环境工程微生物学-微生物的生态教材

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1、 第 七 章 微 生 物 的 生 态 第一节 概 述 第二节 生态环境中的微生物 第三节 微生物与生物地球化学循环 第 七 章 微 生 物 的 生 态 海洋:赤潮(红潮 Red tide) 水体散发不良气味:土腥素(geosmin),硫醇 、吲哚、胺类、酮类等; 溶解氧下降:分解有机物及藻类残体造成细菌的 大量繁殖,消耗掉水中的氧气。 水生生物大量死亡。 有些产生毒素:甲藻产生石房毒素、进入食物链 。 滇池蓝藻水华 收集区里,自 动吸藻器在吸 取厚达5 cm的 微囊藻水华。 4 优势藻 种 海洋中引起赤潮的主要藻种多为 甲藻纲,常见的有:甲藻属、膝 盖藻属、多甲藻属; 湖泊水华产生以蓝细菌为主

2、:微 囊藻属、鱼腥藻属、束丝藻属、 颤藻等属的一些种,有些能固氮 。 5 富营养化的检测与防 治 监测:N、P元素的含量,水体中N0.3mg/L 、P0.03mg/L时,藻类生长加快。 日本学者提出,按下式计算: 耗O2量 无机N(g/L) 无机P(g/L) 1500 若结果 1,富营养化将出现。 1 v评价水体富营养化的方法与 AGP 评价水体富营养化的方法是: 观察蓝藻等指示生物; 测定生物的现存量; 测定原初生产力; 测定透明度; 测定氮和磷等导致富营养化的物质。 将五方面综合起来对水体的富营养化作 出全面、充分地评价。为了控制排入水 体的废水量和水质,以便采取防止废水 对水体产生负面影

3、响的措施,必须测定 该废水中藻类的潜在生产力(AGP)。 AGP即藻类生产的潜在能力。把特定的藻 类接种在天然水体或废水中,在一定的光 照度和温度条件下培养,使藻类增长到稳 定期为止,通过测干重或细胞数来测其增 长量。此即藻类生产的潜在能力(AGP)。 欧、美已制订藻类培养试验标准法,日 本也在使用。具体藻类培养试验的培养 方法如下: 藻种:羊角月芽藻、小毛枝藻、小球藻 属、衣藻属、谷皮菱形藻、裸藻属、栅 列藻属、纤维藻属、实球藻属、微囊藻 属及鱼腥藻属等。 方法: 将培养液用滤膜(1.2m)或高压蒸汽灭菌 器(121C,15min)除去SS和杂菌。 取500mL置于L型培养管(1,000mL

4、),接 入羊角月芽藻,将培养管放在往复振荡器 上(3040r/min),20,光照度为4,000 6,000 lx条件下振荡培养720d(每天照明 培养14h,暗培养10h)后, 取适量培养液用滤膜过滤,置105烘至 衡重,称干重,计算藻类中的干重即为该 水样的AGP。 日本天然水体贫营养湖的AGP在1 mg L,中营养湖AGP为l10mgL,富营 养湖AGP为550mgL。若加人生活污 水处理水,AGP明显增加。 防治: 加强生态管理:防止含N、P及生活污水未经 处理直接排入河流; 污水深度处理:彻底去除有机污染物; 化学杀藻:漂白粉、CuSO4 (0.10.5mg/L) 撒入产生赤潮的河流

5、或海洋; 生物杀藻剂:寻找藻类的致病微生物; 混层法:人为增加溶氧,强力搅拌,防止藻 类过度繁殖。 这是“滇池蓝藻水华污染控制技术研究”基 地的重力斜筛自动脱水设备在对滇池蓝藻 水华进行脱水处理。脱水后形成的藻浆经 去毒处理,成为上好的有机肥料或饲料。 中科院水生所“滇池蓝藻水华污染试验技术研究”课 题组示范区6.1 km2的滇池水面在治理中水质逐渐 好转,成群的红嘴鸥飞至湖面捕食、嬉戏。 返回 第 七 章 微 生 物 的 生 态 |大气中的微生物 u大气中没有固定的微生物种类 。 u大气中的微生物来源于土壤、 水体和其他微生物源。 不同地点大气中的微生物数量 地点 微生物数 量 /CFum

6、-3 北极(北 纬800) 0 海洋上空l-2 市区公园200 城市街道5000 宿舍20000 畜舍 1000000- 2000000 第 七 章 微 生 物 的 生 态 |极端环境下的微生物 u极端环境下微生物的研究意义 u类群 l嗜热微生物 l嗜冷微生物 l嗜酸微生物 l嗜碱微生物 l嗜盐微生物 l嗜压微生物 l抗辐射微生物 第 七 章 微 生 物 的 生 态 |动物体中的微生物 l微生物和昆虫的共生 l瘤胃共生 l发光细菌和海洋鱼类的共生 第 七 章 微 生 物 的 生 态 |植物体中的微生物 l植物表面微生物与植物病害 l微生物和植物根相互关系 l蓝细菌和植物的共生固氮 第 七 章

7、微 生 物 的 生 态 u微生物和植物根相互关系 l 根际微生物(rhizosphere microorganisms) l菌根(mycorrhiza) l共生固氮 l根瘤菌和豆科植物的共生固氮 l放线菌和非豆科植物共生固氮 Rhizobium nodules on a pea root 第 七 章 微 生 物 的 生 态 |人体微生物 z皮肤 z口腔 z胃肠道 |病原微生物通过水体的传 播 |病原微生物通过土壤的传 播 |病原微生物通过空气的传 播 通过水传播的主要病原微生物及所引发的传染病 细细菌 病原微生物潜伏期临临床症状细细菌 空肠肠弯曲杆菌2-5天胃肠肠炎,常伴有发热发热 产肠产肠

8、道毒素大肠肠埃希氏菌6-36h胃肠肠炎 沙门门氏菌属6-48h胃肠肠炎,常伴有发热发热 ;伤伤寒或肠肠外感染 伤伤寒沙门门氏菌10-14天伤伤寒 发热发热 、厌厌食、不适、短暂暂疹、脾肿肿大 志贺贺氏菌属12-48h胃肠肠炎,常伴有发热发热 和血样样腹泻 霍乱弧菌011-5天 胃肠肠炎,常有明显显的脱水 小肠结肠肠结肠 炎耶尔森氏菌3-7天 胃肠肠炎,肠肠系淋巴结结炎,或急性末端回肠肠炎 ;可能类类似阑阑尾炎 病毒 A型肝炎病毒2-6星期肝炎恶恶心、厌厌食、黄疸和黑尿 诺诺沃克病毒24-48h胃肠肠炎短期 轮轮状病毒24-72h胃肠肠炎常有明显显脱水 原生动动物 痢疾内变变形虫2-4星期 从温

9、和的胃肠肠炎到急性暴发发性痢疾 ,有发热发热 和血样样腹泻 表吮贾贾第虫1-4星期 慢性腹泻,上腹部疼痛,胃胀胀,吸收 不良和消瘦 第 七 章 微 生 物 的 生 态 第三节 微生物与生物地球化学循环 碳循环 氮循环 硫循环 磷循环 铁循环 锰循环 第 七 章 微 生 物 的 生 态 一、生物地球化学循环 (biogeochemical cycles) 指生物圈中的各种化学元素,经生 物化学作用在生物圈中的转化和运 动的过程。 是地球化学循环的重要组成部分。 第 七 章 微 生 物 的 生 态 碳、氮、磷、硫的循环受二个 主要的生物过程控制,一是光 合生物对无机营养物的同化, 二是后来进行的异

10、养生物的矿 化。实际上所有的生物都参与 生物地球化学循环。微生物在 有机物的矿化中起决定性作用 ,地球上90%以上有机物的矿 化都是由细菌和真菌完成的。 二、碳循环 (一)碳在生物圈中的总循环 Carbon cycle/recycle 第 七 章 微 生 物 的 生 态 (二)碳循环主要途径 CO2固定 生物多聚物的分解 (1)淀粉 (2)纤维素和半纤维素 (3)果胶质 (4)木质素 (5)脂类 第 七 章 微 生 物 的 生 态 (1)淀粉分解 在磷酸化酶作用下分解 在淀粉酶作用下分解 第 七 章 微 生 物 的 生 态 (2)纤维素和半纤维素的分解 |纤维素 l化学组成 l纤维素酶 l微生

11、物 第 七 章 微 生 物 的 生 态 s微生物依次通过三种酶:内切 葡萄糖酶、外切葡萄糖(纤维二 糖水解酶) 和-葡萄糖苷酶(纤 维二糖酶)完成对纤维素的分解 。 s首先破坏纤维素的结晶状态, 打断氢键,内切酶切开(1,4) 糖苷键,外切酶从暴露的纤维 链素末端切下二糖单位,最后 -葡萄糖苷酶对纤维二糖水解 得葡萄糖。 第 七 章 微 生 物 的 生 态 |分解纤维素的微生物 |细菌、真菌、放线菌都有; |好氧细菌: 粘细菌较多,如生孢食纤维菌、 食纤维菌、堆囊粘菌; 镰状纤维菌、纤维弧菌。 u厌氧细菌: 产纤维二糖芽孢梭菌 嗜热纤维芽孢梭菌 u真菌:青霉菌、曲霉、镰刀霉、 木霉及毛霉. 第

12、 七 章 微 生 物 的 生 态 |化学组成 聚戊糖(木糖和阿拉伯糖); 聚己糖(半乳糖、甘露糖); 聚糖醛酸(葡萄糖醛酸和半乳醛糖 ) 半纤维素的分解 O 2 H 2 CO 有氧分解 有机酸、醇 无氧分解 单糖和糖醛酸 O 2 H 多缩醛酶 半纤维素 + u半纤维素的分解 第 七 章 微 生 物 的 生 态 u分解半纤维素的微生物 z细菌:芽孢杆菌、假单 胞杆菌、节杆菌 z放线菌 z真菌:根霉、曲霉、小 克银汉霉、青霉、镰刀霉 第 七 章 微 生 物 的 生 态 (3)果胶质 |化学组成 z D-半乳糖醛酸以-1,4糖苷键构成的直 链高分子化合物; z存在于植物细胞壁和细胞间质中。 z造纸、

13、制麻废水中亦含有果胶物质 果胶的分解 第 七 章 微 生 物 的 生 态 |分解果胶的微生物: z好氧细菌:枯草芽孢杆菌、多粘芽孢杆 菌、浸软芽孢杆菌、无芽孢的软腐欧氏 杆菌; z厌氧细菌:蚀果胶梭菌和费辛尼亚浸麻 梭菌; z真菌:青霉、曲霉、木霉、小克银汉霉 、根霉和毛霉; z放线菌。 第 七 章 微 生 物 的 生 态 (4)木质素 l化学组成 苯丙烷单元通过醚键和碳碳键 连接并难以被水解的复杂无定形 高聚物。 l酶系 目前尚未完全清楚,研究较多 的有:漆酶、木素过氧化物酶、 锰过氧化物酶等 第 七 章 微 生 物 的 生 态 |木质素降解微生物: 白腐菌,属于担子菌,如干朽菌 、多孔菌、

14、伞菌; 以黄孢原毛平革菌研究较多,其 特点是培养温度高(37),无 性繁殖迅速,菌丝生长快且分泌 木质素降解酶能力强,已成为研 究白腐真菌的模式微生物。 厚孢毛霉; 假单孢菌的个别种 (5)脂类 l组成:由甘油和高级脂肪酸组成; l酶系:脂肪酶 脂肪+H2O 脂肪酶 甘油+高级级脂肪酸 类脂质+H2O 磷肪酶类类 甘油或其他醇类类 +高级脂肪酸+磷酸+有机碱类 蜡脂+H2O 脂酶类类 高级级醇+高级级脂肪酸 第 七 章 微 生 物 的 生 态 第 七 章 微 生 物 的 生 态 |降解微生物 |好氧为主要种类 |细菌:假单孢菌、分枝杆菌、 无色杆菌、芽孢杆菌和球菌; |真菌:青霉、曲霉、枝孢霉

15、、 粉孢霉 |放线菌中的有些种。 u思考: 植物多聚物的降解产物去向?其 生产和生态意义如何? 第 七 章 微 生 物 的 生 态 三、氮素循环 (一)定义 |自然界中不同氮化合物的在微 生物作用下的转化过程。 第 七 章 微 生 物 的 生 态 (二)氮素循环途径: 固氮作用 氨化(脱氨)作用 硝化作用 硝酸盐还原与反硝化作用 第 七 章 微 生 物 的 生 态 1、固氮作用 (1)定义:N2被还原为氨和其 它氨化物的过程。 (2)类型: l非生物固氮: 雷电、合成氨工业 l生物固氮: 占全部固氮量的75%左 右。 第 七 章 微 生 物 的 生 态 l生物固氮作用 l微生物:原核微生物如固

16、氮菌、根瘤 菌与豆科植物的共生固氮、弗兰克氏 放线菌与非豆科植物的共生固氮 u生物固氮作用反应式 N2+6e+6H+nATP NH3+nADP+nPi |生物固氮(Biological Nitrogen Fixation)定义 |固氮微生物 z自生固氮菌 z共生固氮菌 z联合固氮菌 分布于根际、叶面、动物肠 道等处 好氧自生固氮菌 兼性厌氧自生固氮菌 厌氧自生固氮菌 根瘤 豆科植物 植物 地衣 满江红鱼腥藻 地衣 满江红鱼星藻 |根瘤菌和根瘤的形成 z根瘤与根瘤菌的形态 z根瘤菌特点 感染性-结瘤 专一性-互接种族 有效性-固氮 z根瘤的形成 根毛弯曲松驰变软 根瘤菌侵入根毛 根瘤形成 |固氮作用生化机制 z生物固氮反 应的6要素 z测定固氮酶活力的乙方法 z固氮的生化途径 z固氮酶的产氢反应 ATP的供应 还原力及其传递载体

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