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1、8 微生物生态学基础,8.1生态系统与生态平衡 8.2土壤微生物生态 8.3空气微生物生态 8.4水体微生物生态 8.5极端环境中的微生物 8.6生态因子及其作用的基本规律 8.7微生物之间的生态关系 8.8微生物的群落特征 8.9其他一些重要知识点 8.10复习题,二、水体污染与水体的自净,（一）水体污染 （二）水体自净的概念 （三）水体自净的基本原理 （四）水体的自净过程及其生态学特征变化 （五）水体自净的评价指标,（一）水体污染,由于人类活动而排放的污染物进入水体，使水体和水体底泥的物理、化学性质或生物化学性质发生变化，从而降低了水体的使用价值，这种现象称为水体污染。 水体污染的最主要原
2、因是工业废水的排放。 废水中的污染物种类极多，一般可分为无机无毒物、无机有毒物、有机无毒物和有机有毒物。此外，还有放射性物质、生物污染物质和热污染等。,（二） 水体自净的概念 （参考教材P304）,水体自净是指水体在接纳了一定量的污染物后，通过理、化学和水生生物(微生物、动植物)等因素的综合作用后得到净化，水质恢复到受污染的水平和状态的现象。 水体自净能力是有限度的，当进入水体的污染物总量超过了其自净容量，就会导致水体污染。水体的自净容量是指在水体正常生物循环中能够同化有机污染物的最大数量，又称同化容量。 影响水体自净过程的因素包括受纳水体的地形和水文条件、水中微生物的种类和数量、水温和复氧状
3、况、污染物的性质和浓度等。,（三）水体自净的基本原理,（1）沉淀、稀释、混合、挥发等物理过程； （2）氧化还原、分解化合、吸附凝聚、离子交换等化学和物理化学过程； （3）厌氧和好氧微生物代谢的生物化学过程。 各种净化过程同时发生，相互影响，相互交织进行。 （参考教材P305）,在以上水体净化过程中，只有微生物的降解作用，才能将进入水体的有机物质彻底清除，所以，可以通过水体中微生物的代谢作用，使污染水体的生态得以修复。同时，也可以有目的地培养和驯化特定的微生物群落（活性污泥），以处理各种工业有机废水和生活污水。,（四）水体自净过程的生态学特征变化,水体在接纳污染物后的自净过程，伴随着生物群落的演
4、替以及其他生态特性的变化。,以河流的自净作用为例,水体自净过程大致经历如下几个阶段： 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。 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，并用以构建自身有机体，水中溶解氧被大量消耗而急速下降以至为零，此时鱼类绝迹，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。,有机污染物在微生物代谢作用最终矿化，生成CO2、H2O、PO43-、NH4+和H2S等，而NH4+和H2S在硝化细菌和硫化细菌作用下，进一步被氧化为稳定的NO3-和SO42-。 随着水体的自净，有机物成为水体微生物生长繁殖的限制性因素，再加上
5、诸如阳光照射、温度、pH值和毒物等其他生态因子的变化，以及生物的拮抗作用，使前一阶段大量繁殖的细菌死亡，溶解氧上升，水质变清，高等水生动物重新出现，水体恢复到污染前的状态和功能，自净过程完成。,水体自净过程中溶解氧呈现出变化规律,水体自净过程中群落的演替现象 （P182）,1.肉足虫，2.植物性鞭毛虫，3.动物性鞭毛虫，4.吸管虫， 5.游泳型纤毛虫，6.细菌，7.固着型纤毛虫，8.轮虫,（五）水体自净的评价指标,（1）P/H指数 P代表光能自养型微生物，H代表异养型微生物，二者的比值即P/H指数。P/H指数反映水体污染和自净程度。 水体被污染的初始阶段，水中有机物浓度高，异养型微生物大量繁殖
6、，P/H指数低，自净的速率高。随着自净过程的进行，异养型微生物数量减少，而光能自养型微生物数量增加，故P/H指数升高，自净速率逐渐降低。,（2）氧浓度昼夜变化幅度,当河流受到有机物污染后，在污染源下游的一段流程里会发生水体自净过程。在此过程中，一方面，水体中的有机污染物逐渐减少，污染程度逐渐减轻；另一方面，水体生态系统的结构也发生着相应的变化，在不同的河流区段出现不同的生物种类。根据不同区段的物化性质和生物群落的结构特征，可以将河流延水流方向划分为不同的污化带（zone），由这些连续的污化带组成了河流的污化带系统(saprobic system)。,三、河流污化带系统及其生态学特征 （参考教材
7、P306-309）,河流污化带系统一般划分为四个连续的污染带：多污带、-中污带、-中污带和寡污带。每个带均有各自的物理、化学及生物学特征，可用以评价河流的污染程度和自净程度。 （阅读教材P306-308）,（1）多污带（polysaprobic zone）,多处在废水排放口下游附近，水质浑浊，多呈暗灰色，污染物浓度很高，溶解氧趋于零，为厌氧状态。 其细菌数量大，种类多，以厌氧菌和兼性厌氧菌为主。 在微生物分解有机物过程中，产生大量H2S、CH4和CO2等气体，具有强烈的臭味。 多污带的指标生物有浮游球衣细菌、贝氏硫细菌、颤蚓、蜂蝇蛆和水蚂蟥等。,（2）-中污带(mesosaprobic zon
8、e),继多污带之后，污染程度仍很严重，水质状况与多污带近似，水质为灰色而浑浊。 -中污带中的溶解氧浓度比多污带略有提高，已开始出现氧化作用，但水平仍然极低，为半厌氧条件，仍有较多H2S的生成。 微生物仍然以细菌为主，总量很高，但生物的种类并不丰富。在-中污带中还出现了吞食细菌的轮虫类和纤毛虫类，另外，还有蓝藻和绿色鞭毛藻类，颤蚓仍大量滋生。,(3)-中污带,特点是氧化作用比还原作用占优势，水的透明度大大增加，溶解氧浓度显著提高，有时还可达到饱和程度。有机物污染物基本上完成无机化过程，含氮化合物转化为铵盐、亚硝酸盐和硝酸盐，水中H2S含量也极低。 生物学特征是种类上的多样化，其主要生物种类是蓝藻
9、、绿藻、硅藻等各种藻类，还有轮虫、甲壳动物和昆虫，细菌数量显著减少 ；还出现螺类及一些较高等的，但耐污能力较强的水生生物，如泥鳅、鲫鱼、黄鳝、鲤鱼等野生杂鱼类。,（4）寡污带（oligosaprobic zone）,水质已接近清洁水体，溶解经常达到饱和状态，有机物浓度很低，水质清澈，pH值为69，适合于生物的生存。 寡污带细菌数量大大减少，而生物种类极为丰富，且都是需氧性生物。一些水生昆虫幼虫，如蜉蝣幼虫、石蚕幼虫和蜻蜓幼虫等均出现在寡污带中（可作为寡污带的指示生物）。 此外，水中还有大量的浮游植物，如硅藻、甲藻、金藻等等，动物中还有苔藓虫、水螅、海绵类等，鱼的种类也很多。,总结（参考教材P3
10、09）,从多污带到寡污带，呈现污染物浓度逐渐降低，细菌数量由多变少，生物种类由少到多的变化规律。 在利用指示生物对水体污染程度进行监测和评价时，应结合多种因素综合分析。因为生物种类和数量的分布不仅受环境污染的影响，地理和气候条件，以及河流的底质、流速、水深等对生物的生存和分布也有重要影响。 由于河流污化系统只能定性地反应水体受污染的状况，对污染物的种类和数量不能精确地定量，因此，在实际工作中，应结合化学分析的结果才能准确全面地反映水体自净的过程。,8.5极端环境中的微生物,极端自然环境(Extreme Natural Environment)是指绝大多数生物均无法生存的环境，它由某些特有物理和
11、化学条件组成，其中生活着与之相适应的特有微生物。 极端环境微生物包括嗜冷菌(Psychrophile)、嗜高温菌(Thermophile)、嗜盐菌(Halophile)、嗜压菌(Barophile)、嗜酸菌(Acidophile)、嗜碱菌(Alkophiles)以及抗辐射、抗干燥、抗低营养浓度和高浓度重金属离子的微生物。,这些微生物具有一般微生物所没有的特殊生理和遗传功能。 因为这些微生物在冶金、采矿、燃料生产、发酵、石油开采、酶学工艺等方面有重要的用途，并且是研究生物适应异常环境的良好材料，所以研究极端自然环境中的微生物具有重要的理论和实际意义。,本节内容请同学们自学！ P146-149,8
12、.6生态因子及其作用的基本规律,一、生态因子 二、生态因子作用的基本规律,一、生态因子,从环境中分离出的各个要素即为环境因子，其中，对微生物生长发育具有直接或间接影响的环境要素，称为生态因子。 （P149） 生态因子中各要素可分为非生物因子和生物因子两大类。前者包括温度、光、渗透压（水的活度）、pH、氧化还原电位和营养物质等物理、化学因子；后者包括竞争、捕食、共生、互生、拮抗、寄生等。 （P151） 目前国内外还有几种分类方法，如密度制约因子与非密度制约因子，周期因子与非周期因子等。,二、生态因子作用的基本规律,（1）限制因子定律 （2）最低量定律 （3）耐受性定律 （4）生态因子的不可替代性
13、和代偿作用 （5）生态因子的综合作用规律,（1）限制因子定律 （P149）,在特定条件下，对某种微生物来说并非所有的环境因子都有同样的重要性，其中某个或某几个因子可能达到或接近该微生物的耐受极限，这些环境因子即限制因子（limiting factor）。,由于限制因子决定着其他因子对生物的关系而居于主导地位，因此又称为主导因子。 对于某一微生物而言，那些耐性限度很窄而又容易变化的环境因子最容易成为其生长的限制因子。 限制因子或主要因子并不是绝对的，它随时间、空间和生物的不同生活期而变化,（2）最低量定律（P149）,德国化学家利比希（Liebing）在研究土壤营养对谷物产量的影响中发现，一块田
14、地上谷物产量的增减与有机肥料中矿质营养转运给植物的多寡成正比。每种植物都需要一定种类的和一定数量的营养物质，如果环境中缺乏其中一种，植物就会死亡；倘若某一种营养物质供给的数量减少到最低限度，植物的生长和发育将是最低限度的，此即利比赫最小因子定律。,后来人们把这种思想称之为“最低量定律”，即在稳态条件下，生物所能利用的物质（生态因子）量达到最低限度，会对生物生长发育起限制作用，这种物质则成为限制因子。,（3）耐受性定律（P150）,由美国生态学家谢尔福德（Shelford）提出。主要内容：生态因子在最低量时可以成为限制因子，但如果因子过量，超过生物体的耐受程度时，也可成为限制因子。每种生物对某一
15、环境因子都有一个生态上的适应范围，即有一个最低点和一个最高点，两者之间的幅度为耐受限度，即生态幅（ecological amplitude）。,各种生态因子对微生物的影响大多遵循这一规律。不同的生态因子对特定的微生物所具有的生态幅有宽有窄，因而常分为狭适性和广适性。如狭温性微生物所具有的温度生态幅较窄，而广温性微生物所能适应的温度范围较宽。此外还有狭盐性和广盐性、狭食性和广食性等。,（4）生态因子的不可替代性和代偿作用 （P151）,当一个特定因子处于极小量时，其他大量或过量的因子将起替代作用，这就是所谓的因子替代作用。例如，软体动物的壳需要钙元素，钙可能是限制因子，若环境中有较多的锶元素，则
16、能够部分地替代钙。但这种替代作用并不常发生，大多数生态因子具有不可替代性。,另一种现象是在一定条件下，某因子在量上的不足可由相关的生态因子的增加或加强而得到补偿，即生态因子的可调剂性或补偿作用。例如，藻类生长中若增加CO2的浓度，则可补偿由于光照减弱所引起的光合强度降低的效应。,（5）生态因子的综合作用规律,环境中的各种生态因子不是孤立存在的，它们之间是彼此相互联系、相互促进、相互制约的，某个生态因子对生物的生态效应总是在其他各种生态因子的配合中才能发挥出来。所以，一个生态因子的效应可因与不同因子的配合而产生不同的生态效应，固定不变的最适因子范围是不存在的。一个生态因子的变化都可能改变其他因子的适宜程度或效能。上面提到的生态因子之间的代偿作用，就可以看作是生态因子综合作用的一种结果。,生态因子的综合作用还突出表现在增效和减效作用两个方面。两个或多个生态因子在一起作用于生物的生态效果超过各单个因子作用之和时，称为生态因子间的增效作用；当两个或多个生态因子在一起作用于生物的生态效果不及单个因子作
