《环境微生物学》教学大纲

一、基本信息  

课程名称		环境微生物学				课程编号	ENSE3124
英文名称		Environmental Microbiology				课程类型	本专业推荐选修课
总学时	36	理论学时		36	实验学时	0	实践学时	0
学分	2	预修课程	基础微生物学			适用对象	环境科学专业
课程简介 （200字左右）		环境微生物学是微生物学在环境领域的发展，作为一门横跨现代微生物学与技术、环境科学、环境工程等众多学科的新兴综合学科，其核心思想是通过环境中众多微生物生命活动与环境和谐共存，达到环境生态和谐与可再生资源的合理开发。 本课程分为三部分，第一部分介绍有关环境微生物的基本概念和理论，包括环境微生物的分类和特征、生理和代谢、遗传和进化以及生态规律和多样性等；第二部分阐述微生物在环境污染治理中的作用，包括微生物在污水、废气、固体废弃物及土壤污染的生物治理原理、方法和技术等；第三部分介绍环境微生物学最新研究进展以及新的技术方法等。

二、教学目标及任务  

本课程是环境科学专业的一门重要的专业推荐选修课程。通过本课程的学习，学生应熟练掌握环境微生物学中常见术语的名称和意义，掌握环境微生物的基础知识、微生物生态与环境生态工程中的微生物作用原理；理解环境微生物在污水、废气和固体废弃物处理以及土壤污染修复方面的作用；了解环境微生物学的最新研究进展以及微生物在环境工程领域应用的新工艺和新方法；并能利用所学的知识为后续课程的学习提供基础。

三、学时分配   

教学课时分配

章节	章节内容	讲课	实验	实践	合计
绪论	环境微生物学的发展、重要概念和研究任务	4			4
第一章	微生物的生长及其环境	4			4
第二章	环境微生物生态学	4			4
第三章	环境微生物在物质循环和污染物代谢中的作用	6			6
第四章	污染控制的微生物学原理	6			6
第五章	环境微生物学实验方法	4			4
第六章	环境微生物生物技术	4			4
第七章	环境微生物学研究新进展和新技术	4			4
合计		36			36

四、教学内容及教学要求 

绪论 环境微生物学的发展、重要概念和研究任务

第一节 环境微生物学的历史和发展

1.      人类对环境微生物的认识；

2.      环境微生物学的形成和发展；

3.      微生物在环境工程中的应用；

4.      环境微生物生物技术的应用。

习题要点：微生物与环境的关系以及环境微生物生物技术的应用。

第二节 环境微生物学的重要概念

1.      环境微生物学的重要概念和专业术语；

2.      环境微生物的分类；

3.      环境微生物的多样性；

4.      微生物的环境适应性。

习题要点：环境微生物的概念、分类以及主要特性。

第三节 环境微生物学的研究任务和意义

1.      环境微生物学的范畴；

2.      环境微生物学的研究内容；

3.      环境微生物学与相关学科的相互渗透和促进；

4.      环境微生物学的研究意义。

习题要点：环境微生物学的主要研究内容和发展趋势。

 本章重点、难点：重点是环境微生物学的重要概念和专业术语以及环境微生物学的研究内容和意义，难点是微生物在环境工程中的应用以及环境微生物生物技术在环境工程中的应用。

 本章教学要求：了解环境微生物学的形成和发展，发展趋势及研究意义；理解微生物的多样性和适应性以及在环境工程中的应用；掌握环境微生物学相关的概念和术语以及基本特征。

第一章  微生物的生长及其环境

第一节  微生物的生长

1.      微生物的生长繁殖特征；

2.      研究微生物生长的方法；

3.      微生物生长繁殖的测定；

4.      环境因素对微生物生长的影响；

5.      微生物在自然环境中的生长。

习题要点：微生物的生长繁殖过程；纯培养的概念及如何获得；分批培养和连续培养的概念；微生物群体生长的规律；影响微生物生长的环境因素；可存活但不可培养微生物的概念。

第二节  陆地环境中的微生物

1.  土壤作为微生物的一种环境；

2.      土壤中的微生物；

3.      根际微生物。

习题要点：土壤中的微生物类群及分布规律；根际和根际效应的概念；主要的根际微生物类群。

第三节  大气环境中的微生物

1.  空气中微生物的存活；

2.      空气是传播微生物的介质；

3.      室外空气中的微生物；

4.      室内空气中的微生物；

5.      空气微生物的卫生标准及检测。

习题要点：空气中微生物的主要类群及检测方法；阐述空气不是微生物生存的有利环境的原因。

第四节  水环境中的微生物

1.  水环境中的微生物生境；

2.      淡水环境中的微生物；

3.      海水环境中的微生物；

4.      河口微生物动态变化；

5.      近海噬藻体的重要功能。

习题要点：不同淡水环境中优势微生物的种类和数量；阐述自然界洁净淡水中主要存在一些光能和化能自养微生物的原因；近海噬藻体的主要功能。

第五节  极端环境中的微生物

1.  高温环境中的微生物；

2.      低温环境中的微生物；

3.      高盐环境中的微生物；

4.      高酸环境中的微生物；

5.      高碱环境中的微生物；

6.      高压环境中的微生物；

7.      高辐射环境中的微生物。

习题要点：极端微生物的概念及主要类群；研究极端微生物的意义。

 本章重点、难点：重点是微生物的生长繁殖过程和群体生长的规律以及影响微生物生长的环境因素；难点是各种环境中的主要微生物类群。

 本章教学要求：了解各种环境中的主要微生物类群和可存活但不可培养微生物的概念；理解极端微生物的概念和主要类群以及研究极端微生物的意义；掌握微生物的生长繁殖过程和群体生长的规律以及影响微生物生长的环境因素。

第二章  环境微生物生态学

第一节  环境微生物生态学概述

1.      微生物生态学的定义和研究内容；

2.      生物种群和群落；

3.      生态系统和生物圈；

4.      生态平衡。

习题要点：生物种群的概念和基本特征；生态系统的成分和功能。

第二节  微生物之间和与动植物之间的关系

1.  湿地的典型微生物生态作用；

2.      微生物与微生物之间的关系；

3.      微生物与植物之间的关系；

4.      微生物与人和动物之间的关系。

习题要点：微生物之间的协同作用；不同微生物种群之间的关系；根际微生物对植物生长的影响；微生物与动物的关系。

第三节  环境微生物的生物多样性

1.      微生物多样性；

2.      可培养微生物和不可培养微生物。

习题要点：微生物多样性的概念。

第四节  环境微生物基因组信息所展示的生物进化规律

1.  分子系统发育分析；

2.      DNA和蛋白质的进化；

3.      基因组的生物多样性；

4.      环境微生物抗生素抗性的生态规律。

习题要点：利用系统发育分析阐明物种间的进化关系；基因水平转移的方式和特点。

第五节  废水处理中的微生物群落及其分子生态学分析

1.  好氧活性污泥处理的微生物群落；

2.      废水深度处理中的微生物群落。

习题要点：微生物脱氮的基本原理。

 本章重点、难点：重点是微生物之间的协同作用，不同微生物种群之间的关系以及根际微生物对植物生长的影响；难点是利用系统发育分析阐明物种间的进化关系以及微生物脱氮的基本原理。

 本章教学要求：了解微生物多样性的概念以及基因水平转移的方式和特点；理解如何利用系统发育分析阐明物种间的进化关系以及微生物脱氮的基本原理；掌握微生物之间的协同作用，不同微生物种群之间的关系以及根际微生物对植物生长的影响。

第三章  环境微生物在物质循环和污染代谢中的作用

第一节  微生物与物质循环

1.      氧循环；

2.      碳循环；

3.      氮循环；

4.      硫循环；

5.      磷循环；

6.      氢循环；

7.      铁、锰循环；

8.      其他微量元素的营养学和毒性。

习题要点：纤维素和淀粉的好氧和厌氧分解过程以及参与过程的微生物和酶；氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用的概念以及参与其中的微生物。

第二节  环境中微生物与化学物质的相互作用

1.  化学不平衡的复杂环境；

2.      微生物对环境中化学物质状态的影响；

3.      微生物细胞对环境中化学物质的响应。

习题要点：微生物呼吸代谢的类型和特点。

第三节  环境中微生物与金属的相互作用

1.  环境中金属的微生物可利用性；

2.      金属和类金属的生物甲基化；

3.      金属对微生物细胞的毒性作用；

4.      微生物对金属的抗性和解毒机制；

5.      微生物转化金属的有益效应和有害效应。

习题要点：阐述环境中微生物对金属汞的转化作用。

第四节  环境微生物的污染物代谢

1.  污染物的结构、毒性与微生物降解性之间的关系；

2.      影响污染物微生物降解的环境因素；

3.      有机污染物的微生物降解途径。

习题要点：影响微生物对有机污染物降解转化的因素。

 本章重点、难点：重点是微生物在碳循环和氮循环中的作用以及微生物呼吸代谢的类型和特点；难点是微生物对金属的抗性和解毒机制以及微生物对有机污染物的降解转化过程。

 本章教学要求：了解微生物在生态系统物质循环中的作用；理解微生物对金属的抗性和解毒机制以及微生物对有机污染物的降解转化过程；掌握微生物和酶在碳循环和氮循环中的作用以及微生物呼吸代谢的类型和特点。

第四章  污染控制的微生物学原理

第一节  废水生物处理的环境微生物学技术

1.      废水微生物处理的原理；

2.      废水的污染指标及测定方法；

3.      活性污泥法；

4.      生物膜法；

5.      氧化塘法。

习题要点：微生物处理污水的作用机理；常用的废水污染指标及测定方法；活性污泥在结构组成和性质上的特点以及活性污泥法处理废水的工艺流程；生物膜法处理废水的工艺；氧化塘净化污水的机理。

第二节  废水脱氮除磷工艺及原理

1.      脱氮除磷的意义；

2.      脱氮除磷原理；

3.      废水脱氮除磷工艺；

4.      生物脱氮除磷技术的发展趋势。

习题要点：生物脱氮和生物除磷的基本原理和主要工艺。

第三节  厌氧反应器

1.  厌氧生物处理的原理；

2.      厌氧生物处理法的发展；

3.      升流式厌氧污泥床反应器；

4.      厌氧折流反应器。

习题要点：好氧处理与厌氧处理在微生物学上的差异；厌氧发酵的生物化学过程和特点；升流式厌氧污泥床反应器和厌氧折流反应器的工作原理。

第四节  微生物在废气治理中的应用

1.  废气的微生物处理方法；

2.      处理废气的微生物。

习题要点：废气微生物处理的方法以及处理方法与废水生物处理的异同。

第五节  有机固体废弃物的生物处理

1.      堆制法；

2.      厌氧消化法（沼气发酵）；

习题要点：堆制处理的特点和与沼气发酵的异同；堆制过程人为划分的时期以及各个时期的特点和参与的微生物。

第六节  微生物在土壤污染控制与修复中的作用

1.  有机污染物微生物降解概述；

2.      石油污染物的微生物降解；

3.      农药的微生物降解；

4.      多氯联苯的微生物降解；

5.      三氯乙烯的微生物降解；

6.      多环芳烃类化合物的微生物降解；

7.      五氯酚的微生物降解；

习题要点：微生物降解有机污染物的途径以及降解条件。

 本章重点、难点：重点是微生物处理污水的作用机理、常用的废水污染指标及测定方法以及微生物降解有机污染物的途径和降解条件；难点是废水脱氮除磷过程中生物脱氮和生物除磷的基本原理和主要工艺以及厌氧发酵的生物化学过程和特点。

 本章教学要求：了解废气微生物处理的方法和有机固体废弃物堆制处理的特点以及与沼气发酵的异同；理解废水脱氮除磷过程中生物脱氮和生物除磷的基本原理和主要工艺以及厌氧发酵的生物化学过程和特点；掌握微生物处理污水的作用机理、常用的废水污染指标及测定方法以及微生物降解有机污染物的途径和降解条件。

第五章  环境微生物学实验方法

第一节  环境微生物取样和富集

1.      培养基的配置与选择；

2.      环境微生物的取样；

3.      从野外微生物群落到微生物纯培养物；

4.      活性污泥中细菌的分离和培养；

5.      获得环境微生物纯培养的方法；

6.      环境微生物数量和生物量的测定方法。

习题要点：配制培养基的基本原则；从野外微生物群落获得微生物纯培养物的方法；常用的微生物分离和纯化方法；稀释平板计数的基本方法。

第二节  指示微生物

1.  指示微生物的概念；

2.      总大肠杆菌；

3.      粪大肠菌；

4.      粪链球菌；

5.      产气荚膜梭菌；

6.      异养平板计数；

7.      噬菌体；

8.      其他指示微生物。

习题要点：指示微生物的概念和常用的指示微生物种类。

第三节  显微技术

1.  显微技术的原理；

2.      微生物的形态和特殊结构的观察；

3.      细菌的简单染色和革兰氏染色；

4.      应用分子探针和荧光探针显微技术的原位检测。

习题要点：显微计数的基本方法；革兰氏染色反应的关键步骤；革兰氏染色的重要理论和实践意义。

第四节 生理学和免疫学方法

1.  纯培养微生物活性测定；

2.      适于测定环境样品活性方法的选择；

3.      碳呼吸；

4.      放射性标记示踪物掺入细胞大分子；

5.      腺苷酸能荷；

6.      酶分析。

7.      抗体；

8.      免疫检测方法。

习题要点：例举常用的生理学检测方法和免疫检测方法。

 本章重点、难点：重点是如何根据实际需要选择合适的培养基并从野外微生物群落中获得微生物纯培养物以及利用革兰氏染色鉴定阴性菌和阳性菌；难点是环境微生物的稀释平板计数和显微计数的原理和方法。

 本章教学要求：了解指示微生物的概念和常用的指示微生物种类以及常用的生理学检测方法和免疫检测方法；理解环境微生物的稀释平板计数和显微计数的原理和方法；掌握如何根据实际需要选择合适的培养基并从野外微生物群落中获得微生物纯培养物以及利用革兰氏染色鉴定阴性菌和阳性菌。

第六章  环境微生物生物技术

第一节  环境微生物的基因工程

1.      基因工程工具酶；

2.      环境微生物核酸的提取；

3.      环境微生物功能基因的克隆与表达；

4.      环境微生物基因工程菌的构建；

5.      基因工程菌的环境污染控制应用。

习题要点：从环境中提取微生物核酸并以此构建目的基因克隆的方法和流程。

第二节  环境微生物的蛋白质工程

1.  固定化酶技术在环境治理中的应用；

2.      基因工程抗体及其环境应用；

3.      蛋白质工程疫苗及其环境意义。

习题要点：固定化酶技术在环境治理中的应用；蛋白质工程疫苗的概念和环境意义。

第三节  环境微生物的细胞工程

1.  细胞融合；

2.      固定化微生物在环境治理中的应用；

3.      环境微生物的单细胞蛋白技术；

4.      农业生物控制中的环境微生物技术。

习题要点：固定化微生物技术在环境治理中的应用；微生物农药的概念和实例说明。

第四节  环境微生物的代谢工程

1.  微生物胞外多聚物的开发与应用；

2.      微生物能源；

3.      微生物采油。

习题要点：微生物胞外多聚体的开发和应用；微生物能源的优点和实例说明。

 本章重点、难点：重点是从环境中提取微生物核酸并以此构建目的基因克隆的方法和流程；难点是固定化酶和固定化微生物技术在环境治理中的应用。

 本章教学要求：了解微生物农药、胞外多聚体和微生物能源的开发和应用；理解固定化酶和固定化微生物技术在环境治理中的应用；掌握从环境中提取微生物核酸并以此构建目的基因克隆的方法和流程。

第七章  环境微生物学研究新进展和新技术

第一节  污染物致突变性的微生物检测方法

1.      发光细菌监测法；

2.      Ames试验。

习题要点：Ames试验的原理、方法及应用。

第二节  环境微生物的分子生态技术

1.      核酸杂交检测技术；

2.      微生物分子生态学方法。

习题要点：PCR-DGGE与PCR-RFLP检测功能基因组的异同；如何在属的水平上鉴别从土壤中分离到的细菌菌株。

第三节  环境微生物传感器

1. 微生物传感器的结构和功能；

2.      微生物传感器的类型；

3.      微生物传感器在环境中的应用实例。

习题要点：以BOD传感器为例说明微生物传感器在环境监测中的特点。

第四节  生物芯片与环境微生物监测

1.  生物芯片的工作原理；

2.      基因芯片检测分析环境样品的步骤；

3.      基因芯片在环境微生物监测中的应用。

习题要点：基因芯片的工作原理、检测分析步骤以及在环境微生物监测中的应用。

第五节  环境微生物基因组学与蛋白质组学

1.  环境微生物基因组分析；

2.      宏基因组学；

3.      环境微生物转录组学；

4.      转录组学常用技术；

5.      环境微生物蛋白质组学；

6.      蛋白质组学常用技术。

习题要点：基因组学、转录组学和蛋白质组学在环境微生物研究中的作用；土壤宏基因组文库构建和分析筛选的方法和操作流程。

 本章重点、难点：重点是如何利用PCR技术在属的水平上鉴别从环境中分离到的细菌菌株以及利用PCR-DGGE技术分析环境微生物群落结构组成；难点是基因组学、转录组学和蛋白质组学在环境微生物研究中的作用以及土壤宏基因组文库构建和分析筛选的方法和操作流程。

 本章教学要求：了解微生物传感器在环境监测中的特点和基因芯片的工作原理、检测分析步骤以及在环境微生物监测中的应用；理解基因组学、转录组学和蛋白质组学在环境微生物研究中的作用以及土壤宏基因组文库构建和分析筛选的方法和操作流程；掌握如何利用PCR技术在属的水平上鉴别从环境中分离到的细菌菌株以及利用PCR-DGGE技术分析环境微生物群落结构组成。

五、考核方式及要求  

课堂出勤率、课堂表现及课后作业完成情况占总成绩的40%；期末考试采用闭卷考试方法，题型包括选择、填空、简答以及论述题，侧重考核学生利用所学知识综合分析和解决实际问题的能力，考试成绩占总成绩的60%；总成绩由平时成绩和考试成绩加成得出。

六、推荐教材及教学参考书 

教  材：《环境微生物学》，赵开弘主编，华中科技大学出版社，2009年，标准书号：ISBN 978-7-5609-5402-8

参考书：《环境微生物学》（英文），Raina M. Maier等编著，刘和、陈坚导读—影印本，北京科学出版社，2010年，标准书号：ISBN 978-7-03-026112-0

《环境生物学》，李顺鹏主编，中国农业出版社，2002年，标准书号：ISBN 7-109-07652-0

《环境微生物学》，和文祥、洪坚平主编，中国农业大学出版社，2002年，标准书号：ISBN 978-7-81117-137-2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

大纲修订人： 刘 娟

大纲审定人：

修订日期：2015年4月30日