第7章微生物生态.ppt
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1、第七章 微生物的生态,地球上有生命活动的范围,统称为生物圈(biosphere),它是地球上全部生活有机体与其环境相互作用的统一整体。 一切生物,包括微生物,在生物圈内的分布情况都有一定的规律,它们的分布除直接受环境因子的影响外,还由生物本身所具有的适应性决定。 微生物生态就是研究处于环境之中的微生物,和与微生物相联系的物理、化学和生物等环境条件,以及它们之间的相互关系。,第一节 生态系统 第二节 土壤微生物生态 第三节 空气微生物生态 第四节 水体微生物生态,第一节 生态系统基本知识,概念 生态系统(ecosystem)在一定时间和空间范围内存在的各种生物体和非生物环境相互依存相互制约,通过
2、能量流动和物质循环所组成的自然体。简称生态系统。可用公式表示: 生态系统生物群落环境条件,个体(individual)指某一具体的生物单个个体,具有生长、发育、繁殖和死亡的过程,如一匹马、一个细菌,是组成种群的单位。 种群(population)是生活在同一特定空间或区域的同一生物种的所有个体的集合体,是生物群落的组成单位。 群落(Community)生活在同一特定空间或区域的所有生物种群的集合体,是生态系统的组成部分。 食物链(Food chain)生产者(植物)所固定的能量和物质,通过一系列取食和被食的关系在生态系统中传递,各种生物按其食物关系排列的链状顺序称为食物链。,有关生态系统中的几
3、个名词:,2. 生态系统的结构和功能,2.1 结构,生态系统,环境条件,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、pH,生物群落,生产者:植物群落、藻类、光合细菌及化能自养菌,消费者:动物群落,分解者或转化者:异养微生物、原生动物及微型后生动物,2.2 生态系统的功能,()物质生产:6CO2+12H2O C6H12O6+6H2O,()能量流动:太阳能 有机物(化学能) 植物 食草动物 食肉动物,()物质循环:无机物光合产物食草动物食肉动物 微生物转化无机物,()信息传递: 物理信息:声、光、色等。 化学信息:酶、
4、维生素、生长素、抗生素等。,分解者,3、 食物链和食物网,(1)食物链(Food chain) 生产者(植物)所固定的能量和物质,通过一系列取食和被食的关系在生态系统中传递,各种生物按其食物关系排列的链状顺序称为食物链。 水体生态系统中的食物链如: 浮游植物一浮游动物一食草性鱼类一食肉性鱼类。,牧食链:,光能生产者初级消费者次级消费者顶级消费者 (绿色植物)(食草动物) (食肉动物) (大型动物) 腐屑链: 动植物残体、排泄物小型初级分解者食微生物者小型动物 (M) 污水处理中的食物链: 有机物微生物原生动物微型后生动物 (细菌、藻类)(钟虫) (轮虫),(2)食物网(Food web),食物
5、链被此交错连结,形成一个网状结构,这就是食物网。 一般地说,具有复杂食物网的生态系统,一种生物的消失不致引起整个生态系统的失调,但食物网简单的系统,尤其是在生态系统功能上起关键作用的种,一旦消失或受严重破坏,就可能引起这个系统的剧烈波动。,4. 生态系统的规律,林德曼效率(十分之一转化规律): 这是R. L. Lindeman在经典能流研究中提出的,它相当于同化效率、生长效率和消费效率的乘积。但也有学者把营养级间的同化能量之比值视为林德曼效率。,根据林德曼测量结果,这个比值大约为1/10, 曾被认为是一项重要的生态学定律。但这仅是 湖泊生态系统的一个近似值,在其他不同的生 态系统中,高则可达3
6、(),低则可能只有1 或更低。,生物富集或生物放大难降解物积累,水体DDT0.00005PPm,浮游生物0.04PPm,螺0.76 鱼1.24PPm,河鸥5.56PPm,银鸥75PPm,、 生物圈(地球上最大的生态系统),小生态系统构成大生态系统,简单的生态系统构成复杂的生态系统,形形色色、丰富多彩的生态系统组成生物圈。生存在地球陆地以上和海面以下各约10km之间的范围,包括岩石圈、土壤圈、水圈和大气圈内所有各种生物群落和人及它们生存环境的总体,叫生物圈,是地球上所有生态系统的总和。,5. 生态平衡,5.1 概念 生态平衡生态系统发展到成熟阶段,它的结构与功能,包括生物种类与组成,各种群数量比
7、例以及能量与物质的输入输出等,都处于相对稳定状态,这种状态就叫生态平衡。,5.2 生态平衡特点,动态平衡 总生物量最大 有一定调节和修复的能力 生态阈限 生态阈限生态系统对来自自然界或人类施加干扰的最大限度的调节能力称生态阈限。,生态系统失调,生态系统的自行调节能力是有限度的,超越了生态阈限,自行调节能力的降低或丧失就会导致一系列连锁反应: 各生物群落的种类和数量减少, 各生物群落间的数量比例失调, 能量流动和物质循环发生障碍, 整个生态系统平衡失调。 破坏生态平衡的因素有: 自然因素 人为因素,6. 生态系统的分类,在自然界中,小至一滴水、一截朽木、一堆畜粪、一块花坛,大至湖泊、海洋、草原、
8、森林、农田、工矿、城市,甚至整个生物圈,均可视为大小不等的生态系统。,自然生态系统 6.2 从人对系统的影响 人工生态系统,河水生态系统 淡水生态系统 水体生态系统 湖泊生态系统 6.3 据生存环境 海水生态系统 陆地生态系统,动物生态系统 6.4 据生物群落 植物生态系统 土壤微生物生态系统 微生物生态系统 空气微生物生态系统 水体微生物生态系统,6.5 地球上最大的生态系统生物圈,生物圈:指地球上有生命的那一部分,即生物及其生命活动所集中的范围,它包括各种生物有机体的总和,也包括生物赖以生存的环境在内。 生物圈:生存在地球陆地以上和海面以下各约10km之间的范围,包括岩石圈、土壤圈、水圈和
9、大气圈内所有生物群落和人以及它们生存环境的总体,叫生物圈。它本身是一个巨大的精密的生态系统,是地球上所有生态系统的总和。 生态系统是生物圈的组成部分与基本单元。,第二节 土壤微生物生态,一、土壤的生态条件 营养:有机营养、无机营养 pH:3.58.5 适合大多数微生物生长 渗透压:0.3o.6MPa 有利于微生物摄取营养 氧气和水: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%(O2占空气体积的7%8%);水40%。 温度:保温强,四季变化不大,微生物可生长。 保护层:几毫米厚的表土层是保护层,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、微生
10、物在土壤中的种类、数量与分布,(一) 土壤中微生物的种类和数量 土壤肥力影响:土壤中有机物含量是衡量土壤肥力的指标之一。土壤分为肥土和贫瘠土。 肥土中每克土含几亿至几十亿个微生物,贫瘠土每克土含几百万至几千万个微生物。 土壤微生物以细菌量最大,占70%90。 细菌 25108个/g(土), 放线菌 70104个g(土), 真菌 40104个g(土), 藻类 5.0104个g(土), 原生动物 3.0104个g(土)。,土壤酸碱度影响:根据土壤pH的高、低,有中性土、碱性土和酸性土之分。pH的变化引起微生物的种类和数量的变化, 中性土和偏碱性土适合细菌和放线菌生长, 酸性土适合霉菌和酵母菌生长。
11、 西北黑垆土:细菌2000104个g(土),垆 放线菌710104个g(土), 真菌7.5103个g(土)。 粤南红壤: 细菌62104个g(土), (酸性) 放线菌60104个g(土), 真菌6.0104个g(土)。 可见,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。,(一) 土壤中微生物的种类和数量,(二) 微生物在土壤中的分布特点,()土壤是微生物最适生存环境(肥土:几亿几十亿个微生物/克土;贫瘠土:几百万几千万个微生物/克土) ()微生物在土壤中分布呈季节变化,春秋季高峰(种类、数量)。 ()细菌数放线菌真菌藻类原生动物后生动物 ()土壤中微
12、生物的水平分布取决于碳源,垂直分布与紫外辐射、营养、水、温度、O2有关。,土壤中微生物的种类: 按对氧的需求分:中温好氧和兼性厌氧菌。 以生化功能分:氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌、固氮细菌(根瘤菌和褐球固氮菌)、纤维素分解菌、硫细菌、磷细菌、钾细菌及铁细菌等。其中以芽孢杆菌为最多,如需氧芽孢杆菌、厌氧芽孢杆菌、产色芽孢杆菌和不产色芽孢杆菌、腐生性球状菌群。 放线菌有诺卡氏菌属、链霉菌属和小单胞菌属。 霉菌有分解纤维素、木质素、果胶及蛋白质的属和种。霉菌的菌丝体积累在土壤中起改良土壤团粒结构的作用。 酵母菌多在果园、养蜂场、葡萄园等土壤中分解糖类物质。 藻类有硅藻、绿藻和固氮蓝藻。 节杆菌属和
13、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、芽孢杆菌属和一些放线菌随土壤动、植物残体数量变化而变化。,土壤中微生物的种类: 按对氧的需求分:中温好氧和兼性厌氧菌。 以生化功能分:氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌、固氮细菌(根瘤菌和褐球固氮菌)、纤维素分解菌、硫细菌、磷细菌、钾细菌及铁细菌等。其中以芽孢杆菌为最多,如需氧芽孢杆菌、厌氧芽孢杆菌、产色芽孢杆菌和不产色芽孢杆菌、腐生性球状菌群。 放线菌有诺卡氏菌属、链霉菌属和小单胞菌属。 霉菌有分解纤维素、木质素、果胶及蛋白质的属和种。霉菌的菌丝体积累在土壤中起改良土壤团粒结构的作用。 酵
14、母菌多在果园、养蜂场、葡萄园等土壤中分解糖类物质。 藻类有硅藻、绿藻和固氮蓝藻。 节杆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、芽孢杆菌属和一些放线菌随土壤动、植物残体数量变化而变化。,表7-1 1g土壤中各种生化功能细菌的数量 单位:104个/g(土),用生活污水灌溉的农田或土地处理场,1g土壤中不同生化功能的细菌数如表7-1所示。,三、 土壤自净和污染土壤微生物生态,(一)土壤自净 土壤自净: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自然降解能力,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
15、净化过程,称土壤自净。 机理: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为稳定的无毒的无机物。 环保利用:污水生物处理中的生物膜法就是土壤自净的人工强化。,(二) 污染土壤的微生物生态,诱发产生微生物新品种:污(废)水长期灌溉土地会引起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。 污水灌溉不能超过土壤的自净能力,否则会造成土壤污染。 有毒废水不可农田灌溉和土地处理。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。,四、土壤污染和土壤生物修复,4.1 土壤污染来源 (1)有毒废水的农田灌溉 (2)有毒
16、废水的土地处理 (3)固体废弃物的堆放和填埋等的渗滤液 (4)地下储油罐泄漏以及喷洒农药。 主要污染物质有:农药、石油烃类(苯、二甲苯、甲苯、酚类)、NH3、重金属等。 4.2 不良后果 (1)改变土地理化性状,使土壤盐碱化、板结。 (2)毒害植物、微生物,破坏土壤生态平衡。 (3)有毒物质被植物富集食物链人体,或通过各种渠道随水源进入人体。 (4)各种病原微生物、寄生虫卵,通过各种途径水体人体。,4.3 土壤生物修复,4.3.1 概念 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。 4.3.2
17、土壤生物修复技术 土壤修复的工作步骤: ()调查污染地的本底资料 ()制订治理方案,进行适当的可行性试验 ()技术实施,土壤修复技术的关键,()微生物种 “土著”微生物 从污染土壤中选育优势菌种 质粒育种或基因工程构建菌种 ()微生物营养:参照: 一般土壤微生物碳氮比:25:1、 污水好氧生物处理碳氮比:BOD5:N:P=100:5:1,()溶解氧,土壤的结构、土质不同,污染物数量不等,其中的溶解氧量随之不同。通气良好的土壤溶解氧5mg/L左右,黏土和积水土溶解氧极低,加上有污染物,溶解氧更低。为保证好氧微生物和兼性厌氧微生物旺盛生长,有效分解污染物,用鼓风机向地下鼓风,使微生物对污染物的好氧
18、分解有足够的氧量。 鼓风可使土壤溶解氧达812 mg/L。 通纯氧可达50 mg/L。 若含有较多的苯和低碳烷基苯,则需更多溶解氧如20200 mg/L,才能满足微生物需要,苯等污染物才能被氧化彻底。,采取措施促进土壤微生物降解污染物:,投加适量表面活性剂:多数污染物为非水溶性,不容易与微生物混合、接触,影响微生物吸附、吸收污染物。投加适量的表面活性剂,帮助微生物吸收污染物。 投加高效降解菌为土著微生物解毒:为避免污染物抑制“土著”微生物,先投加高效降解菌分解污染物,为土著微生物解除毒性。通过一段适应期,“土著”微生物才能发挥降解作用。 还需加刺激微生物生长的药物:如适量(100200mg/L
19、)的H2O2有增氧作用,释放O2,为好氧微生物和兼性厌氧微生物提供更多的最终电子受体,促进微生物快速生长。加速污染物分解。,()微生物的环境因子,适量的水、pH和温度对于土壤的微生物修复也有很大的影响。,4.3.3 土壤生物修复工程 ()微生物修复法,原位生物修复 原位生物修复是将受污染土壤在原地处理。 适于: 污染面积大、污染不严重的土壤修复。 特点:原位生物修复工艺简单,费用低,但处理速度慢。,方法:土壤基本不被搅动,对土壤的水饱和区加入营养盐、氧源(多为H2O2);注入微生物以提高生物降解的能力。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
20、取地下水,使地下水呈流动状态,促使微生物和营养物均匀分布。地下水经过46月处理后,恢复到原来水平,加入土壤改良剂,地下水就可循环使用。,生物通风,生物通风是改进和强化原位修复的一种方法,用于处理因储油罐泄漏而污染的土壤。与原位处理不同的是气体流动,气体发生变化。如图:,异位生物修复,a.现场处理法:以土壤耕作方式处理 方法:将含污染废物的土壤施在土壤上,通过施肥、灌溉和加石灰等措施,进行耕作翻土以改善土壤的通气状况,保持最合适氧量、水分和pH,依赖土著微生物的作用,降解施在土层中的污染物。为提高处理效果可投加驯化的微生物增强降解作用。,b.预制床(挖掘堆置)法,方法: 事先挖掘一定形状和规模的
21、预制床(类似固体废物的填埋),铺设滤液收集管道、水循环管道系统和排水系统。在预制床的底部铺上渗透性低的物质,如高密度的聚乙烯或黏土。再将污染土壤转移到预制床上,通过施肥、灌溉、调节pH,适当添加表面活性剂,再加入微生物降解其中的污染物。,c.堆置处理法:类似有机固体废物的堆肥 d.生物反应器法:生物泥浆反应器处理 生物反应器的处理过程: 先将污染土壤挖出,以土水比12的比例与水混合为泥浆,然后转送入反应器内。加入经驯化的微生物、营养盐及表面活性剂以提高降解速率,温度控制在2025 。并通空气。其内有搅拌装置,可使土壤、微生物等充分混合,因而处理速度较快,效果好。,e.厌氧生物修复法:如在土壤泥
22、浆反应器中,投加厌氧颗粒污泥修复芳香烃污染的土壤。,(2)植物修复技术,利用植物对某些污染物的超强吸附、积累,对某些污染物的植物代谢、转化与矿化,植物根吸收、根分泌物与根际、根系微生物对污染物代谢、转化与矿化,两者的共代谢增强降解污染物的活性,加速土壤污染物的降解过程。 例:苜蓿草、蒲公英、龙葵、小白酒花等具有超富集能力,对镉、镉铅铜锌复合污染物耐性均较强,对镉有较高的吸附能力。,污染土壤的植物修复技术的作用:,植物提取:是利用植物吸收积累污染物,待收获后再进行处理。其处理方法有:热处理、微生物处理和化学处理。 植物降解:植物降解是利用植物根系吸收、根际和根系微生物将污染物转化为无毒物质。 植
23、物稳定化:是植物的根系和土壤的共同作用下,将污染物固定,以减少其对生物与环境的危害。,植物生物修复的优点: 利用太阳能作动力,处理费用低,减少场地破坏等。 据美国实践,每年每立方米的处理费为0.021.00美元,比物理化学处理的费用低许多。,第三节 空气微生物生态,一、空气的生态条件 空气的特点: 较强的紫外辐射; 空气干燥; 温度变化大; 缺乏营养。 不宜微生物生长繁殖,是微生物暂时停留和传播的场所。,二、空气微生物的种类、数量和分布,1、空气微生物的种类 空气微生物没有固定的类群,在空气中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。 从高空分
24、离到的细菌有:产碱杆菌属、芽孢杆菌属、八叠球菌属、冠氏杆菌属、小球菌属。霉菌有曲霉属、链格孢菌属、枝孢属、单孢枝霉属及青霉属。 室内空气中存在多种致病微生物。此外,还有白色葡萄球菌、金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌(即铜绿假单胞菌)、沙门氏菌、大肠杆菌、白喉杆菌、肺炎球菌及结核杆菌、军团菌、病毒粒子、阿米巴(变形虫)胞囊、立克次氏体等。,2. 微生物来源:尘土飞扬、小水滴飞溅、人及动物的干燥脱落物、咳嗽、打喷嚏等 3. 微生物分布 室外:环境卫生、绿化程度 室内:人员密度、空气流通状况、室内卫生等。,表72 不同场所上空微生物的数量 单位:CFU/m3 (空气),三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术
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