第七章 微生物生态

第七章微生物生态

1§7-1生态系统2一、生态系统和生物圈

(一)生态系统

1、生态系统的概念

生态系统是在一定时间和空间范围内由生物(包括动物、植物和微生物的个体、种群、群落)与它们的生境(包括光、水、土壤、空气及其他生物因子)通过能量流动和物质循环所组成的一个自然体。生态系统的概念亦可用一个简明的公式表达：生态系统＝生物群落+环境条件32、生态系统的结构

环境条件

生物群落

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、泥土其他环境条件：温度、pH……生产者：消费者：动物群落分解者或转化者：生态系统异养微生物、原生动物及微型后生动物植物群落、藻类、光合细菌及化能自养细菌43、生态系统的功能

生态系统是自然界的基本功能单元，其功能主要表现在生物生产、能量流动、物质循环和信息传递。它们是通过生态系统的核心——生物群落实现的。

54、生态系统的类型

生态系统根据大环境条件的不同，通常可分为两大类，即水生生态系统和陆地生态系统。

陆地生态系统具有鲜明的空间结构。生物群落在空间上有明显的垂直和水平分布，即具有三维空间结构和二维水平结构。水生生态系统包括海洋、河流、湖泊和沼泽等水域。陆地生态系统包括陆地上的各类生物群落。65、生态系统的特点

运动性(相对稳定状态)开放性(物质循环和能量流动)自我调节性(适应外界变化条件、维持系统动态平衡)相关性(彼此相互联系)演化性(产生、发展、消亡的周期性)7(二)生物圈

生存在地球陆地以上和海面以下各约10km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它们生存环境的总体，叫生物圈。8二、生态平衡

在一定的时期内，生产者、消费者和分解者之间保持着一种动态平衡状态，系统内的能量流动和物质循环在较长时期内保持稳定。这种状态就是生态平衡，又称自然平衡。9然而，生态系统的自行调节能力是有限度的，超越了生态阈限，自行调节能力的降低或丧失就会导致一系列连锁反应：各生物群落的种类和数量减少，各生物群落间的数量比例失调，能量流动和物质循环发生障碍，整个生态系统平衡失调。破坏生态平衡的因素有自然因素和人为因素。10§7-2土壤微生物生态11本节框架一、土壤的生态条件

二、微生物在土壤中的种类、数量和分布三、土壤自净和污染土壤微生物生态(一)土壤的污染及其不良后果

(二)土壤修复

四、土壤污染和土壤生物修复1、概念4、主要特点和优点5、局限性2、原理3、生物修复工艺12土壤是微生物最良好的天然培养基，它具有微生物所必需的营养和微生物生长繁殖及生命活动所需的各种条件。13Veryfewmicroorganismsarefoundfreeinthesoilsolution;mostofthemoccurasmicrocoloniesattachedtothesoilparticles.Asoilaggregatecomposedofmineralandorganiccomponents,showingthatlocalizationofsoilmicrobes.14一、土壤的生态条件

1、营养：土壤中有大量动、植物残体，植物根系的分泌物，还有人和动物的排泄物；有微生物生长发育所需的大量无机元素和微量元素。2、pH：土壤pH范围在3.5～8.5之间，多数在5.5～8.5之间，甚至不少土壤的pH接近中性，适合大多数微生物生长需要。3、渗透压：土壤的渗透压通常在0.3～0.6Mpa之间，G－杆菌体内的渗透压为0.5～0.6Mpa，G+球菌体内的渗透压为2.0～2.5Mpa。所以，土壤中的渗透压对微生物是等渗或低渗环境，仍有利于微生物摄取营养。154、氧气和水：土壤具有团粒结构，有无数小孔隙为土壤创造通气条件。土壤的团粒结构还起毛细管的作用，具有持水性，为微生物提供了水分。165、温度：土壤的保温性较强，一年四季温度变化不大，即使冬季地面冻结，一定深度土壤仍保持着一定的温度，可供微生物生长需要。6、保护层：几毫米厚的表层土是保护层，使土壤中的微生物免遭太阳光中紫外辐射的直接照射致死。17二、微生物在土壤中的种类、数量和分布1、土壤中微生物的种类和数量

(1)土壤中所含的微生物数量很大，尤以细菌最多。每克土壤的含菌量大体上有一个十倍系列的递减规律：细菌(～108)>放线菌(～107)>霉菌(～106)>酵母菌(～105)>藻类(～104)>原生动物(～103)18VisualizationofmicroorganismsonthesurfaceofsoilparticlesbyuseofSEMLeft:Rod-shapebacteriaCenter:ActinomycetesporesRight:Fungushyphae19(2)通过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。20(3)不同类型土壤中的各种微生物含量表7-2-1我国各主要土壤的含菌量(万/克干土)(据中国科学院南京土壤研究所资料)中性土和偏碱性土适合细菌和放线菌生长，酸性土适合霉菌和酵母菌生长。212、微生物在土壤中的分布(1)土壤中微生物的水平分布取决于碳源：即不同地区有不同的碳源，相应就会有不同的微生物。(2)土壤中微生物的垂直分布与紫外辐射的照射、营养、水、温度等因素有关。不同深度，微生物数量和种类都不同。22三、土壤自净和污染土壤微生物生态

存在于土壤中，最终会……可降解的物质消失?分解?……231、概念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，通过各种物理、生化过程自动分解污染物使土壤恢复到原有水平的净化过程，称土壤自净。2、土壤自净能力的大小(一)土壤自净取决于土壤中微生物的种类、数量和活性；取决于土壤结构、通气状况等理化性质。

24(二)污染土壤的微生物生态

污(废)水长期灌溉会引起土壤“土著”微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，这是________的结果。?诱导变异如果污(废)水灌溉量适中，不超过土壤自净能力是不会造成土壤污染的。25四、土壤污染和土壤生物修复

(一)土壤的污染及其不良后果

(二)土壤修复

1、土壤污染来源

2、污染物种类

3、土壤污染的后果

1、土壤生物修复的概念

4、主要特点和优点

5、生物修复技术的局限性2、生物修复技术的原理3、生物修复工艺261、土壤污染来源

(1)含有机毒物和重金属的污水和废水的农田灌溉；(2)含有机毒物和重金属的污、废水的土地处理；(3)固体废物的堆放和填埋等的渗滤液；(4)地下储油罐泄漏以及喷洒农药；(5)工厂污水的随意排放；272、污染物种类

有机农药，酚类物质、氰化物、石油、多环芳烃、洗涤剂、重金属以及有害微生物、高浓度耗氧有机物等。283、土壤污染的后果(1)有机、无机毒物过多滞留、积累在土壤中，改变了土壤理化性质，使土壤盐碱化、板结。毒害植物和土壤微生物，破坏土壤生态平衡。(2)土壤中的毒物被植物吸收、富集，浓缩，进入食物链，毒害人畜；被雨水冲刷流入河流、湖泊或渗入地下水，造成水体污染。(3)污水和废物中含有的病原微生物会通过各种途径进入人体，危害健康。291、土壤生物修复的概念

广义的

土壤生物修复包括利用土壤中的各种生物——植物、土壤动物和微生物吸收、降解和转化土壤中的污染物，使污染物的浓度降低到可接受的水平，或将有毒有害的污染物转化为无害的物质。

狭义的

土壤生物修复，就是利用微生物的作用将土壤中有害的有机污染物降解为无害的无机物(CO2和H2O)或其它无害物质的过程。这种技术应用最广泛，所以通常就把这种技术称为土壤的生物修复(Bioremediation)。302、生物修复技术的原理(1)在土壤中存在着多种多样的微生物，这些微生物能够适应变化了的环境，具有或产生酶，具备代谢功能，能够降解或转化土壤中难降解的有机物；(2)进入土壤的有机化合物大部分应具有可生物降解性，即在微生物作用下由大分子化合物转变为简单小分子化合物的可能性；在生物修复中起作用的微生物，根据其来源可分为三类：土著微生物、外来微生物和基因工程菌。313、修复工艺生物修复工艺可分为三大类型:原位处理(insitu)非原位处理(ex－situ)生物反应器(Bioreactor)。32(1)原位处理工艺该工艺是污染土壤不经搅动、挖出和运输,直接向污染部位提供氧气、营养物或接种，以达到降解污染物目的的生物修复工艺一般采用土著微生物处理，有时也加入经驯化和培养的微生物以加速处理。33在这种工艺中经常采用各种工程化措施来强化处理效果。这些措施包括泵处理【也称P/T(Pump／Treatment)技术】、生物通气(Bioventing)、渗滤(Percolation)、空气扩散等形式。注水井抽水井34(2)非原位处理工艺

该工艺是将受污染的土壤、沉积物移离原地，在异地用生物的、工程的手段进行处理，使污染物降解，受污染的土壤恢复到原有的功能。

主要的工艺类型包括土地耕作、堆肥化和挖掘堆置处理(或叫处理床；预备床)。35(3)生物反应器修复工艺

这种方式是将受污染的土壤挖掘起来，和水混合后，在接种了微生物的生物反应装置内进行处理，其工艺类似污水的生物处理方法，处理后的土壤与水分离后，脱水处理再运回原地。处理的出水视水质情况，直接排放或送入污水处理厂继续处理。反应器可分为两种类型：生物反应器(Bioreactor)和土壤泥浆反应器(Slurryreactor)，但也有人将这两种类型的反应器统称为生物反应器。364、土壤生物修复技术的主要特点和优点

(1)不破坏植物生长所需要的土壤环境，土壤的物理、化学、生物性质保持不变甚至优于原有的性质；(2)(对可降解)污染物降解完全，可将有机污染物降解为完全无害的无机物(CO2和H2O等)，没有二次污染问题；(3)处理形式多样，可就地处理，操作相对简单，如受污染土壤位于建筑物或公路下面不能挖掘和搬出时，可采取生物修复技术；(4)处理成本低于热处理及物理化学方法，其处理费用约为热处理费用的1/3～1/4；

(5)应用广泛，可处理各种不同种类的有机污染物，如石油、炸药、农药、除草剂、塑料等，无论小面积或大面积污染均可应用，并可同时处理受污染的土壤和地下水。375、生物修复技术的局限性(1)微生物不能降解所有进入环境的污染物，污染物的难降解性、不溶性以及与土壤腐殖质或泥土结合在一起常常使生物修复不能进行。特别是对重金属及其化合物，微生物也常常无能为力；(2)这一技术在应用时要对污染地点和存在的污染物进行详细的具体考察，如在一些低渗透的土壤中可能不宜使用原位生物修复，因为这类土壤或在这类土壤中的注水井会由于细菌生长过多而阻塞；

(4)这一技术受各种环境因素的影响较大，因为微生物活性受温度、氧气、水分、pH等环境条件的变化影响；(3)特定的微生物只降解特定类型的化学物质，状态稍有变化的化合物就可能不会被同一微生物酶所破坏；38§7－3空气微生物生态

39一、空气的生态条件空气中有较强的紫外辐射，空气较干燥，温度变化大，缺乏营养等特点。所以，空气不是微生物生长繁殖的场所。40二、空气微生物的种类、数量和分布

2）无原生的微生物区系，主要以气溶胶形式存在污染;1）来源于土壤、水体及人类的生产、生活活动；6）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；3）停留时间和尘埃大小、空气流速、湿度、光照等因素有关；7）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。5）越近地面的空气，其含菌量越高；

41三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术1、空气微生物的卫生标准目前还没有统一的卫生标准，一般以室内1m3空气中细菌总数为500～1000个以上作为空气污染的指标。

空气污染的指示菌以咽喉正常菌丛中的绿色链球菌为最合适，绿色链球菌在上呼吸道和空气中比溶血链球菌易发现，且有规律性。422、生物洁净技术：研究微环境的污染控制的技术，就是建立洁净环境的技术。(1)需要该技术的部门：制药工业、食品工业、医院、生物制品、医学科学研究及生物科学研究、遗传工程、生物工程、电子工业、钟表工业及宇航工业等。(2)多在生物洁净室内用备有高效过滤器的空气调节除菌设备实现。43四、空气微生物检测

评价空气的清洁程度，需要测定空气中的微生物数量和空气污染微生物。测定的细菌指标有：细菌总数和绿色链球菌，必要时则测病原微生物。44(一)空气微生物的测定方法1、固体法2、液体法(1)平皿落菌法(2)撞击法45(1)平皿落菌法测落菌数时，把一定数量的(随要求的检测精度而定)琼脂平皿，均布在室内的地板上，打开皿盖，暴露琼脂平板若干小时(随生物洁净室要求的洁净程度而定)。然后在37℃恒温箱内培养48小时，计数每个平皿琼脂表面的菌落数。再通过苏联奥梅梁斯基公式换算出浮游细菌数。(2)撞击法按说明书操作。

1、固体法462、液体法

将一定体积的含菌空气通入无菌蒸馏水或无菌液体培养基中，依靠气流的洗涤和冲击使微生物均匀分布在介质中，然后取一定量的菌液涂布于营养琼脂平板上，或取一定量的菌液于无菌培养皿中，倒入10mL融化(45℃)的营养琼脂培养基，混匀，待冷凝制成平板，置于37℃恒温箱培养48h，取出计菌落数。再以菌液的体积和通入的空气量计算出单位体积空气中的细菌数。47(二)空气微生物的检测点数培养一般细菌和细菌总数：37℃，48h。培养真菌：25℃，96h；为了避免出现“0”粒的概率，确保测定结果的可靠性，要考虑最小采样量。同样，在测降落菌时，要考虑最小沉降面积。空气微生物的检测点数越多越准确，一般取20～30个测点数为宜，最少测点数为5～6。(三)空气微生物的培养温度和时间(四)浮游菌最小采样量和最小沉降面积灵活掌握！48§7－4水体微生物生态

49水体中微生物的来源(1)水体中固有的微生物：有荧光杆菌、产红色和产紫色的灵杆菌、不产色的好氧芽孢杆菌、产色和不产色的球菌、丝状硫细菌、球衣菌及铁细菌等。(2)来自土壤的微生物：枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、氨化细菌、硝化细菌、硫酸还原菌、蕈状芽孢带杆菌、霉菌等。(3)来自生产和生活的微生物：各种工业废水、生活污水和牲畜的排泄物夹带各种微生物进入水体。它们是大肠杆菌群、肠球菌、产气荚膜杆菌、各种腐生性细菌、厌氧梭状芽孢杆菌、致病微生物如：霍乱杆菌、伤寒杆菌、痢疾杆菌、立克次氏体、病毒、赤痢阿米巴等。(4)来自空气微生物：雨雪降落时，将空气中的微生物夹带入水体中。50一、水体中的微生物群落

(一)海洋中微生物群落

1、海洋微生物群落分布2、海洋微生物群落的生态特征(二)淡水微生物群落

511、海洋微生物群落分布(1)海洋分沿(近)海带和外(远)海带。在沿海带，港口海水每毫升含菌1×105个；在外海，每毫升含菌10～250个。(2)海洋微生物的水平分布除受内陆气候、雨量等影响外，还受潮汐的影响。当涨潮时，海水受到稀释，含菌量明显减少，退潮含菌量增加。

(3)垂直分布：海面有阳光照射，藻类生长，溶解氧含量高，有好氧的异养菌，再往下则为兼性厌氧微生物。海底有兼性厌氧菌、厌氧异养菌及硫酸还原菌。522、海洋微生物群落的生态特征常见海洋微生物有假单胞菌属、弧菌属、黄色杆菌属、无色杆菌属及芽孢杆菌属等。按栖息地可分为浮游性细菌、附着性细菌和底栖性细菌。(1)浮游性细菌：这类细菌有鞭毛，自由生活，有荧光假单胞菌、变形杆菌、纤维弧菌、螺旋菌及人和动物的肠道细菌。(2)附着性细菌：这类细菌附着在动、植物体上，是异养菌。(3)底栖性细菌：因海底各处地质结构和有机物含量不同，底栖性细菌的水平分布也不同。53(二)淡水微生物群落

1、河流、湖泊、小溪和池塘等水体中微生物种类和土壤中的差不多，分布规律却和海洋中的相似。2、影响微生物群落分布、种类和数量的因素：水体类型、受污(废)水污染程度、有机物的含量、溶解氧量、水温、pH及水深等。其水平分布具有共同特点：沿岸水域有机物较多，微生物数量和种类也较多。54二、水体自净和污染水体的微生物生态

(一)水体自净1、水体自净2、水体自净过程3、衡量水体自净的指标(二)污染水体的微生物生态

1、污化系统

2、水体有机污染指标

55(一)水体自净

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561、水体自净

概念河流接纳了一定量的有机污染物后，在物理的、化学的和水生物(微生物、动物和植物)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，叫作水体自净。任何水体都有其自净容量。

自净容量是指水体正常生物循环中能够净化有机污染物的最大数量。572、水体自净过程污水自净急剧下降583、衡量水体自净的指标

(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，两者的比值即为P/H指数。①水体刚被污染，水中有机物浓度高，异养型微生物大量繁殖，P/H指数低，自净的速率高；②自净过程中，有机物减少，异养型微生物数量减少，光合自养型微生物数量增多，故P/H指数升高，自净速率逐渐降低，在河流自净完成后，P/H指数恢复到原有水平。P/H=（有叶绿素的微生物数量）/（异养微生物数量）P/H指数反映水体污染和自净程度。59(2)氧浓度昼夜变化幅度和氧垂曲线

河流污染中氧浓度昼夜变化示意图提问：为什么不同的净化程度昼夜变化幅度不同？氧浓度高低与细菌含量有关，昼夜变幅与藻类数量有关，因此与P/H或BIP有关。60(二)污染水体的微生物生态

1、污化系统当有机污染物排入河流后，在排污点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：多污带、α－中污带、β－中污带和寡污带，这是根据指示生物的种群、数量及水质划分的。污化指示微生物包括：细菌、真菌、藻类、原生动物、轮虫、浮游甲壳动物、底栖动物有寡毛类的颤蚯蚓、软体动物和水生昆虫。61(1)多污带特征：①位于排污口之后的区段，水呈暗灰色，很浑浊，含有大量有机物，BOD高，DO极低(或无)，为厌氧状态；②有机物分解过程中，产生H2S、CO2和CH4等气体；③水生生物以厌氧菌和兼性厌氧菌为主，种类多，数量大，每毫升水有几亿个。④水底沉积许多由有机和无机物形成的淤泥，由大量寡毛类(颤蚯蚓)动物；⑤水面有气泡。无显花植物，鱼类绝迹。62注：*颤蚯蚓属后生动物，与陆地上的蚯蚓从体态和习性上都十分相似，他们也是环节动物，栖息于水底污泥中，与蚯蚓类似吞食污泥故俗称水蚯蚓，与蚯蚓不同的是，他们体表多毛。63(2)α－中污带特征：

①位于多污带的下游，水为灰色，DO少，为半厌氧状态，有机物量减少，BOD下降；②水面上有泡沫和浮泥，有NH3、氨基酸及H2S；③生物种类比多污带稍多。细菌数量较多，每毫升水约几千万个。有蓝藻、裸藻、绿藻，原生动物有天蓝喇叭虫、美观独缩虫、椎尾水轮虫、臂尾水轮虫及节虾等。④底泥已部分无机化，滋生了很多颤蚯蚓。64**有关生物的形态见下图天蓝喇叭虫、椎尾水轮虫、栉虾。天蓝喇叭虫栉虾椎尾水轮虫65(3)β－中污带特征：①β－中污带在α－中污带之后，有机物较少，BOD和悬浮物含量低，DO含量较高升高；②由于NH3及H2S分别氧化为NO3－和SO42－，两者含量均减少；③细菌含量减少，每毫升只有几万个。藻类植物大量繁殖，水生植物出现。原生动物有固着型纤毛虫如：独缩虫、聚缩虫等活跃，轮虫、浮游甲壳动物及昆虫出现。还有鱼类出现，如泥鳅、鲫鱼、鲤鱼等。66