环境微生物学第七章微生物的生态

第七章微生物生态微生物环境研究微生物生态学的目的为人类利用微生物资源和控制微生物提供依据；创造有利条件，使水污染控制在更高层次上得以发展。第一节生态系统一、生态系统和生物圈二、生态平衡三、生态系统的分类一、生态系统和生物圈生态系统(ecosystem)是在一定时间和空间范围内由生物与它们的生境通过能量流动和物质循环组成的一个自然体。可用下式表述：生态系统=生物群落+环境条件生态系统的功能包括：生物生产、能量流动、物质循环、信息传递。生物生产：太阳能→植物体能量流动：植物→草食动物→肉食动物→微生物物质循环：营养物质在食物链之间处于不断循环之中形成物质循环。信息传递：物理信息、化学信息、行为信息个体：指某一具体的生物单个个体，具有生长、发育、繁殖和死亡的过程。种群：是生活在同一特定空间的同一生物种的所有个体的集合体，是生物群落的组成单位。群落：生活在同一特定空间或区域的所有生物种群的聚合体，是生态系统的组成部分。生物圈：生存在地球陆地以上和海面以10km之间的范围，包括岩石圈、土壤圈、水圈和大气圈内所有生物群落和人以及他们生存环境的总体。生物圈是地球上所有生态系统的组合。二、生态平衡生态系统是开放系统，当能量和物质的输入大于输出时，生物量增加；反之，生物量减少。如果输入和输出在较长时间趋于相等，生态系统的组成、结构和功能将长期处于稳定状态。虽然各生物群落有各自的生长、发育、繁殖及死亡过程，但动物、植物和微生物等群落的种群、数量，它们的数量比均保持相对稳定。即使有外来干扰，生态系统能通过自行调节的能力恢复到原来稳定的状态，这就是生态平衡。地球上的生态危机厄尔尼诺、拉尼娜现象酸雨臭氧空洞土壤退化生物多样性减少…………三、生态系统的分类水体生态系统陆地生态系统淡水生态系统海水生态系统河流生态系统湖泊生态系统水体生态系统陆地生态系统动物生态系统植物生态系统土壤微生物生态系统生存环境生存状态微生物生存状态水体微生物生态系统空气微生物生态系统微生物生态系统第二节土壤微生物生态一、土壤微生物生态二、微生物在土壤的种类、数量和分布三、土壤自净和污染土壤微生物生态四、土壤污染和土壤生物修复一、土壤微生物生态土壤——“微生物的天然培养基”土壤中微生物的数量最大，类型最多，是人类利用微生物资源的主要来源，也是微生物在自然界中最大的储藏库。一、土壤微生物生态土壤对微生物生存的影响因子包括以下几个方面：1.营养；2.pH；3.渗透压；4.氧气和水；5.温度；6.保护层。二、微生物在土壤的种类、数量和分布土壤中的微生物含量是衡量土壤肥力的指标之一。•肥沃土：1×108~1×109个微生物/克土•贫瘠土：1×106~1×107个微生物/克土土壤中细菌最多，约占所有微生物的70％～90％。（一）微生物在土壤的种类、数量水平分布——取决于土壤的碳源种类（一）微生物在土壤的分布垂直分布——取决于土壤生态条件（温度、水、光照……）空隙多——好氧微生物空隙少——厌氧微生物…………油田地区土壤——降解石油微生物森林地区土壤——降解纤维素微生物含动、植物残体土壤——腐生异养菌…………三、土壤自净和污染土壤微生物生态土壤自净：土壤对施入其中一定负荷的有机物或有机污染物具有吸附和生物降解能力，通过各种物理、生化过程自动分解污染物使土壤恢复到原来水平的净化过程，称土壤自净。土地——天然的生物处理厂污水长期灌溉会引起土壤“土著”微生物区系和数量的改变，并诱导产生分解各种污染物的微生物新品种。土壤中稳定存在的“土著”微生物：节细菌、诺卡氏菌如果用污水对农田进行灌溉，只要不超过土壤自净能力是不会引起土壤污染的。四、土壤污染和土壤生物修复土壤的污染物主要有：农药、石油烃类、NH3、重金属等。土壤污染的不良后果：a.破坏土地的生态平衡；b.有毒有害物质渗入到地下水中，危害人类；c.各种病原微生物会通过各种途径进入人体引起人体疾病。四、土壤生物修复土壤的生物修复：是利用土壤中天然的微生物资源或人为投加目的菌株，甚至用构建的特异降解功能菌投加到各污染土壤中，将滞留的污染物快速的降解和转化，使土壤恢复其天然的功能。土壤修复的关键因素：微生物种——“土著”微生物、选育的优势菌种、基因工程菌；微生物的营养——需要适宜的营养比例；溶解氧；环境因子。2.土壤生物修复工程土壤生物修复工程形式：原位生物修复——简单，费用低，效率低；生物通风——较原位法有所强化；挖掘堆置和反应器处理等方法——效果好，费用高。第三节空气微生物生态一、空气的生态条件二、空气微生物的种类、数量和分布三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术四、空气微生物检测一、空气的生态条件空气生态条件特点：紫外辐射较强，较干燥，温度变化大，缺乏营养。空气中微生物只是暂时停留。微生物在空气中停留时间的长短由风力、气流和雨、雪等气象条件所决定，但它最终要沉降到土壤、水中、建筑物和植物上。二、空气微生物的种类、数量和分布空气中微生物的种类和所处的地理位置有关的，其数量也是如此，不同场所上空微生物的数量如下表所示：场所畜舍宿舍城市街道市区公园海洋上空北纬80°微生物(1~2)×1062×1045×1032001~20空气中的微生物还随着海拔高度而变化，一般来说，海拔越高，微生物数量越少。单位：个/m3空气三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术清洁程度细菌总数(单位：个/m3)最清洁的空气（有空调）1~2清洁空气30普通空气31~125临界环境~150轻度污染300严重污染301以细菌总数评价空气的卫生标准：外部大环境的卫生洁净技术主要靠绿化环境，搞好生态环境，局部环境主要可通过空气过滤器来实现。四、空气微生物检测空气中微生物的检测可通过：固体法：（1）平皿落菌法；（2）撞击法液体法空气微生物的测点数越多越准确，以20~30个点为宜，最少测点数为5~6个。采样后的培养温度和时间一般是37℃和48h。第四节水体微生物生态水体中微生物的来源主要有四个方面：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.来自空气微生物一、水体的微生物群落（一）海洋中微生物群落1.群落分布在近海由于自然和人为的影响，微生物含量比远海要多。在海洋不同的深度，由于阳光和溶解氧的变化，微生物的含量呈一定的变化规律。一、水体的微生物群落2.群落的生态特征a)底栖性细菌b)浮游性细菌c)附着型细菌海洋微生物特征：耐盐、嗜盐、耐高渗透压、耐净水压力（二）淡水微生物群落贫营养湖：湖泊形成初期，生物生产力低，水中有机物少，湖底沉积物少，细菌数量少，有机物分解能力弱，耗氧量低，含大量溶解氧，为贫养湖。富营养湖：随着河流不断向湖泊输送养料和泥沙，生物种类和数量增多。湖底沉积的有机物丰富，细菌数量增加，分解有机物速率提高，无机物增加，表水层阳光充足，浮游藻类大量繁殖，生物生产力提高，为富营养湖。二、水体自净和污染水体的微生物生态阳光一级生产者原生动物轮虫、浮游甲壳动物鱼其他动物人废物、排泄物异养细菌(藻类、光合细菌、水生植物)（一）水体自净由于天然水体的各种生物和微生物之间构成的一个生物循环的生物链，因而水体有一个自净的能力。二、水体自净和污染水体的微生物生态水体自净过程和各种水生生物随水流距离或时间的变化如图所示。水体自净：水体接纳了一定量的有机污染物后，在物理的、化学的和水生物的因素的综合作用下得到净化，水质恢复到污染前的水平和状态。水体自净容量：是指在水体正常生物循环中能够净化有机污染物的最大数量。水体自净过程：污染物被稀释，固体物沉至河底；好氧菌首先分解有机物，耗尽水中溶解氧，此时鱼虾绝迹，原生动物、后生动物死亡，厌氧菌此时大量繁殖，分解有机物，有机物无机化；氧垂曲线上升，逐渐恢复至原有水平；细菌死亡，水体恢复清洁。（二）污水体系的微生物生态当有机物排入河流后，在排污点的下游进行着正常的自净过程。沿着河流方向形成一系列连续的污化带：多污带：水呈暗灰色，浑浊，有机物含量高，溶解氧极低，水生生物种类极少，以厌氧菌和兼性厌氧菌为主，种类多，数量大，大量寡毛类动物，水上有气泡，无显花植物，鱼类绝迹；-中污带：水呈灰色，半厌氧状态，细菌数量较多，有少量藻类和原生动物；-中污带：有机物较少，溶解氧浓度较高，细菌数量较少，藻类大量繁殖，水生植物出现，原生动物种类较多；寡污带：标志水体自净过程完成，有机物全部无机化，细菌极少，溶解氧正常。原生动物种类多，有水生植物和鱼类。细菌菌落总数(CFU)：细菌菌落总数是指1ml水样在营养琼脂培养基中于37℃培养24h后所生长出来的菌落总数。总大肠菌群：水源水中细菌菌落总数不能说明污染物的来源，因此通常用大肠菌群数来判断水的污染源和安全程度。由于粪便的污染，水源水中通常含有致病菌，其典型的代表有：痢疾杆菌——痢疾贺氏菌(Shigelladysenteriae)、副痢疾贺氏菌(Shigellaparadysenteriae)、伤寒沙门氏菌(Salmonellatyphi)、甲型、乙型和丙型的副伤寒沙门氏菌(Salmonellaparatyphi)及霍乱弧菌(Vibriocholerae)等。为什么采用大肠菌群作为指示致病菌污染水体的指标？因为大肠菌群是人肠道中正常寄生菌，数量大，对人较安全，在环境中的存活时间与致病菌相近，而且检验技术较简便，因而被选中，一直沿用至今。（一）水体富营养化的概念与发生水体富营养化：由于某些自然因素，尤其是人类将富含氮、磷的城市生活污水和工业废水排放入自然水体中，使得自然水体中的氮、磷营养过剩，促使水体中藻类过量生长，使淡水水体发生“水华”，使海洋发生“赤潮”,造成水体富营养化。后果：其结果由于水体中藻类和异养细菌的代谢活动，耗尽了水中的溶解氧，大量藻类覆盖在水面，大气中的氧不易溶于水，造成水体缺氧，使浮游动物和鱼类无法生存。加上藻类分泌致臭、致毒物而严重影响水质。三、水体富营养化赤潮水华水体富营养化现象（二）评价水体富营养化的方法与AGP评价水体富营养化的方法：1.观察蓝藻等指示生物；2.测定生物的现存量；3.测定原始生产力；4.测定水体透明度；5.测定氮和磷等导致富营养化的物质。AGP——藻类生产的潜在能力：把特定的藻类接种在天然水体或废水中，在一定的光照度和温度条件下培养，使藻类增长到稳定期为止，通过测干重或细胞数来测其增长量。此即藻类生产的潜在能力（AGP）。（三）如何防止水体富营养化？防止天然水体富营养化的根本措施是将各种污水和废水中的氮和磷的排放量控制在低的水平。目前我国规定污水处理厂出水的氨氮控制在15mg/L以下。欧洲的标准是5mg/L以下。而磷的排放量尚未规定。生态系统的功能；空气微生物的测定：平皿落菌法；贫营养湖、富营养湖本章要点水体自净及过程排污点下游污化带特征细菌菌落总数大肠菌群被选作致病菌指示菌的理由？水体富营养化