环境微生物学环境微生物学授课专业：12 海洋资源与环境 学时安排：理论48学时，实验16学时授课教师：杜宗军 赵丽华 duzongjunyahoo.com环境微生物学环境微生物学参考书目：参考书目：1、现代微生物学、现代微生物学 刘志恒主编刘志恒主编 科学出版社科学出版社2008年第二版年第二版2、微生物与水处理工程、微生物与水处理工程 李军等编著李军等编著 化学工业出版社化学工业出版社2002年第一版年第一版环境微生物学环境微生物学期刊：期刊：1、微生物学通报、微生物学报、微生物学通报、微生物学报2、Applied and Environmental Microbiology3、European Journal of Microbiology 绪 论 四四 微生物学的发展史微生物学的发展史一一 微生物的基本概念微生物的基本概念二二 微生物的特点微生物的特点三三 微生物在生物界的地位微生物在生物界的地位六六 环境微生物学的研究内容环境微生物学的研究内容七七 学习环境微生物学的意义学习环境微生物学的意义五五 微生物学的发展与人类进步微生物学的发展与人类进步罗伯特 . 胡克的显微镜英国一位名叫罗伯特胡克(Robter Hooke，16351703)的物理学家，在前人的基础上，制作了一台当时世界上最好的复式显微镜。首次提出“细胞”一词。 一一 微生物的基本概念微生物的基本概念 1、微生物的发现、微生物的发现1664年，Robter Hooke用原始的显微镜对生长在皮革表面及蔷薇枯叶上的霉菌进行了观察。一一 微生物的基本概念微生物的基本概念 1、微生物的发现、微生物的发现1676年，微生物学的先驱荷兰人列文虎克（Antonievanleeuwenhoek）首次观察到了细菌。他没有上过大学，是一个只会荷兰语的小商人，但却在但却在1680年被选为英国皇家学会的年被选为英国皇家学会的会员。会员。Fellow of the Royal Society （F.R.S.）一一 微生物的基本概念微生物的基本概念 1、微生物的发现、微生物的发现(1632.101723.08) 列文虎克利用业余时间制造过400多架单式显微镜和放大镜，放大率一般为50200倍，一一 微生物的基本概念微生物的基本概念 1、微生物的发现、微生物的发现A、C、F： 杆杆 菌菌E： 球球 菌菌H： 球菌的聚集体球菌的聚集体列文虎克向英国皇家学会的信中列文虎克向英国皇家学会的信中对细菌形态的描绘对细菌形态的描绘一一 微生物的基本概念微生物的基本概念 2、微生物的定义、微生物的定义微生物是所有肉眼看不见或看不清楚的微小生物的微生物是所有肉眼看不见或看不清楚的微小生物的统称，是一些个体微小、构造简单的低等生物。统称，是一些个体微小、构造简单的低等生物。非细胞生物非细胞生物 （病毒、类病毒）（病毒、类病毒）原核微生物原核微生物 （细菌、古生菌）（细菌、古生菌）部分真核生物（真菌、藻类、原生动物）部分真核生物（真菌、藻类、原生动物）微生物微生物菌：菌：jun 一声，低等生物名；如：真菌、细菌一声，低等生物名；如：真菌、细菌 jun 四声，就是蕈四声，就是蕈xun，大型真菌（伞菌类），大型真菌（伞菌类）1、体积小，比表面积大、体积小，比表面积大单位：单位：um(10-6 m)或或nm(10-9m)2m0.5m杆菌杆菌1500个杆菌首尾相连个杆菌首尾相连总长度总长度=1粒芝麻的长度粒芝麻的长度微生物的体积大小微生物的体积大小二二 微生物的特点微生物的特点 不同生物类型细胞大小的比较不同生物类型细胞大小的比较二二 微生物的特点微生物的特点 1、体积小，比表面积大、体积小，比表面积大微生物与其它生物种类的体积比较微生物与其它生物种类的体积比较动物的模式细胞动物细胞核细菌病毒1、体积小，比表面积大、体积小，比表面积大微生物的比表面积微生物的比表面积比表面积：个体的表面积与体积之比。比表面积：个体的表面积与体积之比。二二 微生物的特点微生物的特点 设球菌半径r=0.5m球菌表面积(S)423.14162球菌体积(V)4330.2363比表面=S/V3.1416/0.5236=6设球菌半径2球菌面积(S)50.32球菌体积(V)33.53比表面=S/V50.3/33.51.5 2、吸收多，转化快、吸收多，转化快人（人（50kg） 5001000g/d地鼠（体重地鼠（体重3g） 3g/d大肠杆菌大肠杆菌 细胞重量细胞重量2000倍糖倍糖/h奶牛（奶牛（500kg） 合成合成0.5kg蛋白质蛋白质/24h微生物细胞微生物细胞 合成自身重量合成自身重量30-40倍的细胞物质倍的细胞物质/24h吸收多吸收多转化快转化快二二 微生物的特点微生物的特点3、生长旺，繁殖快、生长旺，繁殖快大肠杆菌大肠杆菌在合适的生长条件下在合适的生长条件下：12.520分钟分钟 繁殖繁殖1代代每小时每小时 分裂分裂3代，由代，由1个变成个变成8个。个。经经24小时小时 分裂分裂72代，重约代，重约4722吨吨经经48小时小时 可产生可产生2.21043个后代。个后代。二二 微生物的特点微生物的特点 地球重的地球重的4000倍倍世界上绝大多数生命都在忍饥挨饿4、适应强，易变异、适应强，易变异1、对营养物质的利用上的适应性。、对营养物质的利用上的适应性。2、对环境条件尤其是恶劣的、对环境条件尤其是恶劣的“极端环境极端环境”的适应性。的适应性。 耐0196低温耐113的高温耐盐（饱和盐水）耐干燥（产芽孢细菌、真菌孢子）耐酸碱、耐缺氧、耐毒物、抗辐射适应性强适应性强二二 微生物的特点微生物的特点 四、适应性强，易变异四、适应性强，易变异易变异易变异青霉素生产菌的发酵水平青霉素生产菌的发酵水平1940年每毫升20单位2000年每毫升10万单位青霉素的使用剂量：青霉素的使用剂量：1940年10万单位/次1980年：输液80万单位/次2000年：输液800万-1000万单位/次二二 微生物的特点微生物的特点 青霉素对金黄色葡萄球菌最低抑制浓度0.02g/ml200g/ml细菌抗药性的产生：细菌抗药性的产生：五、分布广，种类多五、分布广，种类多微生物在自然界的分布：无处不在微生物在自然界的分布：无处不在分布广分布广土壤土壤空气空气水域水域生物体内外生物体内外极端环境极端环境正常环境正常环境高空高空深海底深海底2000米深的地层米深的地层温泉温泉二二 微生物的特点微生物的特点 t物种的多样性;t 代谢产物种类多；t微生物的生理代谢类型多；t遗传基因的多样性;t生态类型的多样性;虽然目前已定种的微生物只有大约虽然目前已定种的微生物只有大约10万种，远较动植物为少，万种，远较动植物为少，但一般认为目前为人类所发现的微生物还不到自然界中微生物但一般认为目前为人类所发现的微生物还不到自然界中微生物总数的总数的1%种类多虽然目前已定种的微生物只有大约虽然目前已定种的微生物只有大约10万种，远较动植物为少，万种，远较动植物为少，但一般认为目前为人类所发现的微生物还不到自然界中微生物但一般认为目前为人类所发现的微生物还不到自然界中微生物总数的总数的1%种类多5、分布广，种类多、分布广，种类多种类多种类多地球上的微生物：地球上的微生物： 估计有估计有300万种以上万种以上已发现的微生物：已发现的微生物： 约有约有10万种万种已开发利用的微生物：已开发利用的微生物： 约约1000种种 二二 微生物的特点微生物的特点 微生物的研究手微生物的研究手段的限制段的限制分离培养的局限分离培养的局限细菌物种数的最新数据（截止到细菌物种数的最新数据（截止到2012年年1月）月）基因资源多：基因资源多：2010年3月英国自然杂志刊登研究报告说，国际科研团队联手对人类肠道中的细菌进行了一次“基因普查”，发现这些细菌整体拥有比人类自身大得多的基因组，相关结果有助于对肠道疾病进行研究和治疗。欧盟资助的“人类肠道宏基因组计划”进行了这项迄今最大的肠道细菌基因研究。结果发现，肠道细菌共有300多万个基因，远远超出人类自身的2万多个基因。据介绍，这些基因分属1000多种不同的细菌，每个人的肠道中都有其中至少100多种细菌。 生理代谢类型多：微生物获取营养的方式多种多样，其食谱之广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！是动植物完全无法相比的！纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲醇、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、各种有机物甲烷、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均可被微生物作为粮食六数量多、生物量大t平均每张纸币平均每张纸币带细菌：带细菌：900万个万个t 每个喷嚏的飞沫含每个喷嚏的飞沫含4500-1500004500-150000个细菌，个细菌， 重感冒患者为重感冒患者为85008500万万六数量多、生物量大数量之多、生物量之大，难以估计；数量之多、生物量之大，难以估计；举一个例子：国际海洋生物普查数据举一个例子：国际海洋生物普查数据微生物的特点：体积小体积小、面积大面积大;吸收多、转化快生长旺生长旺 、繁殖快繁殖快; 适应强适应强、易变异易变异分布广分布广、种类多；数量多，生物量大种类多；数量多，生物量大三三 微生物在生物界的地位微生物在生物界的地位 无细胞结构生物无细胞结构生物病毒、类病毒病毒、类病毒具细胞结构生物具细胞结构生物生物生物原核生物原核生物真核生物真核生物真细菌真细菌古生菌古生菌真菌真菌单细胞藻类单细胞藻类原生动物原生动物动物动物植物植物沃斯沃斯提出的三域分类系统提出的三域分类系统1、史前时期（直观应用时期、史前时期（直观应用时期 时间：时间： -1676）四四 微生物学的发展历史微生物学的发展历史 t我国我国8000年前就开始出现了曲蘖（年前就开始出现了曲蘖（nie）酿酒；）酿酒；t4000年前埃及人已学会烘制面包和酿制果酒；年前埃及人已学会烘制面包和酿制果酒；t2500年前发明酿酱、醋，用曲治消化道疾病；年前发明酿酱、醋，用曲治消化道疾病；t公元公元2 2世纪，张仲景：禁食病死兽类的肉和不洁食物；世纪，张仲景：禁食病死兽类的肉和不洁食物；t公元前公元前112112年年-212-212年间，华佗：年间，华佗：“割腐肉以防传染割腐肉以防传染”；t公元九世纪痘浆法、痘衣法预防天花；公元九世纪痘浆法、痘衣法预防天花；微生物曾给人类带来过许多灾难：微生物曾给人类带来过许多灾难：鼠疫：鼠疫耶森氏菌(Yersinia pestis)天花：天花病毒霍乱：霍乱弧菌(Vibrio cholerae)艾滋病（AIDS）：病毒 (HIV)疯牛病：朊病毒埃博拉病毒非典型肺炎(SARS):冠状病毒2、初创时期（形态学发展时期、初创时期（形态学发展时期 1676-1861）四四 微生物学的发展历史微生物学的发展历史 使用显微镜观察微生物世界使用显微镜观察微生物世界的时期。的时期。代表人物：代表人物：列文列文虎克虎克贡献贡献:（）发现了微生物世界（）发现了微生物世界（）科学地描述了微生物的形态并阐述了它们的繁茂性（）科学地描述了微生物的形态并阐述了它们的繁茂性3、奠基时期（生理学发展时期、奠基时期（生理学发展时期 1861-1897）四四 微生物学的发展历史微生物学的发展历史 十九世纪下叶十九世纪下叶有关微生物的两个疑难问题：有关微生物的两个疑难问题：1、生物是自然产生的吗？、生物是自然产生的吗？2、传染性疾病的本质是什么？、传染性疾病的本质是什么？四四 微生物学的发展历史微生物学的发展历史 、巴斯德的贡献、巴斯德的贡献法国，化学家，路易斯法国，化学家，路易斯 巴斯德巴斯德3、奠基时期（生理学发展时期、奠基时期（生理学发展时期 1861-1897）（Louis Pasteur） 四四 微生物学的发展历史微生物学的发展历史 、巴斯德的贡献、巴斯德的贡献自然发生说自然发生说腐草为萤：腐草能化为萤火虫是中国传统说法。 据礼记月令篇：“季夏之月腐草为萤”。 又格物论说：“萤是从腐草和烂竹根而化生。” 3、奠基时期（生理学发展时期、奠基时期（生理学发展时期 1861-1897）四四 微生物学的发展历史微生物学的发展历史 、巴斯德的贡献、巴斯德的贡献新鲜食品新鲜食品搁置搁置腐败食品腐败食品有细菌有细菌由非生命的物质自然发生由非生命的物质自然发生自然发生说自然发生说3、奠基时期（生理学发展时期、奠基时期（生理学发展时期 1861-1897）四四 微生物学的发展历史微生物学的发展历史 、巴斯德的贡献、巴斯德的贡献曲颈瓶实验（曲颈瓶实验（1861）3、奠基时期（生理学发展时期、奠基时期（生理学发展时期 1861-1897）四四 微生物学的发展历史微生物学的发展历史 、巴斯德的贡献、巴斯德的贡献3、奠基时期（生理学发展时期、奠基时期（生理学发展时期 1861-1897）四四 微生物学的发展历史微生物学的发展历史 、巴斯德的贡献、巴斯德的贡献3、奠基时期（生理学发展时期、奠基时期（生理学发展时期 1861-1897）四四 微生物学的发展历史微生物学的发展历史 、巴斯德的贡献、巴斯德的贡献其他贡献：其他贡献：巴斯德消毒法、对于蚕病、酒变质的研究巴斯德消毒法、对于蚕病、酒变质的研究狂犬疫苗的研究狂犬疫苗的研究微生物学的奠基人微生物学的奠基人3、奠基时期（生理学发展时期、奠基时期（生理学发展时期 1861-1897）“科学虽没有国界，但科学家却有自己的祖国。” 美国学者麦克哈特所著的影响人类历史进程的100名人排行榜中，巴斯德名列第12位，可见其在人类历史上巨大的影响力。（紧随其后的是伽利略、亚里士多德、列宁；前面有马克思和哥伦布） 、科赫与疾病的病菌说、科赫与疾病的病菌说四四 微生物学的发展历史微生物学的发展历史 德国，乡村医生德国，乡村医生3、奠基时期（生理学发展时期、奠基时期（生理学发展时期 1861-1897）罗伯特科赫（ Robert Koch ） 1843-1910、科赫与疾病的病菌说、科赫与疾病的病菌说四四 微生物学的发展历史微生物学的发展历史 主要贡献：主要贡献： 第一次证明了一种特定的微生物是引起一种特定疾病的原因第一次证明了一种特定的微生物是引起一种特定疾病的原因 ；首创了细菌染色法；首创了细菌染色法；首创了细菌的纯培养方法（首创了细菌的纯培养方法（创立了固体培养基划线分离纯种法创立了固体培养基划线分离纯种法 ）；）；提出了著名的提出了著名的科赫法则。科赫法则。细菌学的奠基人细菌学的奠基人3、奠基时期（生理学发展时期、奠基时期（生理学发展时期 1861-1897）、科赫与疾病的病菌说、科赫与疾病的病菌说四四 微生物学的发展历史微生物学的发展历史 科赫法则：科赫法则：(证明某微生物是某疾证明某微生物是某疾病病原菌的四项要求病病原菌的四项要求)1、在患病动物中存在可疑病原微、在患病动物中存在可疑病原微生物，而健康动物中没有；生物，而健康动物中没有；2、可疑微生物可以被培养出来，、可疑微生物可以被培养出来，并形成纯培养；并形成纯培养；3、纯培养中的可疑微生物，能引、纯培养中的可疑微生物，能引起健康而敏感的动物发病；起健康而敏感的动物发病；4、可疑微生物被再次分离，并且、可疑微生物被再次分离，并且和最初分离的有机体一样；和最初分离的有机体一样；3、奠基时期（生理学发展时期、奠基时期（生理学发展时期 1861-1897）Robert Koch 最初最初1877年年拍摄的炭疽杆菌照片拍摄的炭疽杆菌照片 四四 微生物学的发展历史微生物学的发展历史 、维诺格拉斯基、维诺格拉斯基 土壤微生物研究：化能无机自养菌的研究，土壤微生物研究：化能无机自养菌的研究，包括亚硝化细菌、硝化细菌、硫细菌包括亚硝化细菌、硝化细菌、硫细菌 3、奠基时期（生理学发展时期、奠基时期（生理学发展时期 1861-1897）四四 微生物学的发展历史微生物学的发展历史 n1897年年, E. Buchner 利用酵母无细胞提取液利用酵母无细胞提取液进行酒精发酵成功进行酒精发酵成功,开创了微生物生化研究的新开创了微生物生化研究的新时代时代.n微生物生理微生物生理 及代谢研究也蓬勃开展及代谢研究也蓬勃开展.n普通微生物学作为一门综合学科开始形成普通微生物学作为一门综合学科开始形成.4、发展时期（生物化学水平、发展时期（生物化学水平 1897-1953）4、发展时期（生物化学水平、发展时期（生物化学水平 1897-1953）四四 微生物学的发展历史微生物学的发展历史 代表人物：代表人物： 德国德国 布赫纳布赫纳 E. Echner （1897年）年）酵母细胞酵母细胞石英砂研磨石英砂研磨过过 滤滤滤液滤液葡萄糖葡萄糖酵母细胞酵母细胞酒精、酒精、CO2微生物学发展过程中的部分重大事件微生物学发展过程中的部分重大事件t1928 英国英国 Griffith发现细菌转化；发现细菌转化；t1929 英国英国Fleming 发现青霉素；发现青霉素；t1944 美国美国Avery等证实转化过程中等证实转化过程中DNA是遗传信息的载体；是遗传信息的载体；t俄国微生物学家俄国微生物学家Winogradsky (1856-1953) 和荷兰微生物学家和荷兰微生物学家 Beijerinck (1851-1931)开创了土壤微生物学的研究开创了土壤微生物学的研究.t1892-1898，俄国的伊万诺夫斯基（，俄国的伊万诺夫斯基（Ivanovski）、荷兰细菌学家）、荷兰细菌学家 贝杰林克（贝杰林克（Beijerinck）提供烟草花叶病毒是由病毒引起的证据；）提供烟草花叶病毒是由病毒引起的证据； 5、现代微生物学（分子水平）、现代微生物学（分子水平）1953-四四 微生物学的发展历史微生物学的发展历史 始于二十世纪五十年代：始于二十世纪五十年代：电子显微镜的使用电子显微镜的使用DNA双螺旋结构的发现双螺旋结构的发现现代微生物学发展过程中的部分重大事件现代微生物学发展过程中的部分重大事件t1953 Watson和和Crick提出提出DNA双螺旋结构；双螺旋结构；t19701972 Arber、Smith和和Nathans发现并提纯了发现并提纯了 DNA限制性内切酶限制性内切酶t1977 Woese提出古生菌是不同于细菌和真核生物的特殊类群提出古生菌是不同于细菌和真核生物的特殊类群 Sanger首次对首次对f f174噬菌体噬菌体DNA进行了全序列分析；进行了全序列分析；n进入了分子生物学研究阶段进入了分子生物学研究阶段n分支学科飞速发展分支学科飞速发展n微生物学的基础理论和独特实验技术推动了生微生物学的基础理论和独特实验技术推动了生命科学各领域飞速发展命科学各领域飞速发展n微生物基因组的研究促进了生物信息学的发展微生物基因组的研究促进了生物信息学的发展5、现代微生物学（分子水平）、现代微生物学（分子水平）1953-5、现代微生物学（分子水平）、现代微生物学（分子水平）1953-四四 微生物学的发展历史微生物学的发展历史 詹姆斯沃森（James Watson）t19821983Prusiner发现朊病毒(prion)；t19831984Mullis建立PCR技术；t1995第一个独立生活的细菌第一个独立生活的细菌(流感嗜血杆菌流感嗜血杆菌)全基团组序列全基团组序列 测定完成；测定完成；t1996 第一个自养生活的古生菌基因组测定完成；第一个自养生活的古生菌基因组测定完成；t1997 第一个真核生物第一个真核生物(啤酒酵母啤酒酵母)基因组测序完成；基因组测序完成；现代微生物学发展过程中的部分重大事件现代微生物学发展过程中的部分重大事件5、现代微生物学（分子水平）、现代微生物学（分子水平）1953-四四 微生物学的发展历史微生物学的发展历史 在2008年4月17日的自然杂志上，美国的科学家发表了首个利用新一代高速测序技术得到的全基因组，而接受这一全基因组测序的不是别人，正是“DNA之父”詹姆斯沃森。费用为100万美元。 2003年，“人类基因组计划”获得首张人类全基因组图谱，为了测定人类基因组的30亿对碱基，科学家们花费了约30亿美元和13年的时间。 2009年科学载文，测了三个人的基因组序列，平均费用为4000美元/人，时间为一周。 我国微生物学的发展：汤飞凡：汤飞凡：1956，首次分离和确证沙眼病原体，首次分离和确证沙眼病原体谢少文：谢少文：1934，培养立克次氏体成功，培养立克次氏体成功陈华癸：陈华癸：根瘤菌固氮作用的研究高尚荫：高尚荫：创建了我国病毒学的基础理论研究抗生素的总产量已居世界首位抗生素的总产量已居世界首位两步法生产维生素两步法生产维生素C的技术居世界先进水平的技术居世界先进水平五 微生物学的发展与人类的进步 可以说，微生物与人类关系的重要性，你可以说，微生物与人类关系的重要性，你怎么强调都不过分，微生物是一把十分锋利的怎么强调都不过分，微生物是一把十分锋利的双刃剑，它们在给人类带来巨大利益的同时也双刃剑，它们在给人类带来巨大利益的同时也带来带来“残忍残忍”的破坏。它给人类带来的利益不仅的破坏。它给人类带来的利益不仅是享受，而且实际上涉及到人类的生存。是享受，而且实际上涉及到人类的生存。n微生物与粮食微生物与粮食n微生物与资源微生物与资源n微生物与能源微生物与能源n微生物与环境保护微生物与环境保护n微生物与医药微生物与医药五 微生物学的发展与人类的进步微生物与粮食n提高土壤肥力,促进粮食增产 （根瘤菌、解磷解钾菌）n发酵生产单细胞蛋白和饲料蛋白微生物与资源n利用微生物的转化能力将低值的初级产品变为更为有用的原料或高附加值产品，或提升产品品质。 （多糖降解）如:沼气发酵微生物与能源微生物与环境保护n使用生物肥料，生物杀虫剂；n降解有毒物质；n净化废水废气，处理石油污染；n用于环境监测。微生物与环境保护举一个例子举一个例子: 发光细菌用于环境监测。发光细菌用于环境监测。A petri dish streaked with bioluminescent bacteria photographed by its own light。微生物与医药n抗生素、维生素、激素n疫苗六六 环境微生物学的研究内容环境微生物学的研究内容 环境微生物学是研究与环境领环境微生物学是研究与环境领域（包括环境工程、给水排水域（包括环境工程、给水排水工程）有关的微生物及其生命工程）有关的微生物及其生命活动规律的学科。活动规律的学科。微生物学环境生物学环境微生物学六六 环境微生物学的研究内容环境微生物学的研究内容 一、微生物的形态、细胞结构及其功能；一、微生物的形态、细胞结构及其功能；二、微生物的营养、代谢、生长、繁殖、遗传；二、微生物的营养、代谢、生长、繁殖、遗传；三、微生物与环境的关系；三、微生物与环境的关系；四、饮用水卫生细菌学四、饮用水卫生细菌学五、废弃物生物处理中微生物学原理和方法的研究；五、废弃物生物处理中微生物学原理和方法的研究；环境微生物学的研究内容：环境微生物学的研究内容：七七 学习环境微生物学的意义学习环境微生物学的意义一、学习微生物学的基础知识一、学习微生物学的基础知识二、了解并揭示微生物在生态系统中的地位与作用二、了解并揭示微生物在生态系统中的地位与作用二、避免或防止微生物对人类的危害二、避免或防止微生物对人类的危害三、开发、利用微生物以保护环境造福于人类三、开发、利用微生物以保护环境造福于人类