污染土壤的微生物生态

第七章微生物的生态第一节概述第二节生态环境中的微生物第三节微生物与生物地球化学循环第七章微生物的生态概述生态系统微生物在生态系统中的角色第七章微生物的生态生态系统生态系统是指在一定的空间内生物的成分和非生物的成分通过物质循环和能量流动互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位。生物成分按其在生态系统中的作用，可划分为三大类群：生产者、消费者和分解者。微生物可以在多个方面但主要作为分解者而在生态系统中起重要作用。第七章微生物的生态微生物是有机物的主要分解者是物质循环中的重要成员是生态系统中的初级生产者是物质和能量的贮存者是地球生物演化中的先锋种类第七章微生物的生态生态环境中的微生物微生物生物环境间的关系土壤中的微生物水体中的微生物大气中的微生物极端环境下的微生物动物体中的微生物植物体中的微生物人体微生物及病原微生物的传播第七章微生物的生态种群的相互作用互生(mrtabiosis)共生(symbiosis)寄生(parasitism)拮抗(antagonism)捕食(predation)第七章微生物的生态种群的相互作用种群是指具有相似特性和生活在一定空间内的同种个体群，种群是组成群落的基本组分。种群的相互作用复杂多样，种群密度、代谢能力、增长速率等方面表述两个种群之间的相互影响及作用。第七章微生物的生态种群相互作用的基本类型中立生活两种群之间在一起彼此没有影响或仅存无关紧要的影响。偏利作用一种种群因另一种种群的存在或生命活动而得利，而后者没有从前者受益或受害。协同作用相互作用的两种种群相互有利，二者之间是一种非专性的松散联合。第七章微生物的生态互惠共生相互作用的两个种群相互有利，两者之间是一种专性的和紧密的结合，是协同作用的进一步延伸。联合的种群发展成一个共生体，有利于它们去占据限制单个种群存在的生境。地衣是互惠共生的典型例子。寄生一种种群对另一种群的直接侵人，寄生者从寄主生活细胞或生活组织获得营养，而对寄主产生不利影响。第七章微生物的生态捕食一种种群被另一种种群完全吞食，捕食者种群从被食者种群得到营养，而对被食者种群产生不利影响。偏害作用(拮抗)一种种群阻碍另一种种群的生长，而对第一种种群无影响。竞争两个种群因需要相同的生长基质或其它环境因子，致使增长率和种群密度受到限制时发生的相互作用，其结果对两种种群都是不利的。第七章微生物的生态互生微生物间的互生人与肠道正常菌群的互生互生与发酵工业中的混菌培养第七章微生物的生态共生微生物间的共生微生物与植物间的共生根瘤菌根微生物与动物间的共生昆虫反刍动物第七章微生物的生态寄生微生物间的寄生微生物与植物间的共生微生物与动物间的共生拮抗捕食第七章微生物的生态土壤中的微生物土壤是微生物的合适生境土壤微生物种类齐全、数量多、代谢潜力巨大，是主要的微生物源。土壤微生物的数量和分布主要受到营养物、含水量、氧、温度、pH等因子的影响，集中分布于土壤表层和土壤颗粒表面。一、土壤中的生态条件•土壤是自然界微生物活动的主要场所，因为土壤具备微生物生存的基本条件。•水分土壤的孔隙和土块的表面总会带有一定的，土壤一般含有丰富的有机质，它们来自动植物的遗体。土壤也含有多种矿物质，含有微生物需要的金属元素。在土壤团粒结构中含有空气。这种土壤的pH接近中性，其温度适宜，一年四季变化相对不大。在表层几毫米之下，微生物可免于阳光直射。这些使土壤成为微生物活动最适宜的场所，所以土壤有微生物的“天然培养基”之称。土壤中微生物数量最大，种类最多，人们常称之为“微生物的大本营”。土壤逐渐干燥时，细菌数量的变化细菌类群数量（×106/g干土）0d15d细菌总数芽孢细菌无芽孢细菌球菌节杆菌22.86.013.03.10.672.92.20.10.10.60二、土壤微生物的分布特点•不同土壤，微生物种类和数量、优势种群不同；•同一土壤，微生物的分布呈不均匀性和季节性变化；•土壤中微生物的垂直分布和水平分布呈现差异。三、土壤自净和污染土壤微生物生态（一）土壤自净1、概念2、影响因素(二)污染土壤的微生物生态四、土壤污染和土壤生物修复(一)土壤污染物的来源及其不良后果1、土壤污染物的来源2、污染物的去向3、土壤污染的后果(二)土壤修复1、土壤修复的兴起2、土壤修复的概念3、土壤生物修复技术简介4、土壤生物修复工程生物通风系统修复石油轻度污染土壤的示意图典型花园土壤不同深度每克土壤的微生物菌落数/CFU深度/cm细菌放线菌*真菌藻类3-8975000020800001190002500020-25217900024500050000500035-40570000490001400050065-751100050006000100135-1451400—3000—*丝状细菌第七章微生物的生态水体中的微生物水生生境主要包括湖泊、池塘、溪流、河流、港湾和海洋。水体中微生物的数量和分布主要受到营养物水平、温度、光照、溶解氧、盐分等因素的影响。一、水体中微生物的分布特点•来自溪流的水较为清洁，营养物质缺乏，其中细菌以革兰氏阴性无芽孢菌为主。含铁和硫的水中则常见鞘细菌和硫细菌；•湖泊、池塘、河流中的微生物大部分来自土壤和生活污水，微生物类群直接反映了陆地情况。•水中的真菌以水生藻状菌为主。湖水中最常见的真菌是水霉菌属(Soprolegnia)和绵霉菌属(Achalya)的菌种。•海水中微生物的种类和数量也很大，分布极广，特别是藻类最多。细菌的种类和土壤及淡水中的差别不大，但有较多的弧菌和革兰氏阴性杆菌，球菌和放线菌较少。海水细菌中能游动的和有色素的细菌比例较大。•海水营养物质相对不丰富，加之海水的高盐分、低温、高压的条件，•海水中微生物的浓度相对较低，异养菌数目相对较少，兼性好氧菌占优势而专性好氧菌很少，它们大多是分解蛋白质能力强，而分解碳水化合物能力弱的菌种。不同水体微生物数量国名河名河水中的细菌数(个/mL)作者德国巴西捷克福达河莱尔涅尔格罗河多瑙河3.52×105~9.8×1062~3×1054.55×105JannaschSchmidtDaubner湖泊类型细菌总数（×103/mL）贫营养湖泊中营养湖泊富营养湖泊富营养水库50~340450~14002200~123001000~57900二、水体自净作用（一）水体自净1概念：地面水接受污染物后，水质发生变化，经过一定时间(或流过一定距离)后，受多种因素的影响，被污染的地面水又恢复原有的洁净状态，这一过程称为水体的自净作用。自净容量自净作用有一定的限度，在水体自净作用限度内能够容纳的污染物的最大数量，称为该水体的自净容量。对于某一特定的水域，若污染物的排放总量超过了其自净容量，则水体不能自行恢复至原有的状态，其生态平衡将遭到破坏，河水即被污染。我国每年的废污水排放总量已经达到了620亿吨水体自净作用的强弱和自净容量的大小受水量、水质及一系列水文条件(如流量、流速、河流弯曲复杂程度等)影响。自净作用是自然沉降作用、稀释作用、有机物的生物降解、复氧作用(溶解氧浓度的恢复)、日照等许多作用联合的结果。若污染物的排放量在水体的自净容量允许范围，好氧菌能持续繁殖，随有机物降解，溶解氧浓度会下降，水中BOD浓度也同时下降；有机物分解完毕后，化能异养细菌停止生长；光合微生物(藻类和蓝细菌)利用水中溶解的无机物大量繁殖，随后，无机营养物的减少使光合微生物数量也减少。水体的BOD、溶解氧恢复至原来的水平，河水的自净作用完成。废水有时含有的各式各样病原微生物，进入河流等水域，因环境变化，一定时间后死去，病原微生物的死亡是自净作用的重要内容。2河流污染和自净过程A.有机物排放至河流后，被河水稀释，其中的悬浮物沉降至河底。B.好氧微生物降解有机物，加速繁殖，河水溶解氧降低，甲壳动物、大多原生动物死亡，鱼类绝迹，厌氧菌大量繁殖。2河流污染和自净过程C.有机物浓度降低，COD和BOD降低、溶O2浓度增加，甚至达到饱和，水生生物开始繁殖。D.有机物被完全降解，细菌数量减少，河水回复到原先的水平，自净作用完成。•有机物质种类及浓度：排入河流的有机物被降解的难易程度、有机污染物的浓度菌直接影响河流的自净作用。•溶解氧浓度：来源于藻类、蓝细菌的光合作用和空气中氧的扩散作用。3影响河流自净作用的因素•温度：水温或气候都影响水体自净作用•其它因素：河流的流量、流速、河道弯曲复杂程度影响到沉降、稀释作用；氧的扩散速率。3影响河流自净作用的因素（二）衡量水体自净的参考指标1、P/H指数•P代表水体中光合自养型微生物数量，H代表异养微生物数量，二者之比即为P/H指数。•一定程度上反映水体污染和自净的程度。P/H指数低，有机物浓度较高，污染重，自净速率高，自净度低；P/H值高，水体逐渐清洁，有机物浓度较低，污染轻，自净速率较低。•河流自净作用完成后，P/H指数也恢复到原来的水平，自净度高。•河流自净过程中，好氧菌降低水中溶O2；藻类和蓝细菌的光合作用产生的O2及空气向水体扩散的O2使溶解氧浓度逐渐上升(即复氧作用)。•河流自净过程中，在耗氧与复氧作用下的水中溶解氧变化曲线称为氧垂曲线。2、氧垂曲线和氧浓度的昼夜变化幅度•O2的消耗量能反映微生物自净作用的强弱，溶O2的完全恢复说明自净作用已完成；氧垂曲线可反应水体自净状况。（三）污染水体的微生物生态1污化系统及其指示生物污化系统(也称有机污染系统)是根据水体有机物污染程度的不同，对水体的一种分类法。当有机污染物排入河流，在其下游河段的自净过程中，形成一系列污化带。因各种水生生物需要不同的生存条件，故在各个带中可找到不同的代表性指示生物，包括细菌、真菌、藻类、原生动物等微生物，以及轮虫、浮游甲壳动物、鱼类及底栖动物等。根据指示生物的不同，污化带可分为多污带、-中污带、-中污带和寡污带。(1)多污带（polysaprobiczone）靠近排污点下游，河水深暗、浑浊，含大量有机物，BOD高，呈缺氧或厌氧状态，污染严重。有机物分解产生H2S、NH3，使河水有异味。水生生物种类极少，以厌氧和兼性厌氧微生物为主，无鱼类、显花植物等。代表性的指示生物是细菌，且种类多、数量大，每ml水中可达几亿个，例如硫酸盐还原菌与产甲烷菌等，此外还有颤蚯蚓、蚊蝇幼虫。(2)中污带(-mesosaprobiczone)•在多污带下游，有机物量略减少，BOD下降，河水依然灰暗，溶解氧低，水面上可有浮沫和浮泥。生物种类增加，细菌数减少，但每毫升仍有几千万个。•代表性的指示生物举例如下：天蓝喇叭虫、椎尾水轮虫、栉虾、独缩虫、颤藻、小球藻等。(3)-中污带（-mesosaprobiczone）•光合微生物和绿色浮游生物大量出现，水中溶解氧升高，有机质含量少，BOD很低，悬浮物进一步减少，有机氮已转变为NH4+、NO2-和NO3-，CO2与H2S含量减少。•细菌数量减少，藻类大量繁殖，轮虫、甲壳动物和昆虫增加，生根的植物、鱼类出现。•代表性生物：藻类的水花束丝藻、变异直链硅藻、短棘盘星藻、舟形藻、梭裸藻；原生动物的草履虫、聚缩虫；微型后生动物的腔轮虫、水蚤。(4)寡污带(oligosaprobiczone)•有机物完全分解为无机物，BOD极低，溶O2恢复正常，不含H2S，CO2含量较低，N元素全部氧化为NO3-，自净作用完成。•指示生物：鱼腥蓝细菌、隔板硅藻、黄群藻、玫瑰旋轮虫及其它藻类，钟虫、旋轮虫、水生植物与鱼类等。以上污化系统只能反映有机污染的程度，不能反映有毒废水的污染。2水体有机污染指标1)BIP指数(BiologicIndexofWaterPollution)：•根据水生生物种类的变化来评价水体污染程度的方法仍缺乏定量概念，可用水生生物的数量求出某种指数来定量表示水体污染程度。污染程度清洁水轻微污染中等污染严重污染BIP0~88~2020~6060~100利用BIP判断水体的有机污染程度BIP=BA+B×100A——