环境微生物学教学课件 绪论-环境工程微生物学36页PPT

生物圈(biosphere) 是地球上最大、最复杂的生
态系统。
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2．生态系统的组成 生态系统有四个基本组成： 环境（无机环境） 生产者（植物） 消费者（一级、二级……） 分解者或转化者（微生物）。
3．生态系统的结构： 生态系统具有明显的三维空间结构，由于环境 条件在空间上的差异性，造成生物的分布也出 现明显的水平和垂直分布。
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生态系统的组成
能源：太阳辐射
环 境
生物代谢产物：CO2、O2、H2O、无机盐
条 媒质：水、大气、土壤
生件 态
基质：砂、岩石泥土
系
其他环境条件：温度、pH
统 生 生产者：植物群落、藻类等 物 群 消费者：动物群落
落 分解者：异养微生物、原生动物及微型后生4动物
池塘生态系统
组
成
生产者----浮游植物和水生植物 消费者 ----鱼、虾、浮游动物
0.04
－
真菌
119 50 14 6 3
藻类
25 5 0.5 0.1 － 19
我国各主要土壤的含菌量(万/g干土)
土类
地点
细菌
放线菌
真菌
暗棕壤
黑龙江呼玛
2,327
612
13
棕壤
辽宁沈阳
1,284
39
36
黄棕壤
江苏南京
1,406
271
6
红壤
浙江杭州
1,103
123
4
砖红壤
广东徐闻
507
39
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磷质石灰土 西沙群岛
分解者 ----细菌和真菌
无机环境 ----阳光、水、氧气等
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4. 生态系统的功能 主要表现在生物生产、能量流动、物质 循环和信息传递。

在前，种名在后均用拉丁文或拉丁化的文字表示， 如Staphylococcus aureus （金黄色葡萄球菌）
typhoidbacillus （伤寒杆菌） Esherichia coli （大肠埃希氏杆菌） Bacillus subtilis (枯草芽孢杆菌)
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病毒和类病毒
病毒是一类由核酸和蛋白质等 少数几种成分组成的超显微“非细胞生物” ， 能以感染态和非感染态两种状态存在。
• 水污染 — 酸雨 ·富营养化 ·海洋倾倒 ·石油泄漏 ·水危机
• Resource depletion资源消耗 — 自然资源的开采
• 渔业 — 炸药捕鱼 ·水底拖网 ·氰化物捕鱼 ·鬼网 ·非法的、不报告的和不管制的捕捞 ·过度捕捞· 鱼翅
• 伐木业 — 皆伐 ·森林开伐 ·非法砍伐
• 采矿业 — 酸性矿山废水 ·炸开山头采矿
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发达国家当前国内的环境问题
工业废物、生活垃圾急剧增加；噪声问题仍很 突出；氮氧化物污染仍未得到有效控制；大气中有 害物质（重金属、致癌物质等）如故；水环境问题 还未解决。
发展中国家的环境问题
主要是生态环境的破坏、环境卫生和大城市的 污染问题。即发展中国家在发展社会经济的进程中， 正步着发达国家“先污染后治理”的老路。
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2
（3）当代环境问题阶段，全球性大气环境问题。它 始于1984年英国科学家发现，1985年美国科学家 证实南极上空出现“臭氧空洞”。这一阶段的核 心问题是“全球变暖”、“臭氧层破坏”和“酸 沉降”三大全球性大气环境问题。
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3
伦敦烟雾事件
• 1952年伦敦烟雾事件是1952年12月5日－9日发生在 伦敦的一次严重大气污染事件。这次事件造成多达 12000人因为空气污染而丧生，并推动了英国环境 保护立法的进程。

virus(0.05 to 0.1 microns) bacteria (0.5 to 1.5 microns) red blood cell (5 microns) lymphocyte (5 to 8 microns)
human sperm (60 microns)
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简
结构简单


0.8 ～ 1
4 ～ 4.5
大肠杆菌 ( Escherichia coli )
伤寒沙门氏菌 ( Salmonella typhi ) 枯草芽孢杆菌 ( Bacillus subtilis ) 炭疽芽孢杆菌 ( Bacillus anthracis ) 德氏乳细菌
0.5 × （1 ～ 3）
（0.6 ～ 0.7） ×（ 2 ～ 3） （0.8 ～ 1.2） ×（ 1.2 ～ 3） （1 ～ 1.5） × （4 ～ 8） （0.4 ～ 0.7 ）×（ 2.8 ～ 7 ）
1. 概念及其生理功能
固定外形和保护细胞
屏障作用，阻碍某些分子进入
为鞭毛提供力学支点
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2. 细胞壁的化学组成与结构
G＋ 细胞壁厚 （20～80nm） 化学组成：

a 肽聚糖
b 磷壁酸teichoic acid
c 少量蛋白质和脂肪
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肽聚糖单体组分：NAG，NAM，四肽链
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小
形体微小 m级：光镜可见
nm级：电镜可见
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The white bar above represents 10 microns (0.01mm). Below are some organisms and cells drawn to approximate scale.

或转化、微生物活动对环境的影响等，此即污染微生态学
研究内容。 （3）在治理污染的人工构筑系统中微生物的作用与应用，
此即环境工程微生物学的主要内容。
（4）在环境监测中的应用，此即环境微生物监测技术。
（三）环境微生物学学科特点
1、以微生物学为基础，与微生物生态学联系紧密。 2、是实用性极强的独立学科。与发酵微生物、工
五 环境微生物学及其研究内容
（一）环境微生物学概念
环境微生物学是由普通微生物学发展起来的环境 科学和环境工程相结合的一门理论基础学科。
以普通微生物学为基础，在研究微生物一般规律 的同时，着重微生物和环境之间相互作用的规律、 微生物活动对环境和人类产生的影响以及在环境污染 控制工程中有关微生物学原理的研究。
非细胞结构的病毒、类病毒、拟病毒等； 细胞结构的：
①属于原核生物的细菌、放线菌、立克次氏体、衣原体等 ；
②属于真核生物的酵母菌、霉菌、蕈菌、单细胞藻类、原 生动物等。
脊髓灰质炎病毒
H1N1病毒
我们生活中的微生物
土壤 水体 空气 极端环境 皮肤 肠道 •••••• 土壤：细菌数亿/g
人口腔中的微生物
教学安排
54 学时，3学分
成绩评定
平时成绩 30% 期中考试成绩 20% 期末考试 50%
主要参考教材: 殷士学主编. 环境微生物学. 北京: 机械工业出版社, 2006
参考书目: 1. 乐毅全,王世芬主编.环境微生物学.北京:化学工
业出版社,2005 2. 和文祥,洪坚平主编.环境微生物学. 北京:中国农
我国环境微生物学的兴起与发展
我国环境微生物学科研起始于20世纪70年代。
目前研究的成果：
1、中科院微生物研究所在70年代初分离筛选有效 微生物，成功处理氯丁橡胶、腈纶、TNT炸药等工 业废水。华东师范大学研究球衣菌处理生活污水及 光合细菌处理豆制品废水。

亿人口，比死亡最惨重的第二次世界大战（约死 亡1.1亿）还多！
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细菌化石
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（二）人类揭开微生物世界奥秘的 历史
• 1．史前期 史前期是指人类还未见到微生物 个体尤其是细菌细胞前的一段漫长的历史 时期，大约在距今8000年前一直至公元 1676年间。当时的人类虽未见到微生物的 个体，却自发地与微生物频繁地打交道， 并凭自己的经验在实践中开展利用有益微 生物和防治有害微生物的活动。 酵母菌是人类最古老的家养生物之一
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• 本时期的代表人物主要是法国的巴斯德 （L.Pasteur，1822～1895）和德国的科赫 （R.Koch，1843～1910），他们可分别称 为微生物学的奠基人和细菌学的奠基人。
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• 巴斯德学派的主要贡献是提出了生命只能 来自生命的胚种学说，并认为只有活的微 生物才是传染病、发酵和腐败的真正原因， 再加上消毒灭菌等一系列方法的建立，就 为微生物学的发展奠定了坚实的基础。
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二、发展史：
• （一）一个未知的世界 （1）个体微小 一般地说，人眼对小于1mm
的物体就看不清楚了，而微生物的大小多 数是在几μm至几十μm范围内，因此就无法 发现或辨认它们。
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• （2）外貌不显 微生物的个体（细胞）虽看 不见，但是由无数个体组成的群体（菌落 或菌苔）却是可见的。然而，各种微生物 群体的外形往往平淡无奇、不甚显目，因 此，对其作用就极易忽略。
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• 科赫学派的重要业绩主要有三个方面： ①建立了研究微生物的一系列重要方法，尤其在分离微生 物纯种方面，他们把早年在马铃薯块上的固体培养技术改 进为明胶平板培养技术（1881），并进而提高到琼脂平板 培养技术（1882）。在1881年前后，科赫及其助手们还 创立了许多显微镜技术，包括细菌鞭毛染色在内的许多染 色方法、悬滴培养法以及显微摄影技术。 ②利用平板分离方法寻找并分离到多种传染病的病原菌， 例如炭疽病菌（1877）、结核杆菌（1882）、链球菌 （1882）和霍乱弧菌（1883）等。 ③在理论上，科赫于1884年提出了科赫法则，其主要内容 为：病原微生物总是在患传染病的动物中发现而不存在于 健康个体中；这一微生物可以离开动物体，并被培养为纯 种培养物；这种纯培养物接种到敏感动物体后，应当出现 特有的病症；该微生物可以从患病的实验动物中重新分离 出来，并可在实验室中再次培养，此后它仍然应该与原始 病原微生物相同。

自然界中氮素蕴藏量丰富，以三种形态存在：分 子氮N2，占大气的78%；有机氮化合物；无机 氮化合物（氨氮和硝氮）。尽管分子氮和有机氮 含量多，但植物不能直接利用，只能利用无机氮。 微生物、植物和动物三者的协同作用下将三种形 态的氮相互转化，构成氮循环，其中微生物起着 重要作用。
自然界的氮素循环是各种元素循环的中心，这是 由于氮元素在整个生物界中所处的重要地位所决 定的。微生物又是整个氮素循环的中心，尤其是 一些固氮微生物更可称作开辟整个生物圈氮素营 养源的“先锋队”。
人工湿地中微生 物与水生植物净 化污水的作用
微污染水源水 预处理中的 微生物学原理
饮用水的消毒与其 微生物学效应
污废水 深度处理
❖ 环境问题是目前全球面临的四大难题之一， 将现代生物技术和环境工程技术有机结合是一种 经济效益和环境效益俱佳的、解决复杂环境污染 问题的最有效手段。
❖ 1 传统的环境生物技术，即以废物的生物处理及 其在新理论和新技术支撑下的强化处理工艺；氧 化塘、人工湿地和农业生态工程等。
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环境生态工程中的微生物作用

环境与环境工程面临的问题，可持续发展与微生物
❖ ❖ 随着人类的生活水平日益提高,相应产生越来越多的城市生活污水、人粪便;有
机固体废物(包括厨余);生活用品废物,如废纸张、废布、废塑料袋等生活垃圾。 集约化的养殖场产生大量禽、畜粪便。
残留有机物还可能引起管道中异养菌孳生。导致饮用水中细菌不达标， 这种水被人饮用会危害人体健康。为此，人们不仅致力于水厂的水处理 工艺改革，探索更有效的处理工艺和技术。同时重视水源水的预处理， 双管齐下，确保饮用水的卫生与安全。
污染土壤与生物修复技术
❖ 土壤对施入其中一定负荷的有机物或有机污染物 具有吸附和生物降解能力，通过各种物理、生化 过程自动分解污染物使土壤恢复到原来水平的净 化过程，称土壤自净。

《环境工程微生物学》 PPT演示课件
目录
• 微生物学基础 • 环境工程中的微生物应用 • 微生物检测与评价方法 • 环境工程微生物实验技术 • 环境工程微生物学前沿研究动态 • 总结与展望
01
微生物学基础
微生物概述
微生物的定义与特点 01
微生物的多样性 02
微生物在环境工程中的意义 03
微生物分类与形态
常见环境工程微生物实验操作
微生物的分离与纯化
介绍从环境样品中分离和纯化微生物的方法和步骤，如平板划线 法、稀释涂布法等。
微生物的培养与计数
详细讲解微生物的培养条件、培养基的配制以及微生物的计数方法， 如平板计数法、比浊法等。
微生物的生理生化实验
介绍常见的微生物生理生化实验，如糖发酵实验、蛋白质分解实验 等，用于鉴定不同种类的微生物。
免疫学方法
通过抗原-抗体反应，检测微生物特定抗原或抗体的存在，具有高 度的特异性和敏感性。
生物传感器法
利用生物活性物质（如酶、抗体等）作为识别元件，结合换能器将生 物信号转换为电信号进行检测，具有快速、准确、自动化等优点。
环境工程微生物评价指标体系
微生物多样性指数
通过测定环境中微生物的种类、数量 及其分布情况，评价环境的微生物多
废气处理中的微生物技术
01 生物滤池法
利用附着在滤料上的微生物降解废气中的有机物， 如挥发性有机化合物（VOCs）。
02 生物洗涤法
将废气通入含有微生物的营养液中，通过微生物 的代谢活动去除废气中的污染物。
03 生物滴滤法
在生物滤池的基础上，通过向滤料上喷洒营养液， 提高微生物的活性，增强废气处理效果。
环境工程领域的微生物技术应用需要稳定的微生物群落支持，如何维持

根据环境微生物的基础研究和应用层次分析，相关工 程所涉及的学科范围可概述如下：
• （1）环境微生物工程的建立和运行均需对有关微
生物进行基础研究，涉及到微生物学、细胞学、生 理学、生物化学、分子生物学和遗传学等；
• （2）环境微生物工程中构建新菌株要涉及到基因
工程、细胞工程、酶工程和分子遗传学等学科；
（3）微生物制剂和污染现场修复工程：将发酵 装臵安故在野外处理现场，源源不断地提供菌体， 用于治理目标水和土壤环境，使环境微生物目标 菌株在净化环境中始终占据优势，这是室内与室 外环境微生物工程相结合的一种方式。但是，大 量的野外环境微生物工程并无发酵耀相随。环境 微生物以菌体的固体或液体的形式，或以微生物 的其他生物制品的形式投放于目标环境之中，达 到清除污染的目的。
• （3）环境微生物工程中污染物的降解转化及监测
评价涉及环境化学、环境生物学、环境地学、环境 卫生学、环境毒理学和环境监测与评价等；
（4）环境微生物工程中对污染物测量和自动化控 制涉及信息科学、电子工程技术、仪器分析和计算 机科学等； （5）应用发酵工程技术使污染物净化和资源化或 建立清洁生产工艺的环境微生物工程要涉及工业微 生物学和化工机械学等； （6）在自然环境中建立环境微生物修复工程要涉 及土壤学、水力学、气象学和生态学等； （7）对环境微生物工程进行预算和评价要涉及经 济学、法律学、环境规划管理和系统工程等。
生物修复(Bioremediation)是近几年兴起的生 物治理技术，它最初的主要目标是利用微生物清 除土壤和水体（包括地下水）中的污染。由于高 新生物技术系统的利用和对其他传统技术的改革 与创新，使得生物修复发展成一项颇具生命力的 产业。环境微生物在生物修复工程中占据中心位 臵。因为生物修复面对的是自然环境，所以其他 因素，包括植物、动物和理化等因素对生物修复 的影响也不可忽视。

实验室技术与操作
常用实验室技术
微生物分离与培养、鉴定与检测、微生物生态学 研究等。
实验室操作注意事项
如何确保实验室安全，正确处理试剂、垃圾等， 避免污染和误操作。
课程总结
知识掌握
掌握微生物基本概念和环境 工程中的微生物学应用。
实验操作
掌握常用实验室技术和操作 注意事项。
应用案例
了解环境工程中微生物应用 的具体案例，深度理解其应 用价值。
环境工程微生物学
探索微生物的神奇世界，发现它们在环境工程中扮演的重要角色。
课程介绍
1 课程目标
介绍微生物学基础知识，深入探讨其在环境工程中的应用
2 课程内容
• 微生物的基本概念 • 环境工程中的微生物学应用 • 案例研究 • 实验室技术与操作
微生物的基本概念
微生物的定义
微生物领域的重要性
微生物是无法看到的微小生物，包括细菌、真菌、 病毒等。
土壤修复中的微生物应用
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解和还原等，净化空气质量。
利用微生物降解土壤中的废水处理案例
使用微生物技术处理印染废水，减少了COD和氨氮的排放，同时提高了水质。
废气处理案例
利用微生物处理化工尾气，成功降解了有机物污染物，减少了沉积物产生。
土壤修复案例
在重金属污染地区进行微生物修复，成功修复并保护了当地生态环境。
微生物在土壤形成、营养循环、能源转换和生物 多样性保护方面具有重要作用。
环境工程中的微生物学应用
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应用领域的概述
微生物在环境工程中的应用领域包括
废水处理中的微生物应用
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废水处理、废气处理和土壤修复等。
利用微生物净化废水，将有机物转化
为无害的物质。

康动物发病； 4、可疑有机体被再次分离，并且和最初分
离的有机体一样；
2021/6/18
第一章 绪论
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四、发展时期（生物化学水平）
始于二十世纪初， 代表人物： E. Büchner （1897年）毕希纳
石英砂研磨 过滤 酵母细胞
滤液
葡萄糖 酵母细胞
酒精、CO2
2021/6/18
第一章 绪论
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五、成熟时期（分子水平）
开创寻找病源微生 物的黄金时期；进
入生理学研究
形成普通微生物学
分子生物学诞生； 生物工程诞生
2021/6/18
第一章 绪论
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一、史前时期（直观应用时期）
春秋战国时期 微生物分解有机物质,沤粪积肥。
公元二世纪的《神农本草经》 白僵蚕治病。
公元6世纪 后魏的贾思勰 《齐民要术》 谷物制曲、酿酒、制酱、造醋、腌菜。 豆科植物与其它作物轮作
2021/6/18
第一章 绪论
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微生物与其它生物种类的体积比较
病毒 细菌 动物的模式细胞 动物细胞核
动物、植物和微生物个体大小尺度范围
2021/6/18
不同生物类型细胞大小的比较
第一章 绪论
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二、微生物特点： 1.形体微小、比表面积大
杆菌 2μm
0.5μm
1500个杆菌首尾相连
80 个 杆 菌 肩 并 肩
始于二十世纪五十年代 电子显微镜的使用 DNA的发现
2021/6/18
第一章 绪论
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二、微生物学
1. 定义
微生物学（microbiology）是在
分子、细胞、个体或群体水平上研究微
生物的形态构造、生理代谢、遗传变异、

98727
高限 1217 42 1500 2500 23100 68939 30000 127298
*本表参考Whittaker, R.H.et al.Biolog-y Data Book, 2nd ed.,Vol.1,1972.P.52289。
Culturability determined as a percentage of culturable bacteria to total cell counts*
• 真核类：
真菌 原生动物 单细胞藻类
低
• 非细胞生物：
病毒 类病毒
进化地位低
朊病毒
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一、环境微生物学的研究内容
2、微生物学及其分科
研究微生物的科学。
细胞 在 群体 水平上研究微生物的
分子
形态结构 生理代谢 遗传变异 生态分布 等的基本规律， 分类 进化
并将其应用到发酵、医学卫生、生物工程、环境保护等领域。
其主要任务是发掘、利用和改善有益微生物，控制、消灭或
改造有害微生物。
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一、环境微生物学的研究内容
微生物学的分科
按基本生命 规律分 按应用领域分
按研究对象分
基础微生物学（General Microbiology）或 微生物生物学（Biology Of Microorganisms）
微生物生态学、微生物分类学
十四章 微生物的研究方法(以- 实验为主)
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第一章 绪论
一、环境微生物学的研究内容 二、微生物的一般特点 三、微生物的分类与命名
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一、环境微生物学的研究内容
1、什么叫微生物？
微生物（microorganism、 microbe） 肉眼看不见或看不清楚的微小生物的总称。

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2．氨基酸转化
（1）脱氨 氨化作用：有机氮化合物在脱氮微生物的 作用下脱氨基产生氨。 •例如：
氨基酸 —→ 不含氮的有机物（酸） + NH3 经脱氨基后形成的有机酸和脂肪酸，在微 生物的作用下继续分解。β-氧化→三羧酸循 环
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（2）脱羧
氨基酸脱去羧酸基（CO2），产生胺。多 由腐败细菌和霉菌引起，二元胺对人有毒。 胺是合成细胞成分的重要的起始物，尤其 使诸如NAD等辅酶的合成。
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图8-1 夏季湖泊水含氧量级温度分布情况
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第二节 碳 循 环
含碳物质有二氧化碳、一氧化碳、甲烷、糖类(如：糖、淀粉、 纤维素)、脂肪、蛋白质等。碳循环以二氧化碳为中心，二氧化碳被植 物、藻类利用进行光合作用，合成为植物性碳；动物吃植物就将植物 性碳转化为动物性碳；动物和人呼吸放出二氧化碳，有机碳化合物被 厌氧微生物和好氧微生物分解所产生的二氧化碳均回到大气。而后， 二氧化碳再一次被植物利用进入循环和。
l7molATP，故lmol硬脂酸(C17H35COOH)被彻底氧化可得很高的能量水平。 共得：(16 + l7×7 + 12)molATP＝147molATP
奇数碳原子脂肪酸β-氧化，产物除乙酰辅酶A外，还有丙酸。
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六、木质素的转化
含有木质素的稻草秆、麦秆、芦苇和木材是造纸、人造纤维的原 料，所以，造纸和人造纤维废水均含大量木质素。木质素的化学结构 一般认为是以苯环为核心带有丙烷支链的一种或多种芳香族化合物(例 如苯丙烷、松伯醇等)经氧化缩合而成。木质素用碱液加热处理后可形 成香草醛和香草酸、酚、邻位羟基苯甲酸、阿魏酸、丁香酸和丁香醛。

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最原始的细菌
• 美国 黄石 国家 公园 温泉
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产芽孢细菌和真菌孢子在干燥条件下能 保藏几十年、几百年甚至上千年。耐酸 碱、耐缺氧、耐毒物、抗辐射、抗静水 压等特性在微生物中也极为常见。
——嗜盐红螺菌大量滋生时的红盐田
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提问:自然界中什么地方没有微生么微生物较其他生物容易变异呢？ • 各种生物变异频率一样：十分低(如10-5～10-10） • 数量大、保护能力差
• 多数微生物为单细胞，结构简单，整个细胞直接与环境接 触，易受环境因素影响，引起遗传物质DNA的改变而发生变 异，由于数量庞大，也可以在短时间内出现大量变异后代， 当环境变化时，微生物会大量死亡，活下来的微生物往往 会发生结构和生理特性的变异以适应变化了的环境。
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(五) 种类多、分布广、代谢类型多样
• 种类多
• 目前已经知道的动物约有150万种，植物50万种，微生物 约20万种。其中细菌、放线菌约1500种。
• 苏联微生物学家伊姆舍涅茨基曾估计，“目前我们所了 解的微生物总数，至多也不超过生活在自然界中的微生 物总数的10％”。如果这一估计不错的话，将来的某一 天，微生物的总数可能会超过目前动、植物的种数之和。
环境微生物学
环境与公共卫生学院
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• 几点说明:
• 关于课程安排 (72=42+30） • 关于考试（期末80％＋实验10％＋平时10％） • 学科特点
• 实验科学 • 概念多，描述性内容多 • 年轻学科，发展快 • 和我们的生活密切相关
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绪论-微生物学基础
?
• 1.你所知道的微生物有那些？ • 2.微生物有什么作用？ • 3.当看到或听到细菌这个词时，首先想到什么？