Environmental Microbiology
Environmental MicrobiologyA Laboratory ManualSECOND EDITION: 2004
Environmental MicrobiologyA Laboratory ManualSECOND EDITION: 2004I.L. Pepper and C.P. GerbaPhotography and Technical Editor: K.L. JosephsonCopy Editor: E.R. LoyaAMSTERDAM BOSTON HEIDELBERG LONDONNEW YORK OXFORD PARIS SAN DIEGOSAN FRANCISCO SINGAPORE SYDNEY TOKYO
Acquisition Editor: David CellaProject Manager: Sarah HajdukAssistant Editor: Kelly SonnackMarketing Manager: Linda BeattieCover Design: Linda RettichInterior Design: Accurate Art, Inc.Composition: SNP Best-SetPrinter: The Maple-Vail Book Manufacturing GroupCover Printer: Phoenix ColorElsevier Academic Press30 Corporate Drive, Suite 400, Burlington, MA 01803, USA525 B Street, Suite 1900, San Diego, California 92101-4495, USA84 Theobald's Road, London WC1X 8RR, UKThis book is printed on acid-free paper.Copyright 2005, Elsevier Inc. All rights reserved.No part of this publication may be reproduced or transmitted in any form or by anymeans, electronic or mechanical, including photocopy, recording, or any informationstorage and retrieval system, without permission in writing from the publisher.Permissions may be sought directly from Elsevier’s Science & Technology RightsDepartment in Oxford, UK: phone: ( 44) 1865 843830, fax: ( 44) 1865 853333, email: permissions@elsevier.com.uk. You may also complete your request on-line viathe Elsevier homepage (http://elsevier.com), by selecting “Customer Support” andthen “Obtaining Permissions.”Library of Congress Cataloging-in-Publication DataAPPLICATION SUBMITTEDBritish Library Cataloguing in Publication DataA catalogue record for this book is available from the British LibraryISBN: 0-12-550656-2For all information on all Elsevier Academic Press publicationsvisit our Web site at www.books.elsevier.comPrinted in the United States of America04 05 06 07 08 09 9 8 7654321
For my bravest dog—Moss. Her tag read: “Be kind—I’m blind.” Youknow—you can learn an awful lot from a blind dog that loves you.Ian Pepper, August 3, 2004To Peggy, Peter and Phillip.Chuck Gerba, August 3, 2004
Table of ContentsPreface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiiiBasics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiiiManual Conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xivSuggested Soil Types and Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvSECTION ONEBasic Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1EXPERIMENT 1Dilution and Plating of Bacteria and Growth Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Theory and Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4Tricks of the Trade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Potential Hazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Example Calculation of Mean Generation Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Questions and Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10EXPERIMENT 2Soil Moisture Content Determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Theory and Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Tricks of the Trade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Potential Hazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Example Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Questions and Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16SECTION TWOExamination of Soil Microorganisms Via Microscopicand Cultural Assays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17EXPERIMENT 3Contact Slide Assay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Table of ContentsCopyright 2005 by Elsevier Inc. All rights reserved.vii
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Theory and Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Tricks of the Trade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Potential Hazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Questions and Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25EXPERIMENT 4Filamentous Fungi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Theory and Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Tricks of the Trade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Potential Hazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Questions and Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36EXPERIMENT 5Bacteria and Actinomycetes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Theory and Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Tricks of the Trade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Potential Hazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Questions and Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49EXPERIMENT 6Algae: Enumeration by MPN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Tricks of the Trade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Potential Hazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Questions and Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58SECTION THREEMicrobial Transformations and Responseto Contaminants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59EXPERIMENT 7Oxidation of Sulfur in Soil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61viiiCopyright 2005 by Elsevier Inc. All rights reserved.Table of Contents
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64Tricks of the Trade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67Potential Hazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68Questions and Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69EXPERIMENT 8Dehydrogenase Activity of Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Tricks of the Trade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75Potential Hazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75Example Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75Questions and Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76EXPERIMENT 9Nitrification and Denitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79Tricks of the Trade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82Potential Hazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82Assignment and Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83EXPERIMENT 10Enrichment and Isolation of Bacteria that Degrade2,4-Dichlorophenoxyacetic Acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85Theory and Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86Tricks of the Trade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Potential Hazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Questions and Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89EXPERIMENT 11Adaptation of Soil Bacteria to Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91Theory and Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92Tricks of the Trade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93Potential Hazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94Table of ContentsCopyright 2005 by Elsevier Inc. All rights reserved.ix
Questions and Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94EXPERIMENT 12Biodegradation of Phenol Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95Theory and Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96Potential Hazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97Questions and Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98EXPERIMENT 13Assimilable Organic Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99Theory and Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100Tricks of the Trade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102Questions and Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103EXPERIMENT 14Biochemical Oxygen Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105Theory and Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106Tricks of the Trade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110Potential Hazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111Questions and Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112SECTION FOURWater Microbiology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113EXPERIMENT 15Bacteriological Examination of Water: The Coliform MPN Test . . . . . . . 115Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115Theory and Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118Tricks of the Trade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121xCopyright 2005 by Elsevier Inc. All rights reserved.Table of Contents
Questions and Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122EXPERIMENT 16Membrane Filter Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123Theory and Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124Tricks of the Trade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126Potential Hazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127Questions and Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127EXPERIMENT 17Defined Substrate Technology for the Detection of Coliforms andFecal Coliforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129Theory and Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130Tricks of the Trade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132Potential Hazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132Questions and Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133EXPERIMENT 18Film Medium for the Detection of Coliforms in Water, Food, andon Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135Theory and Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135Procedure . . . . . . . . . . . .
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