第八章微生物生态学基础

8微生物生态学基础8.1微生物生态系统的概念及其特点8.2微生物在自然及人为环境中的分布8.3微生物之间的相互作用8.4自然界物质循环中微生物的作用8.1微生物生态系统的概念及其特点生态系统（ecosystem）就是指一定空间内生存的所有生物和环境相互作用的，具有能量转换、物质循环代谢和信息传递功能的统一体（参考教材P171）（一）微生物生态系统概念微生物生态系统：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（microbialecology）：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8.1微生物生态系统的概念及其特点（一）微生物生态系统概念微生物种群（microbialpopulation）同一时间和地点相同种（species）的微生物群微生物群落（Microbialcommunity）由两个或两个以上微生物种群组成功能类群（guild）以相同的方式利用相同的营养资源并且代谢类型相似的微生物种群8.1微生物生态系统的概念及其特点（一）微生物生态系统概念种多度（speciesabundance）群落中不同种所占的比例8.1微生物生态系统的概念及其特点（一）微生物生态系统概念种丰富度(speciesrichness)一定群落中存在的种（species）的总数微生物生态系统服务于生物地球化学和营养循环微生物在生态系统中的角色1.微生物是有机物的主要分解者2.微生物是物质循环中的重要成员3.微生物是生态系统中的初级生产者4.微生物是物质和能量的贮存者5.微生物是地球生物演化中的先行者（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8.1微生物生态系统的概念及其特点8.2微生物在自然及人为环境中的分布8.2.1生态位与微环境（microenvironment）8.2.2大气中微生物8.2.3土壤中微生物8.2.4水体中微生物8.2.5极端环境中的微生物8.2.6生态因子及其作用的基本规律生态位（niche）P165是指每个种群受群落中生态因子限定的空间地位及其功能作用是指功能类群共同的生境，并能提供细胞生长需求的营养条件最初生态位（primeniche）基础生态位（fundamentalniche）实际生态位（realizedniche）团聚体周围的等氧线土壤一个团聚体等氧压线，在近中心部位为一缺氧带，由此向外，氧浓度逐渐提高。O2%微环境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8.2.2大气中的微生物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71103.58.2.2大气中的微生物8.2.2大气中的微生物大气微生物分布（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10000002000050002001-28.2.3土壤中微生物（一）土壤微生物的种类及分布（二）土壤自净土壤中微生物的种类土壤中的微生物种类很多，它们因生理习性的不同而在土壤环境中发挥着不同的作用.由于不同土壤环境条件的差异，其中微生物群落的组成和微生物数量各不相同.每克肥土中通常含有几亿至几十亿个微生物，贫瘠土壤每克也含有几百万至几千万个微生物.土壤中的微生物以细菌最多，作用强度和影响范围也最大.放线菌和真菌类次之，藻类和原生动物等的数量较小参考教材P130（二）土壤自净（1）土壤自净的概念（2）土壤自净的主要过程（3）土壤自净作用的机理（1）土壤自净的概念土壤环境的自净作用是指在自然因素的作用下，通过土壤自身的作用使污染物在土壤环境中的数量、浓度或毒性、活性降低的过程狭义的土壤自净，主要是指微生物对有机污染物的降解作用，以及使污染化合物转变为难溶性化合物的作用（2）土壤自净的主要作用①绿色植物根系的吸收、转化、降解和生物合成作用②土壤中的细菌、真菌和放线菌等微生物的降解、转化和生物的固定化作用③土壤的有机、无机胶体及其复合体的吸收、络合和沉淀作用④土壤的离子交换作用⑤土壤和植物的机械阻留作用⑥土壤的气体扩散作用（3）土壤自净作用的一般机理包括物理净化作用、物理化学净化作用、化学净化作用和生物净化作用土壤的生物降解作用是土壤环境自净作用的主要途径，其净化能力的大小与土壤中微生物的种群、数量、活性，以及土壤水分、土壤温度、土壤通气性、pH值、Eh值、适宜的C/N比值等因素有密切关联8.2.4水体中微生物一、水体的微生物二、水体污染与水体的自净三、河流污化带系统及其生态学特征一、水体的微生物生态特征广阔的水域，由于含有可溶性无机盐、有机物以及具备微生物生长繁殖的其他条件，因此成为微生物栖息的重要场所。天然水体可大致区分为淡水和海水两大类型，在淡水和海水中，微生物的分布和群落结构存在显著差异水体的环境虽然变化因素较多，其中的各种有机和无机物质也不及土壤中的丰富，但在各种水体中都有大量的与其环境相适应的各种微生物的生存，水体是微生物广泛分布的第二个天然环境水体中的微生物主要来源于四个方面（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）来自空气的微生物淡水中的微生物蓝细菌、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二、水体污染与水体的自净（一）水体污染（二）水体自净的概念（三）水体自净的基本原理（四）水体的自净过程及其生态学特征变化（五）水体自净的评价指标（一）水体污染由于人类活动而排放的污染物进入水体，使水体和水体底泥的物理、化学性质或生物化学性质发生变化，从而降低了水体的使用价值，这种现象称为水体污染水体污染的最主要原因是工业废水的排放废水中的污染物种类极多，一般可分为无机无毒物、无机有毒物、有机无毒物和有机有毒物.此外，还有放射性物质、生物污染物质和热污染等（二）水体自净的概念（参考教材P285）水体自净是指水体在接纳了一定量的污染物后，通过物理、化学和水生生物(微生物、动植物)等因素的综合作用后得到净化，水质恢复到受污染的水平和状态的现象水体自净能力是有限度的，当进入水体的污染物总量超过了其自净容量，就会导致水体污染。水体的自净容量是指在水体正常生物循环中能够同化有机污染物的最大数量，又称同化容量影响水体自净过程的因素包括受纳水体的地形和水文条件、水中微生物的种类和数量、水温和复氧状况、污染物的性质和浓度等（三）水体自净的基本原理（1）沉淀、稀释、混合、挥发等物理过程（2）氧化还原、分解化合、吸附凝聚、离子交换等化学和物理化学过程（3）厌氧和好氧微生物代谢的生物化学过程各种净化过程同时发生，相互影响，相互交织进行（参考教材P285-286）在以上水体净化过程中，只有微生物的降解作用，才能将进入水体的有机物质彻底清除，所以，可以通过水体中微生物的代谢作用，使污染水体的生态得以修复.同时，也可以有目的地培养和驯化特定的微生物群落（活性污泥），以处理各种工业有机废水和生活污水（四）水体自净过程的生态学特征变化水体在接纳污染物后的自净过程，伴随着生物群落的演替以及其他生态特性的变化以河流的自净作用为例水体自净过程大致经历如下几个阶段：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水体中好氧细菌利用溶解氧把有机物分解为简单有机物和无机物，并用以构建自身有机体，水中溶解氧被大量消耗而急速下降以至为零，此时鱼类绝迹，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有机污染物在微生物代谢作用最终矿化，生成CO2、H2O、PO43-、NH4+和H2S等，而NH4+和H2S在硝化细菌和硫化细菌作用下，进一步被氧化为稳定的NO3-和SO42-④随着水体的自净，有机物成为水体微生物生长繁殖的限制性因素，再加上诸如阳光照射、温度、pH值和毒物等其他生态因子的变化，以及生物的拮抗作用，使前一阶段大量繁殖的细菌死亡，溶解氧上升，水质变清，高等水生动物重新出现，水体恢复到污染前的状态和功能，自净过程完成水体自净过程中溶解氧呈现出变化规律水体自净过程中群落的演替现象（P170）1.肉足虫，2.植物性鞭毛虫，3.动物性鞭毛虫，4.吸管虫，5.游泳型纤毛虫，6.细菌，7.固着型纤毛虫，8.轮虫（五）水体自净的评价指标（1）P/H指数P代表光能自养型微生物，H代表异养型微生物，二者的比值即P/H指数。P/H指数反映水体污染和自净程度水体被污染的初始阶段，水中有机物浓度高，异养型微生物大量繁殖，P/H指数低，自净的速率高。随着自净过程的进行，异养型微生物数量减少，而光能自养型微生物数量增加，故P/H指数升高，自净速率逐渐降低（2）氧浓度昼夜变化幅度当河流受到有机物污染后，在污染源下游的一段流程里会发生水体自净过程。在此过程中，一方面，水体中的有机污染物逐渐减少，污染程度逐渐减轻；另一方面，水体生态系统的结构也发生着相应的变化，在不同的河流区段出现不同的生物种类。根据不同区段的物化性质和生物群落的结构特征，可以将河流延水流方向划分为不同的污化带（zone），由这些连续的污化带组成了河流的污化带系统(saprobicsystem)三、河流污化带系统及其生态学特征（参考教材P286-290）河流污化带系统一般划分为四个连续的污染带：多污带、α-中污带、β-中污带和寡污带。每个带均有各自的物理、化学及生物学特征，可用以评价河流的污染程度和自净程度（阅读教材P286-290）（1）多污带（polysaprobiczone）多处在废水排放口下游附近，水质浑浊，多呈暗灰色，污染物浓度很高，溶解氧趋于零，为厌氧状态其细菌数量大，种类多，以厌氧菌和兼性厌氧菌为主在微生物分解有机物过程中，产生大量H2S、CH4和CO2等气体，具有强烈的臭味多污带的指标生物有浮游球衣细菌、贝氏硫细菌、颤蚓、蜂蝇蛆和水蚂蟥等（2）α-中污带(mesosaprobiczone)继多污带之后，污染程度仍很严重，水质状况与多污带近似，水质为灰色而浑浊α-中污带中的溶解氧浓度比多污带略有提高，已开始出现氧化作用，但水平仍然极低，为半厌氧条件，仍有较多H2S的生成微生物仍然以细菌为主，总量很高，但生物的种类并不丰富。在α-中污带中还出现了吞食细菌的轮虫类和纤毛虫类，另外，还有蓝藻和绿色鞭毛藻类，颤蚓仍大量滋生(3)β-中污带特点是氧化作用比还原作用占优势，水的透明度大大增加，溶解氧浓度显著提高，有时还可达到饱和程度。有机物污染物基本上完成无机化过程，含氮化合物转化为铵盐、亚硝酸盐和硝酸盐，水中H2S含量也极低生物学特征是种类上的多样化，其主要生物种类是蓝藻、绿藻、硅藻等各种藻类，还有轮虫、甲壳动物和昆虫，细菌数量显著减少；还出现螺类及一些较高等的，但耐污能力较强的水生生物，如泥鳅、鲫鱼、黄鳝、鲤鱼等野生杂鱼类（4）寡污带（oligosaprobiczone）水质已接近清洁水体，溶解经常达到饱和状态，有机物浓度很低，水质清澈，pH值为6～9，适合于生物的生存寡污带细菌数量大大减少，而生物种类极为丰富，且都是需氧性生物。一些水生昆虫幼虫，如蜉蝣幼虫、石蚕幼虫和蜻蜓幼虫等均出现在寡污带中（