環(huán)境工程微生物學(xué)

環(huán)境工程微生物學(xué)?一、微生物概述微生物的定義與特點(diǎn)微生物是一切肉眼看不見或看不清的微小生物的總稱。它們個(gè)體微小，結(jié)構(gòu)簡單，通常要用光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡才能看清其形態(tài)結(jié)構(gòu)。微生物具有體積小、面積大，生長旺、繁殖快，適應(yīng)強(qiáng)、易變異，分布廣、種類多等特點(diǎn)。微生物的分類微生物主要包括原核微生物（如細(xì)菌、放線菌、藍(lán)細(xì)菌等）、真核微生物（如酵母菌、霉菌、原生動(dòng)物等）和非細(xì)胞微生物（如病毒）。細(xì)菌的形態(tài)多樣，有球狀、桿狀、螺旋狀等。其細(xì)胞結(jié)構(gòu)包括細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、核質(zhì)等。細(xì)菌通過二分裂方式繁殖。放線菌是一類具有絲狀分枝的單細(xì)胞原核微生物，在形態(tài)上與霉菌相似，但細(xì)胞結(jié)構(gòu)與細(xì)菌相同。放線菌主要通過形成無性孢子進(jìn)行繁殖。藍(lán)細(xì)菌又稱藍(lán)藻，是一類能進(jìn)行光合作用的原核生物。它們具有光合色素，能在光能作用下將二氧化碳和水合成有機(jī)物。酵母菌是單細(xì)胞真核微生物，具有典型的真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)。酵母菌的繁殖方式有無性繁殖（如芽殖、裂殖等）和有性繁殖。霉菌是絲狀真菌的統(tǒng)稱，其菌絲體分為營養(yǎng)菌絲和氣生菌絲。霉菌通過無性孢子和有性孢子進(jìn)行繁殖。原生動(dòng)物是單細(xì)胞的真核生物，具有多種營養(yǎng)類型，如動(dòng)物性營養(yǎng)、植物性營養(yǎng)和腐生性營養(yǎng)。原生動(dòng)物的繁殖方式有無性生殖和有性生殖。病毒是一類非細(xì)胞型微生物，由核酸和蛋白質(zhì)衣殼組成。病毒沒有獨(dú)立的代謝系統(tǒng)，必須在活細(xì)胞內(nèi)寄生才能生長繁殖。二、微生物的生理微生物的營養(yǎng)1.營養(yǎng)物質(zhì)的類型微生物的營養(yǎng)物質(zhì)包括碳源、氮源、能源、生長因子、無機(jī)鹽和水。碳源主要用于構(gòu)成微生物細(xì)胞的含碳物質(zhì)和提供能量，如糖類、脂肪、有機(jī)酸等。氮源用于合成細(xì)胞中的含氮物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、核酸等，常見的氮源有蛋白質(zhì)、氨基酸、銨鹽、硝酸鹽等。能源是為微生物生命活動(dòng)提供能量的物質(zhì)，有些微生物可以利用碳源作為能源，有些則需要專門的能源物質(zhì)。生長因子是微生物生長所必需的微量有機(jī)物質(zhì)，如維生素、氨基酸、嘌呤、嘧啶等。無機(jī)鹽參與微生物細(xì)胞的組成、調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓、酶的激活劑等。水是微生物細(xì)胞的重要組成成分，也是代謝反應(yīng)的溶劑。2.營養(yǎng)物質(zhì)的吸收方式微生物吸收營養(yǎng)物質(zhì)的方式主要有單純擴(kuò)散、促進(jìn)擴(kuò)散、主動(dòng)運(yùn)輸和基團(tuán)轉(zhuǎn)位。單純擴(kuò)散是物質(zhì)順濃度梯度從高濃度向低濃度的擴(kuò)散，不需要載體和能量。促進(jìn)擴(kuò)散需要載體蛋白的參與，物質(zhì)也是順濃度梯度運(yùn)輸，不消耗能量。主動(dòng)運(yùn)輸是微生物吸收營養(yǎng)物質(zhì)的主要方式，需要載體蛋白和能量，能逆濃度梯度運(yùn)輸營養(yǎng)物質(zhì)?；鶊F(tuán)轉(zhuǎn)位是一種特殊的主動(dòng)運(yùn)輸方式，物質(zhì)在運(yùn)輸過程中發(fā)生化學(xué)變化。微生物的代謝1.分解代謝微生物的分解代謝是指將復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)分解為簡單的小分子物質(zhì)，并釋放能量的過程。常見的分解代謝途徑有糖酵解、三羧酸循環(huán)、戊糖磷酸途徑等。糖酵解是將葡萄糖分解為丙酮酸的過程，產(chǎn)生少量能量。三羧酸循環(huán)進(jìn)一步將丙酮酸徹底氧化分解，釋放大量能量。戊糖磷酸途徑主要用于產(chǎn)生NADPH和磷酸戊糖，為生物合成提供原料。2.合成代謝合成代謝是指微生物利用小分子物質(zhì)合成細(xì)胞物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的過程。微生物合成細(xì)胞物質(zhì)需要碳源、氮源、能源等營養(yǎng)物質(zhì)，通過一系列酶促反應(yīng)合成蛋白質(zhì)、核酸、多糖、脂肪等生物大分子。微生物還能合成多種代謝產(chǎn)物，如初級(jí)代謝產(chǎn)物（如氨基酸、核苷酸、多糖等）和次級(jí)代謝產(chǎn)物（如抗生素、毒素、色素等）。微生物的生長繁殖1.生長曲線微生物的生長曲線分為遲緩期、對(duì)數(shù)期、穩(wěn)定期和衰亡期。遲緩期是微生物接種到新鮮培養(yǎng)基后，適應(yīng)新環(huán)境的階段，生長緩慢。對(duì)數(shù)期微生物生長迅速，細(xì)胞數(shù)目呈對(duì)數(shù)增長，此階段微生物代謝旺盛，個(gè)體形態(tài)和生理特性比較一致，是研究微生物生理特性的良好材料。穩(wěn)定期由于營養(yǎng)物質(zhì)的消耗、代謝產(chǎn)物的積累等原因，微生物生長速率逐漸下降，新細(xì)胞生成與死亡細(xì)胞數(shù)目達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。衰亡期微生物生長速率急劇下降，死亡細(xì)胞數(shù)目超過新生細(xì)胞數(shù)目，細(xì)胞出現(xiàn)變形、自溶等現(xiàn)象。2.影響微生物生長的因素溫度、pH值、氧氣、滲透壓等環(huán)境因素會(huì)影響微生物的生長。不同微生物對(duì)溫度的要求不同，可分為嗜冷菌、嗜溫菌、嗜熱菌等。大多數(shù)微生物生長的最適pH值在6.57.5之間。根據(jù)微生物對(duì)氧氣的需求，可分為好氧菌、厭氧菌、兼性厭氧菌等。高滲透壓會(huì)使微生物細(xì)胞失水，影響生長；低滲透壓則可能導(dǎo)致細(xì)胞吸水膨脹破裂。三、微生物在環(huán)境工程中的作用廢水生物處理1.好氧生物處理好氧生物處理是利用好氧微生物在有氧條件下分解廢水中的有機(jī)物，將其轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，并釋放能量的過程。常見的好氧生物處理方法有活性污泥法、生物膜法等。活性污泥法是通過曝氣使廢水與活性污泥混合，活性污泥中的微生物分解有機(jī)物。生物膜法是使廢水通過附著有微生物的載體表面，微生物在載體表面形成生物膜，分解廢水中的有機(jī)物。2.厭氧生物處理厭氧生物處理是利用厭氧微生物在無氧條件下分解廢水中的有機(jī)物，產(chǎn)生甲烷、二氧化碳等氣體的過程。厭氧生物處理適用于高濃度有機(jī)廢水的處理，具有能耗低、污泥產(chǎn)量少等優(yōu)點(diǎn)。常見的厭氧生物處理工藝有厭氧消化池、UASB反應(yīng)器等。廢氣生物處理廢氣生物處理是利用微生物將廢氣中的污染物分解或轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)的過程。常見的廢氣生物處理方法有生物過濾法、生物滴濾法、生物洗滌法等。生物過濾法是使廢氣通過含有微生物的濾料層，微生物分解廢氣中的污染物。生物滴濾法是在生物過濾法的基礎(chǔ)上，增加了營養(yǎng)液噴淋裝置，提高了微生物的活性。生物洗滌法是使廢氣與含有微生物的洗滌液接觸，污染物被微生物分解或吸收。土壤污染生物修復(fù)土壤污染生物修復(fù)是利用微生物的代謝活動(dòng)將土壤中的污染物分解或轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)的過程。微生物可以通過共代謝、降解等方式去除土壤中的有機(jī)污染物，如石油、農(nóng)藥等。對(duì)于重金屬污染土壤，微生物可以通過吸附、沉淀等作用降低土壤中重金屬的含量。四、微生物與環(huán)境物質(zhì)循環(huán)碳循環(huán)微生物在碳循環(huán)中起著重要作用。植物通過光合作用將二氧化碳固定為有機(jī)物，微生物可以分解這些有機(jī)物，釋放出二氧化碳。此外，微生物還能進(jìn)行甲烷的產(chǎn)生和氧化。在厭氧環(huán)境中，產(chǎn)甲烷菌將有機(jī)物分解產(chǎn)生甲烷；在有氧環(huán)境中，甲烷氧化菌將甲烷氧化為二氧化碳。氮循環(huán)氮循環(huán)包括固氮、氨化作用、硝化作用、反硝化作用等過程。固氮微生物將空氣中的氮?dú)夤潭榘?，為植物提供氮源。氨化作用是微生物將含氮有機(jī)物分解為氨的過程。硝化作用是氨在硝化細(xì)菌的作用下氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽的過程。反硝化作用是硝酸鹽在反硝化細(xì)菌的作用下還原為氮?dú)獾倪^程，使氮素重新回到大氣中。硫循環(huán)微生物參與硫循環(huán)的多個(gè)環(huán)節(jié)。硫化細(xì)菌可以將硫化氫氧化為單質(zhì)硫或硫酸鹽，硫細(xì)菌可以將單質(zhì)硫氧化為硫酸鹽。在厭氧環(huán)境中，硫酸鹽還原菌可以將硫酸鹽還原為硫化氫。五、微生物的遺傳與變異遺傳物質(zhì)微生物的遺傳物質(zhì)主要是DNA。DNA由核苷酸組成，具有雙螺旋結(jié)構(gòu)?；蚴荄NA分子上具有遺傳效應(yīng)的片段，決定了微生物的各種性狀。遺傳信息的傳遞遺傳信息的傳遞包括DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯。DNA復(fù)制是指以親代DNA為模板合成子代DNA的過程，保證了遺傳信息的穩(wěn)定傳遞。轉(zhuǎn)錄是指以DNA為模板合成RNA的過程，RNA包括信使RNA（mRNA）、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA）和核糖體RNA（rRNA）。翻譯是指以mRNA為模板，tRNA攜帶氨基酸，在核糖體上合成蛋白質(zhì)的過程，將遺傳信息轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)的氨基酸序列?；蛲蛔兓蛲蛔兪侵窪NA分子中堿基對(duì)的增添、缺失或替換等變化?；蛲蛔兛梢宰园l(fā)產(chǎn)生，也可以由物理因素（如紫外線、X射線等）、化學(xué)因素（如誘變劑）等誘導(dǎo)產(chǎn)生。基因突變可能導(dǎo)致微生物性狀的改變，有些突變對(duì)微生物有利，有些則不利?；蛑亟M基因重組是指不同DNA分子間發(fā)生的遺傳信息的重新組合。微生物的基因重組方式有轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合等。轉(zhuǎn)化是指受體菌直接吸收供體菌的DNA片段，并整合到自己的基因組中。轉(zhuǎn)導(dǎo)是指通過噬菌體將供體菌的DNA片段轉(zhuǎn)移到受體菌中。接合是指細(xì)菌通過性菌毛相互連接，進(jìn)行遺傳物質(zhì)的傳遞。六、微生物的生態(tài)微生物生態(tài)系統(tǒng)微生物生態(tài)系統(tǒng)是指在一定空間內(nèi)，微生物與周圍環(huán)境中的生物和非生物因素相互作用而形成的一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)。微生物生態(tài)系統(tǒng)包括生產(chǎn)者（如光合細(xì)菌）、消費(fèi)者（如原生動(dòng)物）和分解者（如大多數(shù)細(xì)菌和真菌）。微生物群落結(jié)構(gòu)與多樣性微生物群落結(jié)構(gòu)是指微生物群落中不同種類微生物的組成和數(shù)量關(guān)系。微生物群落多樣性包括物種多樣性、遺傳多樣性和功能多樣性等。通過分子生物學(xué)技術(shù)（如16SrRNA基因測序等）可以分析微生物群落的結(jié)構(gòu)和多樣性。微生物與其他生物的關(guān)系微生物與其他生物之間存在著多種關(guān)系，如互生、共生、寄生、拮抗等?；ドP(guān)系是指兩種生物相互協(xié)作，共同生活，雙方都受益，如根際微生物與植物的關(guān)系。共生關(guān)系是指兩種生物緊密地生活在一起，相互依存，彼此有利，如地衣是藻類和真菌的共生體。寄生關(guān)系是指一種生物寄生在另一種生物體內(nèi)或體表，獲取營養(yǎng)，對(duì)宿主造成損害，如噬菌體與細(xì)菌的關(guān)系。拮抗關(guān)系是指兩種生物生活在一起，一種生物產(chǎn)生某種代謝產(chǎn)物抑制或殺死另一種生物，如抗生素產(chǎn)生菌與其他微生物的關(guān)系。七、微生物的分類鑒定微生物分類的依據(jù)微生物分類的依據(jù)主要有形態(tài)學(xué)特征、生理生化特征、遺傳學(xué)特征等。形態(tài)學(xué)特征包括細(xì)胞形態(tài)、大小、結(jié)構(gòu)等；生理生化特征包括營養(yǎng)類型、代謝產(chǎn)物、酶活性等；遺傳學(xué)特征包括DNA堿基組成、基因序列等。微生物分類鑒定方法傳統(tǒng)的微生物分類鑒定方法包括形態(tài)學(xué)觀察、生理生化試驗(yàn)、血清學(xué)反應(yīng)等?，F(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)如PCR、16SrRNA基因測序、宏基因組學(xué)等為微生物的分類鑒定提供了更準(zhǔn)確、快速的方法。通過16SrRNA基因測序可以確定微生物的親緣關(guān)系，宏基因組學(xué)可以直接對(duì)環(huán)境中微生物群落的基因組進(jìn)行分析，了解微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能。八、微生物在環(huán)境工程中的應(yīng)用實(shí)例活性污泥法處理城市污水活性污泥法是目前應(yīng)用最廣泛的城市污水處理方法之一。在活性污泥法處理系統(tǒng)中，污水與活性污泥混合，活性污泥中的微生物分解污水中的有機(jī)物。通過曝氣為微生物提供氧氣，使有機(jī)物得到充分分解。處理后的污水達(dá)標(biāo)排放，活性污泥經(jīng)過沉淀、回流等處理后繼續(xù)用于污水處理。UASB反應(yīng)器處理高濃度有機(jī)廢水UASB反應(yīng)器是一種高效的厭氧生物處理設(shè)備。高濃度有機(jī)廢水進(jìn)入U(xiǎn)ASB反應(yīng)器后，在厭氧條件下，產(chǎn)甲烷菌等微生物將有機(jī)物分解為甲烷和二氧化碳等氣體。UASB反應(yīng)器具有污泥濃度高、處理效果好、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于釀造、食品加工等行業(yè)的高濃度有機(jī)廢水處理。生物膜法處理工業(yè)廢氣生物膜法在工業(yè)廢氣處理中取得了良好的效果。例如，采用生物過濾法處理含苯廢氣，廢氣通過含有微生物的濾料層，微生物將苯分解為二氧化碳和水。生物膜法具有設(shè)備簡單、運(yùn)行成本低、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種工業(yè)廢氣的處理。九、復(fù)習(xí)要點(diǎn)總結(jié)重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)梳理1.微生物的分類、形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理特性。2.微生物的營養(yǎng)、代謝和生長繁殖規(guī)律。3.微生物在環(huán)境工程中的作用，如廢水生物處理、廢氣生物處理、土壤污染生物修復(fù)等。4.微生物與環(huán)境物質(zhì)循環(huán)的關(guān)系，包括碳循環(huán)、氮循環(huán)、硫循環(huán)等。5.微生物的遺傳與變異，遺傳物質(zhì)、遺傳信息傳遞、基因突變和基因重組等。6.微生物的生態(tài)，微生物生態(tài)系統(tǒng)、群落結(jié)構(gòu)與多樣性、與其他生物的關(guān)系等。7.微生物的分類鑒定依據(jù)和方法。復(fù)習(xí)