第九章+微生物的生态2011-5-15.ppt

第九章微生物的生态 微生物生态学 microbiologicalecology 是研究微生物在它们自然环境中的行为和活性 第一节微生物在自然界中的分布与菌种资源的开发 每克土壤的含菌量大体上有一个十倍系列的递减规律 细菌 108 放线菌 107 霉菌 106 酵母菌 105 藻类 104 原生动物 103 一 微生物在自然界中的分布 一 土壤中的微生物 图9 1纳米比亚硫珍珠状菌 Thiomargaritanamibieebsis 世界上已知最大的细菌 引自LansingM PrescottetalMicrobiology fifthedition 二 水体中的微生物 1 不同水体中的微生物种类 1 淡水型水体的微生物 清水型水生微生物 有机物含量低 数量少 硫细菌 铁细菌和衣细菌 腐败型水生微生物 有机物含量高 无芽孢G 最多污水净化致病菌 2 海水型水体微生物耐渗透压 深海耐高静水压2 水体的自净作用水体快速流动流水不腐3 饮用水的微生物学标准自来水细菌总数 100个 ml E coli 3个 L 表9 1不同条件下1M3空气的含菌量 引自周德庆微生物教程第一版284页 四 工农业产品上的微生物 五 极端环境下的微生 1 工业产品的霉腐2 食品微生物3 农产品微生物曲霉素 粮食 饲料的霉变黄曲霉毒素 AFT 防癌必先防霉 1 人体的正常菌群人体五大微生态系统 皮肤 口腔 胃肠道 消化道 泌尿生殖道等正常菌群 生活在健康动物各部位 数量大 种类较稳定且一般是有益无害的微生物 p257表8 6 微生态制剂 依据微生态学理论而制成的含有有益菌的活菌制剂 其功能在于维持宿主的微生态平衡 调整宿主的微生态失调并兼有其他保健功能 p257 258 国际上已将其分成3个类型 即益生菌 Probiotics 益生元 Prebiotics 和合生素 Synbiotics 美国FDA 1989 规定允许用作益生素的微生物有43种 我国农业部的可用于饲料微生物添加剂的有12种 六 生物体内外的正常菌群 2 无菌动物与悉生生物3 根际微生物和附生微生物 1 根际微生物 2 附生微生物 生活在植物体表面 主要是叶面微生物 第二节微生物与生物环境间的关系 一 互生 一 微生物间的互生 二 人体肠道中正常菌群与人的互生 三 互生现象与发酵工业中的混菌培养二 共生 一 微生物间的共生 二 微生物与植物间的共生 三 微生物与动物间的共生 互生是指两种可以单独生活的生物 当它们在一起时 通过各自的代谢活动而有利于对方 或偏利于一方的生活方式 这是一种 可分可合 合比分好 的松散的相互关系 土壤中好氧性自生固氮菌与纤维素分解菌 根际微生物与高等植物 人体肠道正常菌群与宿主间 共生是指两种生物共居在一起 相互分工合作 相依为命 甚至达到难分难解 合二为一的极其紧密的一种相互关系 菌藻共生或菌菌共生的地衣 前者是真菌 一般为子囊菌 与绿藻共生 后者是真菌与蓝细菌共生 绿藻或蓝细菌 光合作用 提供有机养料 真菌 机酸 矿质元素 根瘤菌与豆科植物 反刍动物与瘤胃微生物 植物的内生菌根和外生菌根的横切面的图解 侵入线 唾液 纤维质饲料 自然菌源 瘤胃内微生物大量繁殖 CO2 CH4 H2等 大量菌体在皱胃中消化 排泄物 牛奶 牛肉 有机酸 乙醇瘤胃吸收 从口中呕气 奶牛的瘤胃微生物代谢关系示意图 一 微生物间的寄生噬菌体与宿主 蛭弧菌 寄生于肠杆菌科和假单胞菌 胞内劳森氏菌 二 微生物与植物间的寄生植物病原体 三 微生物与动物间的寄生冬虫夏草 昆虫病毒 动物病毒 A B 图9 5微生物之间的拮抗现象 图A是一种芽孢杆菌产生的细菌素对茄子黄萎病菌的拮抗作用 图B是五株放线菌的菌丝琼脂块对黄瓜枯萎病菌的拮抗作用 由某种微生物所产生的某种代谢产物可抑制他种微生物的生长发育甚至杀死他们的一种相互关系 图9 6食线虫真菌扑食线虫的实物照片 引自张克勤等编著的食线虫菌物生物学2001 一般指一种较大型的生物直接捕捉 吞食另一种小型生物以满足其营养需要的相互关系 一 碳素循环 分解木质素担子菌分解纤维素真菌 甲烷产生作用 地球化学作用 土壤 水体等 硫元素在自然界的循环 红箭头表示植物与微生物共同进行的反应 通气不良 土壤H2S含量提高 水稻秧苗烂根 生物有机磷 一 水体的污染 富营养化二 用微生物治理污染 一 污水的微生物处理 二 固体有机垃圾的微生物处理三 沼气发酵与环境保护四 用微生物监测环境污染 一 水体的污染 富营养化 滇池厚达5cm的微囊藻水华 水体富营养化 是指由于大量的氮磷等植物性营养元素排入到流速缓慢 更新周期长的地表水体 使藻类等水生生物大量地生长繁殖 使有机物产生的速度远远超过消耗速度 水体中有机物积蓄 破坏水生生态平衡的过程 赤潮 被喻为 红色幽灵 国际上也称其为 有害藻华 赤潮又称红潮 是海洋生态系统中的一种异常现象 它是由海藻家族中的赤潮藻在特定环境条件下爆发性地增殖造成的 海藻是一个庞大的家族 除了一些大型海藻外 很多都是非常微小的植物 有的是单细胞植物 因赤潮生物种类和数量的不同 海水可呈现红 黄 绿等不同颜色 赤潮 污染物的微生物处理 污水 当进入水体的外来的污染物的数量 超过了水体的自静能力 并达到破坏水体原有用途的程度 水体的自净作用 水体中的污染物质浓度 可通过河水向下游流动而自然减低 称为水体的自静作用 稀释 沉淀和微生物分解 污水处理的方法 物理 化学和生物 主要是微生物 污水的微生物处理 微生物处理污水的原理 利用微生物的催化作用和代谢活性 好氧或厌氧分解和转化污水中的污染物质 生化需氧量 在特定时间和温度下 通常为5天 20 微生物氧化有机物所消耗的氧量称为生化需氧量 常以BOD5表示 BOD5是以氧来表示有机污染物浓度的一种指标 如污水的BOD5值高 表示微生物分解有机污染物时消耗的氧多 进而反映出污水中的有机污染物多 BOD5只是一个间接指标 COD 使用强氧化剂使1升污水中的有机物质迅速进行化学氧化时所消耗的毫克数 DO TODTOCSS 一 污水处理中的特种微生物 p272 分解氰的微生物 诺卡氏菌属 Nocardia 腐皮镰孢霉 Fusariumsolani 假单孢菌属 Pseudomonas 等TNT可被肠杆菌属 Enterobacter 降解 分解多氯联苯微生物可被红酵母属 Rhodotorula 假单孢菌属 Pseudomonas 分解 一些高分子化合物可被臭假单孢菌属 Pseudomonasputida 等降解 活性污泥 是一种由细菌 原生动物和其他微生物群体与污水中的悬浮有机物 胶状物和吸附物质在一起构成的凝絮团 在污水处理中具有很强的吸附 分解和利用有机物或毒物的能力 细菌有生枝动胶菌 浮游球衣细菌 亚硝化单胞菌 蛭弧菌属 如果丝状细菌 浮游球衣细菌 大量繁殖 会使污泥膨胀 原生动物有盖纤虫属 钟虫属 3 污水处理的主要装置 氧化塘法节能型洒水滤床法污水处理装置活性污泥法耗能型生物膜法产能型 厌氧消化法 沼气发酵法 污水生物处理类型 生物膜法 活性污泥法 氧化塘法 厌氧处理法 土壤灌溉法 污水净化中三级处理的主要步骤 一级处理去除污水中呈悬浮状态的固体物质 常用方法 物理法BOD去除率 30 左右 二级处理去除污水中大量呈胶体和溶解状态的有机物 常用方法 生物法BOD去除率 80 90 三级处理进一步去除污水中难降解的有机物质 磷 氮等能够导致水体富营养化的可溶性无机物质 以及某种特殊的污染物质 如除铁 除锰 除氟等 常用方法 生物脱氮除磷法 混凝沉淀法 砂滤法 活性炭吸附法 离子交换法 电渗析法等 入水口 氧化池 活性污泥池 一级净化池 最终净化池 三级净化池 二级净化池 出水口 污水净化三级处理的模式图 二 生物处理的优点和基本类型 1 生物处理的优点 效率高普通活性污泥水处理厂 每天1m3曝气池能转换1 2kg干有机物 100倍于森林 效果好BOD去除率达90 95 COD去除率为60 70 生物处理的优点 适用范围广 与微生物特点相关 成本低 运行费用少 可处理的水量大 方法成熟生物处理是废水二级处理的首选方法 生物处理的优点 2 生物处理的基本类型 生物处理的方法很多 三 生物处理的作用机理 1 吸附作用 absorption 吸附作用在污水处理厂密集的微生物生态系统中可能起着主要作用 通过微生物的吸附特性得以去除废水中的一些不可降解的污染物 如合成有机物 金属盐类以及一些放射性物质 2 生物氧化和细胞合成作用生物氧化和细胞合成作用是通过微生物酶的作用进行的 CHON十O2 C5H7O2N 有机物 新细胞 C5H7O2N十5O2 5CO2十NH3十2H2O十能量 细胞 维持能 活性污泥法的特点 一 活性污泥的概念 以好氧性细菌为主体的微生物和水中的悬浮物质 胶体物质混杂在一起形成的肉眼可见的絮状颗粒 活性污泥法 颗粒大小约0 05 0 5mm 表面积为20 100cm2 mL 比重约1 002 1 006 静置时能立即凝聚成较大的绒粒而沉降 絮状体一般呈黄褐色 因水质不同也有呈深灰 灰褐 灰白等色 通过以活性污泥或生物膜形式存在的微生物旺盛的代谢活动 氧化分解有机污染物 使污水净化 二 活性污泥法的作用特点 微生物的代谢 无论合成或分解 都是一系列极为复杂的生物化学变化 有分解 合成 氧化 还原 转移 异构等各种反应 绝大多数是在特定的酶促作用中进行的 初级曝气池 SECONDARYCLARIFIER 阿科蔓污水处理系统 新罗东肖 好氧生物膜法 利用固着在惰性材料表面的膜状生物群落处理污水的方法称为生物膜法 biofilmprocess 是一种重要的生物处理方法 亦称固着膜法 fixed filmprocess 主要结构是生物滤池 biologicalfilter 英国称为溶滤池 percolatingfilter 美国称为滴滤池 tricklingfilter 生物膜的净化原理 污水从上部均匀喷洒到生物滤池表面 薄膜状吸附于滤料周围形成附着水 adhesivewater 沿薄膜流过滤料即流动水 flowingwater 滤料表面微生物迅速繁殖 形成一层充满微生物的生物膜 革兰氏阴性菌丝状细菌 并有糖萼的形成 有助于生物膜微生物黏结在滤料表面 具体来说 生物膜由细菌 真菌 藻类 原生动物和其它动物构成的食物链 对有效地去除水中有机物起着十分重要的作用 同活性污泥相比 生物膜的食物链长而复杂 还有环节动物 昆虫幼虫等 塔式生物滤池 塔式生物滤池 生物滤池 生物滤池 特殊的活性污泥法 氧化塘是人工的 接近自然水生生态系统 在氧化塘 或氧化沟 内 各种生物共存于同一环境中 保持互生关系 其食物链与自然水体基本相同 氧化塘 或氧化沟 1 氧化塘和活性污泥法的不同点 停留时间很长 负荷较低 微生物量较低 不需要曝气 下层有厌氧分解 生物以藻菌共生为主 并起主要的净化作用 氧化塘净化污水的原理 1 表层好氧菌或兼性厌氧菌氧化分解有机物 释放出氮 磷和CO2 表层的藻类利用氮 磷和CO2 光合作用 释放出氧气 溶解氧又为好氧菌所利用 这样构成藻菌 共生 体系 2 塘下层和污泥层进行厌氧过程 形成CH4 CO2 NH3 和H2S 还有多种可溶性降解产物 厌氧处理法是在缺氧条件下利用厌氧微生物 包括兼性厌氧微生物 分解污水中有机物的方法 也称厌氧消化法 其代谢产物沼气主要成分是甲烷 故又称作沼气发酵法或甲烷发酵法 厌氧处理法 三 沼气发酵与环境保护 一 沼气发酵的意义 沼气 marshgas swampgas 又称生物气 biogas 是一种混合可燃气体 主要成分为甲烷 另有少量的H2 N2和CO2 二 沼气发酵的三个阶段 第一阶段 水解阶段 厌氧 兼厌氧细菌或发酵性细菌将碳水化合物 含氮化合物降解为丙酮酸 乙酸丁酸氢气 二氧化碳 第二阶段 产酸阶段 产氢和产乙酸细菌将各种有机酸分解成乙酸 氢气 二氧化碳 第三阶段 产气阶段 由严格厌氧的产甲烷菌群利用氧化碳 甲醇甲酸乙酸 氢气等合成甲烷 产甲烷细菌是一类既不含过氧化氢酶也不含超氧化物歧化酶SOD的严格的厌养菌 沼气发酵过程 目前公认的沼气发酵过程 人工沼气发酵研究已有100多年的历史 从19世纪末到20世纪初 许多国家的微生物学者对纤维素的发酵进行研究 前苏联微生物学者奥梅梁斯基发现奥氏甲烷杆菌 提出沼气发酵理论 并为开辟沼气应用的途径奠定了基础 产甲烷菌有很强的抗菌作用 能使痢疾杆菌 伤寒杆菌 霍乱弧菌等致病菌无法生存 沼气发酵微生物 细菌 一 沼气微生物的种类在沼气发酵过程中 主要有 发酵性细菌 产氢产乙酸菌 耗氧产乙酸菌 食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌 等五大菌群参与活动 五大菌群 发酵性细菌 一些不溶性物质被发酵性细菌所分泌的胞外酶水解为可溶性的糖 肽 氨基酸和脂酸 再将吸入细胞 发酵为乙酸 丙酸 丁酸等和醇类及一定量的H2及CO2以纤维素为例 反应过程如下 C6H10O5 nH2O n C6H12O6 2C6H12O6 CH3COOH CH3CH2COOH CH3CH2CH2COOH 3CO2 3H2 产氢产乙酸菌 除甲酸 乙酸和甲醇外的物质均不能被产甲烷菌所利用 所以必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸 氢和二氧化碳反应过程如下 CH3CH2COOH 2H2O CH3COOH CO2 3H2CH3CH2CH2COOH 2H2O 2CH3COOH 2H2 五大菌群 耗氢产乙酸菌 它们既能利用H2 CO2生成乙酸 也能代谢糖类生成乙酸 2CO2 4H2 CH3COOH 2H2OC6H12O6 3CH3COOH 产甲烷菌 食氢 食乙酸 它们在厌氧条件下将前三群细菌代谢的终产物 在没有外源受氢体的情况下 把乙酸和H2 CO2转化成CH4 CO2 产甲烷菌广泛存在于水底沉积物和动物消化道等极端厌氧的环境中 生成CH4的主要反应如下 CH3COOH CH4 CO24H2 CO2 CH4 2H2O4HCOOH CH4 3CO2 2H2O4CH3OH 3CH4 CO2 2H2O 五大菌群 各种发酵性细菌 玉米秸发酵时的发酵性细菌 五大菌群 食氢产甲烷菌 甲烷八叠球菌 甲烷丝菌 甲烷细菌一般性质 杆状 球状 螺旋状 形态 甲烷八叠球菌属 碳源 有机酸 醇类氮源 NH4 营养 通气 严格厌气温度 多为中温性酸碱