哈工大考研污染控制微生物本科课堂讲义.ppt

污染控制微生物学,第八章 微生物的生态,微生物与环境之间的关系极为密切。环境中的各种因子影响着微生物的生存和生长繁殖，而微生物通过新陈代谢等活动也对环境产生着影响。微生物的生态就是研究微生物以及与微生物相联系的物理、化学和生物等环境之间的相互关系。研究微生物的生态，掌握微生物与环境之间的相互关系，不但可以了解微生物在自然界和各种人工环境中的分布规律，还为人类利用微生物资源和控制微生物生存提供了理论依据，更重要的是可以根据微生物生态学原理，创造有利条件，开发新型的人工生态系统，以便提高水污染控制工程中人的主观能动性，达到预期目的，使水污染控制在更高层次上得以发展。,土壤中的微生物,废气,废水,过度开发,化学品,土壤中的微生物,土壤中微生物的生态分布 土壤是微生物生长繁殖及进行各种生命活动的良好环境，溶解性的有机物和无机物给生物提供所需的一切营养物质和能量来源；土壤中经常保持着适当的水分、酸碱度接近中性。土壤的孔隙和土壤水分的多少，直接影响土壤的通气条件。在水分饱和的土壤中，孔隙中充满水，排斥了空气，使土壤中基本上处于厌氧状态，有利于厌氧微生物的生长，在排水良好的土壤中，土壤孔隙中有水，也有空气，有利于好氧微生物的活动。土壤水不断变动，通气情况也随着变动，那么好氧微生物和厌氧微生物的相对数量也就随着变化。温度在一年四季中变化不大，适宜而稳定，并且在最,表层土几毫米以下，又可防止太阳紫外线对微生物的杀害，所以，土壤有“微生物天然培养基”的称号。土壤中微生物的数量最大，类型最多，是人类利用微生物资源的主要来源，也是微生物在自然界中最大的贮藏库。但土壤也经常受病原体等的污染，在传播疾病中起一定作用。(一)土壤微生物的种类 土壤中的微生物包括细菌、放线菌、真菌、螺旋体、藻类和病毒，还有原生动物。以细菌为最多，占土壤微生物总数量的70%90%，放线菌、真菌次之，藻类和原生动物等的数量较小。绝大部分微生物对人类是有益的，它们有的能分解动植物尸体为简单的化合物，供植物吸收；有的能固定大气中的氮，使土壤肥沃，有利于植物生长；有的能产生各中抗菌素；也有一部分土壤微生物是动植物的病原体。,1土壤中细菌 土壤中细菌按来源可分为三类：天然生活在土壤中的自养菌，这类细菌只需要简单的无机化合物作为养料来维持生命。随着动物尸体进人土壤的腐物寄生菌，是一类异养菌，这类细菌的合成能力较差，不能利用CO2或碳酸盐作为碳源，需要复杂的化合物，其中有些可利用无机氮，有些则需有机氮作养料，并从分解有机物中获得能量。随着动植物尸体或其排泄物进人土壤的致病菌，由于营养要求严格，一般在土壤中容易死亡，只有能形成芽孢的细菌才能长期存在。2土壤中放线菌 放线菌的数量也很大，仅次于细菌，占土壤中微生物总数量的530。主要是通过形成无性孢子的方式进行繁殖。典型的放线菌细胞呈丝状分枝，菌丝体,长短不一，有些长达600 m以上。放线菌的一个丝状营养体的体积比一个细菌大几十倍至几百倍，因此，数量虽较少，但在土壤中的生物量，相近于细菌。放线菌多生长于耕作层土壤中，数量随着土壤深度增加而减少。土壤中的放线菌种类很多，常见的有链霉菌属(Streptomyces)、诺卡氏菌属、小单孢菌属(Micromonospora)和高温放线菌属（Thermo-actinomyces）。3土壤中真菌 真菌广泛生活在近地面的土层中，每克土壤有几万到几十万个，从数量上看，真菌是土壤微生物中第三大类。它们在土壤中以菌丝体和孢子形式存在，估计每克土壤中真菌菌丝的总长可达40m，平均直径为5m，则土壤中含活真菌重量约0.6mg/g。,土壤中的真菌多属于藻菌纲，如毛霉属，根霉属；子囊菌纲，如酵母菌；半知菌纲，如青霉属、曲霉属、镰刀菌属、木霉属、轮枝霉属（Verticilliun）、头孢霉属（Cephalosporium）、念珠霉属（Monilia）等。4土壤中其他微生物 土壤中有许多藻类，大多数是单细胞的硅藻和绿藻。数量远较上述各类菌少，不到土壤微生物总数量的1，但因形体较大，生物量约为细菌的1/10的。它们与某些真菌营共生生活。土壤中的原生动物，包括纤毛虫、鞭毛虫和肉足虫（Sarcodina）等类，它们都是单细胞的、并能运动的微生物，形体大小差异很大，通常以分裂方式进行无性繁殖。它们吞食有机物的残渣，也捕食细菌、真菌及其他微生物。因此，原生动物的数量与土壤细菌之间常表现相反的关系，即土壤中的原生动物愈多，则细菌愈少。原生动物对土壤有机物的分解，有着一定作用。,土壤中有噬菌体，能裂解相应的细菌。在某种情况下，由于噬菌体对根瘤菌的作用，致使豆科植物不能形成根瘤。土壤中也有肠道病毒，在传播肠道疾病上有一定的流行病学意义。(二)土壤微生物的分布 土壤微生物的分布与土壤的结构、有机物和无机物的成分、含水量及土壤理化特性(颜色、吸附情况、酸碱度、盐分及CO2浓度等)不同而有差异。我国土壤研究所的调查，国内不同地区土壤中微生物的数量有很大的差别，例如，在我国，西北黑炉土每克细菌总数为2 050万，放线菌710万，真菌0.7万；而粤南红壤，每克细菌总数为62万，放线菌60.6万，真菌6.7万。其差别主要与不同地区土质有关。总之，不同的土壤类型，不同季节，以及土壤中水分、温度等的变化，对土壤中微生物的数量、种类及分布有很大的影响。因此，在检测土壤微生物做出卫生评价时，必须全面考虑。,土壤中的微生物,土壤微生物的分离和计数(一)培养基的制备 土壤中微生物的种类繁多，各类微生物所需的营养物质也不尽相同。培养基就是按照微生物生长繁殖所需要的各种营养物质，人工配制而成的营养基质。培养基的配制要适合微生物的营养特点，注意各种营养比例，同时要控制好培养条件。分离和计数土壤中常见微生物的培养基参见有关手册。(二)一般土壤微生物的分离与计数 l稀释平板法 这个方法操作简便，而且同时从土壤中分离出较多种类的微生物。稀释平板法是测定土壤中活的微生物数量最常用的一种方法，本方法的操作步骤如下：,用1/100天秤称取10g土样，加入盛有100mL无菌水的500mL三瓶中。同时称取待测土样1011g，经105烘干8h，置于干燥器中，待冷却后称重，按下列公式计算土壤含水量的百分数。,将盛有10g土样和100mL无菌水的三角瓶放在振荡机上振荡10min，使土样均匀地散在稀释液中成为土壤悬液。土壤分散后，吸取lmL土壤悬液到9mL稀释液中，依次按倍比稀释法，稀释到10-6。所用吸取悬液的吸管均需在稀释中反复吹洗几次才可使用。根据各类微生物在土壤中的数量多少选择适当稀释度，如细菌为10-410-6各重复4次。,土壤悬液的接种方法：混菌法 吸取lmL悬液于直径9cm的无菌培养皿中，然后倾注已熔化并冷却至45的选择性培养基约15mL与培养皿中的土悬液充分混匀，待凝固倒置保温培养。涂布法 是在事先倾注好的选择性固体培养基表面，用l mL无菌吸管于琼脂表面加1滴相当于0.05 mL一定稀释度的土壤悬液，然后立即用玻璃刮刀将悬液均匀地涂抹于琼脂表面。接种的培养皿，待培养基凝固后倒置于2830恒温箱中培养，细菌培养35d，真菌培养57d，放线菌培养1014d。然后取出，细菌和放线菌选取出现菌落数为在20200个的培养皿，真菌选取菌落数为10100个的培养皿。结果计算分为以下两种情况,用混菌法接种的计算方法如下：用刮刀法接种的计算方法如下：,2稀释法 对具有特殊生理功能的细菌，如硝化、反硝化、固氮、硫化、反硫化和纤维素分解菌等，常采用稀释法计数，也称最大概率数法，即MPN法。它是根据统计学原理，用于估算悬液中活体微生物（一般为细菌）浓度的方法，其操作规程如下：制备土壤悬液，见稀释平板法；根据各类群微生物在土壤中的大概数量,选择5个相连的稀释度，将不同稀释度悬液分别接种至不同培养基的试管中，每管接悬液1 mL，每一稀释度均有5管重复；于28培养714d，根据各生理群微生物在其培养基上的生长或反应，分别记录结果。根据各稀释系列试管中有无待测微生物或其生理反应的正或负得出数量指标，并根据重复数量不同从相应的稀释法测数统计表中查出细菌近似值。应用稀释法计数时，在稀释系列中，必须最后一个稀释度所有重复间都没有微生物生长。确定数量指标系取稀释系列中所有重复都有生长（或呈正反应）的最高稀释度为数量指标的第一位数字。例如：稀释度 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 生长情况+-+-5 5 4 2 0,数量指标为542，由表查得细菌近似值为25。如果在所有重复试管内都有微生物生长的稀释度之后仍有三个数字，则将最后一个数宇加在前一个数字上。例如：10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 5 4 2 2 0则数量指标为544。计算结果时，可采用以下公式：,设样品含水量为20，则干土为80%：,土壤的卫生微生物学检测(一)主要检查项目 1细菌总数的测定 土壤中微生物种类很多，它们的生物学特性各不相同，对于培养条件及营养要求也各不相同，因而细菌培养法显然不能确切的代表土壤中的微生物状态，而只能大致说明细菌污染程度。2大肠菌群值的测定 大肠菌群在自然界中存活时间与肠道致病菌近似，因此，大肠菌群值的测定，在确定土壤被粪便污染上有较现实的意义。大肠菌群值的概念，是指可检出大肠菌群的最小被检样品重，通常用克来表示。,3产气荚膜杆菌的测定 测定产气荚膜杆菌数量，在判断粪便污染土壤的时间上有辅助的意义。因为产气荚膜杆菌存活时间较久，发现大量产气荚膜杆菌而大肠埃希氏菌很少时，则表示土壤非新近的粪便污染，反之，则表示新近的污染。4嗜热菌的测定 嗜热菌主要存在于温血动物肠道内，也大量存在于有机垃圾中，检出嗜热菌可作为污染的标志。嗜热菌为需氧芽孢杆菌，发现大量嗜热菌及少量大肠埃希氏菌，说明土壤已被粪便污染很久，反之，为新近污染。5芽孢菌和非芽孢菌的比值测定 芽孢菌对于外界环境抵抗力强，生存时间较久，因而发现大量芽孢菌而非芽孢菌少时，说明污染的时间较久，反之，则为新近污染。,（二）检验方法 1样品的采集与处理 先用灭菌的刀或铲除去土壤的表层，再用烧灼的勺有采取土壤200300g，置于无菌磨口玻璃瓶内，标明采取地点、深度、日期和时间。将土壤置乳钵中研磨均匀，称取50g，加入盛有450mL灭菌自来水的广口瓶中，充分振摇混匀，制成101的稀释液，然后以此为检验材料，进行细菌总数及大肠菌群等检测。2细菌总数测定 方法与水的细菌总数测定相同。3大肠菌群值的测定 测定方法如下：由稀释倍数高的开始，顺序吸取10-3、10-2及10-l稀释液各lmL，分别加人10mL单,倍乳糖培养基内，另取10-l稀释液10mL，加人10mL双倍乳糖培养液中；置37温箱经过24h培养，以下操作按大肠菌群的常规测定方法进行。4产气荚膜杆菌值的测定 按下列步骤进行：将土壤稀释液置80水浴加热15min，以杀灭其中的繁殖体；分别接种10-110-4各稀释液lmL于已融化并冷至45左右的亚硫酸钠深层培养基内，混合均匀，迅速将试管置水中冷却，置44培养1824h，观察结果；若有产气荚膜杆菌生长，则于深层培养基中出现裂解、混浊和变黑现象；挑选黑色菌落涂片染色，可见产气荚膜杆菌的典型形态（G+杆菌，芽孢多位于菌体的次极端，芽孢小于菌体）；根据结果，查表即得产气荚膜杆菌值。,5嗜热菌数测定 测定方法与细菌总数不同的是需放在较高温度培养。具体过程为：分别吸取已稀释成10-l10-5的稀释液各1 mI，注人平皿内；将已融化并冷至65的琼脂倾入平皿中，混合均匀；待凝，置60温箱培养24h，所获菌数即为嗜热菌数。6芽孢菌与非芽孢菌比值测定 按常规方法倾皿，在37培养48h，记录土壤细菌总数，然后将土壤稀释液于80水浴中加热15 min以杀灭繁殖体后再行倾皿培养，所得菌数即为芽孢菌数。细菌总数减去芽孢菌数即为非芽孢菌数。,居民区土壤的卫生评价之二,居民区土壤的卫生评价之三,居民区土壤的卫生评价之一,影响土壤中微生物分布的因素 土壤颗粒的性质 土壤的水分 氧气 pH 温度 营养状况 另外，土壤中的微生物数量还会随着一年四季气候的变化而变化，一天中温度的不同也会对土壤中的微生物数量起某种程度的影晌。人类的生产活动如施肥，耕作等等对土壤中微生物种类和数量的变化也会有很大的影响。,空气中微生物的生态分布,一、空气污染和微生物 空气中缺乏微生物可直接利用的营养物质，微生物不能独立地在空气中生长繁殖，它不是微生物生长繁殖的天然环境。因此，空气中没有固定的微生物种群，它主要是通过土壤尘埃、水滴、人和动物体表的干燥脱落物、呼吸道的排泄物等方式被带入空气中，这些微生物附着在灰尘颗粒上，短暂悬浮于空气中的液滴内，随气流在空气中传播。空气中微生物的数量与人和动物密度及活动情况、植物数量、土壤与地表覆盖、气温、日照和气流等因素有关，空气中的微生物类群还随环境不同而异，空气中的微生物大部分为非致病性微生物，常见的有芽孢杆菌属、无色杆菌属以及一些放线菌、霉菌等。,周大石等曾对沈阳市大气微生物区系分布进行了研究，根据沈阳市的自然条件和社会因素的特点，以及影响大气微生物分布的有关因素综合考虑，共选择了在生态环境和地理位置均具有代表性的采样点10个，并从中分离出细菌112株、霉菌57株、放线菌44株。经鉴定，细菌为14个属、放线菌5个属，细菌有芽孢杆菌属（Bacillus）、微球菌属（Micrococcus）、黄杆菌属（Flarobacterium）、葡萄球菌属（Staphylococcus）、纤维单孢菌属（Cellulomonas）、无色杆菌属（Achromobacter）、产碱杆菌属（Alculigens）、克雷伯氏菌属（Klebsiellab）、布鲁氏菌属（Brucella）、节细菌属（Arthrobacter）、奈瑟氏球菌属（Neisseria）微杆菌属（Microbacterium）、拟杆菌属（Bcateroides）、短杆菌属（Brtvibacterium），霉菌有青霉属（Penicillum）、毛霉属（Mucor）、曲霉属（Aspergillus）、根霉属（Rhizopus）、,木霉属(Trichooderma)、交链胞霉属（Alternaria），放线菌有链霉菌属（Streptomyces）、胞囊链霉菌属(Streptosporangium)、诺卡氏菌属（Nocardia）、钦氏菌属（Chaina）、小瓶菌属（Ampullariella）。另外，空气中也有一些微生物是致病性的,空气中的病原微生物,室内空气中的微生可随气流带入，但主要来源还是人、动物和植物。一个建筑物中空气微生物的组成，决定于动植物携带微生物的种类和数量，以及人和动物的机械性移动(如扫地、铺床、更衣、猫和狗的活动)，尤其是人和动物从呼吸道排出微生物的数量有关。此外，室内空气的流动因建筑物的大小和形状、室内陈设、取暖和通风设施而大有变化。狭小的房间，器具堆积，门窗不常开启，室内空气经常是污浊的。气候的变化特别影响室内空气的流动，在寒冷的季节，通风不良，人群拥挤的场所，空气中微生物的数量与日俱增。通常所说的空气传染实际上是唾液传染，它为一种直接传染，不能传播很远。但是在某些情况下，污染空气确能使易感者得病，例如，空气中的绿脓杆菌能感染人体烧伤创面，引起化脓病变，对严重烧伤病人有致命危险。,南京市各类空气含菌量的比较,由表可知，各区域内公共场所中空气含菌量最高，街道次之，公园、机关又次之，城市郊区、植物园最低。彼此相差几倍至几十倍，原因可能是与绿化和人们的活动有关。,二、微生物对空气污染的监测 1对空气污染的指示作用 许多微生物对空气污染是敏感的，实践中可利用这类敏感的微生物作为指示生物，或用于研究细胞学损伤。例如，大肠杆菌(E.coli)对O3和碳氢化物的光合反应产生的烟雾是高度敏感的，这种混合污染物只要几个g/L的浓度就可以使大肠杆菌致命。纯的O3对于大肠杆菌也是有毒的，能使细胞表面发生氧化作用，造成内含物渗出细胞而被毁。发光细菌对于测定由空气污染物引起的细胞学损伤也是良好的工具，发光细菌在暗处生长，它们的生物发光又较易测定。已知由氧化氮和丁烯经光化学作用产生的烟雾能明显阻碍生物发光；发光细菌对PAN也特别敏感，浓度小于2g/L时，就能抑制发光，而这样低的浓度还不会使人眼产生刺激作用。尽管这样,低的空气污染水平，也可能在高等生物中引起细微的生理学影响，但是人们却不易觉察它，在这方面，微生物可以成为我们很好的助手。2利用微生物指示致癌物中的污染 致癌物中的多环碳氢化合物，是空气中普遍存在的污染物，这类物质也能刺激细菌细胞产生畸变，例如，用致癌的污染物3,4苯并(a)芘处理蜡状芽孢杆菌，能增加细菌的代谢活性，并引起细胞的畸形生长。苯并(a)还能影响巨大芽杆菌生长，使之形成大颗粒的细胞等等。因此可以利用这种现象，来研究引起细胞损伤的污染物水平，以及细胞受损害的性质。,致癌物对巨大芽杆菌细胞形成的影响,据报道，紫外光可以加速苯并芘对微生物的损害。有人利用原生动物草履虫作为材料，用50种致癌的碳氢化合物和67种不致癌的碳氢化合物，来研究光动力反应和致癌物活性的联系，结果显示出致癌物质比不致癌物更加具有光动力学性质。就目前而言，有关微生物对大气污染的指示作用尚处于研究阶段，不具备实用性，还有待于实用化技术的开发应用。当细胞培养在含有3,4苯并芘(a)的培养基中时，能形成不正常的巨大细胞，胞内充满着颗粒。三、空气微生物污染的评价标准 评价空气微生物污染状况的指标是细菌总数和链球菌数。目前关于空气中微生物数量标准问题，还没有正式规定，这里仅介绍一些资料，供评价空气微生物污染时参考。,室内外空气细菌和灰尘污染状况的卫生评价(cfu/m3),室内空气的卫生细菌学粽准（沉降平板法）,注：营养琼脂平板，开放5min，27培养48h。,检验空气中的病原微生物比较复杂，而且阳性率不高，只有在病人或带菌者周围采集样品，才能检出，故对日常卫生监测意义不大。因而在一般评价空气微生物污染状况时，常用细菌总数与绿色链球菌作为评价指标。空气中的细菌总数是指每立方米空气中各种细菌的总数，一般认为细菌总数达5001 000cfu/m3时，可作为空气污染的指标。绿色链球菌一般作为空气污染的指标细菌。它经常存在人类呼吸道中，是人类鼻腔中的正常菌丛。在空气中的抵抗力较大，生存时间长，有代表一般致病菌抵抗力的意义。在拥挤的住房内，温度、相对湿度和CO2含量超过卫生标准时，空气中的细菌数也大大增加，因此，细菌总数和链球菌数是测定空气卫生状况的敏感指标，它们可以评价空气的微生物污染程度与卫生状况。,四、空气微生物的检测 要检测空气中微生物的种类和数量，需要特殊装置的采样器采样，然后将采得的空气样品通过培养基的培养，进行计数。影响微生物计数的因素很多，包括捕获的方法、捕获过程中对微生物的杀灭作用、培养温度以及培养基的选择等。到目前为止，尚未找到一种能培养所有微生物的培养基，特别是立克次氏体和病毒不能在无生命的培养基中生长，因此，一般都是以细菌和真菌作为检测的目标。空气微生物检验一般只计在37繁殖的微生物总数，而不计微生物种类。常用的检验方法有两种：一种是测菌落数，即一定时间内从空中落到单位地面上的微生物个数；另一种是测浮菌数，即每单位体积空气中浮游着的微生物个数。测落菌数时，把一定数量的琼脂平板，均匀在室内的地板上，打开平板，暴露,琼脂若干小时。然后在37恒温箱内培养48h，计数每个平板琼脂表面的菌落数。检测浮菌数，实际上是检测试样的总菌数。视集菌方法的不同，有撞击法、过滤法和静电沉降法之分。常用的方法如下：1沉降平板法 是将盛有琼脂培养基的平板置于一定地点，打开平板盖子暴露一定时间，然后进行培养，计数菌落数。据实验认为暴露lmin后，每平方米培养基表面积上生长的菌落数相当于0.3m3扩空气所含有的细菌数。该方法比较原始，一些悬浮在空气中带菌的小颗粒在短时间也不易降落在培养皿内，因而无法确切进行定量测定，但检测方法较简便，可适用于在不同条件下相互对比之用。,2液体撞击法 亦称吸收管法，是利用特制的吸收管，将定量的空气快速吸收到管内的吸收液内，然后取此液体一定量(一般为1mL)，稀释（视空气清洁程度而定），计数菌落数或分离病原微生物。,3撞击平板法 是抽吸定量的空气快速撞击一个或数个，转动或不转动的平板的培养基表面，然后将平板进行培养计数生长的菌落数。4滤膜法 是将定量的空气通过支撑于滤器上的特殊滤膜（加硝酸纤维滤膜），使带有微生物的尘粒吸着附在滤膜表面，然后将此尘粒洗脱在合适的溶液中，再吸取一部分进行培养计算。,流体撞击法,一般检验空气中细菌的方法常用沉降法，虽然细菌数量欠准确，但方法简便。实际中用下式计算lm3空气中微生物数量。,式中：X每立方米空气中的细菌数；N平板暴露5min，于37培养24h后生 长的菌落数；r平板底部半径（cm）。如果面积为100cm3的平板培养基，暴露于空气中5min，37培养24h后所生长的菌落数，就相当于10L空气中的细菌数。,水中微生物的生态分布 水多、水少、水脏、水差 水体的主要特点是：弱光、缺氧、密度大、粘性高、温度变化平缓(比热大)、能溶解各种无机盐类(溶解性)。习惯上，常将水环境中微生物分为淡水微生物和咸水微生物两大类。,淡水微生物 水区域的自然环境多靠近陆地，因此，淡水中的微生物主要来源于土壤、空气、废水、人和动物的排泄物以及死亡腐败的动植物尸体等。事实上，土壤中所有细菌、放线菌和大部分真菌，在水体中几乎都能找到，并且成为淡水中的固有种。在细菌种类上主要有腐生型细菌、真菌和原生动物，如芽孢杆菌属(Bacillus)、梭菌属(Clostridium)、变形菌属(Proteus)、大肠杆菌(E.coli)、粪链球菌(Streptococcus faecalis)和弧菌(Vibrio sp.)、螺菌(Spirillum sp.)，另外，还有大量酵母菌。底层淤泥中厌氧细菌较多，如脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、甲烷杆菌属(Methanobacterium)和甲烷球菌(Methanococcus)以及原生动物和鞘细菌。,咸水微生物 咸水中微生物种类与海洋区域有关。远海区域含盐量较高，主要生存嗜盐并能耐受高渗透压的细菌，如盐生盐杆菌(Halobacterium halobium)在含盐量12的饱和盐水中可生长，此外，亦可见到假单胞菌属中(P.xanthocrus)。在海岸及入海口的淡咸水交汇处有机物含量较高，含盐量较低，细菌含量较高。一般每1 mL水约含10万个细菌，底泥中常含几亿个细菌。常见细菌主要有假单胞菌属(Pseudomonas)、杆动菌属(Mycoplana)、弧菌属(Vibrio)、梭菌属、变形菌属、硫细菌、硝化细菌和蓝细菌中的一些种，常见酵母菌有色串孢属(Torual)和酵母(Saccharomycessp.)，一般霉菌较少。海洋中的藻类较多，主要有硅藻。,微生物个体的生态条件,个体 就是指具有完整生命活动的最小功能有机体。个体生态学就是研究生物个体与环境的相互关系，其中包括生物和非生物因子对生物个体生长、繁殖的影响。生态因子概述 微生物所生存的场所中，对微生物发育具有直接直接或间接影响的环境要素，称为生态因子(ecological factors)。从生态学角度来看，所有生态因子构成了生物的生态环境(ecological environment)。具体的生物个体和群体的生态环境，称为生境(habitat)。,限制因子 对于一个特定的生境，在诸因子中，必有一个或几个因子在特定条件下起主导作用，即该因子的改变将影响微生物个体的生长、繁殖，以及引起生物种群或群落的改变，这种因子可称为限制因子(limiting factors)。最低定律 最低定律(Law of Minimum)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。,耐性定律 任何一个生态因子对生物都存在最大和最小临界阈，在稳态条件下，当这种生态因子超过某种生物的耐性限度时，就会使该生物受到损伤或不能生存。,各生物体及其某一生理过程对限制因子所具有的耐性极限范围，称为生态幅(ecological amplitude)。,耐性定律图示及温度对微生物生长速率的影响,对以上定律的说明 最低定律只适用于“单因子”作为限制因子的假设，因而只有在稳态条件下，即生境中能量和物质的流入和流出相平衡时才能严格应用。耐性极限范围仅当微生物从一个状态平稳地过渡到另一个稳定状态下才有意义。在某一生境中生存的微生物个体，其死亡原因由造成生理上的不适或生理代谢受阻比由耐性极限的限制为多。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(factor substitution)。同一个体的生态幅，可因其发育阶段不同而发生变化。当某种微生物对某一个生态因子不是处于最适度范围内，则对其他生态因子的耐性限度可能也随之下降。,生态因子的分类 按照传统的分类法，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。,微生物个体的生态条件,非生物因子 温度 温度是一个重要的生态因子。首先，温度对生物个体的生长、繁殖等生理生化活动产生深刻的影响；其次，温度对生物的分布及数量等也有一定的决定作用。1.温度及其变化规律温度在空间上的分布季节变化昼夜变化,微生物个体的生态条件,温度 2.温度对微生物生长的影响 微生物可生长的范围较广，已知微生物在-1095 均可生长。但每一种微生物只在一定的温度范围内生长。根据生态幅，每种微生物都有三种基本温度：微生物生长的温度耐性下限，叫最低生长温度，低于这个温度，微生物就不能生长；微生物生长最旺盛时的温度叫最适生长温度；微生物生长的温度耐性上限，叫最高生长温度，超过这个温度，则会引起细胞成分发生不可逆的失活而导致死亡。微生物的最适生长温度通常靠近最高生长温度，不同微生物的基本生长温度差异很大。,湖泊水在四季中出现的循环与成层现象,微生物个体的生态条件,根据微生物的最适生长温度，可将微生物分成三类。表中所示为废水处理中常见微生物生长的温度范围。,温度对微生物生长速率的影响,各类微生物生长的温度范围表,微生物个体的生态条件,高温灭菌所谓灭菌就是杀死所有的微生物的方法，包括杀死带有芽孢的细菌和放线菌、霉菌等的孢子；消毒就是杀灭病原微生物的方法；防腐就是防止或抑制微生物生长繁殖的方法。高温灭菌分为干热灭菌和湿热灭菌两种。前者利用烧灼或烘烤等方法，后者利用热蒸气灭菌。在相同的温度下，湿热灭菌的效力比干热灭菌高。高温灭菌常采用高压蒸汽灭菌法，此外，在食品工业中还常采用一种巴斯德消毒法。巴斯德消毒法采用6070的温度将食品（牛奶、啤酒等）处理1530min，以除去食品中的微生物，同时保持食品的营养和风味。,微生物个体的生态条件,低温保存菌种前实验室普遍采用的冰箱保藏菌种法和真空冷冻干燥法保存菌种。应用冷冻保存菌种时必须将菌体温度迅速降低到冰点以下。如果温度逐渐下降，就可造成菌体死亡。因为温度逐渐低于冰点时，细胞内的水分转变成冰的结晶，引起细胞脱水，并且冰的结晶可对细胞结构特别是细胞膜产生物理损伤。若采取快速冷冻，则细胞内形成的冰晶体积小，对细胞的损害也小。冰冻和融化反复交替进行对菌体影响较大，容易引起菌体死亡。,微生物个体的生态条件,温度对生命活动的影响温度与寿命的关系 繁殖总产量 代谢速率和代谢目的产物,微生物个体的生态条件,光辐射 地球接受到的辐射能光照对微生物的致死作用 1）紫外辐射(波长 260nm)；2）电离辐射；3）可见光辐射 光照对水生动物的影响 光照对水生植物的作用,微生物个体的生态条件,渗透压和水的活度水的物理化学特性水的活度对微生物的影响体液渗透压的调节与生物分布pH值,微生物个体的生态条件,渗透压和水的活度水的物理化学特性水的活度对微生物的影响体液渗透压的调节与生物分布pH值水中pH值的性质微生物的pH值耐性限度 微生物对环境pH值的影响 pH值对微生物生长和发酵产物的影响,微生物个体的生态条件,氧化还原电位与氧 氧化还原电位Eh的单位一般用V表示，它对微生物的生长繁殖及存活有很大影响。由于氧化还原电位受pH值影响，通常以pH=7时的氧化还原电位为标准，记为Eh。一般好氧性微生物在Eh值0.1V以上均可生长，以Eh值为0.30.4V的最合适。厌氧性微生物只能在Eh值低于0.1V以下生长，在0.1V以下生长较好。兼性厌氧微生物在0.1V以上时进行好氧呼吸，在0.1V以下时进行发酵。,微生物个体的生态条件,氧化还原电位与氧不同氧化还原电位的获得 氧对微生物的影响,微生物个体的生态条件,毒性物质 毒性物质在自然水体或污水处理构筑物中常发生生物和化学变化或转化。生物性转化通过以下三种方式：生物体的积累、富集。生物转化作用。生物吸收、吸附。,重金属及其化合物 有机化合物卤族元素及其化合物 染料,微生物个体的生态条件,抗生素 抗生素是由某些微生物合成或半合成的化合物，具有低浓度即可抑制或杀死其它微生物的作用。抗生素的产生往往是一种微生物对其它某些微生物生长繁殖的限制，实质为生物间的相互作用（即生物因子）。抗生素的作用对象有一定的范围，这种作用范围就称为该抗生素的抗菌谱。氯霉素、金霉素、土霉素、四环素等可抑制多种微生物，故称为广谱抗生素；而青霉素主要作用于革兰氏阳性细菌，多粘菌素只能杀死革兰氏阴性细菌，所以称为窄谱抗生素。,微生物个体的生态条件,生物因子 从个体微生物角度来看，它在某一生境中的生存，将受到其它微生物的影响，并存在各种复杂关系。一般可将微生物间的相互关系归纳为三类：中性作用，指两种微生物彼此之间无任何影响；正相互作用，指一种生物的生长和代谢对另一种生物有利，或相互有利，如生物间的偏利共生、互惠共生、互生；负相互作用，指一种生物对另一种生物的生长产生有害的影响，或者相互有害，如生物间的竞争、拮抗、捕食和寄生。,微生物个体的生态条件,竞争竞争（competition）关系是一种生物在为食物、营养、生活空间以及其它共同需求的物质的争夺中对另一种生物产生不利或有害的影响。这种关系不但可发生在种间，亦可发生于种内。微生物的生存竞争在自然界及人工环境中是十分激烈的，并且对生态系统内微生物种群构成起重要作用。,微生物个体的生态条件,互生互生（protocooperation）关系是微生物间比较松散的联合。两种独自生活的生物，当它们共同生活在一起时，比各自单独生活时更好，可以互助互利，亦可一方得利。在自然界中，微生物间的互生关系极为普遍，也很重要。,微生物个体的生态条件,共生共生关系是两种微生物紧密地结合在一起，当这种关系高度发展时，就形成特殊的共生体。即在生理上表现出一定的分工，在组织上和形态上产生新的结构。其中互惠共生（mutualism）是两者相互得利；偏利共生（commensalism）是一方得利，但对另一方无害。,微生物个体的生态条件,拮抗拮抗（antagonism）关系是两种微生物生活在一起时，一种微生物产生某种特殊的代谢产物或使环境条件发生变化，从而抑制甚至杀死另一种微生物的现象。寄生 寄生（parasitism）关系是一种生物生活在另一种生物的表面或体内，并从后者的细胞、组织或体液中取得营养，使后者发生病害或死亡。前者称为寄生物，后者称为寄主。,微生物个体的生态条件,捕食 捕食（predation）关系是一种微生物直接吞食另一种微生物。在自然界中，捕食关系是微生物中的一个引人注目的现象。主要的细菌捕食者是原生动物，它们吞食数以万计的细菌，明显影响细菌种群的数量。这一作用在污水处理中起着非常重要的作用。例如，在无纤毛类原生动物存在时，活性污泥法出水的的上清液中每ml含有游离细菌达100160百万个，而存在纤毛类原生动物时，上清液中每ml水仅含细菌18百万个，出水亦较清澈。另外，粘细菌和粘菌也直接吞食细菌，而且粘细菌也常侵袭藻类、霉菌和酵母菌。捕食关系在控制种群密度、组成生态系食物链中，具有重要的意义。,微生物在污染环境中的分子生态效应,对适应的形成作出有关假设，图中表明，物种通过生态小生境空间跟踪环境的关系，说明适应的相对性。小生境形象地“适应峰”，一直变化(向右移动)；缓慢变化的物种群体(黑色点)正跟上小生境的变化，但总是稍落后于峰。当环境变化时，单峰变成两个不同的峰，两个群体分离成不同的物种。当某一种不能跟上迅速变化的环境时，则变成适应欠佳的物种(落后峰较远)，最终灭绝(需要说明的是，这儿只考虑了小生境空间和实际物种空间的两个因子；实际上这两个因子都是多维的)。,微生物种群的生存竞争,种群(population)可理解为同种生物个体的集合体。它既是物种存在的基本单位，又是群落的组成成分，同时还是生态系统研究的基础 种内的生存竞争 种群内的竞争表现为个体间的竞争，这种竞争在种群繁殖初期并不激烈，各自可能具有较多的空间和食物来源。一旦在某个生境确立了种群的分布区，并在分布区中随着种群密度增加，竞争才逐渐产生，而且日趋激烈。由此可见，种群数量过剩将是导致种内竞争的根源，而种内竞争又是种群密度的制约因子。Nicholson(1954)将种内竞争划分为两种形式。,分摊竞争(scramble competition)种群内的每一位成员均有相等的机会去接近和获取有限的资源。,羊绿蝇对食物的种内竞争1种群死亡率与幼虫密度关系；2幼虫增长率与食物数量关系3成年个体产卵数与幼虫对食物竞争的关系,争夺竞争(contest competition)竞争中的优胜者为了生存和繁殖的需要，必须尽可能多地控制必需资源，而劣势者则将必需资源让给它的竞争优胜者。例如，在动物界，种群内的强者占有更多的战利品，而弱者只好放弃到手的食物。任何一个环境中所能容纳的生物密度存在着上限值，当超过环境可容纳量，即可资利用资源相对有限时，则必然出现种群内竞争现象。因而，种群内竞争的产生是一种密度约效应，这一效应则避免了“繁殖过剩”，并保证了种群的生存和延续趋向。,种群增长模型 个体有生有死，个体的生死在种群中可用 增长率和死亡率来表示，这是群体水平研究的方法。指数增长这是一种理想条件下的增长方式。种群在无限环境中，营养充足，环境适宜，且可不考虑死亡率，则种群的增长速率可表示为（8.1）式中 Ntt时刻种群的数量；r种群的瞬时增长率，一般为常数；t培养时间。这种现象仅当微生物处于对数期才可能出现。若以Nt对时间作图，这种种群增长呈J字型，因而又常称为“J”型增长。,如果在时间t=0时种群的数目为N0，则式(8.1)可解为 Nt=N0exp(rt)(8.2)非密度制约(density independent)Logistic增长 这种增长亦是种群处于无限环境中，然而考虑到微生物的死亡率，因而引入内禀自然增长率(intrinsic rate of natural increase)的概念。微生物的增长可表示为(8.3)Nt、t同前，这里rm为种群的内禀自然增长率，导致内禀制约，其值等于繁殖率减去死亡率。rm与r不同，rm值并不是常数，一般与微生物的发育阶段有关。,该式仅适用于营养较多的适宜环境，因而在实际应用中可将rm分段近似看做常数。则式(8.3)的积分式可表示为 Nt=N0exp(rmt)(8.4),种群增长模型1指数增长；2非密度制约Logistic增楚；3密度制约Logistic增长,密度制约(density dependent)Logistic增长 种群的实际增长并不能无限度地增长，而是 在一定的环境下，总存在一个上限K值。当种群的数量(或密度)Nt逐渐接近上限K值时，实际增长率就要逐渐减少，即(8.5)或 式中 K环境容纳量(或环境负荷量)；rm，Nt，t同前。上式可称为Verhulst Pearl方程，现在人们常称为Logistic模型。因为在Nt对t坐标下Logistic曲线呈“S”型，因而又称为“S”型增长或Logistic增长。,种间的生存竞争,生存竞争学 生存竞争（competion for existence）即生存斗争，主要指的是生物跟周围环境中的其他个体相互竞争以维持