作者：赵春
出版社：中国轻工业出版社
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高等职业教育十二五规划教材·环境生物技术试读：
前言
面临不断恶化的生存环境，人类清醒地认识到要走可持续发展之路。而发展环境教育是解决环境问题和实施可持续发展战略的根本，因此在高等学校开设环境教育课程，是向社会输送环境保护专门人才的重要途径之一。环境生物技术利用微生物来改善环境质量，这些改善包括防止污染物向外界排放，净化受污染的环境以及为人类创造有价值的资源。这一系列技术是社会必需的，而且作为一门技术学科，它也是独一无二的。
在长期的教学实践中，我们深深体会到：要想使学生能够深刻理解环境生物技术的基本理论和基本概念，并能用所学的理论知识灵活地解决实际问题，提高学生分析问题和解决问题的能力，就必须在基本知识的基础上引导学生多做实践训练。根据目前环境生物技术专业专科适用教材少的状况，我们编写了这本《环境生物技术》，有目的地增加了环境修复的实例和国内外成功的实践经验，其目的是为了进一步提高高职高专生物专业和环境专业教育的教学质量。
本书介绍了用于保护和改善环境的微生物过程的基本原理及其实际应用。书中不仅涉及了环境生物技术的传统应用（如活性污泥法和厌氧消化），还介绍了新兴的应用（如有害化合物的脱毒、生物修复、饮用水的生物过滤等）。书中提供了大量的图、表，每章中列有相关知识链接，以帮助学生理解和掌握基本概念和原理，还给出了丰富的实例，以利于学生正确地分析、设计和解决实际环境问题。
本书第一章介绍了环境生物技术的发展简史及其研究内容，对于理解后续章节的原理和应用是非常必需的。对于没有微生物学背景知识的学生，第二章提供了微生物代谢、酶学基础和生态方面的基础知识。第三至八章是原理加实际应用部分。各章都解释了如何构建各种工艺过程以达到处理目标，并介绍了设计中的关键参数，目的是尽可能地将原理和应用直接联系起来。其中第三章讲述了环境污染治理基因工程技术，第四章讲述了废水生物处理技术，第五章讲述了固体废物处理处置与资源化生物技术，第六章讲述了污染事故和污染场地的生物修复，第七章讲述了重金属污染生物处理技术及污染预防生物技术，第八章讲述了农药环境污染预防生物技术。同时，第三至八章讨论了为达到传统目标而采用的一些最新技术。因此，尽管目标是传统的，但是为达到目标所使用的科学技术是非常现代的。
由于本书篇幅有限，所以对一般性原理、环境生物技术的应用以及很多在生物系统设计中必须考虑的特殊细节，本书没有全面论述，而是将重点放在原理及其应用方面。
参加本书编写的人员有山东省东营职业学院的赵春、王玉珍、贾志霞、李艳梅，山东科技职业学院王晓琳，山东省农业管理干部学院商冉，山东省滨州职业学院张晓博，山东省农业科学院贾春林等。在本书的编写过程中，主编多次召集编写人员研讨本书的内容、编写要求等事宜，并对初稿进行多次修订，最后由赵春、贾春林负责统稿、定稿。
本书适合作为高等职业院校环境类专业的教材，也可供环境、生物等领域的科技人员参考。我们希望这套丛书能对高等院校师生和广大科技人员有所帮助，同时对我国环境教育的发展作出贡献。由于时间紧迫及水平所限，书中的不妥之处在所难免，恳请老师和同学们批评指正。编者2012.7第一章环境生物技术引论【知识目标】
1.掌握生物技术和环境生物技术的概念。
2.熟悉生物技术的发展简史。
3.了解当前各种环境问题。【能力目标】
1.运用环境生物技术知识分析环境问题。
2.学会运用环境生物技术基础知识。第一节 环境生物技术
面对全球气候变化、水污染和水资源短缺、水土流失、酸雨等“热点”问题，人类必须把自己当做大自然中的一员，建立一个与大自然和谐相处的绿色文明。要完成这样一个艰巨的任务，就要提高对环境质量变化的识别力，培养分析和解决环境问题的技能，增强保护和改善环境的责任感和自觉性。一、环境与环境问题
1.环境科学
环境科学是一门研究环境的物理、化学、生物三个部分的学科，是一门研究人类社会发展活动与环境演化规律之间相互作用的关系，寻求人类社会与环境协同演化、持续发展的途径与方法的科学。
水资源、土地资源、矿产资源等是人类生存与发展不可缺少的物质资源和能量资源；草原地区的环境状态决定其适于发展牧业，而沿海地区的环境状态决定其适于发展渔业、旅游业、海上运输业等。环境状态就是一种非物质资源，是人类社会生存和发展所不可缺少的，具有不可估量的价值。人类必须将自身活动对环境的影响控制在环境自我调节能力的限度内，使人类活动与环境变化的规律相适应，使环境朝着有利于人类生存发展的方向变动。
人类与环境的关系是通过生产和生活活动而表现出来的。无论是人类的生产活动，还是消费活动，无不受环境影响，也无不影响环境。环境科学就是以“人类-环境”系统作为研究对象，研究“人类-环境”生态系统的发生、发展、预测、调控以及改造和利用。目的就是揭示人类活动同自然生态之间的对立统一关系，探索环境变化对人类的影响，研究区域环境污染综合防治的技术措施和管理措施。其主要研究内容：一是控制污染破坏，包括污染综合防治、自然保护和促进人类生态系统的良性循环；二是改善环境质量，环境质量不仅要从化学环境质量和对人类健康的适宜程度来判断，而且要考虑到是否有利于经济发展，以及美学上令人愉快的要求。
2.环境问题
环境问题伴随人类的产生而产生，并随着人类社会的发展而发展。工业革命之前的人类社会，由于生产力低下，人类对自然环境的破坏相对而言是局部或轻微的；随着工业文明的发展，生产力有了极大的提高，人类在享受工业文明带来的诸多好处的同时，消耗了大量的资源，并且向环境排放了大量的污染物。时至今日，由于人类的生产、生活活动而产生的环境问题已经成为严重的全球性问题，直接危害着人类自身的生存和发展。
有些环境问题不只是影响某一个国家或地区，而是可能影响到其他国家甚至全球。例如，酸雨随着大气的运动，能影响到很远的地区；国际性河流上游被污染，将使全流域受到影响；热带雨林的破坏，会对全球的气候产生影响;大气中二氧化碳浓度的升高和臭氧层的破坏，更是威胁着全人类。这些全球性的环境问题的出现和发展，已引起国际社会的普遍关注。一般认为，当今世界存在的全球性环境问题有全球气候变暖，臭氧层破坏，酸雨危害，淡水资源危机，资源、能源短缺，森林锐减，土地荒漠化，生物多样性锐减，垃圾成灾，以及有毒化学品的全球转移等。（1）全球变暖 气候学的记录，近百年来全球平均地面气温呈明显的上升趋势。20世纪80年代全球平均气温比19世纪下半叶升高约0.6℃，有关研究表明，到2050年，全球变暖的幅度可能在4.5～10℃。由于人类活动消耗大量化石燃料（石油、煤、天然气），排放大量CO，而森林毁坏又使植物吸收CO的量减少，导致温室效应，从而22引起全球变暖。全球变暖引起温度带北移，全球降水也将随之变化，使局部地区水资源更加短缺；全球升温1.5～4.5℃将导致海平面上升20～165cm，使沿海低地面面临被淹没的威胁，并导致海水倒灌、排洪不畅、土地盐渍化等后果。（2）臭氧层破坏 1984年南极上空首次发现臭氧层破坏的现象，即臭氧洞。人类过多使用氯氟炔类化学物质（CFCS）以及排放其他臭氧层损耗物质，破坏了臭氧层中氧原子（O）、氧分子（O）、臭2氧（O）之间的动态平衡，导致臭氧层破坏。臭氧层中臭氧减少，3照射到地面的太阳光紫外线增强，其中波长为240～329 nm的紫外线对生物细胞有很强的杀伤作用，对各种生物都产生不利的影响。（3）酸雨 酸雨指 pH 低于 5.6 的大气降水，包括雨、雪、雾、露、霜。20世纪80年代以来酸雨发生的频率上升、危害加大，并扩展到世界范围。欧洲、北美和东亚是世界上酸雨危害最严重的区域。降水的酸度来自大气降水对大气中CO和其他酸性物质的吸收，而形成降2水不正常酸性的主要物质是含硫化合物、含氮化合物等。人类燃烧化石燃料排放产生的SO和NO是造成酸雨的主要原因。2x（4）淡水资源缺乏与水污染 河流、湖泊或水量减少（如黄河断流）直至干涸，或受到严重污染，地下水位持续下降。更由于城市化和工业发展，集中用水量很大，超过当地供水能力，而又排放大量污染物破坏水体，加剧了水资源的供求矛盾。淡水资源缺乏制约经济的发展，限制全世界人民生活福利和质量，每年导致10亿人患病，300万儿童因腹泻死亡，2亿人成为血吸虫病患者。（5）生物多样性丧失 目前物种消失的速度比人类出现以前的自然灭绝速度要快50～100倍，比物种形成的速度要快100万倍。从1975～2000年间，全世界物种损失将达50万～100万种，其中大部分为植物和昆虫。由于耕种活动和对薪柴、材料的需求，导致森林面积日益缩小，牧场退化、荒漠化，对动物的猎捕与毒杀，灭虫剂、农药的广泛使用等，以上种种导致日益加速的物种灭绝及生态系统的破坏。（6）海洋污染 局部海域受到石油污染、发生赤潮、鱼群死亡、海面遍布垃圾等，并有扩展到全球的趋势。油船泄露、远洋倾废、近海排污等，人类每年向海洋倾倒600万～1000万吨石油、1万吨有机氯农药等，导致海洋状况不断恶化。海水浑浊严重影响海洋植物的光合作用，降低水体生产力，危害鱼类;重金属、石油、有毒有机物侵害海洋生物，并殃及海鸟及人类；破坏海洋旅游资源。（7）资源、能源短缺 当前，世界上资源和能源短缺问题已经在大多数国家甚至全球范围内出现。这种现象的出现，主要是人类无计划、不合理地大规模开采所至。从目前石油、煤、水利和核能发展的情况来看，要满足人类能源需求是十分困难的。因此，在新能源（如太阳能、快中子反应堆电站、核聚变电站等）开发利用尚未取得较大突破之前，世界能源供应将日趋紧张。此外，其他不可再生性矿产资源的储量也在日益减少，这些资源终究会被消耗殆尽。（8）森林锐减 森林是人类赖以生存的生态系统中的一个重要的组成部分。地球上曾经有76亿公顷的森林，到1976年已经减少到28亿公顷。由于世界人口的增长，对耕地、牧场、木材的需求量日益增加，导致对森林的过度采伐和开垦，使森林受到前所未有的破坏。据统计，全世界每年约有1200万公顷的森林消失，其中占绝大多数是对全球生态平衡至关重要的热带雨林。对热带雨林的破坏主要发生在热带地区的发展中国家，尤以巴西的亚马逊流域情况最为严重。亚马逊森林居世界热带雨林之首，但是，到20世纪90年代初期这一地区的森林覆盖率比原来减少了11%，相当于70万平方公里，平均每5 s就有差不多一个足球场大小的森林消失。此外，在亚太地区、非洲的热带雨林也在遭到破坏。（9）土地荒漠化 简单地说土地荒漠化就是指土地退化。1992年联合国环境与发展大会对荒漠化的概念作了这样的定义：荒漠化是由于气候变化和人类不合理的经济活动等因素，使干旱、半干旱和具有干旱灾害的半湿润地区的土地发生了退化。1996年6月17日第二个世界防治荒漠化和干旱日，联合国防治荒漠化公约秘书处发表公报指出：当前世界荒漠化现象仍在加剧。全球现有12亿多人受到荒漠化的直接威胁，其中有1.35亿人在短期内有失去土地的危险。荒漠化已经不再是一个单纯的生态环境问题，而且演变为经济问题和社会问题，它给人类带来贫困和社会不稳定。全世界受荒漠化影响的国家有100多个，尽管各国人民都在进行着同荒漠化的抗争，但荒漠化却以每年5万～7万平方公里的速度扩大（相当于爱尔兰的面积）。在人类当今诸多的环境问题中，荒漠化是最为严重的灾难之一。对于受荒漠化威胁的人们来说，荒漠化意味着他们将失去最基本的生存基础——有生产能力的土地的消失。（10）垃圾成灾 全球每年产生垃圾近100亿吨，而且处理垃圾的能力远远赶不上垃圾增加的速度，特别是一些发达国家，已处于垃圾危机之中。美国素有垃圾大国之称，其生活垃圾主要靠表土掩埋。过去几十年内，美国已经使用了一半以上可填埋垃圾的土地，30年后，剩余的这种土地也将全部用完。我国的垃圾排放量也相当可观，在许多城市周围，排满了一座座垃圾山，除了占用大量土地外，还污染环境。危险垃圾，特别是有毒、有害垃圾的处理问题（包括运送、存放），因其造成的危害更为严重、产生的危害更为深远，成为了当今世界各国面临的一个十分棘手的环境问题，全球的大气、水体、土壤乃至生物都受到了不同程度的污染、毒害，连南极的企鹅也未能幸免。自20世纪50年代以来，涉及有毒有害化学品的污染事件日益增多，如果不采取有效防治措施，将对人类和动植物造成严重的危害。二、生物技术
1.生物技术的定义
生物技术（Biotechnology）是一门既有悠久历史又有崭新内容的科学技术和生产工艺，曾有不少学术组织和学者对生物技术赋予各种定义。“生物技术”一词最初由匈牙利工程师KarlEreky于1917年提出，其涵义是指用甜菜作为饲料大规模养猪，利用生物将原材料转变为产品。
1986年，我国原国家科学技术委员会制订《中国生物技术政策纲要》时，将生物技术定义为：以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。实际上，这一定义已基本反映了现代生物技术的学科内涵。
知识链接：如果仅以基因重组技术、细胞融合技术及新颖的生物工程技术为生物技术的定义与范围，则失之于狭隘了。较新的定义则是：利用生物细胞或其代谢物质来制造产品，或改良动物、植物、微生物及其相关产品来增进人类生活素质的技术。欧洲生物技术联盟对生物技术及生物产业作了另一种诠释:“Biotechnology is not an industry. It is，instead，a set of biological techniques，developed through decades of basic research，that are now being applied to research and product development in several existing industrial sectors.”节译为：经年累月所研发出来的一系列生物性的技术应用于既有的产业之中。
2.环境生物技术的定义
环境生物技术（Environmental Biotechnology，EBT）也称环境生物工程（Environmental Bioengineering），是近10年来一门由现代生物技术与环境工程相结合发展起来的新兴交叉学科。目前还没有一个统一的定义。简明而言，环境生物技术是应用于环境领域的生物技术。广义上讲，环境生物技术应定义为:凡是自然界中涉及环境污染控制的一切与生物技术有关的技术。严格来说，环境生物技术指的是直接或间接利用生物或生物体的某些组成部分或某些机能，建立降低或消除污染物的生产工艺，或者能够高效净化环境污染，同时又生产有用物质的工程技术。
环境生物技术是现代生物技术和环境工程紧密结合发展起来的新兴交叉学科，是环境工程专业的一门专业基础课，以前导课程有机化学及生物化学、环境微生物学为基础，重点介绍利用生物技术处理水、固体废物、大气及环境修复技术的基础理论及生物材料（生物絮凝剂、生物吸附剂、生物降解材料）与生物监测方法，为环境中的水、土、大气、固体废物、污染控制提供坚实的理论基础。
美国国家科学与技术委员会（Natural Science and Technology Council）于1995年12月向美国政府提供的《21世纪的生物技术：新的地平线》（Biotechnology for the 21st Century：New Horizons）报告中认为，生物技术在解决与环境管理和质量保证有关的问题方面所起的作用主要有：①能对良好的生态系统进行评价；②可将污染物质转化成无害物质；③能利用再生资源生产生物可降解材料；④可开发对环境安全的产品加工工艺和废物处理技术。
我国积极参加了有关环境保护的缔约方会议和有关国际会议，缔约或签署了多项国际环境公约，并参与有关工作，维护了我国和广大发展中国家的利益。参与并履行了《防治荒漠化国际公约》、《气候变化框架公约》、《湿地公约》等国际公约，并积极采取相应措施，做出履约承诺。我国在履行《保护臭氧层维也纳公约》的过程中，积极开发氟里昂替代物质，并达到国际先进水平。
可见，环境生物技术的应用不仅仅限于生物废水处理方面，其应用面是非常广泛的。近10年来，环境生物技术的发展十分迅猛，目前已成为一种经济效益和环境效益俱佳的、解决复杂环境污染问题的最有效手段。三、生物技术的发展简史
一般认为，传统的生物技术可以上溯到古代的酿酒技术。据考古发掘证实，我国在龙山文化（距今4000～4200年）时已有酒器出现。所以，生物技术的历史几乎与人类文明的发展史一样源远流长，经历了数千年的发展。有学者将生物技术的发展史分为4个发展时期。
1.古老（传统）生物技术阶段（公元前6000～17世纪）
传统的生物技术从史前时代起就一直为人们所开发和利用。早在石器时代后期，我国的祖先就掌握了利用谷物酿酒的技术。除了龙山文化的考古实据外，夏代禹王命臣仪狄酿酒、夏代少康（即杜康）造秫酒（公元前21～公元前20世纪）均有文献记载。公元前221年，我国人民就能制作酱油、酿醋。公元10世纪，我国就有了预防天花的活疫苗。
在西方酿酒的传统则可推溯到更早。公元前6000年，古巴比伦人和苏美尔人已掌握了啤酒酿造技术。相传埃及在公元前40～公元前30世纪已开始用发酵手段烤制面包。古埃及石刻还显示，古埃及人能对枣椰树进行交叉授粉，以改善果实的质量。
另外，泡菜、奶酪、干酪的制作以及面团发酵、粪便和秸秆的沤制、以霉制疡等技术都属于“古老生物技术”的产品或实践。虽然这些原始的生物技术被使用了数千年，但人们并不知道其中的道理。
2.初期（第一代）生物技术阶段（17世纪～20世纪40年代）
1676年，荷兰人列文虎克（Antonvan Leeuwenhoek）制成了能放大170～300倍的显微镜，首次观察到微生物的存在并系统阐明了发酵是由微生物（酵母菌）作用而产生的原理。1857～1876年，法国著名生物学家巴斯德（Pasteur）通过研究给出了酵母发酵能力的确凿证据，使发酵技术纳入了科学的轨道，因此，巴斯德可以被认为是“生物技术”之父。1897年，德国的布赫纳（Buchner）发现磨碎了的酵母仍能使糖发酵成酒精，并将此具有发酵能力的物质称为酶，进一步认清了发酵现象的本质。
由于上述科研成果的取得，从19世纪末开始，不少工业发酵产品（如乙醇、醋酸、有机物、丁醇、丙酮等）陆续出现，并在生产中开始采用大规模的纯种培养技术发酵化工原料，开创了工业微生物发酵的新世纪。
此外，另一个非无菌生物技术的典型是废水处理和固体废弃物的堆肥处理。长期以来，微生物早就被开发应用于最大限度地分解人类垃圾与去除废水中的有毒物质。可见，生物技术在早期就是一项涉足于环境保护领域的工程技术。
3.近代（第二代）生物技术阶段（20世纪40～70年代）
1939年，第二次世界大战爆发，医生们急需抗细菌感染药物。1941年，美国和英国合作开始对弗莱明（Fleming）早在1928年发现的青霉素进行更深入的研究开发，并于1943年研制成全套的工艺设备。在青霉素大规模发酵生产的带动下，发酵工业和酶制剂工业大量涌现。发酵技术和酶技术被广泛应用于医药、食品、化工、制革和农产品加工等部门。
近代生物技术阶段主要有4个特点。（1）产品类型多 不但有初级代谢产物（如氨基酸、酶制剂、有机酸等），也出现了次级代谢产物（如抗生素、多糖等），还有生物转化产品（如甾体化合物）、酶反应（如6-氨基青霉烷酸等）。（2）技术要求高 发酵过程技术在纯种或无菌条件下进行，大多属好气发酵，在发酵中要通入无菌空气。作为药品或食品的发酵产品，质量要求严格。（3）规模巨大 这一时期技术要求最高，通气搅拌罐可大至3500m，规模最大的单细胞蛋白（SCP）工厂的气升式容积发酵罐容3积已超过2000m。（4）技术发展速度快 一方面，作为发酵工业中能提高产量和质量的关键一种，其活力和性能都得到了惊人的提高；另一方面，产品品种的更新、新技术及新设备的应用等都达到了前所未有的程度。
20世纪初，遗传学的建立及其应用，产生了遗传育种学，并于60年代取得了辉煌的成就，被誉为“第一次绿色革命”。细胞学的理论被应用于生产而产生了细胞工程。在今天看来，上述诸方面的发展，还只能被视为传统的生物技术，因为它们还不具备高技术的诸要素。
4.现代（第三代）生物技术阶段（20世纪70年代～现在）
现代生物技术的主要标志是20世纪70年代DNA重组技术的建立。
1944年，Avery 等阐明了 DNA 是遗传信息的携带者。1953年，Watson 和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型，阐明了DNA的半保留复制模式，开辟了分子生物学时代。1961年，M.Nirenberg等破译了遗传密码，揭开了DNA编码遗传信息及其如何传递给蛋白质这一秘密。1972年，Berg首先实现了DNA体外重组技术。1973年，Boyer和Cohen实现了基因转移，为基因工程开启了通向现实的大门。
基因工程技术的出现为人们提供了一种全新的技术手段，使人们可以按照意愿切割DNA、分离基因并重组后，导入其他生物或细胞以改造农作物或畜牧品种；也可以导入细菌以生产大量的有用蛋白质或药物、疫苗；也可以导入人体内进行基因治疗。这是一项技术上的革命，以基因工程为核心，带动了发酵工程、酶工程、细胞工程和蛋白质工程的发展，形成了具有划时代意义和战略价值的现代生物技术。
目前，我国生物技术产业迅速崛起。北京市政府已将生物医药产业列为四个重点支持的产业之一，正在建设中关村生命科学园、北京大兴生物医药产业基地和亚洲最大的生物产业孵化器等三大生物产业工程。进入新时期，党中央和国务院明确要求“把生物科技作为未来高技术产业迎头赶上的重点”。《国家中长期科学与技术发展规划纲要》把生物技术列为我国未来15年科技发展的五个战略重点之一。争取用15年的时间，使我国生物技术与产业化率先进入世界先进行列。四、环境生物技术的学科体系
现代生物技术是一门多学科相互交叉、渗透的新兴的综合性学科，内容十分丰富，是现代生物技术与环境科学与技术交叉、渗透、综合的产物。
1.环境生物技术涉及的学科
到目前为止，环境生物技术涉及的学科主要有分子生物学、生物化学、酶学、环境微生物学、植物学、动物学、生态学、环境毒理学、土壤学等，这些都是基础科学。另外，它涉及的技术科学主要包括基因工程、酶工程、发酵工程、化学工程、环境工程、生态工程、微电子学以及计算机科学与工程等。这些学科中，既有基础理论学科，又有技术学科，通过相互交叉、渗透、综合形成了环境生物技术的学科体系。因此，环境生物技术具有多学科性和综合性。
2.环境生物技术的学科结构
环境生物技术作为一门独立的生物技术的分支学科，除了具有自身的技术体系外，还有自身的学科及理论基础。笔者认为上面提到的学科基础中，最基本的是生物学基础（包括生态学）、生物工程学基础和环境工程学基础。它们之间具有内在的联系，体现了各学科的交叉与渗透，因而具有一定的学科结构。
科学的发展取决于社会生产力的发展和制约，但又有其自身的规律性，学科的结构对科学的发展有时也起决定性的作用。另外，科学的发展又表现为不平衡性，学科的结构可以随着学科的发展发生一定的变化。环境生物技术是在现代科学革命中产生的新兴学科，尽管目前有的领域还比较薄弱，但随着时间的推移，不久的将来就可能成为发展的热点和重点。第二节 环境生物技术的基本特征和研究内容一、环境生物技术的研究内容
现代生物技术学科是在20世纪下半叶现代科技革命的大背景下，由于分子生物学的诞生和DNA重组技术的产生，通过各学科交叉、渗透、综合，在传统生物技术基础上产生革命性的飞跃而形成的。现代生物技术一经产生，不仅给生命科学和传统生物技术带来了革命性的变化，对社会经济发展也具有深刻而长远的影响，因而被世界各国视为高新技术。
现代生物技术的应用领域非常广泛，已对人类社会产生了巨大影响，是20世纪后半叶发展最快的学科之一，其进展真可谓“一日千里”。人们普遍认为现代生物技术是21世纪的带头学科之一。现代生物技术可应用于几个大的方面（表1-1），表明未来的生物技术必将对人类社会产生更大的影响，与生物技术相关的产业必将有更大的发展。表1-1 生物技术所涉及的行业种类
现代环境生物技术应用现代生物技术，服务于环境保护。目前环境生物技术面临的任务有:
①基因工程菌从实验室进入模拟系统和现场应用过程中，其遗传稳定性、功能高效性和生态安全性等方面的问题;
②开发废物资源化和能源化技术，利用废物生产单细胞蛋白、生物塑料、生物农药、生物肥料以及利用废物生产生物能源，如甲烷、氢气、乙醇等;
③建立无害化生物技术清洁生产新工艺，如生物制浆、生物絮凝剂、煤的生物脱硫、生物冶金等;
④开发对环境污染物的生理毒性及其对生态的影响检测技术。二、环境生物技术的应用和进展
1.环境生物技术的应用
现代生物技术的发展，为环境生物技术向纵深发展增添了强大的动力，它无论是在生态环境保护方面，还是在污染预防和治理方面，以及环境监测方面，都显示出独特的功能和优越性。从技术难度和理论深度来考虑，环境生物技术可分为高、中、低三个层次：①高层次是指以基因工程为主导的现代污染防治生物技术，如基因工程菌的构建、抗污染型转基因植物的培育等;②中层次是指传统的生物处理技术，如活性污泥法、生物膜法，以及其在新的理论和技术背景下产生的强化处理技术和工艺，如生物流化床、生物强化工艺等；③低层次是指利用天然处理系统进行废物处理的技术，如氧化塘、人工湿地系统等。
环境生物技术的三个层次均是污染治理不可缺少的生物技术手段，各种工艺与技术之间可能存在相互渗透或交叉应用的现象，有时难以确定明显的界限，更没有重要不重要之分。某项环境生物技术可能集高、中、低三个层次的技术于一身。例如，废物资源化生物技术中，所需的高效菌种可以采用基因工程技术构建，所采用的工艺可以是现代的发酵技术，也可以是传统的技术。
2.环境生物技术的进展
近年来，环境生物技术发展极其迅猛，已成为一种经济效益和环境效益俱佳的、解决复杂环境问题的最有效手段。国际上认为21世纪生物技术产业化的十大热点中，环境污染监测、有毒污染物的生物降解和生物降解塑料三项属于环境生物技术的内容。环境生物技术已经取得了辉煌的成绩，也面临许多难题，而这些难题的解决，依赖于现代生物技术的发展。
我国是一个发展中国家，经济水平和科技总体水平离国际发达水平仍有相当差距，但随着国民经济的快速增长、人们环保意识的增强和环境保护工作力度的加大，中国环保产业取得了较大的发展。在国家和各级政府不断加大重视并持续增加投入，以及伴随着工业发展产生的大量市场需求等多方面因素的作用，近年来中国环保产业始终保持较快增长。“十一五”期间中国环保产业产值规模增长率在 15%～20%，2010年环保产值规模已超过 10000亿元。2006～2010年，全国累计建成运行5亿千瓦燃煤电厂脱硫设施，全国火电脱硫机组比例从2005年的12%提高到80%；新增污水处理能力超过5000万吨/d，全国城市污水处理率由2005年的52%提高到75%以上。到2011年，我国环保产业从业单位共有3万多家，从业人员近300万人。我国在科技发展特别是环保高科技发展上紧跟国际前沿，与国际上同步开发未来可能应用的高新技术。以下几项是经多年开发，已接近产业化的环境生物技术。（1）高硫煤微生物脱硫技术 由中华人民共和国环境保护部资助，中国环境科学研究院生物工程重点实验室进行了浮选法微生物脱硫工艺的可行性研究。在中性条件下，经约30min的微生物处理，可脱除无机硫达60%，比纯物理浮选提高约1倍。（2）石油污染土壤的生物修复 针对严重污染的环境，我国尚未采取大规模的治理措施，仅在少数地区开展了治理，并以物理化学方法（如洗脱、吸附）为主，不仅投资成本高，而且也造成了二次污染。如采用生物修复技术，不仅其投资规模大为缩小（仅需传统方法的1/5～1/3），而且还没有二次污染。（3）造纸工业中的生物制浆和生物漂白技术 利用生物酶制剂在造纸行业中，进行生物漂白，减少甚至彻底替代化学漂白，并最终在造纸工业中实现完全的生物制浆和生物漂白，彻底解决严重污染我国水环境的造纸黑液问题。
目前，我国的环境生物技术处于刚刚起步阶段。该技术的进一步开发需要得到社会、同行及主管部门的广泛支持，大力开展以污染控制生物技术为主体的环境生物技术的研究，将大力推进生物技术在环境保护中的应用，并将通过生物高技术的发展带动整个环保科技的发展，解决我国目前和未来面临的严峻的环境保护问题，并为环保市场提供高品质的环境保护技术。应该充分认识到环境生物技术开发对我国环境保护和社会、经济发展的重大意义。三、本书的主要内容和结构
环境生物技术是近代生物技术起源的一部分，是一门新兴的学科，其发展历史并不长。从某种意义上说，一些生物废水处理工程实际上是一种大规模的发酵工程。近30年来，现代生物技术的多数内容都已渗入环境工程领域中。特别是近10年来，环境生物技术在各个方面都有长足发展，目前环境生物技术已形成了自己独立的比较完整的学科体系。本书主要讲述现代生物技术在环境领域的应用，重点介绍环境领域中的新兴应用方向。
本书共分8章，试图较系统全面地介绍环境生物技术的主要学科内容。首先介绍了现代生物技术中与环境问题紧密相联系的主要内容，接着分章介绍了现代环境生物技术的主要内容。考虑到在环境生物技术学科的技术体系中，环境污染治理生物技术发展最早、最为成熟、内容最多，本书安排4 章内容予以介绍，即废水好氧生物处理技术、废水生物除磷脱氮技术、固体废弃物生物处理技术及环境污染的生物修复技术。
第一章为环境生物技术引论，简要介绍生物技术的学科发展历史、现代生物技术的学科体系、环境生物技术的学科体系与结构。
第二章为环境生物技术的生物学基础，主要介绍环境微生物学的基础知识（微生物的类群、营养、代谢）、酶学基础知识、生态学基础知识。这些都是环境污染治理生物技术及环境污染修复技术的生物学基础。
第三章为环境污染治理基因工程技术，主要介绍基因工程方法的历史发展及其在环境工程微生物中的应用。
第四章为废水的生物处理技术，主要介绍活性污泥法、生物膜法及其应用与最新进展及废水厌氧处理的工艺特点和作用。
第五章为固体废弃物生物处理技术，主要介绍有机垃圾的堆肥、卫生填埋及有机有毒废物的生物降解方法。
第六章为环境污染生物修复技术，主要介绍生物修复技术的基本原理和方法及其在水体、土壤、地下水修复中的应用。
第七章为重金属污染生物处理技术及污染预防生物技术，主要介绍生物吸附技术处理重金属废水和重金属污染土壤植物修复的原理与工艺方法。
第八章为农药环境污染预防生物技术，主要介绍微生物农药、微生物除草剂、农用抗生素、植物生理活性物质、昆虫生长调节剂及“以虫治虫”等可以从源头减少农业环境污染的有关技术。
环境生物技术是一门新兴的独立的分支学科，涉及面很广，发展十分迅速。随着时间的推移，相信该学科将会不断完善、不断丰富和发展。
知识链接
油轮Exxon Valdez泄漏事故介绍
1989年3月24日，午夜刚过，油轮Exxon Valdez撞上了在阿拉斯加威廉王子湾的Bligh礁石，溢出超过1100万加仑原油。这是美国历史最大的一起泄漏事故，测试了当地、全国和工业组织在准备、应对这样的巨大灾害的能力。泄漏事故威胁了威廉王子湾支撑着商业捕鱼业的脆弱食物链。同时处于危险中的还有上千万的迁移陆地鸟类和水鸟，成百的海獭，许多其他物种，譬如港口海豚和海狮，还有各种鲸鱼（图1-1）。
美国环保署实验性生物补救技术专家协助清理泄漏的石油，加利福尼亚圣迭戈Hubbs海洋学院的专家建立了给水獭清洗石油的设施，并且加利福尼亚州伯克利的国际鸟研究中心建立一个中心帮助那些沾了油的水鸟清洗并且恢复健康。在清理石油泄漏时主要用了三个方法：燃烧、机械清洁和化学分解剂。
在Exxon Valdez事件后，国会通过了1990年油污染法案，要求海岸警卫队加强它的关于油轮、油轮所有者和操作者的管理。今天，油轮外壳能为防止类似的泄漏提供更好的保护，并且船长和航运交通中心之间的通讯也得到改善以确保更加安全的航行。
关于Exxon Valdez灾难后果的一组数据：3.8万吨原油（相当于125个奥林匹克游泳池的水量）泄漏到了海中；海岸被污染；估计有25万只鸟、2800只水獭、300只海豹、250只秃头海鹰、22头鲸以及不计其数的鱼类死于此次灾难。图1-1 原油泄漏，海面、海滩被原油污染
沼气
沼泽地里的“鬼火”是一种真实存在的现象。3000年前的中国古代著作《易经》曾经提到，将沼气称为“沼泽地里的火”。在欧洲，意大利物理学家Alessandro Volta将它描述为“沼泽上空燃烧的空气”。那些不相信UFO之类的人在湿地也看到了相同的现象。从地下冒出的发酵气体中含有易燃的甲烷，燃烧的甲烷正是对这一切最完美、合理的解释。当搅动湖中的淤泥时，我们就可以观察到冒出的沼气泡。反刍动物的瘤胃（第一胃）也是一个微型的沼气工厂。一头牛的瘤胃中的菌群能将8%～10%的食物转化为100～200L的温室气体——甲烷，以嗳气或矢气的形式释放出来。
沼气能挽救森林：全世界大约有200万人仍然依靠燃烧木材、农业废物和干粪等生物质获取能源——这是一种直接但低效的获能方式，而且对农业和环境都造成了灾难性后果。在发展中国家，木材已经变得和食物一样匮乏。另一方面，用沼气作为燃料是农业领域一项可行的选择，它们还能以淤泥的形式提供自然肥料（其中含有丰富的氮、磷、钾），这样也能减少对人工肥料的需求。因此，沼气可以帮助很多发展中国家挽救森林。第二章环境生物技术的理论基础【知识目标】
1.了解微生物的类群和形态结构。
2.了解微生物的代谢类型。
3.掌握微生物对污染的降解和转化。
4.掌握酶的基础知识和酶与细胞的固定化技术。
5.了解酶在环境治理中的应用。
6.了解生态系统的基本概念、掌握生态系统的基本特征。
7.掌握生态系统的基本结构。
8.了解生态系统的组成要素及作用。
9.了解生态系统的环境功能和自净作用。【能力目标】
1.能够学会利用微生物对污染进行降解和转化。
2.能够自觉形成保护环境的意识。
生物是构成生态系统的要素，生态系统内物质循环主要是依靠生物过程来完成的。生物技术在处理环境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和无二次污染等显著优点。生物技术在水污染控制、大气污染治理、有毒有害物质的降解、清洁，可再生能源的开发、废物资源化、环境监测、污染环境的修复和污染等环境保护的各个方面，发挥着极为重要的作用。目前生物技术应用于环境保护中主要是利用微生物的作用。当应用环境生物技术处理污染物时，最终产物大都是无毒无害的、稳定的物质，如二氧化碳、水和氮气。利用生物方法处理污染物通常能一步到位，避免了污染物的多次转移，因此它是消除污染安全而彻底的一种方法。特别是现代生物技术的发展，尤其是基因工程、细胞工程和酶工程等生物高技术的飞速发展和应用，大大强化了上述环境生物处理过程，使生物处理具有更高的效率，更低的成本和更好的专一性，为生物技术在环境保护中的应用展示了更为广阔的前景。由于大部分有机污染物适于作为生物过程反应物（底物），其中一些有机污染物经生物过程处理后可转化成沼气、乙醇、生物蛋白等有用物质，因此，生物处理方法也常是有机废物资源化的首选技术。生物过程是以酶促反应为基础的，作为催化剂的酶是一种活性蛋白，因此，生物反应过程通常是在常温、常压下进行的。另外，酶对底物有高度的特异性，因此，生物转化技术（Bioconversion）的效率高、副产物少，这与常需要高温、高压条件的化工过程相比，反应条件大大简化，因而投资省、费用少、消耗低，而且效果好、过程稳定、操作简便。用生物过程代替化学过程可以降低生产活动的污染水平，有利于实现工艺过程生态化或无废生产，真正实现清洁生产的目标。生物处理技术除易于大规模处理外，还可利用天然水体或土壤作为污染物处理场所，从而大大节约生物处理的费用。另外，生物技术的产品或副产品基本上都是可以较快生物降解的，并且都可以作为一种营养源加以利用。生物是构成生态系统的要素，生态系统内物质循环主要是依靠生物过程来完成的。第一节 环境生物技术的微生物学基础
微生物与环境保护有着极为密切的关系。环境受到污染后，在物理、化学和生物特别是微生物的作用下，污染物被逐步降解、消除并达到自然净化的过程叫环境自净。在环境自净中，微生物具有十分突出的作用。利用微生物在处理环境污染物和环境监测等方面，已取得了很大的成果，微生物在环境保护中有奇特的作用，比如净化土壤、净化水质。自然界中的各种物质以及许多污染环境的人工合成物，特别是有机化合物，几乎都可被微生物降解或转化。微生物种类繁多，人们研究得最多、也较深入的主要有细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次体、古菌、真菌、显微藻类、原生动物、病毒、类病毒和朊病毒等。一、微生物的类群和形态结构
1.细菌
细菌是一类细胞细而短（细胞直径约0.5μm）、结构简单、细胞壁坚韧、以二等分裂方式繁殖、水生性较强的原核微生物，分布广泛。（1）细菌的形态 细菌按其外形，分为球菌、杆菌和螺形菌三大类（图2-1）。图2-1 细菌形态
①球菌 直径为1μm 左右，呈球形或近似球形（豆形、肾形、矛头形等）。根据球菌繁殖时分裂平面不同和分裂后菌体间相互黏附程度及排列方式不同，可分为：双球菌、链球菌、葡萄球菌。
②杆菌 呈杆状。根据杆菌形态上的差异，可把杆菌分为：棒状杆菌、球杆菌、分枝杆菌（如炭疽芽孢杆菌）。
③螺形菌 菌体弯曲，可分为两类：一是弧菌，菌体长2～3μm，只有一个弯曲，呈弧形或逗点状，如霍乱弧菌；二是螺菌，菌体较长，3～6μm，有数个弯曲，较僵硬，如鼠咬热螺菌。（2）细菌的结构 细菌的基本结构包括细胞壁、细胞膜、细胞质、核区（图2-2）。细菌的附属结构包括质粒、荚膜、鞭毛、菌毛和芽孢。质粒是某些细菌除染色体外的遗传因子，特点是能自我复制、可转移性、相溶与不相溶、大小不等、控制次要性状。荚膜是部分细菌在生活过程中，在细胞壁外产生的一种疏松透明的黏液层，内含多个细菌时称为菌胶团。荚膜按厚度分大荚膜、微荚膜、黏液层。其形成与菌种和营养条件有关。功能主要是保护、抗吞噬、抗干燥（图2-3）。鞭毛是杆菌、弧菌、螺菌和少数球菌在菌体上附有的细长呈波状弯曲的具有运动功能的丝状毛（图2-4）。菌毛，细丝状物，数量极多，周身排列，无运动功能，化学本质为菌毛蛋白亚单位。分为普通菌毛和性菌毛。功能可能是黏附和传递遗传物质。芽孢是细菌的休眠体，能够抵抗恶劣环境因素。因不同细菌芽孢的形态不同，可作为鉴别的依据。图2-2 细菌结构图2-3 细菌的荚膜（3）细菌的繁殖 二分分裂繁殖是细菌最普遍、最主要的繁殖方式。在分裂前先延长菌体，染色体复制为二，然后垂直于长轴分裂，细胞赤道附近的细胞质膜凹陷生长，直至形成横隔膜，同时形成横隔壁，这样便产生两个子细胞。图2-4 细菌鞭毛示意图（4）细菌的菌落 单个或少数细菌细胞生长繁殖后，会形成以母细胞为中心的一堆肉眼可见、有一定形态构造的子细胞集团，这就是菌落。细菌菌落常表现为湿润、黏稠、光滑、较透明、易挑取、质地均匀以及菌落正反面或边缘与中央部位颜色一致等。细菌的菌落特征因种而异。可作为鉴定细菌种的依据。
2.放线菌（1）放线菌的形态、大小和结构 放线菌的形态比细菌复杂些，但仍属于单细胞。在显微镜下，放线菌呈分枝丝状，我们把这些细丝一样的结构叫做菌丝，菌丝直径与细菌相似，小于1μm。菌丝细胞的结构与细菌基本相同（图2-5）。图2-5 放线菌的菌丝
根据菌丝形态和功能的不同，放线菌菌丝可分为基内菌丝、气生菌丝和孢子丝三种。链霉菌属是放线菌中种类最多、分布最广、形态特征最典型的类群（图2-6）。图2-6 链霉菌的一般形态和构造（2）放线菌的繁殖 放线菌没有有性繁殖，主要通过形成无性孢子方式进行无性繁殖，成熟的分生孢子或孢囊孢子散落在适宜环境里发芽形成新的菌丝体；另一种方式是菌丝体的无限伸长和分枝，在液体振荡培养（或工业发酵）中，放线菌每一个脱落的菌丝片段，在适宜条件下都能长成新的菌丝体，也是一种无性繁殖方式。（3）放线菌的菌落 放线菌在固体培养基上形成与细菌不同的菌落特征，放线菌菌丝相互交错缠绕形成质地致密的小菌落，干燥、不透明、难以挑取，当大量孢子覆盖于菌落表面时，就形成表面为粉末状或颗粒状的典型放线菌菌落，由于基内菌丝和孢子常有颜色，使得菌落的正反面呈现出不同的色泽。
3.霉菌
真菌在微生物世界中可以称得上是个“巨人家族”，真菌的个头较大，其中的许多成员对我们来说都是很熟悉的。例如，在潮湿的天气里，粮食、衣服、皮鞋上长的霉；我们做酱、酱油、豆腐乳用的曲霉和毛霉等霉菌；发面、酿酒用的酵母菌等都是真菌，就连人们爱吃的蘑菇、木耳等蕈子，也都是真菌大家族的成员。真菌是微生物中的一大类群，属于真核微生物，与人类关系非常密切。真菌是抗生素（如青霉素、头孢霉素）、有机酸等多种发酵工业的基础，在自然界中则扮演着各种复杂有机物分解者的角色。然而有些真菌是病原菌，引起人类和动植物病害，有些真菌产生毒素，使人、畜中毒，严重者引起癌症。如黄曲霉产生的黄曲霉毒素毒害肝脏，易引发肝癌。
霉菌是丝状真菌的俗称，意即“发霉的真菌”，它们往往能形成分枝繁茂的菌丝体，但又不像蘑菇那样产生大型的子实体（图2-7）。在潮湿温暖的地方，很多物品上长出一些肉眼可见的绒毛状、絮状或蛛网状的菌落，那就是霉菌。图2-7 霉菌的形态（1）霉菌的形态、大小和结构
①霉菌的菌丝 构成霉菌营养体的基本单位是菌丝。菌丝是一种管状的细丝，把它放在显微镜下观察，很像一根透明胶管，它的直径一般为3～10μm，比细菌和放线菌的细胞粗几倍到几十倍。菌丝可伸长并产生分枝，许多分枝的菌丝相互交织在一起，就叫菌丝体。
根据菌丝中是否存在隔膜，可把霉菌菌丝分成下面两种类型。
无隔膜菌丝：菌丝中无隔膜，整团。菌丝体就是一个单细胞，其中含有多个细胞核。这是低等真菌（即鞭毛菌亚门和接合菌亚门中的霉菌）所具有的菌丝类型。
有隔膜菌丝：菌丝中有隔膜，被隔膜隔开的一段菌丝就是一个细胞，菌丝体由很多个细胞组成，每个细胞内有1个或多个细胞核。在隔膜上有1至多个小孔，使细胞之间的细胞质和营养物质可以相互沟通。这是高等真菌（即子囊菌亚门和半知菌亚门中的霉菌）所具有的菌丝类型。
②霉菌菌丝的变态 为适应不同的环境条件和更有效地摄取营养满足生长发育的需要，许多霉菌的菌丝可以分化成一些特殊的形态和组织，这种特化的形态称为菌丝变态。
吸器：由专性寄生霉菌（如锈菌、霜霉菌和白粉菌等）产生的菌丝变态，它们是从菌丝上产生出来的旁枝，侵入细胞内分化成根状、指状、球状和佛手状等，用以吸收寄主细胞内的养料。
假根：根霉属霉菌的菌丝与营养基质接触处分化出的根状结构，有固着和吸收养料的功能。
菌网和菌环：某些捕食性霉菌的菌丝变态成环状或网状，用于捕捉其他小生物（如线虫、草履虫等）。
菌核：大量菌丝集聚成的紧密组织，是一种休眠体，可抵抗不良的环境条件。其外层组织坚硬，颜色较深；内层疏松，大多呈白色。如药用的茯苓、麦角都是菌核。
子实体：是由大量气生菌丝体特化而成，子实体是指在里面或上面可产生孢子的、有一定形状的任何构造。例如有三类能产有性孢子的结构复杂的子实体，分别称为闭囊壳、子囊壳和子囊盘。（2）霉菌的繁殖 霉菌有着极强的繁殖能力，而且繁殖方式也是多种多样的。虽然霉菌菌丝体上任一片段在适宜条件下都能发展成新个体，但在自然界中，霉菌主要依靠产生形形色色的无性或有性孢子进行繁殖。孢子有点像植物的种子，不过数量特别多，特别小。
①霉菌的无性孢子 直接由生殖菌丝的分化而形成，常见的有节孢子、厚垣孢子、孢囊孢子和分生孢子。
节孢子：菌丝生长到一定阶段时出现横隔膜，然后从隔膜处断裂而形成的细胞称为节孢子。如白地霉产生的节孢子。
厚垣孢子：某些霉菌种类在菌丝中间或顶端发生局部的细胞质浓缩和细胞壁加厚，最后形成一些厚壁的休眠孢子，称为厚垣孢子。如毛霉属中的总状毛霉。
孢囊孢子：在孢子囊内形成的孢子叫孢囊孢子。孢子囊是由菌丝顶端细胞膨大而成，膨大部分的下方形成隔膜与菌丝隔开，膨大细胞的原生质分化成许多小块，每小块可发育成一个孢子。孢囊孢子有两种类型，一种为生鞭毛，能游动的叫游动孢子，如鞭毛菌亚门中的绵霉属；另一种是不生鞭毛，不能游动的叫静孢子，如接合菌亚门中的根霉属。
分生孢子：是在生殖菌丝顶端或已分化的分生孢子梗上形成的孢子，分生孢子有单生、成链或成簇等排列方式，是子囊菌和半知菌亚门的霉菌产生的一类无性孢子。
②霉菌的有性繁殖和有性孢子 经过两性细胞结合而形成的孢子称为有性孢子。霉菌的有性繁殖过程一般分为三个阶段，即质配、核配和减数分裂。
质配是两个配偶细胞的原生质融合在同一细胞中，而两个细胞核并不结合，每个核的染色体数都是单倍的。
核配即两个核结合成一个双倍体的核。
减数分裂则使细胞核中的染色体数目又恢复到原来的单倍体。
有性孢子的产生不及无性孢子那么频繁和丰富，它们常常只在一些特殊的条件下产生。常见的有卵孢子、接合孢子、子囊孢子和担孢子，分别由鞭毛菌亚门、接合菌亚门、子囊菌亚门和担子菌亚门的霉菌所产生。
卵孢子：菌丝分化成形状不同的雄器和藏卵器，雄器与藏卵器结合后所形成的有性孢子叫卵孢子。
接合孢子：由菌丝分化成两个形状相同、但性别不同的配子囊结合而形成的有性孢子叫接合孢子。
子囊孢子：菌丝分化成产囊器和雄器，两者结合形成子囊，在子囊内形成的有性孢子即为子囊孢子。
担孢子：菌丝经过特殊的分化和有性结合形成担子，在担子上形成的有性孢子即为担孢子。
霉菌的孢子具有小、轻、干、多，以及形态色泽各异、休眠期长和抗逆性强等特点，每个个体所产生的孢子数，经常是成千上万的，有时竟达几百亿、几千亿甚至更多。这些特点有助于霉菌在自然界中随处散播和繁殖。对人类的实践来说，孢子的这些特点有利于接种、扩大培养、菌种选育、保藏和鉴定等工作，对人类的不利之处则是易于造成污染、霉变和易于传播动植物的霉菌病害。（3）霉菌的菌落 由于霉菌的菌丝较粗而长，因而霉菌的菌落较大，有的霉菌的菌丝蔓延，没有局限性，其菌落可扩展到整个培养皿，有的种则有一定的局限性，直径1～2cm或更小。菌落质地一般比放线菌疏松，外观干燥，不透明，呈现或紧或松的蛛网状、绒毛状或棉絮状；菌落与培养基的连接紧密，不易挑取；菌落正反面的颜色和边缘与中心的颜色常不一致。
4.酵母菌
酵母菌是人类实践中应用比较早的一类微生物，我国古代劳动人民就利用酵母菌酿酒；酵母菌的细胞里含有丰富的蛋白质和维生素，所以也可以做成高级营养品添加到食品中，或用作饲养动物的高级饲料。酵母菌在自然界中分布很广，尤其喜欢在偏酸性且含糖较多的环境中生长，例如，在水果、蔬菜、花蜜的表面和在果园土壤中最为常见。（1）酵母菌的形态、大小和结构 酵母菌是单细胞真核微生物。酵母菌细胞的形态通常有球形、卵圆形、腊肠形、椭圆形、柠檬形或藕节形等。比细菌的单细胞个体要大得多。酵母菌无鞭毛，不能游动。
酵母菌具有典型的真核细胞结构，有细胞壁、细胞膜、细胞核、细胞质、液泡、线粒体等，有的还具有微体。（2）酵母菌的菌落 大多数酵母菌的菌落特征与细菌相似，但比细菌菌落大而厚，菌落表面光滑、湿润、黏稠，容易挑起，菌落质地均匀，正反面和边缘、中央部位的颜色都很均一，菌落多为乳白色，少数为红色，个别为黑色。（3）酵母菌的繁殖 酵母菌有多种繁殖方式，有人把只进行无性繁殖的酵母菌称作“假酵母”，而把具有有性繁殖的酵母菌称作“真酵母”。
①酵母菌的无性繁殖
芽殖：酵母菌最常见的无性繁殖方式是芽殖（图2-8）。芽殖发生在细胞壁的预定点上，此点被称为芽痕，每个酵母细胞有一至多个芽痕。成熟的酵母细胞长出芽体，母细胞的细胞核分裂成两个子核，一个随母细胞的细胞质进入芽体内，当芽体接近母细胞大小时，自母细胞脱落成为新个体，如此继续出芽。如果酵母菌生长旺盛，在芽体尚未自母细胞脱落前，即可在芽体上又长出新的芽体，最后形成假菌丝状。图2-8 酵母菌
裂殖：是少数酵母菌进行的无性繁殖方式，类似于细菌的裂殖。其过程是细胞延长，核分裂为二，细胞中央出现隔膜，将细胞横分为两个具有单核的子细胞。
酵母菌的有性繁殖 酵母菌是以形成子囊和子囊孢子的方式进行无性繁殖的。两个临近的酵母细胞各自伸出一根管状的原生质突起，随即相互接触、融合，并形成一个通道，两个细胞核在此通道内结合，形成双倍体细胞核，然后进行减数分裂，形成4个或8个细胞核。每一子核与其周围的原生质形成孢子，即为子囊孢子，形成子囊孢子的细胞称为子囊。
②酵母的有性繁殖则是通过形成子囊和子囊孢子。酵母菌是以形成子囊和子囊孢子的方式进行有性繁殖的。两个临近的酵母细胞各自伸出一根管状的原生质突起，随即相互接触、融合，并形成一个通道，两个细胞核在此通道内结合，形成双倍体细胞核，然后进行减数分裂，形成4个或8个细胞核。每一子核与其周围的原生质形成孢子，即为子囊孢子，形成子囊孢子的细胞称为子囊。
5.病毒（1）形态结构 病毒的形态基本可归纳为三种：杆状、球状和这两种形态结合的复合型。没有细胞构造，病毒粒子的主要成分是核酸和蛋白质，在宿主细胞协助下，通过核酸的复制和核酸蛋白装配的形式进行增殖。病毒粒子通常形成螺旋对称、二十面体对称和复合对称。
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