第七章 微生物生态课件

第七章微生物生态第七章

微生物生态

第七章微生物生态第一节生态系统第二节土壤微生物生态第三节空气微生物生态第四节水体微生物生态第七章微生物生态1、生态学的概念

生态学是一门研究生命系统与环境系统间相互作用规律的科学2、什么是微生物生态学

微生物生态学是生态学的一个分支，它的研究对象是微生物群体与其周围生物和非生物环境条件间相互作用的规律。第七章微生物生态一、生态系统和生物圈生态系统(ecosystem)是生物圈的组成部分与基本单元。它是由生物群落及其生存环境组成的一个整体系统，可用下式表述：生态系统=生物群落+环境条件生态系统的功能包括：生物生产、能量流动、物资循环、信息传递。生态系统的这些功能是在生物圈内进行的。生物圈是指：生存在地球陆地以上和海面以下个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他们生存环境的总体。第一章微生物生态第七章微生物生态第七章微生物生态二、生态平衡1、定义：

在一定条件下，生态系统处于动态平衡，即生物种群相对稳定，能量和物质循环与系统的组成、功能相对平衡，这种平衡状态就是生态平衡。2、环境容量：

在自我调节恢复其原来平衡状态范围内，环境系统所能承受的外来干扰（如：污染物的排放）的最大限度。第七章微生物生态三、生态系统的分类水体生态系统陆地生态系统淡水生态系统海水生态系统河流生态系统湖泊生态系统水体生态系统陆地生态系统动物生态系统植物生态系统土壤微生物生态系统生存环境生存状态微生物生存状态水体微生物生态系统空气微生物生态系统微生物生态系统第七章微生物生态三、生态系统的分类

根据生物群落分：动物、植物及微生物生态系统。微生物生态系统：是各种环境因子（物理、化学、生物）对微生物区系的作用和微生物区系对外界环境的反作用。

研究意义：

利用微生物在自然界的作用，改造自然保护环境。了解微生物在自然界作用的同时，模拟微生物的作用过程，应用于环保工作。第七章微生物生态第二节土壤微生物生态一、土壤微生物生态二、微生物在土壤的种类、数量和分布三、土壤自净和污染土壤微生物生态四、土壤污染和土壤生物修复第七章微生物生态一、土壤的生态条件

土壤具有绝大多数微生物生活所需的各种条件，是自然界微生物生长繁殖的良好基地。土壤是微生物资源的巨大宝库，事实上，许多对人类有重大影响的微生物种大多是从土壤中分离获得的，如大多数产生抗生素的放线菌分离自土壤。第七章微生物生态一、土壤微生物生态土壤对微生物的生存的影响包括以下几个方面：营养；pH；渗透压；氧气和水；温度；保护层。第七章微生物生态1、营养：

壤含有丰富的动植物和微生物残体，可供微生物作为碳源、氮源和能源。土壤含有大量而全面的矿质元素，供微生物生命活动所需。2、pH：

接近中性、适合大多数微生物生长。土壤的pH值范围在3.5~10.0之间，多数在5.5~8.5之间。而大多数微生物的适宜生长pH也在这一范围。即使在较酸或较碱性的土壤中，也有较耐酸、喜酸或较耐碱、喜碱的微生物发育繁殖，各得其所地生活着。第七章微生物生态3、渗透压：

土壤的渗透压对微生物是等渗或低渗环境，有利于微生物摄取营养。4、氧和水：

土壤中的水分都可满足微生物对水分的需求。不论通气条件如何，都可适宜某些微生物类群的生长。通气条件好可为好氧性微生物创造生活条件；通气条件差，处于厌氧状态时又成了厌氧性微生物发育的理想环境。土壤中的通气状况变化时，生活其间的微生物各类群之间的相对数量也起变化。第七章微生物生态5、温度：

土壤温度变化幅度小而缓慢，这一特性极为有利于微生物的生长。如土壤温度夏季比空气温度低，而冬季又比空气温度高。土壤的温度范围恰是中温性和低温性微生物生长的适宜范围。6、保护层：

免于太阳直射，紫外线杀死微生物。第七章微生物生态二、土壤中微生物的种类、数量与分布（一）种类与数量

土壤中微生物的类群、数量与分布，由于土壤质地、发育历史、肥力、季节、作物种植状况、土壤深度和层次等不同而有很大差异。

lg肥沃土壤，如菜园土中常可含有几亿到几十亿个甚至更多的微生物，而在贫瘠土壤如生荒土中仅有几百万到几千万个微生物，甚至更低。土壤微生物中细菌最多，作用强度和影响最大，放线菌和真菌类次之，藻类和原生动物等数量较少，影响也小。第七章微生物生态

土壤中细菌可占土壤微生物总量的70％-90%,其生物量可占土壤重量的1/10000左右，是土壤中最大的生命活动面，也是土壤中最活跃的生物因素，推动着土壤中的各种物质循环。细菌占土壤有机质的1%左右。土壤中的细菌大多为异养型细菌，少数为自养型细菌。土壤细菌有许多不同的生理类群，如固氮细菌、氨化细菌，纤维分解细菌、硝化细菌、反硝化细菌、硫酸盐还原细菌、产甲烷细菌等在土壤中都有存在。第七章微生物生态土壤中的微生物含量是衡量土壤肥力的指标之一。肥沃土：1×108~1×109个微生物/克土贫瘠土：1×106~1×107个微生物/克土根据土壤性质的不同，如pH、酸碱性、水分、透气性等，土壤中所含的微生物数量和种类各不相同。微生物在土壤中的分布随土层深度的增加而减少。第七章微生物生态（二）分布

水平分布由碳源决定；垂直分布由紫外线、水、温度、营养等有关。一般在5-20厘米处最多。根据土壤微生物各类群在土壤中的发育特点，可以分为土著性区系和发酵性区系两类：第七章微生物生态土著性微生物区系：

是那些对新鲜有机物质不很敏感、常年维持在某一数量水平上，即使由于有机物质的加入或温度、湿度变化而引起数量变化，其变化幅度也较小的那些微生物。

如革兰氏阳性球菌类、色杆菌、芽孢杆菌、节杆菌、分枝杆菌、放线菌、青霉、曲霉、丛霉等。第七章微生物生态发酵性微生物区系：

是那些对新鲜有机物质很为敏感，在有新鲜动植物残体存在时可爆发性地旺盛发育，而在新鲜残体消失后又很快消退的微生物区系。包括各类革兰氏阴性无芽孢杆菌、酵母菌、以及芽孢杆菌、链霉菌、根霉、木霉、镰刀霉等。发酵性微生物区系的数量变幅很大。第七章微生物生态三、土壤自净和污染土壤微生物生态土壤自净：

土壤对施入其中一定负荷的有机物或有机污染物有吸附和生物降解能力，通过各种物理、化学过程自动分解污染物使土壤恢复原有水平的净化过程。自净能力取决于土壤团粒结构好坏及微生物种类、数量和活性等。第七章微生物生态四、土壤污染和土壤生物修复（一）土壤污染及其不良后果1、污染来源：

未经处理的粪便、垃圾、城市生活污水、以及饲养场和屠宰场的污物等，均可带入有害的微生物种群，造成土壤污染。其中，以传染病医院未经消毒处理的污水和污物危害最烈。

2、不良后果：

破坏土地的生态平衡；有毒有害物质渗入到地下水中，危害人类；各种病原微生物会通过各种途径进入人体引起人体疾病。第七章微生物生态（二）土壤的生物修复

污染环境的生物修复（bioremediation）早在上一世纪80年代就开始了。生物修复也曾称生物恢复(biorestoration)、生物清除(bioelimination)、生物再生(bioeclamation)

和生物净化(biopurification)

等。即是人为地利用和加强生物的代谢活动和其代谢产物降解和富集有毒有害污染物，从而恢复被污染环境的生产价值或景观价值的一个受控和自发进行的生物学过程。第七章微生物生态

生物修复的基本方法：一是进行生物扩增，即种植或接种具有降解和富集功能的植物或微生物；二是进行生物性刺激，即施加生物活性物质，刺激和促进土著微生物的生长和增殖，发挥其分解作用。

第七章微生物生态第一种方法是针对污染环境的主要污染物，选择具有降解这种污染物的微生物，通过发酵工程获得大量活性微生物，直接投加入污染土壤和水体，使污染环境中能降解这种污染物的微生物种群在数量上有极大的人为增强，促使污染物在较短时间内能得到有效降解乃至完全消除。第二种方法是运用给污染环境添加有针对性的营养物、电子受体和表面活性剂等物质，给污染环境中的有关微生物种群创造提高生物活性的条件，有利于微生物对污染物的降解和转化。第七章微生物生态

可利用于污染环境生物修复的生物可以有植物、动物和微生物。如利用芦苇发达的根系分解芳香族化合物，利用某些能富集重金属的植物来处理重金属污染土壤。利用蚯蚓分解农药污染土壤等。但微生物是污染环境自净和修复的主要贡献者。第七章微生物生态1、土壤生物修复的基本措施：（1）微生物的种：土著微生物、外来微生物、基因工程菌（2）添加微生物的营养：需要一定的C、N、P比（3）DO：是关键因素，可加氧化剂或用鼓风机（4）添加表面活性剂：帮助微生物吸附污染物（5）微生物的环境因子：水、PH、温度等适宜第七章微生物生态2、主要工艺：污染环境生物修复可用原位(insitu)和异位（exsitu）或离位(offsitu)两种不同方式进行。（1）原位处理工艺：

是在污染环境原地进行技术性生物治理，提供氧气、微生物或营养物以降解污染物，不需将污染的土壤或水体转移。

在大面积污染情况下，利用原位修复方法进行生物修复，如可用投加活菌，投加各种有效物质刺激微生物大量增殖，改善污染土壤和水体的通气条件，促进相关微生物的大量增殖与快速降解。主要包括：泵处理工艺、生物通气工艺第七章微生物生态第七章微生物生态（2）异位处理工艺

是将污染土壤或水体转移至指定地点进行集中处理。在污染环境是一种少量可转移的情况时，可利用异位修复方式进行生物修复，如利用生物反应器法(bioreactor)或堆肥工艺等。特点：处理效果好，但费用高。

第七章微生物生态第三节空气微生物生态一、空气的生态条件二、空气微生物的种类、数量和分布三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术四、空气微生物检测第七章微生物生态一、空气的生态条件空气是传播微生物的重要介质，空气本身缺乏微生物生活所必需的营养物，空气中有较强的紫外辐射，日光对微生物也具有很强的杀菌作用，另外空气一般是干燥的，温度变化大，因此空气不是微生物生活的良好环境。虽然空气中微生物数量较多，但只是暂时停留。微生物在空气中停留时间的长短由风力、气流和雨、雪等气象条件所决定，但它最终要沉降到土壤、水中、建筑物和植物上。第七章微生物生态二、空气中微生物的种类和数量

空气中的微生物主要来源于带有微生物菌体及孢子的灰尘，这类微生物大多数是腐生性的，还来源于人和动物，它们大多数是通过呼吸道排出的，其中也包含有病原微生物，悬浮在大气中。空气中微生物的分布随环境条件及微生物的抵抗力不同而呈现不同的分布规律。空气中存在较多的、存活时间较长的是各种真菌、放线菌的孢子及细菌芽胞。空气中微生物的数目决定于尘埃的总量。第七章微生物生态空气中微生物的种类和所处的地理位置有关的，其数量也是如此，不同场所上空微生物的数量如下表所示：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空气中的微生物还随着海拔高度而变化，一般来说，海拔越高，微生物数量越少。单位：个/m3第七章微生物生态三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术清洁程度细菌总数(单位：个/m3)最清洁的空气（有空调）1~2清洁空气<30普通空气31~125临界环境~150轻度污染<300严重污染>301以细菌总数评价空气的卫生标准：外部大环境的卫生洁净技术主要靠绿化环境，搞好生态环境，局部环境主要可通过空气过滤器来实现。空气微生物的卫生标准：以咽喉正常菌丛的绿色链球菌为宜。第七章微生物生态四、空气微生物检测空气中微生物的检测可通过：固体法：（1）平皿落菌法；（2）撞击法2.液体法空气微生物的测点数越多越准确，以20~30个点为宜，最少测点数为5~6个。采样后的培养温度和时间一般是37℃和48h。第七章微生物生态第七章微生物生态第四节水体微生物生态第七章微生物生态一、水体的微生物群落二、水体自净和污染水体的微生物生态三、水体富营养化水体中微生物的来源主要有四个方面：1.水体中固有的微生物2.来自土壤的微生物3.来自生产和生活的微生物4.来自空气微生物第七章微生物生态

水是一种良好的溶剂。水中往往溶解着一定量的无机和有机物质，可供微生物生长繁殖。然而，清洁水体的微生物含量并不高，通常每ml水中只有几十至几百个细菌。清洁水体的微生物以自养菌为主，对人类无害。常见的化能自养型细菌有硫细菌、铁细菌、鞘细菌。光能自养型细菌有绿细菌、紫细菌和蓝细菌。第七章微生物生态1、水体中微生物的来源：

土壤、空气、动植物尸体、人和动物的排泻物、工业及生活污水。2、种类：

水中存在的微生物90%为革兰氏阴性菌，主要有弧菌、假单胞菌、黄杆菌等。鞘细菌及有柄附生细菌也常见于水体中。第七章微生物生态一、水体中的微生物群落

第七章微生物生态（一）海洋中的微生物群落1、特点：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。第七章微生物生态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、超深渊海区）第七章微生物生态2、种类：（1）底栖性细菌：（2）浮游性细菌：（3）附着性细菌：第七章微生物生态（二）淡水微生物群落河流、湖泊、小溪和池塘等水体中微生物种类和土壤中的相似。分布规律和海洋的相似。影响微生物群落和分布、种类和数量的因素主要有：水体类型、受污（废）水污染程度、有机物的含量、水温、pH及水深等。第七章微生物生态（二）淡水微生物群落1、数量和种类与接触的土壤有密切关2、垂直分带分布3、多是吸附在悬浮在水中的有机物上及水底；第七章微生物生态二、水体自净和污染水体的微生物生态第七章微生物生态水体的污染水资源污染日益严重第七章微生物生态(一)水体自净1、概念

是指污染水体经物理的、化学的和水中的微生物氧化分解（包括需氧分解和厌氧分解）有机污染物而使水质得到净化，恢复到污染前的水平和状态的过程。第七章微生物生态1．水体自净—自然净化物理作用：稀释、沉淀（强）化学作用：日光、氧气等对污染物的分解（弱）生物作用：生物降解（食物链）（强）第七章微生物生态提问：水体自净速度有哪些限制因素？物理？净水流量、流速、污染物物理性质化学？地域、季节、天气生物？生物种类、数量（营养物浓度、环境因子）、代谢的极限速度水体的自净速度是有限的。在正常情况下，水体单位时间内通过正常生物循环中能够同化有机污染物的最大数量称为同化容量或自净容量。在自净容量范围内水体的净化是如何进行的呢？第七章微生物生态A．自净的过程水体自净过程大致如下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、藻类产氧第七章微生物生态河流污染和自净过程图

污水自净提问：原理？第七章微生物生态第七章微生物生态2、自净的过程

需氧微生物可将有机污染物氧化分解成简单、稳定的无机物如二氧化碳、水、硝酸盐和磷酸盐等，同时消耗一定量的溶解氧。由于增加了大量营养物质，可导致耐污性微生物，特别是异养型细菌的大量增殖；对污染敏感的蜉蝣稚虫、鲭鱼、硅藻等则会消失。经过一段时间净化后，以吞食细菌为主的原生动物可在水体中发展。以无机营养物为食的藻类，如某些蓝、绿藻，则只有在污染物被彻底降解，并释放出足量氮、磷后，才能大量增殖，并占优势、通过上述作用，水质恢复洁净，水中的生物群落结构也随之恢复正常。第七章微生物生态3、衡量水体自净的指标（1）P/H：自养微生物/异养微生物表示污染和自净程度（2）氧垂曲线和氧浓度昼夜变化幅度：在耗氧和复氧作用下的溶解氧变化曲线称氧垂曲线。第七章微生物生态P/H指数：P代表光合自养型微生物，H代表异养型微生物，两者的比即P/H指数。P/H指数反映水体污染和自净程度。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，自净速率高。在自净过程中，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。氧浓度昼夜变化幅度和氧垂线：由于受到阳光照射的不同，水体中白天和晚上水体中溶解氧的含量是不同的。因此对于受污染的河流，水体中的微生物及水生生物也呈一定规律的变化。如图所示。衡量水体自净的指标第七章微生物生态B．氧浓度昼夜变化幅度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。第七章微生物生态水域的氧垂曲线第七章微生物生态溶解氧的动态变化常用氧垂曲线表示。如图所示，A为有机物分解的耗氧曲线，B为水体复氧曲线，C为氧垂曲线，最低点Cp为最大缺氧点。若Cp点的溶解氧含量大于有关规定的指标值，说明从溶解氧的角度看，污水的排放没有超过水体的自净能力。若排入有机物过多，超过水体的自净能力，则Cp点的溶解氧含量就会低于有关规定的下限值，甚至在排放点下游出现无氧区，使氧垂曲线中断，水体失去自净能力。在无氧条件下，有机污染物可被厌氧微生物分解，产生硫化氢、甲烷等，使水质恶化变黑发臭。第七章微生物生态（二）污染水体的微生物生态1、污化系统：

自然水体中的腐生细菌数与有机物浓度成正比。因此，测得腐生细菌数或腐生细菌数与细菌总数的比值，即可推断水体的有机污染状况。研究证明，这种推断与实测结果十分吻合。根据水体中腐生细菌的数量，可以将水体划分为多污带、中污带和寡污带。第七章微生物生态污化系统将污染水体划属为不同的污染带类型。分多污带、α中污带、β中污带、寡污带多污带第七章微生物生态α中污带第七章微生物生态β中污带第七章微生物生态寡污带第七章微生物生态2、、水体有机污染指标（1）BIP指数：水污染生物指数它是一种定量评价方法

水体有机污染指标：BIP指数用来衡量水体有机污染程度。BIP=×100%BA+B式中：A为有叶绿素的微生物数；B为无叶绿素的微生物数利用BIP值可以判断水体的污染程度。如下表所示：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第七章微生物生态（2）细菌菌落总数(CFU)：细菌菌落总数是指1ml水样在营养琼脂培养基中于37℃培养24h后所生长出来的菌落总数。由于粪便的污染，水源水中通常含有致病菌，其典型的代表有：痢疾杆菌——痢疾贺氏菌(Shigelladysenteriae)、副痢疾贺氏菌(Shigellaparadysenteriae)、伤寒沙门氏菌(Salmonellatyphi)、甲型、乙型和丙型的副伤寒沙门氏菌(Salmonellaparatyphi)及霍乱弧菌(Vibriocholerae)等。水源水中细菌菌落总数不能说明污染物的来源，因此通常用大肠菌群数来判断水的污染源。大肠菌群数被选作致病菌的间接指示菌是因为大肠菌群是人肠道中正常寄生菌，数量大，对人较安全，在环境中的存活时间与致病菌相近，而且检验技术较简便，因而被选中，一直沿用至今。第七章微生物生态（3）总大肠菌群：

大肠菌群：指一群需氧及兼厌氧性、革兰氏阴性无芽孢杆菌，能在37度培养24小时使乳糖发酵产酸、产气。第七章微生物生态（1）大肠菌群的生理习性与病原菌相似，并且外界存活时间基本一致；肠球菌在外界存活时间比病原菌短；产气肠杆菌存活时间时间长。（2）大肠菌群在人粪便中数量很大。健康人5000万个/克粪便生活污水3万个/毫升（3）检验技术不复杂。大肠菌群作为检验水的卫生指标第七章微生物生态

人畜粪便中携带有大量致病性微生物。如果将这类污染物排人水体，就可能引起各种肠道疾病和某些传染病的暴发流行。因此，对水体的粪便污染状况进行监测具有重要意义。第七章微生物生态第七章微生物生态

肠道细菌中的大肠菌群是普遍采用的粪便指示菌。在水质卫生学检查的结果中，常用“大肠菌群指数”和“大肠菌群值”作指标。大肠菌群指数是指每L水中所含的大肠菌群细菌的个数。大肠菌群值则是指检出一个大肠菌群细菌的最少水样量（ml数）。两者间的关系可表示为：大肠菌群值=1000／大肠菌群指数我国饮用水的质量标准规定，大肠菌群指数不得大于3，大肠菌群值不得小于333ml。第七章微生物生态

生活饮用水的细菌卫生标准我国《生活饮用水卫生标准》GB5749-85中关于生活饮用水的细菌标准的具体规定如下：1

细菌总数1ml水中不超过100个。2

大肠杆菌数1L水中不超过3个。3

若只经过加氯消毒即供作生活饮用水的水源水，大肠菌群数平均每升不得超过1000个；经过净化处理及加氯消毒后供作生活饮用水的水源水，大肠菌群数平均每升不得超过10000个。第七章微生物生态

大肠菌群的测定两种方法：发酵法★

滤膜法发酵法测定水中的大肠菌群数（以乳糖作有机物分解）三步：初步发酵试验平板分离复发酵试验第七章微生物生态1初步发酵试验

方法：将水样置于乳糖液体培养基中，37℃培养24hr，观察产酸和产气情况。

产酸产气初步确定有大肠菌群。

产酸：溴甲酚紫作指示剂，培养基由紫色

变为黄色。

产气：杜氏小管顶端有气泡。杜氏小管产酸产气的菌有：大肠菌群厌氧芽孢杆菌好氧芽孢杆菌发酵法测定水中的大肠菌群数（以乳糖作有机物分解）第七章微生物生态2