生态学--水体空气中的微生物

三水、空气中的微生物群落的结构及其变化规律内容：1自然界水体的构成2不同水体中微生物的构成与该系统的生态平衡•淡水中微生物的群落组成与代谢活力•咸水中微生物的群落组成与代谢活力3饮用水的微生物学标准4环境条件对水体中微生物群落结构的影响5地球大气6空气中的微生物7环境污染的微生物监测自然界水体的构成水淡水咸水：海水、盐湖水淡水湖库水池塘沼泽泉水（温、冷）河流阳光、温度垂直分布饮用水：属于淡水范畴，低盐浓度，除了低盐其细菌学有严格的指标。饮用水的微生物学标准饮用水的微生物种类主要采用以E.coli为代表的大肠菌群为指标。因为这类细菌是温血动物肠道中的正常菌群，数量极多，用它作指标可以灵敏的推断该水源是否曾与动物粪便接触以及污染程度如何。标准：1mL自来水中的细菌总数不可超过100个（37摄氏度培养24小时），而1000mL自来水中的大肠菌群数不能超过3个（37摄氏度培养48小时）。淡水的特征1.流动置换性强或更替快2.营养物的浓度低3.盐分含量低咸水成因：比如海洋，由于流动置换性差，流入的水流从土壤中携带一定浓度的盐，而海水的流失，只是靠蒸发作用，以蒸馏水的形式进入大气，造成盐分只进不出形成盐分较高的咸水。咸水的特征1.流动置换性差2.营养物浓度相对于淡水高3.盐分含量高不同水体中微生物的构成与该系统的生态平衡淡水：•淡水中微生物具有的共同特征：①能在低营养物浓度的条件下生长；②具有很好的运动性；③具有较高的比表面积•淡水中微生物的分布：作为一个完整生态系统，微生物各高级分类单元均存在。细菌、真菌、原核动物、藻类等•以湖泊为例，淡水中微生物生态系统的建立：对深湖泊而言，在垂直方向上存在较大的条件差异，如光穿透、温度和氧气浓度等。在浅层水域:光照强，温度较高、氧气含量高，光合自养菌（蓝细菌）和藻类数量较大，通过这些自养菌的代谢活动产生大量的有机分子，为异养菌的生存提供条件。在较深层:则蓝细菌较少，绿科菌和红硫菌科等光能自养菌为主，他们能借助穿透过来的光和其周围存在的H2S以及CO2进行代谢活动而异养菌自湖底至湖面均有存在，其数量与环境有机物浓度有关。在湖底的沉积泥中：主要是厌氧菌、化能自养和异养菌、产甲烷菌等。淡水中的真菌主要与外来有机物，如植物残体有关。而水中的原生动物以捕获水生植物和细菌作为食物。各种生物相互作用与制约，形成稳定的生态系统—生态平衡。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海水：•海水中微生物具有的共同特征：①海洋微生物必须生长在2％－4％（w/v)的盐浓度中（最适3.3－3.5％）；②能在低营养物浓度的条件下生长；③具有较高的比表面积；④大多数的海洋微生物能在低温的环境中生长；⑤大多数的海洋细菌为G-,具有很好的运动性；⑥海洋细菌通常为好氧菌或兼性厌氧菌，专性厌氧菌较少；海洋中微生物生态系统的建立和维持与淡水中相似。环境条件对水体中微生物群落的影响影响因素：营养、温度、光照强度、光照时间等（二）海洋微生物1、种类：多数是嗜盐菌2、分布：（1）平面分布：近海数量很高（2）垂直分布：表层：好氧性微生物中层：紫硫细菌底层：厌氧菌及硫酸还原菌富营养与贫营养湖泊中微生物的比较项目富营养湖泊贫营养湖泊数量品种分布昼夜间的迁移水华现象主要藻类丰富较少主要生长在水体表层有限经常发生蓝藻纲(Cyanophyceae)色球藻科(Chroococcaceae)微囊藻属(Microcystis)铜绿微囊藻(Microcystisaerugrinosa)水华微囊藻(Microcystisflosaquae)具缘微囊藻(Microcystismarginata)念珠藻科(Nostocaceae)鱼腥藻属(Anabaena)螺旋鱼腥藻(Anabaenaspiroides)束丝藻属(Aphanizomenon)颤藻科(Oscillatoriaceae)颤藻属(Oscillatoria)等片硅藻科(Deatomaceae)直链藻属(Melosira)脆杆藻属(Fragilaria)冠盘藻属(Stephanodescus)星杆藻属(Astericoolla)稀少很多可生长至深层频繁很少出现绿藻科(Chlorophyceae)角星鼓藻属(Staurastrum)片硅藻科(Diatomaceae)平板藻属(Tabellaria)小环藻属(Cyclotella)金藻科(Chrysophyceae)锥囊藻属(Dinobryon)地球大气地球大气圈与土壤（岩石圈）、水圈相互渗透，紧密联系，不可分割。但说道地球大气通常指地表，水面以上的空气部分。大气特征①对流层中，温度随高度的增加而降低，对流层顶部温度低于大多数微生物的最低生长温度；②随高度的增加，大气压下降，氧气含量降低；③空气中有机物浓度非常低，异养菌无法生长；④一年四季大多数情况下，空气干燥，缺可利用水⑤光辐射强度高，随高度增加尘埃减少，空气稀薄，紫外线辐射越来越强烈；以上特征决定空气为微生物生存的恶劣环境一、大气中的微生物1、存在形式：多为孢子2、来源：土壤、水体、动物3、常见种类：霉菌：曲霉、青霉、木霉、根霉、毛霉、白地霉细菌：枯草芽孢杆菌、八叠球菌等病原菌：结核杆菌、白喉杆菌、肺炎双球菌、流感病毒空气中的微生物：空气中的微生物基本上都属于外来微生物，大部分是通过空气对流从土壤由飞起的尘埃带到空气中，或各种水体搅拌生成气溶胶包被微生物，体进入大气。条件恶劣，大部分的营养体很快受辐射、干燥而死亡，因此只有孢子、包囊及具有抗辐射、抗干燥的抗性结构的微生物。夏季含水分的厚云层，为光能自养菌的生长提供条件。工业区上空的尘埃中含有丰富的有机物，有异养菌的存在。空气的特征决定空气不是微生物生存的场所，只能是微生物传播的介质。•地域与季节变化对空气中微生物的影响•室内空气中的微生物4、大气微生物分布（数量与种类）的影响因子：（1）地区性质（2）季节的演替（3）气候条件:日照、降水、气流不同场所的上空微生物数量（cfu/m3）场所畜舍宿舍城市街道市区公园海洋上空微生物10000002000050002001-2不同室内环境的微生物总数及致病微生物的种类和数量（cfu/m3）场所总微生物数微生物种类微生物数量住房180——办公室1400口腔链球菌涎链球菌111.4教室2500链球菌草绿色链球菌涎链球菌肠球菌乙型溶血性链球菌36181171.1实验室200——医院1100金黄色葡萄球菌革兰氏阴性杆菌魏氏产气荚膜杆菌71103.5微生物、环境间的相互作用和制约方式Ⅰ同种微生物不同个体之间的相互关系•正作用•负作用1.难利用底物共同酶解2.抗性遗传物质的水平转移3.信息传递协同迁移1.营养竞争2.空间竞争3.共同有害代谢物累积一、互生互生关系是微生物间比较松散的联合，在联合中可以是一方得利（偏利关系），或双方都有利（互利关系），对双方均不产生不利影响。例如：a在分解复杂大分子有机物时，往往是由多种微生物共同协同完成的，乙种微生物以甲种微生物的代谢产物为食物，丙种微生物又以乙种微生物的代谢产物为食物，这种微生物之间的链状偏利互生关系；b土壤中纤维素分解细菌和固氮菌之间的互利互生关系；c协作关系。Ⅱ不同种微生物之间的相互关系ABCD群体1群体2群体1＋群体2二、共生共生关系是两种微生物紧密地结合在一起，当这种关系高度发展时，就形成特殊的共生体，它们在生理上表现出一定的分工，在组织上和形态上产生了新的结构。地衣代表微生物中典型的互惠共生关系，它是藻类(蓝细菌）和真菌的共生体，常形成有固定形态的叶状结构，藻类(蓝细菌）为真菌提供碳源、能量和氧气；真菌为藻类提供矿质营养、CO2等。地衣（微生物共生体）的照片叶状地衣（南极石耳）壳状地衣（南极丽石黄衣，红色和赤星衣，米黄色）根瘤菌三、寄生寄生关系是一种生物生活在另一种生物的表面或体内，从后者的细胞、组织或体液中取得营养，前者称为寄生物，后者称为寄主。在寄生关系中，寄生物对寄主一般是有害的，常使寄主发生病害或死亡。包括：（一）微生物间的寄生关系，如在微生物中，噬菌体寄生于细菌是常见的寄生现象。（二）微生物与植物间的寄生关系（三）微生物与动物间的寄生关系寄生型的放线菌照片四、拮抗拮抗关系是两种微生物生活在一起时，一种微生物产生某些特殊的代谢产物或改变环境条件，从而抑制甚至杀死另一种微生物的现象，分为专一性拮抗关系和非专一性拮抗关系。许多微生物在其生命活动过程中，产生抗菌物质(抗菌素和杀菌素)，能抑制对它分泌物敏感的微生物，这是一种特异性拮抗关系。另外，在酸菜、泡菜和青贮饲料的制作过程中，由于乳酸细菌的旺盛繁殖，产生大量乳酸，使环境变酸而抑制腐败细菌的生长。这是一种非特异性拮抗关系，微生物之间的拮抗现象（图A是一种芽孢杆菌产生的细菌素对茄子黄萎病菌的拮抗作用；图B是五株放线菌的菌丝琼脂块对黄瓜枯萎病菌的拮抗作用）五、捕食捕食关系是一种微生物直接吞食另一种微生物。在自然界中，捕食关系是微生物中的一个引人注目的现象。主要的细菌捕食者是原生动物，它们吞食数以万计的细菌，明显影响细菌种群的数量。另外，粘细菌和粘菌也直接吞食细菌，并且，粘细菌也常侵袭藻类、霉菌和酵母菌。食线虫真菌扑食线虫的实物照片（引自张克勤等编著的食线虫菌物生物学2001）六、中立关系中立关系是指我们所研究的微生物群体间不存在任何关系。水体的微生物污染水资源污染日益严重是引起富营养化的原因污水当进入水体的外来污染物质数量，超过了水体的自净能力，并达到破坏水体原有用途的程度，即为水污染。严重的水体污染造成水中有机及无机物丰富，出现富营养化，最终引起赤潮、污水难闻异味等现象。富营养化作用：水体如果接受富有机及无机营养物，如磷酸盐和无机氮化合物，那么水体便成为富营养化的水。因氮、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，代谢产生大量的有机物和藻类生物量，异养微生物氧化这些有机物时，耗尽水中的溶解氧，厌氧菌开始生长和代谢，并分解含硫化合物，产生H2S，从而导致难闻的气味。缺氧引起好氧微生物和需氧生物的大量死亡，最终出现大量沉淀物和水体颜色异常，这就是富营养化作用。水花：发生在淡水水体中的富营养化。即由于藻类大量繁殖，使水体呈一定的颜色，水体变混浊，藻类团块漂浮在水面上，形成水花。赤潮：发生在河口、港湾或浅海等咸水区水体的富营养化现象。环境污染的微生物监测生态环境中的微生物是环境污染的直接承受者，环境状况的任何变化都对微生物群落结构和生态功能产生影响，因此可以用微生物指示环境污染。（一）粪便污染指示菌（二）致突变物与致癌物的微生物检测（三）发光细菌检测法粪便污染指示菌－－大肠菌群粪便中肠道病原菌对水体的污染是引起霍乱、伤寒等流行病的主要原因。沙门氏菌、志贺氏菌等肠道病原菌数量少，检出鉴定困难。因此不能把直接检测病原菌作为常规的监测手段，从而提出了检测与病原菌并存于肠道且具相关性的“指示菌”，从它们的数量来判定水质污染程度和饮水（包括食品等）的安全性。大肠菌群是最基本的粪便污染指示菌，是最常用的水质指标之一。大肠菌群是指一大群与大肠杆菌相似的好氧及兼性厌氧的革兰氏阴性无芽孢杆菌，它们能在37℃48h内发酵乳糖产酸产气，包括埃希氏菌属、柠檬酸杆菌属、肠杆菌属、克雷伯氏菌属等。常用的大肠菌群测定方法有发酵法和滤膜法。多管发酵法：包括初步发酵试验、平板分离、复发酵试验三部分。滤膜法：滤膜法是采用膜过滤器过滤水样，使其中的细菌留在滤膜上，然后将膜放在合适的培养基上培养并计数。大肠菌群数量的表示法有两种一是“大肠菌群数”，即1L水中含有的大肠菌群数量。二是“大肠菌群值”，是指水样中可检出1个大肠菌群数的最小水样体积（mL）。大肠菌群值＝1000／大肠菌群数致突变物与致癌物的微生物检测环境污染物的遗传学效应主要表现在污染物的致突变作用，致突变作用是致癌和致畸的根本原因。具有致突变作用或怀疑具有致突变效能的化合物数量巨大，这就要求发展快速准确的检测手段。微生物监测被公认是对致突变物最好的初步检测方法。Ames试验