第八章微生物的生态

前言生态学：研究生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系的一门科学。研究内容：微生物群体——微生物区系（microflora）或正常菌群（normalflora）对其周围生物和非生物环境条件的相互作用关系。生态学研究范围：生物圈（biosphere）、生态系统（ecosystem）、群落（community）、种群（population）。研究意义：理论：地球进化和生物进化原因实践：开发菌种资源、防治有害微生物、新的微生物农药、菌肥、医药、混菌发酵、生态农业，促进探矿、冶金、环保、提高土壤肥力以及开发生物能等当前第1页\共有94页\编于星期五\22点几个概念生物圈：地球上的所有生物。生态系统：生物群落与其无机环境相结合、相作用、相调控而成的动态系统。群落：同一环境中两个以上种群由于生活繁殖上的连锁而构成相依赖、相制约的生物集团。种群：生活在同一环境中的同种个体组成的能繁殖集团。与同种别地的种群有隔离、有界限。当前第2页\共有94页\编于星期五\22点微生物生态学研究微生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系。

各种环境中的微生物的种类、分布；微生物和其它生物的关系；微生物与物质循环。当前第3页\共有94页\编于星期五\22点第一节微生物在自然界中的分布与菌种资源的开发微生物的特点：个体微小，代谢营养类型多样，适应能力强微生物在自然界中分布广泛当前第4页\共有94页\编于星期五\22点一、微生物在自然界中的分布

（一）土壤中的微生物（二）水体中的微生物（三）空气中的微生物（四）工农业产品上的微生物（五）极端环境下的微生物（自学）（六）生物体内外的正常菌群当前第5页\共有94页\编于星期五\22点（一）土壤中的微生物土壤中的环境条件：营养、水分、空气、酸碱度、渗透压和温度条件都适于微生物的生活，是微生物的大本营、也是人类最丰富的“菌种资源库”。土壤中微生物的数量：按种类递减细菌——放线菌——霉菌——酵母菌——藻类——原生动物~108~107~106~105~104 ~103个/g每亩耕作土壤中，微生物湿重约90~225kg；以土壤有机质含量为2%计算，则所含细菌干重约为土壤有机质的1%左右。土壤微生物的代谢活动，可改变土壤的理化性质，进行物质转化，因此，土壤微生物是构成土壤肥力的重要因素。若按生物量计算则各种微生物的生物量基本相当。当前第6页\共有94页\编于星期五\22点土壤中的微生物分布特点1.土壤微生物的数量和分布主要受到营养物、含水量、氧、温度、pH等因子的影响，并随土壤类型的不同而有很大变化。2.土壤微生物的数量和分布受季节影响；3.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，随着土层的加深，微生物的数量逐步减少。4.土壤中的微生物以细菌最多，其次为放线菌和霉菌。当前第7页\共有94页\编于星期五\22点（二）水体中的微生物

数量和种类与接触的土壤有密切关系；垂直分带分布多是吸附在悬浮在水中的有机物上及水底；多能运动，有些具有很异常的形态（例如柄细菌）；靠近城市或城市下游水中的微生物多，并且有很多对健康不利的细菌，因此不宜作为饮用水源；水体自身存在自我净化作用。当前第8页\共有94页\编于星期五\22点蓝细菌、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EcologyofaStratifiedlake水体不同层次微生物分布当前第9页\共有94页\编于星期五\22点(1)嗜盐，真正的海洋细菌在缺少氯化钠的情况下是不能生长的。(2)低温生长，除了在热带海水表面外，在其它海水中发现的细菌多为嗜冷菌。(3)大多数海洋细菌为G-细菌，并具有运动能力。(4)耐高压（特别是生活在深海的细菌）。(5)更明显的垂直分层分布（透光区、无光区、深海区、超深渊区）德国科学家H.N.Schulz等1999年在纳米比亚海岸的海底沉积物中发现的一种硫磺细菌（sulfurbacterium），其大小可达0.75mm，Thiomargaritanamibiensis，------“纳米比亚硫磺珍珠”1.海水

当前第10页\共有94页\编于星期五\22点2.清水洁净湖泊和水库，微生物数量少（10~103/ml），以化能自养型和光能自养型微生物为主，部分腐生细菌，如色杆菌、无色杆菌和微球菌等；霉菌中如水霉、绵霉等的一些种；以及单细胞和丝状的藻类和一些原生动物常在水面生长，数量较少。以上微生物种类可以认为是水中的“土著”菌群。根据微生物对水生环境中的营养要求，将其分为三类：贫营养细菌（1~15mgC/L）、兼性贫营养细菌（指一些在富营养培养基中经反复培养后也能适应并生长的贫营养细菌）、富营养细菌（10gC/L）贫营养指数（O.I）：某水样中贫营养细菌占总菌数的百分比当前第11页\共有94页\编于星期五\22点3.腐败型水生微生物类型：流经城市的河水、港口附近的海水、滞留的池水、阴沟水环境情况：流入了大量的人畜排泄物、生活污物和工业废水等，有机物含量大增微生物数量和类群：数量：大量外来的腐生细菌，使腐败型水生微生物尤其是细菌和原生动物大量繁殖，每毫升污水的微生物含量达到107~108个。类群：革兰氏阴性无芽孢杆菌，如Proteus、E.coli、Enterobacteraerogenes和Alcaligenes等，各种Bacillus、Vibrio和Spirillum等的一些种纤毛虫类、鞭毛虫类和根足虫类等原生动物还有一些随人畜排泄物和病体污物进入水体的动植物致病菌繁殖及后果：通常因水体环境中的营养等条件不能满足其生长繁殖的要求，加上周围其它微生物的竞争和拮抗关系，一般难以长期生存，但由于水体的流动，也会造成病原菌的传播甚至疾病的流行。当前第12页\共有94页\编于星期五\22点（三）空气中的微生物

1.无原生的微生物区系，主要以气溶胶形式存在；2.来源于土壤、水体及人类的生产、生活活动；3.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；4.数量取决于尘埃数量；5.停留时间和尘埃大小、空气流速、湿度、光照等因素有关；6.与人类的关系：

传播动、植物疾病；造成食品及发酵生产中的污染当前第13页\共有94页\编于星期五\22点（四）工农业产品上的微生物1.工业产品的霉腐2.食品上的微生物3.农产品上的微生物当前第14页\共有94页\编于星期五\22点1、工业产品的霉腐工业品类型：纤维制品、革制品、橡胶制品、油漆、卷烟、化妆品等，塑料、水性涂料等，光学镜头、棱镜、建筑泥浆、钢缆、地下管道、金属材料等，电讯器材、感光和录音录象材料、文物、书画等材料劣化：工农业产品因受气候、物理、化学或生物因素的作用而被破坏的现象微生物引起的劣化（生物劣化）种类：霉变（mildew，mouldness）：由霉菌引起的劣化腐朽（decay）泛指在好氧条件下微生物酶解有机质使其劣化的现象，常见的如由担子菌引起的木材或木制品的腐朽现象腐烂（或腐败，Putrefection，rot）主要指由细菌或酵母菌引起的使物体变软、发臭性的劣化腐蚀（corrosion）主要指由硫酸盐还原细菌、铁细菌或硫细菌引起的金属材料的侵蚀、破坏性劣化变质（deterioration）指由各种生物或非生物因素引起的工农业产品质量下降的现象当前第15页\共有94页\编于星期五\22点霉腐微生物的控制控制其温度、湿度、氧气和养料采用有效的化学抑菌剂、杀菌剂或物理杀菌剂在工业产品加工、包装过程中，尽量保持环境卫生并严防杂菌污染 工业防霉剂筛选的试验菌种及其特性 菌名 破坏性能Aspergillusniger（黑曲霉） 在许多材料上广泛生长，抗铜盐Asp.terreus（土曲霉） 侵蚀多种材料Aureobacidiumpullulans（出芽短梗霉） 侵蚀涂漆与喷漆Paecilomycesvarioti（宛氏拟青霉） 侵蚀塑料和皮革Penicilliumfuniculosum（绳状青霉） 侵蚀织物及多种材料P.ochro-chloron（赭绿青霉） 侵蚀塑料与织物，抗铜盐Scopularriopsisbrevicaulis（短柄帚霉） 侵蚀橡胶Tricodermaviride（绿色木霉） 侵蚀纤维织物与塑料当前第16页\共有94页\编于星期五\22点2、食品上的微生物食品的基质条件：含有丰富的营养物质和适宜的环境食品上微生物的来源：食品原料的采收、运输、加工和包装过程中被微生物污染，食品原料在土壤中生长所正常带有的微生物污染食品的微生物种类：Aspergillus、Penicillium、Fusarium、Alternaria、Paecilomyces、Rhizopus、Mucor、Trichoderma、Phoma、Escherichiacoli、Staphylococcusaureus、Bacillussubtilis、B.megaterium、Salmonella、Proteusvulgaris、Pseudomonasaeroginosa、Lactobacillus、Streptococcuslactis、Clostridium、Sacchromycescerevisiae等。微生物污染的危害：除引起食品变质外，还可能含有各种致病菌和毒素等有害代谢产物，会引起人类的各种严重疾病当前第17页\共有94页\编于星期五\22点防止霉腐的方法在加工、制造、包装过程中必须特别注意清洁卫生；控制保藏条件——采用低温、干燥、密封等措施；添加少量无毒的化学防腐剂——如苯甲酸、山梨酸、脱氢醋酸、维生素K、丙酸、二甲基延胡索酸等。当前第18页\共有94页\编于星期五\22点农产品上的微生物——粮食和饲料上的微生物主要菌种：以青霉属、曲霉属、镰孢霉属（Fusarium）等的一些种为主。真菌毒素：目前已知的五万多种真菌中，至少有两百多个种能产生一百多种真菌毒素，其中有14种致癌，两种是剧毒致癌剂，其一为黄曲霉毒素（aflatoxin），另一种是由某些镰孢菌产生的单端孢烯族毒素T2。凡是被霉菌严重污染的粮食一般都含有多种真菌毒素，因此，“防癌必先防霉”。一份“黄变米”试样中70%米粒污染有产毒真菌，并都含有真菌毒素；北京空气中飘浮的真菌中11.5%是产毒真菌。主要真菌毒素：黄曲霉毒素、赭曲霉素、杂色曲霉素、岛青霉素、黄天精、环氯素、展青霉素、桔青霉素、皱褶青霉素、黄绿青霉素、青霉酸、圆弧青霉素、偶氮酸、单端孢烯族毒素、二氢雪腐镰刀菌烯酮和T2毒素等。当前第19页\共有94页\编于星期五\22点当前第20页\共有94页\编于星期五\22点(六）生物体内外的正常菌群

1、人体的正常菌群2、无菌动物和悉生生物3、根际微生物和附生微生物当前第21页\共有94页\编于星期五\22点1、人体的正常菌群

在正常人体皮肤、粘膜及外界相通的各种腔道（如口腔、鼻咽腔、肠道和泌尿道）等部位，存在着对人体无害的微生物群，包括细菌、真菌、螺旋体、支原体等。在长期进化过程中，微生物群的内部及其与宿主之间互相依存、互相制约，形成一个能进行物质、能量等交流的动态平衡的微生态系统，常称之为正常菌群。当前第22页\共有94页\编于星期五\22点（1）正常菌群的生理作用①生物拮抗作用。正常菌群通过粘附和繁殖能形成一层自然菌膜，这是一种非特异性的保护膜,可促机体抵抗致病微生物的侵袭及定植,从而对宿主起到一定程度的保护作用。正常菌群除与病原菌争夺营养物质和空间位置外，还可以通过其代谢产物以及产生抗生素、细菌素等起作用。可以说正常菌群是人体防止外袭菌侵入的生物屏障。当前第23页\共有94页\编于星期五\22点②刺激免疫应答。正常菌群释放的内毒素等物质可刺激机体免疫系统保持活跃状态，是非特异免疫功能的一个不可缺少的组成部分。③合成维生素。有些微生物能合成维生素，如核黄素、生物素、叶酸、吡哆醇及维生素K等，供人体吸收利用。④降解食物残渣。肠道中正常菌群可互相配合，降解末被人体消化食物残渣，便于机体进一步吸收。正常菌群的生理作用（续）当前第24页\共有94页\编于星期五\22点（2）条件致病菌在一定条件下，正常菌群中的细菌也能使人患病：①由于机体的防卫功能减弱,引起自身感染。例如皮肤粘膜受伤（特别是大面积烧伤）、身体受凉、过度疲劳、长期消耗性疾病等，可导致正常菌群的自身感染；②由于正常菌群寄居部位的改变，发生了定位转移，也可引起疾病。例如大肠杆菌进入腹腔或泌尿道，可引起腹膜炎、泌尿道感染。人体表面的正常菌群，一旦它们进入伤口也会引起感染。条件致病菌：人体的正常微生物菌群一旦进入非正常聚居部位，或生态结构发生改变而引起人类疾病的微生物。当前第25页\共有94页\编于星期五\22点

（3）菌群失调及其常见诱因在正常情况下，人体和正常菌群之间以及正常菌群中各细菌之间，保持一定的生态平衡。如果生态平衡失调，以至机体某一部位的正常菌群中各细菌的比例关系发生数量和位置上的变化，称为菌群失调。主要是使用抗生素、同位素、激素，患有慢性消耗性疾病时肠道、呼吸道、泌尿生殖道的功能失常也是重要原因。去除诱因后一般可使菌群复常，也有长期失调难于逆转的情况。当前第26页\共有94页\编于星期五\22点菌群失调应对措施可以通过口服某些活的微生物制剂来治疗由于正常菌群失调而导致的腹泻，例如，含蜡状芽孢杆菌（Bcereus）的“促菌生”，含地衣芽孢杆菌的“整肠生”等，它们都是通过芽孢杆菌的生长，为肠道重新创造良好的厌氧环境，促使肠道内正常的厌氧菌的生长繁殖，这类活微生物制剂又称微生态制剂。微生态制剂一般用于恢复肠道内的正常生态环境，若肠道功能正常，一般不需要服用。当前第27页\共有94页\编于星期五\22点2、无菌动物和悉生生物种类饲养方法说明附记无菌动物隔离系统以封闭的无菌技术取得，用现有方法不能检出任何微生物和寄生虫的动物。悉生动物隔离系统确知所带的微生物丛（植物的和动物的）经特殊饲养的动物。确知所带有的微生物无特定病原体动物屏障系统没有指定的致病性微生物和寄生虫的动物。确知不带有的微生物普通动物开放系统不明确所带的微生物、寄生虫的动物，称普通动物，但不得带有人畜共患的传染病病原体。对微生物带有情况不明确当前第28页\共有94页\编于星期五\22点3、根际微生物和附生微生物根际微生物：生活在植物根系周围土壤中的微生物，为正常菌群，多为G-细菌附生微生物：生活在植物地上部分表面的微生物当前第29页\共有94页\编于星期五\22点第二节微生物

与生物环境之间的关系

在自然界中，各种微生物极少单独存在，总是较多地聚在一起，也常常与其他生物出现在一个限定的空间内，它们之间可能发生相互作用，并由此构成微生物以及微生物与其他生物间非常复杂而多样化的关系。

互生共生寄生拮抗捕食当前第30页\共有94页\编于星期五\22点定义：两种可以单独生活的生物，当它们生活在一起时，通过各自的代谢活动而有利于对方，或偏利于一方的生活方式。微生物间的互生关系：好氧性自生固氮菌与纤维分解菌微生物与植物的互生——植物内生菌：指那些在其生活史的一定阶段或全部阶段生活于健康植物的各种组织和器官内部的真菌或细菌。内生细菌在植物体内具有稳定的生存空间，不易受环境条件的影响，可以在植物体内独立的分裂繁殖和传递，使之成为生物防治中有潜力的微生物农药、增产菌或作为潜在的生防载体菌而加以利用。人体的肠道正常菌群：排阻、抑制外来致病菌提供若干种维生素：如VB1、B2、B6、B12、VK、烟酸、泛酸、生物素、叶酸等产生若干种酶类一、互生当前第31页\共有94页\编于星期五\22点混合发酵举例混菌培养与生产实践天然混菌培养——纯种混菌培养（人为的自觉的混合培养或混合发酵技术——生态工程）Arthrobactersimplex（简单节杆菌）和Streptomycesroseochromogenes（玫瑰产色链霉菌）混合培养进行甾体转化Propionibacteriumshermanii（谢氏丙酸杆菌）和Bacillusmesentericus（马铃薯芽孢杆菌）或E.coli的混合培养可生产缬氨酸Trichodermaviride（绿色木霉）408.2和Aspergillusoryzae（米曲霉）3.042混合曲可以提高酱油产率将Aspergillusniger（黑曲霉）和Zymomonasmobilis（运动发酵单胞菌）包埋在海藻酸钠小球中，可以直接将淀粉浆转化为乙醇混菌发酵分为同时合作进行与序列发酵两种，是根据时间上的先后与否划分的。当前第32页\共有94页\编于星期五\22点二、共生定义：两种微生物共居在一起，彼此依赖，相互分工合作、相依为命。甚至形成独特结构、达到难分难解合二为一的及其紧密关系。特点：在生理上相互分工，互换代谢活动的产物。在组织上形成了新的结构，一旦彼此分离，各自就不能很好地生活。当前第33页\共有94页\编于星期五\22点（一）微生物间的共生典型的例子是地衣。地衣组成：真菌（子囊菌，担子菌）、单细胞藻类（绿藻，蓝藻）地衣的结构：形成有固定形态的叶状结构，真菌无规则地缠绕藻类细胞，或二者组成一定的层次排列。地衣的代谢：地衣中的真菌和藻类已形成特殊形态的整体了，在生理上相互依存，真菌营异养生活，藻类制造养料，真菌提供水分、无机盐供藻类光合作用。当前第34页\共有94页\编于星期五\22点（二）微生物与动物共生1.微生物与昆虫的共生2.瘤胃微生物当前第35页\共有94页\编于星期五\22点1、微生物与昆虫的共生外共生：例如白蚁与其肠道内的微生物之间的共生食木质的白蚁自身并不能分解纤维素，必须依赖肠道内共生的原生动物和细菌通过厌氧发酵过程来分解纤维素。内共生：昆虫与其细胞内的共生性细菌这些细胞内的共生性细菌能为宿主提供B族维生素，使昆虫能以缺乏维生素的植物为生。当前第36页\共有94页\编于星期五\22点2、瘤胃微生物

牛羊等反刍动物，草是主要饲料，但它们本身没有分解纤维素的能力，而是靠瘤胃微生物帮助分解，使纤维素变成能被牛羊吸收的糖类。反刍动物有四个胃，前两个胃叫瘤胃和网胃，后两个胃叫瓣胃和皱胃，瘤胃和网胃是草料暂时贮存、分解、加工的场所，PH5.8-6.8之间，适宜微生物生长，有大量的纤维素、淀粉、脂肪分解菌。当草料到达瘤胃和网胃时，首先是纤维素菌将纤维素分解为纤维二糖、葡萄糖被其他微生物吸收利用转化，产生乳酸，丁酸、脂肪酸等有机酸和CO2及CH4等气体，前两个胃没有消化完的草料进入后两胃，由其分泌蛋白酶消化分解产生氨基酸、维生素等。被动物体吸收利用。当前第37页\共有94页\编于星期五\22点（三）微生物与植物间的共生体1、根瘤2、菌根菌和植物当前第38页\共有94页\编于星期五\22点1、根瘤根瘤：豆科植物与固氮菌共生、非豆科植物与放线菌共生当前第39页\共有94页\编于星期五\22点2、菌根菌和植物菌根：有些真菌能够在一些植物的根上发育，菌丝体着生根的表面或侵入根内，形成两种生物的共生体－菌根。能够与植物共生形成菌根的真菌，称为菌根菌。菌根菌包括藻状菌，子囊菌和半知菌。以担子菌为最多。能与真菌共生的植物有2000种。（1）外生菌根：主要分布于木本的乔、灌木；可形成菌套；或哈蒂氏网（2）内生菌根：菌丝体存在于根皮层薄壁细胞之间，并且进入细胞内部，形成丛枝。具内生菌根的植物，一般都保留着根毛。最常见和最重要的是泡囊-丛枝状菌根当前第40页\共有94页\编于星期五\22点菌根作用

①帮助植物吸收水分和养料；②调节植物代谢；③增强植物抗病能力当前第41页\共有94页\编于星期五\22点

三、寄生定义：一种生物侵入另一种生物体内吸取自己所需要的营养物质进行生长繁殖，在一定的条件下对后者造成损害或死亡的现象微生物间的寄生：噬菌体与其宿主之间的关系真菌对真菌的寄生细菌或真菌寄生于原生动物细菌寄生于细菌：蛭弧菌寄生于Pseudomonasphaseolicola（栖菜豆假单胞菌）微生物与植物之间的寄生关系：植物病原体引起植物病害微生物与动物之间的寄生关系：各种病原微生物昆虫病原菌——生物农药冬虫夏草当前第42页\共有94页\编于星期五\22点植物病害1、植物病害中以真菌病害为主，占95%担子菌纲病原菌能引起小麦铁锈病和黑穗病。半知菌类可引起棉花炭疽病，立枯病，黄萎病，水稻稻瘟病等。藻菌纲可引起马铃薯与蕃茄晚疫病。子囊菌纲可引起大麦和苹果白粉病等。2、细菌性植物病害占3%。大多为无芽孢，具鞭毛Ｇ－菌。如假单胞杆菌属，黄杆菌属，土壤杆菌属，棒杆菌属和欧文氏菌属等，这些病原菌主要从植物气孔等自然孔口和伤口侵入植物体内，寄生在组织细胞间或导管中，引起传染病害。当前第43页\共有94页\编于星期五\22点

微生物对人与动物的寄生微生物在人体和动物体内寄生引起人与动物的传染病，这些微生物称为动物病原微生物。常见的畜禽传染病有炭疽病，口蹄疫，猪瘟，鸡瘟病等。病原微生物寄生在有益的动植物体内会给人们造成经济损失，寄生在有害动物体内，则对人类是有益的，可以加以利用。如微生物寄生在有害昆虫体内，引起害虫致病死亡，对农产品发展是有利的，昆虫病原菌包括细菌真菌病毒等几类。目前利用微生物消灭农业害虫已成为微生物防治的一个重要方面。现被人们利用的微生物有苏云金杆菌等细菌、白僵菌等真菌及昆虫病毒等。

冬虫夏草当前第44页\共有94页\编于星期五\22点四、拮抗定义：一种微生物生命活动中，通过产生某些代谢产物或改变环境条件，能抑制其它微生物的生长繁殖，或毒害杀死其它微生物的现象。类型：非特异拮抗关系如乳酸菌能产生乳酸，能抑制腐败菌的生长，酸菜泡菜不易烂就因如此。这种抑制作用没有特定专一性，对不耐酸的菌都有抑制作用。特异拮抗关系一种微生物在生命活动中，能产生某种或某类特殊代谢产物，具有选择性地抑制或杀死其它种微生物。前种菌称为抗生菌，后者称为敏感菌，拮抗性物质称抗生素。如青霉素产生菌与病原菌之间关系。当前第45页\共有94页\编于星期五\22点定义：一种大型的生物直接捕捉、吞食其他小型生物来满足生存需要的现象。类型：1、原生动物：捕食水体和土壤中的细菌，放线菌，真菌的孢子及单细胞藻类为食2、捕食性真菌：捕食线虫五、捕食当前第46页\共有94页\编于星期五\22点生物圈的繁荣发展，能量来源主要依赖于太阳，而元素来源主要依赖于由微生物推动的物质循环。地球进化可分为：化学进化和生物学进化两个阶段。原始地球大气的组成：氢化物气体、水、氨、甲烷、硫化氢等。原始海洋汇集了地壳表面大量可溶性化合物，成为诞生原始生命的摇篮第三节微生物与自然界物质循环当前第47页\共有94页\编于星期五\22点地球的进化化学进化：由无机小分子生成有机小分子物质由有机小分子物质形成生物大分子物质由生物大分子组成团聚体或微球体形式的多分子体系，并进一步演变为原始生命生物进化单极生态系统：只存在单一营养类型（异养分解者）的生态系统。双极生态系统：生态系统中具备了自养与异养（即合成和分解）两个环节。自养者是蓝细菌。三极生态系统：由于不同类型原核生物间发生内共生作用，出现了真核动物细胞和真核植物细胞，形成了三极生态系统。即出现了食物链。当前第48页\共有94页\编于星期五\22点一、微生物在自然界物质循环中的作用1、碳素循环2、氮素循环3、硫素循环4、磷素循环当前第49页\共有94页\编于星期五\22点

第四节微生物与环境保护生物圈内的各种物质，都是处于不断地合成，分解和转化的动态平衡状态之中。由此组成一个自我调节，自我维持的一个协调整体，从而保证了地球上生命的延续。当前第50页\共有94页\编于星期五\22点但是当人们违背了自然界的生态平衡规律，将粪便、垃圾、污水等生活废弃物和工业生产所形成的“三废”及农业生产中使用的农药残留物等，大量排入环境中，这些物质超过了环境所能耐受的容纳量，就破坏了自然界的生态平衡，其结果造成环境污染。这样不仅危及国民经济，而且对人类健康有严重危胁，甚至影响到子孙后代的繁衍昌盛。因此保护环境已成为人们日益关心的重大问题。当前第51页\共有94页\编于星期五\22点一、水体的污染水资源污染日益严重当前第52页\共有94页\编于星期五\22点富营养化水体中氮、磷等元素含量过高而引起水体表层的蓝细菌和藻类过度生长繁殖。当前第53页\共有94页\编于星期五\22点水华：淡水水体中的富营养化当前第54页\共有94页\编于星期五\22点赤潮：咸水水体中的富营养化当前第55页\共有94页\编于星期五\22点二、用微生物处理污水几个基本概念：BOD即生化需氧量，是水中有机物含量的一个指标。一般指1L污水或待测水样中所含的一部分易氧化的有机物，当微生物对其氧化、分解时，所消耗的水中的溶解氧的毫克数。常用BOD5表示。BOD5（biologicaloxygendemand）：五日生化需氧量。表示水中有机物含量的间接指标。一般指在20℃下，1L污水中所含的有机物（主要是有机碳源），在进行微生物氧化时，5日内所消耗的分子氧的毫克数（或ppm数）。COD（chemicaloxygendemand）：即化学需氧量。使用强氧化剂使1L污水中的有机物质迅速进行化学氧化时所消耗氧的毫克数。实际上许多无机物也能被氧化而影响COD值。COD能在短时间内测得，有利于指导现场操作。常用的氧化剂是K2Cr2O7，测得为CODCr。当前第56页\共有94页\编于星期五\22点厌氧发酵1、微生物处理污水的原理污水（高BOD）分层多种微生物群体O2气体：CO2,NH3,H2S,CH4,H2,CO等清水：含SO42-,NO3-,PO43-等无机离子残渣沼气废渣当前第57页\共有94页\编于星期五\22点2、污水处理的方法和装置污水处理装置节能型氧化塘法洒水滤床法耗能型活性污泥法生物膜法推流式曝气法完全混合曝气法生物转盘法塔式滤池法产能型：厌氧消化法（即沼气发酵）当前第58页\共有94页\编于星期五\22点北京高碑店污水处理厂活性污泥法活性污泥：由细菌、微型动物为主的微生物与悬浮物质、胶体物质混杂在一起形成的具有很强吸附分解有机物的能力和良好的沉降性能的絮状体颗粒。当前第59页\共有94页\编于星期五\22点（活性污泥法）当前第60页\共有94页\编于星期五\22点曝气池活性污泥的基本特性组成：有机和无机的固体好氧微生物兼性厌氧微生物专性厌氧微生物絮状体或绒粒曝气法性质：含水率99%具沉降性；具生物活性絮体大小为具一定pH缓冲能力当前第61页\共有94页\编于星期五\22点生物转盘法当前第62页\共有94页\编于星期五\22点按其性状有机废物无机废物按其来源固体废物的分类矿业废物工业废物城市垃圾污水处理厂污泥农业废物放射性废物（二）固体废弃物的微生物处理当前第63页\共有94页\编于星期五\22点1.堆肥法依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程称为堆肥。根据处理过程中起作用的微生物对氧气要求的不同，堆肥法可分为：好氧堆肥法厌氧堆肥法当前第64页\共有94页\编于星期五\22点生物堆肥潜伏阶段

中温阶段

高温阶段

腐熟阶段

当前第65页\共有94页\编于星期五\22点2、卫生填埋指将垃圾在填埋场里分层填埋的处理方法。由废物层（一般厚度2.5～3.0m）和覆土层（一般厚度为0.2～0.3m）构成一个填埋单元，由一系列填埋单元构成一个填埋层，当填埋至设计高度后再盖上一层0.9～1.2m的土壤，压实后就得到了一个完整的卫生填埋场。覆土层废物层第二层第一层不透水层夯实粘土当前第66页\共有94页\编于星期五\22点填埋坑中微生物的活动过程1、好氧分解阶段随着垃圾填埋，垃圾孔隙中存在着大量空气也同样被埋入其中，因此开始阶段垃圾只是好氧分解，此阶段时间的长短取决于分解速度，可以由几天到几个月。好氧分解将填埋层中氧耗尽以后进入第二阶段。2、厌氧分解不产甲烷阶段在此阶段，微生物利用硝酸根和硫酸根作为氧源，产生硫化物、氮气和二氧化碳，硫酸盐还原菌和反硝化细菌的繁殖速度大于产甲烷细菌。当还原状态达到一定程度以后，才能产甲烷，还原状态的建立与环境因素有关，潮湿而温暖的填埋坑能迅速完成这一阶段而进入下一阶段。3、厌氧分解产甲烷阶段此阶段甲烷气的产量逐渐增加，当坑内温度达到55℃左右时，便进入稳定产气阶段。4、稳定产气阶段此阶段稳定地产生二氧化碳和甲烷。当前第67页\共有94页\编于星期五\22点当前第68页\共有94页\编于星期五\22点

好氧菌的降解作用

原生动物等的吞噬作用

水体食物链的富集作用致病菌一般对营养要求苛刻，因此在一般的水中只能存活2-3天

水表微生物会受辐射等作用而被杀灭

由固形物吸附再沉积到水底水体接纳了一定量的有机污染物后，在物理的、化学的及生物等因素的综合作用后得到净化，水质恢复到污染前的水平和状态。当前第69页\共有94页\编于星期五\22点当前第70页\共有94页\编于星期五\22点严重污染的水会通过食物链的生物放大作用危害人类健康当前第71页\共有94页\编于星期五\22点当前第72页\共有94页\编于星期五\22点饮用水的微生物指标：总菌数：

<100个/ml大肠杆菌：<3个/L当前第73页\共有94页\编于星期五\22点当前第74页\共有94页\编于星期五\22点地衣：是由藻类或蓝细菌与真菌形成的共生体光合作用运输矿质营养当前第75页\共有94页\编于星期五\22点外生菌根的主要特征是菌丝在宿主根表面生长繁殖，交织成致密的网套状构造，称作菌套。当前第76页\共有94页\编于星期五\22点外生菌根的另一特征是菌套内层的一些菌丝可透过跟的表皮进入皮层组织，把外层细胞逐一包围起来，以增加两者之间的接触和物质交换面积，称为-哈蒂氏网。当前第77页\共有94页\编于星期五\22点丛枝状菌根虽是内生菌根，但在根外也能形成一层松散的菌丝网，当其穿过根的表皮而进入皮层细胞间或细胞内时，即可在皮层中随处延伸，形成内生菌丝。内生菌丝可在皮层细胞内连续发生双叉分支，由此产生的灌木状构造叫丛枝；少数丛枝末端膨大，形成泡囊。当前第78页\共有94页\编于星期五\22点CO2+H2OO2+“CH2O”光合作用呼吸作用醇、有机酸、H2，CO2发酵作用CH4甲烷产生作用化石燃料地球化学作用一、碳素循环碳素是生物体最重要的一种元素，它的主要来源是大气中的CO2，只有通过生物所推动的碳素循环，特别是微生物的分解作用，使不同形态的碳素相互转化，大气中的CO2才不会被耗竭，生命才能维持。（一）自然界中的碳素循环当前第79页\共有94页\编于星期五\22点（二）碳素循环包括1、CO2的固定:

绿色植物和微生物通过光合作用固定自然界中的CO2

，合成有机物碳化物2、CO2的再生:

动物、植物和微生物进行呼吸作用获得能量，同时放了CO2

动、植物和微生物尸体等有机碳化物被微生物分解时，产生大量CO2

当前第80页\共有94页\编于星期五\22点（三）微生物在碳素循环中的作用微生物在碳素循环中具有非常重要的作用，它们既参与固定CO2光合作用，又参与再生CO2的分解作用。1、光合作用：参与光合作用的微生物主要是藻类，蓝细菌和光合细菌，它们通过光合作用，将大气中和水体中的CO2合成为有机碳化物。特别是在大多数水生环境中，主要的光合生物是微生物，在有氧区域以蓝细菌和藻类占优势；而在无氧区域则以光合细菌占优势。2、分解作用：自然界有机碳化物的分解，主要是微生物的作用。陆地和水域的有氧条件中，通过好氧微生物分解被彻底氧化为CO2

；在无氧条件中，通过厌氧微生物发酵被不完全氧化成有要酸、甲烷、氢和CO2

。能分解有机碳化物的微生物很多，主要有细菌、真菌和放线菌。当前第81页\共有94页\编于星期五\22点

二、氮素循环自然界的氮素循环是各种元素循环的中心，而微生物是整个氮素循环的中心。氮元素的自然形态：（1）铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐、（2）有机含氮物、（3）氮气大气体积中约有79%是分子态氮，但所有植物、动物和大多数微生物都不能直接利用。初级生产者植物体需要的氨盐、硝酸盐等无机氮化物、在自然界为数不多，常常限制了植物体发展，只有将分子氮进行转化和循环，才能满足植物体对氮素营养的需要。因此氮素物质的相互转化和不断地循环，在自然界十分重要。当前第82页\共有94页\编于星期五\22点NO3-生物有机氮NH4+NO2-大气N2NON2ONH2OH①生物固氮②硝化作用（1）②硝化作用（2）③硝酸盐同化作用④氨化作用⑤铵盐同化作用⑥异化性硝酸盐还原作用⑦反硝化作用⑧亚硝酸氨化作用自然界中的氮素循环当前第83页\共有94页\编于星期五\22点1、生物固氮分子态氮被还原成氨和其他氮化物的过程称为固氮作用。自然界氮的固定，有两种方式，一是非生物固氮，即通过闪电高温放电等固氮，这样形成的氮化物很少；二是生物固氮，即通过微生物的作用固氮，大气中90%以上的分子态氮都是通过微生物的作用而固定成氮化物。据70年代中期的统计全球生物圈每年生物固氮达8.7108吨，其中草原3.5107吨，林地4.0108吨，海洋3.6108吨，其它土壤0.6108吨。根瘤菌属每年可为每公顷土地固氮达250Kg。当前第84页\共有94页\编于星期五\22点2、硝化作用（nitrification）定义：土壤或水体中的氨态氮经化能自养菌的氧化而成为硝酸态氮的过程。过程：两阶段——（1）由亚硝化细菌参与，铵→亚硝酸；（2）由硝化细菌参与，亚硝酸→硝酸。意义：是自然界氮素循环中不可缺少的一环，对农业无益。3、硝酸盐同化作用（assimilatorynitratereduction）定义：绿色植物和微生物在利用硝酸盐的过程中，硝酸盐被重新还原成NH4+后再被利用于合成各种含氮有机物，这就是硝酸盐的同化作用。当前第85页\共有94页\编于星期五\22点（四）氨化作用（ammonnification）定义：含氮有机物经微生物的分解产生氨的作用。含氮有机物的种类：蛋白质、尿素、尿酸、几丁质等分解蛋白质的微生物种类：Pseudomonasfluorescens（荧光假单胞菌），Proteusvulgaris（普通变形杆菌），Bacillusmegaterium（巨大芽孢杆菌），B.subtilis和B.mycoides（蕈状芽孢杆菌），Clostridiumputrificum（腐败梭菌）。分解尿素的细菌如Sporosarcinaureae（脲芽孢八叠球菌）和Bacilluspasteurii（巴氏芽孢杆菌）。分解几丁质的细菌如Bacteriumchitinophilum（嗜几丁杆菌）和Chromobacteriumchitinochroma（几丁色色杆菌）等。意义：含氮有机物必须经过微生物降解才能被植物利用。当前第86页\共有94页\编于星期五\22点（五）铵盐同化作用（assimilationofammonium）所有绿色植物和微生物进行的以铵盐作为营养，合成氨基酸、蛋白质、核酸和其它含氮有机物的作用。（六）异化性硝酸盐还原作用（dissimilatory nitratereduction）定义：硝酸盐作为呼吸链的末端电子受体被还原为亚硝酸的反应。有时亚硝酸可进一步通过亚硝酸铵化作用（nitriteammonification）而产生氨或进一步通过反硝化作用（denitrification）产生氮气、NO或N2O。菌种：兼性厌氧菌，行无氧呼吸的菌种。当前第87页\共有94页\编于星期五\22点（七）反硝化作用定义：由硝酸盐还原成NO2–并进一步还原成N2的过程（广义）。狭义的反硝化作用仅指由亚硝酸还原成N2的过程。条件：厌氧（淹水的土壤或死水塘中）菌种：少数异养和化能自养菌。如：Bacilluslichenoformis（地衣芽