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第九章 微生物的生态 生态学：是生物科学的一个分支，研究生命系统与其环境系统间相互作用规律的科学。微生物生态学：是生态学的一个分支，研究微生物群体与其周围生物和非生物环境间相互作用的规律。l l第一节 微生物在自然界中的分布l l第二节 微生物与生物环境间的关系l l第三节 微生物在自然界物质循环中的作用 第一节 微生物在自然界中的分布 一、微生物在自然界中的分布微生物种类繁多，代谢类型多样，繁殖迅速，适应环境能力强，广泛分布于陆地、水域、空气、动植物以及人体的外表和某些内部器官，甚至极端环境中都有存在。（一）土壤中的微生物l l 土壤是微生物生活最适宜的环境，提供了微生物生命生长发育所需的营养、水分、空气、酸碱度、渗透压和温度等条件。因此说土壤是微生物的“天然培养基”。土壤中微生物的数量最大，类型最多，是人类最丰富的“菌种资源库”。土壤中微生物的分布：土壤中微生物的分布：土壤中细菌（土壤中细菌（10108 8）最多，放线菌（）最多，放线菌（10107 7，孢子，孢子 ）、霉菌（）、霉菌（10106 6，孢子，孢子 ）次之，酵母菌（）次之，酵母菌（10105 5）藻类）藻类（10104 4）和原生动物（）和原生动物（10103 3）等较少。）等较少。土壤的营养状况、温度和土壤的营养状况、温度和PHPH等对微生物的分布等对微生物的分布影响较大。影响较大。土壤的不同深度微生物分布也不同。表层少、土壤的不同深度微生物分布也不同。表层少、520cm520cm最多，靠近根系更多，自最多，靠近根系更多，自20 cm20 cm以下逐渐减以下逐渐减少。少。土壤中微生物数量受季节变化、温度、水分、土壤中微生物数量受季节变化、温度、水分、有机残体等影响。有机残体等影响。（二）水体中的微生物l l 水是一种良好的溶剂，溶解或悬浮着多种无机和有机物质，供给微生物营养，使其生长繁殖。水是微生物栖息的第二场所。1、不同水体中的微生物种类（1 1）淡水型水体的微生物）淡水型水体的微生物清水型水生微生物：有机物少，化能自养、光能自养，如清水型水生微生物：有机物少，化能自养、光能自养，如硫细菌、铁细菌、蓝细菌等。少量异养微生物也可生长，硫细菌、铁细菌、蓝细菌等。少量异养微生物也可生长，如贫营养细菌（寡养土壤单胞菌）。如贫营养细菌（寡养土壤单胞菌）。腐败型水生微生物：水中有大量有机物或腐生细腐败型水生微生物：水中有大量有机物或腐生细 菌，引起菌，引起腐败型水生微生物和原生动物大量繁殖。腐败型水生微生物和原生动物大量繁殖。垂直分布：垂直分布：1 1 沿岸区或浅水区沿岸区或浅水区好氧微生物好氧微生物 2 2 深水区深水区厌氧光合细菌、兼性厌氧菌厌氧光合细菌、兼性厌氧菌 3 3 湖底区湖底区厌氧菌厌氧菌（2）海水型水体微生物l l 由于海水的含盐量高、渗透压大，海水中的微生物主要是藻类和细菌。l l 许多海洋细菌能发光，称为发光细菌。在有氧存在时发光，对一些化学剂与毒物敏感，可用于环境监测。2、水体的自净作用l l 在快速流动、氧气充足的水体中，存在着水体对有机或无机污染物的自净作用。3、饮用水的微生物标准l l 细菌总数应细菌总数应100500500个个/ml/ml 时不宜时不宜饮用饮用.l l 大肠杆菌是革兰氏阴性的无芽孢杆菌，能够大肠杆菌是革兰氏阴性的无芽孢杆菌，能够很快地使乳糖发酵，产生酸和气体，因此可以利很快地使乳糖发酵，产生酸和气体，因此可以利用这一特性，检测大肠杆菌数。根据一般规定，用这一特性，检测大肠杆菌数。根据一般规定，每每100100毫升的水中，大肠杆菌不多于毫升的水中，大肠杆菌不多于1212个，是个，是可以作为饮用水的。而通常的自来水，大约每可以作为饮用水的。而通常的自来水，大约每10001000毫升中只有毫升中只有1212个大肠杆菌。个大肠杆菌。（三）空气中的微生物l l 空气中的微生物是短暂的可变的。因为空气并不是微生物的繁殖场所。营养物质的缺乏、紫外线的照射、干燥等都不便于微生物的生命活动。然而，空气中却含有相当数量的微生物。空气中的微生物主要来自土壤飞扬起来的灰尘、水面吹起的小水滴、人和动物体表的干燥脱落物质和呼吸道的排泄物等。这些微生物附着在灰尘颗粒以及短暂悬浮于空气中的液滴内随气流在空气中传播。（四）工农业产品上的微生物l l 霉腐微生物学：研究危害各种工农业产品的霉腐微生物学：研究危害各种工农业产品的微生物种类、分布、作用、机理以及如何防治其微生物种类、分布、作用、机理以及如何防治其危害的科学。危害的科学。l l 劣化：工农业产品因受气候、物理、化学或劣化：工农业产品因受气候、物理、化学或生物因素的作用而被破坏的现象。生物因素的作用而被破坏的现象。霉变：主要指由霉菌引起的劣化。霉变：主要指由霉菌引起的劣化。腐朽：泛指在好氧条件下微生物酶解有机质使腐朽：泛指在好氧条件下微生物酶解有机质使其劣化的现象。其劣化的现象。腐烂：指由细菌或酵母菌引起的使物体变软，腐烂：指由细菌或酵母菌引起的使物体变软，发臭性的变化。发臭性的变化。腐蚀：指由硫酸盐还原细菌、铁细菌或硫细菌腐蚀：指由硫酸盐还原细菌、铁细菌或硫细菌引起的金属材料的侵蚀、破坏性变化。引起的金属材料的侵蚀、破坏性变化。变质：指由各种生物非生物因素引起的工农业变质：指由各种生物非生物因素引起的工农业产品质量下降的现象。产品质量下降的现象。（五）极端环境下的微生物l l1、嗜热菌 l l2、嗜冷菌l l3、嗜酸菌l l4、嗜碱菌l l5、嗜盐菌l l6、嗜压菌l l7、抗辐射的微生物（六）生物体内外的正常菌群l l 人体有五大微生态系统，包括消化道、呼吸道、泌尿生殖道、口腔、皮肤。l l 微生态制剂：是依据微生态学理论而制成的含有有益菌的活菌制剂，其功能在于维持宿主的微生态平衡，调整宿主的微生态失调并兼有其他保健功能。正常菌群：生活在健康动物各部位、数量大、种类较稳定且一般是有益无害的微生物。条件致病菌：凡属正常菌群的微生物，由于机体防御性降低、生存部位的改变或因数量剧增等情况而引起疾病者，称条件致病菌。无菌动物：凡在其体内外不存在任何正常菌群的动物，称为无菌动物。悉生生物：凡已人为地接种上某种或某些已知纯种微生物的无菌动物或植物，称为悉生生物。根际微生物：生活在根系附近土壤，依赖根系的分泌物、外渗物和脱落细胞而生长，一般对植物发挥有益作用的正常菌群。附生微生物：生活在植物地上部分表面，主要借植物外渗物质或分泌物质为营养的微生物。返回目录第二节 微生物与生物环境间的关系l l一、互生l l 两种可单独生活的生物，当它们在一起时，通过各自的代谢活动而有利于对方，或偏利于一方的生活方式，称为互生。l l 土壤中纤维素分解菌与好氧性自生固氮菌是互生关系，根际微生物与高等植物之间也存在着互生关系，人体肠道正常菌群与宿主之间的关系，主要是互生关系。二、共生 指两种生物共居在一起，相互分工合作、相依为命，甚至达到难分难解、合二为一的极其紧密的一种相互关系。（一）微生物间的共生 地衣是微生物间共生的典型例子，它是真菌和藻类的共生体。藻类进行光合作用，为真菌提供有机养料，真菌分解岩石，为藻类提供矿质元素。（二）微生物与植物之间的共生1 1、根瘤菌与植物间的共生根瘤菌与植物间的共生 根瘤菌固定大气中的氮气，为植物提供氮素养根瘤菌固定大气中的氮气，为植物提供氮素养料，而豆科植物根的分泌物能刺激根瘤菌的生长。料，而豆科植物根的分泌物能刺激根瘤菌的生长。非豆科植物如杨梅属等可与弗兰克氏菌属的放线菌非豆科植物如杨梅属等可与弗兰克氏菌属的放线菌形成共生固氮。形成共生固氮。2 2、菌根菌与植物菌根菌与植物 真菌在植物根上发育，菌丝体包围在跟面或侵真菌在植物根上发育，菌丝体包围在跟面或侵入根内形成菌根。对植物有改善营养、调解代谢和入根内形成菌根。对植物有改善营养、调解代谢和增强抗病能力等功能。增强抗病能力等功能。外生菌根：真菌在根外形成致密的鞘套，少量外生菌根：真菌在根外形成致密的鞘套，少量菌丝进入根皮层细胞的间隙中。菌丝进入根皮层细胞的间隙中。内生菌根：菌丝主要存在于根的表皮中，很少内生菌根：菌丝主要存在于根的表皮中，很少在根外。在根外。（三）微生物与动物间的共生1、微生物与昆虫(白蚁)2、瘤胃微生物与反刍动物 反刍动物的瘤胃为微生物提供养料、水分、温度、PH、厌氧环境，瘤胃微生物可分解反刍动物不能分解的纤维素，以有机酸供瘤胃吸收，同时产生大量的菌体蛋白，通过皱胃的消化，被反刍动物吸收和利用。三、寄生 一种小型生物生活在另一种较大型生物的体内或体表，从中夺取营养并进行生长繁殖，同时使后者蒙受损害甚至被杀死的一种相互关系。（一）微生物间的寄生 蛭弧菌可寄生在假单胞菌、大肠杆菌等细胞中。呈弧状，革兰氏阴性，一根端生鞭毛，进入寄主细胞后在周质区定居，鞭毛脱落，分泌多种消化酶，将寄主细胞的原生质转化为自己的营养物质，菌体伸长成螺旋状，分裂，形成多个子细胞，长出鞭毛，最后裂解寄主细胞，释放出子蛭弧菌。（二）微生物与植物间的寄生 微生物寄生于植物之中，常引起植物病害。（三）微生物与动物间的寄生 包括病毒、细菌、真菌和原生动物，引起寄主致病或死亡。四、拮抗 由某些生物所产生的特定代谢产物可抑制他种生物的生长发育甚至杀死它们的一种相互关系。分为特异性拮抗关系和非特异性拮抗关系。五、捕食 指一种大型的生物直接捕捉、吞食另一种小型生物以满足其营养需要的相互关系。原生动物对细菌的捕食，包括吞饮和胞饮两种方式。返回目录第三节 微生物在自然界物质循环中的作用l l 生物地球化学循环：是指生物选中的各种化学元素，经生物化学作用在生物圈的转化和运动。l l 物质循环分为两方面：一是生物合成作用，二是矿化作用和分解作用。一、碳素循环 自然界中碳及碳水化合物以多种形式存在。周转最快的自然界中碳及碳水化合物以多种形式存在。周转最快的是大气中的是大气中的 COCO2 2、溶于水中的、溶于水中的COCO2 2 、有机物中的碳。碳素循有机物中的碳。碳素循环主要以环主要以COCO2 2 为中心为中心.二、氮素循环 氮元素在自然界中的存在形式有以下五种：氮气、铵氮元素在自然界中的存在形式有以下五种：氮气、铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐和有机含氮物。氮气是最先存在于大盐、亚硝酸盐、硝酸盐和有机含氮物。氮气是最先存在于大气中的，其他形式的含氮化合物均是由氮气转化而来的。气中的，其他形式的含氮化合物均是由氮气转化而来的。氮素循环包括固氮作用、氨化作用、硝化作用、氮素循环包括固氮作用、氨化作用、硝化作用、异化性硝酸盐还原作用以及同化作用。异化性硝酸盐还原作用以及同化作用。1 1、生物固氮生物固氮 自然界的固氮有两种方式，一是非生物固氮，自然界的固氮有两种方式，一是非生物固氮，通过雷电、火山爆发、高温、高压下的化学固氮。通过雷电、火山爆发、高温、高压下的化学固氮。二是生物固氮，包括共生固氮（根瘤菌与豆科植物）二是生物固氮，包括共生固氮（根瘤菌与豆科植物），自生固氮（蓝细菌），联合固氮。，自生固氮（蓝细菌），联合固氮。2、硝化作用 氨态氮经硝化细菌的氧化，转变成硝酸态氮的过程。(NHNH4 4+NONO2 2-NO NO3 3-)硝化作用分为两个阶段：1 氨氧化成亚硝酸，由化能自养菌亚硝化细菌引起；2 亚硝酸氧化为硝酸，由化能自养菌硝化细菌引起。3 3、同化性硝酸盐还原作用同化性硝酸盐还原作用 指硝酸盐被生物体还原成铵盐并进一步合成各指硝酸盐被生物体还原成铵盐并进一步合成各种含氮有机物的过程。（种含氮有机物的过程。（NONO3 3-NHNH4 4+含氮有机含氮有机物）物）4 4、氨化作用氨化作用 指含氮有机物经微生物的分解而产生氨的作用。指含氮有机物经微生物的分解而产生氨的作用。5 5、铵盐同化作用铵盐同化作用 以铵盐作营养，合成氨基酸、蛋白质和核酸等以铵盐作营养，合成氨基酸、蛋白质和核酸等有机含氮物的作用。有机含氮物的作用。(NH(NH4 4+含氮有机物）含氮有机物）6 6、异化性硝酸盐还原作用异化性硝酸盐还原作用 指硝酸离子充作呼吸链末端的电子受体而被还指硝酸离子充作呼吸链末端的电子受体而被还原为亚硝酸的作用。原为亚硝酸的作用。(NO(NO3 3-NO NO2 2-)7 7、反硝化作用反硝化作用 指硝酸盐转化为气态氮化物的作用。指硝酸盐转化为气态氮化物的作用。(NO(NO3 3-N N2 2)8 8、亚硝酸氨化作用亚硝酸氨化作用 指亚硝酸通过异化性还原经羟氨转化成氨的作指亚硝酸通过异化性还原经羟氨转化成氨的作用。用。(NO(NO2 2-NHNH2 2OH NHOH NH4 4+)三、硫素循环与细菌沥滤（一）硫素循环（一）硫素循环 自然界中的硫和硫化氢经微生物氧化形成自然界中的硫和硫化氢经微生物氧化形成SOSO4 42-2-，SOSO4 42-2-被植物和微生物同化还原成有机硫化物；被植物和微生物同化还原成有机硫化物；动物食用植物和微生物，将其转变成动物有机硫化动物食用植物和微生物，将其转变成动物有机硫化物；当动植物和微生物尸体中的有机硫化物，被微物；当动植物和微生物尸体中的有机硫化物，被微生物分解时，以生物分解时，以H H2 2S S和和S S形式返回自然界。另外，形式返回自然界。另外，SOSO4 42 2-在缺氧环境中可被微生物还原成在缺氧环境中可被微生物还原成H H2 2S S。1 1、同化性硫酸盐还原作用同化性硫酸盐还原作用 由植物和微生物完成，把硫酸盐转变成还原态由植物和微生物完成，把硫酸盐转变成还原态的硫化物，然后再固定到蛋白质等成分中。的硫化物，然后再固定到蛋白质等成分中。2 2、脱硫作用脱硫作用 指在无氧条件下，通过一些腐败微生物的作用，指在无氧条件下，通过一些腐败微生物的作用，把生物体中蛋白质等含硫有机物中的硫分解成把生物体中蛋白质等含硫有机物中的硫分解成H H2 2S S等含硫气体的作用。等含硫气体的作用。3 3、硫化作用硫化作用 在好氧条件下，在好氧条件下，H H2 2S S、硫元素或硫化亚铁等在微、硫元素或硫化亚铁等在微生物的作用下，被氧化生成硫酸的过程。在厌氧条生物的作用下，被氧化生成硫酸的过程。在厌氧条件下，件下，H H2 2S S可被光合细菌的一些种氧化成硫或硫酸。可被光合细菌的一些种氧化成硫或硫酸。4 4、异化性硫酸盐还原作用异化性硫酸盐还原作用 厌氧条件下，硫酸可通过脱硫弧菌属等还原成厌氧条件下，硫酸可通过脱硫弧菌属等还原成H H2 2S S。5 5、异化性硫还原作用异化性硫还原作用 硫通过脱硫单胞菌属等一些菌种还原成硫通过脱硫单胞菌属等一些菌种还原成H H2 2S S的过的过程。程。（二）细菌沥滤 利用化能自养菌的硫化菌对矿物中的硫或硫化物的氧化作用，让其不断制造和再生酸性浸矿剂，使所需要的铜等金属不断从低品位的矿石中溶解出来，成为硫酸铜等金属盐类的溶液，然后再通过电动序较低的铁等金属加以置换，也可用离子交换等方法，以取得其中铜等有色金属或其他稀有金属。一、水体的污染一、水体的污染富营养化富营养化 富营养化：指水体中因氮、磷等元素含量过高富营养化：指水体中因氮、磷等元素含量过高而引起水体表层的蓝细菌和藻类过度生长繁殖的现而引起水体表层的蓝细菌和藻类过度生长繁殖的现象。象。水华：指发生在淡水水体中的富营养化现象。水华：指发生在淡水水体中的富营养化现象。赤潮：指发生在河口、港湾或浅海等咸水水体赤潮：指发生在河口、港湾或浅海等咸水水体中的富营养化现象。中的富营养化现象。第四节 微生物与环境保护 BODBOD：即生化需氧量，是水中有机物含量的一：即生化需氧量，是水中有机物含量的一个间接指标。一般指在个间接指标。一般指在1L1L污水或待测水样中所含的污水或待测水样中所含的一部分易氧化的有机物，当微生物对其氧化、分解一部分易氧化的有机物，当微生物对其氧化、分解时，所消耗的水中溶解氧毫克数。时，所消耗的水中溶解氧毫克数。CODCOD：即化学需氧量，是表示水体中有机物含：即化学需氧量，是表示水体中有机物含量的一个间接指标，指量的一个间接指标，指1L1L污水中所含的有机物在用污水中所含的有机物在用强氧化剂将它氧化后，所消耗氧的毫克数。强氧化剂将它氧化后，所消耗氧的毫克数。TODTOD：即总需氧量，指污水中能被氧化的物质：即总需氧量，指污水中能被氧化的物质在高温下燃烧变成稳定氧化物时所需的氧量。在高温下燃烧变成稳定氧化物时所需的氧量。DODO：即溶解氧量，指溶于水体中的分子态氧，：即溶解氧量，指溶于水体中的分子态氧，是评价水质优劣的重要指标。是评价水质优劣的重要指标。SSSS：即悬浮物量，指污水中不溶性固态物质的：即悬浮物量，指污水中不溶性固态物质的含量。含量。二、用微生物治理污染（一）微生物处理污水的原理 用微生物净化污水的过程，实质上就是在污水处理装置这一小型生态系统内，利用各种生理生化性能的微生物类群间的相互配合而进行的一种物质循环过程。(二）、污水处理的方法和装置1.节能型污水处理装置（1）氧化塘法（2）洒水滤床法 生物膜：指生长在潮湿、通气的固体表面上的一层由多种活性微生物构成的粘滑、暗色菌膜，能氧化、分解污水中的有机物或某些有毒物质。2 耗能型污水处理装置（1）活性污泥法 活性污泥：指一种由细菌、原生动物和其他微生物群体聚集在一起组成的凝絮团，在污水处理中具有很强的吸附、分解和利用有机物或毒物的能力。附：活性污泥法工艺流成全图（2）生物转盘法 生物转盘是由装配在水平横轴上的，间隔很近的一系列大圆盘所组成。圆盘一半浸在污水槽中，一半暴露在空气中。污水处理时，在盘片表面形成一层膜，称“挂膜”。待生物膜形成后，随盘片不停地旋转，使污水中的有机物被生物膜吸附，充氧和氧化、分解，使污水净化。盘上过多且老化的生物膜，会随圆盘的旋转而剥落，随即产生新的生物膜。3 产能型污水处理装置沼气发酵 沼气：又称生物气，是一种混合可燃气体，其中除含甲烷外，还含少量H2、N2、CO2。沼气发酵：产甲烷菌在厌氧条件下，利用H2还原CO2等碳源营养物质以产生细胞物质、能量和代谢废物CH4的过程。