{生物科技管理}7和8微生物生态及物质转化

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1、第六章 微生物的生态,一、生态系统 二、土壤微生物生态 三、空气微生物生态 四、水体微生物生态,一、生态系统,（一）概念 个体：某一具体的生物单个个体，是组成种群的单位。 种群：特定空间内同一物种的个体集合。 群落：特定空间内所有生物种群的聚合体。 生物圈：地球上的所有生物。,生态系统：一定时间和空间内由生物与其生境通过能量流动和物质循环所组成的一个动态系统。生态系统=生物群落+环境条件,生态系统中的物质循环和能量流动,1、微生物是有机物的主要分解者；,2、微生物是物质循环中的重要成员；,3、微生物是生态系统中的初级生产者；,4、微生物是物质和能量的贮存者；,5、微生物在地球生物演化中的作用；

2、,微生物在生态系统中的角色,微生物生态系统的特点,（1）微生物生态系统的多样性 ； （2）微生物生态系中的种群多样性 ； （3）微生物生态系统的稳定性 ； （4）微生物生态系统的适应与演替性 ； （5）微生物群落中的遗传交流 ； （6）微生物生态系统中的物质流和能量流,二、土壤微生物生态,细菌（108）放线菌（107）霉菌（106）酵母菌（105）藻类（104）原生动物（103）,细菌,每克肥土可含亿个细菌 枯草芽孢杆菌最多,放线菌,多分布在有机物较丰富的碱性土壤中,诺卡氏菌属、小单胞菌属，链霉菌属 （几万几百万）克土壤,土壤中放线菌数量仅次于细菌,由于菌体大，其生物量与细菌接近,真菌,真菌主

3、要分布在接近地面的土层中,以丝状体和孢子体形式存在于土壤中,(几千几十万个)/每克土壤，,由于菌体粗大，其生物量不低于细菌，放线菌，为0.6mgg土壤，菌丝最长可达米。 霉菌：分解纤维素、木质素、果胶素。 如酵母在果园土壤里含量几十万个g土壤。,藻类和原生动物,藻 类 （万个克土） 原生动物 （万个克土）,纤毛虫，鞭毛虫、肉足虫等为主，它们以其它微生物和有机物碎片为食，对其它几类微生物的数量起调节作用。,2.2 土壤环境的污染与净化,土壤污染的概念 土壤环境的自净作用 土壤污染物及污染源,土壤污染指进入土壤的污染物超过土壤的自净能力，而且对土壤、植物和动物造成损害的状况。 土壤自净指土壤对施入

4、一定负荷的有机物或有机污染物具有吸附和生物降解的能力，通过生物、化学和物理等过程自动分解污染物使土壤恢复到原有水平。,污染物：有机污染物、无机污染物 污染源：工业污染源、农业污染源 问题？土壤的环境因素对土壤的自净能力有什么的影响？,生物修复：采用工程化技术，利用微生物将环境中的有毒、有害物质降解，使其转化为无害物质的方法称为生物修复。,土著微生物 外来微生物 基因工程菌,用于生物修复的微生物,2.3 微生物对土壤中污染物的降解,工业污染 农用化学制品 粪肥和垃圾 固体废物含有对农业十分有用的有机物质和植物营养物质，改良土壤，培肥地力的作用显著。 也含有许多有毒有害的物质。未经处理的城市垃圾，

5、特别是人畜粪便和医疗单位的废弃物中含有大量的病原体，施到土壤后能存活相当长的时间。垃圾中的重金属如汞、铅、镉、锌、锰和有机污染物等是造成化学污染的重要原因 。城市垃圾处置不当，也容易引起大气和水源的污染。,2.3.1 土壤有机污染及其修复 （1）石油污染土壤的主要途径：污灌、大气污染、溢油事件、车辆污染。 （2）对土壤的污染：粘着在土壤根部，影响根呼吸，引起烂根；进入食物链；抑制微生物的活性。,（3）石油的转化,提问：什么是石油？ 石油是含有烷烃、环烷烃、芳香烃及少量非烃化合物的复杂混合物。石油污染主要出现在采油区和石油运输事故现场以及石化行业的工业废水中。,有机物的生物降解性 与分子结构有关

6、,（4）降解石油的微生物,降解石油的微生物很多，据报道有200多种 细 菌 假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产碱杆菌属放线菌 诺卡氏菌 酵母菌 假丝酵母 霉 菌 青霉属、曲霉属 藻 类 蓝藻和绿藻,芳香烃,芳香烃普遍具有生物毒性，但在低浓度范围内它们可以不同程度的被微生物分解。,已知降解不同芳香烃的细菌类别,先被氧化为邻苯二酚，这样各类芳香烃在降解的后半段是相同的，可表示如下：,2.3.2 农业固体废弃物污染,（1）糖类污染物 提问：哪些会成为土壤污染物？ 难溶的多糖，且当一些难溶解的多糖数量较大时才会使自净时间大大增加，从而对环境造成污染。这类多糖主要是纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉。

7、,（2）纤维素的转化 葡萄糖高聚物，每个纤维素分子含140010000个葡萄糖基（1-4糖苷键）。 来源：棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水及城市垃圾等，其中均含有大量纤维素。 A微生物分解途径,B分解纤维素的微生物,好氧细菌粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌 厌氧细菌产纤维二糖芽孢梭菌、无芽孢厌氧分解菌及嗜热纤维芽孢梭菌。 放 线 菌链霉菌属。 真 菌青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。,（3）半纤维素的转化,存在于植物细胞壁的杂多糖。造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。 分解过程 TCA循环 聚糖酶 CO2 + H2O 半纤维素 单糖 + 糖醛酸 H2O 各种发酵产物 厌氧分解 分解纤维素的微生

8、物大多数能分解半纤维素。 许多芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌及放线菌能分解半纤维素。霉菌有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。,Lignin 木质素,木质素 空腔 纤维素,（4）木质素的转化,木质素存在于除苔藓和藻类外所有植物的细胞壁中，由松柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度分枝多聚物。,自然界中哪些微生物能够进行木质素的降解呢？,确证的只有真菌中的黄孢原毛平革菌，疑似的只有软腐菌。,黄孢原平毛革菌(Phanerochaete chrysosprium)是白腐真菌的一种，隶属于担子菌纲、同担子菌亚纲、非褶菌目、丝核菌科。 白腐树皮上木质素被该菌分解后漏出白色的纤维素部分。,固体垃圾堆肥及农用效果

9、： 1.改良土壤结构，提高土壤保水保肥能力。 2.提高土壤肥力 。 3.增加作物产量 ，提高农产品的品质。,碳从无机环境进入生物群落的途径：,碳元素的含量：占生物体干重的,49%,碳的存在形式：,在无机环境中： 在生物群落中：,CO2、碳酸盐,有机物,绿色植物的光合作用,碳从生物群落返回无机环境的途径：,生物的呼吸作用,微生物的分解作用,煤、石油等燃料的燃烧,碳在生物群落和无机环境间的循环方式：,CO2,三、空气微生物生态,不同条件下1M3空气的含菌量,空气中的微生物 （一）、分布及组成 正常无微生物生存条件 主要由飞尘引起 （二）、空气中暂时存在的病原微生物 主要由病畜污染引起，飞沫、咳嗽、

10、喷嚏、排泄物、分泌物的干燥引起，时间短暂。 （三）、空气消毒法： 外科手术生物药品制造，应保持周围空气中的无菌空气消毒 1消毒液喷雾 2熏蒸 KmnO4 福尔马林（40%甲醛）,空气中的微生物的数量是大气污染程度的标志之一 我国室内空气细菌总数卫生标准,（四）空气微生物检测,空气微生物的卫生标准 目前，还无统一的关于空气的卫生学指标，一般以室内1m3 空气中细菌总数为501,000个以上作为空气污染的指标。,表2-2 以细菌总数评价空气的卫生标准（个/m3 ）,空气的微生物监测,通常采用营养琼脂平板计数法。 我国检测空气微生物所用的培养皿直径为d90mm，有用d100mm的。 评价空气的清洁程

11、度，需要测定空气中的微生物数量和空气污染微生物。测定的细菌指标有细菌总数和绿色链球菌，在必要时则测病原微生物。,(一)空气微生物的测定方法,1固体法 固体法有平皿落菌法(沉降平板法)、撞击法(有缝隙采样器、筛板采样器、针孔采样器)和过滤法。 (1)平皿落菌法：将营养琼脂培养基融化倒人d90mm无菌平皿中制成平板。将它放在待测点(通常设5个测点)，打开皿盖暴露于空气510min，以待空气微生物降落在平板表面上，盖好皿盖，置于培养箱中培养48h后取出计菌落数，即为落菌数。,可通过前苏联奥梅梁斯基公式换算出浮游细菌数。 奥氏认为：5 min内落在面积100cm2营养琼脂平板上的细菌数和10L空气中所

12、含的细菌数相同。 奥氏公式： 式中：C空气细菌数； A捕集面积，cm2 ； t 暴露时间，min； N菌落数，个。,简化后的奥氏公式： 经测定发现，用奥式公式计算的浮游细菌数比实测的浮游细菌少。 此公式没有考虑尘埃粒子大小、数量、气流情况、人员密度和活动情况。,2 液体法,液体法用于测定空气中的浮游微生物，主要是浮游细菌。该法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，然后取一定量的菌液涂布于营养琼脂平板上，或取一定量的菌液于无菌培养皿中，倒入15-18ml融化(45)的营养琼脂培养基，混匀，待冷凝制成平板，置于37恒温箱中培养48h，取

13、出计菌落数。,以菌液体积和通入的空气量计算出单位体积空气中的细菌数。 例如：将10m3含菌空气通入100mL的无菌水中，使10m3空气中的微生物全部截留在100mL水中。然后取0.1 mL菌液涂布于平板上，若长出100个菌落，10mL水中共含菌10,000个，则10m3空气含有10,000个。1m3空气含有1,000个 。,空气微生物的检测点数,空气微生物的测点数越多越准确，为照顾到工作方便，又相对准确，以2030个测点数为宜，最少测点数为56。,四、水体微生物生态,（一）不同水体中微生物的种类 （1）淡水型水体的微生物 江、河、湖和水库 （2）海水型水体的微生物,（1）淡水型水体的微生物 地

14、球上水的总贮量有13.6亿km3，但淡水量只占其中2.7%，且绝大部分以雪山、冰原等形式存在 根据淡水中有机物含量的多少 根据光线、溶氧和温度等的差异微生物呈垂直分布,（2）海水型水体的微生物 海洋是地球上最大的水体，占地球总水量的97.5%，含盐量为3%左右； 微生物种类： 芽孢杆菌属、假单胞菌属、弧菌属和发光细菌等； 海洋微生物的垂直分布明显,表层：好氧性微生物 中层：紫硫细菌 底层：厌氧菌及硫酸还原菌,二、水圈中的微生物,（一）污染水体的微生物生态 多污带：BOD高，溶氧低。以厌氧菌和兼性厌氧菌为主，种类多，数量大。硫酸盐还原菌、产甲烷菌等。 -中污带：半厌氧状态，有机物量减少，BOD下

15、降，水面上有泡沫，氨、H2S等，生物种类稍多。蓝藻、裸藻、绿藻，原生动物等。,-中污带：有机物较少，BOD和悬浮物含量降低，溶氧升高，氨和H2S被氧化。细菌数量下降，藻类繁殖，水生植物，固着型原生动物和轮虫等后生动物。 寡污带：标志着自净的完成，无机化， H2S消失，细菌极少，水浑浊度低。指示生物：硅藻、蓝藻、钟虫、变形虫、旋轮虫、浮游动物、水生植物和鱼类等。,（二）水体有机污染指标 BIP指数无叶绿素的微生物占所有微生物的百分比。,水的卫生细菌学检验 1.细菌总数的测定 2.大肠菌群的测定,1）1mL自来水中的细菌总数不可超过100个（37C，培养24h）； 2）以大肠菌群为指标（总大肠菌群

16、） 包括大肠杆菌、产气肠杆菌、柠檬酸杆菌属、和肺炎克氏杆菌等 一些革兰氏阴性、无芽孢、能发酵乳糖产酸产气的兼性厌氧杆菌。 3）1L自来水中的大肠菌群数不能超过3个（ 37C，培养48h ） 4）大肠菌群的测定 滤膜培养法在EMB 培养基上进行,（三）污水处理的微生物学原理,1.自然水体的自净作用 2. 水体富营养化 3. 污水处理及微生物的作用,1. 水体的自净作用包括 物理性的沉淀、扩散、稀释作用； 化学性的氧化作用； 生物学和生物化学的作用；,概念 水体自净是发生在受到污染（特别是有机污染）的水体中的一个生态学过程，在这个过程中微生物消耗或吸收了水中的污染物，使得水或水体向净化的方向转变。,