chapter9-微生物生态.ppt

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1、第九章 微生物生态第一节 生态系统生态系统和生物圈生态系统和生物圈生态系统是指在一定空间中各类生物以及与其相关联的环境因子的集合。在不同的生态系统中，各种生命通过一张极其复杂的食物网来获取和传递太阳的能量，同时完成物质的循环。全球生态系统的总和称为生物圈。生态学的层次从个体、种群、群落、生态系统到整个生物圈逐级放大，其涉及到的环境范围也越来越广。在一定环境中的一群同种生物个体称为种群。在一个特定的环境区域内生存的多种不同的种群便组成为群落。全球生态系统的总和称为生物圈生态系统的基本组成生态系统的基本组成生态平衡生态系统中的能量流动、物质循环与信息交流总是不断地进行着，在一定时间内，生态系统内的

2、生物种类与数量相对稳定，它们之间及它们与环境之间的能量流动、物质循环与信息交流也保持稳定，达到统一协调的状态，这种平衡状态就叫生态平衡。生态平衡是动态的和相对的平衡，其主要特征包括：（1）生物的种类和数量保持相对稳定；（2）物质与能量的输入和输出保持相对的稳定；（3）物质与能量的循环与流动保持合理的比例与速度；（4）生态系统具有良好的自我调节能力。生态系统的分类按照不同的标准划分不一样：如根据生存环境分按照不同的标准划分不一样：如根据生存环境分为水体生态系统和陆地生态系统；还可进一步细为水体生态系统和陆地生态系统；还可进一步细分。分。微生物生态系统是各种环境因子对微生物区系的微生物生态系统是各

3、种环境因子对微生物区系的作用及其反作用。不同的微生物因生境不同而导作用及其反作用。不同的微生物因生境不同而导致组成的生态系统各异。如土壤微生物生态系统，致组成的生态系统各异。如土壤微生物生态系统，空气微生物生态系统等等。空气微生物生态系统等等。土壤微生物生态系统土壤是微生物的大本营。为什么？土壤是微生物的大本营。为什么？土壤的生态条件：土壤的生态条件：营养：有机物、无机元素、微量元素不缺；营养：有机物、无机元素、微量元素不缺；pHpH：多数在中性上下，介于：多数在中性上下，介于3.53.58.58.5之间；之间；渗透压：渗透压：0.30.30.6MPa0.6MPa之间，是微生物等渗或低之间，是

4、微生物等渗或低 渗环境；渗环境；供氧和水分：土壤团粒结构。供氧和水分：土壤团粒结构。温度：保温性强。温度：保温性强。保护层：防止辐射。保护层：防止辐射。微生物在土壤中的种类、数量和分布微生物在土壤中的种类、数量和分布土壤肥力：有机质含量不同，肥力不同。土壤肥力：有机质含量不同，肥力不同。肥土：每克土壤微生物数量多达肥土：每克土壤微生物数量多达10108 810109 9贫瘠土：每克土壤微生物含量只有贫瘠土：每克土壤微生物含量只有10106 610107 7土壤中：细菌数量放线菌数量真菌数量藻类和原生动土壤中：细菌数量放线菌数量真菌数量藻类和原生动物物微生物在土壤中的分布1.1.水平分布：取决于

5、碳源。如油田烃类分解菌多，水平分布：取决于碳源。如油田烃类分解菌多，森林纤维素分解菌多，等等森林纤维素分解菌多，等等2.2.垂直分布：受到紫外辐射、水分、温度、营养垂直分布：受到紫外辐射、水分、温度、营养的影响，分布不一。土壤的影响，分布不一。土壤5 520cm20cm处微生物数量处微生物数量最多（最多（为什么采集土壤样品需要在表层土为什么采集土壤样品需要在表层土10cm10cm以下处？以下处？）根际微生物最多。）根际微生物最多。土壤自净土壤自净：土壤自净：土壤对施入的有机污染具有吸附和生物降解土壤对施入的有机污染具有吸附和生物降解能力，通过各种物理、生化的过程自动分解污染物使土壤能力，通过各

6、种物理、生化的过程自动分解污染物使土壤恢复到原有水平的净化过程。恢复到原有水平的净化过程。土壤自净能力的决定因素：土壤微生物的种类、数量、活土壤自净能力的决定因素：土壤微生物的种类、数量、活性；土壤本身的理化性质。性；土壤本身的理化性质。污染土壤的微生物生态驯化作用：污染物的长期接触导致驯化作用：污染物的长期接触导致“土著土著”微生微生物的驯化，可以分解以前所不能分解的物质。物的驯化，可以分解以前所不能分解的物质。富集作用：土壤微生物对重金属的吸附、毒性激富集作用：土壤微生物对重金属的吸附、毒性激活等作用。如：铜绿色假单胞菌对汞毒性的激活活等作用。如：铜绿色假单胞菌对汞毒性的激活作用。作用。土

7、壤生物修复土壤污染的不良后果土壤污染的不良后果污染物造成土壤结构的破坏，导致生态平衡的破坏；污染物造成土壤结构的破坏，导致生态平衡的破坏；污染物通过食物链迁移危及人类健康；污染物通过食物链迁移危及人类健康；污水造成水体污染，病原体可在土壤中存活，过水传染。污水造成水体污染，病原体可在土壤中存活，过水传染。土壤修复土壤修复 背景和成功经验：始于背景和成功经验：始于1970s1970s，80s80s，欧洲和荷兰投资巨，欧洲和荷兰投资巨大，收效良好，国内开始引入。大，收效良好，国内开始引入。工作步骤工作步骤调查资料：土壤理化性质、结构、环境因素、调查资料：土壤理化性质、结构、环境因素、微生物区系组成

8、和数量等；微生物区系组成和数量等；方案制定和可行性试验；方案制定和可行性试验；技术实施。技术实施。土壤修复的关键4个因素1.1.菌种：土著微生物、驯化种、质粒育种或基因菌种：土著微生物、驯化种、质粒育种或基因工程菌种。工程菌种。2.2.微生物营养：依然注重微生物营养：依然注重C:N:P,C:N:P,多次试验确定最多次试验确定最佳比例，初始比例可以参考佳比例，初始比例可以参考C:N=25:1C:N=25:1；污水好；污水好氧处理的氧处理的BOD:N:P=100:5:1BOD:N:P=100:5:13.3.DODO：为了加速分解，需要增加溶氧。：为了加速分解，需要增加溶氧。4.4.环境因子：水、环

9、境因子：水、pHpH、温度。、温度。几种土壤修复工程原位修复（见第一章）原位修复（见第一章）生物通风生物通风反应器和易位修复反应器和易位修复空气微生物生态空气的生态条件空气的生态条件 辐射强，温度变化大，干燥，缺乏营养。微生物在空气中辐射强，温度变化大，干燥，缺乏营养。微生物在空气中只是短暂停留只是短暂停留空气微生物的种类、数量和分布空气微生物的种类、数量和分布(每立方米含菌数）每立方米含菌数）畜舍畜舍宿舍宿舍街道街道公园公园海洋上空海洋上空121012106 62102104 45105103 32002001 12 2空气中微生物种类不固定，和所处的具体环境有空气中微生物种类不固定，和所处

10、的具体环境有关。关。存活较长的主要有芽孢杆菌、霉菌和放线菌的孢存活较长的主要有芽孢杆菌、霉菌和放线菌的孢子、野生酵母菌、原生动物的胞囊等。子、野生酵母菌、原生动物的胞囊等。室内致病菌多，如金黄色葡萄球菌、白色葡萄球室内致病菌多，如金黄色葡萄球菌、白色葡萄球菌、绿脓杆菌、沙门氏菌、肺炎球菌、病毒等。菌、绿脓杆菌、沙门氏菌、肺炎球菌、病毒等。空气微生物的卫生标准和生物洁净技术空气微生物的卫生标准和生物洁净技术一般室内空气污染指标：一般室内空气污染指标：CFUCFU50050010001000个个/立方立方米米各国标准各异，如日本认为严重污染指标是各国标准各异，如日本认为严重污染指标是300300个

11、个/m/m3 3。中国中国GBGB 室内空气中细菌总数规定掸击法室内空气中细菌总数规定掸击法4000cfu/m4000cfu/m3 3;沉降法沉降法45cfu/45cfu/皿皿 生物洁净室生物洁净室对环境要求严格的行业，为防止微生物的污染、保证室内对环境要求严格的行业，为防止微生物的污染、保证室内无菌环境为主要目的的洁净室。无菌环境为主要目的的洁净室。引用标准：美国引用标准：美国19671967年颁布的年颁布的NASANASA。空气微生物的检测空气微生物的检测1.1.固体法：分为平皿落菌法、撞击法和过滤法。固体法：分为平皿落菌法、撞击法和过滤法。具体介绍：具体介绍：平皿落菌法：平皿落菌法：暴露

12、平皿在空气中暴露平皿在空气中5 510min10min，然后培养，然后培养48h48h计数。采集计数。采集样点样点5 5个。方法缺陷：结果比实际数量少。个。方法缺陷：结果比实际数量少。撞击法：真空泵抽吸空气到营养平板上，平板撞击法：真空泵抽吸空气到营养平板上，平板转动一周，然后转动一周，然后48h48h培养计数。是广泛采用的方培养计数。是广泛采用的方法。法。2.2.液体法液体法将无菌空气通入无菌蒸馏水将无菌空气通入无菌蒸馏水oror液体培养基中，液体培养基中，然后将菌液涂平板，然后将菌液涂平板，48h48h培养计数。培养计数。空气微生物的检测点数：空气微生物的检测点数：20203030个测数点

13、为宜，个测数点为宜，最少最少5 56 6个。个。培养温度和时间：培养温度和时间：3737，48h48h 细菌总数：细菌总数：31313232，24h or 48h24h or 48h。真菌：真菌：2525，96h96h第四节 水体微生物生态水体微生物的来源水体微生物的来源 土著、土壤、人类生产生活介入、空气土著、土壤、人类生产生活介入、空气水中微生物群落水中微生物群落1.1.海洋微生物群落海洋微生物群落 0 010m10m，藻类、浮游生物多，藻类、浮游生物多 101050m50m，微生物数量多，微生物数量多 50m50m以下，逐渐减少以下，逐渐减少 海底：兼性厌氧、厌氧微生物多海底：兼性厌氧、

14、厌氧微生物多2.2.群落特征群落特征常见海洋微生物有假单胞菌属、黄色杆菌属、弧菌属、常见海洋微生物有假单胞菌属、黄色杆菌属、弧菌属、无色杆菌属和芽孢杆菌属等。无色杆菌属和芽孢杆菌属等。按栖息地分：底栖性细菌、浮游性细菌、附着性细菌。按栖息地分：底栖性细菌、浮游性细菌、附着性细菌。海洋细菌一般耐盐或嗜盐，要求培养的海水含盐量海洋细菌一般耐盐或嗜盐，要求培养的海水含盐量252540g/L40g/L淡水微生物群落淡水微生物群落 泉水：泉水：泉水中含少量细菌，细菌总数在泉水中含少量细菌，细菌总数在10103 310105 5/ml/ml，腐生菌在，腐生菌在101010102 2/ml/ml。营养物质含

15、量低，因此较小型球菌和短杆菌常占优势。营养物质含量低，因此较小型球菌和短杆菌常占优势。河流：河流：随季节和河段变化。在流动水体中，水上层只有单细胞藻类和细菌生随季节和河段变化。在流动水体中，水上层只有单细胞藻类和细菌生长。在水流缓慢的浅水处，常有丝状藻类和丝状细菌和真菌生长。长。在水流缓慢的浅水处，常有丝状藻类和丝状细菌和真菌生长。水体自净和污染水体微生物生态水体自净及其过程水体自净及其过程 水体自净：水体自净：水体接纳一定量的污染物并能通过物理、水体接纳一定量的污染物并能通过物理、化学和生物因素将其净化，使水体恢复到污染前的水平和化学和生物因素将其净化，使水体恢复到污染前的水平和状态。状态。

16、水体自净容量：水体正常生物循环能够净化的污染物的水体自净容量：水体正常生物循环能够净化的污染物的最大数量。最大数量。水体自净的过程：水体自净的过程：有机污染物排入水体，稀释、沉降；有机污染物排入水体，稀释、沉降；好氧菌分解有机质，消耗氧气，降低溶氧，大量动物死好氧菌分解有机质，消耗氧气，降低溶氧，大量动物死亡。厌氧菌繁殖。亡。厌氧菌繁殖。随着有机质的分解和逐渐减少，水体开始复氧。随着有机质的分解和逐渐减少，水体开始复氧。有机质分解殆尽，养分耗尽，溶氧恢复到污染前水平，有机质分解殆尽，养分耗尽，溶氧恢复到污染前水平，细菌死亡，水体恢复原初贫营养状态。细菌死亡，水体恢复原初贫营养状态。衡量水体自净

17、的指标1.1.P/HP/H指数：指数：自养型微生物（自养型微生物（Photosynthetic microbes)Photosynthetic microbes)和异和异养型微生物养型微生物(Heterotrophic Microbes)(Heterotrophic Microbes)的比。的比。指数越大，自净效果越好；反之则污染越严重。指数越大，自净效果越好；反之则污染越严重。氧浓度昼夜变化曲线氧浓度昼夜变化曲线污染水体微生物生态污化系统污化系统 从排污点向下，河流的自净过程中，水质和各种指示从排污点向下，河流的自净过程中，水质和各种指示生物不一分成不同的带。生物不一分成不同的带。1.1.多

18、污带：排污口之后，浑浊，多污带：排污口之后，浑浊，BODBOD高，高，DODO几乎为零。细几乎为零。细菌数目大菌数目大10108 8个个/ml/ml，厌氧和兼性厌氧为主。，厌氧和兼性厌氧为主。2.2.中污带：半厌氧状态。中污带：半厌氧状态。BODBOD下降，细菌数量下降，细菌数量10107 7个左右。个左右。3.3.中污带：中污带：DODO升高，升高，BODBOD低，有机质少，细菌下降到低，有机质少，细菌下降到10104 4个个/ml/ml左右，藻类，水生植物。左右，藻类，水生植物。4.4.寡污带：寡污带：BODBOD极低，细菌极少，极低，细菌极少，DODO正常。大量指示生物出正常。大量指示生

19、物出现：鱼腥藻、硅藻、钟虫、变形虫、轮虫、浮游甲壳动物、现：鱼腥藻、硅藻、钟虫、变形虫、轮虫、浮游甲壳动物、水生植物、鱼类。水生植物、鱼类。水体有机污染的指标：水体有机污染的指标：1.1.BIP BIP指数：指数：无叶绿素的微生物占所有微生物的总数之无叶绿素的微生物占所有微生物的总数之百分比。百分比。不同水质的BIP指数0 8 20 60 100清洁水轻度污染水中等污染水严重污染水2.CFU2.CFU（colony forming unitscolony forming units）：细菌菌落总数。）：细菌菌落总数。1ml1ml水样，水样，3737，24h24h培养培养 生长的菌落总数。生长的

20、菌落总数。生活饮用水：生活饮用水：CFUCFU100100个个3.3.总大肠杆菌群：指示菌：粪大肠杆菌。总大肠杆菌群：指示菌：粪大肠杆菌。ECEC培养基，培养基，44.5,24h44.5,24h水体富营养化水体氮磷营养过剩，促使水体中藻类的过度生长，使淡水水体发生水水体氮磷营养过剩，促使水体中藻类的过度生长，使淡水水体发生水花，在海洋则发生赤潮。花，在海洋则发生赤潮。水体富营养化的指标：因为氮和磷是藻类增长时的限制因素，水体富营养化的指标：因为氮和磷是藻类增长时的限制因素，TPTP20mg/m20mg/m3 3,N=300mg/m,N=300mg/m3 3以上就会出现富营养化。以上就会出现富营

21、养化。自然湖泊分贫营养湖，中营养湖、富营养湖三类。自然湖泊分贫营养湖，中营养湖、富营养湖三类。湖泊寿命湖泊寿命 数千年数万年不等数千年数万年不等Inorganic NTP105301002003004005006501500mg/m3极贫营养状态贫-中营养状态中营养状态中-富营养状态富营养状态湖泊营养状态的分类富营养化相关藻类：富营养化相关藻类：蓝藻（微囊藻属、鱼腥藻属、蓝藻（微囊藻属、鱼腥藻属、腔球藻属）腔球藻属）www.utoledo.edu/as/lec/research/wq/index.html 水体富营养化的评价方法水体富营养化的评价方法1.1.观察蓝藻等指示生物；观察蓝藻等指示生

22、物；2.2.测定生物的现存量；测定生物的现存量；3.3.测定原初生产力；测定原初生产力；4.4.测定透明度；测定透明度；5.5.测定测定N N、P P等导致富营养化的物质。等导致富营养化的物质。水体富营养化评价评价水体富营养化的方法是：评价水体富营养化的方法是：观察蓝藻等指示生物；观察蓝藻等指示生物；测定生物的现存量；测定生物的现存量；测定原初生产力；测定原初生产力；测定透明度；测定透明度；测定氮和磷等导致富营养化的物质。测定氮和磷等导致富营养化的物质。AGPAGP（AlgeaAlgea Growth Potential Growth Potential）藻类的生产潜在能力。把特定的藻类接种在

23、天然水体或藻类的生产潜在能力。把特定的藻类接种在天然水体或废水中，在一定光照度和温度条件下培养，达到增长稳定废水中，在一定光照度和温度条件下培养，达到增长稳定期，通过测干重或细胞数来测其增长量。期，通过测干重或细胞数来测其增长量。藻种：藻种：羊角月牙藻、小毛枝藻、小球藻、衣藻、谷皮菱形藻、羊角月牙藻、小毛枝藻、小球藻、衣藻、谷皮菱形藻、裸藻属微囊藻属、鱼腥藻属裸藻属微囊藻属、鱼腥藻属海洋中引起赤潮的主要藻种多为甲藻纲，常见的有：甲藻海洋中引起赤潮的主要藻种多为甲藻纲，常见的有：甲藻属、膝盖藻属、多甲藻属；属、膝盖藻属、多甲藻属；湖泊水华产生以蓝细菌为主：微囊藻属、鱼腥藻属、束丝湖泊水华产生以蓝

24、细菌为主：微囊藻属、鱼腥藻属、束丝藻属、颤藻等属的一些种，有些能固氮。藻属、颤藻等属的一些种，有些能固氮。方法：方法：选择合适的供试藻类：排放水域占优势的藻类。选择合适的供试藻类：排放水域占优势的藻类。培养液除菌培养液除菌取取500ml500ml培养液接入羊角月牙藻培养液接入羊角月牙藻光照振荡光照振荡培养培养7 720d20d过滤培养液过滤培养液将滤膜将滤膜105105烘干至恒重烘干至恒重称称重重计算计算1L1L培养液中藻类的重量即培养液中藻类的重量即AGPAGP监测：N、P元素的含量，水体中N0.3mg/L、P0.03mg/L时，藻类生长加快。日本学者提出，按下式计算：耗O2量 无机N(g/

25、L)无机P(g/L)1500 若结果 1，富营养化将出现。防止富营养化的对策唯一方法：对水体一级生产者繁殖所需元素进行控制。唯一方法：对水体一级生产者繁殖所需元素进行控制。N N、P P量的控制：排入水脱氮除磷处理；限制含磷洗涤剂的量的控制：排入水脱氮除磷处理；限制含磷洗涤剂的使用；底泥控制。使用；底泥控制。修复营养化水体：修复营养化水体：减少污水排放量；原位水体修复；疏浚底泥；收割水生植减少污水排放量；原位水体修复；疏浚底泥；收割水生植物；增加溶氧到物；增加溶氧到2mg/L2mg/L。污水深度处理：彻底去除有机污染物；污水深度处理：彻底去除有机污染物；化学杀藻：漂白粉、化学杀藻：漂白粉、CuSOCuSO4 4(0.10.5mg/L)(0.10.5mg/L)撒入产生赤潮撒入产生赤潮的河流或海洋；的河流或海洋；生物杀藻剂：寻找藻类的致病微生物；生物杀藻剂：寻找藻类的致病微生物；混层法：人为增加溶氧，强力搅拌，防止藻类过度繁殖。混层法：人为增加溶氧，强力搅拌，防止藻类过度繁殖。