環境工程微生物學

《環境程微》版育普育“五”級規劃材，二版基礎精修改、補充完善。

共篇，篇微基礎，介紹微、群征；化；征

、遺傳變異等分子生物學和分子遺傳學基本原理；重點關注對環境工程極有意義的古菌、極端環境微生物。介紹先進的分子生物學、分子遺傳學技術在環境保護與環境工程中的應用。第二篇為微生物生態與環境生態工程中的微生物作用，介紹在環境工程中各種生物處理方法的微生物機理；如何應用微生物基礎知識分析和解決工程中發現和出現的問題；介紹固定化微生物、微生物絮凝劑、沉澱劑等的開發與應用，以及微生物能源的開發與應用。第三篇為實驗，其內容具有基礎性、可操作性和實用性。

全書理論與實踐相結合，及時反映和應用前沿、邊緣學科的新技術，內容豐富，圖文並茂，適用於環境科學、環境工程、給水排水、環境監測等專業的學生，也可作為其他微生物專業學生及科研人員的參考書。

環境工程微生物學是一門邊緣學科，是環境科學、環境工程、市政工程和環境監測等專業本科生的專業基礎課。由於微生物學涉及學科較多，知識面較廣，因此要求課程內容要有一定的廣度和深度。但限於教學課時有限，篇幅不能太多，故本教材著力於為學生提供基本知識、基本理論和基本操作技能。本教材旨在打基礎，拋磚引玉。學生有了紮實的基礎知識和理論，可以在今後的工作或後續深造中應用和擴展。環境工程微生物學內容體現了理論和實踐的結合，體現了科學的延續性和可持續發展。今天的第三版是彙集了環境工程微生物學教師40年辛勤教學和科學研究工作所積累的經驗體會寫成的。

緒論

第一節　環境與環境工程面臨的問題、可持續發展與微生物

第二節　環境工程微生物學的研究對象和任務

一、環境工程微生物學的研究對象

二、環境工程微生物學的研究任務

第三節　微生物的概述

一、微生物的分類和命名

二、病毒和類病毒

三、原核微生物與真核微生物

四、微生物的特點

思考題

第一篇　微生物學基礎

第一章　非細胞結構的超微生物——病毒

第一節　病毒的一般特徵及其分類

一、病毒的特點

二、病毒的分類

三、類病毒和朊病毒

第二節　病毒的形態和結構

一、病毒的形態和大小

二、病毒的化學組成及結構

第三節　病毒的繁殖

一、病毒的繁殖過程

二、噬菌體的溶原性

第四節　病毒的測定與培養

一、病毒的測定

二、病毒的培養特徵

三、病毒的培養基

四、病毒的培養

第五節 病毒對物理、化學因素、抗生素的抵抗力及在污水處理過程中的去除效果

一、病毒對物理因素的抵抗力

二、病毒對化學因素的抵抗力

三、病毒對抗生素的抵抗力

四、病毒在環境中的存活和在污水處理過程中對病毒的去除效果

第六節　病毒的危害、對策與應用

一、病毒的危害與對策

二、病毒的應用

思考題

第二章　原核微生物

第一節古菌域

一、古菌的特點

二、古菌的分類

三、環境保護和環境工程領域研究古菌的意義

第二節　細茵域

一、細菌的個體形態與大小

二、細菌的細胞結構

三、細菌的培養特徵

四、細菌的物理化學特性

五、細菌的物理化學性質與污（廢）水生物處理的關係

第三節　藍細菌

一、藍細菌的形態大小

二、藍細菌的細胞結構及其功能

三、藍細菌的繁殖

四、藍細菌的生境

五、藍細菌的代謝

六、藍細菌的分類

七、藍細菌與人類及環境的關係

第四節　放線茵

一、放線菌的形態、大小和結構

二、放線菌的菌落形態

三、放線菌的繁殖

四、放線菌的分類

……

第三章 真核生物

第四章 微生物的生理

第五章 微生物的生長繁殖與生存因子

第六章 微生物的遺傳和變異

第二篇 微生物生態與環境生態工程中的微生物作用

第七章 微生物的生態

第八章 微生物在環境物質循環中的作用

第九章 水環境污染控制與治理的生態工程及微生物學原理

第十章 污（廢）水深度處理和微污染水預處理中的微生物學原理

第十一章 有機固體廢物與廢氣的微生物處理及其微生物群落

第十二章 微生物學新技術在環境工程中的應用

第三篇環境工程微生物學實驗

第十三章 環境工程微生物學實驗

附錄

主要參考文獻

本書主要內容包括緒論；原核微生物及真核微生物；非細胞微生物--病毒；微生物的營養；微生物的代謝；微生物的生長繁殖及其控制；微生物的遺傳變異和育種；微生物的生態；微生物對環境污染物的降解與轉化；環境微生物檢測；微生物在水污染控制中的應用；微生物在固體廢物和大氣治理中的應用；生物修復技術；微生物新技術在環境治理中的應用；微生物的分類命名與保藏。本書可作為環境工程、環境科學、給水排水、環境監測等專業的教學用書，也可供從事環境保護工作的科學技術人員參考。

工業革命極大地推動了人類社會文明的發展，但同時也帶來了嚴重的環境污染。水體、土壤、大氣都遭到了不同程度的破壞；白色污染、農藥危害、垃圾問題、資源短缺日趨明顯。利用微生物控制環境污染、消除其危害，使資源得到再生是保證人類社會可持續發展的重要手段。

環境工程微生物學是環境工程、環境科學、給水排水、環境監測、環境管理等專業的技術基礎課，可為水污染控制工程、大氣污染控制工程、固體廢物處理、環境監測等課程提供必需的微生物基本理論和實驗技能，並為污染物生物處理提供新的思路和方法，為在各個方向上理論創新和技術創新提供生物學知識。因此環境工程微生物在相關專業中佔有極其重要的地位。

近年來，環境微生物治理技術已得到迅猛發展，在污染控制方面取得了豐碩成果。但編者在多年教學與研究實踐中體會到，環境工程領域的技術人員常因微生物知識的不足，而影響污染控制技術的深入研究與發展。因此，本書以系統介紹環境工程微生物學基本理論、基本操作及工程應用為出發點，著重討論微生物的類群、形態結構、微生物的營養、生理代謝與調控、遺傳變異、微生物對物質的轉化規律等；在實際應用方面，不僅講述微生物與常規污染控制工程的結合，同時介紹現代微生物技術及其在環境治理中的應用；實驗技能方面，除基本實驗操作外，還介紹了污染高效降解菌的分離、篩選及降解實驗。其主要目的是使讀者全面掌握微生物學的基本知識和基本實驗技能，深入了解環境工程微生物學原理和微生物在環境工程中的應用，樹立理論聯繫實際的基本思想，加強實踐能力，增強創新能力，認識環境工程微生物發展的最新動態及趨勢，掌握現代生物技術中與環境治理有關的新理論、新方法和新技術。本書內容豐富、全面、詳實、圖文並茂，有一定的深度和廣度。

全書共分16章。王國惠任主編，單愛琴任副主編。王國惠執筆第1章、第5章、第7章、第8章、第10章、第14章及實驗部分，並負責全書統稿工作。單愛琴執筆第6章和第16章，魯梅芳執筆第2章和第3章，劉亞傑執筆第9章和第15章的第6節，黃曉丹執筆第4章，羊依金執筆第13章和第15章，吳方同執筆第12章，除秀華執筆第11章。在本書編寫大綱的確定、編、審、校整個過程中，所有成員密切配合、通力協作、嚴肅認真、一絲不苟。本書是全體人員集體智慧的結晶。

本書在編寫過程中參考了國內外許多優秀教材和文獻，在此，向其作者謹致謝忱!

萬鳳仙、李冠宇在文稿錄入、校對、繪圖等方面做了大量的工作，在此一併表示誠摯的謝意!

由於編者水平所限，不妥或錯漏之處難以避免，敬請廣大同仁、讀者批評指正。

王國惠

2005．5

:第1章 緒論 1

1．1 微生物的概念 1

1．2 微生物學的研究內容 1

1．3 人類對微生物的認識及研究 1

1．4 環境工程微生物學的概念 2

1．5 環境工程微生物學的研究內容和任務 2

1．6 環境工程微生物學的發展及研究現狀 2

1．6．1 廢水生物處理研究進展 2

1．6．2 廢氣的生物治理研究進展 3

1．6．3 固體廢物的生物治理研究進展 3

1．7 環境工程微生物學所涉及的學科 5

思考題 5

第2章 原核微生物 6

2．1 細菌 6

2．1．1 細菌的形態與大小 6

2．1．2 細菌的細胞結構 9

2．1．3 細菌的繁殖方式 17

2．1．4 細菌的培養特徵 18

2．2 放線菌(Actinomycetes) 20

2．2．1 放線菌的形態結構 20

2．2．2 放線菌的繁殖方式 21

2．2．3 放線菌的培養特徵 23

2．3 藍細菌(Cyanobacteria) 23

2．3．1 藍細菌的形態 23

2．3．2 藍細菌的結構 24

2，3．3 藍細菌的繁殖 25

2．3．4 環境治理中重要的藍細菌及其作用 25

2．4 古細菌 27

2．4．1 古細菌的一般特徵 27

2．4．2 古細菌重要的分類特徵 28

2．5 其他原核微生物 28

2．5．1 鞘細菌 28

2．5．2 立克次氏體(Rickettsia) 30

2．5．3 支原體(Mycoplasma) 30

2．5．4 衣原體(Chlamydia) 31

2．5．5 螺旋體(spirochaete) 31

思考題 31

第3章 真核微生物 32

3．1 真菌(Fungi) 33

3．1．1 黴菌(Mould，Mold) 33

3．1．2 酵母菌(Yeasts) 40

3．2 其他真核微生物 46

3．2．1 微型藻類 46

3．2．2 原生動物 49

3．2．3 微型後生動物 53

思考題 55

第4章 非細胞微生物--病毒 56

4．1 病毒的一般特徵及其分類 56

4．1．1 病毒的一般特徵 56

4．1．2 病毒的分類 57

4．2 病毒的形態及結構 57

4．2．1 病毒的大小和基本形態 57

4．2．2 病毒的結構和化學組成 57

4．3 病毒的增殖 59

4．3．1 吸附 59

4．3．2 侵入及脫殼 59

4．3．3 生物合成 60

4．3．4 裝配 60

4．3．5 釋放 60

4．4 病毒的培養和檢測 60

4．4．1 病毒的培養 60

4．4．2 動物病毒的檢測 61

4．4．3 噬菌體的檢測 62

4．5 病毒在環境中的存活和在污水處理過程中的去除 63

4．5．1 環境因素對病毒存活的影響 63

4．5．2 污水處理過程中病毒的去除 63

思考題 64

第5章 微生物的營養 65

5．1 微生物的營養及類型 65

5．1．1 微生物細胞的化學組成 65

5．1．2 營養物質及其生理功能 65

5．1．3 微生物的營養類型 68

5．2 培養基 70

5．2．1 培養基的概念 70

5．2．2 配製培養基的原則 70

5．2．3 培養基的類型及應用 73

5．3 營養物質的吸收 76

5．3．1 單純擴散(diffusion) 77

5．3．2促進擴散(facilitated diffusion) 77

5．3．3 主動運輸(active transport) 78

思考題 80

第6章 微生物的代謝 81

6．1 代謝概述 81

6．2 微生物的酶及酶促反應 82

6．2．1 酶的組成 82

6．2．2 酶的結構與功能 82

6．2．3 酶促反應的特點 87

6．2．4 酶的種類 87

6．2．5 酶促反應動力學 88

6．3 微生物的分解代謝 94

6．3．1 生物氧化概述 94

6．3．2 糖的分解代謝 95

6．3．3 微生物的呼吸類型 101

6．3．4 脂肪的分解代謝 103

6．3．5 蛋白質的分解 105

6．3．6自養微生物的產能代謝 106

6．4 微生物的合成代謝 109

6．4．1自養微生物的生物合成 109

6．4．2 異養微生物的生物合成 110

6．5 微生物的代謝調控 111

6．5．1 酶活性的調節--控制反應速率 111

6．5．2 酶合成的調節--控制反應方向 112

思考題 112

第7章 微生物的生長繁殖及其控制 114

7．1 細菌的群體生長 114

7．1．1 細菌的群體生長規律--生長曲線 114

7．1．2微生物生長曲線在廢水生物處理中的指導作用 115

7．1．3 不同廢水生物處理法生長曲線的特點及意義 116

7．2 基質濃度與微生物比生長速率的關係 116

7．3 研究微生物生長的培養方法 117

7．3．1 微生物的分批培養(bath culture of microorganisms) 117

7．3．2 微生物的連續培養(continuous culture of microorganisms) 117

7．4 微生物純培養物的分離及生長的測定 117

7．4．1 純培養物的分離 117

7．4．2 微生物生長的測定 118

7．5 環境因素對微生物生長的影響 119

7．5．1 溫度 119

7．5．2 pH值 120

7．5．3 氧化還原電位(Eh) 121

7．5．4 溶解氧(DO) 122

7．5．5 重金屬及其化合物 123

7．6 微生物生長的控制 123

7．6．1 物理方法的控制 123

7．6．2 化學方法的控制 126

思考題 128

第8章 微生物的遺傳變異和育種 130

8．1 遺傳變異的物質基礎 130

8．1．1 遺傳變異的物質基礎 130

8．1．2 DNA的結構與複製 130

8．1．3 DNA的變性、復性與雜交 132

8．1．4 轉錄 133

8．1．5 翻譯 134

8．2 質粒結構及類型 136

8．2．1 質粒的分子結構 136

8．2．2 質粒的主要類型 136

8．3 DNA的突變和誘變育種 138

8．3．1 DNA的突變 138

8．3．2 誘變與育種 139

8．4 基因重組 141

8．4．1 基因工程工具酶 142

8．4．2基因工程載體143

8．4．3 目的基因的獲得 144

8．4．4 DNA分子的體外連接 145

8．4．5 重組DNA導入宿主菌 148

8．4．6 重組體的篩選 145

8．4．7 基因工程在環境工程中的應用 146

8．5 微生物細胞融合育種 147

8．5．1 細胞融合 147

8．5．2 微生物原生質體及其製備 148

8．5．3 細胞融合的方法 149

8．5．4 融合重組的測定 149

8．5．5 利用細胞融合技術構建環境工程菌 150

思考題 150

第9章 微生物的生態 151

9．1 微生物生態學 151

9．1．1 什麼是微生物生態學 151

9．1．2 微生物生態學的任務 151

9．1．3 微生物在生態系統中的作用 151

9．2 自然環境中的微生物 152

9．2．1 土壤環境中的微生物 152

9．2．2 水環境中的微生物 154

9．2．3 空氣中的微生物 155

9．2．4 極端環境中的微生物 156

9．3 微生物與微生物之間的關係 159

9．3．1 互生(syntrophism) 159

9．3．2 共生(symbiosis) 160

9．3．3 寄生(parasitism) 160

9．3．4 拮抗(antagonism) 161

9．4 微生物群落的發展和演替 162

9．4．1 微生物群落演替的概念 162

9．4．2 演替的類型 162

9．4．3 微生物群落髮展和演替 162

9．5 微生物在環境物質循環中的作用 163

9．5．1碳素循環(the carbon cycle) 163

9．5．2 氮素循環(the nitrogen cycle) 170

9．5．3 硫素循環(the sulphur cycle) 173

9．5．4 磷素循環(the phosphorus cycle) 175

9．5．5 鐵素循環(the iron cycle) 176

9．5．6 錳素循環(the manganese cycle) 176

思考題 177

第10章 微生物對環境污染物的降解與轉化 178

10．1 微生物對環境污染物的降解能力及影響因素 178

10．1．1 微生物對環境污染物的適應能力及巨大的降解潛力 178

10．1．2 微生物降解污染物的影響因素 179

10．2 微生物對污染物的降解 181

10．2．1 無毒污染物的降解 181

10．2．2有毒有機污染物的降解 181

思考題 195

第11章 環境微生物檢測 196

11．1 空氣中微生物的檢測與控制 196

11．1．1 空氣中微生物的檢測方法 196

11．1．2 空氣微生物污染的控制 197

11．2 水的微生物檢測及控制 198

11．2．1 水質的細菌學檢測 198

11．2．2 水質指示微生物--大腸菌群(coliform group，簡稱coliform) 198

11．2．3 水微生物污染的控制 199

11．3 發光細菌的微毒檢測 199

11．3．1 發光細菌檢測的原理 200

11．3．2 發光細菌法檢測的操作 200

11．3．3 發光細菌法的應用 200

11．4 污染物致突變性檢測(Ames試驗) 201

11．4．1 Ames試驗的原理和方法 201

11．4．2 Ames試驗的應用 203

11．5 生物感測器 204

11．5．1 生物感測器的定義與分類 204

11．5．2 生物感測器基本結構和工作原理 204

11．5．3 生物感測器在環境檢測中的應用 205

11．6 PCR技術在環境檢測中的應用 207

11．6．1 PCR反應原理 207

11．6．2 PCR反應條件 208

11．6．3 PCR技術用於環境微生物檢測的方法 209

11．6．4 PCR在環境微生物檢測中的應用 209

11．6．5 小結與展望 210

11．7 用於環境保護的工程菌的安全性問題 210

11．7．1 用於環境保護的基因工程菌的構建 210

11．7．2 基因工程菌存在的問題 211

11．7．3 展望 211

思考題 211

第12章 微生物在水污染控制中的應用 212

12．1 廢水好氧生物處理中的微生物學原理 212

12．1．1 概述 212

12．1．2 活性污泥法 212

12．1．3 生物膜法 218

12．1．4 其他生物處理法 223

12．2廢水厭氧生物處理中的微生物學原理 225

12．2．1 概述 225

12．2．2 廢水厭氧降解機理 225

12．2．3 廢水厭氧生物處理工藝 227

12．3 水體的富營養化和氮磷的去除 228

12．3．1 水體的富營養化概述 228

12．3．2 生物脫氮 229

12．3．3 生物除磷 232

思考題 235

第13章 微生物在固體廢物和大氣污染治理中的應用 236

13．1 固體廢物的生物處理 236

13．1．1 堆肥法 237

13．1．2衛生填埋法240

13．1．3 厭氧發酵 241

13．2 廢氣的生物處理 241

13．2．1 廢氣生物處理微生物學 241

13．2．2 廢氣生物處理方法 242

思考題 245

第14章 生物修復技術 246

14．1 概述 246

14．1．1 基本概念 246

14．1．2 應用生物修復技術應具備的條件 246

14．1．3 理論及技術來源 246

14．1．4 生物修復技術的重點研究方向 247

14．1．5 生物修復技術的特點 247

14．2 生物修復技術的原理 247

14．2．1 在生物修復技術中應用的微生物 247

14．2．2 影響生物修復的環境因素 249

14．3 污染土壤的生物修復 250

14．3．1 原位生物處理 250

14．3．2 異位生物修復 252

14．4 地下水的生物修復 253

14．4．1 原位生物處理 254

14．4．2 異位修復技術 254

14．4．3 物理攔阻 254

14．5海洋石油污染的生物修復 254

思考題 255

第15章 微生物新技術在環境治理中的應用 256

15．1 固定化技術(固定化酶和固定化細胞) 256

15．1．1 固定化細胞與酶的特點 256

15．1．2 固定化酶與固定化細胞在環境工程中的應用 257

15．2 廢物資源化技術 257

15．2．1 可生物降解塑料PHAs 258

15．2．2 單細胞蛋白的生產 259

15．3 污染預防微生物技術 260

15．3．1 燃煤脫硫 260

15．3．2微生物濕法冶金技術 261

15．4 微生物絮凝劑 265

15．5 微生物吸附劑 266

思考題 267

第16章 微生物的分類命名與保藏 268

16．1 微生物的分類與命名 268

16．1．1 微生物的分類單位 268

16．1．2 微生物的命名原則 269

16．1．3 微生物的分類鑒定依據 269

16．2 微生物分類檢索系統 275

16．2．1 原核微生物的分類系統--Bergey氏原核生物分類系統 277

16．2．2 真菌的分類系統--Ainsworth等人的菌物分類系統 279

16．3 菌種保藏 280

16．3．1 菌種保藏的原理 280

16．3．2 菌種保藏的常用方法 280

思考題 281

環境工程微生物學實驗 283

實驗1 光學顯微鏡的操作、細菌形態的觀察及大小的測量 286

實驗2 放線菌、真菌、藻類及原生動物形態的觀察 290

實驗3 微生物的染色 291

實驗4 培養基的製備和滅菌 293

實驗5 細菌純種的分離及接種技術 295

實驗6 微生物培養特徵及個體形態的觀察 297

實驗7 顯微鏡微生物計數法 298

實驗8 大腸菌群生長曲線的測定 299

實驗9 水中細菌總數的測定 301

實驗10 大腸菌群數的測定--多管發酵法 302

實驗11 大腸菌群數的測定--濾膜法306

實驗12 空氣中微生物的檢驗 307

實驗13 活性污泥脫氫酶活性的測定 308

實驗14 酚降解菌的馴化、分離與篩選 310

實驗15 有機氯農藥降解菌的分離篩選 311

實驗16 氧化酶試驗 312

實驗17 噬菌體的分離與純化 312

附錄 315

附錄1 教學用染色液的配製 315

附錄2 特殊結構的染色方法 317

附錄3 教學用培養基的配製 317

附錄4 環境工程中用於分離某些特殊污染物降解菌的培養基 320

參考文獻 323