微生物生态学ppt课件.ppt

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1、第八章 微生物的生态,生态学 是一门研究生物系统与其环境条件间相互作用规律性的科学。,微生物生态学 就是研究微生物群体微生物区系与其周围的生物和非生物环境条件相互作用关系的科学。,研究微生物间及其与他种生物间的相互关系，有助于发展新的微生物农药、微生物肥料以及积极防治人和动、植物病虫害,第一节 微生物在自然界的分布与菌种资源的开发第二节 微生物与生物环境间的关系第三节 微生物与自然界物质循环第四节 微生物与环境保护,第一节 微生物在自然界的分布与菌种资源的开发,一、微生物在自然界的分布二、 菌种资源的开发,（一）土壤中的微生物土壤具备了各种微生物生长发育所需要的营养、水分、空气、酸碱度、渗透压

2、和温度等条件，所以土壤是微生物生活的良好环境。,土壤是微生物的“大本营”；土壤是人类最丰富的“菌种资源库”。,一、微生物在自然界的分布,土壤是微生物良好的生活场所,1、为微生物提供了良好的源、源、能源。,2、为微生物提供有机物、无机盐、微量元素。,4、土壤p值范围5.58.5之间。,5、温度、季节与昼夜温差不大。,6、土壤颗粒空隙间充满着空气和水分。,7、适宜的渗透压。,3、满足了微生物对水分的要求。,细菌（108）放线菌（107）霉菌（106）酵母菌（105）藻类（104）原生动物（103）若按生物量（单位体积内活细胞的重量）计算则各种微生物的生物量基本相当。,通过土壤微生物的代谢活动，可改

3、变土壤的理化性质，进行物质转化，因此，土壤微生物是构成土壤肥力的重要因素 .,土壤中各种微生物含量 （按种类递减）,据估计每亩耕作层土壤中，约有微生物250 kg，其中：霉菌150 kg、细菌75 kg、原生动物15 kg、藻类7.5 kg、酵母菌7.5 kg。,水体中含有机物、无机物、O2、毒物以及光照、pH、温度、水压、流速、渗透压和生物群体等的明显差别，在自然界的江、河、湖、海等各种淡水与咸水水域中都生存着相应的微生物 .,（二）水体中的微生物,1 不同水体中的微生物种类,（1） 淡水型水体的微生物,江、河、湖和水库等，根据其中有机物含量的多少及其与微生物的关系还可分为两类。,1）清水型

4、水生微生物,在洁净的湖泊和水库蓄水中，因有机物含量低，故微生物数量很少（10103ml ), 可认为是水体环境中“土生土长”的土居微生物或土著种.,典型的清水型微生物以化能自养微生物和光能自养微生物为主，如硫细菌、铁细菌和衣细菌等，以及含有光合色素的蓝细菌、绿硫细菌和紫细菌等。,霉菌中也有一些水生性种类，例如Saprolegnia（水霉属）和Achlya（绵霉属）的一些种可生长于腐烂的有机残体上。单细胞和丝状的藻类以及一些原生动物常在水面生长，它们的数量一般不大。,异养菌较少贫营养细菌（115mg C/L有机质）：寡养土壤单孢菌。,2）腐败型水生微生物 流经城市的河水、港口附近的海水、滞留的池

5、水以及下水道的沟水中，富营养化的湖水，由于流入了大量的人畜排泄物、生活污物和工业废水等，因此有机物的含量大增，同时也夹入了大量外来的腐生细菌.,腐败型水生微生物尤其是细菌和原生动物大量繁殖，每毫升污水的微生物含量达到107108个。其中主要为各种肠道杆菌、芽孢杆菌、弧菌和螺菌等。这些微生物在污水环境中大量繁殖，逐渐把水中的有机物分解成简单的无机物污水也就逐步净化变清。,随着人畜排泄物或病体污物而进入水体的动植物致病菌，一般难以长期生存，但由于水体的流动，也会造成病原菌的传播甚至疾病的流行。,较深的湖或淡水等生境中，因光线、溶氧和温度等的差异，微生物呈明显的垂直分布带：沿岸区（浅水区）：蓝细菌、

6、藻类和好氧微生物；深水区：厌氧光合细菌和一些兼性厌氧菌；湖底区：严重缺氧，只有一些厌氧菌生长。,海洋是地球上最大的水体。海水与淡水最大的差别在于其中的含盐量。含盐量越高，则渗透压越大，反之则越小。因此海洋微生物与淡水中的微生物在耐渗透压能力方面有很大的差别。,1）海水的含盐量3%左右，能在其中生活的微生物为嗜盐菌。真正的海洋细菌在缺少氯化钠的情况下是不能生长的，为：一些藻类以及细菌中的芽孢杆菌属、假单孢菌属、弧菌属及一些发光细菌等。2）除了在热带海水表面外，在其它海水中发现的细菌多为嗜冷菌。3）在深海或超深海由于黑暗、寒冷和超高压只有少数耐压菌才可生长，少数微生物甚至可在600个大气压下生长。

7、如水活微球菌和浮游植物弧菌等。,(2)海水型水体微生物,包括：好氧菌对有机物的分解作用，原生动物对细菌等的吞噬作用，噬菌体对宿主的裂解作用，藻类对无机元素的吸收利用，以及浮游动物和一系列后生动物通过食物链对有机体的摄取和浓缩作用等。,2. 水体的自净作用流水不腐,在自然水体尤其是快速流动的水体中，存在着对有机或无机污染物的自净作用。其原因是多方面的，虽有物理性的稀释、沉降、吸附等作用和化学性的氧化作用，但更重要的却是各种生物学和生物化学作用。,水中微生物的含量对该水源的饮用价值影响很大。 标准：（1） 细菌数个/ mL不宜作饮水。（2） 用以E.coli为代表的大肠菌群数为指标大肠菌群数/ 1

8、000 mL自来水 3个（37，48h）。,对饮用水来说，更重要的指标是其中微生物的种类。因此，在饮用水的微生物学检验中，不仅要检查其总菌数，还要检查其中所含的病原菌数。,3. 饮用水的微生物学标准,由于水中病原菌的含量总是较少，难以直接找到，但只要通过检查水样中的指示菌Ecoli数即可知道该水源被粪便污染程度，从而间接推测其他病原菌存在的概率。检验Ecoli可用以前介绍过的伊红美蓝鉴别性培养基（EMB）。,（三） 空气中的微生物,1、 无原生的微生物区系 空气中不含微生物生长繁殖所必须的营养物、充足的水分和其他条件，且日光中的UV还具强烈的杀菌作用，因而不宜于微生物的生存。 2、来源 土壤、

9、水体及人类的生产、生活活动。 3、种类 主要为真菌和细菌，一般与其所在环境的微生物种类有关。 4、数量 取决于尘埃数量。,空气中的微生物的数量是大气污染程度的标志之一。 凡含尘埃越多的空气，其中所含的微生物种类和数量也就越多。因此，灰尘可被称作“微生物的飞行器”。 一般在畜舍、公共场所、医院、宿舍、城市街道的空气中，微生物的含量最高。 在大洋、高山、高空、森林地带、终年积雪的山脉或极地上空的空气中，微生物的含量就极少. 微生物在空气传播的距离是无限的，因而其分布是世界性的。,由于尘埃的自然沉降，所以越近地面的空气，其含菌量越高。然而，微生物在高空中分布的记录却越来越高。 在本世纪30年代，人们

10、首次用飞机证实在20km的高空存在着微生物；70年代中期又发现在30km的高空存在着微生物；,70年代末，人们用地球物理火箭，从74km的高空采集到处在同温层和大气中层的微生物，其中包括两种细菌和四种真菌，（藤黄分枝杆菌），（蝇卷霉），（黑曲霉），（点青霉），后来，又从85km的高空找到了微生物。这是目前所知道的生物圈的上限。,测定空气中微生物的数目可用培养皿沉降法或液体阻留法等方法进行.,凡须进行空气消毒的场所，例如医院的手术室、病房、微生物接种室或培养室等处可以用紫外线消毒、福尔马林等药物的熏蒸或喷雾消毒等方法进行。,为防止空气中的杂菌对微生物培养物或发酵罐内的纯种培养物的污染，可用棉花、

11、纱布（8层以上）、石棉滤板、活性炭或超细玻璃纤维过滤纸进行空气过滤 .,1. 工业产品的霉腐 大量的工业产品都是直接或间接用动、植物作原料制成的，含有微生物需要的各种营养物。因此，其上分布大量的、种类各异的微生物。一旦遇适宜的温度、湿度时会大量生长繁殖，引起严重霉腐、变质。,（四）、工农业产品上的微生物,霉腐微生物学 研究各种工农业产品上有害微生物的分布、种类、霉腐机制及其防治方法的微生物学分支，称为霉腐微生物学。,1微生物引起工业产品的霉腐（劣化）,（1）霉变（mildew，mouldness）由霉菌引起的劣化 .,（2）腐朽（decay）泛指在好氧条件下微生物酶解有机质使其劣化的现象，常见

12、的如由担子菌引起的木材或木制品的腐朽现象。,（ 3）腐烂（或腐败，putrefaction，rot）主要指由细菌或酵母菌引起的使物体变软、发臭性的劣化。,（4）腐蚀（corrosion）主要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、破坏性劣化。,（5）变质（deterioration）指由各种生物或非生物因素引起的工农业产品质量下降的现象。,防止工业产品霉腐的方法: (1)控制其温度、湿度、氧气和养料等微生物赖以生长繁殖的外界环境条件； (2)是采用有效的化学抑菌剂、杀菌剂或物理杀菌剂，以抑制它们的生长繁殖或直接杀死它们； (3)三是在工业产品加工、包装过程中，尽量保持环境卫生并

13、严防杂菌的污染等。,2食品上的微生物食品是用营养丰富的动、植物或微生物等原料经加工后的制成品。污染食品的微生物主要是（曲霉属）（青霉属）、（镰孢霉属）、（链格孢霉属）、（拟青霉属）、（根霉属）、毛霉属）等.,鲜肉：假单胞杆菌,大肠杆菌,球菌,肠球菌蛋类：环境中细菌、霉菌可进入蛋壳使蛋变臭菜果：细菌、真菌、病毒、酵母菌鱼 ：水体中的微生物类群,粮油食品中的微生物,罐头食品是人仍然用来长期保存食品的一种方法，主要通过密封如热杀死微生物，即可长期保存，但有些耐热的芽孢杆菌，芽孢梭菌能形成芽孢，引起罐头变质。,3. 农产品上的微生物,各种农产品上存在着大量微生物，由此引起的霉腐以及使人和动、植物中毒，

14、危害极大。 在目前知道的5万多种真菌中，已知至少其中有两百多个种可产生一百余种真菌毒素。在这些真菌毒素中有14种能致癌，其中之一黄曲霉菌株产生的黄曲霉毒素.,黄曲霉毒素有B1、B2、G1、G2等多种衍生物，其中以B1的毒性为最高。含黄曲霉毒素最多的食品是霉变花生及其制品、玉米、“红变米”、“黄变米”、自制的酱等。,所贮粮食含水量低于造成低温缺氧环境（密闭）使用防霉化学药剂,防止粮食污染霉变的办法是,极端环境：高温、低温、高酸、高碱、高盐、高毒、高渗、高压、干旱或高辐射强度等绝大多数生物都无法生存的环境。 极端微生物（嗜极菌）：凡依赖于这些极端环境才能正常生长繁殖的微生物。,（五）极端环境下的微

15、生物,嗜热菌,嗜冷菌,嗜酸菌,嗜碱菌,嗜盐菌,嗜压菌,抗辐射的微生物,1. 嗜热微生物（嗜热菌）,嗜热微生物主要为嗜热细菌。可分为5类：耐热菌：最高生长温度45 55 oC，最低70 oC，最适65 oC，最低 40 oC；超嗜热菌：最高生长温度113 oC，最适80110 oC，最 低 55 oC。,2. 嗜冷微生物（嗜冷菌） 最适生长温度15 oC，最高生长温度20 oC，最低生长温度0 oC的细菌、真菌和藻类等微生物。3. 嗜酸微生物（嗜酸菌） 只能生活在低pH（4）条件下，在中性pH下即死亡的微生物。 pH 2，甚至pH 0.5的酸性条件下也有生活，如：硫化叶菌属、硫细菌属、热原体属。

16、4. 嗜碱微生物（嗜碱菌） 能专性生活在pH 10 11的碱性条件下而不能生活在中性条件下的微生物。,5. 嗜盐微生物（嗜盐菌） 必须在高盐浓度下才能生长的微生物。 一般Nacl浓度3% 左右，盐杆菌等极端嗜盐菌必须生活在12 30% Nacl中。6. 嗜压微生物（嗜压菌） 必须生长在高静水压环境中的微生物。均为原核微生物,可分为：耐压菌、嗜压菌、极端嗜压菌。7. 抗辐射微生物 对辐射这一不良环境因素有抗性的微生物。,人体：正常微生物区系；,植物体表：分泌物可被微生物利用；,动物：为动物体正常菌群。,（六）生物体内外的正常菌群,1人体的正常菌群 在人类的皮肤、粘膜以及一切与外界环境相通的腔道，

17、如口腔、鼻咽腔、消化道和泌尿生殖道中经常有大量的微生物存在着。 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，称为正常菌群 . 正常菌群与人体的关系：一般能维持平衡，菌群内部的各种微生物之间，也相互制约而维持相对稳定。,机体防御机能减弱时，一部分正常菌群会成为病原微生物；正常菌群在非正常部位时也可引起疾病；由于外界因素的影响，破坏了各种微生物之间的相互制约关系，正常菌群也会引起疾病（菌群失调症）。,人体肠道正常菌群与宿主间的关系，主要是互生关系，但在某些特殊条件下，也会转化为寄生关系。所谓正常菌群，实际上是相对的、可变的和有条件的。,正常菌群失调：正常菌群的微生态平衡是相对

18、的、可变的、有条件的。一旦宿主的防御功能减弱、正常菌群生长部位改变或长期服用抗生素等制菌药物后，就会引起菌群失调。,条件致病菌：由于正常菌群失调，原先某些不致病的正常菌群成员就会乘机转移或大量繁殖，成为致病菌。内源感染：由条件致病菌引起的感染。微生态制剂：根据微生态学理论而制成的含有有益菌的活菌制剂。微生态学：从细胞和分子水平上研究微观层次上的生态学规律。人体五大微生态系统：消化道、呼吸道、泌尿生殖道、口腔及皮肤。益生菌剂：一类分离自正常菌群，以高含量活菌为主体，以口服或粘膜途径投入，以改善宿主特定部位微生态平衡并有其他有益生理活性的生物制剂。,2无菌动物与悉生生物 无菌动物:凡在其体内外检查

19、不到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已知纯种微生物的无菌动物或无菌植物，就称作悉生生物，意即已知其上所含微生物群的大生物。,用悉生生物学的观点来看待每一个高等动物或高等植物的正常个体时，它们实际上都是一个与有关正常菌群形成一体的“共生复合体”。,悉生生物学（悉生学）：研究悉生生物的学科。用于了解微生物与宿主之间复杂的关系及其机理，用它做实验研究有很多优点：干扰因素少，操作易控制，既可定性分析，也可定量分析，实验结果准确、可靠。,通过对无菌动物的研究后发现：在没有正常菌群存在的状态下，其免疫系统的机能特别低下，若干器官变小，这在原来充满大量细菌的盲肠中表现得尤为突

20、出；,营养要求变得特殊，例如需要维生素K；对属于非致病菌的Bacillus subtilis（枯草杆菌）和Micrococcus（藤黄微球菌）等变得极为敏感，并易患病；对原来易患的阿米巴痢疾，因这种原生动物得不到细菌作食物，所以无菌动物反而不易患了，等等,3根际微生物和附生微生物 与动物体表面存在着大量正常菌群一样，在植物体表面也存在着正常微生物区系.,（1） 根际微生物（根圈微生物） 生活在根系临近土壤，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。多数为G-细菌：假单孢菌属、土壤杆菌属、无色杆菌属、节杆菌属等。（2）附生微生物 生活在植物地上部分表面，借植物外

21、渗或分泌物质为营养的微生物。主要为叶面微生物，鲜叶表面一般含106个/g细菌，还有少量酵母菌和霉菌，放线菌很少。,二、 菌种资源的开发,菌种开发的一般步骤：采集菌样富集培养纯种分离性能测定。,研究微生物的分布规律， 有助于开发丰富的菌种资源，防止有害微生物的活动；,第二节 微生物与生物环境间的关系,自然环境中的微生物一般都不是单独存在的。生物间的关系既多样又复杂杂。微生物与生物环境间的关系分为： 一、互生 二、共生 三、寄生 四、拮抗 五、捕食,一、互生,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。,1、微生物间的互生关系在土壤微生物中，互生关

22、系十分普遍。,固氮菌,纤维素分解菌,固氮,碳源,2、微生物与高等植物之间的互生关系,根际微生物与高等植物：高等植物为微生物提供所需的营养物质，植物发达的根系改善了土壤结构，水分和空气条件，有利于微生物的生长。,3、微生物与人及动物间的互生关系,某些种类微生物在数量稳定的情况下对人及动物物体是有益的。一般不会致病。,4、 互生现象与发酵工业中的混菌培养,混菌培养又称混菌发酵或混合发酵。如：氧化葡糖酸杆菌、条纹假单胞菌和巨大芽孢杆菌协同参与VC生产发酵。,二、共生,两种微生物紧密生活在一起，彼此依赖，相互为对方创造有利条件，有的达到了难以分离的程度。生理上相互分工，组织上形成了新的结构，彼此分离各

23、自就不能很好地生活。,微生物间的共生,微生物与植物共生体菌根,微生物与动物共生,（一）微生物间的共生-地衣,组成：由菌藻（子囊类真菌与藻类）共生或菌菌（真菌与蓝细菌）共生的地衣。,生理：地衣中的真菌和藻类已形成特殊形态的整体，在生理上相互依存。其中的藻类或蓝细菌进行光合作用，为真菌提供养料，真菌以产生的有机酸分解岩石为藻类或蓝细菌提供矿质元素。,地衣内部由藻类和丝状真菌形成的组织,a、混层叶状体，在形成网状菌丝（m）之前，散布着由藻类细胞集合而成的的绿色颗粒（g）；,b、异层叶状体，最外部是由菌丝组成的皮层（c），其内侧是绿色颗粒层。,（二）微生物与植物间的共生,侵入线,根瘤的形成过程,1.

24、根瘤菌与植物间的共生,2. 菌根菌与植物,菌根具有改善植物营养、调节植物代谢和增强植物抗病能力等功能。菌根菌主要为真菌中的担子菌和子囊菌。 菌根可分为外生菌根（哈蒂氏网，主要是担子菌、其次是子囊菌形成）、内生菌根（丛枝状菌根，内囊霉科中部分真菌形成）。,（三）微生物与动物间的共生,1、微生物和昆虫的共生在白蚁、蟑螂等昆虫的肠道中有大量的细菌和原生动物与其共生。有的生活在共生体的细胞外（外共生生物），有的生活在共生体的细胞内（内共生生物）。它们可在厌氧条件下分解纤维素供白蚁营养，而微生物则可获得稳定的营养和其他生活条件。,反刍动物与瘤胃微生物的共生原理,2. 瘤胃微生物与反刍动物的共生,牛羊等反

25、刍动物，草食，但它们本身没有分解纤维素的能力，而是靠瘤胃微生物帮助分解，使纤维素变成能被牛羊吸收的糖类。瘤胃中生活着多种细菌和原生动物。,三、寄生,一种小型生物生活在另一种较大型生物的体内（包括细胞内）或体表，从中夺取营养并生长繁殖，同时使后者蒙受损害甚至被杀死的一种相互关系。前者称为寄生物，后者称为寄主或宿主。各种各样的寄生微生物多是致病菌。,微生物间的寄生关系,微生物对植物的寄生,微生物对人与动物的寄生,（一） 微生物间的寄生1、噬菌体细菌；2、蛭弧菌细菌；,蛭弧菌的生活史示意图（蛭弧菌能寄生在大肠杆菌等许多-菌体内。）,3、真菌真菌；,4、真菌、细菌原生动物。,真菌寄生于真菌菌丝,细菌寄

26、生于真菌菌丝,寄生物先分泌毒素，引起寄主活力衰退，然后再缠绕致死。,有些寄生真菌不分泌毒素，由菌丝将寄主的菌丝紧紧地缠绕起来，再由接触部位侵入寄主菌丝内吸收营养使之死亡。,还有些寄生真菌将菌丝或吸器伸到寄主真菌丝内或寄生菌丝与寄主菌丝接触，溶解寄主细胞膜，吸取其营养物质进行生长繁殖。,（二）微生物与植物间的寄生,微生物对植物的寄生很普遍，这是植物发生病害的重要原因。,能引起植物病害的微生物称为植物病原微生物。,植物或染病微生物发病后，出现变色，组织坏死，萎蔫和畸形等症状。,能引起植物病害的有真菌、细菌、病毒等。,植物病害以真菌病害为主，占。细菌性植物病害占。,寄生于动物的微生物即为动物的病原菌

27、。种类极多，包括：各种病毒、细菌、真菌和原生动物等。这些微生物若寄生于对人有害的动物，则可用它们制成微生物杀虫剂或生物农药。冬虫夏草：寄生于昆虫的真菌。,（三）微生物与动物间的寄生,微生物在人体和动物体内寄生引起人与动物的传染病常见的畜禽传染：炭疽病，口蹄疫，猪瘟，鸡瘟病等,病原微生物寄生在有益的动植物体内会给人们造成经济损失，寄生有害在动物体内，则对人类是有益的，可以加以利用。,四、 拮抗（抗生）,指由某种生物所产生的特定的代谢产物可抑制它种生物的生长繁殖甚至杀死它们的一种相互关系。典型例子：抗生素（抗菌素）、乳酸。,五、 捕食,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一

28、种相互关系。原生动物捕食水体和土壤中的细菌，放线菌，真菌的孢子及单细胞藻类（净化污水）。捕食性真菌捕食土壤线虫， 对生物防治具有一定意义。,微生物在生态系统中的作用,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. 微生物是地球生物演化中的先行者,第三节 微生物与自然界物质循环,微生物与生物地球化学循环,碳素循环,氮素循环,硫素循环,其他元素的微生物转化,磷素循环,铁循环,整个生物圈要获得繁荣昌盛的发展，其能量来源主要依赖于太阳，而其元素来源则主要依赖于微生物所推动的物质循环。,一、碳素循环,微生物在碳

29、循环中的作用,在自然界中，碳及含碳化合物以多种状态存在着。其中有大气中的CO2（含量为0.032）、溶于水中CO2,H2CO3中的碳、含碳岩石（石灰石、大理石）和化石燃料（煤、石油、天然气等）中所含的碳以及有机物中的碳。,CO2+H2O,CO2+CH2O,醇有机酸 CO2+H2,CH4,光合作用,发酵作用,呼吸作用,化石燃料,碳、氢、氧元素在自然界的循环,有氧条件下,无氧条件下,据估计，地球上有90的CO2是靠微生物的分解作用而形成的。经光合作用固定的CO2中，大部分以聚糖的形式累积在木本和草本植物躯体中。在陆地上所固定的CO2中，几乎有60构成了木材。在木材中，约75是由多糖即纤维素、半纤维

30、素、淀粉、果胶和阿拉伯聚糖所构成，另有20以上是由木质素和木聚糖所构成，而蛋白质的含量仅达1左右。,微生物在氮素循环中的作用,生物固氮,氨化作用,硝化作用,硝酸盐还原,二、氮素循环,氮元素在自然界中的存在形式主要有以下五种：铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐、有机含氮物和大气中的游离氮气。,反硝化作用,自然界中的氮素循环,生物固氮：据70年代中期的统计全球生物圈每年生物固氮达1.7108吨，其中草原3.5 107吨，林地4.0 108吨，海洋3.6 108吨，其它土壤0.6 108吨。根瘤菌属每年可为每公顷土地固氮达250Kg。,硝化作用（nitrification）,定义：土壤或水体中的氨态氮经化能自养

31、菌的氧化而成为硝酸态氮的过程。过程：两阶段（1）由亚硝化细菌参与，铵亚硝酸；（2）由硝化细菌参与，亚硝酸硝酸。意义：是自然界氮素循环中不可缺少的一环，对农业无益。,氨化作用（ammonnification）,定义：含氮有机物经微生物的分解产生氨的作用。 含氮有机物的种类：蛋白质、尿素、尿酸、几丁质等。许多好氧和一些厌氧菌都有强烈的氨化作用能力。分解蛋白质的微生物种类：Proteus vulgaris（普通变形杆菌），Bacillus megaterium（巨大芽孢杆菌），Clostridium putrificum（腐败梭菌）。分解尿素的细菌：Sporosarcina ureae（脲芽孢八叠球

32、菌）和Bacillus pasteurii（巴氏芽孢杆菌）。分解几丁质的细菌：Bacterium chitinophilum（嗜几丁杆菌）等。意义：含氮有机物必须经过微生物降解才能被植物利用。,反硝化作用,定义：由硝酸盐还原成NO2并进一步还原成N2的过程（广义）。狭义的反硝化作用仅指由亚硝酸还原成N2的过程。条件：厌氧（淹水的土壤或死水塘中）。菌种：少数异养和化能自养菌。如：Pseudomonas aeruginosa（铜绿假单胞菌）、Ps. stutzeri（施氏假单胞菌）、Thiobacillus denitrificans（脱氮硫杆菌）以及Spirillum（螺菌属）和Moraxell

33、a（莫拉氏菌属）等。意义：土壤中氮元素流失的重要原因之一。水稻田中施用化学氮肥，有效利用率只有25%左右。另外可以利用水生性反硝化细菌去除污水中的硝酸盐。,土壤及水环境,氧被消耗而造成局部的厌氧环境,松土，排除过多的水分，保证土壤中有良好的通气条件。,硝酸盐是一种容易溶解于水的物质，通常通过水从土壤流入水域中。如果没有反硝化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水质变坏与地球上氮素循环的中断。,反硝化作用的生态学作用：,好氧性机体的呼吸作用,硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸,反硝化作用在氮素循环中的重要作用,土壤中植物能利用的氮（硝酸盐NO3-）还原成氮气而消失，从而降低了土壤的肥力。,三、硫素循环,硫是

34、生命物质所必需的元素，其需要量大约是氮素的十分之一（在生物体内CNS=100101）。硫元素在自然界中的贮量十分丰富。硫素循环类似于氮素循环，其各个环节都有相应的微生物参与。,（一）S素循环,微生物在硫素循环中的作用,硫的氧化,硫酸盐还原,有机硫化物的矿化（硫化氢释放）,生物体有机硫,SO42-,H2S,原素S,硫酸盐还原,脱硫作用,硫氧化作用,硫氧化作用,同化作用,异化性硫酸盐还原,（一）硫素循环,（二）细菌沥滤,铜矿的细菌沥滤原理,四、 磷素循环,（一）不溶性无机磷的可溶化（二）可溶性无机磷的有机化（三）有机磷的矿化,（1）,（3）,（2）,第四节、微生物与环境保护,环境中的主要污染物,环

35、境污染：指土壤或水体等生态结构和功能受外来有害因素的破坏而失去了平衡，导致物质流、能量流无法正常运转的现象。例：土壤自净能力、水体自净能力的丧失。,无毒有机物,有毒有机物,无毒无机物,有毒无机物,微生物对污染物的降解与转化,微生物对无毒有机物的降解,微生物对有毒有机物的降解,微生物对重金属的转化,生物降解（biodegradation）：是微生物对物质（特别是环境污染物）的分解作用。,农药、石油、洗涤剂、多氯联苯、氰和腈等都可被相应种类的微生物所降解。,一、 水体的污染富营养化二、用微生物治理污染三、沼气发酵与环境保护四、用微生物监测环境污染,一、 水体的污染富营养化,（一）水体的富营养化水体

36、中因氮、磷等元素含量过高，引起水体表层的蓝细菌和藻类过量生长繁殖的现象。是水体受到污染并使水体自身的正常生态失去平衡的结果。现象：下层水体缺光、少氧，大量死藻因异养细菌的分解而进一步造成了厌氧、有毒（H2S）的环境。产生大量的有机物（藻类），异养微生物氧化这些有机物，耗尽水中的氧，使厌氧菌开始大量生长和代谢，并分解含硫化合物，产生H2S，从而导致水有难闻的气味，并由于缺氧引起鱼和好氧微生物的死亡，最终引起水体出现大量沉淀物和颜色异常。,（二）“水华”、“赤潮”1、“水华”（“水花”）淡水水体的富营养化现象。温暖季节，水体中N/P达15 20/1时，浮游藻类、蓝细菌突然快速繁殖，使水体变得浑浊，

37、水面形成一薄层蓝、绿色的藻体和泡沫，从而形成所谓的“水花”或“水华”（water bloom）。2、“赤潮”河口、港湾或浅海等咸水区水体的富营养化现象。在海洋中，某些甲藻类、蓝细菌、原生动物等大量繁殖，从而使海水出现红色或褐色，即所谓的“赤潮”（“红潮”red tides）。 “水华”、“赤潮”等大面积水体污染一旦发生，很难治理，预防是关键。,（一）污水处理的微生物处理,二、用微生物治理污染,污水的种类很多，有生活污水、工业有机污水（如屠宰、造纸、淀粉和发酵工业等的污水）、工业有毒污水（农药、炸药、石油化工、电镀、印染、制革等工业污水）和其他污水等。其中所含的各种有害物质，例如农药、炸药（TN

38、T、黑索金等）、多氯联苯（PCB）、多环芳烃（致癌剂）、酚、氰和丙烯腈等的污染后果尤为严重。在污水处理方法中，最关键、最有效和最常用的方法是微生物处理法。,1、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人工生态系统内，利用不同生理、生化性能的微生物类群间的协同作用而进行的一种物质循环过程。,当高BOD5的污水进入污水处理装置后，其中的自然微生物区系在好氧条件下，根据其中营养物质或有毒物质的情况，在客观上造成了一个选择性的培养条件，并随着时间的推移，发生了微生物区系的有规律的更迭，从而使水中的有机物或毒物不断被降解、氧化、分解、转化或吸附沉降，进而达到去除污染

39、物和沉降、分层的效果。 自然去除废气后的低BOD5清水，可流入河道。而经好氧性微生物处理后的废渣活性污泥或生物膜的残余物，是比原来污水的BOD5更高的有机物，它们可通过厌氧处理（又称污泥消化或沼气发酵）而生产出有用的沼气和有机肥料。,（1）BOD（biochemical oxygen demand） 是一种表示水中有机物含量的间接指标，一般指在20下，1L污水中所含的有机物（主要是有机碳源），在进行微生物氧化时，5日内所消耗的分子氧的毫克数（或ppm数）。生（物）化需（耗）氧量、 BOD 5,2、污水处理中的几个常用名词,在水处理技术中，污水处理前后水中BOD5值之差，即可理解为这一处理过程对

40、有机物处理效率的高低。,BOD5的测定，起始于英国（1870年），目的是为了判断河水污染的程度以保护河流。由于英国的泰晤士河水自源头至大海流程仅5天左右，且英国夏天河水的平均温度在20左右，故至今全世界还一直以这一条件为依据来测定BOD5 。,我国对地面水环境的质量标准：一级水BOD5 10mg/L时已严重污染。,（2）COD（chemicaloxygendemand）使用强氧化剂使1L污水中的有机物质迅速进行化学氧化时所消耗氧的毫克数，称COD或化学需氧量 。,污水中除有机物外，其中的许多无机物也能被氧化而产生COD值 。COD能在短时间中测得，有利于指导现场操作。使用的氧化剂一般有KMnO

41、4和K2Cr2O7。KMnO4的氧化力较弱，因此，实际使用对常采用K2Cr2O7，作氧化剂，并把测得的数值称为CODcr。同一污水的BOD5与COD值是不一致的，但一般都呈明显的比例关系。,（3）TOD（总需氧量） 污水中能被氧化的物质（主要为有机物）在高温下燃烧变成稳定氧化物时所需的氧量。（4）DO（溶解氧量） 溶于水体中的分子态氧。评价水质的重要指标，地面水质的合格标准DO4mg/L。（5）SS（悬浮物含量） 污水中不溶性固态物质的含量。（6）TOC（总有机碳含量） 水体内所含有机物中全部有机碳的含量。通过其中 有机物全部氧化为CO2的量来计算。,3、污水处理中的特殊微生物,例如，已知的能

42、分解氰的微生物就有诺卡氏菌属、腐皮镰孢霉、木素木霉和假单胞菌属等14个属的49个种。,在自然界中，广泛存在着能分解特定污染物的微生物。,如：分解氰、丙烯腈、多氯联苯、多环芳烃类、炸 药成分、芳香族磺酸盐、聚乙烯醇，人工合成的杀虫剂、杀菌剂、除草剂等。,芳香族磺酸盐可被Pseudomonas putida（恶臭假单胞菌）所降解；1-苯基-十一烷磺酸盐（ABS）可被Bacillus（芽孢杆菌属）的菌种所降解。,污水处理的装置很多，按其耗能程度或产能情况分类 如下:,3、污水处理的方法和装置,活性污泥法（activated sludge process） 又称生化曝气法。此法最早由英人Ardern和

43、Lockett创建于1914年。经多年修正、改进，至今该法一直是污水处理中的主要方法。,活性污泥，是指一种由细菌、原生动物和其他微生物群体与污水中的悬浮有机物、胶状物和吸附物质在一起构成的凝絮团，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。,活性污泥中以细菌和原生动物为主。细菌有生枝动胶菌、浮游球衣菌、亚硝化单胞菌属、蛭弧菌属等。,活性污泥去除污水的能力是极高的，它对生活污水的BOD5去除率可达95左右，悬浮固体去除率也达95左右，对污水中的病原细菌和病毒的去除率均很高。,污水入口处,完全混合曝气法处理污水的装置,为使对特殊污染物具有较强的分解效果，还应人为地补充一些有机氮源和磷

44、素营养，并培育、接种入相应的优良分解微生物 。如，接入某些镰孢霉属和诺卡氏菌属的一些菌种就能更好地分解氰化物；接入能生长在0.2酚溶液中的几种假单胞菌，例如，食酚假单胞菌和解酚假单胞菌，就能更好地分解污水中的酚。,北京高碑店污水处理厂,活性污泥法,（活性污泥法）,氧化塘法（oxidationponds或lagoon） 是近年来一种利用自然生态系统净化污水并具有良好节能效果的方法。氧化塘是一个面积大、能接受阳光照射的浅池，污水从一端流入，从另一端溢流而出。在氧化塘中存在着三种作用：,（1）有机物的好氧性分解和厌氧消化；前者主要由好氧细菌进行，后者则主要由厌氧菌进行；（2）光合作用：主要由藻类和水

45、生植物进行；（3）藻类细胞的消除：由各种动物进行。所以用氧化塘法处理污水实际上是一个菌藻共生的生态系统。,滨洲污水处理厂 8万方/日,氧化塘法,氧化塘的优点是投资少、设备简、操作容易，缺点是它所占据的土地面积大。,生物转盘法的基本装置,在上述各种污水处理方法中，都存在着以下几个共同的问题：大量以活性污泥或脱落生物膜形式出现的废渣，必须加以进一步处理，否则会形成“二次污染”；对一些BOD5，超过10000mgL的有机废水，如屠宰废水等的处理效果很差。用厌氧消化法即沼气发酵正好能克服上述三项困难，此外，还能产生大量的生物能沼气，化废为宝，因此近年来已受到各方面的重视。,（二）固体有机垃圾的微生物处

46、理,有机垃圾好氧处理反应器剖面图,三、沼气发酵与环境保护,沼气（生物气）：是一种混合可燃气体。主要成分为甲烷，及少量H2、N2和CO2。沼气发酵（甲烷形成）：产甲烷菌在厌氧条件下，利用H2还原CO2等碳源营养物，以产生细胞物质、能量和代谢废物CH4的过程。,所谓沼气发酵，若按其生物化学本质来说，就是一种由产甲烷菌进行的甲烷形成过程。,宽古生菌门、2纲、3目、5科、21属，代表属有：甲烷杆菌属（19种）甲烷短杆菌属（7种）甲烷球菌属（11种）产甲烷菌属（11种）甲烷螺菌属（1种）甲烷嗜盐菌属（5种）甲烷叶菌属（5种）甲烷八叠球菌属（8种）,产甲烷菌是一类必须在严格厌氧生境下并伴有甲烷 产生的古生

47、菌。,甲烷形成的三个阶段,1、水解阶段水解性（发酵性）细菌包括：（1）专性厌氧菌：梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、真杆菌属、双歧杆菌属等。（2）兼性厌氧菌：链球菌属、一些肠道杆菌。 2、产酸阶段厌氧的产氢产乙酸细菌群：奥氏甲烷杆菌，为两种细菌的共生体。包括：产氢产乙酸细菌S菌：G-，厌氧、运动，杆状，乙醇乙酸+H2。MOH菌：革氏染色可变，厌氧，杆状，不能利用乙醇，但能利用H2产甲烷。,3、产气阶段 严格厌氧的产甲烷菌群利用一碳化合物（CO2、甲醇、甲酸、甲基胺、CO）、二碳化合物（乙酸）和H2产生甲烷。,四、用微生物监测环境污染,（一）用肠道细菌的数量作为水体质量的指标（二）利用发光细菌监测环

48、境污染,1、发光细菌 G-、极生鞭毛、杆菌（发光杆菌属）或弧菌（弧菌属）、兼性厌氧，有氧条件下发出波长为475505nm的荧光。多数海生。发光原理：NADH2 + FMN NAD + FMNH2FMNH2 + O2 + RCHO FMN + RCOOH + 光 单个或较稀的细胞群不发荧光，当细胞达到一定浓度尤其形成菌落或菌苔时才会发光。,由于微生物细胞与环境接触的直接性以及微生物对其反应的多样性、敏感性，使微生物成为环境污染监测中的重要指示生物。,2、监测环境污染原理 细菌发光的强度受环境中的氧浓度、毒物种类及其含量等影响，用灵敏的光电测定仪器即可检测试样的污染程度或毒物的毒性强弱。常用咸水型明亮发光杆菌作为试验菌种。,复习思考题：1、2、3、4、6 14、16。,