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第二篇微生物生态与环境生态工程中的微生物作用第一章微生物的生态生态系统土壤微生物生态空气微生物生态水体微生物生态第一节生态系统一生态系统和生物圈（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）。动物、植物和微生物的个体、种群、群落光、水、土壤、空气及其他因子2.组成：生态系统有四个基本组成：环境生产者（植物）消费者（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。能源：太阳辐射生物代谢产物：CO2、O2、H2O、无机盐媒质：水、大气、土壤基质：砂、岩石泥土其他环境条件：温度、pH4．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：通过光合作用合成有机物，是生态系统的基本功能之一，包括初级生产（初级生产者进行）和次级生产（其他生物进行）。（2）能量流动：太阳光的光能→化学能，不断消耗→热能、动能等；能量是单向流动的；（3）物质循环：各种营养物质在各个组成成分间传递、循环（物质不灭）；物质是被反复循环的；（4）信息传递：生态系统中的生物之间通过信息传递，进行调节。信息有营养信息、物理信息、化学信息及行为信息等，构成一个整体的信息网。（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）。二、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限。物质和能量的输入物质和能量的输出生物量减少物质和能量的输入物质和能量的输出生物量增加物质和能量的输入≈物质和能量的输出相对稳定生态系统的平衡的破坏和建立，是自然界发展的普遍规律。每当气候、日照、季节变化，或由于人为的因素，都可能造成旧平衡的破坏和新平衡的建立。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。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。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.数量和种类同一土体由于微环境的通气、水分、营养等状况都存在着差异，致使不同微生物呈立体分布。每克肥土中通常含有几亿至几十亿个微生物，贫瘠土壤每克也有几百万至几千万个微生物。①细菌数量：70~90%；种类：主要为腐生，少数自养分布：表层最多，随土层加深减少，厌氧菌反之。②放线菌数量：5~30%③真菌④藻类⑤原生动物表9－2农田土壤上层15cm处微生物数量和生物量微生物土壤中的数量(个/g)生物量（g/m2）细菌放线菌真菌藻类原生动物9.8×1072.0×1061.2×1022.5×2043.0×1041601602003282.分布水平分布——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、土壤自净和污染土壤微生物生态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、生活污水，易被微生物降解的工业废水经土地处理后得到净化。进行土壤灌溉时，要十分小心，要注意：（1）要根据物质和植物的特点，合理灌溉；（2）不能超过自净容量；（3）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。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。土壤生物修复技术的关键（1）微生物种目前“土著”微生物应用较多，具有经济性，但效果较差；从污染土壤选育优势菌种，经扩大培养接种到污染土壤中，易实施，收效快，效果好；质粒育种或基因工程构建工程菌，但有不相容性。（2）微生物营养C:N:P因污染物的过量积累，可能使营养物质品种单一，营养元素比例失衡严重，要通过可行性试验确定适应的营养元素比例。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BOD:N:P=100:5:1等作基本参数，在试验过程中加以调整。（3）溶解氧通气良好的土壤溶解氧在5mg/L左右，粘土和积水土溶解氧极低，加上有污染物，因而溶解氧更低。保证好氧微生物和兼性厌氧微生物的旺盛生长，才能有效分解污染物。用鼓风机向地下鼓风，可使土壤中溶解氧达8～12mg/L；通纯氧可达50mg/L；若含有较多的苯和低碳烷基苯，则需更多溶解氧（20～200mg/L）满足微生物需要，苯等污染物才能被氧化彻底。（4）微生物的环境因子适量的水、pH和温度对于土壤的生物修复也有很大影响。土壤生物修复工程（1）原位处理：在污染区原地钻一组注水井，用泵注入微生物、水和营养物，通入空气。另外钻一组抽水井，用抽水泵抽取地下水，使地下水呈流动状态，促使微生物和营养物质均匀分布。工艺简单，费用低，但处理速度较慢。（2）生物通风气体流动。用于处理因储油罐泄漏而污染的土壤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1.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）不同场所上空微生物的数量（单位：个/m3空气）场所畜舍宿舍城市街道市区公园海洋上空北纬80°微生物1～2×1062×1045×1032001～202.空气中的微生物只是短暂停留，是可变的，没有固定类群。3.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。4.取决于多种因素的影响：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。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500~1000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。最好的措施是绿化环境和搞好室内外环境卫生。有些工业部门需要采用生物洁净技术净化空气，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。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。（一）空气微生物的测定方法落菌数（平皿落菌法）1.将营养琼脂培养基融入无菌平皿中制成平板，2.将它放在待测点（通常设5个测点），打开皿盖暴露于空气中5～10min，待空气微生物降落在平板表面，3.盖好皿盖，置于培养箱中培养48h后取出，计菌落数即落菌数。四空气微生物检测撞击法1.用吸风机或真空泵将含菌空气以一定流速穿过狭缝，菌落被吸到营养琼脂培养基平板上。平板以一定转速旋转。2.通常平板转动一周，取出置于37℃恒温培养箱中培养48h，计算含菌量注：采集含菌量高的空气样品时。平板的转动速度要比含菌量低的空气样品的转速快。液体法1.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。2.取一定量的菌液涂布于营养琼脂平板上3.置于37℃恒温培养箱中培养48h，取出计菌落数（二）空气微生物的检测点数以20～30个测点数为宜，最少测点数为5～6个（三）空气微生物的培养温度和时间37℃，48h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。（一）海洋中的微生物群落1、种类：多数是嗜盐菌2.分布水平分布：沿海带，海水中含有大量有机物，温度适宜，每毫升海水含菌10，0000个。外海带，每毫升含菌10～250个。海洋微生物的水平分布内陆气候、雨量、潮汐的影响。垂直分布：表层（0～10m）：藻类中层（5～50m）：兼性厌氧微生物底层：厌氧菌及硫酸还原菌3.海洋微生物群落的生态特征海水的盐质量浓度高约30g/L，所以海洋微生物大多是耐盐或嗜盐的，有的还能耐高渗透压。海洋微生物还耐高的静水压力，甚至嗜高静压力。4.分类按栖息地分为底栖性细菌：因海底地质结构和有机物含量的不同而异；浮游性细菌：有鞭毛，自由生活附着性细菌：附着于动、植物体上，异养菌（二）淡水微生物1、来源：土壤、空气、污水及有机残体2、种类：自养菌3、影响微生物在淡水中分布的因子：营养物质、温度、溶解氧、pH等。浸入小河里的载玻片上的发育形成的小菌落蓝细菌、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