环境微生物学 第3版

第三版前言

古语云：学然后知不足，教然后知困，知不足然后能自反，知困然后能自强，故曰教学相长也。《环境微生物学》教材第二版自2011年出版已经7年多了，在实际使用教学过程中，我们越来越觉得原来的教材存在一些不足，加上环境科学和环境微生物学理论和技术的不断发展，适时对原来的教材进行修订的必要性也逐渐显现出来。

感谢化学工业出版社的编辑，使我们有机会对本教材进行再次修订。

本次修订，我们考虑到原来教材的基本结构和章节还是比较合理适用的，故未对此做大的变动。与第二版相比，第三版对部分原有章节进行了知识点补充和更新，另外，也删去了一些内容，主要变动有：在第1章绪论部分，强化了对原核细胞和真核细胞的比较内容；在第3章的细菌部分，删去了对具体细菌种类的介绍；在第5章的合成代谢方面，增加了对合成代谢的总体叙述；对第7章的遗传变异部分的一些内容，也进行了修改；在第11章的新技术方面，增加了对高通量测序技术的介绍；在第12章的实验部分，则增加了两个实验，都是围绕着分子生物学技术在环境微生物学方面应用的基础实验。同时，也对思考题、参考文献等做了一些微调。

本次教材修订仍然由之前的编写人员承担，由乐毅全、王士芬主编，王磊参与了新技术部分的编写工作，付小花参与了实验部分的编写工作。感谢在编写修订过程中，周群英教授、陈银广教授等对我们的支持和帮助。同时，也要感谢对我们的工作予以支持帮助的唐贤春和张娴等老师，我们的教材中也吸收了他（她）们的工作成果。

通过本教材的修订，希望能为环境微生物学的教学提供更多更好的选择，能为本课程的课程建设做出贡献，这是我们这些长期从事环境微生物学教学工作的教师的心愿。衷心希望有关专家和读者对我们的工作提出批评指正。

编者

2018年4月

版前言

微生物在环境中充当着极其重要的角色，它在自然界的生态平衡和物质循环中起着不可替代的作用。同时，在环境污染和治理方面，微生物也起着重要作用。环境微生物是大专院校环境专业学生（包括环境工程、给水排水工程和环境科学等）的专业基础课程。环境微生物学的内容十分广泛，而且该学科近年来的发展十分迅速，一些生物学的新技术手段被不断应用到环境领域中，在教学过程中应尽量全面反映本学科的内容和新进展。如何在有限的教学时间内，既让学生了解掌握环境微生物学的基本知识和技能，同时又能让他们了解本学科领域的发展，成为教学过程中的难题。而一本合适的教材，对解决上述难题是十分重要的。因此，编者在总结多年教学经验的基础上，在原来《环境工程微生物学》教材的基础上，汲取同类教材的优点，编写成本教材。

本教材在编排上突出下列特点：一是保持环境微生物学领域传统内容基本不变，同时，为使学生及时了解本学科的发展趋势，注意反映本学科较新的一些动态情况，特别是本教材结合了环境微生物学在环境领域的应用；二是注意在教材内容上,重点性和广泛性相结合，突出重点，在每个章节前列出“学习重点”，在章节后以“小结”的形式再次强调，而对于一些非重点的或扩展性的内容，则加以简要叙述或以“建议阅读”的形式列出，引导学生从课外阅读中去获取更多更新的知识，以开拓自己的专业知识面。

本教材共分12章，其中第1章为绪论，主要介绍环境微生物学的发展和生物学基础知识；第2～4章介绍了在环境中存在的微生物主要种类和特点；第5章介绍了微生物的生理和代谢；第6章介绍了微生物生长和环境因子对微生物的影响；第7章的内容是微生物的遗传和变异；第8章是微生物的生态，介绍在各种环境条件下微生物的存在和变化；第9章则从微生物与物质循环的角度叙述了微生物在自然界中的地位和作用；第10章从实际应用的角度介绍了在环境领域中微生物所起的作用；第11章介绍了一些生物学新技术在环境微生物学领域的应用；第12章是环境微生物学实验，包括环境微生物中主要的、也是基本的实验内容。

本教材由乐毅全负责第1～4章和第6～11章的编写，王士芬负责第5章和第12章的编写。编者在编写过程中参阅了大量国内外的教材和资料，在此向有关作者致以谢忱。周群英教授审阅了本书并提出许多宝贵意见，另外,承蒙顾国维教授为本书作序，在此一并感谢。

限于编者水平，难免存在不妥和错误之处，敬请有关专家和读者批评指正。

 

编者

2005年1月于同济大学

1绪论1

1.1环境微生物学的形成和发展1

1.2环境微生物学的研究对象和任务2

1.2.1环境微生物学的研究内容2

1.2.2学习环境微生物学的意义3

1.3微生物的概述3

1.3.1微生物的定义3

1.3.2微生物的特点4

1.3.3微生物的分类6

1.3.4微生物的命名8

2病毒10

2.1病毒的特征和分类10

2.1.1病毒的特点10

2.1.2病毒的分类和命名10

2.2病毒的形态和结构11

2.2.1病毒的形态和大小11

2.2.2病毒的化学组成和结构12

2.2.3病毒的宿主13

2.3亚病毒和新兴病毒14

2.3.1类病毒14

2.3.2拟病毒14

2.3.3朊病毒14

2.3.4新兴病毒15

2.4病毒的增殖过程15

2.4.1病毒的增殖过程15

2.4.2毒性噬菌体和温和噬菌体16

2.5病毒的培养和计数17

2.5.1病毒的培养特征17

2.5.2病毒的培养基17

2.5.3动物病毒的空斑实验17

2.5.4噬菌体的培养和测定18

2.6环境因子对病毒的影响和病毒的存活18

2.6.1物理因素的影响18

2.6.2化学因素的影响19

2.6.3病毒的存活19

3原核微生物22

3.1细菌22

3.1.1细菌的个体形态和大小22

3.1.2细菌的细胞结构23

3.1.3细菌的繁殖29

3.1.4细菌的培养特征29

3.1.5细菌的物理化学性质31

3.1.6细菌的分类和鉴定33

3.2古菌38

3.2.1古菌的研究38

3.2.2古菌的特点38

3.2.3古菌的分类39

3.2.4古菌在生物界的特殊地位40

3.3放线菌41

3.3.1放线菌的形态和大小41

3.3.2放线菌的菌落形态41

3.3.3放线菌的生活史和繁殖42

3.3.4放线菌的主要类群42

3.3.5放线菌在自然界中的分布和在生产实际中的应用43

3.4蓝细菌43

3.4.1蓝细菌的特点43

3.4.2蓝细菌的分类43

3.4.3蓝细菌的分布与生态44

3.5其他原核微生物44

3.5.1螺旋体44

3.5.2立克次体45

3.5.3衣原体45

3.5.4支原体45

4真核微生物48

4.1原生动物48

4.1.1原生动物的一般特征48

4.1.2原生动物的分类及各纲简介49

4.2微型后生动物54

4.2.1轮虫54

4.2.2线虫54

4.2.3寡毛类55

4.2.4浮游甲壳动物55

4.3真核藻类55

4.3.1真核藻类的一般特征55

4.3.2藻类的分类及各门特征简介56

4.3.3藻类与环境保护60

4.4真菌61

4.4.1真菌的一般特点61

4.4.2真菌的分类61

4.4.3酵母菌61

4.4.4霉菌62

4.4.5伞菌66

5微生物的生理68

5.1生物生命活动的催化剂——酶68

5.1.1酶的概念68

5.1.2酶的催化特性68

5.1.3酶的组成69

5.1.4酶蛋白的结构70

5.1.5酶的活性中心和酶与底物结合的机理71

5.1.6酶的分类与命名72

5.1.7酶活力和影响酶活力的因素73

5.2微生物的营养76

5.2.1微生物的化学组成76

5.2.2微生物的营养物质和营养类型77

5.2.3微生物的培养基79

5.2.4微生物对底物进行代谢的过程80

5.3微生物的能量代谢82

5.3.1生物氧化概述82

5.3.2生物氧化的类型83

5.3.3发光现象89

5.4微生物的合成代谢89

5.4.1合成代谢概述89

5.4.2产甲烷菌的合成代谢91

5.4.3化能自养微生物的合成代谢91

5.4.4光合作用91

5.4.5异养微生物的合成代谢93

5.4.6初级代谢与次级代谢93

6微生物的生长与环境因子的影响96

6.1微生物的生长96

6.1.1微生物生长繁殖的概念96

6.1.2微生物的培养方法和生长曲线96

6.1.3微生物生长曲线在废水微生物处理中的应用101

6.1.4微生物生长繁殖的测定102

6.1.5微生物的死亡及其测定103

6.2影响微生物生长的环境因子103

6.2.1温度103

6.2.2pH106

6.2.3氧化还原电位107

6.2.4溶解氧107

6.2.5辐射109

6.2.6水的活度与渗透压110

6.2.7重金属111

6.2.8若干有机物111

6.2.9抗生素112

6.2.10其他因素113

7微生物的遗传和变异116

7.1微生物的遗传和变异现象和意义116

7.1.1微生物的遗传和变异现象概述116

7.1.2遗传和变异的意义117

7.2微生物的遗传117

7.2.1遗传和变异的物质基础——DNA117

7.2.2DNA的结构与复制121

7.2.3DNA的变性和复性123

7.2.4RNA及其作用124

7.2.5微生物生长与蛋白质合成126

7.2.6微生物的细胞分裂127

7.3微生物的变异127

7.3.1变异的实质127

7.3.2基因突变的特点和类型127

7.3.3基因重组130

7.3.4基因工程及在环境保护中的应用132

8微生物生态学137

8.1生态学原理137

8.1.1生态学的定义和研究内容137

8.1.2种群和群落138

8.1.3生态系统139

8.1.4生态平衡141

8.1.5微生物生态系统与微生物生态学142

8.2土壤中的微生物142

8.2.1土壤的生态条件142

8.2.2微生物在土壤中的数量、种类和分布143

8.2.3土壤自净和污染土壤微生物生态144

8.3空气中的微生物145

8.3.1空气的生态条件145

8.3.2空气微生物的来源、特点和种类145

8.3.3空气微生物的卫生标准及生物洁净技术146

8.4水体中的微生物148

8.4.1水体中的微生物群落148

8.4.2水体自净和污染水体的微生物生态150

8.4.3水体富营养化155

8.5微生物之间及其与动物、植物之间的相互关系157

8.5.1微生物之间的相互关系157

8.5.2微生物与高等植物之间的相互关系158

8.5.3微生物与人类和动物之间的相互关系159

9微生物在环境物质循环中的作用163

9.1自然界的物质循环163

9.1.1物质循环与生物163

9.1.2水循环是物质循环的核心164

9.2微生物与碳循环164

9.2.1碳循环的过程164

9.2.2微生物在碳循环中的作用165

9.2.3微生物对主要含碳化合物的转化和分解过程165

9.3微生物与氮循环170

9.3.1氮循环的过程170

9.3.2微生物在氮循环中的作用171

9.4微生物与硫循环174

9.4.1硫循环的过程174

9.4.2微生物在硫循环中的作用174

9.5微生物与磷循环176

9.5.1磷循环的过程176

9.5.2微生物在磷循环中的作用176

10微生物和环境污染控制与治理179

10.1废水好氧生物处理中的微生物179

10.1.1好氧活性污泥法179

10.1.2好氧生物膜法185

10.1.3氧化塘186

10.2厌氧生物处理中的微生物187

10.2.1厌氧消化——甲烷发酵188

10.2.2光合细菌处理高浓度有机废水189

10.2.3含硫酸盐废水的厌氧处理189

10.3废水的脱氮和除磷190

10.3.1废水脱氮和除磷的目的与意义190

10.3.2废水生物脱氮原理及工艺190

10.3.3废水生物除磷原理及工艺192

10.4有机固体废物处理中的微生物194

10.4.1堆肥法194

10.4.2填埋法及渗滤液195

10.5废气生物处理中的微生物195

10.5.1废气的处理方法195

10.5.2