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《环境微生物学》讲义大纲第一章绪论前言1．微生物学的形成与进展●推测时期●观察时期●培养时期巴斯德、科赫等的奉献简介●生理学研究时期2．环境微生物学的形成与进展第一节、微生物的特点一、个体小、种类多、分布广、代谢类型多样二、繁殖快三、代谢强度大：四、数量多五、易变异第二节、环境微生物学的研究内容一、自然环境中的微生物生态学研究二、污染环境中的微生物生态学研究三、废水、废物的生物处理中的微生物学原理与方法研究四、环境监测与评价的微生物方法与原理研究第三节、学习环境微生物的意义21世纪环境微生物学展望重点：微生物、微生物的特点，环境微生物学的要紧学习内容与学习方法第二章、环境中微生物的要紧类群前言微生物的种类繁多，根据它们的形态、结构与生理性状等特征，要紧归纳如下：原核微生物与真核微生物的要紧区别第一节、细菌细菌是一大群单细胞原核微生物，是微生物学的要紧研究对象，也是环境微生物学的讨论重点。
一、细菌的形状与大小1、细菌的个体形态（三种要紧形态）2、菌落的形态（colony）固体培养基（1）细菌在固体琼脂（1.5～2.0％）平板上的菌落特征（2）在半固体琼脂（0.3～0.5％）试管培养基中穿刺接种所形成的培养特征（3）在明胶试管培养基中穿刺接种所形成的培养特征二、细菌细胞的结构细菌细胞结构模式图1、细胞壁（1）功能：（2）结构：（3）细胞壁与革兰氏染色染色的历史进展与染色原理染色方法可分为简单染色法与复染色法之分。
步骤与原理。
革兰氏染色的机理2、细胞膜（1）细胞膜的结构（2）功能：3、细胞核：细菌的细胞核没有核膜与核仁，没有固定形态，结构简单。
细菌质粒（plasmid），降解质粒。
4、细胞质及其内含物（1）细胞质：（2）细胞质内含物：5、荚膜（1）类型：大荚膜、微荚膜、粘液层、粘接物、菌胶团（2）化学构成（3）功能及意义6、鞭毛：运动器细菌的趋光性、趋化性等7、芽孢：某些细菌在生长的一定阶段，能形成对不良环境条件具有较强抗性的休眠体。
微生物的起源和进化微生物是地球上最早出现的生命形式之一。
它们在地球上的起源和进化过程中扮演着重要角色。
本文将探讨微生物的起源和进化，并介绍一些关键的里程碑事件。
1. 微生物的起源微生物的起源可以追溯到约数十亿年前的地球早期。
关于微生物起源的主要理论是自然起源学说和外来起源学说。
1.1 自然起源学说自然起源学说认为，微生物是在地球自然环境中由非生物物质产生而来的。
其中一种广为接受的观点是原始地球大气中存在着丰富的无机化合物，如氨、甲烷、水蒸气等。
这些化合物在电力放电、紫外线辐射等外部刺激下，通过一系列化学反应形成了有机化合物，如氨基酸等。
这些有机化合物进一步聚合形成了复杂有机体，最终演化为微生物。
1.2 外来起源学说外来起源学说认为，微生物的起源可能来自外太空。
根据这一观点，微生物通过陨石的撞击或其他渠道，从其他行星或宇宙中的其他地方传播到地球上。
这种观点得到了一些陨石中发现的微生物化石的支持，但尚未有确凿的证据证明其可行性。
2. 微生物的进化微生物的进化是一个渐进过程，在地球的漫长历史中取得了巨大成功。
下面介绍一些重要的微生物进化里程碑。
2.1 原核生物的出现原核生物是最早出现的微生物之一。
在古老的地球上，原核生物以单细胞形式存在，没有真核细胞的核膜，也没有细胞器。
原核生物的进化为生命的进一步多样化铺平了道路。
2.2 细胞核的起源约在20亿年前，真核生物开始出现。
真核细胞含有可以分离出的细胞核，并拥有复杂的细胞器，如线粒体和叶绿体。
细胞核的起源使得真核生物可以进行更为复杂的代谢和生命活动。
2.3 多细胞生物的演化在约6亿年前，多细胞生物开始出现。
多细胞生物的演化为生命的进一步复杂化和多样化提供了平台。
多细胞生物的组织分化和细胞特化，使它们能够更好地适应各种生存环境。
2.4 真菌与植物的分离约在4亿年前，真菌和植物分离出来成为独立的生物界。
真菌通过分解有机物质为植物提供养分，而植物通过光合作用为真菌提供能量物质。
尊敬的各位领导、老师，亲爱的同学们：大家好！今天，我非常荣幸能够站在这里，与大家共同探讨一个神秘而重要的生物领域——微生物。
微生物，这个看似微不足道的世界，却与我们息息相关，它影响着我们的日常生活，甚至决定着地球生态系统的平衡。
接下来，就让我带领大家走进微生物的世界，一探究竟。
一、微生物的定义与分类首先，让我们来明确一下什么是微生物。
微生物，顾名思义，就是那些肉眼无法直接观察到的微小生物。
它们包括细菌、真菌、病毒、原生动物、藻类等。
根据微生物的形态、结构、生活方式等特点，我们可以将它们分为以下几类：1. 细菌：细菌是微生物中最为庞大的一类，它们广泛分布于土壤、水体、空气等环境中。
细菌具有繁殖速度快、代谢能力强等特点，是地球上生物多样性的重要组成部分。
2. 真菌：真菌是一类具有细胞壁、不含叶绿素、营养方式为异养的真核生物。
真菌在自然界中扮演着分解者、共生者、寄生者等多种角色。
3. 病毒：病毒是一种非细胞生物，它需要寄生在宿主细胞内才能进行繁殖。
病毒种类繁多，有的可以引起人类疾病，有的则对人类有益。
4. 原生动物：原生动物是一类单细胞或多细胞生物，它们生活在水中或湿润的环境中，有的营自由生活，有的营寄生生活。
5. 藻类：藻类是一类含有叶绿素、可以进行光合作用的微生物。
藻类在自然界中具有重要的生态功能，如氧气产生、营养物质循环等。
二、微生物的重要性微生物虽然微小，但它们在自然界和人类社会中扮演着极其重要的角色。
以下是微生物的一些主要作用：1. 生物地球化学循环：微生物是生物地球化学循环中的重要参与者，它们参与碳、氮、硫、磷等元素的循环，维持着地球生态系统的平衡。
2. 物质转化：微生物能够将复杂的有机物质分解成简单的无机物质，为其他生物提供营养。
例如，土壤中的细菌和真菌能够分解动植物遗体，将其转化为土壤养分。
3. 食品加工：微生物在食品加工中发挥着重要作用。
例如，酿酒、制醋、制酱、发酵等食品加工过程中，都需要微生物的参与。
论微生物的起源与进化
微生物的起源和进化是因势利导的，他们的演变历史和历史可以追溯到最开始的父母细胞，也就是首次出现的单细胞生物——原核生物。
几十亿年之后，微生物形成了一个复杂、多样而巨大的复型族群，他们开始以不同的方式受制于环境而进化了，以充分利用资源或建立自己的生存空间。
随着自然的发展和变迁，微生物的进化也发生了重大的变化，他们改变了自身结构并通过遗传材料的交换来适应不同的环境，可以在竞争环境中发挥优势并避免生存风险。
比如，原核生物和真核生物的交叉发生了不同的变化，从而形成了更大的种类，例如微孢子菌等。
不仅如此，有些微生物还发展出了新的生存机制来适应不利环境，并在危机时期也更加强大。
比如某些微生物会形成乳头或芽孢体，可以让他们在干燥的环境中维持自身的生存和
活动，并以此探寻资源和环境。
微生物的进化一直不断，其影响力或许远超出我们的想象。
它们自古以来就是大自然的原
子和最基本的形式，一直被仁者无畏地调控着环境的微妙变化，构建着非凡的生命体系。
第二章微生物的起源与进化
第一节微生物的起源与化学进化
Oparin-Haldane生命起源假说
原始的地球呈熔化状态。
当逐渐冷却时则形成地核、地幔和地壳。
地球冷却时，二氧化碳、甲烷、氨、氮气、氢气、硫化氢、水蒸气等气体被挤压出地壳表面，形成地球周围的大气圈。
水蒸气的冷凝还形成了地壳表层的水圈。
地壳表面的水圈和大气圈与生命的起源密切相关。
Oparin-Haldane生命起源假说由俄罗斯科学家Oparin于1925年和英国科学家Haldane1930年独立提出
生命起源假说的实验证据
Stanley L. Miller和Harold C.Urey
用来证明非生命合成有机物包括
氨基酸和核酸碱基的实验装置
整个装置内充满还原性气体，烧瓶加热
产生水蒸汽，并在另一端冷凝。
在这个
装置里，两个电极放电作为有机物合成
的能量来源。
在Miller和Urey的实验中，首先由甲烷转化成甲醛和氰化氢，接着这些化合物结合产生尿素和甲酸，最后产生氨基酸（包括甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、缬氨酸、脯氨酸、天冬氨酸）。
在液态下，氨基酸形成蛋白质不易进行，在粘土的表面则易进行，粘土具有吸附性能和原始催化性能。
在外部化学条件或类似蛋白质的催化下，一些蛋白质可进行自我复制。
随后是碱基的合成；核酸的合成；核酸的转化等。
第二节微生物细胞的进化]
将磷脂放入水中，也可自发形成团聚体，呈双分子层，类似细胞膜。
这种团聚体能够吸收外面的液体而生长，并能缢断凸出物而形成新的团聚体，后者很像酵母菌的芽殖。
这些团聚体具有一细胞器如酶、电子载体、叶绿体等的功能，可进行代谢、电子传递或光能作用。
由这些蛋白所形成的微球具有有限的催化能力和自我复制能力，更加接近化学进化产生细胞的中间形态。
在没有核酸时，能够自我复制的蛋白质微球可看成是最原始的细胞（朊病毒就只有蛋白质一种成份）。
这些最原始的细胞称为始祖生物（progenote）。
核酸的获得和利用促进了细胞结构与功能的发展。
细胞先利用核糖核酸（RNA），后来利用核糖核酸和脱氧核糖核酸（DNA）作为模板合成蛋白质。
细胞膜、酶活性和核酸组织在一起，导致了原始原核生物（eugenote）的产生。
有关微生物进化的化石证据不完整。
研究证实，RNA序列与生物亲缘关系的相关性最好。
根据16SrRNA序列，创建了原核生物的进化树。
进一步通过RNA序列比较，证实真核生物是一类嵌合体（由两种或两种以上不同细胞组成），其中汇合了多条进化路线。
在以16SrRNA序列为基础的进化树中，假设始祖生物是所有生物的共同祖先。
从始祖生物出发，沿着三条不同的进化路线，分别形成了古细菌、真细菌和原始真核生物。
第三节微生物生理的进化
Margulis内共生学说:
认为细胞器来源于原核微生物，原核微生物永久地共生在真核细胞内就成了细胞器。
好氧细菌定居在发酵性真核细胞内形成线粒体；蓝细菌可共生于异养型真核细胞内而使它获得光合作用的能力成为叶绿体；鞭毛是由于螺旋体的附着形成；原核生物共生于真核生物内，两者的基因组相互结合，原核生物丧失细胞质和营养功能，成为原始真核细胞的核。
第四节微生物生理的进化
光合作用和需氧呼吸作用
∙基质：非生物起源的有机物质是古细菌生长的初始基质。
糖酵解途径无需外源电子受体，可在古地球的厌氧条件下进行 30多亿年
硫呼吸途径－以硫为电子受体来氧化有机物质硫呼吸可看成是厌氧呼吸的早期形态
∙能源厌氧光合细菌只有光合系统I，缺少光合系统II，不能以水作为供氢体，只能以氢气或硫化氢作为供氢体。
早期的不产氧光合作用就是以硫化氢作为供氢体来还原二氧化碳合成有机物质。
蓝细菌的产氧光合作用大约出现于20~25亿年前。
蓝细菌拥有光合系统I和光合系统II。
通过光
合磷酸化产生ATP，能通过水的光解作用产生还原二氧化碳所需的氢，同时释放出能够改变地球大环境的氧气。
∙氮源：能源与碳源解决后，氮源上升为生长限制因子。
尽管大气中存在大量氮气，但生物不能直接利用。
为此，一些微生物逐渐产生了固氮能力，将氮气转化为生物能够利用的氨。
∙氧气：由于在厌氧条件下生物的产能效率较低，大气积累一定浓度的氧气后，生物进化便朝着产能效率更高的需氧呼吸的方向发展。
一些生物形成化能自养能力，将无机物用于产生ATP。
另一些生物则形成呼吸代谢途径，大大提高了有机物质产生ATP的效率。
至今，大气中的氧浓度经历了三个水平的变化。
o 1%PAL，大约距今6亿年，允许近代代谢系统发挥作用，生物得到迅猛繁盛。
o10% PAL，大约距今4亿年，大气中有足够的臭氧层来遮护地面，防止紫外线对生物的损害（在此之前，生物需要靠水来防护），植物开始在陆地上生长，形成的植被又为动物
提供了栖息地。
o20% PAL，大约距今3.4亿年，陆生动物出现。
第五节微生物进化的遗传基础
（一）遗传物质的传递：
——个体水平
——细胞水平——染色体
——分子水平——DNA
（二）遗传物质的改变
1、染色体畸变：染色体数目的变异及染色体结构的变异。
2、基因突变
基因突变是生物遗传信息产生变异的基础，基因重组和基因交换则是生物遗传信息重新分配的关键。
生物种群内基因重组能产生新的等位基因组合，从而提高生物的适应性。
改变种群内遗传信息（基因）的组织方式，则为生物种群定向进化创造了条件。
种群间相互重组能使两个生物种群产生进化上的联系。
非相互重组则能使获得外源基因的生物种群产生进
化上质的飞跃。
（三）环境选择作用
1、内部条件
2、外界条件：温度、酸碱度等
3、代谢途径的进化。
20世纪70年代初期，Lovelock提出
大地女神假说（Gasia hyrothesis）：认为地球与生物是一个密不可分的系统，这个系统犹如一个“超级生物”，在进化过程中形成了自我调节能力。
作纵向比较，如果没有生命活动，那么地球就会保持富含二氧化碳的原始大气，导致地表温度高达290℃；作横向比较，拥有生命活动的地球的表面温度是13℃，而没有生命活动的金星和火星（均为太阳系中地球的近邻）的表面温度则分别是459℃和－53℃。
根据大地女神假说，造成当今地球适合生命活动，而金星和火星不适合生命活动的根本原因是“超级生物”的自我调节作用。
地球孕育生命并通过生命活动，逐渐改变了地球环境，使之越来越有利于生物的生存和发展。
火星、金星和地球大气组成与表面温度的比较
微生物对现有地球环境的形成和维持所起的作用：
∙微生物（蓝细菌）的光合作用使地球的原始大气组成发生了根本性的变化。
光合作用将大气中的二氧化碳转化为有机物质，大大降低了地球大气中的二氧化碳含量（由98%降至0.03%）。
大气中的二氧化碳和其它微量气体（如甲烷和一氧化二氮）可使短波几乎无衰减地通过，但可吸收长波辐射，因此能产生“温室效应”。
光合作用消耗二氧化碳，有效地控制了“温室效应”，降低了地球的表面温度（由290℃降至13℃），为生物的生存和发展创造了必备的条件
∙光合作用光解水释放氧气，使氧气逐渐在地球大气中积累（由1.9%提高至21%）。
在紫外线和雷电的作用下，大气中的氧被转化为臭氧，在20~25km的高空形成臭氧层。
臭氧层有效地削弱了太阳紫外线对地面生物的杀伤力，使生物的生存环境得到了空前的改善。
思考题
简述Oparin-Haldane生命起源假说及其实验证据。
为什么说在很长的地质年代中生物进化与微生物进化是同义词？
微生物进化可分为哪几个阶段？生理进化的表现有哪些？
举例说明Horowitz提出的逆向进化概念。
简述大地女神假说。
简述微生物光合作用改变地球原始大气组成的意义。
