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环境微生物学

1 绪论

学习指南

    环境微生物学是由微生物学发展起来的一门新兴学科，是环境科学和环境工程的一门基础学科。它以微生物学的理论和技术为基础，在研究微生物学一般规律的同时，注重微生物和环境之间相互作用的规律，并将其作用于环境质量进行监测、污染控制和环境调控。微生物活动对环境和人类产生的有益和有害的影响以及在环境污染控制工程中有关的微生物学原理的研究，是环境科学的重要理论基础。

1.1环境面临的问题与微生物的作用

1.1.1环境面临的问题

蔚蓝的天空，清新的空气，绿色的田野，葱郁的山峦，茂密的森林，清澈的河流，明净的湖泊，湛蓝的海洋，是地球固有的风貌，人类生息的摇篮。但是，伴随着近代工业文明的兴起与发展，人类在索取自然财富，提高物质文化生活，建立现代文明的过程中，由于肆无忌惮地掠取自然资源，无所顾忌地丢弃各种废物，无视生态环境的发展规律，从而导致了人类生存环境的破坏，而人类环境的破坏既来自于自然力，如雷电、地震、火山爆发、洪水等等，也来自人类活动。环境的破坏自古就有，大规模毁林垦荒，造成严重的水土流失，致使良田逐渐沦为贫瘠之地。但是人类对环境大规模地破坏还主要在产业革命、机械广泛使用之后。社会生产力的迅速发展为人类创造了大量财富，提高了人类的生活质量，同时也排出大量的废物造成了环境污染，严重危害人类的生存和发展。例如：19世纪下半叶英国工业大发展造成了其工业中心之一的伦敦多次发生严重的烟雾事件。二次世界大战后农药的大量生产和使用，使人类获得了较大的农业利益，但农药在自然环境中的积累也造成了土壤毒化、部分生物死亡，人体健康受害，有的难降解农药如DDT、六六六等甚至通过大气和水流迁移扩散到了地球两极。造成全球性公害。

全球每年排入环境的数十亿吨的固体废弃物，近万亿吨的工业废水和数亿吨的碳氧化物已经造成了人类可利用水源的严重短缺和气候的恶化，也造成了许多种动植物的灭绝。这些都对人类的生存和发展造成了无法弥补的损失。人类活动所造成的大气、水、土壤和生物污染和破坏说明：自然界的生态平衡已受到日益严重的干扰，自然资源受到大规模破坏，人类生存的环境功能正在退化，人类的生存和发展也受到危害。例如：①1873、1880、1892年英国伦敦由燃煤造成的毒雾事件，先后夺去1800余人的生命；②1952年12月伦敦的毒雾又使4000余人丧生；③本世纪五、六十年代，马斯河谷烟雾事件、多诺拉烟雾事件、洛杉矶光化学烟雾事件、日本的骨痛病和水侯病事件等等又接连发生，使人类遭受重大损失。而且世界各地大大小小的污染造成资源和生态破坏的事件就从未停止过。致使水再也不是取之不竭、用之不尽的资源，世界很多地区出现水荒；每年有数百万公顷土地沙漠化，数万种动植物从地球上消失，大量的S02、NOx等排放到空气中，使遭受酸雨袭击过的地区遍及亚、欧和美洲的广泛地区。

环境污染是当今社会面临的一个主要问题，随着经济的快速发展，各种新兴的工业生产的飞速发展，化工及石油行业迅速发展的同时，带来了众多的环境污染问题，含氮废水对水体的污染就是其中之一。当大量含氮废水排入自然水体时，使藻类和水生植物的大量生长，严重破坏水体生态平衡，并造成水体富营养化，因此，开展含氮废水的处理研究成为当代环境工作者的重要任务和目标之一。

    众所周知，水是生命之源，是整个人类赖以生存的发展的命脉。然而，随着近年来工业现代化的迅速发展，人工合成的有机化学品日益激增，这些有机物在造福人类社会的同时也悄然地污染和破坏着人类宝贵的生存环境，水资源的匮乏加之环境的污染日益严重地困扰和威胁着人类的生存命脉，成为当今世界面临的最大问题之一。

    土壤是人类赖以生存的主要自然资源。然而，由于生活污水排放，污水灌溉，大气沉降，采矿冶炼，农药化肥的大量施用等原因，加上土壤对于污染物的累积富集作用。土壤污染，尤其是重金属污染状况日益严重。土壤一旦受到污染，治理和恢复的难度比大气、水体要大的多。土壤污染可经水、植物等介质最终影响人体健康。

    目前，我国每年产生固体废弃物6亿多吨，其中危险废物约占5%～7%。这些废弃物只是简单的堆放，导致地表水和底下水污染，危害附近居民的身体健康，人员伤亡及环境污染事件屡有发生。一些地区将分散的危险废弃物收集后经简单、原始的处理后集中排放，导致更大的环境污染危险。因此，加强我国危险废物的管理工作刻不容缓。

1.1.2微生物在环境中的作用

    微生物是生物界的一个重要的类群，是一种重要的生物资源，环境微生物资源极为丰富，种类多样，在生物界，种以下分化最多的生物就是微生物。它们在自然界的物质循环和转化中起着极为重要的作用，不仅维持着生物圈的生态平衡，而且维持着地球系统的物质平衡。这其中一个最典型的作用就是环境微生物的生物降解作用，生物降解作用既发生在水圈、岩石圈、也发生在大气圈中，甚至在生物体内也是最常见的。

    随着工业的发展和人口的急剧膨胀，排放进入环境的各种污染物质不断增加，且污染物的性质变化多样，为了削减所排放的污染物，采用微生物治理的方法越来越多，除了在环境治理工程中采用微生物方法以外，一些非工厂的措施也会通过环境微生物的作用获得效果。因此，对环境微生物的研究便日益兴旺。各种有关环境微生物的研究使得人类有机会更多深入地认识环境微生物，发现更有益的种类和生物功能。

    自然环境中存在的微生物在接纳多种多样的环境污染物之前是一个稳定的自然群落，污染物质的大量进入，必然引起这个自然群落的大变动。首先是一些不适应污染环境的微生物种类从环境中消失，原有自然环境中的微生物种群将被新的适应污染的微生物种群所取代，甚至从环境中消失，种群间的数量结构发生变化。其次，进入环境中的污染物质可以诱导微生物物种发生变异，使微生物物种的特有质粒转移或者产生新的质粒，从而诱导出对污染物质具有更强的耐受能力和分解能力的微生物新物种，或者更加丰富多彩的变异菌株，使微生物群落具有更高的多样性。

    环境微生物的种种作用、特性与功能，吸引着大量环境科学家和微生物学家，环境微生物的研究也将会有更新的发展高峰出现。

1.2微生物在自然界的地位

    微生物（microorganism）不是分类学上的名词，它是一切肉眼看不见的或看不清的微小生物的总称。他们包括原核生物，如细菌、放线菌和蓝细菌(蓝藻)等；真核生物，如真菌(霉菌和酵母菌)、微型藻类和原生动物等；非细胞生物，病毒类。也有人将多细胞的微小动物(后生动物)归属微生物。不同微生物分属不同生物类群，在自然界具有不同作用。

1.2.1 微生物的分类地位

在旧的两界生物分类系统中，根据生物细胞有无细胞壁、主动运动能力和合成各种细胞物质的能力等，将生物分为动物界和植物界。据此，微生物中的病毒、细菌、放线菌、真菌和藻类被分在植物界，而原生动物被分在动物界中。这种分类方法在科研实践中发现具有诸多不便和矛盾，所以产生了三界、五界和六界分类系统。在六界分类系统中，将所有生物分为植物界、动物界、真核原生生物界、真菌界、原核生物界和病毒界。据此，根据微生物的形态结构，它们的分类地位如表1-1所示。

表1-1  微生物的分类地位

微生物类群	所属生物界	微生物类群	所属生物界
病毒	病毒界	细菌 放线菌 蓝细菌(蓝绿藻)	原核生物界
霉茵 酵母菌	真菌界	原生动物 藻类	真核原生生物界

 

1.2.2微生物与动植物和人类的关系

    由微生物在自然界的功能可知，若没有微生物，植物所需CO2和氮素营养物来源将失去90%以上，其生活将难以维持长久，因而会逐渐消亡，在地球上所剩下的只是各种生物的尸骸。植物的消失，将使动物失去氧的来源，因此地球上的生物的末日会即刻到来。由此可知，生物圈内，尤其是同处于一个生态系统中的微生物与植物、动物和人是紧密相关、相互支持和相互制约的。相比之下，包括人类在内的高等生物对微生物的依赖性要远大于微生物对高等生物的依赖性。

1.2.2.1微生物与植物的关系

    植物是典型的自养生物，它们的生活离不开碳、氮、硫、磷的无视化合物和水，但是除水以外，其他元素的无机化合物在地球上的现存量是有限的，植物的繁衍对其需求则是无限的，所以地球上如没有微生物生活，必然导致植物营养枯竭、使植物难以生存。因此，植物的生活是高度依赖于微生物的生命活动的。另一方面，植物的病原体中不少是微生物，所以植物的生长又从另一侧面受到微生物的限制。 反过来，植物的生长又为微生物，特别是异养微生物提供大量可利用碳源和能源物质，使微生物在自然界顺利繁衍，并保持其较高的生物量和群落活性。

1.2.2.2 微生物与动物的关系

    动物是直接或间接以植物和自养微生物合成的有机物为食物的生物。在营养方面它们也受微生物的影响。动物对植物性有机物，特别是纤维素、木质素等难消化有机物是较难利用的，微生物对以上物质的分解使其变为易被动物消化的有机物，因此可提高动物对植物性有机物的利用率，扩大动物的食物来源，如牛、羊、鹿、骡、马、驴等食草动物就是在其胃中的微生物帮助下较好地利用植物性营养物的。微生物还能够产生多种动物病原体的抑制物，如酸性物质、抗生素等，还能产生动物生活的必需活性物质，如某些维生素和动物本身不能合成的氨基酸。因此，动物与微生物共生共存是其生存、繁衍的必要条件。

    动物的病原体中也有不少是微生物。病原微生物同样可引起动物病害和死亡，这当然是动物群落、种群发展的限制因素。但是，这又可造成动物的优胜劣汰，保持地球上动物群落的活性和平衡。

1.2.2.3 微生物与人

    可以说人类的日常生活、衣食住行、经济发展、美好环境的保持和创造等都离不开微生物。因此，研究微生物的特性，最大限度的利用其有益的一面，限制其有害作用，将是人类生存和发展必不可少的工作。人类发展需要微生物，人类发展也需要防治微生物。

在说到微生物与人类的关系时，人们总是愿意将微生物分为有益微生物和有害微生物。微生物与人类的关系与微生物与动物的关系十分相似，有害微生物通常指那些可导致人类疾病和死亡的病原体微生物；有益微生物则指那些有助于人类生产和生活的微生物，以及能够使污染物净化的微生物。例如有的微生物可用于生产人类可口的饮料，有的可生产人类生产资料(如丙酮、丁醇、甲烷等)，有的可生产抗菌素、维生素等药品，有的可作为人类的美食(如蘑菇、木耳、银耳等)，还有很多微生物可作为污染物的净化者，等等。但是，实际上有益和有害是不能截然分开的，任何有益微生物在不适当的时间和地点过量繁殖对人类都可能是有害的。例如多数异养微生物都具有净化有机污染物的作用，在环境污染控制中具有重要作用，但是其中任何一种微生物在生产资料或生活用品上大量繁殖都可使之失去应用价值。总之，人类的食物来源间接受微生物影响，人类健康离不开微生物，人类的生产、生活离不开微生物。

1.3 微生物的特点

    微生物种类繁多，形态各异，营养类型庞杂，但都表现为简单、低等的生命形态；微生物在自然环境和污染环境中的作用是与他们的特性紧密相关的。微生物除具有各种生物共有的生物学特性，如能从其环境中吸取营养并将废物排入环境、遗传变异、生长繁殖、对其环境的变化做出反应等共性外，还具有其形态结构、代谢活性、生理类型、代谢灵活性和生态分布等方面的特性。

1.3.1 个体极小，结构简单

微生物的共同特点之一是个体微小，结构简单，必须借助于显微镜，甚至用电子显微镜把它们放大几十万倍才能看到，测量微生物需用测微尺，细菌以微米（μm）为计量单位；病毒比细菌还小，用纳米（nm）为计量单位。在微生物世界，个体最小的是类病毒和朊病毒，它们大约是病毒大小的1/100。微生物结构简单，如细菌、原生动物、单细胞藻类、酵母菌都为单细胞生物。霉菌是微生物中结构最复杂的类群，它们也只是多细胞的简单排列，无组织器官分化。因此，它们的每个细胞都能与其环境直接进行物质交换。但是它们都能在适宜的环境中生长繁殖，形成自己的种群，并执行一定的功能。认识微生物这一特性对于研究微生物的生理、遗传、代谢、生态和在环境科学中的应用都具有重要意义。

1.3.2 容易变异、种类繁多

微生物对环境条件敏感，容易发生变异。在外界条件出现剧烈变化时，多数个体死亡，少数个体可发生变异而适应新的环境。由于微生物个体微小、结构简单，在环境发生变化时每个细胞都能直接感觉环境的刺激或压力，所以它们比其他生物对环境变化更敏感，易对变化了的环境产生适应，在不适宜理化因素的压力下易发生遗传上的变异。因此，虽然微生物个体形态类型不多，但是它们的种类却很多，目前已知细菌有数千种，霉菌有十万多种，放线菌1500多种，原生动物68000多种等。而且，由于其容易变异而适应新的环境，形成了多种生理类型，以营养类型分有光能自养型、光能异养型、化能自养型和化能异养型；从新陈代谢对氧的依赖性分有好氧、厌氧和兼性厌氧三种类型；以生长温度分，有高温型、中温型和低温型。其他方面又可根据生长适宜的pH、干旱、压力等分成不同生理类型。这样就可以对不同应用目的提供不同微生物资源。   

1.3.3 分布广泛、代谢灵活

微生物在自然界分布极广，不论是土壤、水体和空气，还是植物、动物和人体的内部或表面，都存在大量微生物。上至8万多米的高空，下至3千多米的油井，冷至南北极地，热至几百度的深海火山口内，都有微生物的踪迹，真可谓无孔不入，无所不在。

微生物代谢活跃，由于个体小，相应的比表面积很大，能迅速地从环境中吸取各种营养物质，排出大量代谢产物。微生物不仅不同种类具有不同的代谢方式，使之适于在不同环境中生活，而且有的同种微生物在不同环境中具有不同的代谢方式，如酵母菌等兼性厌氧菌，既能在有氧环境中生活，又能在无氧环境中生活，而且在不同环境中对营养的利用方式和产物不同。这使他们具有应付环境条件变化的能力，在环境条件发生较大变化时，也能快速适应，并执行新的功能。

1.3.4 繁殖迅速、作用甚大

微生物具有极高的繁殖速度，在生长旺盛时，有些细菌每20防止就能增殖一代，24小时可增殖72代，如果没有其它条件限制，经过一昼夜1个细菌就可增至4万亿亿个。微生物结构简单，其中每一个细胞都可与其环境直接进行物质交换，吸收和利用环境中的营养，不需在体内组织和器官中传递，可直接用于细胞物质的合成。生物学家们的研究表明，生物的代谢率与其表面面积与体积的比(比表面积)成正相关，而微生物个体微小，比表面积大，以直径为1μm的球菌为例，其比表面积是体积lcm3的生物的10000倍，所以微生物能以极高的速度同化其环境中的营养物质，同时进行快速的繁殖。试验表明，一头重500kg的牛在24小时内仅可产生0.5kg的蛋白质；而500kg酵母菌，在同样时间内则可产生50000kg的蛋白质。又如乳酸菌每小时可同化相当自身体重1000～10000倍的糖，而一个90kg的人同化相当自身体重1000倍的糖约需200多万小时。这使微生物在污染物净化中、在废水处理中具有巨大的应用潜力。

1.4 环境微生物学的内容和任务

1.4.1 环境微生物学的内容

环境微生物学是研究微生物与人类生存环境之间相互关系与作用规律的科学，它着重研究微生物对人类环境所产生的有益和有害的影响，阐明微生物、污染物与环境三者之间的相互关系及作用规律，是环境科学的一个分支学科。，环境微生物学作为环境科学专业的重要课程，主要包括以下内容：

1.4.1.1 微生物学的基础知识

微生物在环境研究和实践中的应用，实际上是微生物学原理和技术的应用。本课程的教学对像是未接受过微生物学基础理论和技术教育的环境专业的高职高专学生，所以在他们接受环境微生物学理论和技术训练前，必须使其掌握微生物学的基础理论和基本技术。例如：①微生物所包括的类群及其特征；②微生物的生理特性和代谢规律；③微生物的遗传特性及其遗传变异与环境条件的关系；④微生物生态学原理和研究方法；⑤微生物的生长和生长测定技术：⑥微生物在自然界物质循环中的作用等。通过微生物基础理论和技术的教学，使学生获得进一步学习有关环境微生物学的基础理论和技术。

1.4.1.2 微生物与环境污染

环境微生物既有其有利的方面，也有其不利的方面。对人和生物有害的微生物污染大气、水体、土壤和食品，可影响生物产量和质量，危害人类健康，这种污染称为微生物污染。按照被污染的对象，可分为大气微生物污染、水体微生物污染、土壤微生物污染、食品微生物污染等。根据危害方式，则可分为病原微生物污染、水体富营养化、微生物代谢物污染等。微生物病原体污染，是最重要的微生物污染，如水体常由于生活污水、医院污水、畜禽食品加工废水、皮革加工废水等而受污染。微生物代谢产物的污染，主要包括微生物代谢产生的毒素的污染。微生物还会引起材料腐败和腐蚀，它们不仅侵害大多数有机物，而且还侵害金属、水泥、电子元件和玻璃等。因此，使学生了解微生物对环境和人类生活资料、生产资料及人体健康的危害和防治技术是必要的。

1.4.1.3 微生物净化与废物生物处理

    环境污染微生物净化，实际是一个污染微生物生态学问题。其教学内容主要是污染物对污染环境中微生物群落的影响；微生物对污染物净化能力与污染物种类和污染强度的关系；了解对典型污染物具有较强净化能力的微生物的特性和强化环境自净能力的措施等。使学生掌握污染物、环境和微生物三者之间相互关系、相互作用的规律和技术。

    废物生物处理是强化了的自然净化过程，是利用微生物较强的代谢能力，使废物无害化的过程。废物生物处理系统是生态系统的一种类型，其中部分环境条件是可人为控制的。其研究工作主要是了解处理过程中微生物的生理特点和生化特性，并据此尽可能创造微生物群体净化污染物所需环境条件，以提高处理效率。所以废物处理微生物学实际上是废物处理微生物生态学问题。本书将介绍目前应用的主要处理工艺和新工艺的生态特点、微生物特点和工艺改革的理论基础。

1.4.1.4 环境微生物监测   

环境监测是了解环境现状的重要手段，它包括化学分析、物理测定和生物监测三个部分。生物监测是利用生物对环境污染所发出的各种信息来判断环境污染状况的过程。生物长期生活于自然环境中，不仅能够对多种污染做出综合反映，还能反映污染历史。因此，生物监测取得的结果具有重要的参考价值。微生物监测是生物监测的重要组成部分，具有其独特的作用。

微生物具有生理类型多、世代周期短、适应性强、分布广等特性，因此非常适合作为环境监测指标生物。近年来除常规微生物监测技术外，在病原体指示生物和环境毒理学检测方面有了较大发展。

    (1)病原体指示生物  多年来总大肠菌群数一直作为病原体的数量指标。但因为大肠菌群在对不利环境因素的抗性方面不如某些病原体，所以其应用价值受到限制。近年来有关科学家在寻找新的指示生物中发现细菌噬菌体与人、动物和植物病毒有着相似的特性，而且对操作人员安全无害。

   (2)微生物环境毒理监测 环境毒理监测主要是鉴别有毒有害化合物、工业废水、固体废弃物和受污染环境的毒性，以及对生物群落功能和对人体的危害。这方面多年来一直以高等动物，如鱼、鼠、免、猫等为试验生物，试验周期长、费用大，易受环境和季节等因素影响，所以有关工作者将目光转向了微生物。

    在三致(致癌、致畸、致突变)物质监测方面出现了一批微生物学新方法，如Ames实验。在其他毒性试验方面也出现了一批微生物学新方法，如发光细菌法、脱氢酶活性法、硝化细菌法、藻类和原生动物法、微生物分子生物学方法等。其中发光细菌法已成为标准方法。

    环境微生物监测的主要内容包括常规微生物监测的原理和技术，以及监测结果在环境影响评价中的应用，同时介绍环境微生物监测新技术的研究动向和环境预断评价新技术的发展方向。    

1.4.2 环境微生物学的主要任务

环境微生物学的任务主要有以下几个方面：

(1) 研究自然环境中的微生物群落、结构、功能与动态，研究微生物在不同生态系统中的物质转化和能量流动过程中的作用与机理，同时可以调查自然环境中的微生物资源，为保存和开发有益微生物和控制有害微生物提供科学资料，使微生物在生态系统中发挥更好的作用。

(2) 在环境污染日益严重的情况下，环境微生物学者着重研究污染环境下的微生物学，即研究微生物对环境污染物的降解与转化的机理，提高微生物对污染净化的效率。目前，在废水、废气、废渣的处理方法中，生物处理法占重要地位，而微生物是废物生物处理的主体。因此，环境微生物学要不断地分离筛选一些对污染物具有高效降解能力的菌株，研究它们的代谢途径，同时，研究开发一些利用微生物降解污染物的应用技术，以便更好地利用微生物处理各种污染物。

(3) 研究微生物对环境的污染及破坏作用，以及引起环境质量下降的原因与规律，以便防止、控制、消除微生物的有害活动，化害为利。

(4) 研究环境污染对微生物的影响及其生态作用，即研究污染物对污染环境中微生物群落结构和功能的影响以及污染环境中污染强度与微生物群落特性的关系，以确定污染强度对环境质量和功能的影响。

(5) 开展利用微生物监测和评价环境污染的技术研究，促进环境监测技术的发展。

1.5环境微生物学的发展

    环境微生物学学科的建立既是环境科学理论和技术发展的结果也是微生物学，尤其是微生物生态学理论和技术发展的结果。在1914年，废水生物处理方法(活性污泥法)在英国诞生以后，有关科学工作者逐渐认识到其中起主要作用的是包括细菌、原生动物在内的微生物。其处理效果的好坏直接与其中微生物的生活条件有关，由此也引起了在一个生态系统中微生物组成和功能与环境因素关系的探索。以上探索也促进了微生物监测理论和技术的发展。微生物学的发展和微生物生态学理论和研究技术的进步，因其产生的环境效益、社会效益和经济效益巨大而使越来越多的微生物学工作者投入这一新领域，而且成绩斐然。

    我国在抗生素、氨基酸、有机酸、酿酒、酶制剂、食用菌、农药、菌肥的研究和生产方面已有相当的基础，特别是抗生素的产量，在全世界名列前茅。我国的微生物资源丰富，今后要在菌种筛选、良种培育、工艺改革方面进一步努力，就会使产品的品种增加，单位产量提高，从而使产品的生产达到国际先进水平。

    鉴于环境科学中微生物应用的理论和技术的快速发展，以及微生物生态学理论和技术的发展，在第十次国际微生物学学会上成立了国际微生物生态学会。由于环境问题的日益严重和微生物在污染治理、环境净化和环境微生物监测中的重要作用，因而日益受到人们的关注，也大大促进了环境微生物学的发展。 

本章小结

    本章着重介绍了环境面临的问题与微生物的作用，微生物的分类地位，微生物与动植物和人类的关系，微生物的特点，微生物在环境中的应用，环境微生物学的内容和任务，环境微生物学的发展。

环境微生物学主要研究微生物主要类群的形态、细胞结构及其功能、微生物的营养、呼吸、物质代谢、生长繁殖、遗传与变异等基础理论；研究栖息在水体、土壤、空气、城市生活污水、工业废水和城市有机固体废弃物处理和废气生物处理中的微生物及其生态；饮用水卫生细菌学；自然环境物质循环与转化；水体和土壤的自净作用，污染水体治理、污染土壤的修复等环境工程净化的原理及应用。环境微生物学的任务就是充分利用有益微生物资源为人类造福。防止、控制、消除微生物的有害活动、化害为利。

1 绪论

学习指南

    环境微生物学是由微生物学发展起来的一门新兴学科，是环境科学和环境工程的一门基础学科。它以微生物学的理论和技术为基础，在研究微生物学一般规律的同时，注重微生物和环境之间相互作用的规律，并将其作用于环境质量进行监测、污染控制和环境调控。微生物活动对环境和人类产生的有益和有害的影响以及在环境污染控制工程中有关的微生物学原理的研究，是环境科学的重要理论基础。

1.1环境面临的问题与微生物的作用

1.1.1环境面临的问题

蔚蓝的天空，清新的空气，绿色的田野，葱郁的山峦，茂密的森林，清澈的河流，明净的湖泊，湛蓝的海洋，是地球固有的风貌，人类生息的摇篮。但是，伴随着近代工业文明的兴起与发展，人类在索取自然财富，提高物质文化生活，建立现代文明的过程中，由于肆无忌惮地掠取自然资源，无所顾忌地丢弃各种废物，无视生态环境的发展规律，从而导致了人类生存环境的破坏，而人类环境的破坏既来自于自然力，如雷电、地震、火山爆发、洪水等等，也来自人类活动。环境的破坏自古就有，大规模毁林垦荒，造成严重的水土流失，致使良田逐渐沦为贫瘠之地。但是人类对环境大规模地破坏还主要在产业革命、机械广泛使用之后。社会生产力的迅速发展为人类创造了大量财富，提高了人类的生活质量，同时也排出大量的废物造成了环境污染，严重危害人类的生存和发展。例如：19世纪下半叶英国工业大发展造成了其工业中心之一的伦敦多次发生严重的烟雾事件。二次世界大战后农药的大量生产和使用，使人类获得了较大的农业利益，但农药在自然环境中的积累也造成了土壤毒化、部分生物死亡，人体健康受害，有的难降解农药如DDT、六六六等甚至通过大气和水流迁移扩散到了地球两极。造成全球性公害。

全球每年排入环境的数十亿吨的固体废弃物，近万亿吨的工业废水和数亿吨的碳氧化物已经造成了人类可利用水源的严重短缺和气候的恶化，也造成了许多种动植物的灭绝。这些都对人类的生存和发展造成了无法弥补的损失。人类活动所造成的大气、水、土壤和生物污染和破坏说明：自然界的生态平衡已受到日益严重的干扰，自然资源受到大规模破坏，人类生存的环境功能正在退化，人类的生存和发展也受到危害。例如：①1873、1880、1892年英国伦敦由燃煤造成的毒雾事件，先后夺去1800余人的生命；②1952年12月伦敦的毒雾又使4000余人丧生；③本世纪五、六十年代，马斯河谷烟雾事件、多诺拉烟雾事件、洛杉矶光化学烟雾事件、日本的骨痛病和水侯病事件等等又接连发生，使人类遭受重大损失。而且世界各地大大小小的污染造成资源和生态破坏的事件就从未停止过。致使水再也不是取之不竭、用之不尽的资源，世界很多地区出现水荒；每年有数百万公顷土地沙漠化，数万种动植物从地球上消失，大量的S02、NOx等排放到空气中，使遭受酸雨袭击过的地区遍及亚、欧和美洲的广泛地区。

环境污染是当今社会面临的一个主要问题，随着经济的快速发展，各种新兴的工业生产的飞速发展，化工及石油行业迅速发展的同时，带来了众多的环境污染问题，含氮废水对水体的污染就是其中之一。当大量含氮废水排入自然水体时，使藻类和水生植物的大量生长，严重破坏水体生态平衡，并造成水体富营养化，因此，开展含氮废水的处理研究成为当代环境工作者的重要任务和目标之一。

    众所周知，水是生命之源，是整个人类赖以生存的发展的命脉。然而，随着近年来工业现代化的迅速发展，人工合成的有机化学品日益激增，这些有机物在造福人类社会的同时也悄然地污染和破坏着人类宝贵的生存环境，水资源的匮乏加之环境的污染日益严重地困扰和威胁着人类的生存命脉，成为当今世界面临的最大问题之一。

    土壤是人类赖以生存的主要自然资源。然而，由于生活污水排放，污水灌溉，大气沉降，采矿冶炼，农药化肥的大量施用等原因，加上土壤对于污染物的累积富集作用。土壤污染，尤其是重金属污染状况日益严重。土壤一旦受到污染，治理和恢复的难度比大气、水体要大的多。土壤污染可经水、植物等介质最终影响人体健康。

    目前，我国每年产生固体废弃物6亿多吨，其中危险废物约占5%～7%。这些废弃物只是简单的堆放，导致地表水和底下水污染，危害附近居民的身体健康，人员伤亡及环境污染事件屡有发生。一些地区将分散的危险废弃物收集后经简单、原始的处理后集中排放，导致更大的环境污染危险。因此，加强我国危险废物的管理工作刻不容缓。

1.1.2微生物在环境中的作用

    微生物是生物界的一个重要的类群，是一种重要的生物资源，环境微生物资源极为丰富，种类多样，在生物界，种以下分化最多的生物就是微生物。它们在自然界的物质循环和转化中起着极为重要的作用，不仅维持着生物圈的生态平衡，而且维持着地球系统的物质平衡。这其中一个最典型的作用就是环境微生物的生物降解作用，生物降解作用既发生在水圈、岩石圈、也发生在大气圈中，甚至在生物体内也是最常见的。

    随着工业的发展和人口的急剧膨胀，排放进入环境的各种污染物质不断增加，且污染物的性质变化多样，为了削减所排放的污染物，采用微生物治理的方法越来越多，除了在环境治理工程中采用微生物方法以外，一些非工厂的措施也会通过环境微生物的作用获得效果。因此，对环境微生物的研究便日益兴旺。各种有关环境微生物的研究使得人类有机会更多深入地认识环境微生物，发现更有益的种类和生物功能。

    自然环境中存在的微生物在接纳多种多样的环境污染物之前是一个稳定的自然群落，污染物质的大量进入，必然引起这个自然群落的大变动。首先是一些不适应污染环境的微生物种类从环境中消失，原有自然环境中的微生物种群将被新的适应污染的微生物种群所取代，甚至从环境中消失，种群间的数量结构发生变化。其次，进入环境中的污染物质可以诱导微生物物种发生变异，使微生物物种的特有质粒转移或者产生新的质粒，从而诱导出对污染物质具有更强的耐受能力和分解能力的微生物新物种，或者更加丰富多彩的变异菌株，使微生物群落具有更高的多样性。

    环境微生物的种种作用、特性与功能，吸引着大量环境科学家和微生物学家，环境微生物的研究也将会有更新的发展高峰出现。

1.2微生物在自然界的地位

    微生物（microorganism）不是分类学上的名词，它是一切肉眼看不见的或看不清的微小生物的总称。他们包括原核生物，如细菌、放线菌和蓝细菌(蓝藻)等；真核生物，如真菌(霉菌和酵母菌)、微型藻类和原生动物等；非细胞生物，病毒类。也有人将多细胞的微小动物(后生动物)归属微生物。不同微生物分属不同生物类群，在自然界具有不同作用。

1.2.1 微生物的分类地位

在旧的两界生物分类系统中，根据生物细胞有无细胞壁、主动运动能力和合成各种细胞物质的能力等，将生物分为动物界和植物界。据此，微生物中的病毒、细菌、放线菌、真菌和藻类被分在植物界，而原生动物被分在动物界中。这种分类方法在科研实践中发现具有诸多不便和矛盾，所以产生了三界、五界和六界分类系统。在六界分类系统中，将所有生物分为植物界、动物界、真核原生生物界、真菌界、原核生物界和病毒界。据此，根据微生物的形态结构，它们的分类地位如表1-1所示。

表1-1  微生物的分类地位

微生物类群	所属生物界	微生物类群	所属生物界
病毒	病毒界	细菌 放线菌 蓝细菌(蓝绿藻)	原核生物界
霉茵 酵母菌	真菌界	原生动物 藻类	真核原生生物界

 

1.2.2微生物与动植物和人类的关系

    由微生物在自然界的功能可知，若没有微生物，植物所需CO2和氮素营养物来源将失去90%以上，其生活将难以维持长久，因而会逐渐消亡，在地球上所剩下的只是各种生物的尸骸。植物的消失，将使动物失去氧的来源，因此地球上的生物的末日会即刻到来。由此可知，生物圈内，尤其是同处于一个生态系统中的微生物与植物、动物和人是紧密相关、相互支持和相互制约的。相比之下，包括人类在内的高等生物对微生物的依赖性要远大于微生物对高等生物的依赖性。

1.2.2.1微生物与植物的关系

    植物是典型的自养生物，它们的生活离不开碳、氮、硫、磷的无视化合物和水，但是除水以外，其他元素的无机化合物在地球上的现存量是有限的，植物的繁衍对其需求则是无限的，所以地球上如没有微生物生活，必然导致植物营养枯竭、使植物难以生存。因此，植物的生活是高度依赖于微生物的生命活动的。另一方面，植物的病原体中不少是微生物，所以植物的生长又从另一侧面受到微生物的限制。 反过来，植物的生长又为微生物，特别是异养微生物提供大量可利用碳源和能源物质，使微生物在自然界顺利繁衍，并保持其较高的生物量和群落活性。

1.2.2.2 微生物与动物的关系

    动物是直接或间接以植物和自养微生物合成的有机物为食物的生物。在营养方面它们也受微生物的影响。动物对植物性有机物，特别是纤维素、木质素等难消化有机物是较难利用的，微生物对以上物质的分解使其变为易被动物消化的有机物，因此可提高动物对植物性有机物的利用率，扩大动物的食物来源，如牛、羊、鹿、骡、马、驴等食草动物就是在其胃中的微生物帮助下较好地利用植物性营养物的。微生物还能够产生多种动物病原体的抑制物，如酸性物质、抗生素等，还能产生动物生活的必需活性物质，如某些维生素和动物本身不能合成的氨基酸。因此，动物与微生物共生共存是其生存、繁衍的必要条件。

    动物的病原体中也有不少是微生物。病原微生物同样可引起动物病害和死亡，这当然是动物群落、种群发展的限制因素。但是，这又可造成动物的优胜劣汰，保持地球上动物群落的活性和平衡。

1.2.2.3 微生物与人

    可以说人类的日常生活、衣食住行、经济发展、美好环境的保持和创造等都离不开微生物。因此，研究微生物的特性，最大限度的利用其有益的一面，限制其有害作用，将是人类生存和发展必不可少的工作。人类发展需要微生物，人类发展也需要防治微生物。

在说到微生物与人类的关系时，人们总是愿意将微生物分为有益微生物和有害微生物。微生物与人类的关系与微生物与动物的关系十分相似，有害微生物通常指那些可导致人类疾病和死亡的病原体微生物；有益微生物则指那些有助于人类生产和生活的微生物，以及能够使污染物净化的微生物。例如有的微生物可用于生产人类可口的饮料，有的可生产人类生产资料(如丙酮、丁醇、甲烷等)，有的可生产抗菌素、维生素等药品，有的可作为人类的美食(如蘑菇、木耳、银耳等)，还有很多微生物可作为污染物的净化者，等等。但是，实际上有益和有害是不能截然分开的，任何有益微生物在不适当的时间和地点过量繁殖对人类都可能是有害的。例如多数异养微生物都具有净化有机污染物的作用，在环境污染控制中具有重要作用，但是其中任何一种微生物在生产资料或生活用品上大量繁殖都可使之失去应用价值。总之，人类的食物来源间接受微生物影响，人类健康离不开微生物，人类的生产、生活离不开微生物。

1.3 微生物的特点

    微生物种类繁多，形态各异，营养类型庞杂，但都表现为简单、低等的生命形态；微生物在自然环境和污染环境中的作用是与他们的特性紧密相关的。微生物除具有各种生物共有的生物学特性，如能从其环境中吸取营养并将废物排入环境、遗传变异、生长繁殖、对其环境的变化做出反应等共性外，还具有其形态结构、代谢活性、生理类型、代谢灵活性和生态分布等方面的特性。

1.3.1 个体极小，结构简单

微生物的共同特点之一是个体微小，结构简单，必须借助于显微镜，甚至用电子显微镜把它们放大几十万倍才能看到，测量微生物需用测微尺，细菌以微米（μm）为计量单位；病毒比细菌还小，用纳米（nm）为计量单位。在微生物世界，个体最小的是类病毒和朊病毒，它们大约是病毒大小的1/100。微生物结构简单，如细菌、原生动物、单细胞藻类、酵母菌都为单细胞生物。霉菌是微生物中结构最复杂的类群，它们也只是多细胞的简单排列，无组织器官分化。因此，它们的每个细胞都能与其环境直接进行物质交换。但是它们都能在适宜的环境中生长繁殖，形成自己的种群，并执行一定的功能。认识微生物这一特性对于研究微生物的生理、遗传、代谢、生态和在环境科学中的应用都具有重要意义。

1.3.2 容易变异、种类繁多

微生物对环境条件敏感，容易发生变异。在外界条件出现剧烈变化时，多数个体死亡，少数个体可发生变异而适应新的环境。由于微生物个体微小、结构简单，在环境发生变化时每个细胞都能直接感觉环境的刺激或压力，所以它们比其他生物对环境变化更敏感，易对变化了的环境产生适应，在不适宜理化因素的压力下易发生遗传上的变异。因此，虽然微生物个体形态类型不多，但是它们的种类却很多，目前已知细菌有数千种，霉菌有十万多种，放线菌1500多种，原生动物68000多种等。而且，由于其容易变异而适应新的环境，形成了多种生理类型，以营养类型分有光能自养型、光能异养型、化能自养型和化能异养型；从新陈代谢对氧的依赖性分有好氧、厌氧和兼性厌氧三种类型；以生长温度分，有高温型、中温型和低温型。其他方面又可根据生长适宜的pH、干旱、压力等分成不同生理类型。这样就可以对不同应用目的提供不同微生物资源。   

1.3.3 分布广泛、代谢灵活

微生物在自然界分布极广，不论是土壤、水体和空气，还是植物、动物和人体的内部或表面，都存在大量微生物。上至8万多米的高空，下至3千多米的油井，冷至南北极地，热至几百度的深海火山口内，都有微生物的踪迹，真可谓无孔不入，无所不在。

微生物代谢活跃，由于个体小，相应的比表面积很大，能迅速地从环境中吸取各种营养物质，排出大量代谢产物。微生物不仅不同种类具有不同的代谢方式，使之适于在不同环境中生活，而且有的同种微生物在不同环境中具有不同的代谢方式，如酵母菌等兼性厌氧菌，既能在有氧环境中生活，又能在无氧环境中生活，而且在不同环境中对营养的利用方式和产物不同。这使他们具有应付环境条件变化的能力，在环境条件发生较大变化时，也能快速适应，并执行新的功能。

1.3.4 繁殖迅速、作用甚大

微生物具有极高的繁殖速度，在生长旺盛时，有些细菌每20防止就能增殖一代，24小时可增殖72代，如果没有其它条件限制，经过一昼夜1个细菌就可增至4万亿亿个。微生物结构简单，其中每一个细胞都可与其环境直接进行物质交换，吸收和利用环境中的营养，不需在体内组织和器官中传递，可直接用于细胞物质的合成。生物学家们的研究表明，生物的代谢率与其表面面积与体积的比(比表面积)成正相关，而微生物个体微小，比表面积大，以直径为1μm的球菌为例，其比表面积是体积lcm3的生物的10000倍，所以微生物能以极高的速度同化其环境中的营养物质，同时进行快速的繁殖。试验表明，一头重500kg的牛在24小时内仅可产生0.5kg的蛋白质；而500kg酵母菌，在同样时间内则可产生50000kg的蛋白质。又如乳酸菌每小时可同化相当自身体重1000～10000倍的糖，而一个90kg的人同化相当自身体重1000倍的糖约需200多万小时。这使微生物在污染物净化中、在废水处理中具有巨大的应用潜力。

1.4 环境微生物学的内容和任务

1.4.1 环境微生物学的内容

环境微生物学是研究微生物与人类生存环境之间相互关系与作用规律的科学，它着重研究微生物对人类环境所产生的有益和有害的影响，阐明微生物、污染物与环境三者之间的相互关系及作用规律，是环境科学的一个分支学科。，环境微生物学作为环境科学专业的重要课程，主要包括以下内容：

1.4.1.1 微生物学的基础知识

微生物在环境研究和实践中的应用，实际上是微生物学原理和技术的应用。本课程的教学对像是未接受过微生物学基础理论和技术教育的环境专业的高职高专学生，所以在他们接受环境微生物学理论和技术训练前，必须使其掌握微生物学的基础理论和基本技术。例如：①微生物所包括的类群及其特征；②微生物的生理特性和代谢规律；③微生物的遗传特性及其遗传变异与环境条件的关系；④微生物生态学原理和研究方法；⑤微生物的生长和生长测定技术：⑥微生物在自然界物质循环中的作用等。通过微生物基础理论和技术的教学，使学生获得进一步学习有关环境微生物学的基础理论和技术。

1.4.1.2 微生物与环境污染

环境微生物既有其有利的方面，也有其不利的方面。对人和生物有害的微生物污染大气、水体、土壤和食品，可影响生物产量和质量，危害人类健康，这种污染称为微生物污染。按照被污染的对象，可分为大气微生物污染、水体微生物污染、土壤微生物污染、食品微生物污染等。根据危害方式，则可分为病原微生物污染、水体富营养化、微生物代谢物污染等。微生物病原体污染，是最重要的微生物污染，如水体常由于生活污水、医院污水、畜禽食品加工废水、皮革加工废水等而受污染。微生物代谢产物的污染，主要包括微生物代谢产生的毒素的污染。微生物还会引起材料腐败和腐蚀，它们不仅侵害大多数有机物，而且还侵害金属、水泥、电子元件和玻璃等。因此，使学生了解微生物对环境和人类生活资料、生产资料及人体健康的危害和防治技术是必要的。

1.4.1.3 微生物净化与废物生物处理

    环境污染微生物净化，实际是一个污染微生物生态学问题。其教学内容主要是污染物对污染环境中微生物群落的影响；微生物对污染物净化能力与污染物种类和污染强度的关系；了解对典型污染物具有较强净化能力的微生物的特性和强化环境自净能力的措施等。使学生掌握污染物、环境和微生物三者之间相互关系、相互作用的规律和技术。

    废物生物处理是强化了的自然净化过程，是利用微生物较强的代谢能力，使废物无害化的过程。废物生物处理系统是生态系统的一种类型，其中部分环境条件是可人为控制的。其研究工作主要是了解处理过程中微生物的生理特点和生化特性，并据此尽可能创造微生物群体净化污染物所需环境条件，以提高处理效率。所以废物处理微生物学实际上是废物处理微生物生态学问题。本书将介绍目前应用的主要处理工艺和新工艺的生态特点、微生物特点和工艺改革的理论基础。

1.4.1.4 环境微生物监测   

环境监测是了解环境现状的重要手段，它包括化学分析、物理测定和生物监测三个部分。生物监测是利用生物对环境污染所发出的各种信息来判断环境污染状况的过程。生物长期生活于自然环境中，不仅能够对多种污染做出综合反映，还能反映污染历史。因此，生物监测取得的结果具有重要的参考价值。微生物监测是生物监测的重要组成部分，具有其独特的作用。

微生物具有生理类型多、世代周期短、适应性强、分布广等特性，因此非常适合作为环境监测指标生物。近年来除常规微生物监测技术外，在病原体指示生物和环境毒理学检测方面有了较大发展。

    (1)病原体指示生物  多年来总大肠菌群数一直作为病原体的数量指标。但因为大肠菌群在对不利环境因素的抗性方面不如某些病原体，所以其应用价值受到限制。近年来有关科学家在寻找新的指示生物中发现细菌噬菌体与人、动物和植物病毒有着相似的特性，而且对操作人员安全无害。

   (2)微生物环境毒理监测 环境毒理监测主要是鉴别有毒有害化合物、工业废水、固体废弃物和受污染环境的毒性，以及对生物群落功能和对人体的危害。这方面多年来一直以高等动物，如鱼、鼠、免、猫等为试验生物，试验周期长、费用大，易受环境和季节等因素影响，所以有关工作者将目光转向了微生物。

    在三致(致癌、致畸、致突变)物质监测方面出现了一批微生物学新方法，如Ames实验。在其他毒性试验方面也出现了一批微生物学新方法，如发光细菌法、脱氢酶活性法、硝化细菌法、藻类和原生动物法、微生物分子生物学方法等。其中发光细菌法已成为标准方法。

    环境微生物监测的主要内容包括常规微生物监测的原理和技术，以及监测结果在环境影响评价中的应用，同时介绍环境微生物监测新技术的研究动向和环境预断评价新技术的发展方向。    

1.4.2 环境微生物学的主要任务

环境微生物学的任务主要有以下几个方面：

(1) 研究自然环境中的微生物群落、结构、功能与动态，研究微生物在不同生态系统中的物质转化和能量流动过程中的作用与机理，同时可以调查自然环境中的微生物资源，为保存和开发有益微生物和控制有害微生物提供科学资料，使微生物在生态系统中发挥更好的作用。

(2) 在环境污染日益严重的情况下，环境微生物学者着重研究污染环境下的微生物学，即研究微生物对环境污染物的降解与转化的机理，提高微生物对污染净化的效率。目前，在废水、废气、废渣的处理方法中，生物处理法占重要地位，而微生物是废物生物处理的主体。因此，环境微生物学要不断地分离筛选一些对污染物具有高效降解能力的菌株，研究它们的代谢途径，同时，研究开发一些利用微生物降解污染物的应用技术，以便更好地利用微生物处理各种污染物。

(3) 研究微生物对环境的污染及破坏作用，以及引起环境质量下降的原因与规律，以便防止、控制、消除微生物的有害活动，化害为利。

(4) 研究环境污染对微生物的影响及其生态作用，即研究污染物对污染环境中微生物群落结构和功能的影响以及污染环境中污染强度与微生物群落特性的关系，以确定污染强度对环境质量和功能的影响。

(5) 开展利用微生物监测和评价环境污染的技术研究，促进环境监测技术的发展。

1.5环境微生物学的发展

    环境微生物学学科的建立既是环境科学理论和技术发展的结果也是微生物学，尤其是微生物生态学理论和技术发展的结果。在1914年，废水生物处理方法(活性污泥法)在英国诞生以后，有关科学工作者逐渐认识到其中起主要作用的是包括细菌、原生动物在内的微生物。其处理效果的好坏直接与其中微生物的生活条件有关，由此也引起了在一个生态系统中微生物组成和功能与环境因素关系的探索。以上探索也促进了微生物监测理论和技术的发展。微生物学的发展和微生物生态学理论和研究技术的进步，因其产生的环境效益、社会效益和经济效益巨大而使越来越多的微生物学工作者投入这一新领域，而且成绩斐然。

    我国在抗生素、氨基酸、有机酸、酿酒、酶制剂、食用菌、农药、菌肥的研究和生产方面已有相当的基础，特别是抗生素的产量，在全世界名列前茅。我国的微生物资源丰富，今后要在菌种筛选、良种培育、工艺改革方面进一步努力，就会使产品的品种增加，单位产量提高，从而使产品的生产达到国际先进水平。

    鉴于环境科学中微生物应用的理论和技术的快速发展，以及微生物生态学理论和技术的发展，在第十次国际微生物学学会上成立了国际微生物生态学会。由于环境问题的日益严重和微生物在污染治理、环境净化和环境微生物监测中的重要作用，因而日益受到人们的关注，也大大促进了环境微生物学的发展。 

本章小结

    本章着重介绍了环境面临的问题与微生物的作用，微生物的分类地位，微生物与动植物和人类的关系，微生物的特点，微生物在环境中的应用，环境微生物学的内容和任务，环境微生物学的发展。

环境微生物学主要研究微生物主要类群的形态、细胞结构及其功能、微生物的营养、呼吸、物质代谢、生长繁殖、遗传与变异等基础理论；研究栖息在水体、土壤、空气、城市生活污水、工业废水和城市有机固体废弃物处理和废气生物处理中的微生物及其生态；饮用水卫生细菌学；自然环境物质循环与转化；水体和土壤的自净作用，污染水体治理、污染土壤的修复等环境工程净化的原理及应用。环境微生物学的任务就是充分利用有益微生物资源为人类造福。防止、控制、消除微生物的有害活动、化害为利。