1、第七章 微生物的生态,重点：土壤微生物生态和水体微生物生态 难点：水体微生物生态 理解微生物在土壤、空气和水体中的分布 理解水体富营养化 掌握土壤自净和土壤修复 掌握空气微生物的检测方法 掌握水体自净和污染水体的指标,第一节 生态系统,一、生态系统和生物圈,（一）生态系统,生态系统：在一定时间和空间范围内由生物（包括动物、植物和微生物的个体、种群、群落）与它们的生境（包括光、水、土壤、空气及其他生物因子）通过能量流动和物质循环所组成的一个自然体。 生态系统=生物群落+环境条件（P239）,生态学：研究生物系统与其环境条件间相互 作用关系的科学。,生态系统组成：环境、生产者、消费者及分解或转化者
2、,个体：是指某一具体的生物单个个体，有其生长、发育、繁殖和死亡的过程，是组成种群的单位。 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。,生态系统是自然界的基本功能单元,生物生产 能量流动 物质循环 信息传递,生态系统的核心：生物群落,（二）生物圈,生物圈：生存在地球陆地以上至海面以下各约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及它们生存环境的总体。 小生态系统组成大生态系统，简单的生态系统构成复杂的生态系统，形形色色、丰富多彩的生态系统组成生物圈。 生
3、物圈本身是一个巨大、精密的生态系统，是地球上所有生态系统的总和。,二、生态平衡,生态平衡：是生态系统在一定时间内结构和功能的相对稳定状态，其物质和能量的输入输出接近相等，在外来干扰下能通过自我调节（或人为控制）恢复到原初的稳定状态。 生态失调或生态平衡的破坏：外来干扰超越生态系统的自我控制能力而不能恢复到原初状态。 自然生态系统经过由简单到复杂的长期演代，最后形成相对稳定状态。 生态系统具有一定的内部调节能力。 生态平衡是动态的。,三、生态系统的分类,1生物类型：动物生态学、植物生态学、昆虫生态学、微生物生态学。 2生境（栖息地）：淡水生态学、咸水生态学、湖泊生态学、陆地生态学、沙漠生态学 。
4、 3功能：生理生态学、免疫生态学、种群生态学、生态系统生态学。 4学科交叉分类： 社会生态学、经济生态学、地理生态学、化学生态学、物理生态学。 5运动物质：能源流动的生态学、物质流动物质、基因流动生态学、遗传生态学。,微生物生态学：研究微生物群体（微生物区系或正常菌群）与其周围的生物和非生物环境条件相互作用关系的科学。主要内容：微生物在自然界中的分布；微生物与其它生物间的关系；微生物在自然界物质循环中的作用；微生物在污水处理中的应用。,四、微生物生态学,在同一生态系统中的微生物之间，微生物和动物、植物之间，微生物与环境因子之间均处于相互联系、相互依存、相互制约的对立统一之中。,（一）微生物与生
5、物环境之间的关系,1、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。,2、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或受害。,固氮菌,纤维素分解菌,固氮,碳源,人及动物与其正常菌群即是协同作用,根际微生物与高等植物为微生物提供所需的营养物质,3、协同作用：相互作用的两个种群相互有利，二者之间是一种非专性的松散联合。,4、互惠共生,两种微生物紧密生活在一起，彼此依赖，相互为对方创造有利条件，有的达到了难以分离的程度。生理上相互分工，组织上形成了新的结构，彼此分离各自就不能很好地生活。,微生物间的共生-地衣,组成：真菌（子囊菌，担子菌）单细胞藻类（绿藻，
6、蓝藻）共生组成一种植物体。,结构：有些种地衣真菌无规律地缠绕藻类细胞，另一些种地衣真菌与藻类形成一定层排列。当地衣繁殖时，表面生出珠状粉芽，其中含有少量藻细胞和真菌丝，粉芽脱离母体后，能直接发育成新的地衣个体。,生理：地衣中的真菌和藻类已形成特殊形态的整体，在生理上相互依存，真菌营异养生活，藻类制造养料，真菌提供水分、无机盐供藻类光合作用。,微生物与植物共生体菌根或根瘤,豆科植物与根瘤细菌的共生体称为根瘤。根瘤的维管束与根的维管柱连接，两者可互通营养，一方面豆科植物将水分及营养物质供给根瘤细菌的生长；另一方面根瘤细菌也将固定合成的铵态氮，通过输导组织运送给寄主植物。,某些种子植物的根与土壤真菌
7、共生所形成的共生体，称为菌根。,根瘤的形成过程：聚集在根毛顶端的根瘤菌分泌一种纤维素酶，这种酶可以将根毛细胞壁溶解掉，随后根瘤菌从根毛尖端侵入根的内部，产生感染丝(即由根瘤菌排列成行，外面包有一层黏液的结构)。根瘤菌不断地进入根毛，并且大量繁殖。在根瘤菌侵入的刺激下，根细胞分泌一种纤维素，将感染丝包围起来，形成一条分枝或不分枝的纤维素鞘，叫做侵入线(图18)。侵入线不断地延伸，直到根的内皮层。根的内皮层处的薄壁细胞，受到根瘤菌分泌物的刺激，产生大量的皮层细胞，从而使该处的组织膨大，最后形成根瘤。,微生物与动物共生：如瘤胃共生,牛羊等反刍动物的瘤胃是一个独特的不同于其他生态环境的生态系统，其温度
8、、pH、渗透压相应稳定的还原性环境，同时有相应频繁和高水平营养物供应。大量基质的输入和相应恒定适宜的环境条件使瘤胃微生物种类繁多，数量庞大。大多数细菌是专性厌氧菌，但也有兼性厌氧菌和好氧菌。纤维素、蛋白质、半纤维素等多聚物可被瘤胃微生物分解转化，产生的小相对分子质量脂肪酸、维生素以及形成的菌体蛋白（含原生动物）可提供给反刍动物。而反刍动物则为微生物提供了丰富的营养物和良好的生境，此外，动物的生理代谢活动也有助于微生物对有机物的分解和生长繁殖。,5、寄生,一种生物能侵入另一种生物体内吸取自己所需要的营养物质进行生长繁殖，在一定的条件下对后者造成损害或死亡的现象叫寄生。,6、捕食,原生动物以水体和
9、土壤中的细菌，放线菌，真菌的孢子及单细胞藻类为食，这种关系即为猎食关系。,7、偏害作用,8、竞争,指不同的生物种群在同一环境中，对食物等营养、溶解氧、空间和其他共同要求的资源进行竞争，互相受到不利影响。,当两个物种在一起时，由于一个物种的存在，可以对另一物种起抑制作用，而自身却无影响。,（二）微生物生态系统的分类,不同类型的微生物与不同环境组成各种生态系统 土壤微生物生态系统 空气微生物生态系统 水体微生物生态系统,第二节 土壤微生物生态,一、土壤的生态条件（P242） 1、营养：丰富的营养。 2、pH：适合大多数微生物生长。 3、渗透压：等渗或低渗环境。 4、氧和水：团粒结构中可保持大量空气
10、和水。 5、温度：保温性强，变动幅度小，10-25。 6、保护层：吸收紫外线。,二、微生物在土壤中的种类、数量和分布 （一）种类和数量土壤中的微生物可粗分为两大类：土著微生物、外来微生物。,土著微生物：authochthonous microorganism指在给定的生境中生存、生长和进行活跃代谢的微生物，并且这些微生物能与来自其他群落的微生物进行有效的竞争，它从生理方面完全适应了这一生境的物化条件。外来微生物：allochthonous microorganism指来自于其他生态系统的微生物，这些微生物不能在这一生境中长期生活下去。,一般土壤微生物指的是土著微生物。种类主要有细菌、放线菌、真
11、菌、藻类和原生动物五类。数量上以细菌最多 放线菌 真菌 藻类 原生动物。但生物量真菌常比细菌大，放线菌接近细菌。土壤pH的变化可引起微生物种类和数量的变化。,1、细菌：杆状的居多，球状的较少，G+较多，主要是异养菌。 2、放线菌：链霉菌属、诺卡氏菌属最多，小单胞菌也很普遍，随土壤深度增加而减少。 3、真菌：大多是好氧性的。存在于10cm以内的顶层土壤中，30cm以下就很少。 4、藻类和蓝细菌：多栖息于多水的表层土壤。季节性变化明显，春秋多冬夏少。 5、原生动物：最多的是鞭毛虫，其次是肉足类，纤毛虫较少。,（二）微生物在土壤中的分布（P243）水平分布垂直分布,三、土壤自净和污染土壤的微生物生态
12、 （一）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的能力，通过各种物理、生物化学过程自动分解污染物使土壤恢复到原有水平的净化过程。自净能力取决于土壤中微生物的种类和数量，以及土壤自身的理化性质如土壤团粒结构、有机物含量、pH值、阴离子或阳离子的种类和含量等。土壤容量指土壤对污染物的最大承受量或负荷量。,（二）污染土壤的微生物生态（P245）,污水长期灌溉会引起土壤微生物生态的变化：区系和数量改变。 （1） 产生可分解各种污染物的微生物种类。 （2） 重金属被微生物吸收和转化。,隐蔽性和潜伏性 不可逆性和长期性 后果严重性,特点,四、土壤污染和土壤生物修复 （一）土壤的
13、污染及其不良后果（P245）,土壤污染的后果,破坏土壤生态平衡 毒物进入食物链危害人体健康 致病微生物的存在,（二） 土壤修复土壤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，甚至用构建的特异基因工程菌株加入到污染土壤中，将滞留的污染物快速降解和转化，恢复土壤的功能。,费用省环境影响小最大限度地降低污染物浓度可用于其他技术难以应用的土地可同时处理污染土壤和地下水,优点：,不能降解所有的污染物要对地点和存在污染物进行考察微生物活性受温度和环境条件的影响不能将污染物全部去除,局限性：,1、土壤生物修复的工作步骤(P246)： 调查本底资料 选择技术路线，进行可处理性试验技术咨询 列出方案
14、 确定最佳技术 设计小试和中试 技术实施,引入土壤的大多数基因工程菌在无外加碳源的条件下，不能在土壤中生存和增殖，目的基因表达的产物对微生物本身的活动并无益处，有时还会降低基因工程菌的竞争力。解决这一问题的途径是为基因工程菌创建一个生态位使其能利用土著菌不能利用的选择性基质.。加入后会造成土壤微生物系统的暂时失衡，土著微生物需要一段时间来适应，基因工程菌就可利用这段时间来建立自己的生态位。,2、土壤生物修复技术的关键(P246),（1）微生物种 土著微生物 外来微生物 基因工程菌,（2）微生物营养：土壤和地下水中，尤其是地下水中，氮、磷都是限制微生物活性的重要因素。因此要保持一定的C：N：P比
15、值，一般以土壤微生物C：N= 25：1，污水好氧生物处理BOD5：N：P= 100：5：1作为参考值。（3）溶解氧：溶解氧是现场处理的关键因素。土壤结构、土质、污染物数量的不同，溶解氧含量也不同。为了增加溶解氧，可以采用一些工程的方法：鼓风、添加产氧剂。（4）微生物的环境因子。,（1）微生物修复 原位处理：直接采用生物修复技术，不需要将土壤挖出和运输，一般采用土著微生物处理。先钻注水井、抽水井，通过向地面上抽水推动地下水在地层流动，促进微生物的分布和营养物质的运输，保持氧供应。工艺较简单，费用较省，但处理时间较长，而且在长期的生物修复过程中，污染物可能会进一步扩散到深层土壤和地下水中。适用于处
16、理污染时间较长，状况已基本稳定的地区或污染面积大的地区。,3、土壤生物修复工程,生物通风 bioventing：是改进和强化原位处理的一种方法。通常用于地下储油罐泄漏造成的轻度污染土壤的生物修复。,在受污染地区，土壤中的有机污染物会降低土壤中的氧气浓度，增加二氧化碳浓度，进而形成抑制污染物进一步生物降解的条件。因此，为了提高土壤中的污染物降解效果，需要排出土壤中的二氧化碳和补充氧气，生物通风系统就是为改变土壤中气体成分而设计的。生物通风方法现已成功地应用于各种土壤的生物修复治理，这些被称为“生物通风堆”的生物处理工艺主要是通过真空或加压进行土壤曝气，使土壤中的气体成分发生变化。由于生物通风方法
17、在军事基地成功的应用，美国空军将生物通风方法列为处理受喷气机燃料污染土壤的一种基本方法。,异位生物修复 主要包括现场处理法、预制床法、堆制处理法、生物反应器和厌氧生物处理法,a、现场处理法土壤耕作处理是现场处理土壤污染常用的方法。被污染的废物施在土壤上，通过施肥、灌溉和加石灰等管理措施，保持氧气、水分和pH的最合适值，并进行耕作以改善土壤的通气状况，确保在污染废物和下面土层中污染物的降解。,b、预制床（ 挖掘堆置）法：预制床的底面为渗透性低的物质，如高密度的聚乙烯或粘土。将污染土壤转移到预制床上，通过施肥、灌溉，调节pH，有时还加入微生物和表面活性剂，使其最适合污染物的降解。,C、堆制处理法将
18、受污染的土堆挖掘起来运输到一个经过各种工程准备（布置防止渗漏底，通风管道等）的地点堆放，形成上升的斜坡，并在此进行生物修复的处理，处理后的土壤再运回去。,D、反应器处理：将污染土壤置于一专门的反应器中处理。反应器可使土壤与微生物及其他添加物如营养盐，表面活性剂等彻底混合，能很好的控制降解条件，因而处理速度快，效果好。生物反应器处理的过程为：先挖出土壤与水1：2混合，然后转入反应器。为了提高降解速率，常在反应器中加入已被驯化的微生物。处理后的土壤与水分离后再运回原地。,（2）植物修复技术植物生物修复是利用植物体内对某些污染物的积累、植物代谢过程对某些污染物的转化和矿化，植物根圈微生物与根茎的共生
19、关系增加微生物的活性的特点，加速土壤污染物降解速度的过程。植物修复的方式包括植物提取、植物降解和植物稳定化三种。植物生物修复是一项利用太阳能动力的处理系统，具有处理费用低，减少场地破坏等优点而受到普遍重视。,第三节 空气微生物生态,一、空气的生态条件有较强的紫外辐射、干燥、温差大、缺乏营养、高空缺氧，不适合微生物生长。空气不是微生物生长繁殖的场所。,二、空气微生物种类、数量和分布来源：都是在水体、土壤和高等生物中生长，并由空气尘埃、土粒等搬运进入大气的。微生物在空气中的存活时间取决于空气的相对湿度、紫外辐射的强弱、尘埃颗粒的大小和数量，微生物的适应性及对环境的抵抗能力。,室外空气中微生物数量与
20、环境卫生状况和绿化程度有关。室外空气中主要存在着真菌、细菌、藻类的孢子和原生动物的胞囊。细菌以产芽孢、有色素的为主。P250室内空气中微生物的数量与人员密度、活动情况、空气流通程度、室内卫生状况关系很大。,三、空气微生物的卫生标准及卫生洁净技术卫生标准一般以500-1000个微生物/m3作为空气污染的指标。空气微生物卫生标准可以浮游细菌或降落菌为指标。,四、空气微生物检测 （一） 测定方法 1、固体法 （1）平皿落菌法琼脂平板打开后暴露空气5-10min，培养48h，计算菌落数奥氏公式：C=100050N/（At） C=空气细菌数，N=菌落数，A=捕集面积，t=暴露时间。此法计算的浮游菌数比实
21、际的菌少：没有考虑尘埃粒子大小、数量、气流情况、人员密度和活动情况。,（2）撞击法: 用吸风机或真空泵将含菌空气以一定流速穿过狭缝，平板与狭缝间隔2mm，平板以一定转速旋转，一般转动一周，取出后37培养48h，计算菌落：C=1000平板菌落数/（气流量L时间t min）,2、液体法将一定体积的含菌空气通入无菌蒸馏水或无菌液体培养基，将细菌阻留于无菌水中，然后取一定量菌液涂布琼脂平板，或取一定量菌液倒平板。,（二） 空气微生物的检测点数：20-30为宜，至少5-6个 （三） 培养温度时间：37培养48h （四） 浮游菌最小采样量和最小沉降面积（P254）,第四节 水体微生物生态,营养：一般江河湖
22、泊和池塘的营养较丰富，湖岸区域比湖中央含有机物质多。海水和盐湖含有较高盐分，但其他营养缺乏，雨水基本上是蒸馏水。 温度：淡水变化在0-36。两极-1.7，在热带和亚热带25-35，深海常常是0上少许，90%海水小于5。 溶解氧：氧在水中溶解度较小，是水环境中最重要的限制因子之一。静水湖泊中氧易被好氧微生物耗尽，江河流域可由于水的流动不断补充氧。溶解氧在一定范围内随温度的降低而增加。,pH：淡水pH在3.7-10.5之间，大多数湖水平均pH7左右，海水pH一般维持在8.0-8.3之间。适合微生物生长。 光：水体中光合带的范围10-100m，清澈水体中可达200m，水体表面微生物数量较下层少。,水
23、体中微生物的来源：水中固有微生物来自土壤微生物来自生产和生活微生物来自空气微生物,二、水体自净和污染水体的微生物生态 （一） 水体自净 1、水体自净过程河水接纳了一定量的有机污染后，能进行自我调节，利用物理、化学和生物作用将水质恢复到污染前的水平水体自净。物理作用有氧化还原反应、吸附沉淀反应、酸碱中和、硝酸盐和磷酸盐的释放等，最重要的是生物作用，即微生物对有机物无机物的同化和异化作用。任何水体都有自净容量，即水体正常生物循环中能够净化有机污染物的最大数量。,水体自净可分为几个阶段： （1） 污染阶段：有机物浓度大量增加。好氧细菌开始分解有机物，氧被消耗下降至零。厌氧细菌大量繁殖呈直线上升，有机
24、物经厌氧分解后产生PO43-、NH3、H2S，NH3、H2S被硝化细菌和硫化细菌氧化为NO3-、SO42-。 （2） 分解阶段：有机物浓度由于分解而显著下降，水体复氧速度小于耗氧速度。随着河流的流动，有机物含量渐渐下降，复氧速度慢慢大于好氧速度，原生动物开始大量出现，异养菌数量明显下降。 （3） 恢复阶段：有机物浓度下降到最低点，异养菌数量减少，原生动物也减少。溶解氧恢复到原先水平。藻类大量生长。 （4）清水阶段：自净过程完成，各项指标恢复到未污染前水平。,2、衡量水体自净的指标 （1） P/H指数：P=光合自养型微生物，H=异养型微生物。可反映水体污染的自净程度。,（2）氧浓度昼夜变化P26
25、0,（二）污染水体的微生物生态P261,2、水体有机污染指标 （1） BIP指数（P262）：水污染生物指数 biological index of water pollution。无叶绿素微生物占所有微生物总数的比值BIP=B/（A+B）100%,（2） 细菌菌落总数（CFU）colony forming unit：指1ml水样在琼脂培养基中37 24h/48h 培养后所生长出的菌落总数。用于指示被检的水源受有机物污染的程度。CFU只能说明被生活污水污染的程度，不能说明来源，通常用大肠菌群数来判断水体是否被粪便污染。,（3） 总大肠菌群 total coliform原理：天然水体由于粪便污染
26、导致致病性微生物污染，但致病菌通常数量少不易检出。大肠杆菌是人体肠道寄生菌中数量最大的，容易检出，而且在环境中的存活时间与肠道致病菌相似，因此被作为致病菌的间接指标，指示粪便污染。大肠菌群是一群需氧的和兼性厌氧的G-。能在37培养24h内使乳糖发酵产酸产气的G-无芽孢杆菌，包括埃希氏菌属、柠檬酸杆菌属、肠杆菌、克雷伯氏菌。,三、水体富营养化 （一） 概念与发生水体富营养化（eutrophication）指富含磷酸盐和含氮物质的水。当大量含N、P的生活污水和工业废水进入江河湖海时，超过水的自净能力，使藻类大量繁殖，淡水水体发生“水华”，海洋发生“赤潮” 。,水华形成的条件： 1、营养元素：主要是
27、N、P。水体中总P达到0.02mg/L，总N达到0.3mg/L时就会出现富营养化，适合藻类生长。 2、光：决定于水的透明度。 3、温度：夏季表层增温，表层水漂浮在冷水之上，上下不易混合。 4、营养盐负荷,“水华”（water bloom）：藻类（主要是微藻）的大量繁殖使水体出现颜色，并变得浑浊，许多藻类团块漂浮在水面上形成。,赤潮或红潮（red tides）：在海洋中，某些甲藻类大量繁殖也可也可以形成水花，从而使海水出现红色或褐色。,富营养化的生物指标：淡水中引起水华的常是微囊藻属、鱼腥藻属、腔球藻属。,（二）评价富营养化的方法与AGP（P265）评价方法：观察蓝藻等指示生物、测定生物现存量、测原初生产力、测透明度、测N、P,（三）防止水体富营养化 1、 除去污水中的N、P、 2、 种植高等水生植物生物操纵法biomanipulation：通过改变水体生物群落结构、食物链功能，减少浮游植物过量生长，从而避免富营养化，改善水质。生物操纵法是当前唯一的也是行之有效的治理方法。,
