第九章 微生物的生态与功能2

第二节土壤微生物生态与功能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；•同时由于土壤的覆盖，阻止了紫外线对微生物的伤害。因此，土壤中微生物的种类齐全、数量最多、代谢潜力巨大，是微生物生活的大本营。一、土壤的生态条件1营养2氧气和水分3pH值4渗透压5温度6保护层1营养土壤中含有丰富的有机物，如:•动、植物残体，植物根系的分泌物，•人和动物的排泄物；•有含量相当高无机矿质元素：磷、硫、钾、铁、镁、钙等，在1.1～2.5g/L之间；•有能满足微生物生长发育的需要微量元素：如硼、钼、锌、锰、铜等。¶2氧气和水分土壤具有团粒结构，有无数小孔隙为土壤创造通气条件，土壤中氧的含量比大气少，平均为土壤空气体积的7％—8％。通气良好的土壤，氧的含量高些，有利于好氧微生物生长。土壤中水分含量高时，通气不良，造成一个厌氧环境，适合于厌氧微生物的生长。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。例如在孔隙率为30％～50％、排水通畅的土壤中，各组分的体积分别是：土粒50％；空气10％；水40％。氧气与水分在土壤结构中的分配为微生物造就了复杂多样的生存环境。¶3pH值土壤pH范围在3.5～8.5之间，多数在5.5～8.5之间，甚至不少土壤的pH接近中性，适合大多数微生物生长需要。同时在酸性土壤中分布着耐酸微生物，碱性土壤中分布着耐碱微生物。¶4渗透压土壤的渗透压通常在0.3～0.6MPa之间，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。所以，土壤中的渗透压对微生物是等渗或低渗环境，有利于微生物摄取营养。¶5温度尽管土壤温度受季节、土壤颜色、坡度、坡向及植被密度的因素的影响，但由于土壤本身具有保温性，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，保证微生物生长的基本需要。¶6保护层由于土壤的不透光性，表层几毫米厚的土壤就可形成保护层，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、土壤中的微生物1土壤中微生物的种类和数量根据土壤中有机物的含量，通常把土壤分为肥土和贫瘠土，不同种类土壤中微生物的种类与数量差异显著；不同土壤深度微生物的数量也明显不同在任何土质中都以细菌量最多，放线菌次之，真菌再次之，藻类、原生动物和微型动物等依次排列。2微生物在土壤中的分布分布的影响因素：土壤中微生物的水平分布取决于碳源，例如油田地区存在以碳氢化合物为碳源的微生物；森林土壤中存在分解纤维素的微生物；含动、植物残体多的土壤中含氨化细菌、硝化细菌较多。土壤中微生物的垂直分布与紫外辐射的照射、营养、水、温度pH值等因素有关。微生物在土壤中的分布：•表面土因受紫外辐射的照射和缺乏水分，微生物难以生存而数量少；•在5～20cm处微生物数量最多，每克土可含6.5×105个微生物，在植物根系附近微生物数量更多；•在耕作层20cm以下，微生物的数量随土层深度增加而减少，距表面1m深处每克土含有3.6×104个微生物，•在离表面2m深处微生物每克土只有几个，这是由于缺乏营养和氧气造成的。酵母菌多在果园、养蜂场、葡萄园等土壤中分解糖类物质。土壤藻类有硅藻、绿藻和固氮蓝藻。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。有一部分假单胞菌属、芽胞杆菌属和一些放线菌随土壤动、植物残体数量变化而变化，被称为“发酵性”菌。三、土壤污染与土壤自净1土壤污染及其不良后果来源：来自含有机污染物和重金属的污（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、重金属及人工有机污染物等。各种污染物有易降解和不易降解之分，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在土壤中滞留或渗漏至地下水中土壤污染带来严重的不良后果：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，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。②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；或被雨水冲剧流入河流、湖泊或渗入地下水，进而造成水体污染，污染物又随水源进入人体，危害人类。③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，它们可以通过各种途径转移到水体，进而进入人体中，引起人的疾病。2污染土壤的微生物生态土地是天然的生物处理厂，可用土地法处理废水。在不超过土壤的污染物容量的基础上，有限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。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。•例如节细菌和诺卡氏菌原是“土著”菌，由于长期接触，它们也具有分解多氯联苯的能力，这是诱导变异的结果。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。3土壤自净土壤对施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。当污水、有机固体废物施入土壤后，各种物质(有毒和无毒)先被土壤吸附，随后被微生物和小动物部分或全部降解。•例如：红酵母菌和蛇皮癣菌可有效降解剧毒的多氯联苯，使土壤恢复到原来状态。研究土壤的自净作用规律，对于人们有意识地对日益普遍的土壤污染实施治理与修复具有明显的指导意义。第三节水体微生物生态与功能水体有天然水体和人工水体两种。•天然水体包括海洋、江河、湖泊等，•人工水体有水库、运河、下水道、各种污水处理系统。由于雨水冲刷，将土壤中各种有机物及无机物，动、植物残体带至水体，工业废水和生活污水源源不断排入，水生动、植物死亡等都为水体中的微生物提供了丰富的有机营养。水体中除了自身固有的微生物，主要来源于其他环境。一、水体中的微生物1海洋中微生物群落海水是混合液体，盐分高、渗透压大、温度低，海面阳光照射强烈，深海处光线极暗，静水压力大。微生物群落分布和数量受海洋环境变化、人类活动等因素的影响。海洋中的微生物有固有栖息者，也有许多是随河水、雨水及污水排入的。（1）海洋微生物群落分布港口海水每毫升含菌1×105个；在外海，人类活动少，每毫升含菌10～250个。距海面0～10m的深处因受阳光照射含菌量较少，浮游藻类较多。5～10m以下至25～50m处的微生物数量较多，而且随海水深度增加而增加。50m以下微生物的数量随海水深度增加而减少。（2）海洋微生物群落的生态特征常见海洋微生物有假单胞菌属、弧菌属、黄色杆菌属、无色杆菌属及芽抱杆菌属等，按栖息地可分为底栖性细菌、浮游性细菌和附着性细菌。海水的盐质量浓度高约30g／L，所以，海洋微生物大多数是耐盐或嗜盐的海洋微生物还耐高的静水压力，甚至嗜高静压力。2淡水微生物群落影响淡水微生物群落的种类、数量和分布的因素有：水体类型、受污(废)水污染程度、有机物的含量、溶解氧量、水温、pH及水深等。尽管水体类型不同，但水平分布的共同特点是：沿岸水域有机物较多，微生物种类和数量也多。淡水微生物一般是中温性的。湖泊有贫营养湖和富营养湖之分•湖泊形成初期，生物生产力低，水中有机物少，湖底沉积物少，细菌数量少，有机物分解微弱，耗氧量低，含大量溶解氧，为贫养湖；•随着河流不断向湖泊输送养料和泥沙，生物种类和数量增多。湖底沉积的有机物丰富，细菌数量增加，分解有机物速率提高，无机物增加，表水层阳光充足，使浮游藻类大量繁殖，生物生产力提高，为富养湖。地下水、自流井、山泉及温泉等经过厚土层过滤，有机物和微生物都很少。石油岩石地下水含分解烃的细菌，含铁泉水有铁细菌，含硫温泉有硫磺细菌，它们是耐热和嗜热的种类，能在70～80℃的水中生长，有的甚至可在90℃的水中生长。淡水因土壤腐殖质和有机酸等流入或酸雨影响，水体酸碱度大多呈弱酸性。淡水微生物要求pH＝6.5～7.5，所以，淡水水体适合它们生长。pH小于4、大于9，微生物生长都受抑制。二、水体污染与水体自净1水体污染2水体自净3污化系统水体污染是指由于人为的原因使水质发生改变，导致水的任何有益的用途受到现实的或潜在的损害的过程，结果导致进入水体的外来物的含量超过水体的本底含量和自净能力，并对水生生物及人体健康造成不利影响。造成水体污染的物质包括物理、化学与生物污染三大类。•物理污染物包括热污染、固体悬浮物和放射性污染。•化学污染物按性质可分为八大类，即重金属、一般耗氧有机物、农药、有机化合物、石油污染、生物营养盐类、酸碱物质和洗涤剂。化学污染物种类多、数量大、范围广，是造成水体污染的主要原因。•生物污染主要指病原微生物、寄生虫和藻类。1水体污染据统计，我国城市污水处理率只有7%左右，大量未经处理的污水排入各种水体，造成全国1/3以上的河段受到污染，90%以上的城市水域污染严重。♂2水体自净天然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，叫做水体自净。•物理作用包括稀释、沉淀及扩散等过程；•化学作用包括酸碱反应、氧化还原反应、吸附解吸等过程；•而生物的吸收、降解是水体自净中最主要的过程。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。水体自净的大致过程如图①有机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②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，并用以组成自身有机体，水中溶解氧急速下降至零。此时鱼虾绝迹，原生动物、轮虫、浮游甲壳动物死亡，厌氧细菌大量繁殖，对有机物进行厌氧分解③水体中溶解氧在异养菌分解有机物时被消耗，大气中的氧刚溶于水就迅速被消耗掉，尽管水中藻类在白天进行光合作用放出氧气，但复氧速度仍小于耗氧速度，氧垂曲线下降。在最缺氧点，有机物的耗氧速度等于河流的复氧速度。再往下流的有机物渐少，复氧速度大于耗氧速度，氧垂曲线上升。如果河流不再被有机物污染，河水中溶解氧恢复到原有浓度，甚至达到饱和④随着水体的自净，有机物缺乏和其他原因(例如阳光照射、温度、pH变化、毒物及生物的拮抗作用等)使细菌大量死亡。衡量水体自净作用的指标有：①P/H指数（P代表水体中光合自养型微生物，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♂3污化系统当污染物排入河流后，在排污点的下游进行着正常的自净过程，沿着河流方向形成一系列连续的污化带，例如：多污带、α-中污带、β-中污带和寡污带，这是根据指示生物的种群、数量及水质划分的。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。(1)多污带：多污带位于排污口之后的区段，水呈暗灰色，很浑浊，含大量有机物，BOD高，溶解氧极低(或无)，为厌氧状态。在有机物分解过程中，产生H2S、CO2和CH4等气体。由于环境恶劣，水生生物的种类很少，以厌氧菌和兼性厌氧菌为主，且数量巨大，每毫升水含有几亿个细菌。它们中间有分解复杂有机物的菌种，有硫酸还原苗、产甲烷菌等。水底沉积许多由有机和无机物形成的淤泥，有大量寡毛类(颤蚯蚓)动物。水面上有气泡。无显花植物，鱼类绝迹。(2)α-中污带：α-中污带在多污带的下游，水为灰色，溶解氧少，为半厌氧状态，有机物量减少，BOD下降，水面上有泡