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前言15

致谢17

作者19

撰稿作者21

Raina M.Maier，Ian L.Pepper and Charles P.Gerba21

基础篇3

第一部分 微生物的基本概念3

第1章 环境微生物学绪论3

1.1 引言3

1.2 历史回顾3

1.3 现代环境微生物学6

1.4 本书的用途和结构7

Timberley M.Roane，Kelly A.Reynolds，Raina M.Maier and Ian L.Pepper7

第2章 微生物类群10

2.1 生物分类10

2.2 真细菌10

2.2.1 细胞膜11

2.2.2 细胞质14

2.2.3 多糖包被16

2.2.4 细胞的附加物16

2.2.5 内生孢子16

2.2.6 信息传递17

2.2.7 新陈代谢18

2.3 古细菌20

2.3.1 古细菌的生境21

2.3.2 古细菌的功能21

2.4 真菌22

2.4.1 真菌结构22

2.4.2 真菌的多样性23

2.4.3 生态学重要性24

2.5 黏液菌类25

2.6 原生动物25

2.6.1 原生动物的结构和功能25

2.6.2 生理学和生态学上的重要性26

2.7 藻类26

2.7.1 藻类细胞的结构27

2.7.2 生理学和生态学上的重要性27

2.8 病毒28

2.8.1 病毒的传染特性29

2.8.2 原核病毒30

2.8.3 真核病毒32

2.9 其他生物实体33

2.9.1 类病毒33

2.9.2 朊病毒33

参考文献34

第3章 细菌的生长38

Raina M.Maier38

3.1 细菌在烧瓶纯培养条件下的生长38

3.1.1 延迟期38

3.1.2 指数期39

3.1.3 稳定期40

3.1.4 衰亡期41

3.1.5 底物浓度对生长的影响42

3.2 连续培养44

3.3 在环境中的生长46

3.3.1 延迟期47

3.3.2 指数期47

3.3.3 稳定期和衰亡期47

3.4 生长质量平衡49

3.4.1 好氧条件50

3.4.2 厌氧条件52

思考题53

参考文献与扩展阅读54

第二部分 微生物的生长环境57

第4章 陆地环境57

Raina M.Maier and Ian L.Pepper57

4.1 陆地表层生存环境57

4.2 陆地环境的物理化学特征58

4.2.1 陆地环境58

4.2.2 固相59

4.2.3 液相67

4.2.4 土壤环境69

4.3 微生物生存的土壤环境70

4.3.1 生物胁迫70

4.3.2 非生物胁迫70

4.4 表层土壤中的微生物71

4.4.1 细菌71

4.4.2 放线菌71

4.4.3 真菌73

4.4.4 藻类74

4.4.5 原生动物74

4.5 微生物在土壤中的分布75

4.6 地下环境中的微生物76

4.6.1 浅层地下环境的微生物77

4.6.2 深层地下环境的微生物77

思考题81

参考文献与扩展阅读81

第5章 大气微生物学83

Ian L.Pepper and Scot E.Dowd83

5.1 引言83

5.2 重要的气传病原体83

5.3 重要的气传毒素84

5.4 气溶胶85

5.5 生物气溶胶的性质87

5.6 大气微生物学途径87

5.6.1 发射88

5.6.2 输送88

5.6.3 沉降89

5.7 微生物在空气中的生存条件91

5.7.1 相对湿度91

5.7.2 温度92

5.7.3 辐射92

5.7.4 氧气、开放空气因子和离子浓度92

5.8 室外大气微生物92

5.8.1 农业92

5.8.2 废物处理94

5.9 室内大气微生物95

5.9.1 建筑物95

5.9.2 公众健康96

5.9.3 医院和实验室96

5.10 生物气溶胶的控制97

5.10.1 通风97

5.10.2 过滤97

5.10.3 生物杀虫剂的控制97

5.10.4 隔离98

5.11 实验室的生物研究安全性98

5.11.1 生物安全性操作柜98

5.11.2 生化安全实验室100

思考题101

参考文献与扩展阅读101

Todd R.Sandrin，Scot E.Dowd，David C.Herman and Raina M.Maier101

第6章 水环境103

6.1 引言103

6.2 水生环境中的微生物生境103

6.2.1 浮游生物环境103

6.2.2 深海底微生物生境105

6.2.3 微生物垫107

6.2.4 生物膜107

6.3 水生环境110

6.3.1 淡水环境110

6.3.2 淡水海水混合物环境115

6.3.3 海水环境115

6.3.4 地下水环境117

6.4 新闻报道中的水生微生物117

6.4.1 鸟枪法测序揭示Sargasso海的秘密117

6.4.2 水生微生物：未来的食物119

思考题120

参考文献与扩展阅读120

第7章 极端环境124

Raina M.Maier124

7.1 低温环境124

7.1.1 南极洲的麦克默多干谷124

7.2 高温环境126

7.2.1 地热温泉126

7.3 干燥和紫外光照射环境128

7.3.1 智利的阿塔卡马沙漠128

7.4 化学自养环境130

7.4.1 深海热液喷口130

7.5 酸化环境132

7.5.1 酸性矿井水132

思考题133

参考文献134

Ian L.Pepper，Charles P.Gerba and Raina M.Maier134

第三部分 检测、计数和鉴定137

第8章 样品的采集与处理137

8.1 土壤和沉积物137

8.1.1 表层土壤的采样策略及方法138

8.1.2 深层取样策略及方法139

8.1.3 样品的处理和保藏141

8.2 水144

8.2.1 水中取样策略及方法144

8.2.2 用于分析病毒的水样处理145

8.2.3 用于检测细菌的水样处理147

8.2.4 获得寄生性原生动物的水样处理148

8.3 空气149

8.3.1 收集空气样品的取样装置149

8.4 带菌杂物中微生物的检测153

思考题154

参考文献与扩展阅读154

Timberley M.Roane，Ian L.Pepper and Raina M.Maier154

第9章 显微技术157

9.1 显微镜的历史157

9.2 显微技术原理157

9.3 基本显微镜技术159

9.3.1 光学显微镜的类别159

9.3.2 显微观察的样品制备162

9.4 荧光显微镜检技术163

9.4.1 直接计数164

9.4.2 免疫荧光标记技术165

9.4.3 荧光原位杂交技术165

9.4.4 共焦激光扫描镜检技术167

9.4.5 流式细胞技术167

9.5 电子显微镜检技术167

9.5.1 扫描电子显微镜检技术167

9.5.2 透射电子显微镜检技术169

9.5.3 元素分析170

9.6 扫描探针显微镜检技术171

9.6.1 原子力显微镜检技术171

9.7 成像171

思考题171

参考文献172

第10章 培养方法173

Ian L.Pepper and Charles P.Gerba173

10.1 用于计数和分离的细菌培养方法173

10.1.1 计数与分离技术173

10.1.2 平板培养方法174

10.1.3 最大可能计数技术175

10.2 细菌培养基176

10.2.1 培养细菌的一般培养基176

10.2.2 增强土壤细菌培养的新方法183

10.3 真菌的培养方法184

10.4 藻类和蓝藻细菌的培养方法185

10.5 基于细胞培养的病毒检测186

思考题188

参考文献与扩展阅读188

Todd R.Sandrin，David C.Herman and Raina M.Maier188

第11章 生理学方法191

11.1 引言191

11.2 纯培养条件下微生物活性测定192

11.2.1 基质的消耗192

11.2.2 最终电子受体195

11.2.3 细胞量196

11.2.4 CO2的释放量197

11.3 选择适合于检测环境中微生物活性的方法198

11.4 碳呼吸代谢198

11.4.1 实验室研究及环境中呼吸作用气体——CO2与O2的测定199

11.4.2 呼吸测定法在环境微生物学中的应用202

11.4.3 确定异养潜能的示踪研究207

11.4.4 作为微生物活动指示剂的厌氧呼吸209

11.5 细胞大分子中放射性标记示踪物的掺入209

11.5.1 胸腺嘧啶脱氧核苷掺入DNA210

11.5.2 亮氨酸掺入蛋白质210

11.6 腺苷酸能荷211

11.7 酶试验212

11.7.1 脱氢酶试验212

11.8 稳定同位素探测技术215

11.9 基于功能基因组学和蛋白质组学的技术215

11.9.1 功能基因组学215

11.9.2 蛋白质组学217

思考题219

参考文献与扩展阅读221

Scot E.Dowd，Marilyn J.Halonen and Raina M.Maier221

第12章 免疫学方法225

12.1 引言225

12.2 什么是抗体？226

12.2.1 抗体的多样性227

12.2.2 抗体的特异性227

12.2.3 抗体的亲和性227

12.2.4 多克隆抗体和单克隆抗体228

12.2.5 抗球蛋白228

12.3 免疫分析法230

12.3.1 荧光免疫标记法232

12.3.2 酶联免疫吸附分析法233

12.3.3 竞争性酶联免疫吸附法234

12.3.4 免疫磁性分离分析法235

12.3.5 Western免疫印迹分析法236

12.3.6 免疫亲和层析分析法237

12.3.7 免疫细胞化学分析法238

12.3.8 免疫沉淀分析法239

思考题240

参考文献与扩展阅读241

Deborah T.Newby，Elizabeth M.Marlowe and Raina M.Maier241

第13章 建立在核酸基础上的分析方法243

13.1 核酸的结构243

13.2 从环境中获得微生物核酸245

13.2.1 从环境样品中提取DNA245

13.3 基因探针和探查246

13.3.1 菌落杂交与提升248

13.3.2 Southern杂交与Northern杂交248

13.3.3 荧光原位杂交251

13.3.4 微阵列251

13.3.5 亲缘阵列254

13.4 聚合酶链式反应254

13.4.1 PCR操作步骤254

13.4.2 引物的设计258

13.4.3 特异基因和通用基因的PCR检测258

13.4.4 反转录PCR（RT-PCR）259

13.4.5 ICC-PCR260

13.4.6 半套式、嵌套式和多重PCR261

13.4.7 PCR指纹图谱263

13.4.8 荧光定量PCR263

13.4.9 PCR技术的优缺点266

13.5 DNA的重组技术266

13.5.1 克隆266

13.5.2 环境基因组研究268

13.5.3 测序分析270

13.5.4 比较基因组学270

13.6 限制性片段长度多态性分析（RFLP）271

13.6.1 理论与概念271

13.6.2 整个基因组的RFLP分析271

13.6.3 PCR序列的RFLP分析272

13.6.4 荧光片段长度多态性分析技术272

13.6.5 脉冲电场凝胶电泳274

13.6.6 RFLP和PFGE的优缺点275

13.7 变性和温度梯度凝胶电泳（DGGE和TGGE）275

13.7.1 理论与概念275

13.7.2 DGGE和TGGE的优缺点276

13.8 质粒分析277

13.8.1 理论与概念277

13.8.2 质粒分析的优缺点277

13.9 报告基因277

13.9.1 理论与概念277

13.9.2 特殊报告基因系统278

13.9.3 报告基因的优缺点280

思考题281

参考文献与扩展阅读281

第四部分 微生物的信息传递，活动，以及与环境和营养循环的相互作用第14章 生物地球化学循环Raina M.Maier281

拓展篇287

14.1 引言287

14.1.1 生物地球化学循环287

14.1.2 盖亚假说287

14.2 碳循环289

14.2.1 碳库289

14.2.2 碳的固定与能量流动290

14.2.3 碳的呼吸290

14.3 氮素循环299

14.3.1 氮库300

14.3.2 固氮作用300

14.3.3 铵同化（固定）和氨化（矿化）302

14.3.4 硝化作用305

14.3.5 硝酸盐还原306

14.4 硫素循环309

14.4.1 硫库310

14.4.2 同化硫酸盐还原和硫素矿化311

14.4.3 硫素氧化311

14.4.4 硫素还原313

14.5 离子循环314

14.5.1 离子库314

14.5.2 土壤和沉积物中的离子314

14.5.3 海洋环境中的离子315

14.5.4 离子的氧化316

14.5.5 离子的还原317

思考题317

参考文献与扩展阅读318

第15章 户外生物地球化学循环的结果319

David C.Herman and Raina M.Maier319

15.1 引言319

15.2 微生物参与的腐蚀作用320

15.2.1 金属腐蚀320

15.2.2 微生物诱导的混凝土腐蚀322

15.3 酸性矿物排水和金属的回收323

15.3.1 酸性矿物排水323

15.3.2 金属回收325

15.3.3 煤炭脱硫326

15.4 金属/非金属的生物甲基化326

15.5 氮氧化合物与地球大气环境327

15.6 地下水的硝酸盐污染329

15.7 堆肥330

思考题332

参考文献与扩展阅读332

第16章 微生物的信息传递：细菌—细菌，细菌—宿主Leland S.Pierson Ⅲ，Raina M.Maier and Ian L.Pepper332

16.1 引言335

16.2 革兰氏阴性菌通过群体感应传递信息336

16.2.1 N-酰基高丝氨酸内酯（AHLs）336

16.2.2 根癌土壤杆菌，一种普遍存在的植物病原体的群体感应337

16.2.3 群体感应和交叉干扰339

16.3 革兰氏阳性菌间的信号转导340

16.3.1 γ-丁酸内酯341

16.3.2 信号肽转导341

16.4 其他类型的信号转导342

16.4.1 自诱导因子-2/-3342

16.4.2 群落信息窃听者342

16.4.3 细菌信息交流的干涉343

16.4.4 跨界群从的信息交流344

16.4.5 宿主和细菌间的信息交流345

16.5 总结及核心概念345

思考题345

参考文献与扩展阅读345

第17章 自然生态系统中的细菌群落347

Raina M.Maier and Ian L.Pepper347

17.1 细菌的群落347

17.2 自然系统中细菌的多样性348

17.2.1 什么是物种？348

17.2.2 土壤中细菌的多样性348

17.2.3 海洋环境中细菌的多样性349

17.3 细菌群落的功能多样性和恶劣环境的耐受能力350

17.3.1 土壤细菌群落350

17.3.2 土壤-植物-微生物间的相互作用351

17.4 微生物多样性和自然产物353

思考题355

参考文献与扩展阅读355

第18章 全球环境变化与微生物导致的传染病Ian L.Pepper and Charles P.Gerba355

18.1 环境中的人类病原微生物357

18.1.1 土壤来源的土著病原菌359

18.1.2 水基和空气传播的人类病原微生物360

18.2 暴露途径360

18.2.1 我们呼吸的是什么？360

18.2.2 我们吃的是什么？360

18.2.3 我们喝的是什么？361

18.3 环境变化和致病微生物362

18.3.1 全球气候的变化和病原微生物362

18.3.2 城市化和森林的滥伐363

思考题363

参考文献与扩展阅读363

Deborah T.Newby,Ian L.Pepper and Raina M.Maier363

第19章 微生物的传播365

19.1 微生物传播的影响因素365

19.1.1 微生物的过滤366

19.1.2 生理状态366

19.1.3 微生物的黏附-细胞表面性质的影响367

19.1.4 pH对微生物传播的影响371

19.1.5 离子强度对微生物传播的影响371

19.1.6 细胞附属物372

19.1.7 水文地质因素373

19.1.8 被引入微生物的持久性和活性375

19.2 DNA传播的影响因素375

19.3 新方法促进微生物的传播376

19.3.1 超微细菌376

19.3.2 表面活性剂376

19.3.3 基因传递377

19.4 微生物传播研究377

19.4.1 柱反应器研究377

19.4.2 现场研究378

19.4.3 示踪剂379

19.5 微生物传播的模型380

19.5.1 对流扩散模型380

19.5.2 过滤模型381

思考题381

参考文献与扩展阅读382

第五部分 有机污染物与金属污染物的治理387

第20章 微生物与有机污染物387

Raina M.Maier387

20.1 引言387

20.2 环境法律388

20.3 生物降解的全过程390

20.4 污染物结构、毒性和生物可降解性之间的关系393

20.4.1 遗传潜能393

20.4.2 毒性394

20.4.3 生物可利用性394

20.4.4 污染物结构396

20.5 影响生物降解的环境因素397

20.5.1 氧化还原条件397

20.5.2 有机物质含量398

20.5.3 氮398

20.5.4 其他环境因素398

20.6 有机污染物的生物降解399

20.6.1 污染物的来源及类型399

20.6.2 烷烃402

20.7 生物修复414

20.7.1 氧气及其他气体的加入416

20.7.2 营养物质的添加417

20.7.3 依次厌氧—好氧降解418

20.7.4 表面活性剂的添加418

20.7.5 微生物或DNA的加入418

思考题419

参考文献与扩展阅读419

Timberley M.Roane，Christopher Rensing，Ian L.Pepper and Raina M.Maier419

第21章 微生物与金属污染物421

21.1 环境中的金属物质421

21.2 引起关注的原因422

21.3 金属元素的定义422

21.3.1 必需的金属元素423

21.3.2 有毒的金属元素423

21.3.3 无毒的金属元素和非必需的金属元素423

21.4 金属的来源424

21.4.1 人体来源424

21.4.2 自然界来源424

21.5 金属溶解性，生物可利用性以及分类425

21.5.1 金属化学426

21.5.2 阳离子交换能力427

21.5.3 氧化还原势427

21.5.4 pH值427

21.6 金属对微生物细胞的毒害作用427

21.7 微生物抗金属性和解毒作用的机理429

21.7.1 抗金属性的一般机理430

21.7.2 依赖金属的抵抗机制430

21.8 金属-微生物相互作用的研究方法432

21.8.1 培养基432

21.8.2 金属总量/可溶性/生物可降解性的测定433

21.9 重金属的微生物生物转化434

21.9.1 氧化还原434

21.9.2 甲基化作用435

21.10 重金属污染的物理化学修复435

21.11 土壤和沉积物中重金属污染的微生物修复方法437

21.12 水生系统中重金属污染的微生物修复方法438

思考题439

参考文献与扩展阅读440

第六部分 水源性和食源性病原菌445

第22章 环境传播的病原菌445

Charles P.Gerba445

22.1 环境传播的病原菌445

22.2 细菌447

22.2.1 沙门氏菌447

22.2.2 大肠杆菌和志贺氏菌属448

22.2.3 结肠弯曲菌449

22.2.4 耶尔森氏菌属450

22.2.5 弧菌451

22.2.6 幽门螺杆菌452

22.2.7 军团菌453

22.2.8 条件性病原微生物454

22.2.9 蓝绿藻455

22.3 寄生虫学457

22.3.1 原生生物458

22.3.2 线虫465

22.3.3 绦虫（牛带绦虫）467

22.3.4 吸虫（曼森氏血吸虫）467

22.4 病毒469

22.4.1 肠道病毒469

22.4.2 呼吸道病毒475

22.5 在环境中病原体的传播和命运479

思考题480

参考文献与扩展阅读481

第23章 指示微生物485

Charles P.Gerba485

23.1 指示剂微生物的概念485

23.2 大肠菌属总数486

23.2.1 最大或然数（MPN）试验487

23.2.2 薄膜过滤（MF）试验487

23.2.3 存在与否（P-A）试验487

23.3 粪大肠菌和大肠杆菌490

23.4 粪链球菌属490

23.5 产气荚膜梭状菌491

23.6 异养型菌的平板计数491

23.7 噬菌体492

23.8 其他潜在的指示微生物493

23.9 指示微生物的判断标准494

23.10 微生物源示踪496

思考题498

参考文献与扩展阅读498

第七部分 废水处理与消毒503

第24章 废水处理和生物固体的再利用503

Charles P.Gerba and Ian L.Pepper503

24.1 废水（污水）的性质503

24.2 现代的废水处理506

24.2.1 初级处理506

24.2.2 二级处理506

24.2.3 三级处理511

24.2.4 污水处理工艺对病原菌的去除511

24.2.5 污水处理工艺对有机/无机污染物的去除513

24.3 氧化池513

24.4 化粪池515

24.5 废水的土地利用516

24.6 湿地和水产养殖系统518

24.7 污泥处理521

24.7.1 稳定技术521

24.7.2 污泥处理生产A级生物固体522

24.8 生物固体和动物粪便的土地利用：历史观点与当前展望523

24.8.1 A/B级生物固体523

24.9 生物固体土地利用的方法524

24.10 B级生物固体中病原菌的含量524

24.10.1 其他生物学方面的关注525

24.10.2 生物固体中病原菌的风险527

24.11 动物粪便中的病原菌528

思考题528

参考文献与扩展阅读529

第25章 饮用水的处理531

Charles P.Gerba531

25.1 水处理工序531

25.2 水处理的要求533

25.3 水的分配系统534

22.4 在分配系统中有机碳和微生物的生长536

思考题538

参考文献与扩展阅读538

第26章 消毒540

Charles P.Gerba540

26.1 热破坏540

26.2 消毒动力学541

26.3 影响消毒的因素542

26.4 卤素消毒剂545

26.4.1 氯消毒剂545

26.4.2 氯胺消毒剂545

26.4.3 二氧化氯546

26.4.4 溴和碘546

26.5 臭氧547

26.6 重金属离子547

26.7 紫外线消毒548

26.8 光灭活作用550

26.9 γ-射线和高能射线550

思考题551

参考文献与扩展阅读551

第八部分 城市微生物555

第27章 室内微生物555

Charles P.Gerba and Ian L.Pepper555

27.1 病原菌的来源555

27.1.1 空气555

27.1.2 食物556

27.1.3 水556

27.2 污染物：在疾病传播中的作用558

27.2.1 污染物中病原菌的发生559

27.2.2 污染物中病原菌的持久性559

27.2.3 病原菌的传播559

思考题562

参考文献与扩展阅读562

Ian L.Pepper，Christopher Y.Choi and Charles P.Gerba562

第28章 微生物与生物恐怖主义566

28.1 生物制剂被用作生物恐怖主义武器的忧虑566

28.2 生物恐怖主义与饮用水568

28.2.1 水分配系统中的实时监测568

28.2.2 实时监控569

28.2.3 污染物传送机制与水质模型569

28.3 生物恐怖主义与农业571

28.3.1 气生微生物制剂造成的污染物571

28.3.2 口蹄疫574

28.4 污染物的传播机制574

参考文献与扩展阅读574

第29章 风险评估575

Charles P.Gerba575

29.1 风险评估的概念575

29.2 风险评估的组成元素575

29.3 风险评价的过程577

24.3.1 危险性鉴定577

24.3.2 暴露评价578

24.3.3 剂量响应评价579

24.3.4 风险特征580

29.4 微生物风险评价581

思考题586

参考文献与扩展阅读587

索引589