环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座

第二篇微生物生态与环境生态工程中微生物作用环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第1页第一章微生物生态生态系统土壤微生物生态空气微生物生态水体微生物生态环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第2页第一节生态系统一生态系统和生物圈（一）生态系统1.定义：生态系统是在一定时间和空间范围内由生物与它们生境经过能量流动和物质循环所组成一个自然体。生态系统=生物+环境条件生态系统是生态学功效单位之一（个体、种群、群落和生态系统）。动物、植物和微生物个体、种群、群落光、水、土壤、空气及其它因子环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第3页2.组成：生态系统有四个基本组成：环境生产者（植物）消费者（一级、二级……）分解者或转化者（微生物）。3．结构：生态系统含有显著三维空间结构，因为环境条件在空间上差异性，造成生物分布也出现显著水平和垂直分布。能源：太阳辐射生物代谢产物：CO2、O2、H2O、无机盐媒质：水、大气、土壤基质：砂、岩石泥土其它环境条件：温度、pH环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第4页4．功效：主要表现在生物生产、能量流动、物质循环和信息传递。（1）生物生产：经过光合作用合成有机物，是生态系统基本功效之一，包含初级生产（初级生产者进行）和次级生产（其它生物进行）。（2）能量流动：太阳光光能→化学能，不停消耗→热能、动能等；能量是单向流动；环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第5页（3）物质循环：各种营养物质在各个组成成份间传递、循环（物质不灭）；物质是被重复循环；环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第6页（4）信息传递：生态系统中生物之间经过信息传递，进行调整。信息有营养信息、物理信息、化学信息及行为信息等，组成一个整体信息网。环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第7页（二）生物圈

地球上一切生物，其中包含人类，都生活在地球表面层。因为只有这个表面层内有空气、水、土壤等维持生物生命所必需物质，人们将这个生物有机体生存地球表面层，称为生物圈。即：地球上全部生物及其环境所共同组成一个最大生态系统（地球上全部生态系统总和）。

环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第8页二、生态平衡

定义：生态系统在一定时间和空间内，保持相对稳定状态，并能对外来干扰进行自我调整。生态系统自我调整能力是有程度，干扰超出程度，则不再含有恢复能力。这个程度称为生态阈限。环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第9页物质和能量输入<物质和能量输出生物量降低物质和能量输入>物质和能量输出生物量增加物质和能量输入≈物质和能量输出相对稳定环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第10页

生态系统平衡破坏和建立，是自然界发展普遍规律。每当气候、日照、季节改变，或因为人为原因，都可能造成旧平衡破坏和新平衡建立。生态系统总是在不平衡-平衡-不平衡发展过程中进行着物质和能量交换，推进着本身改变和发展。

环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第11页三、生态系统分类

因为生态系统能够小到一滴水，大到生物圈，所以，分类有各种。依据生存环境分：如水体生态系统和陆地生态系统。各自还可深入细分，比如淡水生态系统和海水生态系统；依据动态和静态可将淡水生态系统分为河流生态系统和湖泊生态系统；依据生物群落分，有动物生态系统、植物生态系统及微生物生态系统，在这些生态系统内又可依据生存环境或生物群落深入细分。环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第12页第二节土壤微生物生态一、土壤生态条件1．营养

土壤内有大量有机和无机物质（动植物残体、分泌物、排泄物等）

2．pH

3.5~8.5，多为5.5~8.5；适合于大多数微生物生长繁殖。

环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第13页3．渗透压

土壤内通常为0.3~0.6MPa，而在微生物（细菌）体内，G+为2.0~2.5MPa，G-为0.5~0.6Mpa。所以，土壤是等渗或低渗溶液，有利于微生物吸收水份和营养。4．氧气和水

土壤含有团粒结构，有孔隙，能够通气和保持水分。土壤中氧气含量要少于空气中，普通为7~8%。5．温度

土壤含有较强保温性，其改变幅度要小于空气。环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第14页6．保护层

表面几毫米厚土壤，能够使下面微生物免受紫外线直接照射。

综合以上各方面，所以说，土壤具备了微生物所需要营养和各种环境条件，是微生物良好天然培养基。

环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第15页二、微生物在土壤中种类、数量和分布1.数量和种类

同一土体因为微环境通气、水分、营养等情况都存在着差异，致使不一样微生物呈立体分布。每克肥土中通常含有几亿至几十亿个微生物，贫瘠土壤每克也有几百万至几千万个微生物。①细菌

数量：70~90%；种类：主要为腐生，少数自养分布：表层最多，随土层加深降低，厌氧菌反之。②放线菌数量：5~30%③真菌④藻类⑤原生动物环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第16页表9－2农田土壤上层15cm处微生物数量和生物量微生物土壤中数量(个/g)生物量（g/m2）细菌

放线菌

真菌

藻类

原生动物9.8×107

2.0×106

1.2×102

2.5×204

3.0×104160

160

200

32

8环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第17页2.分布

水平分布——不一样类型土壤中所含微生物不一样

垂直分布——同一土壤不一样深度，微生物分布不一样环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第18页三、土壤自净和污染土壤微生物生态1．土壤自净土壤对进入其中一定负荷有机物或有机污染物含有吸附和生物降解能力，经过各种物理、生化过程自动分解污染物使土壤恢复到原有水平净化过程，称土壤自净。

环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第19页土壤自净是有一定程度，即自净容量。假如超出这个容量，就会造成土壤污染。土壤自净能力大小取决于土壤中微生物种类、数量和活性；取决于土壤结构、通气情况等理化性质。土壤有团粒结构，并栖息着极为丰富、种类繁多微生物群落，这使土壤含有强烈吸附、过滤和生物降解作用。环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第20页2．污染土壤微生物生态土地是天然生物处理厂，可用土地法处理废水、生活污水，易被微生物降解工业废水经土地处理后得到净化。进行土壤浇灌时，要十分小心，要注意：（1）要依据物质和植物特点，合理浇灌；（2）不能超出自净容量；（3）不能用含有有毒或难以降解物质污水。这是因为这些物质会在生物体内积累、富集，最终会影响到人类自己。环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第21页四、土壤污染和土壤生物修复1．土壤污染及其后果起源：废水（农田浇灌和土地处理）、固体废弃物、油库泄漏或农药使用等。污染物质：农药、石油类、氨、重金属等。易降解污染物在土壤中会被逐步分解，而难降解物质和重金属等会在土壤中停留和积累，甚至进入地下水中。环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第22页土壤污染后果：（1）改变土壤性质，破坏土壤生态系统；（2）污染物经过食物链迁移或进入水体，危害人类健康；（3）各种病原微生物可能经过各种路径传输。环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第23页2．土壤修复

土壤生物修复是利用土壤中天然微生物或人为加入特定菌株，使土壤中污染物质加紧降解和转化速度，使土壤恢复其天然功效。相关污染环境修复（生物修复），是当前环境科学领域热点之一。

环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第24页土壤生物修复技术关键（1）微生物种

当前“土著”微生物应用较多，含有经济性，但效果较差；从污染土壤选育优势菌种，经扩大培养接种到污染土壤中，易实施，收效快，效果好；质粒育种或基因工程构建工程菌，但有不相容性。环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第25页（2）微生物营养C:N:P

因污染物过量积累，可能使营养物质品种单一，营养元素百分比失衡严重，要经过可行性试验确定适应营养元素百分比。可参考普通土壤微生物碳氮比25:1，污水好氧生物处理BOD:N:P=100:5:1等作基本参数，在试验过程中加以调整。环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第26页（3）溶解氧通气良好土壤溶解氧在5mg/L左右，粘土和积水土溶解氧极低，加上有污染物，因而溶解氧更低。确保好氧微生物和兼性厌氧微生物旺盛生长，才能有效分解污染物。用鼓风机向地下鼓风，可使土壤中溶解氧达8～12mg/L；通纯氧可达50mg/L；若含有较多苯和低碳烷基苯，则需更多溶解氧（20～200mg/L）满足微生物需要，苯等污染物才能被氧化彻底。（4）微生物环境因子适量水、pH和温度对于土壤生物修复也有很大影响。环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第27页土壤生物修复工程（1）原位处理：在污染区原地钻一组注水井，用泵注入微生物、水和营养物，通入空气。另外钻一组抽水井，用抽水泵抽取地下水，使地下水呈流动状态，促使微生物和营养物质均匀分布。工艺简单，费用低，但处理速度较慢。（2）生物通风气体流动。用于处理因储油罐泄漏而污染土壤环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第28页第三节空气微生物生态一、空气生态条件

紫外线、干燥、温度改变大、缺乏营养等，这些特点决定了空气不是微生物生长繁殖场所。

二、空气微生物种类、数量和分布1.空气中微生物起源于：土壤（飞扬尘土把微生物带至空中）；水体（水面吹起小水滴）；人和动物（皮肤脱落物、呼吸道等）环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第29页不一样场所上空微生物数量（单位：个/m3空气）场所畜舍宿舍城市街道市区公园海洋上空北纬80°微生物1～2×1062×1045×1032001～20环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第30页2.空气中微生物只是短暂停留，是可变，没有固定类群。3.在空气中存活微生物，主要是有芽孢细菌、有孢子霉菌、放线菌及各种胞囊。4.取决于各种原因影响：空气相对湿度、紫外线、尘土颗粒数量和大小以及微生物本身性质。也与环境卫生情况相关，如绿化。环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第31页三、空气微生物卫生标准及生物洁净技术

空气是人类与动植物赖以生存极主要原因，也是传输疾病媒介。为了预防疾病传输，提升人类健康水平，要控制空气中微生物数量。当前，空气还没有统一卫生标准，普通以室内1m3空气中细菌总数为500~1000个以上作为空气污染指标。空气污染指示菌以咽喉正常菌丛中绿色链球菌为最适当，绿色链球菌在上呼吸道和空气中比溶血性链球菌易发觉，且有规律性。环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第32页

最好办法是绿化环境和搞好室内外环境卫生。有些工业部门需要采取生物洁净技术净化空气，多用备有高效过滤器空气调整除菌设备，它既到达恒温控制又可提供无菌空气。生物洁净室也没有统一标准，大多数国家采取美国1967年颁发航空宇宙局(NASA)标准。该标准要求严格，对民用生物洁净环境要求可能过高。

环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第33页

空气微生物卫生标准能够浮游细菌数为指标或以降落细菌数为指标。飘浮在空气中细菌称浮游细菌。浮游细菌附着在尘粒上，故浮游细菌数量与尘粒数量和粒径相关。浮游细菌在一定条件下迟缓地降落下来成为降落菌。它数量取决于浮游细菌数量，浮游细菌和降落菌有一定关系。环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第34页（一）空气微生物测定方法落菌数（平皿落菌法）1.将营养琼脂培养基融入无菌平皿中制成平板，2.将它放在待测点（通常设5个测点），打开皿盖暴露于空气中5～10min，待空气微生物降落在平板表面，3.盖好皿盖，置于培养箱中培养48h后取出，计菌落数即落菌数。四空气微生物检测环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第35页撞击法1.用吸风机或真空泵将含菌空气以一定流速穿过狭缝，菌落被吸到营养琼脂培养基平板上。平板以一定转速旋转。2.通常平板转动一周，取出置于37℃恒温培养箱中培养48h，计算含菌量环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第36页注：采集含菌量高空气样品时。平板转动速度要比含菌量低空气样品转速快。液体法1.将一定体积含菌空气通入无菌蒸馏水或无菌液体培养基中，依靠气流洗涤和冲击使微生物均匀分布在介质中。2.取一定量菌液涂布于营养琼脂平板上3.置于37℃恒温培养箱中培养48h，取出计菌落数环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第37页（二）空气微生物检测点数以20～30个测点数为宜，最少测点数为5～6个（三）空气微生物培养温度和时间37℃，48h环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第38页第四节水体微生物生态一、水体中微生物群落水体：天然水体和人工水体水体中微生物起源：水体中固有；来自土壤（径流）；生产和生活（废弃物）；空气（降雨等）。

水体中微生物种类很多，微生物在水体中分布和数量受水体类型、有机物含量、微生物拮抗作用、雨水冲刷、河水泛滥、工业废水、生活污水排放量等原因影响。环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第39页（一）海洋中微生物群落1、种类：多数是嗜盐菌2.分布水平分布：沿海带，海水中含有大量有机物，温度适宜，每毫升海水含菌10，0000个。外海带，每毫升含菌10～250个。海洋微生物水平分布内陆气候、雨量、潮汐影响。环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第40页垂直分布：表层（0～10m）：藻类中层（5～50m）：兼性厌氧微生物底层：厌氧菌及硫酸还原菌3.海洋微生物群落生态特征海水盐质量浓度高约30g/L，所以海洋微生物大多是耐盐或嗜盐，有还能耐高渗透压。海洋微生物还耐高静水压力，甚至嗜高静压力。

环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第41页4.分类按栖息地分为底栖性细菌：因海底地质结构和有机物含量不一样而异；浮游性细菌：有鞭毛，自由生活附着性细菌：附着于动、植物体上，异养菌环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第42页（二）淡水微生物1、起源：土壤、空气、污水及有机残体2、种类：自养菌3、影响微生物在淡水中分布因子：营养物质、温度、溶解氧、pH等。浸入小河里载玻片上发育形成小菌落环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第43页蓝细菌、藻、水生植物阳光表层输入(河流)产氧光合动物、原生动物、好氧细菌嗜甲烷菌、无机化能细菌不产氧光合发酵厌氧呼吸菌产甲烷菌沉积物厌氧层好氧层表层输出层次化湖泊生态水体不一样层次微生物分布环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第44页二、水体自净和污染水体微生物生态（一）水体自净1．概念河流（水体）接纳了一定量有机污染物后，在物理、化学和水生物(微生物、动物和植物)等原因综合作用后得到净化，水质恢复到污染前水平和状态，叫作水体自净。任何水体都有其自净容量。自净容量是指在水体正常生物循环中能够净化有机污染物最大数量。环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第45页———自然净化物理作用：稀释、沉淀（强）化学作用：日光、氧气等对污染物分解（弱）生物作用：生物降解（食物链）（强）环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第46页2．自净过程水体自净过程大致以下：a污染物排入水体后被水体稀释，有机和无机固体物沉降至河底b水体中好氧细菌利用溶解氧把有机物分解为简单有机物和无机物c水体中溶解氧逐步恢复d自净过程完成环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第47页水体自净过程大致以下a.物理作用有机污染物排入水体后被水稀释，有机和无机固体沉降到河底；b.生物作用

溶氧↓溶解氧↑好氧菌↑好氧菌↓有机物降解

厌氧菌↑自然溶氧、藻类产氧以下列图河流污染和自净过程环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第48页河流污染与自净过程

污水环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第49页河流污染对水生生物影响

环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第50页3．衡量水体自净指标（1）P/H指数：P代表光合自养型微生物，H代表异养型微生物，二者比即P/H指数。P/H指数反应水体污染和自净程度。水体刚被污染，水中有机物浓度高，异氧型微生物大量繁殖，P/H指数低，自净速率高；在自净过程中，有机物降低，异养型微生物数量降低，光合自养型微生物数量增多，P/H指数升高，自净速率逐步降低，在河流自净完成后，P/H指数恢复到原有水平。

环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第51页（2）氧浓度昼夜改变幅度和氧垂曲线。

水中溶解氧起源：由空气中氧溶于水而得到补充：光和自养型微生物光和作用放出氧得到补充环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第52页污染河流中氧浓度昼夜改变示意图

环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第53页（二）污染水体微生物生态1．污化系统毒物或污染物排入水体后水质发生一系列改变，靠近污染源往往污染较严重，因河水有自净能力，随距离增加河水逐步净化。依据这个原理，将水体划分为一系列带：多污带、α中污带、β中污带和寡污带，并存在对应生物群落，耐污种类及其数量按以上次序逐步降低，而不耐污种类和数量逐步增多。污化指示生物包含细菌、真菌、藻类、原生动物、轮虫、浮游甲壳动物，底栖动物有寡毛类颤蚯蚓、软体动物和水生昆虫。环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第54页（1）多污带

水呈暗灰色，很浑浊，含有大量有机物，BOD高，溶解氧极低，为厌氧状态。因为环境恶劣，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，每毫升含几亿个细菌。水面上有气泡，鱼类绝迹。（2）α中污带水为灰色，溶解氧少，为半厌氧状态，有机物降低，BOD下降，水面上有泡沫和浮泥，有NH3、氨基酸及H2S,生物种类比多污带稍多。细菌数量较多，每毫升水约有几千万个。有藻类、原生动物，底泥已部分无机化环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第55页（3）β中污带

有机物较少，BOD和悬浮物含量低，溶解氧浓度升高，细菌数量降低，每毫升水有几万个。藻类大量繁殖，水生植物出现。（4）寡污带标志着河流自净过程已完成，有机物全部无机化，BOD和悬浮物含量极低，H2S消失，细菌极少，水浑浊度低，溶解氧恢复到正常含量。应用污化系统时，要注意两点：（1）只适合用于有机污水（无毒）；（2）只能定性描述。环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第56页特征多污带α-中污带β-中污带寡污带水色暗灰色，很浑浊灰色，较浑浊浑浊浑浊度低BOD高降低,有悬浮物降低,悬浮物少极少,悬浮极少溶解氧含量极低（或无）少升高恢复正常气体H2S、CO2和CH4NH3、H2S氨及H2S降低H2S消失细菌数量几亿/毫升几千万/毫升几万/毫升极少微生物种类特点（兼）厌气性硫酸还原菌产甲烷菌藻类及原生动物出现藻类大量繁殖纤毛虫活跃鱼腥藻、硅藻、黄藻、钟虫、变形虫动物类型寡毛类（颤蚯蚓）颤蚯蚓，增多轮虫、浮游甲壳动物轮虫、浮游甲壳动物增多显花植物无无出现增多鱼类无无无有底泥大量有机质部分无机化大量无机化环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第57页注：*颤蚯蚓属后生动物，与陆地上蚯蚓从体态和习性上都十分相同，他们也是步骤动物，栖息于水底污泥中，与蚯蚓类似吞食污泥故俗称水蚯蚓，与蚯蚓不一样是，他们体表多毛。环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第58页**相关生物形态见下列图天蓝喇叭虫、椎尾水轮虫、栉虾。天蓝喇叭虫椎尾水轮虫栉虾环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第59页***β-中污带藻类见下列图。变异直链硅藻短棘盘星藻水花束丝藻梭裸藻环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第60页****寡污带指示生物见附图轮虫、水蚤、鱼腥藻、玫瑰旋轮虫。蚤状水蚤大型水蚤

鱼腥藻玫瑰旋轮虫前节晶囊轮虫环境工程微生物学微生物生态与环境生态工程中的微生物作用专家讲座第61页2．水体有机污染指标（1） BIP指数BIP=B/(A+B)×100%其中：A为有叶