环境微生物学第七章微生物的生态

1、第七章第七章 微生物生态微生物生态研究微生物生态学的目的研究微生物生态学的目的 为人类利用微生物资源和控制微生物提为人类利用微生物资源和控制微生物提 供依据；供依据； 创造有利条件，使水污染控制在更高层创造有利条件，使水污染控制在更高层次上得以发展。次上得以发展。第一节第一节 生态系统生态系统一、生态系统和生物圈一、生态系统和生物圈二、生态平衡二、生态平衡三、生态系统的分类三、生态系统的分类一、生态系统和生物圈一、生态系统和生物圈 生态系统生态系统(ecosystem)是在一定时间和空间范是在一定时间和空间范围内由生物与它们的生境通过能量流动和物质围内由生物与它们的生境通过能量流动和物质循环组

2、成的一个自然体。循环组成的一个自然体。可用下式表述：可用下式表述：生态系统生态系统 = = 生物群落生物群落 + + 环境条件环境条件生态系统的功能生态系统的功能包括包括：生物生产、能量流动、：生物生产、能量流动、物质循环、信息传递。物质循环、信息传递。生物生产生物生产：太阳能太阳能植物体植物体能量流动能量流动：植物植物草食动物草食动物肉食动物肉食动物微生物微生物物质循环物质循环：营养物质在食物链之间处于不断循环营养物质在食物链之间处于不断循环之中形成物质循环。之中形成物质循环。信息传递信息传递：物理信息、化学信息、行为信息物理信息、化学信息、行为信息个体：个体：指某一具体的生物单个个体，具有

3、生长、指某一具体的生物单个个体，具有生长、发育、繁殖和死亡的过程。发育、繁殖和死亡的过程。种群：种群：是生活在同一特定空间的同一生物种的所是生活在同一特定空间的同一生物种的所有个体的集合体，是生物群落的组成单位。有个体的集合体，是生物群落的组成单位。群落：群落：生活在同一特定空间或区域的所有生物种生活在同一特定空间或区域的所有生物种群的聚合体，是生态系统的组成部分。群的聚合体，是生态系统的组成部分。生物圈：生物圈：生存在地球陆地以上和海面以生存在地球陆地以上和海面以10km之间的范围，包括岩石圈、土壤圈、水圈和之间的范围，包括岩石圈、土壤圈、水圈和大气圈内所有生物群落和人以及他们生存环大气圈内

4、所有生物群落和人以及他们生存环境的总体。境的总体。生物圈是地球上所有生态系统的组合生物圈是地球上所有生态系统的组合。二、生态平衡二、生态平衡 生态系统是开放系统，当能量和物质的生态系统是开放系统，当能量和物质的输入大于输出时，生物量增加；反之，生物输入大于输出时，生物量增加；反之，生物量减少。如果输入和输出在较长时间趋于相量减少。如果输入和输出在较长时间趋于相等，生态系统的组成、结构和功能将长期处等，生态系统的组成、结构和功能将长期处于稳定状态。虽然各生物群落有各自的生长、于稳定状态。虽然各生物群落有各自的生长、发育、繁殖及死亡过程，但动物、植物和微发育、繁殖及死亡过程，但动物、植物和微生物等

5、群落的种群、数量，它们的数量比均生物等群落的种群、数量，它们的数量比均保持相对稳定。即使有外来干扰，生态系统保持相对稳定。即使有外来干扰，生态系统能通过自行调节的能力恢复到原来稳定的状能通过自行调节的能力恢复到原来稳定的状态，这就是态，这就是生态平衡生态平衡。 地球上的生态危机地球上的生态危机厄尔尼诺、拉尼娜现象厄尔尼诺、拉尼娜现象酸雨酸雨臭氧空洞臭氧空洞 土壤退化土壤退化生物多样性减少生物多样性减少三、生态系统的分类三、生态系统的分类水体生态系统水体生态系统陆地生态系统陆地生态系统淡水生态系统淡水生态系统海水生态系统海水生态系统河流生态系统河流生态系统湖泊生态系统湖泊生态系统水体生态系统水体

6、生态系统陆地生态系统陆地生态系统动物生态系统动物生态系统植物生态系统植物生态系统土壤微生物生态系统土壤微生物生态系统生生存存环环境境生生存存状状态态微微生生物物生生存存状状态态水体微生物生态系统水体微生物生态系统空气微生物生态系统空气微生物生态系统微生物生态系统微生物生态系统第二节第二节 土壤微生物生态土壤微生物生态一、土壤微生物生态一、土壤微生物生态二、微生物在土壤的种类、数量和分布二、微生物在土壤的种类、数量和分布三、土壤自净和污染土壤微生物生态三、土壤自净和污染土壤微生物生态四、土壤污染和土壤生物修复四、土壤污染和土壤生物修复一、土壤微生物生态一、土壤微生物生态土壤土壤“微生物的天然培养

7、基微生物的天然培养基” 土壤中微生物的数量最大，类土壤中微生物的数量最大，类型最多，是人类利用微生物资源的型最多，是人类利用微生物资源的主要来源，也是微生物在自然界中主要来源，也是微生物在自然界中最大的储藏库。最大的储藏库。一、土壤微生物生态一、土壤微生物生态土壤对微生物生存的影响因子土壤对微生物生存的影响因子包括以下几个方面：包括以下几个方面：1. 营养；营养；2. pH；3. 渗透压；渗透压；4. 氧气和水；氧气和水；5. 温度；温度；6. 保护层。保护层。二、微生物在土壤的种类、数量和分布二、微生物在土壤的种类、数量和分布土壤中的微生物含量是衡量土壤肥力的指标之一。土壤中的微生物含量是衡

8、量土壤肥力的指标之一。肥沃土：肥沃土：11081109个微生物个微生物/克土克土贫瘠土：贫瘠土：11061107个微生物个微生物/克土克土土壤中细菌最多，约占所有微生物的土壤中细菌最多，约占所有微生物的70709090。（一）微生物在土壤的种类、数量（一）微生物在土壤的种类、数量水平分布水平分布取决于土壤的碳源种类取决于土壤的碳源种类（一）微生物在土壤的分布（一）微生物在土壤的分布垂直分布垂直分布取决于土壤生态条件（温度、水、光照取决于土壤生态条件（温度、水、光照） 空隙多空隙多好氧微生物好氧微生物 空隙少空隙少厌氧微生物厌氧微生物 油田地区土壤油田地区土壤降解石油微生物降解石油微生物森林地区

9、土壤森林地区土壤降解纤维素微生物降解纤维素微生物含动、植物残体土壤含动、植物残体土壤腐生异养菌腐生异养菌三、土壤自净和污染土壤微生物生态三、土壤自净和污染土壤微生物生态土壤自净：土壤自净：土壤对施入其中一定负荷的有机土壤对施入其中一定负荷的有机物或有机污染物具有吸附和生物降解能力，物或有机污染物具有吸附和生物降解能力，通过各种物理、生化过程自动分解污染物通过各种物理、生化过程自动分解污染物使土壤恢复到原来水平的净化过程，称土使土壤恢复到原来水平的净化过程，称土壤自净。壤自净。 土地土地天然的生物处理厂天然的生物处理厂 污水长期灌溉会引起土壤污水长期灌溉会引起土壤“土著土著”微微生物区系和数量的

10、改变，并诱导产生分解生物区系和数量的改变，并诱导产生分解各种污染物的微生物新品种。各种污染物的微生物新品种。土壤中稳定存在的土壤中稳定存在的“土著土著”微生物：微生物： 节细菌、诺卡氏菌节细菌、诺卡氏菌如果用污水对农田进行灌溉，只要不超过如果用污水对农田进行灌溉，只要不超过土壤自净能力是不会引起土壤污染的。土壤自净能力是不会引起土壤污染的。四、土壤污染和土壤生物修复四、土壤污染和土壤生物修复土壤的污染物主要有土壤的污染物主要有：农药、石油烃类、：农药、石油烃类、NH3、重金属等。重金属等。土壤污染的不良后果：土壤污染的不良后果：a. 破坏土地的生态平衡；破坏土地的生态平衡；b. 有毒有害物质渗

11、入到地下水中，危害人类；有毒有害物质渗入到地下水中，危害人类；c. 各种病原微生物会通过各种途径进入人体各种病原微生物会通过各种途径进入人体引起人体疾病。引起人体疾病。四、土壤生物修复四、土壤生物修复土壤的生物修复：土壤的生物修复：是利用土壤中天然的微生物资源是利用土壤中天然的微生物资源或人为投加目的菌株，甚至用构建的特异降解功能或人为投加目的菌株，甚至用构建的特异降解功能菌投加到各污染土壤中，将滞留的污染物快速的降菌投加到各污染土壤中，将滞留的污染物快速的降解和转化，使土壤恢复其天然的功能。解和转化，使土壤恢复其天然的功能。土壤修复的关键因素：土壤修复的关键因素： 微生物种微生物种“土著土著

12、”微生物、选育的优势菌种、微生物、选育的优势菌种、基因工程菌；基因工程菌； 微生物的营养微生物的营养需要适宜的营养比例；需要适宜的营养比例； 溶解氧；溶解氧； 环境因子。环境因子。2.土壤生物修复工程土壤生物修复工程土壤生物修复工程形式：土壤生物修复工程形式： 原位生物修复原位生物修复简单，费用低，效率低；简单，费用低，效率低； 生物通风生物通风较原位法有所强化；较原位法有所强化； 挖掘堆置和反应器处理等方法挖掘堆置和反应器处理等方法效果好，效果好，费用高。费用高。第三节第三节 空气微生物生态空气微生物生态一、空气的生态条件一、空气的生态条件二、空气微生物的种类、数量和分布二、空气微生物的种类

13、、数量和分布三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术四、空气微生物检测四、空气微生物检测一、空气的生态条件一、空气的生态条件 空气生态条件特点空气生态条件特点：紫外辐射较强，较干燥，紫外辐射较强，较干燥，温度变化大，缺乏营养。温度变化大，缺乏营养。空气中微生物只是暂时停留。微生物在空气中停空气中微生物只是暂时停留。微生物在空气中停留时间的长短由风力、气流和雨、雪等气象条件留时间的长短由风力、气流和雨、雪等气象条件所决定，但它最终要沉降到土壤、水中、建筑物所决定，但它最终要沉降到土壤、水中、建筑物和植物上。和植物上。二、空气微生物的种类、数量和分布二、空气微生

14、物的种类、数量和分布 空气中微生物的种类和所处的地理位置有关的，其数空气中微生物的种类和所处的地理位置有关的，其数量也是如此，不同场所上空微生物的数量如下表所示：量也是如此，不同场所上空微生物的数量如下表所示：场所场所畜舍畜舍宿舍宿舍城市街道城市街道 市区公园市区公园海洋上空海洋上空北纬北纬80微生物微生物(12)10621045103200120 空气中的微生物还随着海拔高度而变化，一般来说，空气中的微生物还随着海拔高度而变化，一般来说，海拔越高，微生物数量越少。海拔越高，微生物数量越少。单位：个单位：个/m3空气空气三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技

15、术清洁程度清洁程度细菌总数细菌总数(单位：个单位：个/m3)最清洁的空气（有空调）最清洁的空气（有空调）12清洁空气清洁空气 30普通空气普通空气31125临界环境临界环境150轻度污染轻度污染 301以细菌总数评价空气的卫生标准：以细菌总数评价空气的卫生标准：外部大环境的卫生洁净技术主要靠绿化环境，搞好生态环外部大环境的卫生洁净技术主要靠绿化环境，搞好生态环境，局部环境主要可通过空气过滤器来实现。境，局部环境主要可通过空气过滤器来实现。四、空气微生物检测四、空气微生物检测空气中微生物的检测可通过：空气中微生物的检测可通过：固体法：固体法：（1）平皿落菌法；（）平皿落菌法；（2）撞击法撞击法液

16、体法液体法空气微生物的测点数越多越准确，以空气微生物的测点数越多越准确，以2030个个点为宜，最少测点数为点为宜，最少测点数为56个。个。采样后的培养温度和时间一般是采样后的培养温度和时间一般是37和和48h。第四节第四节 水体微生物生态水体微生物生态水体中微生物的来源主要有四个方面：水体中微生物的来源主要有四个方面：1. 水体中固有的微生物水体中固有的微生物2. 来自土壤的微生物来自土壤的微生物3. 来自生产和生活的微生物来自生产和生活的微生物4. 来自空气微生物来自空气微生物一、水体的微生物群落一、水体的微生物群落（一）海洋中微生物群落一）海洋中微生物群落1.1.群落分布群落分布在近海由于

17、自然和人为的影响，微生物含量比远海要多。在在近海由于自然和人为的影响，微生物含量比远海要多。在海洋不同的深度，由于阳光和溶解氧的变化，微生物的含量海洋不同的深度，由于阳光和溶解氧的变化，微生物的含量呈一定的变化规律。呈一定的变化规律。一、水体的微生物群落一、水体的微生物群落2.2.群落的生态特征群落的生态特征a) 底栖性细菌底栖性细菌b) 浮游性细菌浮游性细菌c) 附着型细菌附着型细菌海洋微生物特征：海洋微生物特征： 耐盐、嗜盐、耐高渗透压、耐净水压力耐盐、嗜盐、耐高渗透压、耐净水压力（二）淡水微生物群落（二）淡水微生物群落贫营养湖：贫营养湖：湖泊形成初期，生物生产力低，水湖泊形成初期，生物生

18、产力低，水中有机物少，湖底沉积物少，细菌数量少，有中有机物少，湖底沉积物少，细菌数量少，有机物分解能力弱，耗氧量低，含大量溶解氧，机物分解能力弱，耗氧量低，含大量溶解氧，为贫养湖。为贫养湖。富营养湖：富营养湖：随着河流不断向湖泊输送养料和泥随着河流不断向湖泊输送养料和泥沙，生物种类和数量增多。湖底沉积的有机物沙，生物种类和数量增多。湖底沉积的有机物丰富，细菌数量增加，分解有机物速率提高，丰富，细菌数量增加，分解有机物速率提高，无机物增加，表水层阳光充足，浮游藻类大量无机物增加，表水层阳光充足，浮游藻类大量繁殖，生物生产力提高，为富营养湖。繁殖，生物生产力提高，为富营养湖。二、水体自净和污染水体

19、的微生物生态二、水体自净和污染水体的微生物生态阳光阳光一级生产者一级生产者原生动物原生动物轮虫、浮游甲壳动物轮虫、浮游甲壳动物鱼鱼其他动物其他动物人人废物、排泄物废物、排泄物异养细菌异养细菌( (藻类、光合细菌、水生植物藻类、光合细菌、水生植物) )（一）水体自净（一）水体自净 由于天然水体的各种生物和微生物之间构由于天然水体的各种生物和微生物之间构成的一个生物循环的生物链，因而水体有一个自净的能力。成的一个生物循环的生物链，因而水体有一个自净的能力。二、水体自净和污染水体的微生物生态二、水体自净和污染水体的微生物生态水体自净过程水体自净过程和和各种水生生物随水流距离或时间的变化各种水生生物随

20、水流距离或时间的变化如图如图所示。所示。水体自净：水体自净：水体接纳了一定量的有机污染物后，在物水体接纳了一定量的有机污染物后，在物理的、化学的和水生物的因素的综合作用下得到净化，理的、化学的和水生物的因素的综合作用下得到净化，水质恢复到污染前的水平和状态。水质恢复到污染前的水平和状态。水体自净容量：水体自净容量：是指在水体正常生物循环中能够净化是指在水体正常生物循环中能够净化有机污染物的最大数量。有机污染物的最大数量。水体自净过程：水体自净过程： 污染物被稀释，固体物沉至河底；污染物被稀释，固体物沉至河底； 好氧菌首先分解有机物，耗尽水中溶解氧，此时好氧菌首先分解有机物，耗尽水中溶解氧，此时

21、鱼虾绝迹，原生动物、后生动物死亡，厌氧菌此时大鱼虾绝迹，原生动物、后生动物死亡，厌氧菌此时大量繁殖，分解有机物，有机物无机化；量繁殖，分解有机物，有机物无机化； 氧垂曲线上升，逐渐恢复至原有水平；氧垂曲线上升，逐渐恢复至原有水平； 细菌死亡，水体恢复清洁。细菌死亡，水体恢复清洁。（二）污水体系的微生物生态（二）污水体系的微生物生态 当有机物排入河流后，当有机物排入河流后，在排污点的下游进行着正常的自净过程。沿着河流方向在排污点的下游进行着正常的自净过程。沿着河流方向形成一系列连续的污化带：形成一系列连续的污化带： 多污带：多污带：水呈暗灰色，浑浊，有机物含量高，溶解氧极低，水水呈暗灰色，浑浊，

22、有机物含量高，溶解氧极低，水生生物种类极少，以厌氧菌和兼性厌氧菌为主，种类多，数量大，生生物种类极少，以厌氧菌和兼性厌氧菌为主，种类多，数量大，大量寡毛类动物，水上有气泡，无显花植物，鱼类绝迹；大量寡毛类动物，水上有气泡，无显花植物，鱼类绝迹； - -中污带：中污带：水呈灰色，半厌氧状态，细菌数量较多，有少量藻水呈灰色，半厌氧状态，细菌数量较多，有少量藻类和原生动物；类和原生动物； - -中污带：中污带：有机物较少，溶解氧浓度较高，细菌数量较少，藻有机物较少，溶解氧浓度较高，细菌数量较少，藻类大量繁殖，水生植物出现，原生动物种类较多；类大量繁殖，水生植物出现，原生动物种类较多； 寡污带：寡污带

23、：标志水体自净过程完成，有机物全部无机化，细菌极标志水体自净过程完成，有机物全部无机化，细菌极少，溶解氧正常。原生动物种类多，有水生植物和鱼类。少，溶解氧正常。原生动物种类多，有水生植物和鱼类。 细菌菌落总数细菌菌落总数( (CFU)CFU)：细菌菌落总数是指细菌菌落总数是指1ml水样在水样在营养琼脂培养基中于营养琼脂培养基中于37培养培养24h后所生长出来的菌落后所生长出来的菌落总数。总数。 总大肠菌群：总大肠菌群：水源水中细菌菌落总数不能说明污染水源水中细菌菌落总数不能说明污染物的来源，因此通常用大肠菌群数来判断水的污染源物的来源，因此通常用大肠菌群数来判断水的污染源和安全程度。和安全程度

24、。由于粪便的污染，水源水中通常含有由于粪便的污染，水源水中通常含有致病菌致病菌，其典型的代表有：，其典型的代表有：痢疾杆菌痢疾杆菌痢疾贺氏菌痢疾贺氏菌(Shigella dysenteriae)、副痢疾贺氏菌副痢疾贺氏菌(Shigella paradysenteriae)、伤寒沙门氏菌伤寒沙门氏菌(Salmonella typhi)、甲、甲型、乙型和丙型的副伤寒沙门氏菌型、乙型和丙型的副伤寒沙门氏菌(Salmonella paratyphi)及霍乱及霍乱弧菌弧菌(Vibrio cholerae)等。等。 为什么采用大肠菌群作为指示致病菌污染为什么采用大肠菌群作为指示致病菌污染水体的指标？水体的

25、指标？ 因为大肠菌群是人肠道中正常寄生因为大肠菌群是人肠道中正常寄生菌，数量大，对人较安全，在环境中的菌，数量大，对人较安全，在环境中的存活时间与致病菌相近，而且检验技术存活时间与致病菌相近，而且检验技术较简便，因而被选中，一直沿用至今。较简便，因而被选中，一直沿用至今。（一）（一）水体富营养化的概念与发生水体富营养化的概念与发生水体富营养化：水体富营养化：由于某些自然因素，尤其是人类将富由于某些自然因素，尤其是人类将富含氮、磷的城市生活污水和工业废水排放入自然水体含氮、磷的城市生活污水和工业废水排放入自然水体中，使得自然水体中的氮、磷营养过剩，促使水体中中，使得自然水体中的氮、磷营养过剩，促使水体中藻类过量生长，使淡水水体发生藻类过量生长，使淡水水体