环境工程微生物学
绪论
1.环境工程微生物学的研究对象
环境工程微生物学是讲述微生物的形态、细胞结构及其功能，微生物的营养、呼吸、物质代谢、生长、繁殖、遗传和变异等的基础知识；讲述栖息在水体、土壤、空气、城市生活污水、工业废水和城市有机固体废弃物生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。
（04年真题）环境工程微生物学主要研究微生物的（）（）及（）。
2.微生物概述
微生物是肉眼看不见的、必须在电子显微镜或光学显微镜下才能看见的微小生物的统称。按细胞结构的有或无分非细胞结构微生物（如病毒、类病毒）以及细胞结构微生物；按细胞核膜、细胞器及有丝分裂等的有或无，可划分为原核微生物和真核微生物两大类。
（05年真题）从微生物的细胞核结构来分类，常见的环境微生物通常可归纳为（）微生物和（）微生物。
3.原核微生物与真核微生物
原核微生物的核很原始，发育不全，只是DNA链高度折叠形成的一个核区，没有核膜，核质裸露，与细胞质没有明显的界限，叫拟核或似核。原核微生物没有细胞器，只有由细胞质膜内陷形成的不规则的泡沫结构体系，如间体和光合作用层片及其他内折。不进行有丝分裂。
真核微生物有发育良好的细胞核，核内有核仁和染色质。有核膜将细胞核和细胞质分开，使两者有明显的界限。有高度分化的细胞器，进行有丝分裂。
4微生物的特点
个体极小；分布广泛，种类繁多；繁殖快；易变异
第一篇
第一章 非细胞结构超微生物——病毒
1.病毒概述
病毒是没有细胞结构，专性寄生在活的敏感宿主体内，可通过细菌过滤器，大小在0.2μm以下的超微小微生物。
病毒的化学组成有蛋白质和核酸。
蛋白质功能：保护病毒免受环境因素影响，决定病毒感染的特异性，致病性，毒力和抗原性。
核酸的功能：决定病毒遗传变异和对敏感宿主细胞的感染力。
病毒的繁殖过程：吸附、侵入、复制、聚集与释放。
2病毒的溶源性
噬菌体有毒（烈）性噬菌体和温和噬菌体两种类型。
侵入宿主细胞后，随即引起宿主细胞裂解的噬菌称作毒性噬菌体。温和噬菌体则是当它侵入宿主细胞后，其核酸附着并整合在宿主染色体上，和宿主的核酸同步复制，宿主细胞不裂解而继续生长。这种不引起宿主细胞裂解的噬菌体称作温和噬菌体。含温和噬菌体核酸的宿主细胞叫溶原细胞。
3.病毒对物理、化学因素的抵抗力
对病毒影响最大的物理因素是温度、光和干燥。
破坏病毒蛋白质的化学物质：酚、低离子强度（低渗缓冲溶液）的环境
破坏核酸的化学物质：甲醛、氨
影响病毒脂类被膜的化学物质：醚十二烷基硫酸钠、氯仿、去氧胆酸钠等（凡对醚类等脂溶剂敏感的病毒为有被膜的病毒）
4.污水处理过程中对病毒的去除效果
污水处理分一级、二级和三级处理。
一级处理时物理过程，以过筛、除渣、初级沉淀去除沙砾碎纸、塑料袋及纤维状固体废物为目的。去除病毒的效果差，最多30%。
二级处理是生物处理方法，是生物吸附和生物降解和絮凝沉降作用过程，以去除有机物脱氮和除磷为主要目的，同时对污水中病毒的去除率较高，去除病毒率90%-99%。
三级处理是继生物处理后的深度处理，有生物和化学及物理的处理过程。它包括絮凝、沉淀、过滤和消毒（加氯或臭氧）过程，进一步去除有机物、脱氮和除磷。
第二章 原核微生物
1.细菌
1.1细菌有四种形态：球状、杆状、螺旋状和丝状。
1.2细菌的细胞结构
所有细菌有如下结构：细胞壁、细胞质膜、细胞质及其内含物、细胞核物质。部分细菌有特殊结构：芽孢、鞭毛、荚膜、粘液层、菌胶团、衣鞘及光合作用层片等。
细胞质膜的生理功能（5点）
菌胶团：有些细菌由于其遗传特性决定，细菌之间按一定的排列方式互相粘集在一起，被一个公共荚膜包围形成一定形状的细菌集团，叫菌胶团。
2.古菌
3.放线菌
4.蓝细菌
蓝细菌在污水处理、水体自净中起积极作用。在氮磷丰富的水体中生长旺盛，可作水体富营养化的指示生物。
按蓝细菌形态和结构的特征，分二纲：色球藻纲和藻殖段纲。其中，色球藻纲中的微囊藻属和腔球藻属可以引起水体水华；藻殖段纲中的鱼腥藻属在富营养化水体中形成水华。
5.螺旋体
6.立克次氏体和支原体
第三章 真核微生物
1.原生动物
在污水处理系统中，污泥培养初期或在处理效果差时鞭毛虫大量出现；变形虫在活性污泥培养中期出现。纤毛虫在活性污泥培养中期或处理效果较差时出现。
2.微型后生动物
轮虫是污水生物处理效果好的指示生物；
线虫是净化程度差的指示生物；
3.藻类
裸藻、甲藻、绿藻是水体富营养化的指示生物
4.真菌
第四章 微生物的生理
1.微生物的酶
1.1 概念：
酶是动、植物及微生物体内合成的，催化生物化学反应的，并且传递电子，原子和化学基因的生物催化剂。
1.2 组成
1）、单成分酶——只含蛋白质 单成分酶=酶蛋白 如水解酶类
2）、全酶——由蛋白质和不含N的小分子有机物组成，或在加上金属离子。
酶的组成用下式表示为：
酶蛋白+有机物 如各种脱氢酶类
全酶 酶蛋白+有机物+金属离子 如丙酮酸脱氢酶
酶蛋白+金属离子（Fe2+）) 如细胞色素氧化酶
（全酶中的各种成分缺一不可，否则全酶会丧失催化活性）
1.3 酶的催化特性：
1）、加快化学反应速率，缩短达到平衡的时间，但不改变反应的平衡点
2）、酶的催化作用有专一性
3）、酶对环境条件极为敏感
4）、酶的催化反应条件温和
5）、酶的催化效率极高，是无机催化剂催化效率的几千倍至百亿倍
1.4 影响酶活力的因素
1）、酶的浓度
2）、底物的浓度
3）、温度：温度每升高10°，酶促反应速度可以提高1—2倍。
4）、PH值：通过两方面来影响酶的活性。
通过改变底物分子和酶分子的带电状态，影响酶和底物的结合。
PH过高或过低都会影响酶的稳定性，使酶遭到不可逆破坏。
5）、激活剂与抑制剂：有的物质可以作为一种酶的抑制剂，又可作为另一种酶的激活剂。
2. 微生物的营养 [08年面试题]
新陈代谢：微生物从外界环境中不断摄取营养物质，经过一系列的生物化学反应，转
变为细胞组分，同时产生废物并排泄到体外，这个过程叫新陈代谢。新陈代谢包括同化作用和异化作用。
微生物的营养物有：水，碳素营养元、氮素营养元、无机盐和水。（教材88页）
营养物质进入细胞的方式：单纯扩散、促进扩散、主动运输、基团转位（教材94页）
3.微生物的产能代谢
微生物的呼吸类型有三类：发酵、好氧呼吸及无氧呼吸。
第五章 微生物的生长繁殖与生存因子
1.微生物的培养方式
分批培养和连续培养（概念见教材116页）
2.微生物的生长曲线（.细菌的生长繁殖）[08年面试题]
可以分为四个时期。
停滞期：新接种在培养基中的细菌，不能立即生长繁殖，而是经过一段适应期才能在新的培养基中生长繁殖。
对数期：继停滞期的末期。细菌的生长速度增至最大。细菌数量以几倍级数增加，此时期的细胞。细胞代谢活力最强，合成新细胞物质的速度最快。细胞生长旺盛。
静止期：细胞总数达到最大，并恒定一段时间，新生细胞数和死亡细胞数相当。由于对数期细胞生长旺盛，消耗了大量的营养物质，同时代谢产物大量积累。对菌体产生毒害，PH，氧化还原电位改变，溶解氧供氧不足。
衰亡期：细菌少繁殖不繁殖或自溶，字军数以几何级数下降，营养物质耗尽，细胞进行内缘呼吸。有毒代谢物抑制细胞生长繁殖，细胞死亡之数大于新生菌数。
3细菌生长曲线在污废水微生物出理中的应用
（教材120页）
4.微生物的生存因子
温度、PH、氧化还原电位、溶解氧、太阳辐射、水的活度与渗透压、表面张力
其他不利环境因子对微生物的影响：紫外辐射和电离辐射、超声波、重金属、极端温度、极端PH、干燥、若干有机物、抗生素。
5.微生物与微生物之间的关系
不同种间的关系有：竞争关系、原始合作关系（互生关系）、共生关系、偏害关系（拮抗关系）、捕食关系、寄生关系
第六章 微生物的遗传与变异
1.驯化
在工业废水生物处理中，用含有某些污染物的工业废水筛选、培养来自处理其他废水的菌种，是它们适应该种工业废水并有高效降解其中污染物能力的方法叫驯化。
2.微生物的变异
基因突变即微生物的DNA被某种因素引起碱基缺失、置换和插入，改变了基因内部的原有碱基排列顺序，从而引起其后代的表现型的改变。
诱发突变是利用物理的或化学的因素处理微生物群体，促使少数个体细胞的DNA分子结构发生改变，在基因内部碱基配对发生差错，引起微生物的遗传性状发生突变。
3、基因重组
两个不同性状的个体细胞DNA融合，使基因重新组合，从而发生遗传变异，产生新品种，这个过程叫基因重组。
4.遗传工程技术在环境保护中的作用
4.1、质粒育种
1）、定义：在原核微生物中除有染色体外，还含有另一种较小的，携带少量遗传基因的环状DNA分子，叫质粒
2）、质粒育种：将两种或多种微生物通过细胞结合或融合技术，使供体菌的质粒移到受体菌内，使受体菌保留自身功能质粒的同时，获得供体菌的功能质粒，即培育出具有两种功能质粒的新品种
4.2、基因工程-在基因水平上的遗传工程，又叫基因剪接或核酸体外重组
1）、过程：
供体细胞（人工方法提取）DNA（限制性内切酶）带有目的基因的DNA片段（DNA链接
酶质粒）
重组质粒DNA分子 （导入） 受体细胞使遗传物质复制表达（重组体克隆体
的筛选和鉴定）
对外源基因表达产物进行分离提纯 新品种
2）、应用：可用于环保方面，如利用基因工程获得了分解多种有毒物质的新型菌种，提高了废水处理效果
4.3、PCR技术
1）、 定义及应用：DNA多聚酶链式反应，是DNA体外扩增的技术，广泛应用于法医鉴定，医学，卫生防疫，环境监测方面。
2）、过程：
①加热变性：双链DNA（94-95℃水浴，5min）单链
②退火：单链（缓慢下降至55℃）将引物DNA的碱基与单链DNA碱基互补配对
③延伸：退火过程中，在T=72℃，适当PH，一定离子强度下，耐热性DNA多聚酶将引物DNA碱基和模板DNA结合延伸成双链DNA。经过30~35次循环，扩增到106倍。
第二篇
5、絮凝剂有三类：[08年面试题]
①类为有机高分子絮凝剂或是助凝剂，如聚丙烯酰胺，其投加用量为400 mg/L
②类为无机絮凝剂如硫酸铝、硫酸亚铁、三氯化铁，碱式氯化铝等，如投加三氯化铁效果不错，但用量大，达3 000mg/L
③类为微生物絮凝剂，其用量只需200 mg/L。
6、水的消毒方法包括：
煮沸法、加氯消毒、臭氧消毒、过氧化氢消毒、紫外辐射杀毒、微电解杀菌杀毒。
水污染控制工程（上册）
即给排水（基本不考）
水污染控制工程（下册）
1.污水水质指标 （08年面试题目）
1.1 物理性指标 主要有： 温度，色度，嗅和味，固体物质。
1.2、污水的化学指标
主要有：有机物，无机性指标（包括植物营养元素、PH值、重金属）
有机性指标主要包括：[07年复试题目]
(1)生化需氧量(BOD) : 水中有机污染物被好氧微生物分解时所需的氧量,它反映了在有氧的条件下．水中可生物降解的有机物的量。生化需氧量愈高，表示水中需氧有机污染物愈多。
(2)化学需氧量(COD): 化学需氧量是用化学氧化剂氧化水个有机行染物时所消耗的氧化剂量，化学需氧量愈高，也表示水中有机物愈多。
（3）总有机碳（TOC）:水样中所有有机物质的含碳量。
（4）总需氧量（TOD）:当有机物全部被氧化时，碳被氧化为二氧化碳，氢、氮及硫则被氧化为水，一氧化氮、二氧化硫等，此时的需氧量即为总需氧量。
（5）油类物质
（6）酚类物质
1.3 生物性指标
细菌总数：饮用水中，细菌的数量不超过100个/Ml
大肠菌数：在饮用水中，指标为3个/L
2、污水的物理处理（包括沉淀、过滤、浮上法）——浮上法
原理：水和废水的浮上法处理技术是将空气以微小气泡形式通入水中，使微小气泡与在水中悬浮的颗粒粘附，形成水—气—颗粒三相混合体系，颗粒粘附上气泡后，密度小于水即上浮水面，从水中分离出去，形成浮渣层。出此可知，浮上法处理工艺必须满足下述基本条件：①必须向水中提供足够量的细微气泡；②必须使污水中的污染物质能形成悬浮状态；③必须使气泡与悬浮的物质产生粘附作用。
3、污水的化学处理（包括中和、氧还、沉淀和混凝法）——混凝
混凝定义：向污水中投加化学药剂破坏胶体和悬浮颗粒形成的稳定分散体系，使其聚集为具有明显沉降性能的絮凝体，然后用重力沉降法分离。
混凝机理：[08年面试题]
①压缩双电层：向水中投加铁盐，铝盐等混凝剂后，提供大量反离子涌入扩散层甚至吸附层。φ电位不变，增加吸附层及扩散层中的正离子浓度，会使扩散层减薄，ξ电位降低，斥力下降，易发生凝聚。
②吸附电中和:与胶粒表面带电相反的胶粒或高分子和胶粒吸附中和部分电荷，使胶粒静电斥力降低，易与其他颗粒接近而互相吸附
③吸附架桥：三价铝盐或铁盐以及其他高分子混凝剂溶于水中，水解或聚缩形成链高分子聚合物，一端吸附胶粒后，另一端又吸附胶粒发挥架桥作用使微粒相互粘合絮凝。
④网捕作用：混凝剂水解生成沉淀物，沉淀物自身降解过程中，能集卷，网布水中的胶体颗粒。
4、污水的生物处理
4．1 好氧生物处理——生物膜法（包括生物转盘、生物滤池、生物接触氧化池[08年面试题）
1）.生物膜是高度亲水的物质，其外侧总有一层附着水层，附着水层中的有机物被微生物氧化消耗，浓度低于流动水层，有机物就会从流-附-生物膜被氧化分解，流动水层被净化，。O2也不断地从流-附-生物膜，供微生物呼吸，微生物的代谢产物沿向相反方向扩散，气体会溢出水面。
2）.随着有机物的降解，微生物不断增加，生物膜厚度增加，增加到一定程度，里层的生物膜得不到O2成为厌氧层，厌氧层增加到一定程度内侧得不到营养物质进入内源呼吸期，附着能力差，在外部水流剪切力作用下脱落，又开始生成新的生物膜。
生物膜法的几种处理设施有：生物滤池、生物转盘、生物接触氧化池、生物流化床。
4.2 好氧生物处理——活性污泥法
4.2.1 定义：[08年面试题]
活性污泥法是一种微生物呈絮凝状并悬浮在反应器中的处理工艺。这种呈絮体状的微生物聚集体叫活性污泥，它由好氧微生物（包括细菌、真菌、原生动物和后生动物）及其代谢和吸附的有机物、无机物组成。活性污泥法反应器一般称为曝气池，它的作用是使活性污泥与被处理污水进行混合，使微生物与污水中有机物在溶解氧浓度充足的环境下发生反应，从而使污水中有机物得到去除。
4.2.2 净化机理：
①吸附阶段：污水与活性污泥接触后的很短时间内，水中BOD迅速降低，由于絮状的活性污泥表面积很大，表面有多糖类粘液层，污水中悬浮的胶体被絮凝和吸附去除。
②氧化阶段：在有氧条件下，微生物将部分吸附阶段吸附的有机物氧化分解获取能量，另一部分合成新细胞，比吸附阶段慢很多。
③絮凝体形成与凝聚沉降阶段：氧化阶段合成的菌体有机物絮凝形成絮凝体，通过重力沉降从水中分离，使水得到净化。
4.2.3 微生物不同生长阶段活性污泥的特点：[08年面试题]
1）停滞期 停滞期是否存在或停滞期的长短，与接种活性污泥的数量、废水性质、生长条件等因素有关。
2）对数期 处于对数期的污泥絮凝性较差，呈分散状态，镜检能看到较多的游离细菌，混合液沉淀后其上层液混浊，用滤纸过滤时，滤速很慢。
3）静止期 处于静止期的活性污泥絮凝性好，混合液沉淀后上层液清澈，以滤纸过滤时滤速快。处理效果好的活性污泥法构筑物中，污泥处于静止期。
4)衰老期 处于衰老期的污泥较松散，沉淀性能好，混合液沉淀后上清液清澈，但有细小泥花，以滤纸过滤时，滤速快。
4.2.4 絮批式活性污泥法
优点 同其他活性污泥法工艺相比较，SBR具有以下优点：
- 构造简单，所需的处理设备少。整个处理过程都在同一池中完成，无需二沉池，污泥回流等设备。
- 运转灵活，可满足各种处理要求。在SBR法运行过程中，一个周期中各个阶段的运行时间、总停留时间、供气量等都可按照进水水质和出水要求加以调节。
- 活性污泥性状好，污泥产率低。由于SBR法在进水初期有机物浓度高，污泥絮体内部的菌胶团细菌也能获得充足的营养，所以有利于菌胶团细菌的生长，污泥结构紧密，沉降性能良好。此外在沉降期几乎是在静止状态下沉降，因此污泥沉降时间短，效率高。每个运行周期中有一个闲置期，污泥处于内源呼吸阶段，因此污泥产率较低。
- 脱氮效果好。SBR法系统可通过控制合适的曝气、停气时间为硝化细菌和反硝化细菌创造适宜的好氧、缺氧反硝化脱氮条件，此外反硝化细菌在闲置期还能进行内源反硝化，因此脱氮效果好。
SBR法的缺点如下：
①自动化程度要求高，管理水平技术要求含量高
②设备性能要求高，由于排水时间短（间歇排水时），并且排水时要求不搅动沉淀污泥层，因此需要专门的排水设备（滗水器），并且滗水器的要求很高。
③由于不设出沉池，易产生浮渣。
4.3——污水的厌氧生物处理 [08年面试题]
厌氧生化过程分别为：酸化阶段和气化阶段
酸化：不溶性有机物 细菌胞外酶水解 溶解性有机物（单糖肽）
