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1、第二篇 微生物的生态与环境 生态工程中的微生物作用,第七章 微生物的生态,内容提示,微生物生态包括水生态、土壤生态、空气生态，这三者对人类、动、植物的生存都很重要。了解生态系统中的微生物及其数量与分布规律。 保持洁净的空气，充分利用微生物防治土壤污染，了解水体自净与污染中微生物的变化规律，利用它们治理水体污染。 水是人类生命的源泉，必须去除、杀灭水中的病原体，以保证人的健康。 藻类是制造氧气补充大气和水体氧的重要生产者，其中有的蓝细菌和甲藻在富营养的水体中形成水华或赤潮，必须防止和治理。,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
2、,一、生态系统和生物圈 (一) 生态系统 生态系统是在一定时间和空间范围内由生物 (动物、植物和微生物)与它们的生境(光、水、土壤、空气及其他生物因子)通过能量流动和物质循环所组成的一个自然体。简称生态系。 生态系统生物群落环境条件。 生态系统有一定的组成、结构和功能。 生态系统有四个基本组成：环境、生产者、消费者及分解或转化者。,生态系统具有明显的三维空间结构，由于各处光照、温度及其他环境条件的差异，使各种生物群落在空间上有明显的垂直分布和水平分布。 生态系统是自然界的基本功能单元，其功能主要表现在生物生产、能量流动、物质循环和信息传递。它们是通过生态系统的核心生物群落实现的。 在生物生产过
3、程中，能量流动和物质循环两者缺一不可，是紧密联系，相辅相成，共同进行的(见图7-l)。,1. 生物生产,生物生产是生态系统的基本功能之一，只要有太阳辐射、水、二氧化碳及无机物，植物、藻类及光合细菌等就可利用太阳能，将二氧化碳和水合成糖类，进而合成蛋白质、脂肪和核酸等，构成植物体。 阳光（2876kJ） 6 CO2 + 12 H2O C6H12O6 + 6O2 + 6 H2O 叶绿素,图 71生态系统中的物质循环和能量流动,生产者 （绿色植物）,初级消费者 （草食动物）,次级消费者 （肉食动物）,生产者 （微生物）,有机物流通,无机物流 能量流动,2.能量流动,太阳将能量供给植物、藻类和光合细菌
4、等进行光合作用合成有机物、光能被转化为化学能而被贮存在植物体内，能量再通过食物链由种生物转移到另一生物体内。例如:植物草食动物肉食动物。植物(生产者)和动物(消费者)尸体被微生物分解，一部分能量在微生物中流动，另一部分能量以热能形式被散发至自然界。能量在流动过程中不断消耗，并由太阳连续不断地补充和更新。,3.物质循环,生态系统中生物群落所需的各种营养物在环境、生产者、消费者和分解者(各营养级)之间传递，处于不断循环之中形成物质流。大气、水域或土壤中的物质，如二氧化碳、水及无机盐通过植物吸收进入食物链，被转移给草食动物，再转给肉食动物，最后被微生物分解与转化回到环境中。回到环境的物质又一次被植物
5、吸收利用，重新进入食物链，如此不断地参加生态系统的物质循环。,4.信息传递,生态系统中的信息传递多种多样，有强有弱，把各组成联为一个统一整体。有物理信息，例如声、光、颜色起吸引异性、种间识别、威吓、警告等信息作用；生物的酶、维生素、生长素、抗生素等是化学信息；有报警、集合、食物的信息作用；在同一种或不同种间还有行为信息。 生态系统是错综复杂的，生物群落和环境各组成之间息息相关，相互联系、相互依存、相互制约，有规律地组合。生态系统是经过一段时间或几十亿年逐渐形成的，处在不断运动变化之中，环境的改变引起生物群落的演替。在自然界中，任何生物群落与其环境组成的自然体都叫生态系统。一滴水、草地、森林、水
6、池、山脉、河流、湖泊、沼泽、天然湿地、海洋等是天然的生态系统。有人工的生态系统：水库、运河、城市、农田、人工湿地、各种污(废)水生物处理系统及固体废物生物处理系统。,(二) 生物圈,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。,二、生态平衡,生态系统是开放系统，当能量和物质的输入(被植物固定)大于输出(消费和分解、人类收获)时，生物量增加；反之，生物量减少。如果输入和输出在较
7、长时间趋于相等，生态系统的组成、结构和功能将长期处于稳定状态。虽然各生物群落有各自的生长、发育、繁殖及死亡过程，但动物、植物和微生物等群落的种群、数量，以及它们之间的数量比均保持相对恒定。即使有外来干扰，生态系统能通过自行调节的能力恢复到原来的稳定状态(例如土壤和水体的自净)，这是生态系统的平衡，即生态平衡。,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和人为因素。,三、生态系统的分类
8、,根据生存环境分：水体生态系统和陆地生态系统。细分：淡水生态系统和海水生态系统。 根据动态和静态分：河流生态系统和湖泊生态系统。 根据生物群落分：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。 微生物生态系统是各种环境因子如物理、化学及生物因子对微生物区系(即自然群体)的作用和微生物区系对外界环境的反作用。在作用和反作用的过程中，有物质循环和能量流动。不同类型的微生物与不同环境组成各种生态系统。 土壤微生物生态系统； 空气微生物生态系统； 水体微生物生态系统。,第二节 土壤微生物生态,土壤是微生物最良好的天然培养基，它具有微生物所必需的营养和
9、微生物生长繁殖及生命活动所需的各种条件。 一、土壤的生态条件 （一）营养 土壤中有动、植物残体，植物根系的分泌物，有人和动物的排泄物；有丰富的无机元素：磷、硫、钾、铁、镁、钙等，含量相当高，在1.12.5g/L之间。微量元素有：硼、钼、锌、锰、铜等，能满足微生物生长发育的需要。 （二）pH 土壤 pH范围在3.58.5之间，多数在5.58.5之间，不少土壤的pH接近中性，适合大多数微生物生长需要。,（三）渗透压,土壤的渗透压通常在0.30.6MPa之间，G- 杆菌体内的渗透压为0.50.6MPa，G+球菌体内渗透压为2.02.5MPa。土壤中的渗透压对微生物是等渗或低渗环境，有利于微生物摄取营
10、养 （四）氧气和水 土壤具有团粒结构，有无数小孔隙为土壤创造通气条件，土壤中氧的含量比大气少，平均为土壤空气容积的7%8。通气良好的土壤，有利于好氧微生物生长。土壤的团粒结构中的小孔隙起毛细管的作用，具有持水性，为微生物提供了水分。在孔隙率为30%50、排水通畅的土壤中，各组分的体积分数分别是：土粒50；空气10；水40。,（五）温度 土壤的保温性较强，一年四季温度变化不大，在冬季地面冻结，一定深度土壤中仍保持着一定的温度，供微生物生长需要。 （六）保护层 几毫米厚的表层土可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、微生物在土壤中的种类、数量与分布,(一) 土壤中微生物的种类和
11、数量 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)。,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。 西北黑垆土：细菌2000104个g(土)， 放线菌710104个g(土)， 真菌7.5
12、103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,水平分布：取决于碳源，油田地区存在以碳氢化合物为碳源的微生物；森林土壤中存在分解纤维素的微生物；含动、植物残体多的土壤中含氨化细菌、硝化细菌较多。 垂直分布：土壤中微生物的垂直分布与紫外辐射的照射、营养、水、温度等因素有关。 在表面土：因受紫外辐射的照射和缺乏水，微生物容易死亡而数量少。 在520cm处：微生
13、物数量最多，每克土可含65104个微生物，在植物根系附近微生物数量更多。 在耕作层20cm以下：微生物的数量随土层深度增加而减少，距表面lm深处每克土含有3.6104个微生物。 在离表面2m深处：微生物每克土只有几个，这是由于缺乏营养和氧气造成的。,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、
14、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 土壤对施入一定负荷的有机物或有机污染物具有吸附和生物降
15、解能力。通过各种物理、化学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，并栖息着极为丰富、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。 当污（废）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，例如：红酵母菌和蛇皮癣菌降解剧毒的聚氯联苯，使土壤恢复到原来状态。,(二) 污染土壤的微生物生态,土地是天然的生物处理厂，可用土地处理污（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。污(废)水长期灌溉会引起土壤“土著”微生物区系和数量的改变，诱导产生分解各种污染物的微生物新品种。也将“土著”菌（节细菌和诺卡氏菌）诱导变异成具有分解聚氯联苯的能力。汞、砷、镉、硒等毒物能被微生物吸收和转化。如铜绿假单胞菌、恶臭假单胞菌可将无机汞转化为的有机汞（毒性更强）积累在微生物体内。大肠埃希氏菌和荧光假单胞菌可使汞甲基化形成甲基汞（Hg(CH3)2,使二价汞还原为单质汞。砷能被黄单胞菌、节杆菌、假单胞菌及产碱杆菌等氧化亚砷酸盐为砷酸盐，降低毒性，或使砷甲基化。土壤中的细菌、放线菌和真菌还能还原硒氧化物为单质硒，使毒性降低。,重金属虽能被微生物氧化或还原，但不能彻底清除
