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环境微生物学(学科)

环境微生物学(Environmental Microbiology)是重点研究污染环境中的微生物学,是环境科学中的一个重要分支,是20世纪60年代末兴起的一门边缘学科,它主要以微生物学本学科的理论与技术为基础,研究有关环境现象,环境质量及环境问题,与其他学科如土壤微生物学,水及污水处理微生物学,环境化学,环境地学,环境工程学等学科互相影响,互相渗透,互为补充。环境微生物学研究自然环境中的微生物群落,结构,功能与动态;研究微生物对不同环境中的物质转化以及能量变迁的作用与机理,进而考察其对环境质量的影响。

1.环境污染物对微生物的毒性

2.微生物对污染物的抗性

3.微生物抗污染物的分子机理

4.微生物对污染物的降解和降解机理

5.微生物降解污染物的分子遗传学

6.废气微生物处理方法

7.污水的微生物处理方法

8.固体废物的微生物处理方法

9.煤和石油的微生物脱硫方法

10.微生物和它们的代谢产物对环境的污染

研究微生物与污染环境的相互关系,特别是如何利用微生物有效降解日趋严重的多种多样的环境污染物,为解决全世界环境污染问题提出一些有效可持续发展的方法和技术以及理论基础。环境微生物与医学、发酵工业、环境保护、数学、化学和社会科学都有密切的关系。

1.与微生物学关系:是微生物学的一个重要分支。

2.与微生物生态学的关系:

微生物生态学(Microbial Ecology)便是指研究微生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系的一门科学。也有人认为生态学也可以称为环境生物学,那么微生物生态学也可以称为环境微生物学(Environmental Microbiology)。但是在内容的重点和所包括的范围方面它们是有区别的。

微生物生态学包括研究非污染环境和污染环境中的微生物学;微生态学(Microecology)是研究细胞水平的生态学。这就说明微生物生态学是宏观生态学;而微生态学是生态学的微观层次。微生物生态学的研究对象是微生物与外环境的相互关系;而微生态学的研究对象则是有生命的宿主。微生物生态学侧重于微生物;而微生态学侧重点于植物、动物和人类宿主,研究正常微生物菌群与宿主相互关系的生命学科。环境医学(Environmental Medicine):研究环境污染物及其代谢产物与人类健康和疾病的相互关系。

到了20世纪50年代末和60年代初,由于人口的膨胀,各种工业的迅速发展,环境污染日趋严重。同时人们发现排放到自然环境中去的污染物对土壤和水中的微生物生命和代谢有很大的影响,并发现许多微生物能降解各种人工合成的和天然的污染物。

由于农民大量使用合成洗涤剂、各种农药和化肥,引起农村的水体也受到了严重污染并引起许多水体出现富营养化的问题。还发现许多污染物,如DDT、PCBs和汞化合物能在食物链中引起生物放大作用(Biomagnification)。由于这些问题引起许多科学家对环境微生物学的浓厚兴趣,并使它得到了迅速发展。太空技术的发展给人们提供了研究某些极端环境微生物的有力工具。

在70年代由于氮肥的短缺促使人们研究共生固氮微生物和非共生固氮微生物。能源的危机使人们试图利用一些废物,经过微生物的转化作用生产有用的燃料。

在海洋中石油污染物的降解研究开始于60年代后期,所以到了90年代人们开始利用微生物去除环境污染物。

由于现代分析手段和技术方法的不断改进,分子生物学技术的迅速发展,人们对污染环境问题的高度重视,给环境微生物学的研究和发展起着非常大的促进作用。

近几十年来,中国人口迅速增长,特别改革开放后乡镇企业突飞猛进的发展,在给中国人民带来经济繁荣的同时,也给中国的环境造成了严重威胁,许多江河、土壤和农田受到了严重污染。新的污染源和污染物种类不断出现。

为了解决中国日趋严重的环境污染问题,中国政府和有关企业投放了大量的人力和财力开展了污染环境的治理工作。由于利用微生物处理污染物有许多优点,中国十分重视利用微生物处理各种污水和废气,并广泛开展了各种污染环境的微生物种类和分布的调查,发现了许多对污染物具有强降解能力的微生物,并对各种苯环污染物、石油、洗涤剂、农药、染料的降解途径和降解程度,各种重金属的微生物转化和吸附,废水中氮和磷的微生物去除,各种污水处理系统中微生物生态学进行了比较全面的研究,建立各种处理效果显著的各种污水处理工艺,包括活性污泥法,各种生物膜反应器,固定化细胞等等。 [1]

在当前环境污染日益严重的情况下,环境微生物学主要深入研究并阐明微生物,污染物与环境三者间的相互关系与作用规律,为保护环境,造福人类服务。

1.由于微生物个体微小,有很大的细胞比表面积,微生物生理生化功能多样,代谢能力强,易适应新环境,遗传功能易于改造,繁殖速度快,能彻底净化环境污染物,不会造成二次污染,处理污染物时只需在常温,常压下进行,不需特殊的设备,在处理污染物过程中还会产生许多有用的产物,所以利用有关的混合微生物群体净化环境污染物有重要的实际和经济意义。生物工程技术不断发展,基因工程技术的广泛使用,使构建新的具有降解多种污染物的微生物菌株成为可能,为更有效地净化日趋严重的环境污染带来了新的希望。

2.许多环境污染物或微生物转化某些污染物产生的一些中间产物对人体和生态平衡危害极大,有些污染物或它们的代谢中间产物甚至可以导致人体细胞癌变,所以开展污染生态中微生物降解污染物的途径、降解程度和降解速率的研究,可以给环境医学和环境保护的对策提供理论依据。

3.自然界有许多微生物是人、动物和植物的病原菌,有些微生物在自然界生长和代谢过程中,产生一些毒物或改变局部的自然条件,结果不利于其它生物的生长和生存,象这样的微生物我们应当设法控制它们的生长和扩散。

4.由于科学技术的发展,人们生活和工作的需要,排放到自然环境中的人工合成化合物越来越多,这些化合物在自然界停留的时间应引起我们高度重视。在许多发达国家,每一种人工合成化合物排放到自然界之前,都应经过微生物可降解试验的研究,以便判断该化合物将对环境产生的影响。

作者:赵开弘

定价:44.00元

开本:16开

出版日期:2009年8月

本书共分11章,阐述了有关环境微生物的基本概念和理论、环境微生物的分类和特性、环境微生物的生理和代谢、环境微生物的遗传和进化、环境微生物的生态规律和多样性、涉及环境微生物的技术方法、环境微生物学最新进展等。从“实践认识再实践”的高度,揭示环境微生物学的发展规律,以便在理论上和实践上完全摒弃“先污染后治理”这种亡羊补牢式的陈旧思维,全面树立以“绿色生态”打造“可持续发展”这种环境生态新理念。鉴于环境微生物学的基础性,我们尽量多介绍有关环境微生物学的基本理论和技术,分章节详细介绍它们和环境科学与环境工程的渗透与融合。根据环境微生物学在生命和环境领域的地位和作用,力求做到既全面详尽,又主次分明重点突出。鉴于现代生命科学基础的分子生物学和基因工程在环境微生物学中的重要作用,我们力求综合这些重要学科,以不同的环境与资源问题为例加以重点介绍。

总之,全书以重大环境与资源问题为中心,着眼于详尽介绍环境微生物学的基本理论和技术方法,力求内容新颖、覆盖面广、概念清晰、逻辑严谨、深入浅出、言简意赅,充分反映现代环境微生物学的总体面貌、最新成就和发展方向。本书可供环境科学与工程专业本科生和相关专业的究生作为环境微生物学教材之用,也可作为从事环保、环境生物技术研究的有关科研人员的参考书。

在华中科技大学出版社组织下,2008年3月在武汉举行了全国环境微生物学教材编审会,组成了环境微生物学编写组,全书由多所高校的相关专业老师集体编写。具体分工如下:第1章由内蒙古大学赵吉、第2章由华中农业大学的张娟与南华大学的唐东山、第3章由天津理工大学的冯与解玉红、第4章由桂林电子科技大学的蒋永荣、第5章由天津理工大学的冯与解玉红、第6章由河北大学的马建薇与华中科技大学的朱菁萍、第7章由武汉理工大学的刁红丽与郑州大学的郭夏丽,第8章由广东仲恺农业工程学院的陶雪琴、第9章由湖北师范学院苏平、第10章由郑州轻工业学院的魏明宝与郑先君、第11章由华中科技大学的朱菁萍编写,全书由华中农业大学农业微生物学国家重点实验室的赵开弘和内蒙古大学的赵吉分别担任正、副主编,统编修改而成。

本书在编写过程中参考了国内外许多优秀教材及科研论文,具体细目列于每章之后,方便读者跟踪学科最新进展。对于所参考的文献资料,在此向其作者谨致谢忱。此外,在书后附录D列出了环境微生物学有关的重要专业英文关键词,希望读者掌握这些基本词汇,它有利于读者从点上把握环境微生物学全貌,而且有利于读者查阅相关文献,特别是英文文献。

最后,编者用力虽勤,然限于水平,书中纰漏之处在所难免,恳请业内同仁和广大读者不吝指正,以便再版修订,使臻完善。

第1章绪论(1)

1.1环境微生物学的重要概念(1)

1.1.1生命及其基本特征(1)

1.1.2重要术语(2)

1.1.3微生物的分类(3)

1.1.4原核生物与真核生物(5)

1.2环境微生物学的研究任务(5)

1.2.1环境微生物学的范畴(5)

1.2.2环境微生物学的研究内容(6)

1.3环境微生物学的历史与发展(7)

1.3.1人类对环境微生物的认识(7)

1.3.2环境微生物学的形成与发展(8)

1.3.3微生物在环境工程中的应用(9)

1.3.4环境微生物生物技术的应用(10)

1.4环境微生物的起源与进化(12)

1.4.1地球上生命的起源(12)

1.4.2环境微生物的起源(13)

1.4.3放氧光合作用的进化(14)

1.4.4真核细胞的形成(15)

1.5环境微生物的重要特性(16)

1.5.1微生物的生物多样性(16)

1.5.2微生物生理类群的多样性(17)

1.5.3微生物的环境适应性(18)

1.5.4环境中微生物的安全性(18)

1.6环境微生物学与相关学科的相互渗透和促进(20)

1.7学习环境微生物学的意义(21)

复习思考题(21)

主要参考文献(22)

第2章环境中的微生物及其特性(24)

2.1微生物概述(24)

2.1.1微生物的定义(24)

2.1.2微生物的分类与命名(24)

2.1.3微生物的基本特点(26)

2.2原核微生物(28)

2.2.1细菌(28)

2.2.2古菌(34)

2.2.3放线菌(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霉菌(43)

2.3.3大型真菌(46)

2.3.4真核藻类(47)

2.3.5原生动物(48)

2.3.6微型后生动物(50)

2.4病毒(52)

2.4.1病毒的特征和分类(52)

2.4.2病毒的结构(53)

2.4.3亚病毒(54)

2.4.4病毒的增殖过程(55)

2.4.5环境因子对病毒的影响(55)

复习思考题(56)

主要参考文献(56)

第3章微生物的营养与代谢(58)

3.1微生物的营养(58)

3.1.1微生物的化学组成和营养要素(59)

3.1.2微生物的营养类型(61)

3.1.3微生物的培养基(61)

3.2微生物的酶(61)

3.2.1酶的定义、分类和特性(62)

3.2.2酶的组成与结构(62)

3.2.3酶活力及其影响因素(66)

3.3微生物的能量代谢(69)

3.3.1生物氧化(69)

3.3.2生物氧化的类型(73)

3.3.3微生物的分解代谢(74)

3.3.4微生物的合成代谢(79)

复习思考题(82)

主要参考文献(83)

第4章微生物的生长及其环境(84)

4.1微生物的生长(84)

4.1.1微生物的生长繁殖特征(84)

4.1.2研究微生物生长的方法(85)

4.1.3微生物生长繁殖的测定(88)

4.1.4环境因素对微生物生长的影响(88)

4.1.5微生物在自然环境中的生长(92)

4.2陆地环境中的微生物(93)

4.2.1土壤作为微生物的一种环境(93)

4.2.2土壤中的微生物(94)

4.2.3根际微生物(96)

4.3大气环境中的微生物(99)

4.3.1空气中微生物的存活(99)

4.3.2空气是传播微生物的介质(100)

4.3.3室外空气中的微生物(101)

4.3.4室内空气中的微生物(101)

4.3.5空气微生物的卫生标准及检测(103)

4.4水环境中的微生物(104)

4.4.1水环境中的微生物生境(104)

4.4.2淡水环境中的微生物(105)

4.4.3海水环境中的微生物(107)

4.4.4河口微生物动态变化(108)

4.4.5近海噬藻体的重要功能(108)

4.5极端环境中的微生物(110)

4.5.1高温环境中的微生物(110)

4.5.2低温环境中的微生物(111)

4.5.3高盐环境中的微生物(112)

4.5.4高酸环境中的微生物(112)

4.5.5高碱环境中的微生物(113)

4.5.6高压环境中的微生物(114)

4.5.7高辐射环境中的微生物(115)

复习思考题(115)

主要参考文献(116)

第5章环境微生物的遗传与变异(117)

5.1环境微生物的遗传和变异现象及其意义(117)

5.2微生物遗传与变异的分子基础(118)

5.2.1DNA的结构与功能(118)

5.2.2中心法则与蛋白质的合成(124)

5.3环境微生物的变异与育种(128)

5.3.1基因突变及其特点(128)

5.3.2基因突变的类型(133)

5.3.3基因突变的应用(134)

5.4基因重组(138)

5.4.1真核微生物的杂交(139)

5.4.2原核微生物的接合(140)

5.4.3原核微生物的转导(141)

5.4.4转化(142)

5.4.5原生质体融合(144)

5.4.6基因工程(144)

5.5菌种的衰退、复壮和保藏(147)

5.5.1菌种的衰退与复壮(147)

5.5.2菌种的保藏(148)

复习思考题(149)

主要参考文献(149)

第6章环境微生物生态学(151)

6.1生态学概述(151)

6.1.1微生物生态学的定义和研究内容(151)

6.1.2生物种群和群落(151)

6.1.3生态系统和生物圈(153)

6.1.4生态平衡(157)

6.2微生物之间和与动植物之间的关系(157)

6.2.1湿地的典型微生物生态作用(157)

6.2.2微生物与微生物之间的关系(159)

6.2.3微生物与植物之间的关系(162)

6.2.4微生物与人和动物之间的关系(164)

6.3环境微生物的生物多样性(167)

6.3.1微生物多样性(167)

6.3.2可培养微生物和不可培养微生物(168)

6.4环境微生物基因组信息所展示的生物进化规律(170)

6.4.1分子系统发育分析(170)

6.4.2DNA和蛋白质的进化(172)

6.4.3基因组的生物多样性(175)

6.4.4环境微生物抗生素抗性的生态规律(179)

6.5废水处理中的微生物群落及其分子生态学分析(180)

6.5.1好氧活性污泥处理的微生物群落(180)

6.5.2废水深度处理中的微生物群落(181)

复习思考题(183)

主要参考文献(184)

第7章环境微生物在物质循环和污染物代谢中的作用(186)

7.1微生物与物质循环(186)

7.1.1氧循环(186)

7.1.2碳循环(187)

7.1.3氮循环(192)

7.1.4硫循环(196)

7.1.5磷循环(198)

7.1.6氢循环(200)

7.1.7铁、锰循环(201)

7.1.8其他微量元素的营养性和毒性(202)

7.2环境中微生物与化学物质的相互作用(202)

7.2.1化学不平衡的复杂环境(202)

7.2.2微生物对环境中化学物质状态的影响(203)

7.2.3微生物细胞对环境中化学物质的响应(205)

7.3微生物与金属的相互作用(206)

7.3.1环境中金属的微生物可利用性(207)

7.3.2金属和类金属的生物甲基化(208)

7.3.3金属对微生物细胞的毒性效应(211)

7.3.4微生物对金属的抗性和解毒机制(212)

7.3.5微生物转化金属的有益效应和有害效应(214)

7.4环境微生物物质转化的热力学规律(219)

7.4.1生命体系中的热力学原理(219)

7.4.2温室气体及其生物地球化学循环(221)

7.5环境微生物的污染物代谢(223)

7.5.1污染物的结构、毒性与微生物降解性之间的关系(223)

7.5.2影响污染物微生物降解的环境因素(225)

7.5.3有机污染物的微生物降解途径(226)

复习思考题(238)

主要参考文献(238)

第8章污染控制的微生物学原理(240)

8.1废水生物处理的环境微生物学技术(240)

8.1.1废水微生物处理的原理(240)

8.1.2废水的污染指标及测定方法(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废水脱氮除磷工艺及原理(253)

8.2.1脱氮除磷的意义(253)

8.2.2脱氮除磷原理(253)

8.2.3废水脱氮除磷工艺(255)

8.2.4生物脱氮除磷技术的发展趋势(258)

8.3厌氧反应器(259)

8.3.1厌氧生物处理的原理(259)

8.3.2厌氧生物处理法的发展(261)

8.3.3升流式厌氧污泥床反应器(261)

8.3.4厌氧折流反应器(263)

8.4有机固体废物的生物处理(264)

8.4.1堆制法(264)

8.4.2厌氧消化法(沼气发酵)(266)

8.5微生物在废气治理中的应用(267)

8.5.1废气的微生物处理方法(267)

8.5.2处理废气的微生物(268)

复习思考题(269)

主要参考文献(270)

第9章环境微生物生物技术(271)

9.1环境微生物的基因工程(271)

9.1.1基因工程工具酶(271)

9.1.2环境微生物核酸的提取(273)

9.1.3环境微生物功能基因的克隆与表达(273)

9.1.4环境微生物基因工程菌的构建(276)

9.1.5基因工程菌的环境污染控制应用(279)

9.2环境微生物的蛋白质工程(281)

9.2.1固定化酶技术在环境治理中的应用(282)

9.2.2基因工程抗体及其环境应用(283)

9.2.3蛋白质工程疫苗及其环境意义(283)

9.3环境微生物的细胞工程(284)

9.3.1细胞融合(284)

9.3.2固定化微生物在环境治理中的应用(286)

9.3.3环境微生物的单细胞蛋白技术(287)

9.3.4农业生物控制中的环境微生物技术(288)

9.4环境微生物的代谢工程(291)

9.4.1微生物细胞外多聚物的开发与应用(291)

9.4.2微生物能源(292)

9.4.3微生物采油(298)

复习思考题(299)

主要参考文献(299)

第10章环境微生物学实验方法(301)

10.1环境微生物取样和富集(301)

10.1.1培养基的配制与选择(301)

10.1.2环境微生物的取样(303)

10.1.3从野外微生物群落到微生物纯培养物(304)

10.1.4活性污泥中细菌的分离和培养(305)

10.1.5获得环境微生物纯培养的方法(306)

10.1.6环境微生物数量和生物量的测定方法(307)

10.2指示微生物(311)

10.2.1指示微生物的概念(311)

10.2.2总大肠菌群(312)

10.2.3粪大肠菌(313)

10.2.4粪链球菌(313)

10.2.5产气荚膜梭菌(314)

10.2.6异养平板计数(314)

10.2.7噬菌体(314)

10.2.8其他指示微生物(314)

10.3显微技术(315)

10.3.1显微技术的原理(315)

10.3.2微生物的形态、特殊结构的观察(319)

10.3.3细菌的简单染色和革兰氏染色(321)

10.3.4应用分子探针和荧光探针显微术的原位检测(321)

10.4生理学方法(322)

10.4.1纯培养微生物活性测定(323)

10.4.2适于测定环境样品活性方法的选择(324)

10.4.3碳呼吸(325)

10.4.4放射性标记示踪物掺入细胞大分子(326)

10.4.5腺苷酸能荷(327)

10.4.6酶分析(327)

10.5免疫学方法(328 [2]

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