第八讲-微生物生态.ppt

教学内容：第一节微生物在生态系统中的地位第二节土壤微生物生态第三节空气微生物生态（自学）第四节水体微生物生态第五节微生物在自然界物质循环中的作用（自学）,第八讲微生物的生态(2学时),基本要求:,了解土壤的生态条件及微生物在土壤中的分布及数量，掌握土壤自净原理和污染土壤微生物生态；了解土壤污染原因和土壤生物修复方法。了解空气微生物的分布、种类和数量、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术、空气微生物检测。掌握水体微生物的来源，了解海洋及淡水中微生物群落分布及生态特征，掌握水体自净过程及变化规律，了解衡量水体自净的指标及污化系统特征，理解水体富营养化的成因。掌握自然界中的物质循环、难降解有机污染物的分解。,第一节微生物在生态系统中的地位一、有关基本概念：生态系统：在一定的空间内生物的成分和非生物的成分通过物质循环和能量流动互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位。生态学：研究生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系。微生物生态学：研究微生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系。,二、微生物在生态系统中的作用1、有机物的主要分解者2、物质循环中的重要成员3、生态系统中的初级生产者4、物质和能量的储存者5、地球生物演化中的先锋种类,三、微生物生态系统的特点,1、微环境微生物的微环境指直接影响微生物生存和发展的，与微生物的关系最为密切的微生物细胞周围环境。,2、稳定性由于微生物生态系统中微生物种类的多样性,使之在环境条件一定范围的变化时,微生物种类组成比较稳定的特性。,3、适应性微生物的微环境发生剧烈变化时，微生物群落的结构会发生相应的变化的特性。,第二节土壤微生物生态,1.土壤生态条件2.土壤中微生物的种类、数量和分布3.土壤自净和污染土壤微生物生态4.土壤污染和土壤生物修复,土壤是陆生环境微生物的主要载体。是微生物的大本营、也是人类最丰富的“菌种资源库”。土壤对微生物的作用：土壤是微生物良好的生活场所。土壤为微生物生长提供有利条件：土壤中含有大量的有机物土壤中含有大量的矿物质土壤中含有一定的水分土壤中含有一定的空隙土壤具有保温性土壤的pH值一般为5.58.5之间,1.土壤生态条件(p176)包括营养、pH、渗透压、氧气、水、温度、保护层等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，且含量相当高.pH土壤pH范围在3.5-8.5之间，多数在5.5-8.5之间，适合大多数微生物生长需要.渗透压土壤的渗透压通常在0.3-0.6Mpa之间，对微生物来说是等渗或低渗环境.(革兰氏阴性杆菌体内的渗透压为.05-0.6Mpa，革兰氏阳性球菌体内渗透压为2.0-2.5Mpa。).,4)氧气和水土壤具有团粒结构，有无数小孔隙为土壤创造通气条件，通气良好的土壤，氧的含量高些，有利于好氧微生物生长。土壤的团粒结构中的小孔隙还起毛细管的作用，具有持水性，为微生物提供了水分。5)温度土壤的保湿性也较强，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中紫外辐射直接照射致死。(因此说:土壤是微生物的天然培养基),2.土壤中微生物的种类、数量和分布(p177),数量：土壤微生物种类齐全、数量多、代谢潜力巨大，是主要的微生物源。,表层耕作土中含量最高，耕作层厚度2030cm，地表土受阳光直接照射，其中微生物含量较低。采取土样时一般要刮开表土23cm后采样。,土壤中微生物的数量按种类递减：细菌放线菌霉菌酵母菌藻类原生动物108107106105104103个/g耕作土壤中，细菌湿重约90225kg；以土壤有机质含量为2%计算，则所含细菌干重约为土壤有机质的1%左右。土壤微生物的代谢活动，可改变土壤的理化性质，进行物质转化，因此，土壤微生物是构成土壤肥力的重要因素。,分布：主要受到营养物、含水量、氧、温度、pH等因子的影响，集中分布于土壤表层和土壤颗粒表面。其水平分布取决于碳源，垂直分布与紫外辐射的照射、营养、水、温度等因素有关。种类：以对氧的需求分，中温好氧和兼性厌氧菌为多；以生化功能分，有氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌、固氮细菌（根瘤菌和圆褐自生固氮菌）、纤维素分解菌、硫细菌、磷细菌、钾细菌和铁细菌等。以芽孢杆菌最多，其次为腐生性球状菌以及霉菌的一些种属。土壤藻类有硅藻、绿藻和固氮蓝藻，酵母菌多在果园等土壤中。节细菌属和诺卡氏菌属不受土壤中动、植物残体数量的影响，相对稳定地存在于土壤中而被称为（土著）菌群。,我国各主要土壤的含菌量(万/克干土),3.土壤自净和污染土壤微生物生态,3.1土壤自净(p178)土壤对施入其中一定负荷的有机物或有机污染物具有吸附和生物降解能力，通过各种物理、生化过程自动分解污染物使土壤恢复到原有水平的净化过程，称土壤自净。自净能力的大小取决于土壤中微生物的种类、数量和活性；取决于土壤结构、通气情况等理化性质。,3.2污染土壤的微生物生态,一方面，污（废）水长期灌溉会引起土壤“土著”微生物区系和数量的改变，并诱导产生分解各种污染物的微生物新品种。另一方面，汞、砷、铜、硒等毒物均能被微生物吸收和转化（降低或增强它们的毒性、积累、传递）.如果污（废）水灌溉量适中，不超过土壤自净能力是不会造成土壤污染的。但不可用有毒废水进行农田灌溉和土地处理。同时，为了避免毒物进入食物链，工业废水以灌溉非食用的经济作物为好。,4.土壤污染和土壤生物修复(p179),4.1土壤污染来源：主要来自含有机毒物和重金属的污水和废水的农田灌溉；来自含有机毒物和重金属的污、废水的土地处理；来自固体废物的堆放和填埋等的渗漏液；来自地下储油罐泄漏以及喷洒农药。污染物质：主要有农药，石油烃类（苯、二甲苯、甲苯、酚类）、NH3、重金属等。污染物被土壤吸附、截留后，易降解物被土壤中各种微生物吸收和氧化分解；难降解物和毒物包括重金属及某些有毒中间代谢产物滞留在土壤中或渗漏至地下水中。,土壤污染的不良后果：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，使土壤盐碱化，板结。毒害植物和土壤微生物，破坏土壤生态平衡；土壤中的毒物被植物吸收、富集、浓缩，随食物链迁移，会转移到人体；或被雨水冲刷流人河流、湖泊或渗人地下水，进而造成水体污染。污染物随水源进入人体，毒害人类.污水和废物中含有的各种病原微生物，例如病毒、立克次氏体、病原细菌及寄生虫卵等虽然有些在土壤中不适应而死亡，但有些可在土壤的长时间存活，并可通过各种途径转移到水体，进而进入人体中，引起人的疾病。,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.工作步骤:1)调查污染地的本底资料;2)制定治理方案，进行适当的可行性试验；3)技术实施。,4.2.3土壤生物修复(p180),土壤生物修复技术的关键因素：微生物种：“土著”微生物、从污染土壤选育的优势菌种若干种、用质粒育种或基因工程构建的工程菌。微生物营养：可参照一般土壤微生物的碳氮比25:1，污水好氧生物处理的BOD5:N:P=100:5:1等作基本参数，在试验过程中加以调整。溶解氧：通气良好的土壤溶解氧在5mg/L左右。含有较多的苯和低碳烷基苯污染物时，溶解氧要20200mg/L才能满足微生物需要，彻底氧化苯等污染物，要通过鼓风、通纯氧等达到要求。环境因子：适量的水、pH和温度。,（1）原位处理（2）生物通风（3）挖掘堆置处理和反应器处理,4.2.4土壤生物修复工程（P181，自学）,第三节空气微生物生态,1.空气的生态条件2.空气微生物的种类、数量和分布3.空气微生物的卫生标准及生物洁净技术,1.空气的生态条件,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。所以，空气不是微生物生长繁殖的场所。,微生物在空气中停留时间的长短由风力、气流和雨、雪等气象条件所决定，但它最终要沉降到土壤、水中、建筑物和植物上。,2.空气微生物的种类、数量和分布,来源:尘土飞扬可将土壤微生物带至空中、小水滴飞溅将水中微生物带至空中、人和动物身体的干燥脱落物、呼吸道和口腔内含微生物的分泌物通过咳嗽、打喷嚏等方式飞溅到空气中。存活时间：取决于空气的相对湿度、紫外辐射的强弱、尘埃颗粒的大小和数量，取决于微生物的适应性及对恶劣环境的抵抗能力。数量：与环境卫生、环境绿化程度、人员密度及活动、情况、空气流通程度等有关。类群：存活时间较长的主要有芽孢杆菌，霉菌和放线菌的孢子、野生酵母菌、原生动物及微型后生动物的胞囊。室内空气中存在多种致病菌。,3.空气微生物的卫生标准及生物洁净技术,3.1卫生标准目前,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5001000个以上作为空气污染的指标。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，绿色链球菌在上呼吸道和空气中比溶血性链球菌易发现，且有规律性.以细菌总数评价空气的卫生标准（p183,表2.1-3）清洁程度细菌总数:最清洁的空气有(空调）1-2;清洁空气301.,3.2空气微生物检测,测定指标:我国检测空气检测的清洁程度，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，在必要时则测病原微生物。检测方法：固体法(平皿落菌法和撞击法)、液体法。(P185),空气微生物的检测点数：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个测点为宜，最少测点数为5-6，见表2.15空气微生物的培养温度和时间：培养一般细菌和细菌总数以31-32oC，24h或48h；培养真菌以25oC，96h为好。浮游菌最小采样量和最小沉降面积：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。可参照表2.16和表2.17（P186）。,不同地点大气中的微生物数量,第四节水体微生物生态,1水体自净自然净化物理作用：稀释、沉淀（强）化学作用：日光、氧气等对污染物的分解（弱）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？,物理？净水流量、流速、污染物物理性质化学？地域、季节、天气生物？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。,在自净容量范围内水体的净化是如何进行的呢？,A自净的过程,水体自净过程大致如下a.物理作用有机污染物排入水体后被水稀释，有机和无机固体沉降到河底；,如下图河流污染和自净过程,河流污染和自净过程图,污水,提问：原理？,被污染的水体都是自净水体！但自净恢复的程度不同，或称污染现状不同。,2衡量水体污染与自净的指标,提问：用什么指标可以衡量河段水体污染与自净所处的阶段?,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,APH指数与BIP指数P代表光合自养型微生物（如藻类）H代表异养型微生物（如细菌等），两者的比即PH指数。P/H=（有叶绿素的微生物数量）/（异养微生物数量）BIP=（无叶绿素的微生物数量）/（全部微生物数量）H/（P+H）100%,B氧浓度昼夜变化幅度,河流污染中氧浓度昼夜变化示意图,提问：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。,污染前污染净化开始持续结束溶氧变化：幅度00增大减小,这种指标与BIP从根本上是相同的但由于溶解氧可以用溶解氧测定仪随时测定并迅速地得出结果，而BIP指标需要细菌鉴定、培养、显微镜观察，周期长操作不便，因此实际操作中溶解氧变化幅度比BIP指标更为实用。,C水体外观,外观特征：混浊程度、颜色及气味等原因：水中细菌种类数量、悬浮物种类数量,D指示生物,例如污染前污染净化开始持续结束生物:植物消失藻类、原生鱼虾植物、鱼动物出现出现、鱼,可作为指示生物的生物种类很多，包括细菌、真菌、藻类、原生动物、轮虫、浮游甲壳动物、底栖动物有寡毛类的颤体虫、软体动物和植物和水生昆虫等。,3.水体自净指标综合应用污化系统,较洁净水体（可使用）国家地表水水质标准化分（共类）,劣类的水体（无使用价值）用污化系统划分，依据上述判断指标。,污化系统将污染水体划属为不同的污染带类型。分多污带、中污带、中污带、寡污带,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。,中污带,*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,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,寡污带,*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,目前已经有水质生物监测法的国家标准，即GBT1299091水质-微型生物群落监测PFU法,*污化系统与PFU法使用时有何差异？各有哪些主要实际用途（需有资料例证）？,4.水体富营养化,4.1水体富营养化的概念与发生4.1.1概念水体从贫营养向富营养的发展，主要是自然、缓慢的发展过程。但由于某些非自然因素，尤其是人类将富含氮、磷的城市生活污水和工业废水排放入湖泊、河流、海洋，使上述水体的氮、磷营养过剩，促使水体中藻类过量生长，使淡水水体发生“水华”，或称“水花”，使海洋发生“赤潮”，造成水体富营养.,4.1.2富营养化水体的藻类,水体通常以硅藻和绿藻为主,蓝z细菌大量出现的时候则是富营养化的象征.与富营养化关系密切的20余种蓝藻（蓝细菌）大多属于：微囊藻属、腔球藻属、鱼腥藻属。造成海洋富营养化的物种主要是甲藻，如膝沟藻、裸甲藻，角甲藻等，也还有一些硅藻和蓝藻。,4.1.3富营养化的危害,影响自然景观水中溶解氧含量下降，鱼类等水生生物大量死亡产生的毒素对人畜构成威胁产生不良的气味和颜色影响水厂的正常运行,4.1.4水体富营养化的形成条件,影响湖泊富营养化的因子很多，如氮磷浓度、湖泊水体