1、1,第九章 微生物生态,2,在生物圈内一切生物，包括微生物，都有一定的分布规律，它们的分布除直接受环境因子的影响外，还由生物本身所具有的适应性决定。微生物生态就是研究处于环境之中的微生物，和与微生物相联系的物理、化学和生物等环境条件，以及它们之间的相互关系。了解微生物在自然界的分布规律，可为人类开发利用微生物资源提供理论依据；根据微生物生态学原理，利用微生物对环境的保护作用来修复被污染、被破坏了的环境。总之，进行微生物生态的研究，无论在理论上或实践上都是十分有意义的。,3,第一节微生物在自然环境中的分布,一、土壤中的微生物 二、水体中的微生物 三、空气中的微生物 四、植物体表和体内的微生物 五
2、、动物体表和体内的微生物 六、人体内外的微生物,4,饮用水的微生物学标准,饮用水的微生物种类主要采用以E.coli为代表的大肠菌群为指标。因为这类细菌是温血动物肠道中的正常菌群，数量极多，用它作指标可以灵敏的推断该水源是否曾与动物粪便接触以及污染程度如何。 标准：1mL自来水中的细菌总数不可超过100个（37摄氏度培养24小时），而1000mL自来水中的大肠菌群数不能超过3个（ 37摄氏度培养48小时）。,5,第二节 微生物与生物环境间的关系,一、互生 互生关系是微生物间比较松散的联合，在联合中可以是一方得利，或双方都有利。例如，土壤中纤维素分解细菌和固氮菌之间的互生关系。,6,二 、共生 共
3、生关系是两种微生物紧密地结合在一起，当这种关系高度发展时，就形成特殊的共生体，它们在生理上表现出一定的分工，在组织上和形态上产生了新的结构。地衣代表微生物中典型的互惠共生关系，它是藻类和真菌的共生体，常形成有固定形态的叶状结构，,7,地衣（微生物共生体）的照片,8,根瘤菌,9,三、寄生 寄生关系是一种生物生活在另一种生物的表面或体内，从后者的细胞、组织或体液中取得营养，前者称为寄生物，后者称为寄主。在寄生关系中，寄生物对寄主一般是有害的，常使寄主发生病害或死亡。在微生物中，噬菌体寄生于细菌是常见的寄生现象。,10,11,四、拮抗 拮抗关系是两种微生物生活在一起时，一种微生物产生某些特殊的代谢产
4、物或改变环境条件，从而抑制甚至杀死另一种微生物的现象。 许多微生物在其生命活动过程中，产生抗菌物质(抗菌素和杀菌素)，能抑制对它分泌物敏感的微生物，这是一种特异性拮抗关系。另外，在酸菜、泡菜和青贮饲料的制作过程中，由于乳酸细菌的旺盛繁殖，产生大量乳酸，使环境变酸而抑制腐败细菌的生长。这是一种非特异性拮抗关系，,12,五、捕食 捕食关系是一种微生物直接吞食另一种微生物。在自然界中，捕食关系是微生物中的一个引人注目的现象。主要的细菌捕食者是原生动物，它们吞食数以万计的细菌，明显影响细菌种群的数量。另外，粘细菌和粘菌也直接吞食细菌，并且，粘细菌也常侵袭藻类、霉菌和酵母菌。,13,第三节 微生物与环境
5、保护,生物圈内的各种物质，都是处于不断地合成、分解和转化的动态平衡状态之中。由此，组成一个自我调节、自我维持的协调整体，从而保证了地球上生命的延续。但是，当人们违背了自然界的生态平衡规律，将粪便、垃圾、污水等生活废弃物和工业生产所形成的“三废“等，大量排放入江河湖海，以及土壤和空气中，使排入环境的这些物质超过了环境所能耐受的容纳量，即超过了环境的自净能力时，就破坏了自然界的生态平衡，其结果使这些物质大量累积于自然环境中，于是造成环境污染。,14,15,环境保护涉及的范围很广，内容很多，概括地说，主要包括“保护自然环境“与“防治污染和其他公害“两个方面。微生物与环境保护，关系极为密切，在环保工作
6、中，利用微生物处理环境污染物和监测环境，已取得很大成就。而且，微生物在这些方面的作用，还在不断地研究之中，今后将会被利用于更多方面。,16,一、污染物的微生物处理,17,水资源污染日益严重,18,富营养化是指水体中因氮、磷等元素含量过高而引起水体表层的蓝细菌和藻类过度生长繁殖的现象。,19,水华：发生在淡水水体中的富营养化。,20,赤潮：发生在河口、港湾或浅海等咸水区水 体的富营养化现象。,21,(一) 污水的生物处理处理污水的方法很多，可归纳为物理方法、化学方法和生物方法三大类。目前国内外多采用二级处理工艺或三级处理工艺治理污水。一级处理又称预处理，主要是通过滤筛网及沉淀等物理化学方法除去污
7、水中的粘土，淤泥及其他碎屑等污染物。二级处理又称生物处理，主要是利用微生物的作用分解污水中的有机污染物。三级处理主要是除去排放水中的无机盐类及其他悬浮污染物，因为在二级处理后的出水中，含有氮、磷等无机盐类，当它们随水排入水体后，能促成水体富营养化，造成二次污染。由此可看出，微生物在污水处理中起着非常重要的作用。,22,1、污水 当进入水体的外来污染物质数量，超过了水体的自净能力，并达到破坏水体原有用途的程度，即为水污染。,23,2、污水生物处理原理 在自然界，有些水体中的污染物质浓度，可通过河水向下游流动而自然降低，此种现象称为水体自净作用。在天然水体自净中，除了稀释、沉淀等作用外，主要是微生
8、物的作用。水体内的微生物，在其生命活动中，吸收和转化某些污染物质，并将大量有机物分解成无机盐类、二氧化碳和水，从而使水体得到自净。污水生物处理主要是根据水体自净原理，利用微生物的催化作用和代谢活性，好氧或厌氧分解和转化污水中的污染物质。,24,3、生化需氧量 在特定的时间和温度下(通常为5天，20)，微生物氧化有机物所消耗的氧量称为生化需氧量，常以BOD5表示。在污水生物处理中，常用BOD5表示污水中的有机污染物的含量。BOD5是以氧来表示有机污染物浓度的一种指标，如污水的BOD5值高，表示微生物分解有机污染物时消耗的氧多，进而反映出污水中的有机污染物多。BOD5只是一个间接指标。,25,CO
9、D（chemical oxygen demand） ：即“化学需氧量”，是表示水体中有机物含量的一个简便的间接指标。一般是指1L污水中所含的有机物在用强氧化剂将它氧化后，所消耗氧的毫克数（mg/L）。常用的化学氧化剂有K2Cr2O7, KMnO4,26,4、污水生物处理类型,污水生物处理的类型较多，目前最常用的方法主要是生物膜法和活性污泥法。另外还有氧化塘法、厌氧处理法、土壤灌溉法等。,27,生物膜法生物膜法是以大量好氧微生物组成的生物膜为净化主体的生物处理方法。根据不同的处理装置，又分滴滤池法、生物转盘法、生物接触氧化池法、流化床生物膜法等。生物膜法已广泛用于石油、印染、制革、造纸、食品、医
10、药、等工业废水的处理。净化效果较好，一般可使污水的BOD5减少7590%。,28,生 物 转 盘 法,29,生物膜由污水与载体的接触而形成。由于污水通过载体时，污水中的有机污染物和微生物吸附到载体上，并发生微生物的增殖。经历一个初生、生长和成熟的过程，在载体表面形成一层约2毫米厚的生物膜。生物膜在污水处理过程中不断增厚，最后老化整块剥落，随废水流入沉淀池中。然后又开始新生物膜的形成过程，这是生物膜的正常更新。,30,(2) 活性污泥法 活性污泥法又称曝气法，是利用含有好氧微生物的活性污泥，在通气条件下，使污水净化的生物学方法。活性污泥法不仅用于处理生物污水，且在许多工业废水处理中都取得很好的效
11、果，一般可使污水的BOD5减少90%。,31,曝气池,曝气法,32,活性污泥一般经过人工培养驯化而获得，并在污水处理过程中，能被不断地返回接种使用。活性污泥是一种绒絮状小颗粒，主要由菌胶团形成菌、原生动物及悬浮物组成。经过沉淀处理的污水，进入接种有活性污泥的曝气池后，充分混合和通气，使活性污泥中的冻胶菌等大量繁殖，形成菌胶团絮凝物。它具有很强的吸附与分解有机污染物的能力，当污水与这些颗粒接触时，其中的有机污染物可以很快地被吸附与分解。当处理结束时，将曝气池中的混合液输入二次沉淀池，使其中的活性污泥在此凝集而沉淀。其中一部分再回流到曝气池中，作为活性污泥接种物。,33,34,(3) 氧化塘法 氧
12、化塘亦称稳定糖，是一种大面积敝开式的污水处理塘。其基本原理是利用藻菌共生系统来分解污水中的有机污染物，使污水得以净化。 污水进入长有大量水草和藻的氧化塘后，其中的有机污染物被好氧微生物氧化分解，产生CO2，同时消耗O2；藻类进行光合作用，固定CO2并产生O2。只要该过程处于平衡，可使污水的BOD5减少8095%。,35,36,(4) 厌氧处理法 厌氧处理法是在缺氧情况下，利用厌氧微生物(包括兼性微生物)分解污水中有机污染物的方法。又称厌氧消化法或厌氧发酵法。主要用于处理农业和生活废弃物，或污水厂的剩余污泥。其净化效率可达到90%。 污水厌氧处理包括一系列复杂的消化和发酵反应。首先，复杂有机污染
13、物如纤维素、蛋白质、脂肪等，被以兼性菌为主的酸菌分解成为H2、CO2、简单有机酸和醇等。随后，由于产甲烷细菌的作用，将有机酸、H2、CO2等转化为甲烷。,37,(二) 固体废物的生物处理,处理固体废物的方法很多，有填坑、综合利用、焚烧、化学固定、堆肥、制取沼汽等物理、化学和生物方法。其中固体废物的生物处理，主要是利用微生物分解有机污染物的能力，制作有机肥料和沼气、化害为利。同时，在堆肥制作过程中，产生7080高温，还可杀灭许多病原菌、虫卵及杂草种子。通常根据处理过程中的通气情况，可分为需氧性堆肥法和厌氧发酵法两大类。,38,二、沼气发酵与环境保护,沼气又称生物气,是一种混合可燃气体. 主要成分
14、甲烷占60, CO2占35 . 465度都能产气,PH值77.5,一般家庭使用建68方. 5月、10月大出料两次. 一头牛产粪每天可做一顿饭,三口人、三头猪产粪可满足一家一天能源使用.,39,40,沼气发酵,原理 (沼气发酵三个阶段):1.水解阶段:由多种厌氧或兼性厌氧的细菌,把纤维、淀粉、糖类、蛋白质等水解成丙酸、乙酸、丁酸、氢气、二氧化碳等各种有机酸.2.产酸阶段:由厌氧的产氢、产乙酸细菌把第一阶段产生的各种有机酸分解成乙酸、 H2 、CO2 .3.产气阶段:由严格厌氧的产甲烷菌,利用CO2 、乙酸、 H2等产生甲烷.,41,42,综合利用,一.沼气1.能源2.大棚应用3.粮食水果保鲜 二
15、.沼液1.种植业应用:浸种.喷施.滴灌2.养殖业应用:养鱼.养猪.养鸡 三.沼渣1.高效有机肥2.栽培蘑菇3.特种养殖(养蚯蚓),43,三、污染环境的生物修复,生物修复是微生物催化降解有机污染物，转化其他污染物从而消除污染的一个受控或自发进行的过程。目前生物修复技术主要用于土壤、水体（包括地下水）、海滩的污染（如原油的泄漏）治理以及固体废弃物的处理。主要的污染物是石油烃及各种有毒有害难降解的有机污染物。,44,四、环境污染的微生物监测,生态环境中的微生物是环境污染的直接承受者，环境状况的任何变化都对微生物群落结构和生态功能产生影响，因此可以用微生物指示环境污染。,（一）粪便污染指示菌（二）致突
16、变物与致癌物的微生物检测（三）发光细菌检测法,45,粪便污染指示菌大肠菌群,粪便中肠道病原菌对水体的污染是引起霍乱、伤寒等流行病的主要原因。沙门氏菌、志贺氏菌等肠道病原菌数量少，检出鉴定困难。因此不能把直接检测病原菌作为常规的监测手段，从而提出了检测与病原菌并存于肠道且具相关性的“指示菌”，从它们的数量来判定水质污染程度和饮水（包括食品等）的安全性。大肠菌群是最基本的粪便污染指示菌，是最常用的水质指标之一。大肠菌群是指一大群与大肠杆菌相似的好氧及兼性厌氧的革兰氏阴性无芽孢杆菌，它们能在3748h内发酵乳糖产酸产气，包括埃希氏菌属、柠檬酸杆菌属、肠杆菌属、克雷伯氏菌属等。,46,常用的大肠菌群测
17、定方法有发酵法和滤膜法。大肠菌群数量的表示法有两种，一是“大肠菌群数”，即1L水中含有的大肠菌群数量。二是“大肠菌群值”，是指水样中可检出1个大肠菌群数的最小水样体积（mL）。大肠菌群值 1000大肠菌群数,47,致突变物与致癌物的微生物检测,环境污染物的遗传学效应主要表现在污染物的致突变作用，致突变作用是致癌和致畸的根本原因。具有致突变作用或怀疑具有致突变效能的化合物数量巨大，这就要求发展快速准确的检测手段。微生物监测被公认是对致突变物最好的初步检测方法。Ames试验原理是利用鼠伤寒沙门氏菌的组氨酸营养缺陷型菌株在致突变物的作用下发生回复突变的性能，来检测物质的致突变性。,48,利用回变检测
18、致癌剂艾姆氏试验,三致： 致突变、 致畸变、致癌变,阴性：不含诱变剂,阳性 含适当浓度诱变剂,阳性 含高浓度诱变剂,Ames试验：利用细菌模型了解潜在化学致癌物的诱变作用,49,发光细菌检测法,发光细菌发光是菌体生理代谢正常的一种表现，这类菌在生长对数期发光能力极强。当环境条件不良或有毒物质存在时，发光能力受到影响而减弱，其减弱程度与毒物的毒性大小和浓度成一定的比例关系。通过灵敏的光电测定装置，检查在毒物作用下发光菌的发光强度变化可以评价待测物的毒性。其中研究和应用最多的为明亮发光杆菌。,50,复习思考题,1.检验饮用水的质量时，为什么要选用大肠菌群作为主要指标？我国卫生部对此有何规定？ 2.什么是共生、互生、拮抗？ 3.简单介绍微生物处理污水的方法。 4.什么是生化需氧量？,
