环境微生物学第四版课件 08微生物生态

第七章

微生物的生态本章的主要内容：生态系统（生态学）土壤生态系统及其微生物空气生态系统及其微生物水体生态系统及其微生物当代生物科学的发展方向概括起两大方面:微观方向宏观方向宏观方向就是生态学的研究方向。第一节生态系统生物学研究对象的组织层次槽（仿Odum，l971）生物学的宏观层次包括：个体、种群、群落、生态系统等。而一般认为：生态学就是以个体、种群、群落、生态系统等不同的等级单元为研究对象的。1．个体生态学（Autecology）2．种群生态学（PopulationEcology）3．群落生态学（CommunityEcology）4．生态系统生态学（EcosystemEcology）生态学（Ecology）定义：不同学者对生态学的定义不同，其中比较经典的定义是：“生态学是研究生物与环境相互关系的科学“（Haeckel,1866）。我国著名生态学家马世骏先生将生态学定义为“生态学是研究生物的生存条件、生物群落与环境系统之间相互作用的过程及其规律的科学”（马世骏，1990）。根据研究对象的不同，可把生态学分为：动物生态学、植物生态学、昆虫生态学、微生物生态学、人类生态学等；也可根据研究方法和手段分为：形态生态学、化学生态学、分子生态学等。生态学（Ecology）是一门古老而新兴的科学。由于社会经济的发展、学科本身的发展以及与其他学科的交叉与渗透，生态学在近二三十年来发展迅速，已从生物学的一个分支发展成为一门综合性科学，成为现代生物学的前沿研究领域之一。生态学与环境科学特别是从20世纪60年代开始的环境科学的发展，更为生态学增添了新的应用和发展前景。DDT，又叫滴滴涕，化学名为双对氯苯基三氯乙烷（Dichlorodiphenyltrichloroethane），是有机氯类杀虫剂，结构式(ClC₆H₄)₂CH(CCl₃)，为白色晶体，不溶于水，溶于煤油，可制成乳剂，是有效的杀虫剂。1939年，DDT首次被德国科学家成功合。1948年，瑞士化学家保罗·赫尔曼·穆勒因为发现了DDT的杀虫功效而斩获当年的诺贝尔生理学/医学奖。DDT生产简单，价格便宜，效果极好，便于储存，从它上市以来，就被广泛用于农业杀虫，以及防止疟疾传播。在当时，由于能够有效杀灭蚊、蝇、虱、蚤等害虫，遏制了霍乱、斑疹和伤寒等疾病在欧洲的大流行，之后又在全世界成功控制了疟疾和脑炎的传播，DDT甚至与青霉素、原子弹被誉为第二次世界大战时期的三大发明。蕾切尔·卡逊（RachelCarson，1907年5月27日－1964年4月14日），美国海洋生物学家，她的作品《寂静的春天》（SilentSpring）引发了美国以至于全世界的环境保护事业。蕾切尔·卡逊指出，DDT极难降解，会富集在动物的脂肪里，并随着食物链进一步叠加，直到浓度超过生物的可承受范围，最终引发癌症。自1970年开始，各国逐渐禁用DDT并争论DDT的毒性，而后于1996年到2000年肯定了DDT有害，酝酿全球消除这一产品。

目前很多国家和地区已经禁止使用DDT。蚊子是目前对人类健康危害（传播疾病）最大的昆虫。世界卫生组织于2002年宣布，重新启用DDT用于控制蚊子的繁殖以及预防疟疾，登革热，黄热病等在世界范围的卷土重来。2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考，4,4'-二氯二苯三氯乙烷（滴滴涕）在2A类致癌物清单中。

种群和群落种群的概念种群（population）可以定义为占据特定空间的同一生物种的所有个体的集合体。种群是生物群落的组成单位。种群的特征种群的基本成分是具有潜在互配能力的个体，但不等于是个体的简单相加，这是因为有机体之间存在着非独立性的交互作用，从而在整体上呈现出一种有组织有结构的特性。种群的特征：种群大小密度种群的数量变动主要由出生率、死亡率、迁入和迁出四方面的特征所决定。年龄比例、年龄金字塔（可以用数量、能量或生物量来表示）性比

群落的概念生物群落(biocoenosis)简称群落(community)，指一定时间内居住在一定空间范围内的生物种群的集合。群落中包括植物、动物和微生物等各个物种的种群，它们共同组成生态系统中有生命的部分。群落的分类主要是根据群落内的优势种来进行的，如在植物群落中，分为红松林群落、云杉林群落等等；也可以根据群落所占的自然生境，如山泉急流群落、砂质海滩群落、岩岸潮间带群落等。群落的特征：群落是生态学中比种群更高一级的单元，具有种群水平所不具备的很多特征。在群落的数量特征方面，常用的指标有：物种丰富度、多度、盛度、密度、频率、盖度、优势度等。为了描述群落内的生物组成结构，物种多样性是很常用的指标。有两个参数与物种多样性密切相关，即物种丰富度和物种均匀度。群落的空间格局和时间格局：垂直分布和水平分布昼夜相和季节相（短期）

演替（长期）生物群落，如同生物个体一样，有其发生、发展、成熟直至衰老消亡的生命过程，在每一个群落消亡的过程中，即孕育着一个更适合当时当地环境条件的新群落的诞生，这就是群落演替。原生演替、次生演替和顶极群落云杉林采伐演替阶段(引自云南大学生物系，1980)群落演替的研究无论在理论上或是实践上，在生态学研究中都具有极其重要的意义。

对于微生物学来说，也是如此。在一个生态环境中（如土壤、水体、活性污泥等），其中的微生物群落，也会随着环境条件的变化而发生演替。一、生态系统1．定义：生态系统是在一定时间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。生态系统=生物+环境条件生态系统是生态学的功能单位之一（个体、种群、群落和生态系统）。

2．组成：生态系统有四个基本组成：

环境（无机环境）生产者（植物）消费者（动物，一级、二级……）分解者或转化者（微生物）3．结构：生态系统具有明显的三维空间结构，由于环境条件在空间上的差异性，造成生物的分布也出现明显的水平和垂直分布。在时间动态上，生态系统也体现出变化的差异性（包括昼夜、季节等段时间，群落演替的中等时间度量，以及生态系统进化的长时间度量）。4．功能：主要表现在生物生产、能量流动、物质循环和信息传递。（1）生物生产（2）能量流动（3）物质循环（4）信息传递生态系统中的物质循环和能量流动生态系统的营养结构：生态系统内各要素之间最基本的联系是通过营养来实现的。食物链(foodchain)：在生态系统中，各种生物之间由于食物关系而形成的联系。食物网(foodweb)：一个生态系统中，许多条食物链彼此交错连结成的复杂营养关系。关于生物多样性：国际上公认的生物多样性通常包含三层含义：遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性。微生物，在生物多样性的组成方面，有着重要的作用。（但现在知之甚少）微生物多样性体现在：（1）生活环境多样化（2）生活方式和代谢类型多样（3）基因多样性二、生物圈地球上的一切生物，其中包括人类，都生活在地球的表面层。因为只有这个表面层内有空气、水、土壤等维持生物的生命所必需的物质，人们将这个生物有机体生存的地球表面层，称为生物圈。即：地球上所有的生物及其环境所共同组成的一个最大的生态系统（地球上所有生态系统的总和）。生物圈可分为三层：上层是“气圈”的一部分（下层）中层是“水圈”（全部）下层是“岩石圈”的一部分（上层）它们构成地球上生命活动的主要舞台。三、生态系统的分类由于生态系统可以小到一滴水，大到生物圈，所以，分类有多种。根据生存环境分：如水体生态系统和陆地生态系统。各自还可进一步细分，例如淡水生态系统和海水生态系统；根据动态和静态可将淡水生态系统分为河流生态系统和湖泊生态系统；根据生物群落分的，有动物生态系统、植物生态系统及微生物生态系统，在这些生态系统内又可根据生存环境或生物群落进一步细分。四、生态平衡定义：生态系统在一定的时间和空间内，保持相对稳定的状态，并能对外来干扰进行自我调节。生态系统的自我调节能力是有限度的，干扰超过限度，则不再具有恢复能力。这个限度称为生态阈值。生态系统的平衡的破坏和建立，是自然界发展的普遍规律。生态系统总是在不平衡-平衡-不平衡的发展过程中进行着物质和能量的交换，推动着自身的变化和发展。平衡的生态系统并不是一个坚不可摧的整体，相反，它是十分脆弱的，任何一个环节上的改变，例如某一外来种的加入或是某一本地种的消失，都将使整个生态系统发生无法预料的改变，甚至是崩溃。所以在自然界中，外来物种的入侵是个严重问题，随着人类活动的加剧，一些物种有意无意地进入了一些新的地域，给本地生态系统带来毁灭性的灾难。生物入侵已经成为导致当今世界物种大规模灭绝的第二大因素。（第一大因素是物种栖息地被破坏）第二节

土壤微生物生态

一、土壤的生态条件1．营养土壤内有大量的有机和无机物质（动植物的残体、分泌物、排泄物等）2．pH3.5~8.5，多为5.5~8.5；适合于大多数微生物的生长繁殖。3．渗透压土壤内通常为0.3~0.6MPa，而在微生物（细菌）体内，G+为2.0~2.5MPa，G-为0.5~0.6Mpa。所以，土壤是等渗或低渗溶液，有利于微生物吸收水份和营养。4．氧气和水土壤具有团粒结构，有孔隙，可以通气和保持水分。土壤中氧气的含量要少于空气中，一般为7~8%。5．温度土壤具有较强的保温性，其变化幅度要小于空气。6．保护层表面几毫米厚的土壤，可以使下面的微生物免受紫外线的直接照射。综合以上各方面，所以说，土壤具备了微生物所需要的营养和各种环境条件，是微生物良好的天然培养基。

二、微生物在土壤中的种类、数量和分布1.数量和种类在肥土中，微生物数在几亿~几十亿个/克；在贫瘠土中为几百万~几千万个/克。从种类上看，以细菌最多，达70~90%，其次为放线菌、真菌，以及藻类、原生动物和微型后生动物等。从生物量上来看，放线菌的量几乎可以与细菌相等。2.分布（空间）

水平分布——不同类型的土壤中所含微生物不同

垂直分布——同一土壤的不同深度，微生物的分布不同

三、土壤自净和土地处理1．土壤自净土壤对进入其中的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。土壤自净是有一定限度的，即自净容量。如果超过这个容量，就会造成土壤污染。土壤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、通气状况等理化性质。土壤有团粒结构，并栖息着极为丰富、种类繁多的微生物群落，这使土壤具有强烈的吸附、过滤和生物降解作用。2．污水灌溉和土地处理土地是天然的生物处理厂，可用土地法处理废水，生活污水和易被微生物降解的工业废水经土地处理后得到净化。土地处理法的优点：成本缺点：占地等污水灌溉进行土壤灌溉时，要根据物质和植物的特点，合理灌溉，要十分小心，要注意：

（1）不能超过自净容量；（2）不能用含有有毒或难以降解物质的污水。这是因为这些物质会在生物体内积累、富集，最终会影响到人类自己。四、土壤污染和土壤生物修复1．土壤污染及其后果来源：废水（农田灌溉和土地处理）、固体废弃物、油库泄漏或农药的使用等。污染物质：农药、石油类、氨、重金属等。易降解的污染物在土壤中会被逐渐分解，而难降解物质和重金属等会在土壤中停留和积累，甚至进入地下水中。土壤污染的后果：（1）改变土壤的性质，破坏土壤生态系统；（2）污染物通过食物链迁移或进入水体，危害人类健康；（3）各种病原微生物可能通过各种途径传播。污染情况下，土壤中的微生物种群会发生很大的变化，不仅表现在数量上，也表现在种类上。一般来说，土壤中的有机物越多，相应地异养性的微生物（如细菌）的数量会增加；当土壤发生污染时，特别是某种特定的污染物质在土壤中积累时，会使土壤里的微生物种类发生变化，对该物质适应的结果，会导致某些种类的微生物数量大大增加。2．土壤修复土壤生物修复是利用土壤中的天然微生物或人为加入特定菌株，使土壤中的污染物质加快降解和转化的速度，使土壤恢复其天然功能。有关污染环境的修复（生物修复），是目前环境科学领域的热点之一。第三节

空气微生物生态

一、空气的生态条件紫外线、干燥、温度变化大、缺乏营养等，这些特点决定了空气不是微生物生长繁殖的场所。二、空气微生物的种类、数量和分布空气中的微生物来源于：土壤（飞扬的尘土把微生物带至空中）；

水体（水面吹起的小水滴）；

人和动物（皮肤脱落物、呼吸道等）

空气中的微生物只是短暂停留，是可变的，没有固定类群。

在空气中存活的微生物，主要是有芽孢的细菌、有孢子的霉菌、放线菌及各种胞囊。在大气PM2.5的组成中，生物（植物花粉、孢子、细菌等）也是来源之一。影响因素：空气的相对湿度、紫外线、尘土颗粒的数量和大小以及微生物本身的性质。也与环境卫生状况有关，如绿化。三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术空气是人类与动植物赖以生存的极重要因素，也是传播疾病的媒介。为了防止疾病传播，提高人类的健康水平，要控制空气中微生物的数量。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。室内空气中常见的病原菌有脑膜炎奈瑟氏菌、结核杆菌、溶血性球菌、白喉杆菌、百日咳杆菌等。空气细菌卫生检查有时用甲型溶血性链球菌作为指示菌，表明空气受到人上呼吸道分泌物中微生物的污染程度。

有研究表明：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。军团菌的故事生物洁净技术多用备有高效过滤器的空气调节除菌设备，它既达到恒温控制又可提供无菌空气。生物洁净室

生物洁净室也没有统一标准，大多数国家采用美国1967年颁发的航空宇宙局(NASA)标准。该标准要求严格，对民用生物洁净环境要求可能过高。根据最新的国家标准GB/T18883-2002（室内空气质量标准）：对菌落总数的指标是2500cfu/m3，使用的测定方法为撞击法（即采用撞击式空气微生物采样器，在营养琼脂平板上，37℃，48h）无菌工作台空气微生物卫生标准可以浮游细菌数为指标或以降落细菌数为指标。飘浮在空气中的细菌称浮游细菌。浮游细菌附着在尘粒上，故浮游细菌的数量与尘粒的数量和粒径有关。浮游细菌在一定条件下缓慢地降落下来成为降落菌。它的数量取决于浮游细菌的数量，浮游细菌和降落菌有一定关系。空气中微生物的测定：落菌数（平皿落菌法）浮菌数（撞击法、液体法等）需要专门的微生物空气采样器优缺点第四节

水体微生物生态

一、水体中的微生物群落水体：天然水体和人工水体水体中含有微生物所需要的各种营养物质，因而水体也是微生物的天然生境。水体中的微生物来源：水体中固有的；来自土壤（径流）；生产和生活（废弃物）；空气（降雨等）。水体中的微生物种类很多，微生物在水体中的分布和数量受水体类型、有机物的含量、微生物的拮抗作用、雨水冲刷、河水泛滥、工业废水、生活污水的排放量等因素的影响。二、水体自净和污染水体的微生物生态（一）水体自净1．概念河流（水体）接纳了一定量的有机污染物后，在物理的、化学的和水生物(微生物、动物和植物)等因素的综合作用后得到净化，水质恢复到污染前的水平和状态，叫作水体自净。任何水体都有其自净容量。自净容量是指在水体正常生物循环中能够净化有机污染物的最大数量。2．自净过程水体自净过程大致如下：污染物排入水体后被水体稀释，有机和无机固体物沉降至河底水体中好氧细菌利用溶解氧把有机物分解为简单有机物和无机物水体中的溶解氧逐渐恢复自净过程完成河流污染与自净过程河流污染对水生生物的影响3．衡量水体自净的指标（1）P/H指数：P代表光合自养型微生物，H代表异养型微生物，两者的比即P/H指数。（2）氧浓度昼夜变化幅度和氧垂曲线。污染河流中氧浓度昼夜变化示意图（二）污染水体的微生物生态1．污化系统毒物或污染物排入水体后水质发生一系列变化，接近污染源往往污染较严重，因河水有自净能力，随距离增加河水逐渐净化。根据这个原理，将水体划分为一系列的带：多污带、α中污带、β中污带和寡污带，并存在相应的生物群落，耐污的种类及其数量按以上顺序逐渐减少，而不耐污的种类和数量逐渐增多。（1）多污带（2）α中污带（3）β中污带（4）寡污带污化指示生物包括细菌、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蚯蚓、软体动物和水生昆虫。应用污化系统时，要注意两点：（1）只适用于有机污水（无毒）；（2）只能定性描述。2．水体有机污染指标（1）BIP指数

BIP=B/(A+B)×100其中：A为有叶绿素的微生物数，B为无叶绿素的微生物数。所以BIP的含义是无叶绿素的微生物数占总微生物数的百分比。BIP值0-8清洁水

8-20轻度污染水

20-60中度污染水

60-100严重污染水（2）细菌菌落总数（CFU）细菌菌落总数是指1ml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。它用于指示被检的水源水受有机物污染的程度，为生活饮用水作卫生学评价提供依据。（3）总大肠菌群（大肠菌群、大肠杆菌群）用以间接指示水体被粪便污染的一个指标。大肠菌群被选作致病菌的间接指示菌的原因是：大肠菌群是人肠道中正常寄生菌，数量最大，对人较安全，在环境中的存活时间与致病菌相近，而且检验技术较简便，因而被选中，一直沿用至今。大肠菌群的测定方法：常用的方法有多管发酵（MPN）法和滤膜法多管发酵（MPN）法适用于饮用水、水源水，特别是浑浊度高的水中的大肠杆菌的测定；滤膜法则适用于饮用水和低浊度的水源水。根据我国的国家标准（GB5749-85）：生活饮用水中细菌菌落总数<100个/mL；总大肠菌群数<3个/L。大肠菌群的测定方法：①发酵法又称最大可能数（MPN）法，是测定大肠菌群的基本方法。此法按三个步骤进行。a．初步发酵试验b．平板分离c.复发酵试验②滤膜法步骤：a.滤膜过滤水样，截留细菌；b.将滤膜转移到远藤氏或伊红美蓝培养基上培养；c.将符合特征的菌落进行革兰氏染色和镜检；d.发酵糖，最终确定是否大肠菌群；e.根据滤膜上生长的菌落数和过滤水样的体积，可以计算每升水样中大肠菌群的数量。滤膜法的优点是快速（可在30h内完成）；缺点是不适用于有大量悬浮物、细菌多的水样。生活饮用水的卫生标准：1956年，包括15项指标1959年，17项指标1976年，23项指标1985年（GB5749-85，成为国家强制性卫生标准，从1986年10月10日开始实行），包括35项指标。现在的标准：生活饮用水卫生标准GB5749-2006（从2007年7月1日起执行，正式实施是从2012年7月1日开始）。新标准规定的水质检测指标数由原来的35项增加至106项，对饮用水的水质安全要求更高。新《生活饮用水卫生标准》增加了71项水质指标。新增部分包括微生物、毒理等指标。微生物指标由2项增至6项，增加了大肠埃希氏菌、耐热大肠菌群、贾第鞭毛虫和隐孢子虫；修订了总大肠菌群。大肠菌数的表达：不得检出/100mL蓝氏贾第虫、隐孢子虫等易引起腹痛等肠道疾病，是一般消毒方法很难全部杀死的微生物。新增毒理指标还增加了对净化水质时产生二氯乙酸等卤代有机物质、存于水中藻类植物微囊藻毒素等的检测，而上述两种毒素均易致癌。耐热性大肠菌群：当一个样品的总大肠菌群超标的时候，为了说明污染的来源，需要再做一个耐热性大肠菌群（或粪大肠杆菌）的实验。粪大肠杆菌是总大肠杆菌的一部分，主要来自粪便，因而能更加直接反映水体受粪便污染的情况，在卫生学上更加有意义。区别在于培养温度的不同：粪大肠杆菌的培养温度为44.5℃。（总大肠菌群的培养温度为37℃）最新的标准：新发布的《生活饮用水卫生标准》标准号定为GB5749-2022，发布日期为2022年3月15日，实施日期为2023年4月1日，由国家卫生健康委员会归口上报及执行，主管部门为国家卫生健康委员会。将全部代替现行的GB5749-2006。GB5749-2022《生活饮用水卫生标准》代替GB5749—2006《生活饮用水卫生标准》，与GB5749—2006相比，除编辑性修改外，主要技术变化如下：a）水质指标由GB5749—2006的106项调整为97项（增加4项，删除13项），包括常规指标43项和扩展指标54项。常规指标regularindices，反映生活饮用水水质基本状况的指标。扩展指标expandedindices