第七章 微生物的生态10-22

第七章微生物的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第一节生态系统

研究生物系统与其所处环境条件之间的相互作用规律性的科学。生态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相互作用关系。（一）生态系统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=生物群落+环境条件第一节生态系统一、生态系统和生物圈生态系统组成：环境、生产者、消费者及分解或转化者个体：是指某一具体的生物单个个体，有其生长、发育、繁殖和死亡的过程，是组成种群的单位。种群：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。群落：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。

生态系统功能——1.

生物生产

生物生产是生态系统的基本功能之一，只要有太阳辐射、水、二氧化碳及无机物，植物、藻类及光合细菌等就可利用太阳能，将二氧化碳和水合成糖类，进而合成蛋白质、脂肪和核酸等，构成植物体。

阳光（2876kJ）

6CO2+12H2O

C6H12O6+6O2+6H2O

叶绿素

2.能量流动

3.物质循环

生态系统中生物群落所需的各种营养物在环境、生产者、消费者和分解者(各营养级)之间传递，处于不断循环之中形成物质流。

4.信息传递

生态系统中的信息传递多种多样，有强有弱，把各组成联为一个统一整体。有物理信息，例如声、光、颜色起吸引异性、种间识别、威吓、警告等信息作用；生物的酶、维生素、生长素、抗生素等是化学信息；有报警、集合、食物的信息作用；在同一种或不同种间还有行为信息。

（二）生物圈生物圈：生存在地球陆地以上至海面以下各约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及它们生存环境的总体。二、生态平衡生态平衡：是生态系统在一定时间内结构和功能处于相对稳定状态，其物质和能量的输入输出接近相等，在外来干扰下能通过自我调节（或人为控制）恢复到原初的稳定状态。生态系统具有一定的内部调节能力。生态失调或生态平衡的破坏：外来干扰超越生态系统的自我控制能力而不能恢复到原初状态。自然生态系统经过由简单到复杂的长期演代，最后形成相对稳定状态。生态平衡是动态的。第二节土壤微生物生态一、土壤的生态条件1、营养：丰富的营养2、pH：5.5-8.5适合大多数微生物生长。3、渗透压：等渗或低渗环境。4、氧和水：团粒结构中可保持大量空气和水。5、温度：保温性强，变动幅度小，10-25℃6、保护层：吸收紫外线。（一）种类和数量土壤中的微生物可粗分为两大类：土著微生物、外来微生物。一般土壤微生物指的是土著微生物。

种类主要有细菌、放线菌、真菌、藻类和原生动物五类。数量上以细菌最多→放线菌→真菌→藻类→原生动物。

pH的变化可引起微生物种类和数量的变化.二、微生物在土壤中的种类、数量和分布土著微生物：指在给定的生境中生存、生长和进行活跃代谢的微生物，并且这些微生物能与来自其他群落的微生物进行有效的竞争，它从生理方面完全适应了这一生境的物化条件。外来微生物：指来自于其他生态系统的微生物，这些微生物不能在这一生境中长期生活下去。1、细菌：杆状的居多，球状的较少，G+较多，主要是异养菌。2、放线菌：链霉菌属、诺卡氏菌属最多，小单胞菌也很普遍，随土壤深度增加而减少。3、真菌：大多是好氧性的。存在于10cm以内的顶层土壤中，30cm以下就很少4、藻类和蓝细菌：多栖息于多水的表层土壤。季节性变化明显，春秋多冬夏少。5、原生动物：最多的是鞭毛虫，其次是肉足类，纤毛虫较少。（二）微生物在土壤中的分布水平分布：取决于碳源油田以碳氢化合物为碳源森林分解纤维素的微生物含动植物残体多含氨化细菌、硝化细菌较多垂直分布：与紫外辐射、营养、水、温度有关表层土：少

5-20cm：最多

20cm以下：随深度增加而减少—缺乏营养和氧气季节变化

春夏秋冬三、土壤自净和污染土壤的微生物生态（一）土壤自净

土壤对施入一定负荷的有机物或有机物污染物具有吸附和生物降解能力，通过各种物理、生物化学过程自动分解污染物使土壤恢复到原有水平的净化过程。自净能力：土壤中微生物的种类和数量土壤自身的理化性质如土壤团粒结构、有机物含量、pH值、阴阳离子种类、含量土壤容量指土壤对污染物的最大承受量或负荷量。（二）污染土壤的微生物生态

污水长期灌溉会引起土壤微生物生态的变化：区系和数量改变。（1）产生可分解各种污染物的微生物种类。（2）重金属的作用：被氧化或还原，但不能彻底清除毒性

农田灌溉要适当，要根据不同物质积累在植株的不同部位如：根、茎、叶、种子等的特点，合理实施。有毒废水不可用于农田灌溉和土地处理。为了避免毒物进入食物链，工业废水以灌溉非食用的经济作物为好。否则，汞等重金属被植物吸收、富集、浓缩，进入食物链，甚至进入人体，危害人体健康。污(废)水灌溉量适中，不会造成土壤污染。

隐蔽性和潜伏性不可逆性和长期性后果严重性特点四、土壤污染和土壤生物修复（一）土壤的污染及其不良后果土壤污染的后果破坏土壤生态平衡随食物链危害人体健康致病微生物的存在

（二）土壤生物修复利用土壤中天然的微生物资源或人为投加目的菌株，构建特异的基因工程菌株加入污染土壤中，将滞留的污染物快速降解和转化，恢复土壤的功能。费用省环境影响小最大限度地降低污染物浓度可用于其他技术难以应用的土地可同时处理污染土壤和地下水优点不能降解所有的污染物要对地点和存在污染物进行考察微生物活性受温度和环境条件的影响不能将污染物全部去除局限性1、土壤生物修复的工作步骤：①

调查本底资料②

选择技术路线，进行可处理性试验技术咨询→列出方案→确定最佳技术→设计小试和中试③

技术实施2、土壤生物修复技术的关键（1）微生物种

①

土著微生物：应用最多，效果差②外来微生物：较易实施，收效快且效果好③基因工程菌：可分解难降解有机物，技术复杂（2）微生物营养：BOD：N：P（3）溶解氧：溶解氧是现场处理的关键因素。土壤结构、土质、污染物数量的不同，溶解氧含量也不同。为了增加溶解氧，可以采用一些工程的方法：鼓风、添加产氧剂。（4）微生物的环境因子适量的水、pH、温度（1）微生物修复①原位处理：将受污染的土壤在原地处理，不需要将土壤挖出和运输，一般采用土著微生物处理。工艺简单，费用低，但处理速度慢，而且在长期的生物修复过程中，污染物可能会进一步扩散到深层土壤和地下水中。

适用于处理污染时间较长，状况已基本稳定的地区或污染面积大的地区。2、土壤生物修复工程生物修复原位处理方式示意图生物通风：是改进和强化原位处理的一种方法。通常用于地下储油罐泄漏造成的轻度污染土壤的生物修复。②异位生物修复

主要包括现场处理法、预制床法、堆制处理法、生物反应器和厌氧生物修复法a、现场处理法

用土壤耕作方式处理污染土壤。被污染的土壤施在未被污染的土壤上，通过施肥、灌溉和加石灰等管理措施，保持氧气、水分和pH的最合适值，并进行耕作以改善土壤的通气状况，依靠土著微生物的作用，也可投加驯化的微生物增强降解作用。b、预制床（

挖掘堆置）法：预制床的底面为渗透性低的物质，如高密度的聚乙烯或粘土。将污染土壤转移到预制床上，通过施肥、灌溉，调节pH，有时还加入微生物和表面活性剂，使其最适合污染物的降解。C、堆制处理法将受污染的土堆挖掘起来运输到一个经过各种工程准备（布置防止渗漏底，通风管道等）的地点堆放，形成上升的斜坡，并在此进行生物修复的处理，处理后的土壤再运回去。D、反应器处理：

将污染土壤置于一专门的反应器中处理。反应器可使土壤与微生物及其他添加物如营养盐，表面活性剂等彻底混合，能很好的控制降解条件，因而处理速度快，效果好。生物反应器处理的过程为：先挖出土壤与水1：2混合，然后转入反应器。为了提高降解速率，常在反应器中加入已被驯化的微生物。处理后的土壤与水分离后再运回原地。（2）植物修复技术利用植物体内对某些污染物的积累、植物代谢过程对某些污染物的转化和矿化，加速土壤污染物降解速度的过程。方式：植物提取：根部地上部分（收割）植物降解：通过代谢降低毒性Cr6+Cr3+植物稳定化：利用吸收和沉淀作用固定有毒物质，减少进入地下水和食物链的可能。是一项利用太阳能动力的处理系统，具有处理费用低，减少场地破坏等优点而受到普遍重视。苜蓿草：南京林业大学DDT、石油、重金属

蒲公英龙葵：小白酒花：中国科学院沈阳应用生态研究所周启星、魏树和等研究人员，以杂草为筛选对象，通过室外盆栽试验对东北沈阳地区20科54种田间杂草植物进行了重金属耐性及积累能力的初步系统研究，结果发现蒲公英、龙葵和小白酒花对镉单一及镉—铅—铜—锌复合污染耐性均较强，对镉有较高的积累能力，具有超富集植物的基本特征，已应用植物：第三节空气微生物生态电离层和平流层微生物难以生存对流层是大气中微生物生存和扩散的主要场所一、空气的生态条件有较强的紫外辐射干燥温差大缺乏营养高空缺氧不适合微生物生长空气不是微生物生长繁殖的场所。二、空气微生物种类、数量和分布

进入大气的。

来源：在水体、土壤和高等生物中生长，并由空气尘埃、土粒等搬运细菌结核杆菌肺炎双球菌化脓性链球菌白喉杆菌金葡菌脑膜炎奈瑟菌真菌黄曲霉黑曲霉青霉菌病毒流感病毒腺病毒微生物在空气中的存活时间取决于空气的相对湿度、紫外辐射的强弱、尘埃颗粒的大小和数量，微生物的适应性及对环境的抵抗能力。室外空气中微生物数量与环境卫生状况和绿化程度有关，主要是非致病性腐生菌，以及对干燥和辐射有抵抗力的真菌孢子室内空气中微生物的数量与人员密度、活动情况、空气流通程度、室内卫生状况关系很大。可来自室外空气，但主要来自人体或人类活动。微生物气溶胶

气溶胶(aerosol)：以固体或液体微小颗粒分散于空气中的分散体系，它是由分散相(固体或液体微粒)和分散介质[又称连续相(空气)]组成的均匀体系，大小一般在0.1～10μm之间微生物气溶胶(microbialaerosol)属分散性气溶胶，包括液态和固态，主要特点为微粒上附着有各种微生物微生物气溶胶大小与其感染性的关系三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术空气污染的指示菌：绿色链球菌指标：空气中的细菌总数我国《室内空气质量卫生标准》（GB18883-2002）规定：室内空气质量的生物性标准是：撞击法的细菌总数≤2500CFU/m3空气。

二、空气微生物卫生标准生物洁净技术用备有高效过滤器的空气调节除菌设备，达到既可恒温控制又可提供无菌空气的目的。对室内器物进行消毒及无菌操作生物洁净室：以防止微生物污染为主要目的空气微生物卫生标准：浮游细菌数或降落细菌数四、空气微生物检测（一）

测定方法1、固体法（1）平皿落菌法

琼脂平板打开后暴露空气5-10min，培养48h，计算菌落数奥氏公式：C=1000×50N/（A×t）N—菌落数，A—捕集面积，t—暴露时间。

此法计算的浮游菌数比实际的菌少。

没有考虑尘埃粒子大小、数量、气流情况、人员密度和活动情况。采集效率低，稳定性差。

平皿落菌法撞击法过滤法（2）撞击法:

用吸风机或真空泵将含菌空气以一定流速穿过狭缝，平板与狭缝间隔2mm，平板以一定转速旋转，一般转动一周，取出后37℃培养48h，计算菌落：C=1000×平板菌落数/（气流量L×时间tmin）2、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，将细菌阻留于无菌水中，然后取一定量菌液涂布琼脂平板，或取一定量菌液倒平板，培养计数。（二）空气微生物的检测点数：20-30为宜，至少5-6个（三）培养温度时间：细菌：37℃培养48h

真菌：25℃培养96h（四）浮游菌最小采样量和降落菌最小沉降面积五、军团菌病军团菌存在于水体、土壤、气溶胶、中央空调室内空气、空调循环冷却水等预防：对与人息息相关的且可能被军团菌污染的水源，如供水系统，要定期进行检查和消毒；有空调的室内要经常通风，减少室内环境被军团菌污染的可能；冷却塔和空调系统的管道和过滤部件要经常进行清洁。第四节水体微生物生态营养：一般江河湖泊和池塘的营养较丰富，湖岸区域比湖中央含有机物质多。海水和盐湖含有较高盐分，但其他营养缺乏，雨水基本上是蒸馏水。温度：淡水变化在0-36℃。海洋表面水，两极-1.7℃，在热带和亚热带25-35℃，深海常常是0℃上少许，90%海水小于5℃。溶解氧：是水环境中最重要的限制因子之一。静水湖泊中氧易被好氧微生物耗尽，江河流域可由于水的流动不断补充氧。溶解氧在一定范围内随温度的降低而增加。pH：淡水pH在3.7-10.5之间，大多数湖水平均pH7左右，海水pH一般维持在8.0-8.3之间。适合微生物生长。光：水体中光合带的范围10-100m，清澈水体中可达200m，水体表面微生物数量较下层少。水体中微生物的来源：水中固有微生物来自土壤微生物来自生产和生活微生物来自空气微生物

二、水体自净和污染水体的微生物生态（一）

水体自净1、水体自净过程河水接纳了一定量的有机污染后，利用物理、化学和水生物等因素的综合作用得到净化，水质恢复到污染前的水平。任何水体都有自净容量，即水体正常生物循环中能够净化有机污染物的最大数量。污水河流污染对水生生物的影响2、衡量水体自净的指标（1）P/H指数：P=光合自养型微生物，H=异养型微生物。可反应水体污染和自净程度。（2）氧浓度昼夜变化和氧垂曲线

（二）污染水体的微生物生态多污带

-中污带

-中污带寡污带水色暗灰色浑浊灰色，水面有泡沫黄绿色清澈有机物大量，主要是未分解的蛋白质、糖类减少，蛋白质分解为氨基酸、NH3氨盐、NO3-、NO2-、有机物很少被矿化，有机物极少DO极低或无少量多多BOD非常高高低很低H2S多较高少无细菌数108/ml106～107/ml104/ml102～103/ml生物种类少，厌氧菌、兼性菌为主较多多多水生植物无很少少多主要生物类群污水原生动物（颤蚓）藻类，天蓝喇叭虫、美观独缩虫、蠕虫蓝细菌、绿藻、硅藻、固着型纤毛虫、甲壳动物、昆虫藻类、轮虫、钟虫、水蚤、浮游甲壳类动物、鱼、水生植物2、水体有机污染指标（1）BIP指数：无叶绿素微生物占所有微生物总数的比值

BIP=B/（A+B）×100%定性衡量、评价水体有机污染程度污染程度清洁水轻度污染水中等污染水严重污染水BIP值0-88-2020-6060-100（2）细菌菌落总数（CFU）

指1ml水样在琼脂培养基中37℃24h培养后所生长出的菌落总数。

用于指示被检的水源受有机物污染的程度。CFU只能说明被生活污水污染的程度，不能说明来源，通常用大肠菌群数来判断水体是否被粪便污染。

（3）总大肠菌群原理：天然水体由于粪便污染导致致病性微生物污染，但致病菌通常数量少不易检出。大肠杆菌是人体肠道寄生菌中数量最大的，容易检出，而且在环境中的存活时间与肠道致病菌相似，因此被作为致病菌的间接指标，指示粪便污染。

大肠菌群是一群需氧和兼性厌氧的，能在37℃培养24h内使乳糖发酵产酸产气的G-无芽孢杆菌，包括埃希氏菌属、柠檬酸杆菌属、肠杆菌、克雷伯氏菌。但大肠埃希氏杆菌可引起幼儿腹泻，总大肠菌群阴性，但不能确切证明无致病菌。三、水体富营养化（一）概念当大量含N、P的生活污水和工业废水进入江河湖海时，超过水的自净能力，使藻类大量繁殖，淡水水体发生“水华”，海洋发生“赤潮”。无机氮：超过0.2-0.3mg/L生化需氧量：大于10mg/LTP：大于0.02-0.03mg/L细菌总数：超过10×104个/ml淡水（pH为7-9）叶绿素α：大于10μg/L

水华形成的条件：1、营养元素：N、P。TP达到0.02mg/L，TN达到0.3mg/L时就会出现富营养化，适合藻类生长。2、