2014年环保工程师考试知识点解析及训练

1.微生物的分类、命名和特点

（1）微生物的分类 微生物是指肉眼看不见或看不清楚的微小生物的统称，必须借助光学显微镜甚至电子显微镜才能观察到。微生物包括单个细胞或个体结构非常简单的多细胞，甚至包括无细胞结构的低等生物。

根据生物之间相同（或相异）的程度及亲缘关系的远近，可将生物划分为界、门、纲、目、科、属、种。有时种下还可以细分。种是分类的最小单位。而种内微生物之间的差别很小。

关于生物的分类，目前国际上还没有统一的认识，我国王大耜教授提出六界：病毒界、原核生物界、真核原生生物界、真菌界、动物界和植物界。据此，环境工程微生物学的研究对象在生物分类系统中分别属于病毒界、原核生物界、真核生物界、真菌界和动物界中的微型后生动物。图11-1归纳了环境工程微生物学所涉及的微生物类型。

图11-1 环境工程微生物学所涉及的微生物类型

（2）微生物的命名 微生物的命名采用双命名法，由林奈所创立。该命名方法规定微生物学名=属名+种名，属名和种名均使用斜体书写的拉丁词。属名在前，第一个字母大写，描述微生物的主要特征；种名在后，全部小写，描述微生物的次要特征。如大肠埃希氏菌（Escherichia coli）、枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）等。

（3）微生物的特点

1）体积微小，结构简单。在所有生物类群中，微生物的结构相对简单，其体积也非常微小，几纳米到几微米。

2）分布广泛，种类繁多。从土壤圈、水圈、大气圈直至岩石圈，到处都有微生物，在生物圈中几乎是“无孔不入”。

3）繁殖速度快，代谢强度高。微生物具有在适宜条件下的高速度繁殖的特性，尤其是细菌，其繁殖速度更是惊人。大多数微生物在几十分钟内可以繁殖一代。

4）易变异。微生物的个体一般都是单细胞、简单多细胞或非细胞的，加之具有繁殖快、数量多和与外界环境直接接触等特点，使它们容易发生变异。在环境工程领域，可以通过一定的驯化措施，在污水处理的曝气池中培养大量对难降解有机化合物有高效降解能力的微生物，以达到更为有效的污水处理效果。

2.病毒的特点、分类和繁殖过程

病毒是一类非细胞结构的、超显微的、没有代谢能力的绝对细胞内寄生生物。

（1）病毒的特点

1）个体极其微小。比细菌更小，可以通过细菌过滤器，直径在10～300nm，所以大小通常用纳米（nm）来衡量。一般用光学显微镜无法看到病毒，需在电子显微镜下观察。

2）结构简单。病毒没有细胞结构。其结构由核酸内芯和蛋白质外壳组成。值得注意的是，病毒仅含一种核酸，DNA或RNA。

3）高度寄生性。病毒的繁殖方式独特，由于缺乏独立代谢体系，它们只能在活细胞内利用宿主细胞的代谢系统，进行自身核酸的复制和所需蛋白质的合成。

（2）病毒的分类

1）根据宿主分类，可分为动物病毒、植物病毒、细菌病毒（又称噬菌体）、放线菌病毒（又称噬放线菌体）、藻类病毒（又称噬藻体）、真菌病毒（又称噬真菌体）。

2）根据核酸分类，可分为DNA病毒和RNA病毒。DNA病毒的核酸是单链或双链的DNA，RNA病毒的核酸是单链或双链的RNA。

（3）病毒的繁殖过程 一般可以分为吸附、侵入及脱壳、复制和合成、装配及释放五个阶段。图11-2所示为T₄噬菌体的增殖过程示意图。

1）吸附。吸附是指病毒与宿主细胞表面的特异受体发生的特异性结合。

2）侵入及脱壳。病毒将核酸注入宿主的细胞质中，蛋白质衣壳则留在细胞壁外，如图11-3所示。

图11-2 T₄噬菌体的增殖过程示意图

图11-3 T₄噬菌体的吸附、侵入及脱壳示意图

1—未吸附 2、3—尾部吸附 4—尾鞘收缩，注入DNA

3）复制和合成。病毒侵入宿主细胞后，宿主不能按自身遗传特性复制核酸和合成蛋白质，而是由病毒的遗传物质控制，利用宿主内的合成机构（如核糖体、酶等）复制病毒核酸，而后合成病毒蛋白质。

4）装配。病毒核酸和蛋白质整合到一起，才能成为一个完整的新病毒。

5）释放。当病毒成熟后，在病毒的水解酶作用下宿主细胞的细胞壁裂解，噬菌体被释放出来。

噬菌体有烈性噬菌体和温和噬菌体之分。侵入宿主细胞后，随即引起宿主细胞裂解的噬菌体，称为烈性噬菌体。噬菌体在侵入细胞后，并不会导致细菌裂解，它们甚至长期不增殖，而是将核酸整合到宿主染色体上，随宿主细胞的DNA同步复制，这样的噬菌体称为温和噬菌体。含有温和噬菌体的宿主细胞称为溶源细胞。

3.病毒的去除

（1）影响病毒存活的因素 自然界中各种物理、化学以及生物因素，如温度、光线、水质、酸碱度、水中的生物等，均可影响水中病毒的存活。在自然条件下，影响水中病毒存活的主要物理因素是温度、光线和干燥。

（2）病毒的去除与破坏 去除和破坏水中的病毒，可采用物理、化学或生物的方法。

在物理方法中，主要采用加温以及光线照射来破坏水中的病毒，其中加温处理效果较好。沉淀、絮凝、吸附、过滤等虽能够去除水中的病毒，但不能破坏和杀死病毒。

化学处理法中，高pH值、化学消毒剂及染料可以破坏和灭活水中的病毒，其中以加石灰、漂白粉或碘的方法较为常用。

生物因素对病毒的破坏是由于生物直接吞食病毒产生生物热，分泌抑制病毒存活的物质或影响pH值而导致病毒失活。

4.细菌的形态、细胞结构、生理功能和生长繁殖

（1）细菌的形态 环境工程中所见细菌有四种形态：球状、杆状、螺旋状和丝状，相应形态的细菌分别叫球菌、杆菌、螺旋菌和丝状菌（图11-4）。其中，球菌、杆菌、螺旋菌最为常见。细菌的形态是细菌鉴别和分类的依据之一。

图11-4 细菌的各种形态

a）球菌 b）杆菌 c）、 d）螺旋菌 e）丝状菌

1）球菌。细菌呈球形或椭球形，如图11-4a所示。根据排列方式不同，分为单球菌、双球菌、四联球菌和八叠球菌等。

2）杆菌。细菌呈杆形或圆柱形，如图11-4b所示。根据排列方式不同，分为单杆菌、双杆菌和链杆菌等。

3）螺旋菌。细菌呈弯曲的杆状，如图11-4c、d所示。螺纹不满一圈的称为弧菌，如脱硫弧菌、霍乱弧菌。

4）丝状菌。菌体呈长丝状，如图11-4e所示。丝状体是丝状菌分类的特征。

（2）细菌的大小 微米（μm）是测量细菌大小的常用单位。细菌的大小随种类不同差别很大。在个体发育过程中也有变化。刚分裂的新细菌小，随发育逐渐变大，老龄细菌又变小。

细菌菌体是无色透明的，所以通常要对细菌进行染色后，再进行显微镜观察。细菌染色所用的染料主要采用人工染料，一般可分为碱性、中性和酸性三大类。由于细菌的等电点较低，pH值在2～5之间，细胞体带负电荷，易与阳离子染料相结合，因此，常用碱性染料染色。

（3）细菌的细胞结构 细胞壁、细胞膜、细胞质及其内含物、核区（质）是所有的细菌共有的基本结构。部分细菌有芽孢、鞭毛、荚膜、菌毛等特殊结构，如图11-5所示。

图11-5 细菌细胞结构模式图

1）细胞壁。细胞壁是位于原生质体外面坚韧而有弹性的一层外被。

①细胞壁的化学组成及结构。

a.革兰氏染色法，它是鉴别细菌的重要方法，由丹麦细菌学家革兰氏（ChristianGram）发明。主要步骤是：先用结晶紫初染，再加碘液媒染，然后用酒精脱色，最后以复染液（沙黄或蕃红）复染。用这种方法染色的细菌，通过镜检可以将它们分为两大类：凡是能够固定结晶紫与碘的复合物而不被酒精脱色者，复染后仍呈紫色，称为革兰氏阳性（G+）菌；凡是能够被酒精脱色，经复染着色后菌体呈红色，称为革兰氏阴性（G-）菌。

b.细胞壁的化学组成和结构。革兰氏染色法染色结果的不同，主要是细菌细胞壁的成分和结构不同造成的。如图11-6所示，G+菌的细胞壁较厚，由一层构成，主要是厚20～80nm的肽聚糖（含量高达40%～90%），并含少量脂类。G-菌的细胞壁较薄，约10nm，分内外两层，内层是肽聚糖层，很薄，肽聚糖含量低（仅为5%～10%），外层是脂多糖层，含量高（可达40%）。

c.革兰氏染色法的原理。细菌细胞经过初染和媒染，被染上不溶于水的结晶紫-碘复合物。然后进行酒精脱色：由于G+菌细胞壁肽聚糖含量高，且分子交联紧密，酒精洗脱时肽聚糖网孔脱水收缩。另外，G+菌基本不含脂，酒精处理不会在细胞壁上溶出空洞或缝隙。所以，结晶紫-碘复合物仍牢牢地阻留在细胞壁内，细胞仍呈蓝紫色。而G-菌细胞壁内层肽聚糖含量低，且分子交联松散，酒精脱水后，不容易脱水收缩。另外，G-菌外层脂类含量高，酒精处理后，细胞壁上会溶出大的空洞或缝隙。所以，结晶紫-碘复合物极易被酒精溶出细胞。脱色后，G-菌细胞无色。复染后，呈红色。

图11-6 细菌细胞壁的结构示意图

a）革兰氏阳性菌的细胞壁 b）革兰氏阴性菌的细胞壁

②细胞壁的生理功能。保持细胞具有一定的外观形状，故细菌失去细胞壁之后均呈球状；细胞壁具有一定的韧性和弹性，这样可以保护细胞免遭外界损伤，避免渗透压对细胞产生破坏作用；作为鞭毛的支点，实现鞭毛的运动，如果用溶菌酶水解细胞壁，则细菌无法运动；为细胞生长、分裂所必需；细胞壁是多孔结构的分子筛，阻挡某些分子进入和保留蛋白质在间质；与细菌的抗原性、致病性、对噬菌体的敏感性等有关。

2）原生质体。原生质体包括细胞膜、细胞质、内含物和核质。

①细胞膜。细胞膜又称细胞质膜，是外侧紧贴于细胞壁而内侧包围细胞质的一层柔软而富有弹性的半透性薄膜。其化学组成主要是蛋白质、脂类和少量糖类。

细胞膜结构，目前比较公认的是“流动镶嵌模型”，如图11-7所示。其要点是：磷脂双分子层构成膜的基本骨架；膜蛋白以不同方式分布在膜的两侧或磷脂层中；磷脂分子在膜中不停运动，故膜具有流动性。

细菌细胞膜具有很强大的生理功能，主要表现在：细胞膜为半透膜，可以有选择性地控制细胞内外物质（营养物质及代谢产物等）的转运和交换；维持细胞内外正常的渗透压；是细胞壁和荚膜的合成场所（因为膜上有合成这些物质的酶）；进行氧化磷酸化和光合磷酸化的产能基地；许多代谢酶和运输酶及电子呼吸链组分的所在地；鞭毛的着生点和生长点。

②细胞质。细胞质是细胞膜内除核质外所有物质的统称，为无色透明、黏稠的胶状物，主要成分是水、蛋白质、核酸、脂类、少量的糖类和无机盐类。

细胞质中含有各种酶系统，使细菌细胞与其周围环境不断地进行新陈代谢。

图11-7 细胞膜结构模式图

③内含物。内含物颗粒是细菌新陈代谢的产物，或是储备的营养。往往某些物质过剩时储存，当营养缺乏时又被分解利用。除了内含物颗粒，内含物还包括核糖体。

a.异染颗粒：主要成分是多聚偏磷酸盐。因为它被蓝色染料染色后不呈蓝色而呈紫红色而得名。一般认为它是磷源和能源性储藏物。污水生物除磷工艺中的聚磷菌在好氧条件下，利用有机物分解产生的能量，可以过度吸收溶液中的磷酸盐并转化成异染颗粒储存起来。

b.聚β-羟基丁酸（简写为PHB）颗粒：为β-羟基丁酸的直链多聚物，易被亲脂染料苏丹黑染色，在光学显微镜下可观察到，PHB是一种碳源和能源性储藏物。

c.肝糖粒和淀粉粒：为碳源和能源储存物。

d.硫粒：是硫元素的储藏物质和能源。很多硫磺细菌都可以在细胞内储存硫粒，如贝氏硫菌属、发硫菌属等。当它们生活在含H₂S的环境时，氧化H₂S为硫元素积累在菌体内。当环境中缺乏H2S时，氧化体内的硫粒变为SO42-，从而获得能量。

e.核糖体：是合成蛋白质的部位，由RNA和蛋白质组成。

④核质。核质又称拟核、核区，位于细胞质内，它没有核膜包被、无核仁，没有固定形态，结构也很简单原始。核区内为一条环状双链DNA构成的染色体，携带与遗传变异密切相关的信息。

要注意区分核质DNA与质粒。质粒是指独立于染色体外，存在于细胞质中，能自我复制，由共价闭合环状双螺旋DNA分子所构成的遗传因子。按照功能不同，可将质粒分为抗药性质粒（R因子）、致育因子（F因子）、降解质粒以及对某些重金属离子（如Hg²⁺、Co²⁺、Ag⁺、Cd²⁺）具有抗性的质粒。质粒对细菌来讲，存在与否不影响其生存。质粒只有某些细菌有，可赋予细菌特殊功能。(www.xing528.com)

3）细菌细胞的特殊结构

①荚膜。某些细菌分泌一层黏性多糖物质包围在细胞壁外，这层黏液物质称为荚膜。荚膜厚薄不一，主要化学组成是多糖类，少数种类细菌荚膜还有多肽、蛋白质等。荚膜是细胞外储藏物，当营养缺乏时可作为碳（或氮）源和能源被利用。具有荚膜的细菌菌落通常光滑、透明，表面湿润，称为光滑型菌落（简称S型）；而无荚膜细菌形成的菌落，表面干燥、粗糙，称为粗糙型菌落（R型）。

许多细菌的荚膜物质融合成团块，内含许多细菌，称为菌胶团。菌胶团形状多样，有球形、椭圆形等。

菌胶团是污水处理中细菌的主要存在形式，具有以下功能：a.可以防止细菌被原生动物、后生动物吞噬。因为原生动物、后生动物的捕食对象主要是游离细菌。b.增加细菌对不良环境的抵抗，如饥饿、干燥、重金属等。c.指示作用：新生的菌胶团颜色较浅，甚至无色透明，有旺盛的生命力，氧化能力强；老化的菌胶团，因为吸附许多杂质，颜色深，氧化能力差；当遇到不良环境时，菌胶团松散，污泥发生膨胀。因此，只有结构紧密，吸附、氧化和沉降性能好的菌胶团才能保证废水处理有良好的效果。

②芽孢。某些细菌细胞发育到某一生长阶段或遇到不良环境时，在细胞内形成一个圆形或椭圆形的，对不良环境具有较强抗性的休眠体，称为芽孢。能形成芽孢的细菌称为芽孢细菌。芽孢的位置可能在菌体的中央，也可能在菌体的一端，如图11-8所示。芽孢的大小、形状和位置，因细菌的种类不同而异，是细菌鉴定的重要依据之一。

芽孢是休眠体，一旦环境条件适宜就会形成新的营养细胞。

芽孢的特点：壁厚而致密；含水分少；不易透水；含耐热性物质。芽孢中的2、6-吡啶二羧酸（简称DPA）含量高，以钙盐的形式存在，使芽孢具有耐热性；芽孢中还含有耐热酶。如普通细菌在70～80℃的水中煮10min就会死亡，而芽孢在120～140℃下仍能存活。

上述特点使芽孢具有很强的抵抗不良环境的能力，如高温、低温、干燥、光线、化学物质等环境。

图11-8 芽孢的位置和构造模式图

a）芽孢的位置图 b）芽孢的构造图

③鞭毛。由细胞膜上长出的，穿过细胞壁伸出菌体外的丝状物，称为鞭毛。鞭毛的功能是运动。

鞭毛的着生位置、数目和排列方式是细菌分类鉴定的依据之一。一般情况下，大部分杆菌和所有的螺旋菌都具有鞭毛。

具有鞭毛的细菌可以分为如图11-9所示的几种类型。

图11-9 鞭毛位置和数目不同的细菌

a）偏端单生鞭毛 b）两端单生鞭毛 c）偏端从生鞭毛 d）两端从生鞭毛 e）周生鞭毛

（4）细菌的繁殖方式 细菌最主要繁殖方式是裂殖，其中二分裂最为常见。二分裂是由一个母细胞分裂为两个子细胞。

（5）细菌的培养特征

1）固体培养基上的培养特征。将单个细菌接种在固体培养基中，该细菌会在局部大量繁殖，形成肉眼可见的细菌集合体，称为菌落。

菌落可以作为细菌的分类依据之一。菌落特征包括大小、形状、隆起形状、边缘情况、表面状态、表面光泽、质地、颜色、透明程度等。

如果将细菌接种在琼脂试管斜面培养基上，在接种线上长出一片密集的细菌群落，称为菌苔。不同细菌的菌苔不同，如图11-10所示。

利用穿刺法在半固体培养基接种细菌，不仅可观察细菌群体的培养特征，还可借此判断该菌是否具有运动性，如图11-11所示。

图11-10 斜面培养基上的菌苔特征

图11-11 细菌在琼脂穿刺培养中的生长

2）液体培养基中的培养特征。在液体培养基中，细菌的流动性大，有的形成均匀一致的混浊液，有的形成沉淀，有的形成菌膜或菌醭漂浮在液体表面。

5.原生动物的分类、结构和生理功能

原生动物最简单的定义是单细胞动物，由于其个体微小，需要在光学显微镜下才能观察到，所以微生物学中将其归入微生物。

（1）结构和生理功能

1）原生动物的细胞在机能上与高等动物体相当，可以进行摄食、营养、感觉、运动等。所有生理功能都在一个细胞内实现，所以细胞特化出执行不同机能的胞器。常见的胞器有行动胞器、消化与营养胞器、排泄胞器及感觉胞器等。不同种类的原生动物具有不同的运动胞器，为伪足、鞭毛、纤毛中的一种。

2）营养方式

①全动物性营养：以吞食其他个体或比自身小的微生物（如细菌、真菌等）或有机颗粒等为生。绝大多数原生动物及后生动物为该营养方式。

②植物性营养：含色素，在有阳光的条件下能够进行光合作用。仅植物性鞭毛虫在水中有机物缺乏时，采用该方式。

③腐生性营养：以死的机体或无生命的可溶性有机物质为生，某些原生动物采取该方式。

（2）原生动物的分类 根据运动胞器不同，原生动物主要分为鞭毛纲、肉足纲、纤毛纲。

1）鞭毛纲。此类原生动物因为具有一根或一根以上的鞭毛作为运动胞器，统称为鞭毛虫。鞭毛虫分为植物性鞭毛虫和动物性鞭毛虫。

①植物性鞭毛虫。多数有绿的色素体，是仅有的进行植物性营养的原生动物。最普通的植物性鞭毛虫是绿眼虫，如图11-12所示，其在生活废水中较多。

②动物性鞭毛虫。动物性鞭毛虫体内无绿色的色素体，进行动物性营养，有些还兼有动物式腐生性营养。在自然界中，动物性鞭毛虫生活在腐化有机物较多的水体内。在废水处理厂曝气池活性污泥培养初期出现或在水处理效果差时大量出现。常见的有梨波豆虫和跳侧滴虫等，如图11-13所示。

2）肉足纲。肉足纲原生动物以伪足作为运动胞器。绝大部分肉足类都是动物性营养。完全靠伪足摄食，以细胞、藻类、有机颗粒和比它本身小的原生动物为食物，竞争能力较弱。常见的肉足类原生动物如图11-14所示，通常在污水处理的活性污泥培养的中期出现。

图11-12 绿眼虫

图11-13 动物性鞭毛虫

1—梨波豆虫 2—跳侧滴虫 3—活泼锥滴虫

3）纤毛纲。纤毛纲原生动物的运动胞器是纤毛，特点是周身表面或部分表面具有纤毛。纤毛虫喜欢吃细菌及有机颗粒，竞争能力也较强，所以与废水生物处理的关系较密切。纤毛类可分为游泳型和固着型两种。前者能自由游动，后者则固着在其他物体上生活。

常见的游泳型纤毛虫如图11-15所示。

图11-14 常见的肉足类原生动物

1—变形虫 2—辐射变形虫 3—太阳虫

图11-15 游泳型纤毛虫

1—肾形虫 2—豆形虫 3—漫游虫 4—值纤虫

常见的固着型纤毛虫主要是钟虫类，如图11-16所示。钟虫经常出现于活性污泥和生物膜中，可作为处理效果较好的指示生物。

（3）原生动物的形态 正常环境条件下，原生动物保持各自形态。当环境条件变坏，如溶解氧不足、缺乏营养、pH过高或过低等，原生动物能分泌出一层胶质膜包围身体，形成胞囊，进入休眠状态。一旦出现胞囊，就可断定水处理不正常。胞囊遇到适宜环境又会恢复虫体原形。

（4）原生动物的繁殖 原生动物的繁殖可分为有性繁殖和无性繁殖两种方式。无性繁殖是主要的繁殖方式，在适宜的环境条件下，以简单的二分裂法繁殖。

6.后生动物

后生动物为多细胞动物，由于个体微小，所以列入微生物范畴。它包括轮虫、甲壳类动物、昆虫及幼虫等，在天然水体、潮湿土壤和污水生物处理构筑物中都存在。

（1）轮虫 轮虫形体微小，需在显微镜下观察。有一个由1～2圈纤毛组成的能转动的轮盘，形如车轮，故称为轮虫，如图11-17所示。

图11-16 各种钟虫

图11-17 轮虫

1—转轮虫 2—旋轮虫

大多数轮虫以细菌、霉菌、原生动物及有机颗粒等为食。轮虫在自然环境中分布很广。生存需要较高的溶解氧，是水体寡污带和污水生物处理效果好的指示生物。

（2）线虫 线虫为长形，在显微镜下清晰可见，如图11-18所示。线虫有好氧和兼性厌氧两种，兼性厌氧者在缺氧时大量繁殖。线虫是污水净化程度差的指示生物。

（3）寡毛类动物 飘体虫、颤蚓及水丝蚓属于寡毛纲，图11-19所示为红斑瓢体虫。它们身体细长分节，每节两侧长有刚毛，靠刚毛爬行。颤蚓和水丝蚓为河流、湖泊底泥污染的指示生物。

（4）浮游甲壳动物 常见的有剑水蚤和水蚤，如图11-20所示。它们都是水生，营浮游生活。

图11-18 线虫

图11-19 红斑瓢体虫

图11-20 浮游甲壳动物

1—水蚤 2—剑水蚤

水蚤是水体污染和水体自净的指示生物。水蚤的血液含血红素，含量常随环境中溶解氧量的高低而变化。水体中含氧量低时，水蚤的血红素含量高；水体中含氧量高，水蚤的血红素含量低。由于在污染水体中溶解氧含量低，清水中氧的含量高，所以，在污染水体中的水蚤颜色比在清水中的红些。利用水蚤的这个特点，可以判断水体的清洁程度。