环境生物技术2-3

1、一、环境微生物的重要生态因子（自学）一、环境微生物的重要生态因子（自学） 温度和湿度温度和湿度 pH值值 渗透压渗透压 氧氧 辐射辐射 抗生素抗生素 环境化学物质环境化学物质第三节第三节 环境微生物生态学环境微生物生态学二、微生物的生长与种群增长二、微生物的生长与种群增长 生长率上生长率上 生长率下生长率下 细菌内源呼吸细菌内源呼吸 升阶段升阶段 降阶段降阶段 及细菌大量死亡阶段及细菌大量死亡阶段 mg/mL 0 时间时间t细胞量细胞量XdtdXtXXt0lntXXt0lnln ：某一时刻细胞数量的增长速率与该时刻细胞数量之比。：某一时刻细胞数量的增长速率与该时刻细胞数量之比。土壤是固体无机物

2、土壤是固体无机物(岩石和矿物质岩石和矿物质)、有机物、水、空气、有机物、水、空气和生物组成的复合物，是微生物的合适生境。和生物组成的复合物，是微生物的合适生境。土壤微生物种类多、数量多、代谢潜力巨大，是主要的土壤微生物种类多、数量多、代谢潜力巨大，是主要的微生物源，微生物源，是是微生物的大本营微生物的大本营。三、微生物群落结构三、微生物群落结构 土壤环境及其微生物土壤环境及其微生物 土壤微生物的数量和分布主要受到营养土壤微生物的数量和分布主要受到营养 物、含水量、氧、温度、物、含水量、氧、温度、PH等因子的影等因子的影 响，并随土壤类型的不同而有很大变化。响，并随土壤类型的不同而有很大变化。

3、土壤微生物的数量和分布受季节影响。土壤微生物的数量和分布受季节影响。 微生物的数量也与土层的深度有关，微生物的数量也与土层的深度有关， 一般土壤表层微生物最多，随着土层一般土壤表层微生物最多，随着土层 的加深，微生物的数量逐步减少。的加深，微生物的数量逐步减少。 目前土壤中可人工培养的微生物仅占目前土壤中可人工培养的微生物仅占 实际种类的实际种类的1% 。 水环境及其微生物水环境及其微生物 淡水（湖泊、河流、水库、沼泽等）淡水（湖泊、河流、水库、沼泽等）海水（海湾、近海、远洋、深海）海水（海湾、近海、远洋、深海）污水污水贫营养环境贫营养环境耐盐、耐低营养、嗜冷（抗高压、厌氧）耐盐、耐低营养、嗜

4、冷（抗高压、厌氧）存在明显的垂直分布差异！水资源污染日益严重水资源污染日益严重 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 异养细菌异养细菌废物、排泄物废物、排泄物 人人 水环境及其微生物水环境及其微生物 = 水体污染与自净水体污染与自净 水中的食物链水中的食物链污染物进入水体后是否发生污染污染物进入水体后是否发生污染几乎完全几乎完全取决于食物链取决于食物链中各种生物对于污染物的净化能力。中各种生物对于污染物的净化能力。 水体自净作用的相关概念水体自净作用的相关概念 水体自净水体自净天然水体接纳了一定量的污染物后，经过一定的时

5、间，天然水体接纳了一定量的污染物后，经过一定的时间，在物理、化学和生物等因素的综合作用下得到净化，水在物理、化学和生物等因素的综合作用下得到净化，水质恢复到污染前状态的现象。质恢复到污染前状态的现象。自净作用有一定的限度，在水体自净作用限度内能够容自净作用有一定的限度，在水体自净作用限度内能够容纳的污染物的最大数量，称为该水体的自净容量。纳的污染物的最大数量，称为该水体的自净容量。：稀释、沉淀稀释、沉淀 （弱）（弱）：日光日光、氧气氧气等对污染物的分解等对污染物的分解 （弱）（弱）：生物降解：生物降解 （强）（强）若污染物的排放总量超过了其自净容量，则水体不能自行恢若污染物的排放总量超过了其自

6、净容量，则水体不能自行恢复至原有的状态，其生态平衡将遭到破坏，水体即被污染。复至原有的状态，其生态平衡将遭到破坏，水体即被污染。 水污染水污染 自净容量自净容量 自净作用是自然沉降作用、稀释作用、有机物的生物降解、自净作用是自然沉降作用、稀释作用、有机物的生物降解、 复氧作用（溶解氧浓度的恢复）、日照等许多作用联合的复氧作用（溶解氧浓度的恢复）、日照等许多作用联合的 结果。结果。 水体自净作用分析水体自净作用分析 水体自净作用的强弱和自净容量的大小受水量、水质及一水体自净作用的强弱和自净容量的大小受水量、水质及一 系列水文条件（如流量、流速河流弯曲复杂程度等）影响。系列水文条件（如流量、流速河

7、流弯曲复杂程度等）影响。有机污染物量小有机污染物量小 好氧菌繁殖好氧菌繁殖 溶解氧下降溶解氧下降有机物分解完毕有机物分解完毕 细菌数量减少细菌数量减少 光合微生物繁殖光合微生物繁殖 无机营养物减少无机营养物减少 光合光合微生物减少微生物减少 水体中的溶解氧、水体中的溶解氧、BODBOD恢复原水平恢复原水平 水体自净水体自净 水体净化过程：水体净化过程：P/H P/H 低低高高低（原来水平）低（原来水平） 衡量水体污染与自净的指标衡量水体污染与自净的指标 P/H P/H指数指数P P（photoautotrophphotoautotroph）：水体中光合自养型微生物的数量。）：水体中光合自养型微

8、生物的数量。H H（heterotrophheterotroph）：水体中异养微生物的数量。）：水体中异养微生物的数量。 水污染生物指数水污染生物指数 ( Biological Index of Water Pollution，BIP) BBIP = 100 A+BA A 有光合作用的微生物数量有光合作用的微生物数量B B 无光合作用的微生物数量无光合作用的微生物数量 利用利用BIPBIP可以判断水体的污染程度可以判断水体的污染程度污染程度污染程度 清洁水清洁水 轻微污染水轻微污染水 中等污染水中等污染水 严重污染水严重污染水 BIP 0-8 8-20 20-60 60-100BIP 0-8

9、8-20 20-60 60-100 氧垂曲线和氧浓度的昼夜变化幅度氧垂曲线和氧浓度的昼夜变化幅度！ 污染前污染前 净化开始净化开始 净化过程净化过程 结束结束 大大 缩小缩小 至最低点至最低点 扩大扩大 大大 溶氧变化溶氧变化幅度幅度： 污染前污染前 净化开始净化开始 持续持续 结束结束： 无色无色 暗灰色暗灰色 灰色灰色 继续变清继续变清 无色无色 澄清澄清 很混浊、臭很混浊、臭 混浊混浊 浊度下降浊度下降 澄清透明澄清透明 透明透明 水面有泡沫水面有泡沫 泡沫减少泡沫减少 污化系统污化系统当有机污染物排入河流，在其下游河段的自净过程中，形当有机污染物排入河流，在其下游河段的自净过程中，形成

10、一系列成一系列污化带污化带。因各种水生生物需要不同的生存条件，。因各种水生生物需要不同的生存条件，故在各个带中可找到不同的故在各个带中可找到不同的。 污化系统（也称有机污染系统）污化系统（也称有机污染系统） 是根据水体有机物污染程度的不同，对水体的一种分类法。是根据水体有机物污染程度的不同，对水体的一种分类法。 污化带污化带多污带、多污带、a a- -中污带、中污带、b b- -中污带、寡污带中污带、寡污带类类型型外外观观BIP生生物物特特征征多多污污带带1 暗暗灰灰色色，很很浑浑浊浊，含含大大量量 有有 机机 物物， BOD高高，溶溶解解氧氧极极低低(或或无无)，为为厌厌氧氧状状态态。2 在

11、在有有 机机 物物 分分解解 过过 程程中中，产产生生 H2S、C02和和CH4等等气气体体。臭臭味味。3 水水底底沉沉积积许许多多由由有有机机和和无无 机机 物物 形形成成 的的 淤淤泥泥。水水面面上上有有气气泡泡。601001 种种类类很很少少，厌厌氧氧菌菌和和兼兼性性厌厌氧氧菌菌种种类类多多，数数量量大大，每每毫毫升升水水含含有有几几亿亿个个细细菌菌。有有能能分分解解复复杂杂有有机机物物的的菌菌种种，硫硫酸酸还还原原菌菌、产产甲甲烷烷菌菌等等。2 无无显显花花植植物物，鱼鱼类类绝绝迹迹。3 河河底底淤淤泥泥中中有有大大量量寡寡毛毛类类(颤颤蚯蚯蚓蚓)动动物物。*河河流流流流向向颤蚯蚓颤蚯

12、蚓类类型型外外观观BIP生生物物特特征征河河流流流流向向-中中污污带带1 水水为为灰灰色色，溶溶解解氧氧少少，为为半半厌厌氧氧状状态态，有有机机物物量量减减少少，BOD 下下降降；2 水水面面上上有有泡泡沫沫和和浮浮泥泥，有有 NH3、氨氨基基酸酸及及H2S。臭臭味味。 20601 生生物物种种类类比比多多污污带带稍稍多多。细细菌菌数数量量较较多多，每每毫毫升升水水约约有有几几千千万万个个。2 出出现现有有蓝蓝藻藻、裸裸藻藻、绿绿藻藻，原原生生动动物物有有天天蓝蓝喇喇叭叭虫虫、美美观观独独缩缩虫虫、椎椎尾尾水水轮轮虫虫、臂臂尾尾水水轮轮虫虫及及栉栉虾虾等等。*3 底底泥泥已已部部分分无无机机化

13、化，滋滋生生了了很很多多颤颤蚯蚯蚓蚓。 天蓝喇叭虫天蓝喇叭虫 椎尾水轮虫椎尾水轮虫 栉虾栉虾类类型型外外观观BIP生生物物特特征征河河流流流流向向-中中污污带带1 有有机机物物较较少少，BOD 和和悬悬浮浮物物含含量量低低，溶溶解解氧氧浓浓度度升升高高；2 NH3和和H2S分分别别氧氧化化为为N03和和 S042-，两两者者含含量量均均减减少少。 8201 细细菌菌数数量量减减少少，每每毫毫升升水水只只有有几几万万个个。2 藻藻类类大大量量繁繁殖殖，水水生生植植物物出出现现。*3 原原生生动动物物有有固固着着型型纤纤毛毛虫虫如如：独独缩缩虫虫、聚聚缩缩虫虫等等活活跃跃，轮轮虫虫、浮浮游游甲甲壳

14、壳动动物物及及昆昆虫虫出出现现。类类型型外外观观BIP生生物物特特征征河河流流流流向向 寡寡污污带带1 有有机机物物全全部部无无机机化化，BOD 和和悬悬浮浮物物含含量量极极低低，水水的的浑浑浊浊度度低低，溶溶解解氧氧恢恢复复到到正正常常含含量量。2 H2S消消失失；3 河河流流自自净净过过程程已已完完成成的的标标志志 081 细细菌菌极极少少；2 出出现现鱼鱼腥腥藻藻、硅硅藻藻、黄黄藻藻、钟钟虫虫、变变形形虫虫、旋旋轮轮虫虫、浮浮游游甲甲壳壳动动物物、 水水生生植植物物及及鱼鱼。 * 前节晶囊轮虫前节晶囊轮虫 蚤状水蚤蚤状水蚤 大型水蚤大型水蚤 鱼腥蚤鱼腥蚤玫瑰旋轮虫玫瑰旋轮虫 以上污化系统

15、只能反映以上污化系统只能反映有机污染有机污染的程度，的程度，不能反映有毒废水的污染！不能反映有毒废水的污染！由氮、磷等无机污染物引起的藻类过度生长污染水体的现象。由氮、磷等无机污染物引起的藻类过度生长污染水体的现象。2营营养养状状态态总总磷磷mgL-1无无机机氮氮mgL-1极极贫贫营营养养000502贫贫中中营营养养0005001020040中中营营养养00100303065 中中富富营营养养003010515富富营营养养0115“水花水花”或或“水华水华”（water bloom）：）：藻类的大量繁殖使水体出现颜色，并变得浑浊，许多藻类藻类的大量繁殖使水体出现颜色，并变得浑浊，许多藻类团块漂

16、浮在水面上形成。团块漂浮在水面上形成。赤潮或红潮（赤潮或红潮（red tides）：）：在海洋中，某些甲藻类大量繁殖也可以形成水花，从而使在海洋中，某些甲藻类大量繁殖也可以形成水花，从而使海水出现红色或褐色。海水出现红色或褐色。引起水体富营养化的藻类除通过消耗水中的氧气危害养殖业外，引起水体富营养化的藻类除通过消耗水中的氧气危害养殖业外，很多藻类还能产生各种毒素，使动物得病或死亡，因此由于富很多藻类还能产生各种毒素，使动物得病或死亡，因此由于富营养化作用营养化作用致死的鱼等水产品不能食用致死的鱼等水产品不能食用。严重污染的水会通过食物链的生物放大作用严重污染的水会通过食物链的生物放大作用危害人

17、类健康危害人类健康根本措施是将氮和磷的排放量控制在低水平。根本措施是将氮和磷的排放量控制在低水平。 无原生的微生物区系；无原生的微生物区系； 来源于土壤、水体及人类的生产、生活活动；来源于土壤、水体及人类的生产、生活活动； 种类主要为真菌和细菌，一般与其所在环境的微生物种类主要为真菌和细菌，一般与其所在环境的微生物 种类有关；种类有关； 数量取决于尘埃数量；数量取决于尘埃数量； 停留时间和尘埃大小、空气流速、湿度、光照等因素有关；停留时间和尘埃大小、空气流速、湿度、光照等因素有关； 与人类的关系：与人类的关系： 传播疾病、传播疾病、造成食品等的污染造成食品等的污染微生物学的基本技术：微生物学的

18、基本技术：无菌操作技术无菌操作技术制备微生物气溶胶实现群体免疫制备微生物气溶胶实现群体免疫 大气环境及其微生物大气环境及其微生物无菌操作及超净工作台3514四、微生物种群间的相互关系四、微生物种群间的相互关系 互生关系互生关系 共生关系共生关系 拮抗关系拮抗关系 竞争关系竞争关系 寄生关系寄生关系 捕食关系捕食关系五、环境微生物与物质循环五、环境微生物与物质循环微生物可以在多个方面但主要作为微生物可以在多个方面但主要作为分解者分解者而在生态系统中起重要作用！而在生态系统中起重要作用！ 微生物是有机物的主要分解者。微生物是有机物的主要分解者。 微生物是物质循环中的重要成员。微生物是物质循环中的重

19、要成员。 微生物是生态系统中的初级生产者。微生物是生态系统中的初级生产者。 微生物是物质和能量的贮存者。微生物是物质和能量的贮存者。一、微生物的营养类型一、微生物的营养类型 光能自养型光能自养型光能异养型光能异养型化能自养型化能自养型化能异养型化能异养型第四节第四节 环境微生物的代谢环境微生物的代谢二、微生物的能量代谢二、微生物的能量代谢所有的生物取得生命所需的能源只有两类途径：所有的生物取得生命所需的能源只有两类途径：光合作用光合作用生物氧化生物氧化有氧呼吸有氧呼吸无氧呼吸无氧呼吸发酵作用发酵作用 有氧呼吸对底物的氧化作用比较彻底，氧是氧化还原反应有氧呼吸对底物的氧化作用比较彻底，氧是氧化还

20、原反应 的最终电子受体，因而可以获得最多的能量。的最终电子受体，因而可以获得最多的能量。 部分细菌可以有氧氧化还原态的无机化合物部分细菌可以有氧氧化还原态的无机化合物(S(S2-2-、S S、S S2 2O O3 32-2- 、NHNH3 3) )，氧化产物为，氧化产物为SOSO4 42-2-和和NONO3 3- - 。 大多数有氧呼吸的底物是有机物，氧化产物为大多数有氧呼吸的底物是有机物，氧化产物为COCO2 2和和H H2 20 0。 有氧呼吸有氧呼吸硫细菌硫细菌：2H2H2 2S + OS + O2 2 2S + 2H 2S + 2H2 2O O 2S + 2H 2S + 2H2 2O

21、+3OO +3O2 2 2SO 2SO4 42-2- + 4H + 4H+ +亚硝化细菌亚硝化细菌：2NH2NH3 3 + 3O + 3O2 2 2NO 2NO2 2- - + 2H + 2H+ + 2H 2H2 2O O硝化细菌硝化细菌： 2NO2NO2 2- - + O + O2 2 2NO 2NO3 3- -硝化作用硝化作用 无氧呼吸无氧呼吸厌氧菌或兼性菌在无氧条件下进行的，以某些无机氧化物厌氧菌或兼性菌在无氧条件下进行的，以某些无机氧化物为电子受体的生物氧化作用。产能水平低于有氧呼吸。为电子受体的生物氧化作用。产能水平低于有氧呼吸。无氧呼吸分为三种类型无氧呼吸分为三种类型硝酸盐还原硝酸

22、盐还原硫酸盐还原硫酸盐还原碳酸盐还原碳酸盐还原 绝大部分的反硝化作用以有机物为底物绝大部分的反硝化作用以有机物为底物 C C6 6H H1212O O6 6 + 4NO+ 4NO3 3- - 6CO 6CO2 2 + 6H+ 6H2 2O + 2NO + 2N2 2 + 4e + 4e 硝酸盐还原（硝酸盐还原（反硝化作用反硝化作用）指在生物氧化过程中，指在生物氧化过程中，NONO3 3 - -或或NONO2 2 - -作为电子受体氧化底物作为电子受体氧化底物的同时，自身被还原为的同时，自身被还原为N N2 2的过程。的过程。NONO3 3- - + 6H + 6H+ + + 5e 3H + 5

23、e 3H2 2O + 1/2NO + 1/2N2 2硝化和反硝化作用在废水处理中有广泛的应用硝化和反硝化作用在废水处理中有广泛的应用! ! 少数细菌能以氢或还原态的硫为底物少数细菌能以氢或还原态的硫为底物 5H5H2 2 + 2NO+ 2NO3 3- - 4H 4H2 2O + NO + N2 2 + 2OH+ 2OH- - （氢细菌）（氢细菌） 5S5S + 6NO+ 6NO3 3- - + 2H + 2H2 2O O 5 5SOSO4 42-2- + 3N+ 3N2 2 + 4H+ 4H+ + （硫杆菌）（硫杆菌）以以COCO2 2或碳酸盐作为电子受体的生物氧化，产物是甲烷。或碳酸盐作为电子受体的生物氧化，产物是甲烷。 硫酸盐还原硫酸盐还原以以SOSO3 32-2-、SOSO4 42-2-为电子受体的生物氧化作用，产物是为电子受体的生物氧化作用，产物是H H2 2S S。CHCH3 3COOH + SOCOOH + SO4 42+2+ S S2-2- + 2CO + 2CO2 2 + 2H+ 2H2 2O O （硫酸盐还原菌硫酸盐还原菌） 碳