环境微生物学（08微生物生态）

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1、第八章 微生物生态主要内容：生态学基本原理土壤生态系统及其微生物空气生态系统及其微生物水体生态系统及其微生物微生物之间的相互关系当代生物科学的发展方向概括起两大方面:一是向微观方面发展，借助于电子显微镜等先进仪器， 从有机体的分子结构研究，开创了分子生物学，以揭示 生命微观的奥秘；由大到小，由个体-器官-组织-细 胞而至分子结构。另一方面则是向着宏观方向发展，它从个体扩大到种群 、群落、生态系统及生物圈，甚至宇宙太空。宏观方向就是生态学的研究方向。 第一节 生态学基本原理生物学研究对象的组织层次槽（仿Odum， l971 ）一、 生态学的定义和研究内容1. 生态学的定义生态学（Ecology）

2、是一门古老而新兴的科学。由于社会 经济的发展、学科本身的发展以及与其他学科的交叉与 渗透，生态学在近二三十年来发展迅速，已从生物学的 一个分支发展成为一门综合性科学，成为现代生物学的 前沿研究领域之一。特别是从20世纪60年代开始的环境 科学的发展，更为生态学增添了新的应用和发展前景。不同学者对生态学的定义不同，其中比较经典的定义是：生态学是研究生物与环境相互关系的科学， （Haeckel,1866）。我国著名生态学家马世骏先生将生 态学定义为“生态学是研究生物的生存条件、生物群落与环境系统之间相互作用的过程及其规律的科学。根据研究对象的不同，可把生态学分为动物生态学、植 物生态学、昆虫生态学

3、、微生物生态学、人类生态学等 ；也可根据研究方法和手段分为形态生态学、化学生态 学、分子生态学等。2. 生态学的研究内容和目的生态学是研究生物与环境相互关系的科学，它从生物个 体、种群、群落、生态系统以及生物圈等多个层次上来 研究生物与环境相互作用的过程和规律。生态学研究的最终目的是要为人类的生存与发展服务，要根据现代生态学的原理和技术方法，保护、发展和利用有益生物，控制有害生物，保护生物多样性和生物资源，促进经济的可持续发展，使资源、人口和人类生存环境在整体上保持协调、和谐并得到良性循环。 二、 种群和群落 1. 种群的概念 种群（population）可以定义为占据特定空间的同一生物种 的

4、所有个体的集合体。种群是生物群落的组成单位。2. 种群的特征 种群的基本成分是具有潜在互配能力的个体，但不等于是个 体的简单相加，这是因为有机体之间存在着非独立性的交互 作用，从而在整体上呈现出一种有组织有结构的特性。从个体到种群，除了出现统计学上的特征如:出生率、死亡率、年龄结构、性比等外，还出现了如空间布局、种群行 为、遗传变异和生态对策等新的特征。一般说来，自然种群具有三方面的特征：（1）空间特征 ，即种群具有一定的分布区域和分布形式；（2）数量特 征，每单位面积（或空间）上的个体数量（即密度）将 随时间而发生变动；（3）遗传特征，种群具有一定的基 因组成，即系一个基因库，以区别于其他物

5、种，但基因 组成同样是处于变动之中的。3. 群落的概念生物群落 (biocoenosis)简称群落 (community)，指一 定时间内居住在一定空间范围内的生物种群的集合。群 落中包括植物、动物和微生物等各个物种的种群，它们 共同组成生态系统中有生命的部分。群落的分类主要是根据群落内的优势种来进行的，如在 植物群落中，分为红松林群落、云杉林群落等等；也可 以根据群落所占的自然生境，如山泉急流群落、砂质海 滩群落、岩岸潮间带群落等。4. 群落的特征群落是生态学中比种群更高一级的单元，具有种群水平 所不具备的很多特征。 在群落的数量特征方面，常用的指标有：物种丰富度、 多度、盛度和密度、频率、

6、优势度等。 为了描述群落内的生物组成结构，物种多样性是很常用 的指标。有两个参数与物种多样性密切相关，即物种丰 富度和物种均匀度。生物群落，如同生物个体一样，有其发生、发展、成熟 直至衰老消亡的生命过程，在每一个群落消亡的过程中 ，即孕育着一个更适合当时当地环境条件的新群落的诞 生，这就是群落演替。群落演替的研究无论在理论上或 是实践上，在生态学研究中都具有极其重要的意义。 三、生态系统和生物圈1. 生态系统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）。 生

7、态系统有四个基本组成：环境的（无机环境）生产者（植物、藻类等）生物的 消费者（一级、二级）分解者或转化者（微生物）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。生态系统的功能：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

8、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。生态系统中的物质循环和能量流动2. 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）。 生物圈可分为三层，上层是“气圈”的一部分（下层）， 中层是“水圈”（全部），下层是“岩石圈”的一部分（上层），它们构成地球上生命活动的主要舞台。这是一个美丽的地球

9、3. 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：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。四、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值。 生态系统平衡的破坏和建立，是自然界发展的

10、普遍规律。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。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） 2pH 3.58.5，多为5.58.5；适合于大多数微生物的生长 繁殖。 3渗透压 土壤内通常为0.30.6MPa，而在微生物（细菌）体内， G+为2.02.5 MPa，G-为0.50.6 Mpa。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78%。5温度 土壤具

11、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 在肥土中，微生物数在几亿几十亿个/克；在贫瘠土为 几百万几千万个/克。从种类上看，以细菌最多，达7090%，其次为放线菌、 真菌，以及藻类、原生动物和微型后生动物等。 从生物量上来看，放线菌的量几乎可以与细菌相等。2.分布 水平分布不同区域和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、土壤自净和土地处理1

12、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，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污水灌溉和土地处理土地是天然的生物处理厂，可用土地法处理废水，生活污 水和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，要注意以下几点： （1）要

13、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。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。污染情况下，土壤中的微生物种

14、群会发生很大的变化，不 仅表现在数量上，也表现在种类上。 一般来说，土壤中的有机物越多，相应的异养微生物（如 细菌）的数量会增加； 当土壤发生污染时，特别是某种特定的污染物质在土壤中 积累时，会使土壤里的微生物种类发生变化，对该物质适 应的结果，会导致某些种类的微生物数量大大增加。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，并提供某些特定条件，使土壤中的污染物质加 快降解和转化的速度，从而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。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

15、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） 空气中的微生物只是短暂停留，是可变的，没有固定类群 。 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。除了微生物本身的性质，多种环境因素对空气生态系统中 的微生物有显著影响： （1）空气的温度和相对湿度 （2）紫外线强度 （3）尘土颗粒的数量和大小，以及环境卫生状况等（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

16、疾病传播，提高人类的健康水平，必 须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。根据最新的国家标准GB/T18883-2002（室内空气质量标 准）：对菌落总数的指标是4000cfu/m3，使用的测定方 法为撞击法（即采用撞击式空气微生物采样器，在营养 琼脂平板上，37培养48h）。沉降法为45CFU/皿空气清洁技术： 生物洁净技术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： 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