微生物的生态

第七章微生物的生态微生物生态学的研究内容1.概念:生态学是研究生命系统与环境系统相互作用及适应机理关系的科学。2.微生物生态学研究内容：微生物的群落结构；微生物与宏观、微观环境系统间相互作用的规律及其应用。本章提要：微生物在自然界的分布微生物与物质循环一、微生物在自然界中的分布（一）土壤中的微生物土壤环境适合微生物的生长：pH，渗透压，氧气与水，温度，保护层种类：细菌放线菌真菌藻类原生动物细菌多为异养类型；藻类为光能自养作用：在物质循环中起重要作用，降解土壤有机物。（二）空气中的微生物环境：不利于微生物生长，所以无固定种类，种类分布：主要是真菌和细菌，在医院，公共场所致病菌的数量多。卫生标准：没有统一，一般室内以1m3空气中细菌总数为500-1000个以上为空气污染指标。室外以1.0×103~5.0×103个为空气污染指标。作用：可迅速全球传播，对地球上生物繁衍有一定意义。微生物在自然界中的分布（三）水中的微生物微生物在自然界中的分布水中微生物来源：固有微生物、土壤微生物、生产和生活微生物、空气微生物。微生物种类：（1)海洋微生物群落：底栖性细菌；浮游性细菌；附着性细菌。（2)淡水微生物群落：随有机物含量而变。（三）水中的微生物水体自净A.水体自净的过程（1)有机污染物排入水体后被水体稀释，有机和无机固体物沉降至河底。（2)水体中好氧菌利用溶解氧把有机物分解，水中溶解氧急速下降至零，大量鱼类、原生动物、轮虫、浮游甲壳动物死亡，厌氧细菌大量繁殖，对有机物进行厌氧分解。（3)随着往下流的有机物的数量减少，河水中溶解氧恢复到原有浓度，甚至达到饱和。随着水体的自净，有机物缺乏和其它原因使细菌死亡。（三）水中的微生物B.污染水体的微生物生态1.污化系统：当有机物排入河流后，沿着河流方向形成一系列连续的污化带，根据指示生物的种群、数量及水质划分。多污带：⑴特点:BOD高，有机物多，溶解氧低。⑵种类：水生生物很少。厌氧菌和兼性厌氧菌为主。淤泥中有寡毛类动物。α-中污带：⑴特点:BOD下降，有机物减少，溶解氧低。(2)种类：原生动物、藻类增加，厌氧菌和兼性厌氧菌增加，寡毛类动物增加。(三)水中的微生物B.污染水体的微生物生态β-中污带:⑴特点:有机物较少，BOD含量低，溶解氧浓度升高。⑵种类:水生植物出现，藻类、原生动物数量、种类增加，细菌数量减少。寡污带：(1)特点:有机物全部无机化，BOD含量低，溶解氧恢复到正常水平。(2)种类:各种藻类、原生动物、水生植物、鱼。（三）水中的微生物水体自净指标：P/H指数氧浓度昼夜变化幅度（三）水中的微生物•水体有机污染指标：（1)BIP指数：污化系统用指示生物定性地衡量水体有机污染程度。（2)细菌菌落总数(CFU):1ml水样在营养琼脂培养基中，于37℃培养24h后所生长出来的细菌菌落总数。（3)总大肠菌群:一群好氧和兼性厌氧、革兰氏阴性、无芽孢的杆状细菌，并在乳糖培养基中，经37℃24-48h培养能产酸产气的微生物，是指示水体被粪便污染的一个指标。多管发酵法水体富营养化•1.富营养化的概念：人类将富含氮、磷的城市生活污水和工业废水排放入湖泊、河流、海洋，使上述水体的氮、磷营养过剩，促使水体中藻类过量生长的现象。水体富营养化•2.富营养化的结果：藻类等过量生长，产生大量的有机物，异养微生物氧化这些有机物，耗尽水中的氧，使厌氧菌开始大量生长和代谢，分解含硫化合物，产生H2S，从而导致水有难闻的气味，鱼和好氧微生物大量死亡，水体出现大量沉淀物和异常颜色。水体富营养化•“水花”或“水华”（waterbloom）：藻类（主要是微藻）的大量繁殖使水体出现颜色，并变得浑浊，许多藻类团块漂浮在水面上形成。“湖泊富营养化过程与蓝藻水华暴发机理研究”是“国家重点基础研究发展规划”(简称973计划)2002年度的26个项目之一，已于2002年12月27日正式启动。第一主持单位是中科院水生所，第二主持单位是中国环境科学研究院，刘永定(水生所)、金相灿(环科院)为项目首席科学家。陈宜瑜副院长说，现在项目正式启动了，这个任务非常艰巨，湖泊富营养化中有很多基础研究问题还没有解决，对富营养化机理问题的认识现在还停留在初级阶段，还缺乏学科之间的交叉。湖泊富营养化问题不是一个简单的水体污染问题，而是生态系统失调问题，是生态系统的结构功能在人类活动的干预下发生了重大变化之后出现的一种灾害。资源生态环境领域里要是不做好基础研究，我们永远不可能在科学发展上做出好的贡献来。他鼓励大家抓住重大科学问题、抓住重要基础研究问题，完成好项目，为国家做出贡献。我国处于不同富营养状态的湖泊达85%，湖泊富营养化尤其的蓝藻水华暴发加剧了我国水质性缺水的局面，威胁到饮用水供应，严重制约了经济建设和社会发展。陈宜瑜副院长指出，解决湖泊富营养化和蓝藻水华暴发既是科学问题，又是国家需求。目前我国湖泊富营养化的状态没有太大的变化，不但没有好转，继续恶化的情况还存在，根本的原因是基础研究跟不上。而且我国的湖泊富营养化问题国外没有可借鉴的经验，外国的湖泊大多构造深，我们没法直接用国外的经验。我国长江中下游浅水湖泊的特点是湖周人类活动多，我们不做些基础方面的研究，就没法回答国家重大需求问题。水体富营养化赤潮或红潮（redtides）：在海洋中，某些甲藻类大量繁殖也可也可以形成水花，从而使海水出现红色或褐色。赤潮或红潮•赤潮的类型：按赤潮的成因和来源可分为原发型（赤潮生物在该海域爆发性繁殖）和外来型（赤潮生物是由于风、流等作用带来的）。按赤潮发生的海域可划分为外海型（外洋型）赤潮、近岸型赤潮、河口型赤潮和内湾型赤潮。•有毒、无毒赤潮的区别：有毒赤潮生物的细胞数量超过一定标准或在海水水样、贝类中的赤潮毒素超过80微克/100克时，即可判断为有毒赤潮的发生。无毒赤潮的赤潮生物不含有毒素，也不分泌毒素，基本不产生毒害作用，但对生态环境和渔业也会产生不同程度的危害。•赤潮易发生的区域及时间：在江河口海区和沿岸、内湾海区、养殖水体比较容易发生赤潮，东海区的赤潮频发区主要有长江口海域、舟山群岛、厦门港附近海域、象山港、罗源湾、三门湾等。赤潮易发生的时间段为5~10月。赤潮或红潮•赤潮的危害（1）危害水产养殖和捕捞业。（2）损害海洋环境。（3）影响海洋旅游业。（4）危害人体健康。•赤潮的治理方法：(1)对于小型的网箱养殖，可以采用拖曳法来对付赤潮。(2)对于大面积的赤潮治理，现在国际上公认的一种方法是撒播粘土法。(3)生物方法治理赤潮，即通过滤食性贝类、浮游动物、藻类、细菌或病毒等捕食或杀死赤潮藻。水体富营养化•3.评价方法：a.观察指示生物；b.测定生物的现存量；c.测定透明度，d.测定氮、磷的含量。•AGP的概念：P195水体富营养化4.防止水体富营养化方法：A.根本措施将各种污水和废水中的氮和磷的排放量控制在低水平。B.种植各种水草。三、微生物与物质循环主要的有O、N、C、S、P循环碳素的循环①有氧条件：光合作用:②无氧条件：酵解甲烷生成形成化石燃料呼吸作用：有机物CO2CO2有机物碳素循环微生物与物质循环一、纤维素的转化•来源：棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水及城市垃圾。•分解途径:见下页。•分解纤维素的微生物：（1)细菌:粘细菌、廉状纤维菌、纤维弧菌纤维二糖芽孢梭菌、无芽孢厌氧分解菌。（2)真菌：青霉菌、曲霉、毛霉等。（3)放线菌：链霉菌属。二、淀粉的转化•来源：淀粉厂、酒厂废水、印染废水、抗生素发酵废水及生活污水等均含有淀粉。•淀粉的种类：直链淀粉和支链淀粉•淀粉的降解途径：见下页•降解淀粉的微生物：途径⑴中，有枯草芽孢杆菌和根霉、曲霉。途径⑵中，有根霉、曲霉、酵母菌。途径⑶中，丙酮丁醇梭状芽孢杆菌和丁醇梭状芽孢杆菌。途径⑷中，有丁酸梭状芽孢杆菌。三、烃类物质的转化•烷烃的转化：•氧化烷烃的微生物：甲烷假单胞菌、分枝杆菌、头孢霉。•芳香烃化合物的转化：•来源：炼油厂、煤气厂、焦化厂、化肥厂。•降解苯和酚的微生物：荧光假单孢菌、铜绿假单胞菌。•降解萘的细菌：诺卡氏菌、球形小球菌氮素循环•三种存在形式：分子氮、有机氮化合物、无机氮化物•四种作用：氨化作用、硝化作用、反硝作用及固氮作用一、生物固氮：NNNH31.工业固氮作用N2+3H22NH3300大气压300℃铁触媒2、生物固氮作用NNNH36NAD(P)HNAD(P)+ATPADP+PiMg2+（一）固氮生物绝大多数均为原核微生物。生物固氮自生固氮菌共生固氮菌联合固氮菌(二)固氮的生物化学固氮酶的特性固氮的过程固氮的条件影响固氮的因素生物固氮1.固氮酶的特性不同微生物的固氮酶的结构、功能类似。生物固氮用DEAE纤维素层析柱；分步收集得到两种组分松——钼铁蛋白(MF)：220KD，2种4个小亚基构成；固氮酶的活性中心。紧——铁蛋白(F)：65KD，1种亚基(两个)钼铁蛋白的还原酶，电子活化中心。1）组分：(2)特性：ａ.对氧敏感：有氧不可逆失活，F：45秒；MF：10分钟。ｂ.耗能过程：酶合成及固氮过程需ATP，固定1molN2,消耗10-15molATPｃ.催化多种反应:可催化乙炔乙烯据此：1）定性分析能否固氮；2）定量分析固氮酶还可催化叠氮化合物、氰化物、异氰、NO2-、H+ｄ.需还原力和电子载体还原力NAD（P）H电子载体铁氧化-还原蛋白Fd黄素氧化-还原蛋白Fld生物固氮2.固氮的条件1）固氮酶2）厌氧3）ATP：4）Mg2+5）还原力及载体：6）底物：N2生物固氮②氨化作用:有机氮NH4++SO42-+H2O氮素的循环:氮素的循环:③硝化作用:好氧时两类细菌：亚硝酸细菌：NH4+NO2-硝化细菌：NO2-NO3-氮素的循环:④反硝化作用：兼性厌氧的硝酸盐还原细菌将硝酸盐还原为氮气。反硝化作用的三种结果：a.通过硝酸还原酶的作用将硝酸还原为氨。b.反硝化细菌在厌氧条件下，将硝酸还原为氮气。c.硝酸盐还原为亚硝酸。反硝化作用的危害：使土壤的肥力下降，在污水生物处理系统中，使出水含有多量的泥花，影响出水的水质。氮素的循环微生物与物质循环