前言 15
致谢 17
作者 19
撰稿作者 21
Raina M.Maier，Ian L.Pepper and Charles P.Gerba 21
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.Pepper 7
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.Maier 38
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.Pepper 57
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.Dowd 83
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.Maier 101
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.Maier 124
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.Maier 134
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.Maier 154
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.Gerba 173
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.Maier 188
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DNA 210
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.Maier 221
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.Maier 241
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DNA 245
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-PCR 260
13.4.6 半套式、嵌套式和多重PCR 261
13.4.7 PCR指纹图谱 263
13.4.8 荧光定量PCR 263
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.Maier 281
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.Maier 319
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.Pepper 332
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/-3 342
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.Pepper 347
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.Gerba 355
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.Maier 363
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.Maier 387
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.Maier 419
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.Gerba 445
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.Gerba 485
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.Pepper 503
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.Gerba 531
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.Gerba 540
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.Pepper 555
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.Gerba 562
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.Gerba 575
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