第七章 微生物的生態(tài)10-22

第七章微生物的生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物生態(tài)空氣微生物生態(tài)水體微生物生態(tài)第一節(jié)生態(tài)系統(tǒng)

研究生物系統(tǒng)與其所處環(huán)境條件之間的相互作用規(guī)律性的科學。生態(tài)學研究內(nèi)容微生物群體——微生物區(qū)系（microflora）或正常菌群（normalflora）對其周圍生物和非生物環(huán)境條件相互作用關(guān)系。（一）生態(tài)系統(tǒng)在一定時間和空間范圍內(nèi)由生物（包括動物、植物和微生物的個體、種群、群落）與它們的生境（包括光、水、土壤、空氣及其他生物因子）通過能量流動和物質(zhì)循環(huán)所組成的一個自然體。生態(tài)系統(tǒng)=生物群落+環(huán)境條件第一節(jié)生態(tài)系統(tǒng)一、生態(tài)系統(tǒng)和生物圈生態(tài)系統(tǒng)組成：環(huán)境、生產(chǎn)者、消費者及分解或轉(zhuǎn)化者個體：是指某一具體的生物單個個體，有其生長、發(fā)育、繁殖和死亡的過程，是組成種群的單位。種群：是生活在同一特定空間的同一生物種的所有個體的集合體，是生物群落的組成單位。群落：生活在同一特定空間或區(qū)域的所有生物種群的聚合體，是生態(tài)系統(tǒng)的組成部分。

生態(tài)系統(tǒng)功能——1.

生物生產(chǎn)

生物生產(chǎn)是生態(tài)系統(tǒng)的基本功能之一，只要有太陽輻射、水、二氧化碳及無機物，植物、藻類及光合細菌等就可利用太陽能，將二氧化碳和水合成糖類，進而合成蛋白質(zhì)、脂肪和核酸等，構(gòu)成植物體。

陽光（2876kJ）

6CO2+12H2O

C6H12O6+6O2+6H2O

葉綠素

2.能量流動

3.物質(zhì)循環(huán)

生態(tài)系統(tǒng)中生物群落所需的各種營養(yǎng)物在環(huán)境、生產(chǎn)者、消費者和分解者(各營養(yǎng)級)之間傳遞，處于不斷循環(huán)之中形成物質(zhì)流。

4.信息傳遞

生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳遞多種多樣，有強有弱，把各組成聯(lián)為一個統(tǒng)一整體。有物理信息，例如聲、光、顏色起吸引異性、種間識別、威嚇、警告等信息作用；生物的酶、維生素、生長素、抗生素等是化學信息；有報警、集合、食物的信息作用；在同一種或不同種間還有行為信息。

（二）生物圈生物圈：生存在地球陸地以上至海面以下各約10km之間的范圍，包括巖石圈、土壤圈、水圈和大氣圈內(nèi)所有生物群落和人及它們生存環(huán)境的總體。二、生態(tài)平衡生態(tài)平衡：是生態(tài)系統(tǒng)在一定時間內(nèi)結(jié)構(gòu)和功能處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，其物質(zhì)和能量的輸入輸出接近相等，在外來干擾下能通過自我調(diào)節(jié)（或人為控制）恢復到原初的穩(wěn)定狀態(tài)。生態(tài)系統(tǒng)具有一定的內(nèi)部調(diào)節(jié)能力。生態(tài)失調(diào)或生態(tài)平衡的破壞：外來干擾超越生態(tài)系統(tǒng)的自我控制能力而不能恢復到原初狀態(tài)。自然生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)過由簡單到復雜的長期演代，最后形成相對穩(wěn)定狀態(tài)。生態(tài)平衡是動態(tài)的。第二節(jié)土壤微生物生態(tài)一、土壤的生態(tài)條件1、營養(yǎng)：豐富的營養(yǎng)2、pH：5.5-8.5適合大多數(shù)微生物生長。3、滲透壓：等滲或低滲環(huán)境。4、氧和水：團粒結(jié)構(gòu)中可保持大量空氣和水。5、溫度：保溫性強，變動幅度小，10-25℃6、保護層：吸收紫外線。（一）種類和數(shù)量土壤中的微生物可粗分為兩大類：土著微生物、外來微生物。一般土壤微生物指的是土著微生物。

種類主要有細菌、放線菌、真菌、藻類和原生動物五類。數(shù)量上以細菌最多→放線菌→真菌→藻類→原生動物。

pH的變化可引起微生物種類和數(shù)量的變化.二、微生物在土壤中的種類、數(shù)量和分布土著微生物：指在給定的生境中生存、生長和進行活躍代謝的微生物，并且這些微生物能與來自其他群落的微生物進行有效的競爭，它從生理方面完全適應了這一生境的物化條件。外來微生物：指來自于其他生態(tài)系統(tǒng)的微生物，這些微生物不能在這一生境中長期生活下去。1、細菌：桿狀的居多，球狀的較少，G+較多，主要是異養(yǎng)菌。2、放線菌：鏈霉菌屬、諾卡氏菌屬最多，小單胞菌也很普遍，隨土壤深度增加而減少。3、真菌：大多是好氧性的。存在于10cm以內(nèi)的頂層土壤中，30cm以下就很少4、藻類和藍細菌：多棲息于多水的表層土壤。季節(jié)性變化明顯，春秋多冬夏少。5、原生動物：最多的是鞭毛蟲，其次是肉足類，纖毛蟲較少。（二）微生物在土壤中的分布水平分布：取決于碳源油田以碳氫化合物為碳源森林分解纖維素的微生物含動植物殘體多含氨化細菌、硝化細菌較多垂直分布：與紫外輻射、營養(yǎng)、水、溫度有關(guān)表層土：少

5-20cm：最多

20cm以下：隨深度增加而減少—缺乏營養(yǎng)和氧氣季節(jié)變化

春夏秋冬三、土壤自凈和污染土壤的微生物生態(tài)（一）土壤自凈

土壤對施入一定負荷的有機物或有機物污染物具有吸附和生物降解能力，通過各種物理、生物化學過程自動分解污染物使土壤恢復到原有水平的凈化過程。自凈能力：土壤中微生物的種類和數(shù)量土壤自身的理化性質(zhì)如土壤團粒結(jié)構(gòu)、有機物含量、pH值、陰陽離子種類、含量土壤容量指土壤對污染物的最大承受量或負荷量。（二）污染土壤的微生物生態(tài)

污水長期灌溉會引起土壤微生物生態(tài)的變化：區(qū)系和數(shù)量改變。（1）產(chǎn)生可分解各種污染物的微生物種類。（2）重金屬的作用：被氧化或還原，但不能徹底清除毒性

農(nóng)田灌溉要適當，要根據(jù)不同物質(zhì)積累在植株的不同部位如：根、莖、葉、種子等的特點，合理實施。有毒廢水不可用于農(nóng)田灌溉和土地處理。為了避免毒物進入食物鏈，工業(yè)廢水以灌溉非食用的經(jīng)濟作物為好。否則，汞等重金屬被植物吸收、富集、濃縮，進入食物鏈，甚至進入人體，危害人體健康。污(廢)水灌溉量適中，不會造成土壤污染。

隱蔽性和潛伏性不可逆性和長期性后果嚴重性特點四、土壤污染和土壤生物修復（一）土壤的污染及其不良后果土壤污染的后果破壞土壤生態(tài)平衡隨食物鏈危害人體健康致病微生物的存在

（二）土壤生物修復利用土壤中天然的微生物資源或人為投加目的菌株，構(gòu)建特異的基因工程菌株加入污染土壤中，將滯留的污染物快速降解和轉(zhuǎn)化，恢復土壤的功能。費用省環(huán)境影響小最大限度地降低污染物濃度可用于其他技術(shù)難以應用的土地可同時處理污染土壤和地下水優(yōu)點不能降解所有的污染物要對地點和存在污染物進行考察微生物活性受溫度和環(huán)境條件的影響不能將污染物全部去除局限性1、土壤生物修復的工作步驟：①

調(diào)查本底資料②

選擇技術(shù)路線，進行可處理性試驗技術(shù)咨詢→列出方案→確定最佳技術(shù)→設計小試和中試③

技術(shù)實施2、土壤生物修復技術(shù)的關(guān)鍵（1）微生物種

①

土著微生物：應用最多，效果差②外來微生物：較易實施，收效快且效果好③基因工程菌：可分解難降解有機物，技術(shù)復雜（2）微生物營養(yǎng)：BOD：N：P（3）溶解氧：溶解氧是現(xiàn)場處理的關(guān)鍵因素。土壤結(jié)構(gòu)、土質(zhì)、污染物數(shù)量的不同，溶解氧含量也不同。為了增加溶解氧，可以采用一些工程的方法：鼓風、添加產(chǎn)氧劑。（4）微生物的環(huán)境因子適量的水、pH、溫度（1）微生物修復①原位處理：將受污染的土壤在原地處理，不需要將土壤挖出和運輸，一般采用土著微生物處理。工藝簡單，費用低，但處理速度慢，而且在長期的生物修復過程中，污染物可能會進一步擴散到深層土壤和地下水中。

適用于處理污染時間較長，狀況已基本穩(wěn)定的地區(qū)或污染面積大的地區(qū)。2、土壤生物修復工程生物修復原位處理方式示意圖生物通風：是改進和強化原位處理的一種方法。通常用于地下儲油罐泄漏造成的輕度污染土壤的生物修復。②異位生物修復

主要包括現(xiàn)場處理法、預制床法、堆制處理法、生物反應器和厭氧生物修復法a、現(xiàn)場處理法

用土壤耕作方式處理污染土壤。被污染的土壤施在未被污染的土壤上，通過施肥、灌溉和加石灰等管理措施，保持氧氣、水分和pH的最合適值，并進行耕作以改善土壤的通氣狀況，依靠土著微生物的作用，也可投加馴化的微生物增強降解作用。b、預制床（

挖掘堆置）法：預制床的底面為滲透性低的物質(zhì)，如高密度的聚乙烯或粘土。將污染土壤轉(zhuǎn)移到預制床上，通過施肥、灌溉，調(diào)節(jié)pH，有時還加入微生物和表面活性劑，使其最適合污染物的降解。C、堆制處理法將受污染的土堆挖掘起來運輸?shù)揭粋€經(jīng)過各種工程準備（布置防止?jié)B漏底，通風管道等）的地點堆放，形成上升的斜坡，并在此進行生物修復的處理，處理后的土壤再運回去。D、反應器處理：

將污染土壤置于一專門的反應器中處理。反應器可使土壤與微生物及其他添加物如營養(yǎng)鹽，表面活性劑等徹底混合，能很好的控制降解條件，因而處理速度快，效果好。生物反應器處理的過程為：先挖出土壤與水1：2混合，然后轉(zhuǎn)入反應器。為了提高降解速率，常在反應器中加入已被馴化的微生物。處理后的土壤與水分離后再運回原地。（2）植物修復技術(shù)利用植物體內(nèi)對某些污染物的積累、植物代謝過程對某些污染物的轉(zhuǎn)化和礦化，加速土壤污染物降解速度的過程。方式：植物提?。焊康厣喜糠郑ㄊ崭睿┲参锝到猓和ㄟ^代謝降低毒性Cr6+Cr3+植物穩(wěn)定化：利用吸收和沉淀作用固定有毒物質(zhì)，減少進入地下水和食物鏈的可能。是一項利用太陽能動力的處理系統(tǒng)，具有處理費用低，減少場地破壞等優(yōu)點而受到普遍重視。苜蓿草：南京林業(yè)大學DDT、石油、重金屬

蒲公英龍葵：小白酒花：中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所周啟星、魏樹和等研究人員，以雜草為篩選對象，通過室外盆栽試驗對東北沈陽地區(qū)20科54種田間雜草植物進行了重金屬耐性及積累能力的初步系統(tǒng)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蒲公英、龍葵和小白酒花對鎘單一及鎘—鉛—銅—鋅復合污染耐性均較強，對鎘有較高的積累能力，具有超富集植物的基本特征，已應用植物：第三節(jié)空氣微生物生態(tài)電離層和平流層微生物難以生存對流層是大氣中微生物生存和擴散的主要場所一、空氣的生態(tài)條件有較強的紫外輻射干燥溫差大缺乏營養(yǎng)高空缺氧不適合微生物生長空氣不是微生物生長繁殖的場所。二、空氣微生物種類、數(shù)量和分布

進入大氣的。

來源：在水體、土壤和高等生物中生長，并由空氣塵埃、土粒等搬運細菌結(jié)核桿菌肺炎雙球菌化膿性鏈球菌白喉桿菌金葡菌腦膜炎奈瑟菌真菌黃曲霉黑曲霉青霉菌病毒流感病毒腺病毒微生物在空氣中的存活時間取決于空氣的相對濕度、紫外輻射的強弱、塵埃顆粒的大小和數(shù)量，微生物的適應性及對環(huán)境的抵抗能力。室外空氣中微生物數(shù)量與環(huán)境衛(wèi)生狀況和綠化程度有關(guān)，主要是非致病性腐生菌，以及對干燥和輻射有抵抗力的真菌孢子室內(nèi)空氣中微生物的數(shù)量與人員密度、活動情況、空氣流通程度、室內(nèi)衛(wèi)生狀況關(guān)系很大。可來自室外空氣，但主要來自人體或人類活動。微生物氣溶膠

氣溶膠(aerosol)：以固體或液體微小顆粒分散于空氣中的分散體系，它是由分散相(固體或液體微粒)和分散介質(zhì)[又稱連續(xù)相(空氣)]組成的均勻體系，大小一般在0.1～10μm之間微生物氣溶膠(microbialaerosol)屬分散性氣溶膠，包括液態(tài)和固態(tài)，主要特點為微粒上附著有各種微生物微生物氣溶膠大小與其感染性的關(guān)系三、空氣微生物的衛(wèi)生標準及生物潔凈技術(shù)空氣污染的指示菌：綠色鏈球菌指標：空氣中的細菌總數(shù)我國《室內(nèi)空氣質(zhì)量衛(wèi)生標準》（GB18883-2002）規(guī)定：室內(nèi)空氣質(zhì)量的生物性標準是：撞擊法的細菌總數(shù)≤2500CFU/m3空氣。

二、空氣微生物衛(wèi)生標準生物潔凈技術(shù)用備有高效過濾器的空氣調(diào)節(jié)除菌設備，達到既可恒溫控制又可提供無菌空氣的目的。對室內(nèi)器物進行消毒及無菌操作生物潔凈室：以防止微生物污染為主要目的空氣微生物衛(wèi)生標準：浮游細菌數(shù)或降落細菌數(shù)四、空氣微生物檢測（一）

測定方法1、固體法（1）平皿落菌法

瓊脂平板打開后暴露空氣5-10min，培養(yǎng)48h，計算菌落數(shù)奧氏公式：C=1000×50N/（A×t）N—菌落數(shù)，A—捕集面積，t—暴露時間。

此法計算的浮游菌數(shù)比實際的菌少。

沒有考慮塵埃粒子大小、數(shù)量、氣流情況、人員密度和活動情況。采集效率低，穩(wěn)定性差。

平皿落菌法撞擊法過濾法（2）撞擊法:

用吸風機或真空泵將含菌空氣以一定流速穿過狹縫，平板與狹縫間隔2mm，平板以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，一般轉(zhuǎn)動一周，取出后37℃培養(yǎng)48h，計算菌落：C=1000×平板菌落數(shù)/（氣流量L×時間tmin）2、液體法將一定體積的含菌空氣通入無菌蒸餾水或無菌液體培養(yǎng)基，將細菌阻留于無菌水中，然后取一定量菌液涂布瓊脂平板，或取一定量菌液倒平板，培養(yǎng)計數(shù)。（二）空氣微生物的檢測點數(shù)：20-30為宜，至少5-6個（三）培養(yǎng)溫度時間：細菌：37℃培養(yǎng)48h

真菌：25℃培養(yǎng)96h（四）浮游菌最小采樣量和降落菌最小沉降面積五、軍團菌病軍團菌存在于水體、土壤、氣溶膠、中央空調(diào)室內(nèi)空氣、空調(diào)循環(huán)冷卻水等預防：對與人息息相關(guān)的且可能被軍團菌污染的水源，如供水系統(tǒng)，要定期進行檢查和消毒；有空調(diào)的室內(nèi)要經(jīng)常通風，減少室內(nèi)環(huán)境被軍團菌污染的可能；冷卻塔和空調(diào)系統(tǒng)的管道和過濾部件要經(jīng)常進行清潔。第四節(jié)水體微生物生態(tài)營養(yǎng)：一般江河湖泊和池塘的營養(yǎng)較豐富，湖岸區(qū)域比湖中央含有機物質(zhì)多。海水和鹽湖含有較高鹽分，但其他營養(yǎng)缺乏，雨水基本上是蒸餾水。溫度：淡水變化在0-36℃。海洋表面水，兩極-1.7℃，在熱帶和亞熱帶25-35℃，深海常常是0℃上少許，90%海水小于5℃。溶解氧：是水環(huán)境中最重要的限制因子之一。靜水湖泊中氧易被好氧微生物耗盡，江河流域可由于水的流動不斷補充氧。溶解氧在一定范圍內(nèi)隨溫度的降低而增加。pH：淡水pH在3.7-10.5之間，大多數(shù)湖水平均pH7左右，海水pH一般維持在8.0-8.3之間。適合微生物生長。光：水體中光合帶的范圍10-100m，清澈水體中可達200m，水體表面微生物數(shù)量較下層少。水體中微生物的來源：水中固有微生物來自土壤微生物來自生產(chǎn)和生活微生物來自空氣微生物

二、水體自凈和污染水體的微生物生態(tài)（一）

水體自凈1、水體自凈過程河水接納了一定量的有機污染后，利用物理、化學和水生物等因素的綜合作用得到凈化，水質(zhì)恢復到污染前的水平。任何水體都有自凈容量，即水體正常生物循環(huán)中能夠凈化有機污染物的最大數(shù)量。污水河流污染對水生生物的影響2、衡量水體自凈的指標（1）P/H指數(shù)：P=光合自養(yǎng)型微生物，H=異養(yǎng)型微生物?？煞磻w污染和自凈程度。（2）氧濃度晝夜變化和氧垂曲線

（二）污染水體的微生物生態(tài)多污帶

-中污帶

-中污帶寡污帶水色暗灰色渾濁灰色，水面有泡沫黃綠色清澈有機物大量，主要是未分解的蛋白質(zhì)、糖類減少，蛋白質(zhì)分解為氨基酸、NH3氨鹽、NO3-、NO2-、有機物很少被礦化，有機物極少DO極低或無少量多多BOD非常高高低很低H2S多較高少無細菌數(shù)108/ml106～107/ml104/ml102～103/ml生物種類少，厭氧菌、兼性菌為主較多多多水生植物無很少少多主要生物類群污水原生動物（顫蚓）藻類，天藍喇叭蟲、美觀獨縮蟲、蠕蟲藍細菌、綠藻、硅藻、固著型纖毛蟲、甲殼動物、昆蟲藻類、輪蟲、鐘蟲、水蚤、浮游甲殼類動物、魚、水生植物2、水體有機污染指標（1）BIP指數(shù)：無葉綠素微生物占所有微生物總數(shù)的比值

BIP=B/（A+B）×100%定性衡量、評價水體有機污染程度污染程度清潔水輕度污染水中等污染水嚴重污染水BIP值0-88-2020-6060-100（2）細菌菌落總數(shù)（CFU）

指1ml水樣在瓊脂培養(yǎng)基中37℃24h培養(yǎng)后所生長出的菌落總數(shù)。

用于指示被檢的水源受有機物污染的程度。CFU只能說明被生活污水污染的程度，不能說明來源，通常用大腸菌群數(shù)來判斷水體是否被糞便污染。

（3）總大腸菌群原理：天然水體由于糞便污染導致致病性微生物污染，但致病菌通常數(shù)量少不易檢出。大腸桿菌是人體腸道寄生菌中數(shù)量最大的，容易檢出，而且在環(huán)境中的存活時間與腸道致病菌相似，因此被作為致病菌的間接指標，指示糞便污染。

大腸菌群是一群需氧和兼性厭氧的，能在37℃培養(yǎng)24h內(nèi)使乳糖發(fā)酵產(chǎn)酸產(chǎn)氣的G-無芽孢桿菌，包括埃希氏菌屬、檸檬酸桿菌屬、腸桿菌、克雷伯氏菌。但大腸埃希氏桿菌可引起幼兒腹瀉，總大腸菌群陰性，但不能確切證明無致病菌。三、水體富營養(yǎng)化（一）概念當大量含N、P的生活污水和工業(yè)廢水進入江河湖海時，超過水的自凈能力，使藻類大量繁殖，淡水水體發(fā)生“水華”，海洋發(fā)生“赤潮”。無機氮：超過0.2-0.3mg/L生化需氧量：大于10mg/LTP：大于0.02-0.03mg/L細菌總數(shù)：超過10×104個/ml淡水（pH為7-9）葉綠素α：大于10μg/L

水華形成的條件：1、營養(yǎng)元素：N、P。TP達到0.02mg/L，TN達到0.3mg/L時就會出現(xiàn)富營養(yǎng)化，適合藻類生長。2、