第七章生态系统 ppt课件

第七章 微 生 物 生 态 一、生态系统和生物圈 （一）生态系统 l生态系统是在 定时间 (或长或短 )和 空间范围内由生物与它们的生境通过 能量流动和物质循环所组成的一个自 然体。简称生态系，可用公式表示。 l生态系统生物群落十环境条件 。 第一节 生 态 系 统 个体、种群和生物群落 l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。是组成种群的组成 单位。 l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。 l生物群落 :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。 生态系统的四个基本组成 l环境、生产者、消费者及分解或转化者。 1.环境 ：指生态系统中的各种无生命的无机 物、有机物和各种自然因素（如土壤、空气 、水等）。 2.生产者 ：主要是绿色植物，凡能进行光合 作用制造有机物的植物种类，包括单细胞藻 类，均属于生产者。还有一些能利用化学能 把无机物转化为有机物的化能自养型微生物 也属于生产者。 3.消费者 ：消费者：主要是动物，又分为一 级消费者（如草食性动物）；二级消费者（如 肉食动物）等等。 4.分解者 ：指各种具有分解能力的微生物，也 包括一些微型动物，如鞭毛虫，土壤线虫等 。 （二）生物圈 l生存在地球 陆地 以上和海面以下各约 10千米 之间的范围，包括岩石圈、土壤圈、水圈和 大气圈内所有各种生物群落及人与它们生存 环境的总体叫 生物圈 。 一、生态系统和生物圈 二、生态平衡 l 当能量和物质的输入 大于 输出，生物量增加，反 之，生物量减少。 l 如有外来干扰，生态系统能通过自行调节的能力 恢复到原来的稳定状态，这就是生态系统平衡， 即 生态平衡 。 l 生态阈限 ：生态系统对来 自自然界或人类施加干扰 的最大限度的调节能力称 生态阈限。 三、生态系统的分类 l根据 生存环境 ：水体生态系统和陆地生态系 统等。 l根据 动态和静态 ：河流生态系统和湖泊生态 系统等。 l根据 生物群落： 动物生态系统、植物生态系 统及微生物生态系统等。 第二节 土壤微生物生态 l土壤是微生物最良好的天然培养基， 它具有微生物所必需的营养和微生物 生长繁殖及生命活动所需的各种条件 。 一、土壤的生态条件 l 土壤的生态条件如下： 1.营养 土壤中有大量动、植物残体， 植物根系的分泌物，还有人和动物的 排泄物；有丰富的无机元素和微量元 素，能满足微生物生长发育的需要。 2.pH 土壤 pH范围在 3.58.5 之间，多数 在 5.5 8.5之间，适合大多数微生物生长 需要。 3.渗透压 革兰氏阴性杆菌体内的渗透压为 0.5 0.6MPa， 革兰氏阳性球菌体内渗透压 为 2.0 2.5MPa。 土壤的渗透压通常在 0.3 0.6MPa之间，有利于微生物摄取营养。 4.氧气和水 土壤具有 团粒结构 ，为 土壤创造通气条件，氧 的含量为土壤空气体积 的 7 -8。 土壤的 团粒结构 中的小 空隙还起毛细管的作用 ，具有持水性，为微生 物提供了水分。 5.温度 土壤的保温性也较强，一年四季温 度变化不大，即使冬季地面冻结，一定 深度土壤中仍保持着一定的温度，可供 微生物生长需要。 6.保护层 几毫米厚的表层土是保护层，使 土壤中的微生物免遭太阳光中紫外辐射 的直接照射致死。 二、微生物在土壤中的种类、数量和分布 (一 )土壤中微生物的种类和数量 l土壤中有机物含量的多寡是衡量土壤肥 力的指标之一。通常把土壤分为肥土和贫瘠土。 l土壤微生物以 细菌 量最大，约占 70 -90，其次 为放线菌、真菌、藻类、原生动物等。 (二 )微生物在土壤中的分布 1.土壤中微生物的水平分布取决于碳源 l油田地区存在以碳氢化合物为碳源的微生物 。 l森林土壤中存在分解纤维素的微生物。 l含动、植物残体多的土壤中含氨化细菌、硝 化细菌较多。 二、微生物在土壤中的种类、数量和分布 2.影响土壤中微生物的垂直分布的因素： l 辐射： 造成表面土微生物容易死亡而数量少。 l 水： 缺少水造成表面土微生物容易死亡而数 量少 。 l 营养：随土层深度增加营养减少，在离表面 2m深处 微生物每克土只有几个， l 氧气：同营养。 在 5-20 cm处微生物数量最多 。 二、微生物在土壤中的种类、数量和分布 (二 )微生物在土壤中的分布 三、土壤自净和污染土壤微生物生态 (一 )土壤自净 l 土壤自净能力的大小的决定因素： 1.土壤中微生物的种类、数量和活性。 种类数量多，降解活性强，则自净能 力强。 2.土壤结构、通气状况等理化性质。 团粒结构好，能够提供吸附力及充足 氧气，则自净能力强。 (二 )污染土壤的微生物生态 l污 (废 )水长期灌溉会引诱导产生分解各 种污染物的微生物新品种。 诱导产生的能分解聚氯 联苯的诺卡氏菌 三、土壤自净和污染土壤微生物生态 土壤微生物对重金属元素的净化机制： 1.微生物体内积累 （ 毒性增加 ） 铜绿色假单胞菌可将无机汞转化为毒性更强的有机 汞积累在微生物体内。 大肠埃希氏菌 (E coli) 可使二价汞还原为元素汞 。 2.微生物体内代谢 （ 毒性减弱 ） 节杆菌等可氧化亚砷酸盐为砷酸盐，降低毒性，或 使砷甲基化。 土壤中的细菌、放线菌和真菌还能还原硒氧化物为 元素硒，使毒性降低。 四、土壤污染和土壤生物修复 (一 )土壤的污染及其不良后果 四、土壤污染和土壤生物修复 (一 )土壤的污染及其不良后果 1.有机、无机毒物过多滞留、积累在土壤中，改 变了土壤理化性质，破坏土壤生态平衡。 2.土壤中的毒物随食物链迁移，或造成水体污染 ，毒害人类。 3.污水和废物中含有的各种病原微生物通过各种 途径转移到水体，进而进入人体中，引起人的 疾病。 (二 )土壤修复 l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 用构建的特异降解功能菌投加到各污 染土壤中，将滞留的污染物快速降解 和转化，使土壤恢复其天然功能。 四、土壤污染和土壤生物修复 土壤生物修复技术的关键因素 1.微生物种 ： l“土著 ”微生物 具有经济性，但效果较差。 l选育 优势菌种 ，扩大培养接种到污染土壤中 。这方法较易实施，收效快而效果好。 l用质粒育种或基因工程构建 工程菌 并接种到 污染土壤中。这种方法有不相容性。 2.微生物营养： l与废水处理一样，土壤微生物也需一定 的营养元素比例，即 C： N： P比。 因污染 物过量积累，可能品种单一，营养元素 比例失衡严重 ，要通过可行性试验确定 适宜的营养元素比例。 土壤生物修复技术的关键因素 3.溶解氧： l土壤的结构、土质不同，污染物数量 不等，其中的溶解氧量也随之不同。 为保证有效分解污染物，用鼓风机向 地下鼓风，使微生物对污染物的好氧 分解有足够的氧分。 土壤生物修复技术的关键因素 4.微生物的环境因子 ： l适量的水、 pH和温度对于土壤的生物 修复也有很大的影响。这些都是决定微 生物生长繁殖状况的关键因素。 土壤生物修复技术的关键因素 土壤生物修复技术的关键因素 5.污染物的类型 ： l 相对于芳香烃，氯代芳香烃化合物降解更 为困难，主要由于： 需要较高能量打开 C-Cl键。 该类化合物的降解需要两个紧邻的未被 Cl 取代的碳原子以便能够加入羟基，进一步 加氧完成开环。 土壤生物修复技术的关键因素 5.污染物的类型 ： 土壤生物修复工程 l一般适用于小面积土壤修复。土壤生物修复工 程有如下几种形式： 1.原位处理： 2.生物通风： 是改进和强化原位处理的一种方法，此方法 用于处理因储油罐泄漏而污染的土壤，与原 位处理不同是气体流动，气体发生变化。 土壤生物修复工程 3.挖掘堆置处理和反应器处理 : 挖掘堆置处理类似于固体废弃物的堆肥，反 应器处理与污水生物处理类似。这两个处理 工艺效果较好，但费用高。 土壤生物修复工程 土壤生物修复工程 4.植物修复技术 l植物提取：利用植物吸收积累污染物。 l植物降解：利用根系吸收、根际微生物转化。 l植物稳定：利用根系与土壤将污染物固定。 第三节 空气微生物生态 一、空气的生态条件 l 空气中有较强的紫外辐射，具有较干燥 ，温度变化大，缺乏营养等特点。 l 空气不是微生物生长繁殖的场所，空气 中微生物数量较多，但只是暂时停留。 二、空气微生物的种类、数量和分布 l种类：以细菌和霉菌为主。 l数量：与环境卫生状况和绿化状况有关 。 l分布：非常广泛，随空气流动，不同场 所分布有差异。 三、空气微生物的卫生标准及生物洁 净技术 l目前，空气还没有统一的卫生标准， 一般以室内 1m3空气中细菌总数为 500 1000 个以上 作为空气污染的指标。 l空气污染的指示菌以咽喉正常菌丛中 的 绿色链球菌 为最合适。 美国宇航局标准 NHB5340.2中的洁净等级 生物 洁净 室 标 准 尘 埃 生物粒子 粒径 (m) 个 /L 浮游量 (个 /L) 浮沉量 (个 / 周 ) 100 0.5 3.5 0.0035 12900 10000 0.55.0 3502.3 0.0176 64600 100000 0.55.0 350023 0.0884 323000 GBJ73-84规定的洁净度等级 等 级 每立方米（升） 空气中 0.5m 尘 粒数 每立方米（升）空气 中 5m尘 粒数 100 3.5103 1000 3.5104 2.5102 10000 3.5105 2.5103 100000 3.5106 2.5104 四、空气微生物检测 l评价空气的清洁程度，需要测定空气 中的微生物数量和空气污染微生物。 测定的细菌指标有 细菌总数和绿色链 球菌， 在必要时则测病源微生物。 (一 )空气微生物的测定方法 1固体法 l平皿落菌法 (沉降 平板法 ) l撞击法 (有缝隙采样器、筛板采样器、针孔 采样器 ) l过滤法 1 固体法 (1)平皿落菌法 l 将营养琼脂平板放在待测点。 l 打开皿盖暴露于空气 5-10 min。 l 置于培养箱中培养 48 h后取出计菌落数 。 (一 )空气微生物的测定方法 奥氏公式如下： C=1 000(A 100tl0 5) N 式中： C 空气细菌数 /m3； A 捕集面积， cm2； t 暴露时间， min； N 菌落数，个。 简化后的奥氏公式： C 1 00050N At 1.固体法 （ 2） 撞击法： l以缝隙采样器为例，含 菌空气以一定流速穿过 狭缝而被抽吸到营养琼 脂培养基平板上。 l根据取样时间和空气流 量算出单位空气中的含 菌量。 (一 )空气微生物的测定方法 2液体法 l该法将一定体积的含 菌空气通入无菌蒸馏 水或无菌液体培养基 中然后取少量菌液涂 布于平板上。 l培养后按稀释比例计 算空气中菌含量。 (一 )空气微生物的测定方法 (二 )空气微生物的检测点数 l空气微生物的测点数越多越准确，为 照顾到工作方便，又相对准确，以 20 30个测点数为宜，最少测点数为 5 6。 (三 )空气微生物的培养温度和时间 l长期以来，培养空气细菌的温度和时 间是 37 ， 48 h， 根据实验认为培养一 般细菌和细菌总数以 31-32 ， 24h或 48 h； 培养真菌以 25 ， 96h为好。 (四 )浮游菌最小采样量和最小沉降面积 l在测浮游菌时，为了避免出现 “0”粒的 概率，确保测定结果的可靠性，要考虑 最小采样量。同样，在测降落菌时，要 考虑最小沉降面积。 第四节 水体微生物生态 水体中微生物的来源有四方面 ： 1.水体中固有的微生物 2.来自土壤的微生物 由于雨水冲刷地面，将土壤中的微生 物带到水体中。 3.来自生产和生活的微生物 各种工业废水、生活污水和牲畜的排 泄物夹带各种微生物进入水体。 4.来自空气微生物 一、水体中的微生物群落 1.海洋微生物的群落分布： l海面 0-10米：藻类、好氧菌。 l海面 5-50米：兼性厌氧菌。 l海底：兼性厌氧菌、厌氧菌。 l其中，海面 0-100米以细菌为主； 100米以 下以古菌为主。 (一 )海洋中微生物群落 2.海洋微生物群落特征： 按栖息地可分为： l 底栖性细菌 l 浮游性细菌 有鞭毛，自由生活，有荧光假单脑菌、变形杆菌、纤 维弧菌、螺旋菌及人和动物的肠道细菌。 l 附着性细菌 附着在动、植物体上，是异养菌。 一、水体中的微生物群落 (一 )海洋中微生物群落 (二 )淡水微生物群落 l种类与土壤相似。 l分布规律和海洋的相似。 一、水体中的微生物群落 二、水体自净和污染水体的微生物生态 (一 )水体自净 1水体自净过程水体自净过程 l 物理作用物理作用 ： 稀释、沉淀 （强） l 化学作用化学作用 ： 日光 、 氧气 等对污染物的分解 （弱） l 生物作用生物作用 ：生物降解 （ 食物链 ） （ 强 ） 提问： 水体自净速度有哪些限制因素？ l 物理？ l 净水流量、流速、污染物物理性质 l 化学？ l 地域、季节、天气 l 生物？ l 生物种类、数量（营养物浓度、环境因子）、 代谢的极限速度 因此水体的自净速度是有限的。在正 常情况下， 水体单位时间内通过正常 生物循环中能够同化有机污染物的最 大数量称为 同化容量或自净容量。同化容量或自净容量。 在自净容量范围内水体的净化是如何 进行的呢？ 水体自净过程 ： 污 水 (一 )水体自净 2衡量水体自净的指标 二、水体自净和污染水体的微生物生态 l 水体外观、化学 指标、生物种类 、数量及比例关 系、溶解氧等等 山东小清河 二、水体自净和污染水体的微生物生态 A、 P H指数与指数与 BIP指数指数 l P/H =（ 有叶绿素的微生物数量） /（异养微生物数量） l BIP =（ 无叶绿素的微生物数量） /（全部微生物数量） H/（ P+H） 100% 污染前 污染污染 净化开始 持续 结束 P/H： 高 下降 最低点 上升 高 BIP： 08 上升 60100 下降 08 l 通常使用的是 BIP指数 。 (一 )水体自净 2衡量水体自净的指标 (一 )水体自净 2衡量水体自净的指标 B、 氧垂曲线： A 为有机物分解的耗氧曲线 ， B 为水体复氧曲线， C 为 氧垂曲线，最低点 Cp 为最大 缺氧点。 二、水体自净和污染水体的微生物生态 C 氧浓度昼夜变化幅度 提问：提问： 为什么不同的净化程度昼夜变化幅度不同？为什么不同的净化程度昼夜变化幅度不同？ 氧浓度高低与细菌含量有关，昼夜变幅与藻类数量有关 ，因此 与 P/H或 BIP有关 。 二、水体自净和污染水体的微生物生态 (一 )水体自净 2衡量水体自净的 指标 D 水体外观 污染前 污染污染 净化开始 持续 结束 无色 暗灰色暗灰色 灰色 继续变清 无色 二、水体自净和污染水体的微生物生态 (一 )水体自净 2衡量水体自净的指标 (二 )污染水体的微生物生态 1.污化系统 (1)多污带： 注：颤蚯蚓属后生动 物，与陆地上的蚯蚓 从体态和习性上都十 分相似，他们也是环 节动物，栖息于水底 污泥中，与蚯蚓类似 吞食污泥故俗称水蚯 蚓，与蚯蚓不同的是 ，他们体表多毛。 (2) 中污带： l有关生物的形态见下图天蓝喇叭虫、椎尾水轮虫、 栉虾。 天蓝喇叭虫 椎尾水轮虫 栉虾 (3) 中污带： -中污带的藻类见下图 。 变异直链硅藻 短棘盘星藻水花束丝藻 梭裸藻 (4)寡污带： l 寡污带的指示生物见附图轮虫、水蚤、鱼腥藻、玫瑰 旋轮虫。 蚤状水蚤 大型水蚤 鱼腥藻 玫 瑰 旋 轮 虫 前节晶囊轮虫 (1)细菌菌落总数 (CFU)： l细菌菌落总数是指 lml水样在营养琼脂培养 基中，于 37 培养 24h后所生长出来的细菌 菌落总数。 l细菌菌落总数除说明水被生活废弃物污染程 度外，还指示该饮用水能否饮用。结合大肠 菌群数以判断水的污染源和安全程度更全面 。 2水体有机污染指标 (2)总大肠菌群： l总大肠菌群又称大肠菌群和大肠杆菌群。 它 们是一群兼性厌氧的、无芽孢的革兰氏阴性 杆菌，在 37 能不同程度地发酵乳糖产酸、 产气。是指示水体被粪便污染的一个指标。 2水体有机污染指标 (3)其他有机物污染指标 l TOC(总有机碳 ) 有机物在有氧情况下加热 ,测得生成的二氧