《环境微生物学》教案 课程名称 环境微生物学 授课教师 范丽华 授课专业 环境监测与治理技术 院系 生物化学工程学院 呼和浩特职业学院
第一章绪 论 [教学目标]通过本章的教学，使学生掌程什么是微生物？微生物的基本特征：生念环境中微生物 的作用，微生物的分类和命名。 [教学的重点和难点]微生物的概念和微生物的基本特征，生态环境中微生物的作用，微生物的分 类和命名。 [数学方法和手段]主要以讲授为主，实验教学为辅。 [教学内容] 第一节生态环境中微生物的作用 一、环境问题 1、1962年美国女作家莱切尔.卡进《救静的春天》出版。 2、1972年瑞典斯德哥尔摩开了联合国的一次人类环境会议，通过了人类环境宜言。 3、目前人类生存和发展产生严重威胁的环境问题，一类是因人类活动所样放的废弃物引起的环 境污染：另一类就是牛态环境破坏。 二、微生物在生态环境中的作用 生念系统是指在一定的空间内生物的成分和非生物的成分通过物质循环和能量流动互相作用、互 相依存而构成的一个生态学功能单位。生物成分按其在生态系统中的作用，可划分为三大类群：生产 者、消费者和分解者。微生物可以在多个方面但主要作为分解者而在生态系统中起重要作用。 1、微生物是有机物的主要分解者 微生物最大的价值也在于其分解功能。它们分解生物圈内存在的动物和植物城体等复杂有机 物质，并最后将其转化成最简单的无机物，再供初级生产者使用。 2、微生物是物质循环中的币婴成员 微小物参与所有的物质循环，大部分元素及止化入物都受到微生物的作用。在一些物质的循 环中，微生物是主要的成员，起主要作用：而一些过程有微生物才能进行，起独特作用：而有的是 循环中的关键过程，起关键作用。 3、微生物是生态系统中的初敛生产者 光能营养和化能营养微生物是生念系统的初级生产者，它们具有初级生产者所具有的二个 明显特征，即可直接利用太阳能、无机物的化学能作为能量来源，另一方面其积累下来的能量又可以 在食物链、食物网中流动。 4、微生物是物质和能量的贮存者 微生物和动物、植物一样也是山物质组成和山能量维持的生命有机体。在土壤、水体中有大 量的微生物生物量，贮存着大量的物质和能量。 5、微生物在地球生物演化中的作用 微生物是最早出现的生物体，并进化成后来的动、植物。藻类的产氧作用，改变大气园中的化学 组成，为后来动、梢物出现打下基础 第二节微生物概述 什么是微生物？ 微生物(microbe,.microorganism)非分类学上名词，米自法语"Microbe"一词。通常是描述一切不借 助显微镜用肉眼看不见的微小生物。这类微生物包括病寿、细菌、古菌、真菌、原生动物和某些藻类 表11微生物形态、大小和细胞类型
微牛物 人小近似值 细胞的特 病海 0.010.254m 非细胞的 细菌 0.1-l0m 原核牛彻 2um-Im 真核牛物 原牛动物 2-1000m 真核牛物 藻类 1米-几米 其核牛物 细胞华物 原核华物 真细苗、占细茵 真核牛物 真茵、单细胞藻类、原 生动物 物 上细刷生物 病毒、亚病毒 一、 微生物的分类和命名 )、微生物分类 1分类等级 界(kingkom) 门(divisions) (classes) 目(orders) 科(families)) 属(genera) 种((species)) 2、细菌的分类单位和命名 种：是细菌分类的基本单位。形态学和生理学性状相同的细菌群体构成一个菌种。 属：性状相近、关系索切的若干菌种组成属。 科：相近的属归为一个科 谐妹，同司一种不同来恒的细欲为该曲的不同菌株 标准株(:具有某种细南典型特征的菌株称为该菌的标准株 (二)微生物在生物界中的地位 1、1969年魏塔克首先提出了生物的五界系统，把自然界中有细胞结构的生物分为五界。 2、我国学者下大耜等提出将无细胞结构的病靠君作一界，这就物成了生物的六界系绕。 3、六界系统分别为原核生物界、原生生物界、病青界、真菌界、动物界和植物界。其中微生物 占四 (三)微生物的命名 1、俗名 2学名 (1)量文名 拉丁文双命名法 屈名在前：为名词，首字母大写 种名在后：为形容词，首字母小写斜体 例：结核分枝杆菌Mycobacterium tuberculosis (2)、中义译名
种名在前、属名在后 亚种以上分类按命名法规的规定，亚种以下命不受法规约束 二、微生物的特点 1、体积小、比表面积大 大小以计，但比表面积（表面积/体积）大，必然有一个巨大的营养吸收，代谢废物排泄和耳 境信息接受面 这特点也是微生物与一切大型生物相区别的关链所在， 特点1举例 乳酸杆莉：120.000 人(200磅)：0.3 2、吸收多、转化快 这一特性为高速生长繁媚和产生大量代谢物提供了充分的物质基础。 特点2举例 重量相同下：乳酸菌：1小时可分解其体重1000全10000倍乳糖 人：2.5×105小时消耗自身体重1000倍乳糖 3、生长叶、繁快 极高生长繁箱速度，如E.c01i20~30分钟分裂一次，若不停分裂，48小时后分列为2.2×1043个 细菌，但随若细菌数量的增加，营养物质的消耗，代谢废物的积累，限制生长速度。 文一特性可在短时间内把大量基质转化为有用产品。猫短科研周期。 也有不利 面 ,如疾病、粮食需变 4 应 马变 极其灵活适应性，对极端环境具有惊人的适应力。 遗传物质易变异。 5、分广、种类多 分凤域广，分环境广 生理代谢类型多， 代谢产物种类多，种数多 所以微生物是很好的研究对象，具有广泛的用途。 三、微生物与人类的关系 微生物县星球上最早出现的生命有机，生金存在的任何一个角落都有微生物的密迹，而日比器 最比任何动植物的数量都多，可能是地球上生物总最的最大组成部分。微生物与人类社会和文明的发 展有着极为索切的关系。中国劳动人民在史前就利用微生物酿酒，积紫了极为丰富的酿酒理论与经验 创造了人类利用微生物的辉煌实践。早在2000多年前，祖先就用长在豆腐上的得菌来治疗疮疗等疾 病。1928年，英国的科学家Fleming等人发明了青得素，从此揭示了微生物产生抗生素的奥秘，其 后应用于临床，效果非常显考，开降世界医疗史上的新纪元， 1、微生物作为疾病的媒介 20世纪开始时期 引起人口死亡的主要原因即是传染性疾病。随着人们对疾病过程的认识、环 境卫生条件的改进以及抗微生物制剂的发现和使用，使得很多传染性疾病得到控制。但微生物对人类 的生存仍然构成主要或胁，每年仍有成百力的人死于传染性疾病。 2、微生物与农业 许多方面农业系统均需微牛物话动。可科物利用固氨黄将大气中的分子氢固定。反乌动物利 用瘤胃中的微生物进行消化。在植物营养方面，微生物的代谢活动可将候、氨、硫、 磷等营养元素
化为植物易于利用的形式。 3、微牛物与食品工业 微生物在生产食品的许多加工业中已被应用了几干年，从酿造、酒的粮制、干酪和面包制作到 造酱油：害处方面。 微生物引起食品酸败和常山于携带在食品上的微生物而引起疾病 4、微生物、能源和环境 (1)天然气是细南作用的产物 (2)一些矿质和能量也是微生物活动的结果 (3)原油易受微生物的岁击 (4)微生物未来可能为人类制造能源 5微生物和未米 微生物山于比其必复杂的动物和植物必容易操作，已被广泛用作模式生物去研究生物化学和遗传 学的过程。儿百方个同样的、单细胞的拷贝，能以大量、非常快速而且低值获得均质的实验材料。另 外的益处是大多致人对用这些微生物进行实验没有种族上的异议。 第三节环境微生物研究的内容和任务 1自然环境中的微生物学研究 2污染环境中的微生物学研究 3微生物处甲污染物的原甲和方法究 4微生物对于环境的污染与破坏研究 5应用微生物进行环境监测与评价
第二章微生物的主要种群 [教学目标]通过本章的教学，使学生掌程微生物的种类和特征、学握以细菌为代表原核微生物的 形态结构、化学组成和繁殖特征等。掌握以酵母菌和丝状真菌为代表真核微生物的形态结构、化学组 成和繁殖特征等。掌捏原生动物和微型后生动物在水处理中的指示作用。 [教学的重点和难点]细菌的基本形态、构造和特征：原核微生物之间的区别：革兰氏染色：细菌 的群体形态特征，酵母菌和丝状真菌的基本形态、构造和特征：酵母菌和丝状真菌的菌落形态特征和 繁方武 [教学方法和手段]主要以讲投为主，应用多媒体课件进行形象生动的课堂教学。设计微生物学形 念学综合实验，从菌落形态、染色方法和显微镜观察等多方面进行实验教学。 「教学内容] 非细胞型(acelluar microorganism):病青细胞型：原核微生物(prokaryotes):细菌、放线菌 等。特点是无明显核， 原核生物即 大类细胞核无核膜包裹，只存在称作核区(心giom)的裸 DNA的原始单个细胞生物，包括真细菌(eubacteria)和古细菌(archaea)两大类群。 真核微生物(cukaryotic microorganism:酵母菌、衔菌。特点是有明显核，有核膜、核仁。 表2.1原核生物和真核生物遗传的和细胞组装上的主要差别 原核牛物 白核生物 遗传物质和复制的组裂 DNA在细胞质中游离 DNA在膜包由的核中，只有一个核： 只右个必色休 多于一个染色体，每个染色体是双拷贝（双倍体） DNA与米组蛋白连系 DNA与组蛋白连系 含有染色体外的遗传物质，称为质粒 只在酵村中发规质 在mRNA中没有发现内含了 所有基因中都发现内含了 细外塑以“丝仆烈方D,日右不业结 细胞分裂袋为有堂分裂 遗传信传递可通过接合、转导、转化发 速传信总交换发牛在有性繁殖过程，减数分裂导致产牛单倍体 细（配了它们能融合 细胞的组装 盾膜含有hopanoids,后光贴和骑量线 而腊含有围醇 能量代谢与细跑质膜连系 多数情祝在线粒体中发生 光合作用与细胞质中系统和泡袭连系 滚类和植物细胞中行在叶绿体 蛋白质合成和寻托作用与内膜、知陆内质网膜和高尔基体相连薪 有膜的泡卖如溶街体和过氧化物酵体有微斧骨架存在 由一根蛋白毛丝构k搬毛 毛有9+2微管排列的复杂结构 核糖体 70s 核糖休一80S(线粒体和叶绿休的核糖体是70S 肽聚糖的细胞竿（只有真细岗有，古细菌中是不同的多 多糖的细胞华，一般或者足纤维素吸者是几！庭 聚休 第一节原核微生物 原核微生物是指一大类仪含一个DNA分子的原始核区而无核膜包裹，不存在核仁，无细胞器的 原始单细胞微生物，与真核微生物不同。因此原核微生物包括真细菌和古生菌两大类群。其中除少数 属于古生菌外，多数的原核微生物（细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次氏体和衣原体等）都属 于真细菌。 6
一、细菌 ,长度约0.5~5μm)、结构简单，胞壁韧 (一)细菌的形态及大小 1、基本外形：球状 球菌：杆状一杆南：蝶饰状一煤岸南。 (1)球黄(Coccus) 球形或近球形，根据空向排列方式不同又分为单、双、链、四联、八叠、葡萄球菌。不同的排列 方式是山于细胞分裂方向及分裂后情况个同造成的。细胞呈球状或稀圆形，根据这些细胞分裂产生的 新细胞所保持的一定空间排列方式有以下几种情形：见图21 单球掬一尿素微球销（图2.1.1 双球南 的炎双球菌（图2-1-2） A蜜？代#货然八 球菌一 溶球菌（图2.1.3） 234 四联球菌 四联微球菌（图2-1-4） 八叠球菌 -尿素八叠球菌（图2-1-5） B二B9.9 y 葡萄球菌 一金黄色简萄球茵（图 2-1-6) 图2.1细南的各种形态 (2)杆南Bacillus (Bacterium)杆状 A球蘭B杆南C螺旋肉 或圆杜形，径长比不同，短相或细长。是细菌中种类最多的： 杆菌细胞呈杆状或圆柱形。图2.1中B的7为长杆菌和短杆菌，8为枯草芽孢杆菌，9为溶纤维梭 (3)蝶旋菌(Spirillum):细胞呈弯曲杆状的细菌统称为螺旋菌。是细胞呈弯曲杆状细菌统称 -般分散存在。根据其长度、蝶旋数目和螺距等差别，分为弧菌b0(菌体只有一个弯曲，形似C 字)和螺旋菌（螺旋状，超过1图）。 弧菌偏端单生鞭毛或丛生鞭毛（图21-10） 螺旋菌两端都有鞭毛（图211） 细南形态不是一成不变的，受环境条件影响（如温度、培养基浓度及组成、菌龄等） 异常形态：一般，幼龄，生长条件适宜，形状正常、整齐。老龄，不正常，异常形态。 暗形：山于理化因基刺激，阻碍细胞发台引起。 衰形：山于培养时间长，细胞老，背养缺乏，或排物积累过多引胞。 2、细菌的大小 细菌大小的度量单位：以m为单位。 细菌大小的表示： 球菌一般以直径来表示，球菌直径0.51um 杆菌和螺旋菌则以长和宽来表示。如1x2.5um,杆菌直径0.5~1um,长为直径1~几倍，螺旋 菌直径0.3 长1 50m 细菌大小的测定：在显微镜下使用显微测微尺测定。 细菌大小也不是一成不变的。 细菌的重量：每个细菌细胞重量10-13一10-12g,大约109个E.coli细胞才达1mg重 (二)、细菌的细胞构造 研究细菌细胞结构是分子生物学重要内容之 一，有了电子显微镜才有可能。其结构分为基本结 构和特殊结构。基本构造是一般细菌都有的构造：特殊构造足部分细菌具有的或一般细菌在特殊环境 下才有的构造。 基本结构是细胞个变部分，每个细胞都有，如细胞壁、细胞膜、原核
内含物 图2.2细菌细胞结构示意图 1、细胞壁 ①概色 细胞壁(cell wall)是细胞质膜外面具有一定硬度和韧性的壁套，使细胞保持一定形状， 保障其在不同渗透压条件下生长，即使在不良环境中也能防止胞溶作用。 真细菌的细胞壁山肚聚糖构成，而古细菌细胞壁组成物质极为多样，从类似肽聚糖的物质、假肽 聚糖，到多糖、蛋白质和糖蛋白。 真细菌细胞壁山肤聚糖构成，肤聚糖是N乙酰氨基简萄糖(NAG)和带有交替排列的D型或L-型 氨基酸侧连的N乙酰胞壁酸NAM0的多聚体，它足高度的交联的分子，使得细胞具有性，强度和 保护细胞抵抗渗透压的裂解。歌聚糖有许多独特的特性，如！D型氨基酸，它可作为抗生素攻击肤聚 糖的靶目标（抗生素通过抑制或干扰肽聚糖合成而使细胞壁缺损），革兰氏阳性细菌细胞还含有磷壁酸。 ②功能： 细菌细胞壁的生理功能有： 保护原生质体免受渗透 玉引起破裂的作用：维持细菌的细胞形念（可用溶菌酶处理不同形态的细 茵细胞壁后，菌体均呈现圆形得到证明：细胞壁是多孔结构的分子筛，阻挡某些分子进入和保蛋 白质在间质（革兰氏阴性菌细胞壁和细胞质之间的区域）：细胞壁为鞭毛提供支点，使毛运动。 ③革兰氏染色 革兰氏染色根据1884年革兰烟·克甲斯琴(Christian gram)发明的处色反应，且细菊常常分成两 类。对染色步骤反应的差别是山于两类细菌的细胞外膜结构。革兰氏阳性细菌有单一的膜称作细胞彤 (或原生质膜，周被厚的聚层包20 氏阴性细菌只有 薄层肽聚糖(1一3nm, 但是在人聚糖层外边，仍有另一层的外膜，作为另外的屏障（图2.3）。 a b 上)))上)一一外藤 “周质空间 质膜 羊兰氏阳性 革兰氏阴 图2.3细胞表面结构。a革兰氏阳性细菌：b革兰阴性细菌 革兰氏染色步骤如！下：固定过的细胞用暗染色例如结晶紫染色，接着加俱液煤染，细菌细胞壁内 山于染色形成结品紫与供的复合物。随后加酒精从薄的细胞壁中洗出结品紫与碘暗染色的复合物，但 足结品紫一镇复合物 个能从厚的细胞壁中洗出。最后，用较浅的石炭酸复红复染。加石炭酸复红染色 使脱色的细胞呈粉红色，但在暗染色的细胞中没有看到粉红色，仍保持第一次的染色结果。保持原来 染色（厚的细胞壁）的细胞称作革兰氏阳性，在光学显微镜下呈现蓝紫色。脱色的细胞（薄的细胞壁和外 膜)称作革兰氏阴性，染成粉红色或淡紫色
表2.2革兰氏染色程序和结果 步骤 方法 结 果 阳性(G+) 阴性(G-) 染 结品紫30s 若伍 若伍 煤染剂 狼液305 仍为紫色 仍为紫色 脱色 95%乙10-20， 持紫色 脱去紫色 复染 蕃红（或复红）30一60s 仍显射色 红色 ④化学组成与绍微结构 a革兰氏阳性细菌(Gra (30 40mm)而致密的肽聚糖层，多达20层，占细胞壁的成分 60-90%,它同细胞膜的外层'紧率相连（见图2.4）. 有的革兰氏阳性细前细胞壁中含有磷壁酸(teichoi-acid),也即胞壁质(murein).。 间 图2.1G+细菌细胞结构 b革兰氏阴性细菌(Gram negative) 外膜革兰氏阴性细菌特殊的是外膜上含有许多独特的结构（见图示2.5），如把外膜与耿聚糖层 连接起来的布朗(B's)脂蛋白，使营养物被动运输通过膜的膜]孔蛋白和起保护细胞作用的脂多糖 (LPS),脂多糖也称为内青素，对哺乳动物有高度毒性。 受体蛋白 [膜]孔蛋（三聚体） 0特异的侧时 一脂多糖 入脂质A 蛋 肽聚糖 图2.5苹兰氏阴性细菌外膜结构模式图 G-细菌细胞壁外膜的基本成分是脂多糖(lipopo ysaccharide LPS),此外还有磷脂、多糖、和蛋 质。外膜被分为脂多糖层（外）、磷脂层中)、脂蛋白层〔内)。 队聚糖层G-细菌细胞壁队聚糖层很薄，约有2-3m厚。它与外膜的脂蛋白层相连。 周质空间周质空间(periplasmic space,.即壁膜间隙)是革兰氏阴性细菌细胞膜与外膜两膜之间 的一个透明的区域（见图2.3）。它含有与背养物运输和营养物进入有关的蛋白质，有：背养物进入细 胞的蛋白：营养物运输的，如蛋白[水解]酶：细胞防御有毒化合物，1破坏青荷素的B-内酰胺 草兰氏阳性细菌以上这些常分泌到胞外周，革兰氏阴性细菌侧依靠它的外膜，保持这 与菌
紧密结合。 ⑤G与Gˉ菌的细胞壁的特征比较 表2.3 两类细购壁的特征比 特征 G细留 G细菌 世聚 层厚 以速 极少 脂多物 外 缺 :质间厨 很调 较厚 妇地状态 隔使 僵他成柔切 筋消化的效果 原生质体 原生后球 对染料和抗牛素的敏感性 很敏感 中皮敏感 2、细的膜 个分 质一ytopne men)简华版酸理化是顺外的双层9 构，使细胞具有选样吸收性能，控制物质的吸收与排放。 也是 位 原生质膜是一个磷脂双分子层，其中埋藏若与物质运输、能量代谢和信号接收有关的整合蛋白。 另外，有通过电荷相五作用，疏松附着于膜的外周蛋白。膜中的脂类和蛋白质互相相对运动。 ②成分与结构 原生质膜（细胞膜）埋藏在磷脂双分子层中的是有各种功能的蛋白（图2.O,包括转运蛋白、能量代 谢中的蛋白和能够对化学刺激检测和反应的受体蛋白 整合蛋白((integral)是完全地与膜连接而且贯穿 全膜的蛋白，所以这些蛋白在此区域中有疏水性氨基酸埋搅在脂中。外周蛋白(peripheral proreins)是 山于磷脂带正电荷极性头，只是通过电荷作用与膜松散连接的一类，用盐溶液洗涤可以从纯化的膜上 除去。脂类和蛋白质均在运动，而且是彼此之间相对运动。这就是被广泛接受的称作液态镶嵌模式的 细胞草结构模型 砖脂双分子层 细胞膜山含有亲水区域的和疏水区域的两亲性分子磷脂组成，在膜中磷脂以双分 子层排列，极性头部亲水区指向膜的外表面， 而其疏水区脂肪酸的尾部指向膜的内层。结果，膜对于 大分子或电荷高的分子成为一个选样渗透屏障，它们不易通过磷脂双分子的疏水性内层。 ③功能 整合【膜】蛋白 亲水区 888888 极性头基团 水区 外周蛋白 图2.6质膜结构模式图 细胞质膜的生理功能有： 维持渗透压的梯度和溶质的转移：b细胞质膜是半渗透膜，具有选择性的渗透作用，能阻止高