7和8-微生物生态及物质转化

第六章微生物的生态一、生态系统二、土壤微生物生态三、空气微生物生态四、水体微生物生态一、生态系统（一）概念个体：某一具体的生物单个个体，是组成种群的单位。种群：特定空间内同一物种的个体集合。群落：特定空间内所有生物种群的聚合体。生物圈：地球上的所有生物。生态系统：一定时间和空间内由生物与其生境通过能量流动和物质循环所组成的一个动态系统。

生态系统=生物群落+环境条件

各种环境中的微生物的种类、分布；微生物和其它生物的关系；微生物与物质循环；生态系统中的物质循环和能量流动1、微生物是有机物的主要分解者；2、微生物是物质循环中的重要成员；3、微生物是生态系统中的初级生产者；4、微生物是物质和能量的贮存者；5、微生物在地球生物演化中的作用；微生物在生态系统中的角色微生物生态系统的特点（1）微生物生态系统的多样性；（2）微生物生态系中的种群多样性；（3）微生物生态系统的稳定性；（4）微生物生态系统的适应与演替性；（5）微生物群落中的遗传交流；（6）微生物生态系统中的物质流和能量流

二、土壤微生物生态2.1土壤是微生物良好的生活场所1、为微生物提供了良好的Ｃ源、Ｎ源、能源2、为微生物提供有机物无机盐微量元素4、土壤ＰＨ值范围5.5－8.5之间5、温度季节与昼夜温差不大6、土壤颗粒空隙间充满着空气和水分7、适宜的渗透压3、满足了微生物对水分的要求土壤中的微生物细菌放线菌真菌藻类和原生动物细菌（~108）放线菌（~107）霉菌（~106）酵母菌（~105）藻类（~104）原生动物（~103）细菌每克肥土可含２５亿个细菌枯草芽孢杆菌最多放线菌多分布在有机物较丰富的碱性土壤中诺卡氏菌属、小单胞菌属，链霉菌属（几万－几百万）／克土壤土壤中放线菌数量仅次于细菌由于菌体大，其生物量与细菌接近真菌真菌主要分布在接近地面的土层中以丝状体和孢子体形式存在于土壤中(几千－几十万个)/每克土壤，由于菌体粗大，其生物量不低于细菌，放线菌，为0.6mg／g土壤，菌丝最长可达４０米。霉菌：分解纤维素、木质素、果胶素。如酵母在果园土壤里含量几十万个／g土壤。藻类和原生动物藻类（５万个／克土）原生动物（３万个／克土）纤毛虫，鞭毛虫、肉足虫等为主，它们以其它微生物和有机物碎片为食，对其它几类微生物的数量起调节作用。2.2土壤环境的污染与净化土壤污染的概念土壤环境的自净作用土壤污染物及污染源土壤污染——指进入土壤的污染物超过土壤的自净能力，而且对土壤、植物和动物造成损害的状况。土壤自净——指土壤对施入一定负荷的有机物或有机污染物具有吸附和生物降解的能力，通过生物、化学和物理等过程自动分解污染物使土壤恢复到原有水平。污染物：有机污染物、无机污染物污染源：工业污染源、农业污染源问题？土壤的环境因素对土壤的自净能力有什么的影响？生物修复：采用工程化技术，利用微生物将环境中的有毒、有害物质降解，使其转化为无害物质的方法称为生物修复。

土著微生物

外来微生物

基因工程菌用于生物修复的微生物2.3微生物对土壤中污染物的降解

工业污染农用化学制品粪肥和垃圾固体废物含有对农业十分有用的有机物质和植物营养物质，改良土壤，培肥地力的作用显著。也含有许多有毒有害的物质。未经处理的城市垃圾，特别是人畜粪便和医疗单位的废弃物中含有大量的病原体，施到土壤后能存活相当长的时间。垃圾中的重金属如汞、铅、镉、锌、锰和有机污染物等是造成化学污染的重要原因。城市垃圾处置不当，也容易引起大气和水源的污染。

2.3.1土壤有机污染及其修复（1）石油污染土壤的主要途径：污灌、大气污染、溢油事件、车辆污染。（2）对土壤的污染：粘着在土壤根部，影响根呼吸，引起烂根；进入食物链；抑制微生物的活性。（3）石油的转化提问：什么是石油？石油是含有烷烃、环烷烃、芳香烃及少量非烃化合物的复杂混合物。石油污染主要出现在采油区和石油运输事故现场以及石化行业的工业废水中。有机物的生物降解性与分子结构有关（4）降解石油的微生物降解石油的微生物很多，据报道有200多种细菌——假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产碱杆菌属放线菌——诺卡氏菌酵母菌——假丝酵母霉菌——青霉属、曲霉属藻类——蓝藻和绿藻芳香烃芳香烃普遍具有生物毒性，但在低浓度范围内它们可以不同程度的被微生物分解。已知降解不同芳香烃的细菌类别先被氧化为邻苯二酚，这样各类芳香烃在降解的后半段是相同的，可表示如下：2.3.2农业固体废弃物污染（1）糖类污染物提问：哪些会成为土壤污染物？难溶的多糖，且当一些难溶解的多糖数量较大时才会使自净时间大大增加，从而对环境造成污染。这类多糖主要是纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉。（2）纤维素的转化β葡萄糖高聚物，每个纤维素分子含1400~10000个葡萄糖基（β1-4糖苷键）。来源：棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水及城市垃圾等，其中均含有大量纤维素。A．微生物分解途径B．分解纤维素的微生物好氧细菌——粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌厌氧细菌——产纤维二糖芽孢梭菌、无芽孢厌氧分解菌及嗜热纤维芽孢梭菌。放线菌——链霉菌属。真菌——青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。（3）半纤维素的转化存在于植物细胞壁的杂多糖。造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。分解过程TCA循环聚糖酶CO2+H2O半纤维素单糖+糖醛酸H2O各种发酵产物厌氧分解分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。许多芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌及放线菌能分解半纤维素。霉菌有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。Lignin木质素木质素空腔纤维素（4）木质素的转化木质素存在于除苔藓和藻类外所有植物的细胞壁中，由松柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度分枝多聚物。自然界中哪些微生物能够进行木质素的降解呢？确证的只有真菌中的黄孢原毛平革菌，疑似的只有软腐菌。黄孢原平毛革菌(Phanerochaetechrysosprium)是白腐真菌的一种，隶属于担子菌纲、同担子菌亚纲、非褶菌目、丝核菌科。白腐—树皮上木质素被该菌分解后漏出白色的纤维素部分。固体垃圾堆肥及农用效果：1.改良土壤结构，提高土壤保水保肥能力。2.提高土壤肥力。3.增加作物产量，提高农产品的品质。

大气中的CO2光合作用呼吸作用生产者（如绿色植物）消费者（如动物和人）分解者（如细菌、真菌）粪便、遗体残骸分解作用（呼吸作用）呼吸作用呼吸作用捕食碳循环示意图：CO2有机质碳从无机环境进入生物群落的途径：碳元素的含量：占生物体干重的49%碳的存在形式：

在无机环境中：在生物群落中：CO2、碳酸盐有机物绿色植物的光合作用碳从生物群落返回无机环境的途径：生物的呼吸作用微生物的分解作用煤、石油等燃料的燃烧碳在生物群落和无机环境间的循环方式：CO2三、空气微生物生态不同条件下1M3空气的含菌量条件数量畜舍1-2×106宿舍20000城市街道5000市区公园200海洋上空1-2北极（北纬80°）0

空气中的微生物（一）、分布及组成正常无微生物生存条件主要由飞尘引起（二）、空气中暂时存在的病原微生物主要由病畜污染引起，飞沫、咳嗽、喷嚏、排泄物、分泌物的干燥引起，时间短暂。（三）、空气消毒法：外科手术\生物药品制造，应保持周围空气中的无菌——空气消毒1．消毒液喷雾2．熏蒸——KmnO4福尔马林（40%甲醛）空气中的微生物的数量是大气污染程度的标志之一我国室内空气细菌总数卫生标准标准项目撞击法(CFU.m-3)沉降法（CFU）一般室内≤4000≤4510万级空气净化车间的空气≤500（四）空气微生物检测空气微生物的卫生标准目前，还无统一的关于空气的卫生学指标，一般以室内1m3空气中细菌总数为50~1,000个以上作为空气污染的指标。表2-2以细菌总数评价空气的卫生标准（个/m3）清洁程度细菌总数最清洁的空气（有空调）1~2清洁空气<30普通空气31~125临界环境~150轻度污染<300严重污染>301空气的微生物监测通常采用营养琼脂平板计数法。我国检测空气微生物所用的培养皿直径为d90mm，有用d100mm的。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，在必要时则测病原微生物。(一)空气微生物的测定方法1．固体法固体法有平皿落菌法(沉降—平板法)、撞击法(有缝隙采样器、筛板采样器、针孔采样器)和过滤法。(1)平皿落菌法：将营养琼脂培养基融化倒人d90mm无菌平皿中制成平板。将它放在待测点(通常设5个测点)，打开皿盖暴露于空气5~10min，以待空气微生物降落在平板表面上，盖好皿盖，置于培养箱中培养48h后取出计菌落数，即为落菌数。可通过前苏联奥梅梁斯基公式换算出浮游细菌数。奥氏认为：5min内落在面积100cm2营养琼脂平板上的细菌数和10L空气中所含的细菌数相同。奥氏公式：式中：C—空气细菌数；A——捕集面积，cm2；t——暴露时间，min；N——菌落数，个。5t100A100010×N××C=简化后的奥氏公式：经测定发现，用奥式公式计算的浮游细菌数比实测的浮游细菌少。此公式没有考虑尘埃粒子大小、数量、气流情况、人员密度和活动情况。C=1000×50NA×t2液体法液体法用于测定空气中的浮游微生物，主要是浮游细菌。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，依靠气流的洗涤和冲击使微生物均匀分布在介质中，然后取一定量的菌液涂布于营养琼脂平板上，或取一定量的菌液于无菌培养皿中，倒入15-18ml融化(45℃)的营养琼脂培养基，混匀，待冷凝制成平板，置于37℃恒温箱中培养48h，取出计菌落数。以菌液体积和通入的空气量计算出单位体积空气中的细菌数。例如：将10m3含菌空气通入100mL的无菌水中，使10m3空气中的微生物全部截留在100mL水中。然后取0.1mL菌液涂布于平板上，若长出100个菌落，10mL水中共含菌10,000个，则10m3空气含有10,000个。1m3空气含有1,000个。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个测点数为宜，最少测点数为5~6。四、水体微生物生态（一）不同水体中微生物的种类（1）淡水型水体的微生物江、河、湖和水库（2）海水型水体的微生物（1）淡水型水体的微生物地球上水的总贮量有13.6亿km3，但淡水量只占其中2.7%，且绝大部分以雪山、冰原等形式存在根据淡水中有机物含量的多少根据光线、溶氧和温度等的差异微生物呈垂直分布（2）海水型水体的微生物海洋是地球上最大的水体，占地球总水量的97.5%，含盐量为3%左右；微生物种类：芽孢杆菌属、假单胞菌属、弧菌属和发光细菌等；海洋微生物的垂直分布明显表层：好氧性微生物中层：紫硫细菌底层：厌氧菌及硫酸还原菌二、水圈中的微生物蓝细菌、藻、水生植物阳光表层输入(河流)产氧光合动物、原生动物、好氧细菌嗜甲烷菌、无机化能细菌不产氧光合发酵厌氧呼吸菌产甲烷菌沉积物厌氧层好氧层表层输出层次化湖泊生态

水体不同层次微生物分布（一）污染水体的微生物生态多污带：BOD高，溶氧低。以厌氧菌和兼性厌氧菌为主，种类多，数量大。硫酸盐还原菌、产甲烷菌等。α-中污带：半厌氧状态，有机物量减少，BOD下降，水面上有泡沫，氨、H2S等，生物种类稍多。蓝藻、裸藻、绿藻，原生动物等。β-中污带：有机物较少，BOD和悬浮物含量降低，溶氧升高，氨和H2S被氧化。细菌数量下降，藻类繁殖，水生植物，固着型原生动物和轮虫等后生动物。寡污带：标志着自净的完成，无机化，H2S消失，细菌极少，水浑浊度低。指示生物：硅藻、蓝藻、钟虫、变形虫、旋轮虫、浮游动物、水生植物和鱼类等。特征多污带α-中污带β-中污带寡污带水色暗灰色，浑浊灰色，较浑浊浑浊浑浊度低BOD高减少,有悬浮物减少,悬浮物少极少,悬浮极少溶解氧含量极低（或无）少升高恢复正常气体H2S、CO2和CH4NH3、H2S氨及H2S减少H2S消失细菌数量几亿/毫升几千万/毫升几万/毫升极少微生物种类特点（兼）厌气性硫酸还原菌产甲烷菌藻类及原生动物出现藻类大量繁殖纤毛虫活跃鱼腥藻、硅藻、黄藻、钟虫、变形虫动物类型寡毛类（颤蚯蚓）颤蚯蚓，增多轮虫、浮游甲壳动物轮虫、浮游甲壳动物增多显花植物无无出现增多鱼类无无无有底泥大量的有机质部分无机化大量无机化（二）水体有机污染指标BIP指数——无叶绿素的微生物占所有微生物的百分比。污染程度清洁水轻度污染中等污染严重污染BIP值0~88~2020~6060~100水的卫生细菌学检验1.细菌总数的测定2.大肠菌群的测定1）1mL自来水中的细菌总数不可超过100个（37°C，培养24h）；2）以大肠菌群为指标（总大肠菌群）包括大肠杆菌、产气肠杆菌、柠檬酸杆菌属、和肺炎克氏杆菌等一些革兰氏阴性、无芽孢、能发酵乳糖产酸产气的兼性厌氧杆菌。3）1L自来水中的大肠菌群数不能超过3个（37°C，培养48h）4）大肠菌群的测定—滤膜培养法在EMB培养基上进行（三）污水处理的微生物学原理1.自然水体的自净作用2.水体富营养化

3.污水处理及微生物的作用

1.水体的自净作用包括物理性的沉淀、扩散、稀释作用；化学性的氧化作用；生物学和生物化学的作用；概念水体自净是发生在受到污染（特别是有机污染）的水体中的一个生态学过程，在这个过程中微生物消耗或吸收了水中的污染物，使得水或水体向净化的方向转变。２．水体富营养化

（１）概念富营养化是湖泊分类和演化学的一个概念，它指的是当湖泊水中的N、P等植物营养物（如氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、尿素、磷酸盐）的浓度超过一定数值时引起的湖泊生态系统的一种恶性循环。（2）水体的富营养化作用和“水华”、“赤潮”水体大量的有机物或无机物，特别是磷酸盐和无机氮化合物水的富营养化藻类等过量生长，产生大量的有机物异养微生物氧化这些有机物，耗尽水中的氧，使厌氧菌开始大量生长和代谢分解含硫化合物，产生H2S，从而导致水有难闻的气味，鱼和好氧微生物大量死亡，水体出现大量沉淀物和异常颜色3、评价水体富营养化的方法①观察蓝细菌和藻类等指示生物；②测定生物的现存量；③测定原初生产力；④测定透明度；⑤测定氮磷元素；AGP-藻类生产的潜在能力第八章微生物在自然界物质循环中的作用一、碳素循环CO2+H2O化石燃料呼吸作用O2+“CH2O”醇，有机酸，H2+CO2CH4光合作用发酵作用有氧环境无氧环境碳、氢、氧元素在自然界中的循环大气中的CO2光合作用呼吸作用生产者（如绿色植物）消费者（如动物和人）分解者（如细菌、真菌）粪便、遗体残骸分解作用（呼吸作用）呼吸作用呼吸作用捕食碳循环示意图：碳从无机环境进入生物群落的途径：碳元素的含量：占生物体干重的49%碳的存在形式：

在无机环境中：在生物群落中：CO2、碳酸盐有机物绿色植物的光合作用碳从生物群落返回无机环境的途径：生物的呼吸作用微生物的分解作用煤、石油等燃料的燃烧碳在生物群落和无机环境间的循环方式：CO2(一）碳源污染物的转化包括糖类、蛋白质、脂类、石油和人工合成的有机化合物等。（一）糖类污染物难溶的多糖，且当一些难溶解的多糖数量较大时才会使自净时间大大增加，从而对环境造成污染。这类多糖主要是纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉。1．纤维素的转化β葡萄糖高聚物，每个纤维素分子含1400~10000个葡萄糖基（β1-4糖苷键）。来源：棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水及城市垃圾等，其中均含有大量纤维素。A．微生物分解途径B．分解纤维素的微生物好氧细菌——粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌厌氧细菌——产纤维二糖芽孢梭菌、无芽孢厌氧分解菌及嗜热纤维芽孢梭菌。放线菌——链霉菌属。真菌——青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。2．半纤维素的转化存在于植物细胞壁的杂多糖。造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。分解过程

TCA循环聚糖酶CO2+H2O半纤维素单糖+糖醛酸H2O各种发酵产物厌氧分解分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。许多芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌及放线菌能分解半纤维素。霉菌有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。（二）油脂的转化水中来源：毛纺、毛条厂废水、油脂厂废水、肉联厂废水、制革厂废水含有大量油脂降解油脂较快的微生物：细菌

——荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌丝状菌

——放线菌、分支杆菌真菌

——青霉、乳霉、曲霉途径：水解+β氧化（三）石油的转化石油是含有烷烃、环烷烃、芳香烃及少量非烃化合物的复杂混合物。石油污染主要出现在采油区和石油运输事故现场以及石化行业的工业废水中。1．石油成分的生物降解性与分子结构有关提问：什么是石油？2．降解石油的微生物降解石油的微生物很多，据报道有200多种细菌——假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产碱杆菌属放线菌——诺卡氏菌酵母菌——假丝酵母霉菌——青霉属、曲霉属藻类——蓝藻和绿藻芳香烃芳香烃普遍具有生物毒性，但在低浓度范围内它们可以不同程度的被微生物分解。已知降解不同芳香烃的细菌类别苯和酚的代谢苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所示

苯的代谢萘的代谢菲的代谢蒽的代谢酚也是先被氧化为邻苯二酚，这样各类芳香烃在降解的后半段是相同的，可表示如下大气N2生物体有机氮NH4+NO3-NO2-NON2ONH2OHNH4+①生物固氮⑧亚硝酸氨化作用②硝化作用②硝化作用⑤铵盐同化作用④氨化作用③硝酸盐同化作用⑥异化硝酸盐还原作用⑦反硝化作用（1）氮源有机污染物的转化①蛋白质的转化水中来源：生活污水、屠宰废水、罐头食品加工废水、制革废水等A．降解蛋白质的微生物种类很多好氧细菌——链球菌和葡萄球菌好氧芽孢细菌——枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌及马铃薯芽孢杆菌兼性厌氧菌——变形杆菌、假单胞菌厌氧菌——腐败梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌此外，还有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及链霉菌(放线菌)。4.污水处理及微生物的作用B蛋白质物质的氨化作用过程蛋白质蛋白酶水解肽肽酶水解氨基酸降解NH3氧化脱氨基作用水解脱氨基作用还原脱氨基作用CO(NH2)2+2H2O(NH4)2CO3尿酶2NH3+CO2+H2OC尿素氨化作用过程尿素细菌：1、球菌：尿素生孢八叠球菌2、芽孢杆菌：巴斯德尿素芽孢杆菌②典型含氮有机物的转化氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈类化合物及硝基化合物

水中来源：化工腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。危害：生物毒害、环境积累A．降解这些物质的微生物细菌——紫色杆菌、假单胞菌放线菌——诺卡氏菌真菌——氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病镰刀霉)、木霉及担子菌等B．降解机理a.氰化物5HCN+5.5O25CO2+H2O+5NH3b.有机腈担子菌还能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶的作用下缩合成为α—氨基乙腈，进而合成为丙氨酸。HCNCH3COHCH3CHNH2CNCH3CHNH2COOH

甲醛α—氨基乙腈