环境工程微生物学-8：微生物生态

第八章微生物生态第一节微生物生态系统的概念及其特点第二节微生物在自然及人为环境中的分布第三节微生物之间的相互作用第四节自然界物质循环中微生物的作用第一节微生物生态系统的概念及其特点一、微生物生态系统生态系统:生物群落与其生存环境组成的整体系统。微生物生态系统：微生物与周围的生物及非生物共同构成的整体系统。微生物生态学：研究微生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系的科学。第一节微生物生态系统的概念及其特点二、微生物生态系统的特点1、微环境微生物的微环境指直接影响微生物生存和发展的，与微生物的关系最为密切的微生物细胞周围环境。2、稳定性由于微生物生态系统中微生物种类的多样性,使之在环境条件一定范围的变化时,微生物种类组成比较稳定的特性。3、适应性微生物的微环境发生剧烈变化时，微生物群落的结构会发生相应的变化的特性。第二节微生物在自然及人为环境中的分布一、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、流感病毒表8-1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第二节微生物在自然及人为环境中的分布一、大气中的微生物第二节微生物在自然及人为环境中的分布一、大气中的微生物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、气流表8-2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10000002000050002001-2二、水圈中的微生物（一）淡水微生物1、来源：土壤、空气、污水及有机残体2、种类：自养菌3、影响微生物在淡水中分布的因子：营养物质、温度、溶解氧等。第二节微生物在自然及人为环境中的分布浸入小河里的载玻片上的发育形成的小菌落二、水圈中的微生物蓝细菌、藻、水生植物阳光表层输入(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层次化湖泊生态EcologyofaStratifiedlake水体不同层次微生物分布第二节微生物在自然及人为环境中的分布二、水圈中的微生物（二）水体自净及污染水体的微生物生态1、水体自净过程第二节微生物在自然及人为环境中的分布水体接纳了一定量的有机污染物后，在物理的、化学的及生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。•P／H指数与BIP指数•P代表光合自养型微生物（如藻类）•H代表异养型微生物（如细菌等），两者的比即P／H指数。•P/H=（有叶绿素的微生物数量）/（异养微生物数量）•BIP=（无叶绿素的微生物数量）/（全部微生物数量）≈H/（P+H）×100%•污染前污染净化开始持续结束•P/H：高下降最低点上升高•BIP：0~8上升60~100下降0~8•通常使用的是BIP指数。细菌菌落总数•CFU(ColonyFormingUnits)：1ml水样在营养琼脂培养基中，于37°C培养24h后所生长出来的细菌菌落总数。•我国规定1ml生活饮用水中的细菌菌落总数在100个以下。•不能说明污染的来源稀释平板计数法—固体培养法•通常不直接检测——•水中存在病原菌的可能性很小，其他各种细菌的种类却很多，要排除一切细菌而单独直接检出某种病原菌来，在培养分离技术上较为复杂，需较多的人力和较长的时间。•间接病原菌测定：测定水中是否有肠道正常细菌的存在——若检出，则表明水被粪便所污染，则有肠道病原菌的可能。总大肠菌群•能在37°C，24-48h内发酵乳糖，产酸产气的需氧的及兼性厌氧的革兰氏阴性的无芽孢杆菌。•我国规定1L生活饮用水中的大肠菌群数在3个以下。MPN法（试验九。P309)•如何知道饮用水是否受到粪便污染呢？•检测肠道病原菌数量•通常检测大肠菌群（作为肠道正常菌的代表）的存在及数量。二、水圈中的微生物（三）水体自净及污染水体的微生物生态2、污染水体的微生物生态第二节微生物在自然及人为环境中的分布特征多污带α-中污带β-中污带寡污带水色暗灰色，很浑浊灰色，较浑浊浑浊浑浊度低BOD高减少,有悬浮物减少,悬浮物少极少,悬浮极少溶解氧含量极低（或无）少升高恢复正常气体H2S、CO2和CH4NH3、H2S氨及H2S减少H2S消失细菌数量几亿/毫升几千万/毫升几万/毫升极少微生物种类特点（兼）厌气性硫酸还原菌产甲烷菌藻类及原生动物出现藻类大量繁殖纤毛虫活跃鱼腥藻、硅藻、黄藻、钟虫、变形虫动物类型寡毛类（颤蚯蚓）颤蚯蚓，增多轮虫、浮游甲壳动物轮虫、浮游甲壳动物增多显花植物无无出现增多鱼类无无无有底泥大量的有机质部分无机化大量无机化类型外观BIP生物特征多污带1．暗灰色，很浑浊，含大量有机物，BOD高，溶解氧极低(或无)，为厌氧状态。2．在有机物分解过程中，产生H2S、C02和CH4等气体。臭味。3．水底沉积许多由有机和无机物形成的淤泥。水面上有气泡。60~1001．种类很少，厌氧菌和兼性厌氧菌种类多，数量大，每毫升水含有几亿个细菌。有能分解复杂有机物的菌种，硫酸还原菌、产甲烷菌等。2．无显花植物，鱼类绝迹。3．河底淤泥中有大量寡毛类(颤蚯蚓)动物。*河流流向多污带•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。•类型外观BIP生物特征河流流向α-中污带1．水为灰色，溶解氧少，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。臭味。20~601．生物种类比多污带稍多。细菌数量较多，每毫升水约有几千万个。2．出现有蓝藻、裸藻、绿藻，原生动物有天蓝喇叭虫、美观独缩虫、椎尾水轮虫、臂尾水轮虫及栉虾等。**3．底泥已部分无机化，滋生了很多颤蚯蚓。α中污带**有关生物的形态见下图天蓝喇叭虫、椎尾水轮虫、栉虾。天蓝喇叭虫椎尾水轮虫栉虾类型外观BIP生物特征河流流向β-中污带1．有机物较少，BOD和悬浮物含量低，溶解氧浓度升高；2．NH3和H2S分别氧化为N03—和S042-，两者含量均减少。8~201．细菌数量减少，每毫升水只有几万个。2．藻类大量繁殖，水生植物出现。***3．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。β中污带***β-中污带的藻类见下图。变异直链硅藻短棘盘星藻水花束丝藻梭裸藻寡污带类型外观BIP生物特征河流流向寡污带1．有机物全部无机化，BOD和悬浮物含量极低，水的浑浊度低，溶解氧恢复到正常含量。2．H2S消失；3．河流自净过程已完成的标志0~81．细菌极少；2．出现鱼腥藻、硅藻、黄藻、钟虫、变形虫、旋轮虫、浮游甲壳动物、水生植物及鱼。********寡污带的指示生物见附图轮虫、水蚤、鱼腥藻、玫瑰旋轮虫。蚤状水蚤大型水蚤鱼腥藻玫瑰旋轮虫前节晶囊轮虫三、极端环境中的微生物极端环境：高、低温环境高盐环境高酸、高碱环境高压环境。。。。第二节微生物在自然及人为环境中的分布三、极端环境中的微生物（一）嗜热微生物1、发现第二节微生物在自然及人为环境中的分布地热泉热水系统制糖厂三、极端环境中的微生物（一）嗜热微生物2、生存机制（高温对微生物的一般影响是什么？）有限的保护机制：细胞膜的蜡质程度、震热蛋白极端嗜热菌的保护机制：高溶点脂肪、抗热蛋白、核酸保护蛋白第二节微生物在自然及人为环境中的分布（二）嗜冷微生物1、发现（红雪现象：嗜寒水藻）三、极端环境中的微生物第二节微生物在自然及人为环境中的分布耐寒喜温型嗜冷型（二）嗜冷微生物2、生存机制特殊的酶、细膜含特殊的脂肪三、极端环境中的微生物第二节微生物在自然及人为环境中的分布一、土壤中的微生物土壤是M的“大本营”，人类的“菌种资源库”。细菌（～108）＞放线菌（～107）＞霉菌（～106）＞酵母（～105）＞藻类（～104）＞原生动物（～103）据估计：每亩耕作层土壤中，有霉菌150Kg，细菌75Kg，原生动物15Kg，藻类7.5Kg，酵母菌7.5Kg，他们可改善土壤物理结构和肥力四、土壤中的微生物第二节微生物在自然及人为环境中的分布四、土壤中的微生物（一）1、微生物对土壤的作用：（1）微生物是土壤形成的先驱生物自养固氮菌固氮，使成土母质间有了氮素成分。（2）为植物生长提供有效氮源。有机态氮向无机氮（氨态氮、硝态氮）的转换第二节微生物在自然及人为环境中的分布2、土壤对微生物的作用土壤是微生物良好的生活场所。土壤为微生物生长提供有利条件：①土壤中含有大量的有机物②土壤中含有大量的矿物质③土壤中含有一定的水分④土壤中含有一定的空隙⑤土壤具有保温性⑥土壤的pH值一般为5.5~8.5之间第二节微生物在自然及人为环境中的分布四、土壤中的微生物（二）土壤中微生物的分布1、土壤剖面结构与微生物垂直分布有机质层淀积层碳酸盐积累疏松母质淋溶层土体层第二节微生物在自然及人为环境中的分布四、土壤中的微生物（二）土壤中微生物的分布2、土壤团聚体与微生物的分布土壤团聚体（土壤团粒）：由土壤矿物质颗粒（黏粒）、微生物、植物残体以及腐殖质构成的微团聚体经过多次复合和团聚而成的结构。不同的团聚体微生物的分布不同。同一团聚体内外微生物的分布不同。第二节微生物在自然及人为环境中的分布四、土壤中的微生物土壤颗粒表面的微生物第二节微生物在自然及人为环境中的分布五、活性污泥中的微生物活性污泥：由细菌、微型动物为主的微生物与悬浮物质、胶体物质混杂在一起形成的具有很强吸附分解有机物的能力和良好的沉降性能的絮状体颗粒。经过初沉的废水空气曝气池二次沉淀池出水剩余污泥回流污泥第二节微生物在自然及人为环境中的分布五、活性污泥中的微生物动胶菌属丛毛单胞菌属产碱杆菌属微球菌属棒状杆菌属黄杆菌属无色杆菌属芽孢杆菌属假单胞菌属亚硝化单胞菌属短杆菌属固氮菌属浮游球衣属微丝菌属大肠杆菌属产气杆菌属节杆菌属螺菌属其中可分为优势菌、较多、一般、及少量四个数量等级。１、构成正常活性污泥的主要细菌第二节微生物在自然及人为环境中的分布五、活性污泥中的微生物２、活性污泥中的原生动物活性污泥的成熟度与原生动物的种类分布活性污泥逐步成熟游动型纤毛虫肉足类鞭毛类爬行型纤毛虫附着型纤毛虫1、偏利共栖：一群微生物得益，而另一群体不受影响。（普遍）氨化细菌亚硝酸菌有机氮氨态氮亚硝酸氨化作用硝化作用第三节微生物之间的相互作用2、互利共栖：两个群体相互协作，达到在某一生境中共同生存的目的。H2S硫酸盐硫酸盐还原菌绿硫细菌第三节微生物之间的相互作用3、共生：两个群体形成具有特殊结构、功能和绝对互利关系的高度专一的共生体。地衣：是由藻类或蓝细菌与真菌形成的共生体光合作用运输矿质营养第三节微生物之间的相互作用4、竞争：两个或多个群体共同依赖同一个生长基质或环境因素，结果一方或两方的群体大小或生长率受到限制的现象。根瘤菌接种剂与土壤中的土著性根瘤菌的竞争关系第三节微生物之间的相互作用5、偏害或拮抗：某一微生物群体产生某种物质，使另一微生物群体生长受到抑制，而本身不受影响的现象。酸泡菜与酸牛奶：水体中的产氧藻类：抗生素产生菌：第三节微生物之间的相互作用6、寄生：一种微生物寄生在另一种微生物细胞中或细胞表面，从寄主中取得养料，并引起寄主病害或死亡。噬菌体与细菌蛭弧菌寄生于革兰氏阴性菌（蛭弧菌被噬菌体寄生——超寄生现象）粘细菌对细菌的寄生：依靠胞外酶溶解敏感菌群，释放出营养物第三节微生物之间的相互作用7、捕食：一种微生物直接吞食另一种微生物的现象。原生动物对细菌的捕食藻类对细菌和其它藻的捕食各种捕食线虫的真菌和捕捉器1234a4b5a5b1梯状捕捉网2环状捕捉网3环状捕捉网4a三环菌丝网4b绞环和被勒死的昆虫