碱性与细菌相近，一般呈微碱性6)6)对溶菌酶敏感对溶菌酶敏感7)7)细菌所敏感的抗生素，放线菌也敏感细菌所敏感的抗生素，放线菌也敏感2. 分布与生长环境分布与生长环境 多分布在含水量低、有机物丰富呈碱性的土壤中多分布在含水量低、有机物丰富呈碱性的土壤中 土壤的土壤的“泥腥味泥腥味”由放线菌产生的由放线菌产生的 一般土中的放线菌孢子数一般土中的放线菌孢子数107/g土壤土壤 好氧性、最适好氧性、最适pH 78、温度、温度25303. 作用与意义作用与意义 抗菌素的产生（抗菌素的产生（2/3的抗菌素是由放线菌生产的）的抗菌素是由放线菌生产的） 酶（蛋白酶、果胶酶、淀粉酶）酶（蛋白酶、果胶酶、淀粉酶）有很强的分解纤维素、石蜡、琼脂、角蛋白、有很强的分解纤维素、石蜡、琼脂、角蛋白、橡胶的能力。在自然界的物质循环上起着重要橡胶的能力。在自然界的物质循环上起着重要的作用的作用 有些菌能氧化分解氰化物，在水处理上有重要有些菌能氧化分解氰化物，在水处理上有重要意义意义最常见属最常见属链霉菌属链霉菌属Streptomyces4. 形态结构形态结构5. 菌落特征菌落特征 因为有基内菌丝、气生菌丝又能产生孢子，所因为有基内菌丝、气生菌丝又能产生孢子，所以与细菌的菌落由明显的不同以与细菌的菌落由明显的不同 表面丝绒状、有一层色彩新鲜的干粉（呈粉状）表面丝绒状、有一层色彩新鲜的干粉（呈粉状） 有各种各样的颜色，正面与背面不同，正面是有各种各样的颜色，正面与背面不同，正面是孢子的颜色，背面是菌丝分泌的颜色。难以挑起孢子的颜色，背面是菌丝分泌的颜色。难以挑起四四. 光合细菌光合细菌(PSB)1.定义定义 光能营养型原核微生物光能营养型原核微生物(G+)2. 特点特点不能利用不能利用H2O作为还原作为还原CO2的氢供体，只能利用还原态的的氢供体，只能利用还原态的硫（硫（H2S）、）、H2或有机物为氢供体，故光合作用中不产生或有机物为氢供体，故光合作用中不产生O2，是一种不产氧的光合作用，是一种不产氧的光合作用在细胞内含有菌绿素和类胡萝卜素，随两者的量和比例在细胞内含有菌绿素和类胡萝卜素，随两者的量和比例的不同菌体呈现红、橙、绿、蓝绿、紫红、紫或褐色等的不同菌体呈现红、橙、绿、蓝绿、紫红、紫或褐色等颜色。颜色。为典型的水生菌，广泛分布于自然界的水为典型的水生菌，广泛分布于自然界的水域中沼泽、湖泊、水田、浅海域中沼泽、湖泊、水田、浅海 形态：多样化，有球形、杆状、卵圆形及螺旋形形态：多样化，有球形、杆状、卵圆形及螺旋形湖泊（湖泊（BOD 10mg/L）江河江河（BOD1.0mg/L）水稻土水稻土海滨土海滨土曝气池曝气池102103cell/ml110cell/ml105106cell/g103104cell/g106107cell/g环境中光合细菌的数量环境中光合细菌的数量3. 应用应用 制造单细胞蛋白（制造单细胞蛋白（single cell protein ）蛋白质含量高（蛋白质含量高（70%左右），且易于提取（提左右），且易于提取（提高率可高达高率可高达65%），另外含有大量的维生素。），另外含有大量的维生素。 产氢气产氢气有些菌能利用甲酸等低级脂肪酸，从而产生氢有些菌能利用甲酸等低级脂肪酸，从而产生氢气。因产生的气。因产生的H2中只含中只含CO2，故不需要复杂的，故不需要复杂的净化系统。净化系统。 提取色素提取色素有些光合细菌（如有些光合细菌（如Sphaeroides）在好氧黑暗条）在好氧黑暗条件下培养时，容易产生高浓度的红色素。色素件下培养时，容易产生高浓度的红色素。色素含量一般为干菌体的含量一般为干菌体的6%以上。以上。 在废水处理中的应用在废水处理中的应用 生物除臭剂生物除臭剂光合细菌与高等植物光合作用的区别光合细菌与高等植物光合作用的区别项目项目高等植物高等植物光合细菌光合细菌光合色素光合色素叶绿素叶绿素菌绿素菌绿素环式磷酸化过程环式磷酸化过程（型光反应中心）型光反应中心）有有有有非环式磷酸化过程非环式磷酸化过程（型光反应中心）型光反应中心）有有无（除蓝绿细菌外）无（除蓝绿细菌外）氧气氧气产生产生不产生（除蓝绿细菌外）不产生（除蓝绿细菌外）供氢体供氢体H2OH2、H2S,其他硫化物，有其他硫化物，有机物机物碳源碳源CO2CO2或有机物或有机物细胞器细胞器类囊体类囊体载色体，绿色泡囊载色体，绿色泡囊五五. 藻类藻类1. 形态及生理特性形态及生理特性 是一种低等植物，含有叶绿素及其他辅助色素，是一种低等植物，含有叶绿素及其他辅助色素， 能进行光合作用能进行光合作用 单细胞或多细胞单细胞或多细胞 pH=410，适宜，适宜68 分类：蓝藻、绿藻、硅藻、褐藻、金藻等分类：蓝藻、绿藻、硅藻、褐藻、金藻等1）蓝藻：蓝绿藻）蓝藻：蓝绿藻蓝细菌（蓝细菌（Cyanobacteria） 含有叶绿素含有叶绿素a，具有放氧性光合作用的原核生物，具有放氧性光合作用的原核生物好氧生物（但无叶绿体、无真核、细胞壁内含有多聚糖）好氧生物（但无叶绿体、无真核、细胞壁内含有多聚糖） 与光合细菌的不同之处与光合细菌的不同之处光合细菌光合作用不放氧光合细菌光合作用不放氧为厌氧生物为厌氧生物 分布：广泛分布在河流、湖泊、海洋等水体中分布：广泛分布在河流、湖泊、海洋等水体中 形态结构：大小形态结构：大小130m细胞结构与细胞结构与G相似，分内外层相似，分内外层外：脂多糖外：脂多糖内：肽聚糖内：肽聚糖 生理特性生理特性一些种类能分泌胞外多糖，形成粘液层、荚膜等一些种类能分泌胞外多糖，形成粘液层、荚膜等光合作用的部位为类囊体：数量很少，贴近在细光合作用的部位为类囊体：数量很少，贴近在细胞膜附近。在类囊体中的膜上含有叶绿素胞膜附近。在类囊体中的膜上含有叶绿素a，-胡胡萝卜素和光合电子传递链的有关成份的。萝卜素和光合电子传递链的有关成份的。原核生物中唯一细胞质中具有膜结构（类囊体）原核生物中唯一细胞质中具有膜结构（类囊体） 的生物的生物2. 藻类和水环境藻类和水环境1）水源水体中大量繁殖时会给水带来异味）水源水体中大量繁殖时会给水带来异味2）在污水处理中可利用藻类，形成菌藻共生体）在污水处理中可利用藻类，形成菌藻共生体系，藻类可以为微生物提供氧（氧化塘）系，藻类可以为微生物提供氧（氧化塘）3） 不同的藻类其耐受污染的程度不同，可以根据不同的藻类其耐受污染的程度不同，可以根据水样中出现的藻类计算总污染指数水样中出现的藻类计算总污染指数 4） 根据叶绿素根据叶绿素a的量可以评价富营养化程度的量可以评价富营养化程度第二节第二节 微生物的生长代谢微生物的生长代谢一、一、微生物营养物质微生物营养物质 碳源物质：碳源物质：CO2、碳酸盐；糖、醇、有机酸、烃、碳酸盐；糖、醇、有机酸、烃 类；蛋白质及其水解产物类；蛋白质及其水解产物 氮氮源源物物质质 ：除除少少数数自自养养细细菌菌利利用用铵铵盐盐、亚亚硝硝酸酸盐盐做做氮氮源源和和能能源源外外，氮氮源源物物质质一一般般不不做做能能源源物物质质。NH4+、NO3-、NO2-、N2；蛋白质及其水解产物；蛋白质及其水解产物 能源物质：能源物质：辐射能和化学能辐射能和化学能 无无机机盐盐：C、N以以外外的的重重要要元元素素。P、S、K（大大量量元元素素，10-310-4mol/L），Cu、Zn、Mn（微微量量元素元素10-610-8mol/L） 作为酶的组成部分或维持酶的活性作为酶的组成部分或维持酶的活性 组成具体成分组成具体成分 调节渗透压调节渗透压 调节调节pH及氧化还原电位及氧化还原电位 作为某些微生物的能源作为某些微生物的能源 生生长长因因子子：有有些些微微生生物物能能自自身身合合成成。如如维维生生素素、氨氨基基酸酸、嘌嘌呤呤、嘧嘧啶啶碱碱基基等等。酵酵母母膏膏、玉玉米米浆浆、肝肝浸液；牛肉膏、土豆汁、麦芽汁、米糠等浸液；牛肉膏、土豆汁、麦芽汁、米糠等 水水：体体内内外外物物质质的的溶溶媒媒，原原生生质质胶胶体体的的结结构构部部分，参与代谢作用反应，调节温度等分，参与代谢作用反应，调节温度等二、二、微生物的代谢微生物的代谢 1. 微生物产能方式微生物产能方式 氧化有机物产能氧化有机物产能 氧化无机物产能氧化无机物产能 光合作用产能光合作用产能 氧化有机物产能氧化有机物产能 发酵发酵（厌氧微生物获取能量主要方式）（厌氧微生物获取能量主要方式） 呼吸呼吸（大多数微生物获能方式）（大多数微生物获能方式） 有氧呼吸（分子氧作为氢和电子的最终受体）有氧呼吸（分子氧作为氢和电子的最终受体） 需氧菌和兼性厌氧菌需氧菌和兼性厌氧菌 无氧呼吸（分子氧以外的物质作为电子受体）无氧呼吸（分子氧以外的物质作为电子受体） 硝酸盐硝酸盐反硝化作用反硝化作用 延胡索酸延胡索酸延胡索酸呼吸延胡索酸呼吸 硫酸盐硫酸盐反硫化作用反硫化作用 CO2甲烷发酵甲烷发酵厌氧菌和兼厌氧菌和兼性厌氧菌性厌氧菌 氧化无机物产能氧化无机物产能 以无机物作为氧化的基质，主要是硝化细菌、以无机物作为氧化的基质，主要是硝化细菌、硫化细菌、氢细菌、铁细菌等硫化细菌、氢细菌、铁细菌等 光合作用产能光合作用产能 循环光合磷酸化循环光合磷酸化（厌氧光合细菌）（厌氧光合细菌） 植物型光合作用植物型光合作用 嗜盐细菌对光能的利用嗜盐细菌对光能的利用2. 细胞物质的合成细胞物质的合成3. 代谢调节代谢调节三、三、影响微生物生长的环境因素影响微生物生长的环境因素 营养物质营养物质 温度温度 pH pH 氧和氧化还原电位氧和氧化还原电位 化学药剂、水活度与渗透压、辐射、超声波等化学药剂、水活度与渗透压、辐射、超声波等 植物学基础植物学基础 植物修复技术就是利用植物根系吸植物修复技术就是利用植物根系吸收水分和养分的过程来吸收、转化污染收水分和养分的过程来吸收、转化污染体体（如土壤和水）中的污染物，以期达如土壤和水）中的污染物，以期达到清除污染到清除污染、修复或治理的目的。修复或治理的目的。 植物的主动和被动吸收植物的主动和被动吸收 超积累植物超积累植物 植物体内的降解转化植物体内的降解转化 根际效应根际效应 主要是指在地上部累积主要是指在地上部累积 其体内目标重金属浓度要高，即大于某一临其体内目标重金属浓度要高，即大于某一临界值界值 对于不同元素，由于其含量分布、毒性、土水对于不同元素，由于其含量分布、毒性、土水允许浓度等指标不一，其临界标准也不一样允许浓度等指标不一，其临界标准也不一样 如如NiNi：1000ug/gDW1000ug/gDW；CdCd：100ug/gDW100ug/gDW超积累植物超积累植物 氧化还原电位氧化还原电位 pH 根际微生物数量根际微生物数量 与种群结构与种群结构 根际酶活性根际酶活性农产品农产品 生化生化反应反应氧化氧化还原还原活化活化固定固定酸碱酸碱反应反应络合络合反应反应吸附吸附解吸解吸污染物污染物植物植物吸收吸收土壤环境土壤环境 人工调节人工调节污染物污染物 根根际际1 植植物物提提取取（phytoextraction） 污污染染物物被被植植物物吸吸收积累，植物收获后再进行处理；收积累，植物收获后再进行处理；2 植植物物挥挥发发（phytovolatilization） 污污染染物物被被植植物物吸收到体内后并将起转化为气态物质释放到大气中；吸收到体内后并将起转化为气态物质释放到大气中；3 植植物物稳稳定定化化（phytostabilization） 植植物物与与土土壤壤共共同同作作用用，将将污污染染物物规规定定，以以减减少少其其对对生生物物与与环环境境的的危害；危害；4 植植物物降降解解（phytodegradation） 植植物物与与其其相相关关的的微生物区系将污染物转化为无毒物质。微生物区系将污染物转化为无毒物质。55 植物滤除（植物滤除（Rhizofiltration）利用植物根系吸收、利用植物根系吸收、吸附污染水体中的重金属。吸附污染水体中的重金属。 分子生物学分子生物学一、一、“分子生物学分子生物学”的由来的由来Waren Weaver二、分子生物学定义二、分子生物学定义三、分子生物学的三大领域三、分子生物学的三大领域四、遗传物质四、遗传物质核酸核酸脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸核糖核酸（病毒）核糖核酸（病毒）DNADNARNARNADNADNA分子含有生物分子含有生物物种的所有遗传信物种的所有遗传信息，分子量一般都息，分子量一般都很大。很大。DNADNA为双链分子，为双链分子，其中大多数是链状其中大多数是链状结构大分子，也有结构大分子，也有少部分呈环状结构。少部分呈环状结构。RNARNA主要是负责主要是负责DNADNA遗传信息的翻译和遗传信息的翻译和表达，分子量要比表达，分子量要比DNADNA小得多。小得多。RNARNA为为单链分子。单链分子。 病毒的遗传信息病毒的遗传信息RNADNAl根根据据RNA的的 功功能能，可可以以分分为为mRNA、tRNA和和rRNA三种。三种。 mRNA ( mRNA (Messenger RNA，信使信使RNA)RNA)约占总约占总RNARNA的的5%5%不同细胞的不同细胞的mRNAmRNA的链长和分子量差异很大的链长和分子量差异很大它它的的功功能能是是将将DNADNA的的遗遗传传信信息息传传递递到到蛋蛋白白质质合合成基地成基地核糖核蛋白体核糖核蛋白体 tRNA (Transfer RNA，转移，转移RNA)约占总约占总RNA的的10%15%。它它在在蛋蛋白白质质生生物物合合成成中中起起翻翻译译氨氨基基酸酸信信息息，并并将将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的作用。相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的作用。已知每一个氨基酸至少有一个相应的已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。 rRNA (Ribosome RNA，核糖体，核糖体RNA)约占全部约占全部RNA的的80%，是核糖核蛋白体的主要组成部分。是核糖核蛋白体的主要组成部分。rRNA 的功能与蛋白质生物合成相关。的功能与蛋白质生物合成相关。 染色体染色体与与基因基因的关系：的关系：一条染色体上有许多基因，一条染色体上有许多基因，基因在染色体上呈直线排列基因在染色体上呈直线排列 染色体与染色体与DNA的关系：的关系：每一条染色体上只有一个每一条染色体上只有一个DNA分子，染色体是分子，染色体是DNA分子的主要载体分子的主要载体 DNA与基因的关系：与基因的关系：每个每个DNA上有许多基因，基上有许多基因，基因是有遗传效应的因是有遗传效应的DNA片段片段DNA结构及特点结构及特点 碱碱基基都都具具有有芳芳香香环环的的结结构构特特征征。嘌嘌呤呤环环和和嘧嘧啶啶环环均呈平面或接近于平面的结构。均呈平面或接近于平面的结构。 碱碱基基的的芳芳香香环环与与环环外外基基团团可可以以发发生生酮酮式式烯烯醇醇式式或胺式或胺式亚胺式互变异构。亚胺式互变异构。胺胺式式亚亚胺胺式式互互变变异异构构酮酮式式烯烯醇醇式式互互变变异异构构氢原子与氢原子与电负性电负性大、半径小的原大、半径小的原子子X（氟氟、氧氧、氮氮等）以一种特等）以一种特殊的分子间作用力结合，若与电殊的分子间作用力结合，若与电负性大的原子负性大的原子Y接近，在接近，在X与与Y之间以氢为媒介，生成之间以氢为媒介，生成X-HY形式的键，称为氢键形式的键，称为氢键 指指4 4种种脱氧核苷酸（脱氧核苷酸（A A、T T、C C、G G）的）的连接及其连接及其排列顺序，排列顺序， DNADNA序列（碱基序列）序列（碱基序列）1 1、 DNADNA的一级结构的一级结构五、五、DNADNA的结构的结构2 2、DNA DNA 的二级结构的二级结构 指两条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋结构。 碱基对间的氢键碱基对间的氢键 碱基的堆积力碱基的堆积力 磷酸基的负电荷排斥力磷酸基的负电荷排斥力3 3、DNADNA的高级结构的高级结构线状线状DNADNA形成的超螺旋形成的超螺旋环状环状DNADNA形成的超螺旋形成的超螺旋六、六、DNADNA的变性与复性的变性与复性核酸的变性核酸的变性指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂，指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂，变成单链结构的过程。变性核酸将失去其部分变成单链结构的过程。变性核酸将失去其部分或全部的生物活性。核酸的变性并不涉及磷酸或全部的生物活性。核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级结构二酯键的断裂，所以它的一级结构( (碱基顺序碱基顺序) )保持不变。保持不变。能能够够引引起起核核酸酸变变性性的的因因素素很很多多。温温度度升升高高、酸酸碱碱度度改改变变、甲甲醛醛和和尿尿素素等等的的存存在在均均可可引引起起核核酸酸的变性。的变性。DNADNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将引起内完成。因此，通常将引起DNADNA变性的温度称为融变性的温度称为融点，用点，用T Tm m表示。表示。一般一般DNADNA的的T Tm m值在值在70708585 C C之间。之间。DNADNA的的T Tm m值与值与G G和和C C含量有关。含量有关。GCGC含量增加含量增加1%1%，TmTm增增0.40.4 C CG G和和C C的含量高，的含量高，T Tm m值高。因而测定值高。因而测定TmTm值，可反映值，可反映DNADNA分子中分子中G G、C C含量，可通过经验公式计算：含量，可通过经验公式计算： （G+C)%=(Tm-69.3)X2.44G+C)%=(Tm-69.3)X2.44 核酸的复性核酸的复性变性变性DNADNA在适当的条件下，两条彼此分开的单链在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性。性。DNADNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复。活性一般只能得到部分的恢复。DNADNA复性的程度、速率与复性过程的条件有关。复性的程度、速率与复性过程的条件有关。将将热热变变性性的的DNADNA骤骤然然冷冷却却至至低低温温时时，DNADNA不不可可能能复复性性。但但是是将将变变性性的的DNADNA缓缓慢慢冷冷却却时时，可可以以复复性性。分分子子量量越越大大复复性性越越难难。浓浓度度越越大大，复复性性越越容容易易。此此外外，DNADNA的的复复性性也也与与它它本本身身的的组组成成和和结结构构有有关。关。七、七、DNADNA的复制的复制1、定义：由亲代DNA生成子代DNA时，每个新形成的子代DNA中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制方式称半保留复制。 DNA的半保留复制（的半保留复制（semi-conservative replication）2、DNA半保留复制的生物学意义 DNA的半保留复制表明DNA在代谢上的稳定性，保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。 u DNA复制的过程碱基间氢键断裂碱基间氢键断裂双螺旋解旋和分开双螺旋解旋和分开分别作为模板复制分别作为模板复制大约大约20个个DnaA蛋白在蛋白在ATP的作用下的作用下与与oriC处的处的4个个9bp保守序列相结合保守序列相结合在在HU蛋白和蛋白和ATP的共同作用下的共同作用下,Dna复制起始复复制起始复合物使合物使3个个13bp直接直接重复序列变性重复序列变性,形成开链形成开链解链酶六体分别与单链解链酶六体分别与单链DNA相结合相结合(需需DnaC帮助帮助),进一步解开进一步解开DNA双链双链复制方向和速度：单起点、双向等速单起点、双向等速多起点、双向等速多起点、双向等速DNA复制方式复制方式u 与DNA复制有关的物质1、原料：四种脱氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、 dCTP、dTTP)2、模板：以DNA的两条链为模板链，合成子代DNA3、引物：DNA的合成需要一段RNA链作为引物4、引物合成酶（引发酶）：此酶以DNA为模板合成一段RNA,这段RNA作为合成DNA的引物（Primer)。实质是以DNA为模板的RNA聚合酶。RNA结构及特点结构及特点单链、核糖、碱基单链、核糖、碱基U