環(huán)境生物技術(shù)2-3

1、一、環(huán)境微生物的重要生態(tài)因子（自學(xué)）一、環(huán)境微生物的重要生態(tài)因子（自學(xué)） 溫度和濕度溫度和濕度 pH值值 滲透壓滲透壓 氧氧 輻射輻射 抗生素抗生素 環(huán)境化學(xué)物質(zhì)環(huán)境化學(xué)物質(zhì)第三節(jié)第三節(jié) 環(huán)境微生物生態(tài)學(xué)環(huán)境微生物生態(tài)學(xué)二、微生物的生長與種群增長二、微生物的生長與種群增長 生長率上生長率上 生長率下生長率下 細(xì)菌內(nèi)源呼吸細(xì)菌內(nèi)源呼吸 升階段升階段 降階段降階段 及細(xì)菌大量死亡階段及細(xì)菌大量死亡階段 mg/mL 0 時間時間t細(xì)胞量細(xì)胞量XdtdXtXXt0lntXXt0lnln ：某一時刻細(xì)胞數(shù)量的增長速率與該時刻細(xì)胞數(shù)量之比。：某一時刻細(xì)胞數(shù)量的增長速率與該時刻細(xì)胞數(shù)量之比。土壤是固體無機(jī)物

2、土壤是固體無機(jī)物(巖石和礦物質(zhì)巖石和礦物質(zhì))、有機(jī)物、水、空氣、有機(jī)物、水、空氣和生物組成的復(fù)合物，是微生物的合適生境。和生物組成的復(fù)合物，是微生物的合適生境。土壤微生物種類多、數(shù)量多、代謝潛力巨大，是主要的土壤微生物種類多、數(shù)量多、代謝潛力巨大，是主要的微生物源，微生物源，是是微生物的大本營微生物的大本營。三、微生物群落結(jié)構(gòu)三、微生物群落結(jié)構(gòu) 土壤環(huán)境及其微生物土壤環(huán)境及其微生物 土壤微生物的數(shù)量和分布主要受到營養(yǎng)土壤微生物的數(shù)量和分布主要受到營養(yǎng) 物、含水量、氧、溫度、物、含水量、氧、溫度、PH等因子的影等因子的影 響，并隨土壤類型的不同而有很大變化。響，并隨土壤類型的不同而有很大變化。

3、土壤微生物的數(shù)量和分布受季節(jié)影響。土壤微生物的數(shù)量和分布受季節(jié)影響。 微生物的數(shù)量也與土層的深度有關(guān)，微生物的數(shù)量也與土層的深度有關(guān)， 一般土壤表層微生物最多，隨著土層一般土壤表層微生物最多，隨著土層 的加深，微生物的數(shù)量逐步減少。的加深，微生物的數(shù)量逐步減少。 目前土壤中可人工培養(yǎng)的微生物僅占目前土壤中可人工培養(yǎng)的微生物僅占 實(shí)際種類的實(shí)際種類的1% 。 水環(huán)境及其微生物水環(huán)境及其微生物 淡水（湖泊、河流、水庫、沼澤等）淡水（湖泊、河流、水庫、沼澤等）海水（海灣、近海、遠(yuǎn)洋、深海）海水（海灣、近海、遠(yuǎn)洋、深海）污水污水貧營養(yǎng)環(huán)境貧營養(yǎng)環(huán)境耐鹽、耐低營養(yǎng)、嗜冷（抗高壓、厭氧）耐鹽、耐低營養(yǎng)、嗜

4、冷（抗高壓、厭氧）存在明顯的垂直分布差異！水資源污染日益嚴(yán)重水資源污染日益嚴(yán)重 陽光陽光 一級生產(chǎn)者一級生產(chǎn)者 原生動物原生動物 輪蟲、浮游甲殼動物輪蟲、浮游甲殼動物 魚魚 其他動物其他動物 異養(yǎng)細(xì)菌異養(yǎng)細(xì)菌廢物、排泄物廢物、排泄物 人人 水環(huán)境及其微生物水環(huán)境及其微生物 = 水體污染與自凈水體污染與自凈 水中的食物鏈水中的食物鏈污染物進(jìn)入水體后是否發(fā)生污染污染物進(jìn)入水體后是否發(fā)生污染幾乎完全幾乎完全取決于食物鏈取決于食物鏈中各種生物對于污染物的凈化能力。中各種生物對于污染物的凈化能力。 水體自凈作用的相關(guān)概念水體自凈作用的相關(guān)概念 水體自凈水體自凈天然水體接納了一定量的污染物后，經(jīng)過一定的時

5、間，天然水體接納了一定量的污染物后，經(jīng)過一定的時間，在物理、化學(xué)和生物等因素的綜合作用下得到凈化，水在物理、化學(xué)和生物等因素的綜合作用下得到凈化，水質(zhì)恢復(fù)到污染前狀態(tài)的現(xiàn)象。質(zhì)恢復(fù)到污染前狀態(tài)的現(xiàn)象。自凈作用有一定的限度，在水體自凈作用限度內(nèi)能夠容自凈作用有一定的限度，在水體自凈作用限度內(nèi)能夠容納的污染物的最大數(shù)量，稱為該水體的自凈容量。納的污染物的最大數(shù)量，稱為該水體的自凈容量。：稀釋、沉淀稀釋、沉淀 （弱）（弱）：日光日光、氧氣氧氣等對污染物的分解等對污染物的分解 （弱）（弱）：生物降解：生物降解 （強(qiáng)）（強(qiáng)）若污染物的排放總量超過了其自凈容量，則水體不能自行恢若污染物的排放總量超過了其自

6、凈容量，則水體不能自行恢復(fù)至原有的狀態(tài)，其生態(tài)平衡將遭到破壞，水體即被污染。復(fù)至原有的狀態(tài)，其生態(tài)平衡將遭到破壞，水體即被污染。 水污染水污染 自凈容量自凈容量 自凈作用是自然沉降作用、稀釋作用、有機(jī)物的生物降解、自凈作用是自然沉降作用、稀釋作用、有機(jī)物的生物降解、 復(fù)氧作用（溶解氧濃度的恢復(fù)）、日照等許多作用聯(lián)合的復(fù)氧作用（溶解氧濃度的恢復(fù)）、日照等許多作用聯(lián)合的 結(jié)果。結(jié)果。 水體自凈作用分析水體自凈作用分析 水體自凈作用的強(qiáng)弱和自凈容量的大小受水量、水質(zhì)及一水體自凈作用的強(qiáng)弱和自凈容量的大小受水量、水質(zhì)及一 系列水文條件（如流量、流速河流彎曲復(fù)雜程度等）影響。系列水文條件（如流量、流速河

7、流彎曲復(fù)雜程度等）影響。有機(jī)污染物量小有機(jī)污染物量小 好氧菌繁殖好氧菌繁殖 溶解氧下降溶解氧下降有機(jī)物分解完畢有機(jī)物分解完畢 細(xì)菌數(shù)量減少細(xì)菌數(shù)量減少 光合微生物繁殖光合微生物繁殖 無機(jī)營養(yǎng)物減少無機(jī)營養(yǎng)物減少 光合光合微生物減少微生物減少 水體中的溶解氧、水體中的溶解氧、BODBOD恢復(fù)原水平恢復(fù)原水平 水體自凈水體自凈 水體凈化過程：水體凈化過程：P/H P/H 低低高高低（原來水平）低（原來水平） 衡量水體污染與自凈的指標(biāo)衡量水體污染與自凈的指標(biāo) P/H P/H指數(shù)指數(shù)P P（photoautotrophphotoautotroph）：水體中光合自養(yǎng)型微生物的數(shù)量。）：水體中光合自養(yǎng)型微

8、生物的數(shù)量。H H（heterotrophheterotroph）：水體中異養(yǎng)微生物的數(shù)量。）：水體中異養(yǎng)微生物的數(shù)量。 水污染生物指數(shù)水污染生物指數(shù) ( Biological Index of Water Pollution，BIP) BBIP = 100 A+BA A 有光合作用的微生物數(shù)量有光合作用的微生物數(shù)量B B 無光合作用的微生物數(shù)量無光合作用的微生物數(shù)量 利用利用BIPBIP可以判斷水體的污染程度可以判斷水體的污染程度污染程度污染程度 清潔水清潔水 輕微污染水輕微污染水 中等污染水中等污染水 嚴(yán)重污染水嚴(yán)重污染水 BIP 0-8 8-20 20-60 60-100BIP 0-8

9、8-20 20-60 60-100 氧垂曲線和氧濃度的晝夜變化幅度氧垂曲線和氧濃度的晝夜變化幅度！ 污染前污染前 凈化開始凈化開始 凈化過程凈化過程 結(jié)束結(jié)束 大大 縮小縮小 至最低點(diǎn)至最低點(diǎn) 擴(kuò)大擴(kuò)大 大大 溶氧變化溶氧變化幅度幅度： 污染前污染前 凈化開始凈化開始 持續(xù)持續(xù) 結(jié)束結(jié)束： 無色無色 暗灰色暗灰色 灰色灰色 繼續(xù)變清繼續(xù)變清 無色無色 澄清澄清 很混濁、臭很混濁、臭 混濁混濁 濁度下降濁度下降 澄清透明澄清透明 透明透明 水面有泡沫水面有泡沫 泡沫減少泡沫減少 污化系統(tǒng)污化系統(tǒng)當(dāng)有機(jī)污染物排入河流，在其下游河段的自凈過程中，形當(dāng)有機(jī)污染物排入河流，在其下游河段的自凈過程中，形成

10、一系列成一系列污化帶污化帶。因各種水生生物需要不同的生存條件，。因各種水生生物需要不同的生存條件，故在各個帶中可找到不同的故在各個帶中可找到不同的。 污化系統(tǒng)（也稱有機(jī)污染系統(tǒng)）污化系統(tǒng)（也稱有機(jī)污染系統(tǒng)） 是根據(jù)水體有機(jī)物污染程度的不同，對水體的一種分類法。是根據(jù)水體有機(jī)物污染程度的不同，對水體的一種分類法。 污化帶污化帶多污帶、多污帶、a a- -中污帶、中污帶、b b- -中污帶、寡污帶中污帶、寡污帶類類型型外外觀觀BIP生生物物特特征征多多污污帶帶1 暗暗灰灰色色，很很渾渾濁濁，含含大大量量 有有 機(jī)機(jī) 物物， BOD高高，溶溶解解氧氧極極低低(或或無無)，為為厭厭氧氧狀狀態(tài)態(tài)。2 在

11、在有有 機(jī)機(jī) 物物 分分解解 過過 程程中中，產(chǎn)產(chǎn)生生 H2S、C02和和CH4等等氣氣體體。臭臭味味。3 水水底底沉沉積積許許多多由由有有機(jī)機(jī)和和無無 機(jī)機(jī) 物物 形形成成 的的 淤淤泥泥。水水面面上上有有氣氣泡泡。601001 種種類類很很少少，厭厭氧氧菌菌和和兼兼性性厭厭氧氧菌菌種種類類多多，數(shù)數(shù)量量大大，每每毫毫升升水水含含有有幾幾億億個個細(xì)細(xì)菌菌。有有能能分分解解復(fù)復(fù)雜雜有有機(jī)機(jī)物物的的菌菌種種，硫硫酸酸還還原原菌菌、產(chǎn)產(chǎn)甲甲烷烷菌菌等等。2 無無顯顯花花植植物物，魚魚類類絕絕跡跡。3 河河底底淤淤泥泥中中有有大大量量寡寡毛毛類類(顫顫蚯蚯蚓蚓)動動物物。*河河流流流流向向顫蚯蚓顫蚯

12、蚓類類型型外外觀觀BIP生生物物特特征征河河流流流流向向-中中污污帶帶1 水水為為灰灰色色，溶溶解解氧氧少少，為為半半?yún)拝捬跹鯛顮顟B(tài)態(tài)，有有機(jī)機(jī)物物量量減減少少，BOD 下下降降；2 水水面面上上有有泡泡沫沫和和浮浮泥泥，有有 NH3、氨氨基基酸酸及及H2S。臭臭味味。 20601 生生物物種種類類比比多多污污帶帶稍稍多多。細(xì)細(xì)菌菌數(shù)數(shù)量量較較多多，每每毫毫升升水水約約有有幾幾千千萬萬個個。2 出出現(xiàn)現(xiàn)有有藍(lán)藍(lán)藻藻、裸裸藻藻、綠綠藻藻，原原生生動動物物有有天天藍(lán)藍(lán)喇喇叭叭蟲蟲、美美觀觀獨(dú)獨(dú)縮縮蟲蟲、椎椎尾尾水水輪輪蟲蟲、臂臂尾尾水水輪輪蟲蟲及及櫛櫛蝦蝦等等。*3 底底泥泥已已部部分分無無機(jī)機(jī)化

13、化，滋滋生生了了很很多多顫顫蚯蚯蚓蚓。 天藍(lán)喇叭蟲天藍(lán)喇叭蟲 椎尾水輪蟲椎尾水輪蟲 櫛蝦櫛蝦類類型型外外觀觀BIP生生物物特特征征河河流流流流向向-中中污污帶帶1 有有機(jī)機(jī)物物較較少少，BOD 和和懸懸浮浮物物含含量量低低，溶溶解解氧氧濃濃度度升升高高；2 NH3和和H2S分分別別氧氧化化為為N03和和 S042-，兩兩者者含含量量均均減減少少。 8201 細(xì)細(xì)菌菌數(shù)數(shù)量量減減少少，每每毫毫升升水水只只有有幾幾萬萬個個。2 藻藻類類大大量量繁繁殖殖，水水生生植植物物出出現(xiàn)現(xiàn)。*3 原原生生動動物物有有固固著著型型纖纖毛毛蟲蟲如如：獨(dú)獨(dú)縮縮蟲蟲、聚聚縮縮蟲蟲等等活活躍躍，輪輪蟲蟲、浮浮游游甲甲殼

14、殼動動物物及及昆昆蟲蟲出出現(xiàn)現(xiàn)。類類型型外外觀觀BIP生生物物特特征征河河流流流流向向 寡寡污污帶帶1 有有機(jī)機(jī)物物全全部部無無機(jī)機(jī)化化，BOD 和和懸懸浮浮物物含含量量極極低低，水水的的渾渾濁濁度度低低，溶溶解解氧氧恢恢復(fù)復(fù)到到正正常常含含量量。2 H2S消消失失；3 河河流流自自凈凈過過程程已已完完成成的的標(biāo)標(biāo)志志 081 細(xì)細(xì)菌菌極極少少；2 出出現(xiàn)現(xiàn)魚魚腥腥藻藻、硅硅藻藻、黃黃藻藻、鐘鐘蟲蟲、變變形形蟲蟲、旋旋輪輪蟲蟲、浮浮游游甲甲殼殼動動物物、 水水生生植植物物及及魚魚。 * 前節(jié)晶囊輪蟲前節(jié)晶囊輪蟲 蚤狀水蚤蚤狀水蚤 大型水蚤大型水蚤 魚腥蚤魚腥蚤玫瑰旋輪蟲玫瑰旋輪蟲 以上污化系統(tǒng)

15、只能反映以上污化系統(tǒng)只能反映有機(jī)污染有機(jī)污染的程度，的程度，不能反映有毒廢水的污染！不能反映有毒廢水的污染！由氮、磷等無機(jī)污染物引起的藻類過度生長污染水體的現(xiàn)象。由氮、磷等無機(jī)污染物引起的藻類過度生長污染水體的現(xiàn)象。2營營養(yǎng)養(yǎng)狀狀態(tài)態(tài)總總磷磷mgL-1無無機(jī)機(jī)氮氮mgL-1極極貧貧營營養(yǎng)養(yǎng)000502貧貧中中營營養(yǎng)養(yǎng)0005001020040中中營營養(yǎng)養(yǎng)00100303065 中中富富營營養(yǎng)養(yǎng)003010515富富營營養(yǎng)養(yǎng)0115“水花水花”或或“水華水華”（water bloom）：）：藻類的大量繁殖使水體出現(xiàn)顏色，并變得渾濁，許多藻類藻類的大量繁殖使水體出現(xiàn)顏色，并變得渾濁，許多藻類團(tuán)塊漂

16、浮在水面上形成。團(tuán)塊漂浮在水面上形成。赤潮或紅潮（赤潮或紅潮（red tides）：）：在海洋中，某些甲藻類大量繁殖也可以形成水花，從而使在海洋中，某些甲藻類大量繁殖也可以形成水花，從而使海水出現(xiàn)紅色或褐色。海水出現(xiàn)紅色或褐色。引起水體富營養(yǎng)化的藻類除通過消耗水中的氧氣危害養(yǎng)殖業(yè)外，引起水體富營養(yǎng)化的藻類除通過消耗水中的氧氣危害養(yǎng)殖業(yè)外，很多藻類還能產(chǎn)生各種毒素，使動物得病或死亡，因此由于富很多藻類還能產(chǎn)生各種毒素，使動物得病或死亡，因此由于富營養(yǎng)化作用營養(yǎng)化作用致死的魚等水產(chǎn)品不能食用致死的魚等水產(chǎn)品不能食用。嚴(yán)重污染的水會通過食物鏈的生物放大作用嚴(yán)重污染的水會通過食物鏈的生物放大作用危害人

17、類健康危害人類健康根本措施是將氮和磷的排放量控制在低水平。根本措施是將氮和磷的排放量控制在低水平。 無原生的微生物區(qū)系；無原生的微生物區(qū)系； 來源于土壤、水體及人類的生產(chǎn)、生活活動；來源于土壤、水體及人類的生產(chǎn)、生活活動； 種類主要為真菌和細(xì)菌，一般與其所在環(huán)境的微生物種類主要為真菌和細(xì)菌，一般與其所在環(huán)境的微生物 種類有關(guān)；種類有關(guān)； 數(shù)量取決于塵埃數(shù)量；數(shù)量取決于塵埃數(shù)量； 停留時間和塵埃大小、空氣流速、濕度、光照等因素有關(guān)；停留時間和塵埃大小、空氣流速、濕度、光照等因素有關(guān)； 與人類的關(guān)系：與人類的關(guān)系： 傳播疾病、傳播疾病、造成食品等的污染造成食品等的污染微生物學(xué)的基本技術(shù)：微生物學(xué)的

18、基本技術(shù)：無菌操作技術(shù)無菌操作技術(shù)制備微生物氣溶膠實(shí)現(xiàn)群體免疫制備微生物氣溶膠實(shí)現(xiàn)群體免疫 大氣環(huán)境及其微生物大氣環(huán)境及其微生物無菌操作及超凈工作臺3514四、微生物種群間的相互關(guān)系四、微生物種群間的相互關(guān)系 互生關(guān)系互生關(guān)系 共生關(guān)系共生關(guān)系 拮抗關(guān)系拮抗關(guān)系 競爭關(guān)系競爭關(guān)系 寄生關(guān)系寄生關(guān)系 捕食關(guān)系捕食關(guān)系五、環(huán)境微生物與物質(zhì)循環(huán)五、環(huán)境微生物與物質(zhì)循環(huán)微生物可以在多個方面但主要作為微生物可以在多個方面但主要作為分解者分解者而在生態(tài)系統(tǒng)中起重要作用！而在生態(tài)系統(tǒng)中起重要作用！ 微生物是有機(jī)物的主要分解者。微生物是有機(jī)物的主要分解者。 微生物是物質(zhì)循環(huán)中的重要成員。微生物是物質(zhì)循環(huán)中的重

19、要成員。 微生物是生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者。微生物是生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者。 微生物是物質(zhì)和能量的貯存者。微生物是物質(zhì)和能量的貯存者。一、微生物的營養(yǎng)類型一、微生物的營養(yǎng)類型 光能自養(yǎng)型光能自養(yǎng)型光能異養(yǎng)型光能異養(yǎng)型化能自養(yǎng)型化能自養(yǎng)型化能異養(yǎng)型化能異養(yǎng)型第四節(jié)第四節(jié) 環(huán)境微生物的代謝環(huán)境微生物的代謝二、微生物的能量代謝二、微生物的能量代謝所有的生物取得生命所需的能源只有兩類途徑：所有的生物取得生命所需的能源只有兩類途徑：光合作用光合作用生物氧化生物氧化有氧呼吸有氧呼吸無氧呼吸無氧呼吸發(fā)酵作用發(fā)酵作用 有氧呼吸對底物的氧化作用比較徹底，氧是氧化還原反應(yīng)有氧呼吸對底物的氧化作用比較徹底，氧是氧化還

20、原反應(yīng) 的最終電子受體，因而可以獲得最多的能量。的最終電子受體，因而可以獲得最多的能量。 部分細(xì)菌可以有氧氧化還原態(tài)的無機(jī)化合物部分細(xì)菌可以有氧氧化還原態(tài)的無機(jī)化合物(S(S2-2-、S S、S S2 2O O3 32-2- 、NHNH3 3) )，氧化產(chǎn)物為，氧化產(chǎn)物為SOSO4 42-2-和和NONO3 3- - 。 大多數(shù)有氧呼吸的底物是有機(jī)物，氧化產(chǎn)物為大多數(shù)有氧呼吸的底物是有機(jī)物，氧化產(chǎn)物為COCO2 2和和H H2 20 0。 有氧呼吸有氧呼吸硫細(xì)菌硫細(xì)菌：2H2H2 2S + OS + O2 2 2S + 2H 2S + 2H2 2O O 2S + 2H 2S + 2H2 2O

21、+3OO +3O2 2 2SO 2SO4 42-2- + 4H + 4H+ +亞硝化細(xì)菌亞硝化細(xì)菌：2NH2NH3 3 + 3O + 3O2 2 2NO 2NO2 2- - + 2H + 2H+ + 2H 2H2 2O O硝化細(xì)菌硝化細(xì)菌： 2NO2NO2 2- - + O + O2 2 2NO 2NO3 3- -硝化作用硝化作用 無氧呼吸無氧呼吸厭氧菌或兼性菌在無氧條件下進(jìn)行的，以某些無機(jī)氧化物厭氧菌或兼性菌在無氧條件下進(jìn)行的，以某些無機(jī)氧化物為電子受體的生物氧化作用。產(chǎn)能水平低于有氧呼吸。為電子受體的生物氧化作用。產(chǎn)能水平低于有氧呼吸。無氧呼吸分為三種類型無氧呼吸分為三種類型硝酸鹽還原硝酸

22、鹽還原硫酸鹽還原硫酸鹽還原碳酸鹽還原碳酸鹽還原 絕大部分的反硝化作用以有機(jī)物為底物絕大部分的反硝化作用以有機(jī)物為底物 C C6 6H H1212O O6 6 + 4NO+ 4NO3 3- - 6CO 6CO2 2 + 6H+ 6H2 2O + 2NO + 2N2 2 + 4e + 4e 硝酸鹽還原（硝酸鹽還原（反硝化作用反硝化作用）指在生物氧化過程中，指在生物氧化過程中，NONO3 3 - -或或NONO2 2 - -作為電子受體氧化底物作為電子受體氧化底物的同時，自身被還原為的同時，自身被還原為N N2 2的過程。的過程。NONO3 3- - + 6H + 6H+ + + 5e 3H + 5

23、e 3H2 2O + 1/2NO + 1/2N2 2硝化和反硝化作用在廢水處理中有廣泛的應(yīng)用硝化和反硝化作用在廢水處理中有廣泛的應(yīng)用! ! 少數(shù)細(xì)菌能以氫或還原態(tài)的硫?yàn)榈孜锷贁?shù)細(xì)菌能以氫或還原態(tài)的硫?yàn)榈孜?5H5H2 2 + 2NO+ 2NO3 3- - 4H 4H2 2O + NO + N2 2 + 2OH+ 2OH- - （氫細(xì)菌）（氫細(xì)菌） 5S5S + 6NO+ 6NO3 3- - + 2H + 2H2 2O O 5 5SOSO4 42-2- + 3N+ 3N2 2 + 4H+ 4H+ + （硫桿菌）（硫桿菌）以以COCO2 2或碳酸鹽作為電子受體的生物氧化，產(chǎn)物是甲烷?；蛱妓猁}作為電子受體的生物氧化，產(chǎn)物是甲烷。 硫酸鹽還原硫酸鹽還原以以SOSO3 32-2-、SOSO4 42-2-為電子受體的生物氧化作用，產(chǎn)物是為電子受體的生物氧化作用，產(chǎn)物是H H2 2S S。CHCH3 3COOH + SOCOOH + SO4 42+2+ S S2-2- + 2CO + 2CO2 2 + 2H+ 2H2 2O O （硫酸鹽還原菌硫酸鹽還原菌） 碳