環境微生物學

1．環境污染物對微生物的毒性

2．微生物對污染物的抗性

3．微生物抗污染物的分子機理

4．微生物對污染物的降解和降解機理

5．微生物降解污染物的分子遺傳學

6．廢氣微生物處理方法

7．污水的微生物處理方法

8．固體廢物的微生物處理方法

9．煤和石油的微生物脫硫方法

10．微生物和它們的代謝產物對環境的污染

研究微生物與污染環境的相互關係，特別是如何利用微生物有效降解日趨嚴重的多種多樣的環境污染物，為解決全世界環境污染問題提出一些有效可持續發展的方法和技術以及理論基礎。環境微生物與醫學、發酵工業、環境保護、數學、化學和社會科學都有密切的關係。

1．與微生物學關係：是微生物學的一個重要分支。

2．與微生物生態學的關係：

微生物生態學(Microbial Ecology)便是指研究微生物與其周圍生物和非生物環境之間相互關係的一門科學。也有人認為生態學也可以稱為環境生物學，那麼微生物生態學也可以稱為環境微生物學(Environmental Microbiology)。但是在內容的重點和所包括的範圍方面它們是有區別的。

微生物生態學包括研究非污染環境和污染環境中的微生物學；微生態學(Microecology)是研究細胞水平的生態學。這就說明微生物生態學是宏觀生態學；而微生態學是生態學的微觀層次。微生物生態學的研究對象是微生物與外環境的相互關係；而微生態學的研究對象則是有生命的宿主。微生物生態學側重於微生物；而微生態學側重點於植物、動物和人類宿主，研究正常微生物菌群與宿主相互關係的生命學科。環境醫學(Environmental Medicine)：研究環境污染物及其代謝產物與人類健康和疾病的相互關係。

到了20世紀50年代末和60年代初，由於人口的膨脹，各種工業的迅速發展，環境污染日趨嚴重。同時人們發現排放到自然環境中去的污染物對土壤和水中的微生物生命和代謝有很大的影響，並發現許多微生物能降解各種人工合成的和天然的污染物。

由於農民大量使用合成洗滌劑、各種農藥和化肥，引起農村的水體也受到了嚴重污染並引起許多水體出現富營養化的問題。還發現許多污染物，如DDT、PCBs和汞化合物能在食物鏈中引起生物放大作用(Biomagnification)。由於這些問題引起許多科學家對環境微生物學的濃厚興趣，並使它得到了迅速發展。太空技術的發展給人們提供了研究某些極端環境微生物的有力工具。

在70年代由於氮肥的短缺促使人們研究共生固氮微生物和非共生固氮微生物。能源的危機使人們試圖利用一些廢物，經過微生物的轉化作用生產有用的燃料。

在海洋中石油污染物的降解研究開始於60年代後期，所以到了90年代人們開始利用微生物去除環境污染物。

由於現代分析手段和技術方法的不斷改進，分子生物學技術的迅速發展，人們對污染環境問題的高度重視，給環境微生物學的研究和發展起著非常大的促進作用。

近幾十年來，中國人口迅速增長，特別改革開放后鄉鎮企業突飛猛進的發展，在給中國人民帶來經濟繁榮的同時，也給中國的環境造成了嚴重威脅，許多江河、土壤和農田受到了嚴重污染。新的污染源和污染物種類不斷出現。

為了解決中國日趨嚴重的環境污染問題，中國政府和有關企業投放了大量的人力和財力開展了污染環境的治理工作。由於利用微生物處理污染物有許多優點，中國十分重視利用微生物處理各種污水和廢氣，並廣泛開展了各種污染環境的微生物種類和分佈的調查，發現了許多對污染物具有強降解能力的微生物，並對各種苯環污染物、石油、洗滌劑、農藥、染料的降解途徑和降解程度，各種重金屬的微生物轉化和吸附，廢水中氮和磷的微生物去除，各種污水處理系統中微生物生態學進行了比較全面的研究，建立各種處理效果顯著的各種污水處理工藝，包括活性污泥法，各種生物膜反應器，固定化細胞等等。

在當前環境污染日益嚴重的情況下，環境微生物學主要深入研究並闡明微生物，污染物與環境三者間的相互關係與作用規律，為保護環境，造福人類服務。

1．由於微生物個體微小，有很大的細胞比表面積，微生物生理生化功能多樣，代謝能力強，易適應新環境，遺傳功能易於改造，繁殖速度快，能徹底凈化環境污染物，不會造成二次污染，處理污染物時只需在常溫，常壓下進行，不需特殊的設備，在處理污染物過程中還會產生許多有用的產物，所以利用有關的混合微生物群體凈化環境污染物有重要的實際和經濟意義。生物工程技術不斷發展，基因工程技術的廣泛使用，使構建新的具有降解多種污染物的微生物菌株成為可能，為更有效地凈化日趨嚴重的環境污染帶來了新的希望。

2．許多環境污染物或微生物轉化某些污染物產生的一些中間產物對人體和生態平衡危害極大，有些污染物或它們的代謝中間產物甚至可以導致人體細胞癌變，所以開展污染生態中微生物降解污染物的途徑、降解程度和降解速率的研究，可以給環境醫學和環境保護的對策提供理論依據。

3．自然界有許多微生物是人、動物和植物的病原菌，有些微生物在自然界生長和代謝過程中，產生一些毒物或改變局部的自然條件，結果不利於其它生物的生長和生存，像這樣的微生物應當設法控制它們的生長和擴散。

4．由於科學技術的發展，人們生活和工作的需要，排放到自然環境中的人工合成化合物越來越多，這些化合物在自然界停留的時間應引起高度重視。在許多發達國家，每一種人工合成化合物排放到自然界之前，都應經過微生物可降解試驗的研究，以便判斷該化合物將對環境產生的影響。

作者：趙開弘

定價：44.00元

開本：16開

出版日期：2009年8月

本書共分11章，闡述了有關環境微生物的基本概念和理論、環境微生物的分類和特性、環境微生物的生理和代謝、環境微生物的遺傳和進化、環境微生物的生態規律和多樣性、涉及環境微生物的技術方法、環境微生物學最新進展等。從“實踐—認識—再實踐”的高度，揭示環境微生物學的發展規律，以便在理論上和實踐上完全摒棄“先污染后治理”這種亡羊補牢式的陳舊思維，全面樹立以“綠色生態”打造“可持續發展”這種環境生態新理念。鑒於環境微生物學的基礎性，盡量多介紹有關環境微生物學的基本理論和技術，分章節詳細介紹它們和環境科學與環境工程的滲透與融合。根據環境微生物學在生命和環境領域的地位和作用，力求做到既全面詳盡，又主次分明重點突出。鑒於現代生命科學基礎的分子生物學和基因工程在環境微生物學中的重要作用，力求綜合這些重要學科，以不同的環境與資源問題為例加以重點介紹。

總之，全書以重大環境與資源問題為中心，著眼於詳盡介紹環境微生物學的基本理論和技術方法，力求內容新穎、覆蓋面廣、概念清晰、邏輯嚴謹、深入淺出、言簡意賅，充分反映現代環境微生物學的總體面貌、最新成就和發展方向。本書可供環境科學與工程專業本科生和相關專業的硏究生作為環境微生物學教材之用，也可作為從事環保、環境生物技術研究的有關科研人員的參考書。

在華中科技大學出版社組織下，2008年3月在武漢舉行了全國環境微生物學教材編審會，組成了環境微生物學編寫組，全書由多所高校的相關專業老師集體編寫。具體分工如下：第1章由內蒙古大學的趙吉、第2章由華中農業大學的張娟與南華大學的唐東山、第3章由天津理工大學的馮炘與解玉紅、第4章由桂林電子科技大學的蔣永榮、第5章由天津理工大學的馮炘與解玉紅、第6章由河北大學的馬建薇與華中科技大學的朱菁萍、第7章由武漢理工大學的刁紅麗與鄭州大學的郭夏麗，第8章由廣東仲愷農業工程學院的陶雪琴、第9章由湖北師範學院的蘇平、第10章由鄭州輕工業學院的魏明寶與鄭先君、第11章由華中科技大學的朱菁萍編寫，全書由華中農業大學農業微生物學國家重點實驗室的趙開弘和內蒙古大學的趙吉分別擔任正、副主編，統編修改而成。

本書在編寫過程中參考了國內外許多優秀教材及科研論文，具體細目列於每章之後，方便讀者跟蹤學科最新進展。對於所參考的文獻資料，在此向其作者謹致謝忱。此外，在書後附錄D列出了環境微生物學有關的重要專業英文關鍵詞，希望讀者掌握這些基本辭彙，它有利於讀者從點上把握環境微生物學全貌，而且有利於讀者查閱相關文獻，特別是英文文獻。

最後，編者用力雖勤，然限於水平，書中紕漏之處在所難免，懇請業內同仁和廣大讀者不吝指正，以便再版修訂，使臻完善。

第1章緒論（1）

1．1環境微生物學的重要概念（1）

1．1.1生命及其基本特徵（1）

1．1.2重要術語（2）

1．1.3微生物的分類（3）

1．1.4原核生物與真核生物（5）

1．2環境微生物學的研究任務（5）

1．2.1環境微生物學的範疇（5）

1．2.2環境微生物學的研究內容（6）

1．3環境微生物學的歷史與發展（7）

1．3.1人類對環境微生物的認識（7）

1．3.2環境微生物學的形成與發展（8）

1．3.3微生物在環境工程中的應用（9）

1．3.4環境微生物生物技術的應用（10）

1．4環境微生物的起源與進化（12）

1．4.1地球上生命的起源（12）

1．4.2環境微生物的起源（13）

1.4.3放氧光合作用的進化（14）

1．4.4真核細胞的形成（15）

1．5環境微生物的重要特性（16）

1．5.1微生物的生物多樣性（16）

1．5.2微生物生理類群的多樣性（17）

1．5.3微生物的環境適應性（18）

1．5.4環境中微生物的安全性（18）

1．6環境微生物學與相關學科的相互滲透和促進（20）

1．7學習環境微生物學的意義（21）

複習思考題（21）

主要參考文獻（22）

第2章環境中的微生物及其特性（24）

2．1微生物概述（24）

2．1.1微生物的定義（24）

2．1.2微生物的分類與命名（24）

2．1.3微生物的基本特點（26）

2．2原核微生物（28）

2．2.1細菌（28）

2．2.2古菌（34）

2．2.3放線菌（38）

2．2.4其他原核生物（39）

2．3真核微生物（41）

2．3.1酵母菌（41）

2．3.2黴菌（43）

2．3.3大型真菌（46）

2．3.4真核藻類（47）

2．3.5原生動物（48）

2．3.6微型後生動物（50）

2．4病毒（52）

2．4.1病毒的特徵和分類（52）

2．4.2病毒的結構（53）

2．4.3亞病毒（54）

2．4.4病毒的增殖過程（55）

2．4.5環境因子對病毒的影響（55）

複習思考題（56）

主要參考文獻（56）

第3章微生物的營養與代謝（58）

3．1微生物的營養（58）

3．1.1微生物的化學組成和營養要素（59）

3．1.2微生物的營養類型（61）

3．1.3微生物的培養基（61）

3．2微生物的酶（61）

3．2.1酶的定義、分類和特性（62）

3．2.2酶的組成與結構（62）

3．2.3酶活力及其影響因素（66）

3．3微生物的能量代謝（69）

3．3.1生物氧化（69）

3．3.2生物氧化的類型（73）

3．3.3微生物的分解代謝（74）

3．3.4微生物的合成代謝（79）

複習思考題（82）

主要參考文獻（83）

第4章微生物的生長及其環境(84)

4．1微生物的生長(84)

4．1.1微生物的生長繁殖特徵(84)

4．1.2研究微生物生長的方法(85)

4．1.3微生物生長繁殖的測定(88)

4．1.4環境因素對微生物生長的影響(88)

4．1.5微生物在自然環境中的生長(92)

4．2陸地環境中的微生物(93)

4．2.1土壤作為微生物的一種環境(93)

4．2.2土壤中的微生物(94)

4．2.3根際微生物(96)

4．3大氣環境中的微生物(99)

4．3.1空氣中微生物的存活(99)

4．3.2空氣是傳播微生物的介質(100)

4．3.3室外空氣中的微生物(101)

4．3.4室內空氣中的微生物(101)

4．3.5空氣微生物的衛生標準及檢測(103)

4．4水環境中的微生物(104)

4．4.1水環境中的微生物生境(104)

4．4.2淡水環境中的微生物(105)

4．4.3海水環境中的微生物(107)

4．4.4河口微生物動態變化(108)

4．4.5近海噬藻體的重要功能(108)

4．5極端環境中的微生物(110)

4．5.1高溫環境中的微生物(110)

4．5.2低溫環境中的微生物(111)

4．5.3高鹽環境中的微生物(112)

4．5.4高酸環境中的微生物(112)

4．5.5高鹼環境中的微生物(113)

4．5.6高壓環境中的微生物(114)

4．5.7高輻射環境中的微生物(115)

複習思考題(115)

主要參考文獻(116)

第5章環境微生物的遺傳與變異(117)

5．1環境微生物的遺傳和變異現象及其意義(117)

5．2微生物遺傳與變異的分子基礎(118)

5．2.1DNA的結構與功能(118)

5．2.2中心法則與蛋白質的合成(124)

5．3環境微生物的變異與育種(128)

5．3.1基因突變及其特點(128)

5．3.2基因突變的類型(133)

5．3.3基因突變的應用(134)

5．4基因重組(138)

5．4.1真核微生物的雜交(139)

5．4.2原核微生物的接合(140)

5．4.3原核微生物的轉導(141)

5．4.4轉化(142)

5．4.5原生質體融合(144)

5.4.6基因工程(144)

5．5菌種的衰退、複壯和保藏(147)

5．5.1菌種的衰退與複壯(147)

5．5.2菌種的保藏(148)

複習思考題(149)

主要參考文獻(149)

第6章環境微生物生態學(151)

6．1生態學概述(151)

6．1.1微生物生態學的定義和研究內容(151)

6．1.2生物種群和群落(151)

6．1.3生態系統和生物圈(153)

6．1.4生態平衡(157)

6．2微生物之間和與動植物之間的關係(157)

6．2.1濕地的典型微生物生態作用(157)

6．2.2微生物與微生物之間的關係(159)

6．2.3微生物與植物之間的關係(162)

6．2.4微生物與人和動物之間的關係(164)

6．3環境微生物的生物多樣性(167)

6．3.1微生物多樣性(167)

6．3.2可培養微生物和不可培養微生物(168)

6．4環境微生物基因組信息所展示的生物進化規律(170)

6．4.1分子系統發育分析(170)

6．4.2DNA和蛋白質的進化(172)

6．4.3基因組的生物多樣性(175)

6．4.4環境微生物抗生素抗性的生態規律(179)

6．5廢水處理中的微生物群落及其分子生態學分析(180)

6．5.1好氧活性污泥處理的微生物群落(180)

6．5.2廢水深度處理中的微生物群落(181)

複習思考題(183)

主要參考文獻(184)

第7章環境微生物在物質循環和污染物代謝中的作用（186）

7．1微生物與物質循環（186）

7．1.1氧循環（186）

7．1.2碳循環（187）

7．1.3氮循環（192）

7．1.4硫循環（196）

7．1.5磷循環（198）

7．1.6氫循環（200）

7．1.7鐵、錳循環（201）

7．1.8其他微量元素的營養性和毒性（202）

7．2環境中微生物與化學物質的相互作用（202）

7．2.1化學不平衡的複雜環境（202）

7．2.2微生物對環境中化學物質狀態的影響（203）

7．2.3微生物細胞對環境中化學物質的響應（205）

7．3微生物與金屬的相互作用（206）

7．3.1環境中金屬的微生物可利用性（207）

7．3.2金屬和類金屬的生物甲基化（208）

7．3.3金屬對微生物細胞的毒性效應（211）

7．3.4微生物對金屬的抗性和解毒機制（212）

7．3.5微生物轉化金屬的有益效應和有害效應（214）

7.4環境微生物物質轉化的熱力學規律（219）

7．4.1生命體系中的熱力學原理（219）

7．4.2溫室氣體及其生物地球化學循環（221）

7．5環境微生物的污染物代謝（223）

7．5.1污染物的結構、毒性與微生物降解性之間的關係（223）

7．5.2影響污染物微生物降解的環境因素（225）

7．5.3有機污染物的微生物降解途徑（226）

複習思考題（238）

主要參考文獻（238）

第8章污染控制的微生物學原理（240）

8．1廢水生物處理的環境微生物學技術（240）

8．1.1廢水微生物處理的原理（240）

8．1.2廢水的污染指標及測定方法（241）

8．1.3活性污泥法（243）

8．1.4生物膜法（246）

8．1.5氧化塘法（252）

8．2廢水脫氮除磷工藝及原理（253）

8．2.1脫氮除磷的意義（253）

8．2.2脫氮除磷原理（253）

8．2.3廢水脫氮除磷工藝（255）

8．2.4生物脫氮除磷技術的發展趨勢（258）

8．3厭氧反應器（259）

8．3.1厭氧生物處理的原理（259）

8．3.2厭氧生物處理法的發展（261）

8．3.3升流式厭氧污泥床反應器（261）

8．3.4厭氧折流反應器（263）

8．4有機固體廢物的生物處理（264）

8．4.1堆製法（264）

8．4.2厭氧消化法(沼氣發酵)（266）

8．5微生物在廢氣治理中的應用（267）

8．5.1廢氣的微生物處理方法（267）

8．5.2處理廢氣的微生物（268）

複習思考題（269）

主要參考文獻（270）

第9章環境微生物生物技術（271）

9．1環境微生物的基因工程（271）

9．1.1基因工程工具酶（271）

9．1.2環境微生物核酸的提取（273）

9．1.3環境微生物功能基因的克隆與表達（273）

9．1.4環境微生物基因工程菌的構建（276）

9．1.5基因工程菌的環境污染控制應用（279）

9．2環境微生物的蛋白質工程（281）

9．2.1固定化酶技術在環境治理中的應用（282）

9．2.2基因工程抗體及其環境應用（283）

9．2.3蛋白質工程疫苗及其環境意義（283）

9．3環境微生物的細胞工程（284）

9．3.1細胞融合（284）

9．3.2固定化微生物在環境治理中的應用（286）

9．3.3環境微生物的單細胞蛋白技術（287）

9．3.4農業生物控制中的環境微生物技術（288）

9.4環境微生物的代謝工程（291）

9．4.1微生物細胞外多聚物的開發與應用（291）

9．4.2微生物能源（292）

9．4.3微生物採油（298）

複習思考題（299）

主要參考文獻（299）

第10章環境微生物學實驗方法（301）

10．1環境微生物取樣和富集（301）

10．1.1培養基的配製與選擇（301）

10．1.2環境微生物的取樣（303）

10．1.3從野外微生物群落到微生物純培養物（304）

10．1.4活性污泥中細菌的分離和培養（305）

10．1.5獲得環境微生物純培養的方法（306）

10．1.6環境微生物數量和生物量的測定方法（307）

10．2指示微生物（311）

10．2.1指示微生物的概念（311）

10．2.2總大腸菌群（312）

10．2.3糞大腸菌（313）

10．2.4糞鏈球菌（313）

10．2.5產氣莢膜梭菌（314）

10．2.6異養平板計數（314）

10．2.7噬菌體（314）

10．2.8其他指示微生物（314）

10．3顯微技術（315）

10．3.1顯微技術的原理（315）

10．3.2微生物的形態、特殊結構的觀察（319）

10．3.3細菌的簡單染色和革蘭氏染色（321）

10．3.4應用分子探針和熒光探針顯微術的原位檢測（321）

10．4生理學方法（322）

10．4.1純培養微生物活性測定（323）

10．4.2適於測定環境樣品活性方法的選擇（324）

10．4.3碳呼吸（325）

10．4.4放射性標記示蹤物摻入細胞大分子（326）

10．4.5腺苷酸能荷（327）

10．4.6酶分析（327）

10．5免疫學方法（328