第九章 微生物生态学96435.docx

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第九章微生物生态学96435

第九章微生物生态学

[教学目的要求]

掌握微生物在自然界的分布及在自然界物质循环中的作用，了解微生物在污水处理中的作用。

[重点与难点]

微生物在自然界中的分布

微生物在自然界物质循环中的作用

微生物与污水处理

[教学方法与手段]

讲授结合多媒体课件

[教学时间]

4学时

[教学内容]

微生物生态：

是指各种环境因子对微生物己系的作用，以及微生物对外界环境的作用。

微生物区系：

在自然条件下，个类群微生物之间相互依存，相互制约，并与环境相互联系的自然群体。

（微生物）正常菌群。

即：

与一定的气候，土壤，动植物体及其他微生物等条件相联系的微生物类群的总体。

（自然群体）

第一节微生物在自然界中的分布

一、土壤中的微生物：

（一）土壤是微生物天然培养基

1、营养：

有机质丰富，可提供C、N及矿质元素和水分等。

2、PH值：

土壤PH值多在5.5—8.5之间，适合微生物生长。

3、渗透压：

土壤渗透压在3—6（大气压）适合微生物生长。

4、空气、水分：

土壤空隙中充满着空气和水分，为好氧、厌氧微生物生长提供条件。

5、温度：

土壤保温性能好，温度较稳定，变动幅度较空气小。

即昼夜、季节温度比空气小得多，不同温度湿度不同。

所以土壤中存在着大量的微生物，是微生物的大本营，“菌种资源库”。

（二）土壤中的微生物分布

1、数量：

丰富：

几百万—几十亿/g，贫瘠：

几百万—几千万/g。

2、种类：

细菌最多，放线菌，真菌次之，藻类，原生动物少，病毒。

3、营养类型：

多为异养型，少为自养型。

4、数量：

①细菌：

占土壤中微生物总量的70%—90%，由于数量多，生物量也高。

生物量：

单位体积中，活细胞的重量。

多为自养菌，少为异氧菌，多为中温型好气菌，或兼性厌气菌

②放线菌：

数量仅次于细菌，孢子：

几千万—几亿/g占微生物总数5—30%分布于碱性，有机质丰富的温暖地带。

酸性，贫瘠土地中放线菌少。

由于放线菌菌体大，有分支，虽数量少，但生物量与细菌相近。

种类：

链霉菌，诺卡氏菌，小单胞菌。

③真菌；几万—几十万/g，好气性，分布于土壤表层。

存在：

在土壤中的菌丝及孢子状态存在。

由于真菌菌丝粗，且长，故生物量不小于细菌，真菌分布于酸性土壤，分解纤维素，果胶质，木质素等。

酵母菌在土壤中较少，几个—几千个/g，果园中可达几十万/g。

④藻类：

很普遍，多为单细胞藻类，丝状绿藻和裸藻。

分布：

分布于土壤表层，数量少，生物量大。

藻类可进行光合作用，有色素，可为土壤积累有机质/

⑤原生动物：

单细胞，能运动。

如：

纤毛虫，鞭毛虫，变形虫等，多为异养，以有机物为食，或吞噬细菌，单细胞藻类，真菌孢子等。

5微生物在土壤中分布：

土壤垂直温度的增加，养料，水分，空气相对减少，微生物分布逐渐减少，土表由于阳光照射和水分散失易造成微生物的死亡，在5—20cm土壤层中微生物数量最多，植物根系附近微生物数量更多,自20cm以下，微生物数量随土层深度增加而减少，100cm以下养料，氧气减少，微生物数量开始减少，减少约20倍，至2m深处，因缺乏营养和氧气每克土中仅有几个。

土壤中的微生物种类和数量是土壤环境条件的综合反应。

不同土壤，不同气候，都影响微生物己系的组成和强度。

二、水体中的微生物

1、来源：

来自空气、土壤、动植物排泄物等，工业废水，生活废水。

2、类群：

水中微生物的种类及分布，与水的类型，有机质含量，微生物拮抗等多种因素有关。

（一）淡水微生物

主要存在于陆地的江河湖海，池塘，水库等。

1地下水、自流水中、泉水中，含菌数少。

2水蒸气中无微生物，但变为雨雪时，因与地面或空气接触，也含有微生物。

3远离人类生活区的池塘、湖泊、河流等，由于未受污染，有机质少，微生物也少。

4人口密集区的水（池塘、湖泊、河流、下水道）由于受污染，有机质多，微生物也多。

数量可达几千万—几亿/mol。

5种类：

土壤中的微生物种类在水中几乎可以找到，主要有：

芽孢杆菌、巨杆菌、阴沟杆菌，受粪便污染后还有大肠杆菌、变形杆菌、粪链球菌、厌氧芽孢杆菌、铁细菌。

及致病菌（病原菌）

6分布

放线菌：

主要依存在水底的泥土中。

真菌：

以水生藻状菌为主。

澡类：

低等澡类生物生活在天然水中，以硅藻数量最多。

原生动物：

在水中也有一些单细胞原生动物，草履虫、变形虫等。

病毒：

如：

甲肝、乙肝、脊髓灰质炎、柯萨奇病毒等。

（二）海水微生物：

海水中盐分为3.2％--4％．盐越高，渗透压越大。

1种类：

细菌、真菌、藻类、放线菌、原生动物、病毒。

2作用：

a、促进物质循环，提供水产资源。

b、与石油、天然气形成有关。

（海中石油、天然气）

3特点：

a、嗜盐，嗜冷，耐高压，高渗透压（4%）（12%）。

b、海洋中细菌多有鞭毛能运动，G+，有色素，发光等。

4分布：

港口10万个/ml，近岸：

40万/ml，远海洋水：

10—250个/ml。

（三）水体中的主要病原微生物：

1、来源：

来于人动物的粪便。

水面受人或动物粪便的污染。

2、种类：

伤寒、痢疾杆菌，霍乱弧菌，肝炎病毒，急性肠胃炎，付伤寒。

3、生存期：

霍乱弧菌在水中生存力较强，伤寒、付伤寒次之，痢疾杆菌最短。

生存时间长短与微生物种类、水的性质及温度有关。

（三）水的细菌学检验：

检验水中细菌总数及大肠杆菌群数。

我国规定：

细菌总数<100个/ml，大肠杆菌<3个/1000ml。

水污染程度用大肠杆菌群数量来断定。

大肠菌群：

是指一群好氧或兼性厌氧的无芽孢杆菌，G-能发酵乳糖，并产气产酸的一群细菌。

包括：

埃希氏菌属，柠檬酸杆菌，肠杆菌属，克雷伯氏菌属等。

水质达不到标准，需经处理，加入ClO-或Cl2（0.2—0.4PPM）可以杀死病原菌。

三、空气中的微生物：

（一）空气中的微生物及分布

空气缺乏营养物质，和水分，易受紫外线照射，故不适于微生物生长繁殖，但空气中也有相当数量的微生物。

空气中微生物的来源：

灰尘，水滴，呼吸道排泄物，体表脱落细胞等。

1、特点：

①种类，数量不稳定，短暂可变。

②空气中微生物也随空气流动而流动（千里之外，5000米高空）。

不同场所，空气中微生物的数量不同。

近地面空气中灰尘多，城市，公共场所，人口密度大的地方微生物多。

反之则少。

2、存活时间：

多数几小时，少数：

几周，个别：

几个月或更长。

微生物存活时间取决于空气条件，如：

温度，湿度，阳光，微生物种类等。

3、种类：

病原微生物在空气中易死亡。

病原微生物：

结核杆菌，白喉杆菌，葡萄球菌，链球菌，肺炎双球菌，碳疽杆菌，流感病毒，脊髓灰质炎等，麻疹病毒。

还有：

微球菌，叠球菌，细菌芽孢，霉菌，放线菌孢子等。

（二）测定空气中微生物的方法：

1、固体法：

①沉降法：

将平板置于应测部位，打开皿盖，5分钟—10分钟，然后盖上，在适温下培养24小时，计算群落数。

②冲击法：

在一定体积的容器中，插入一定空气，使微生物附着在瓶壁的琼脂上，经适温培养计数，可计算出每立方米空气微生物含量。

2、液体法：

将一定体积空气缓慢通入液体中，使微生物均匀分散到液体中，然后取一定液体进行培养，计数，可算出每立方米微生物的数量。

空气消毒方法：

手术室，病房，无菌室，接种箱，仓库等处，（无菌空气等）。

紫外线照射，或喷雾的方法。

四、工农业产品中的微生物

（一）农产品上的微生物

各种农产品上均有微生物生存，粮食尤为突出。

全世界每年因霉菌而损失的粮食就占总产量的2％左右。

粮食和饲料上的微生物种类：

曲霉属、青霉属和镰孢（霉）属为主。

以曲霉为害最大，青霉次之。

黄曲霉产生的黄曲霉毒素，真菌毒素是致癌物。

黄曲霉毒素是一种强烈的致肝癌毒物，对热稳定（300℃时才能被破坏），对人、家畜、家禽的健康危害极大。

现已发现的黄曲霉毒素有Bl、B2、G1、G2、B2a、G2a、M1、M2、P1等10种，以Dl的毒性和致病性最强，其次是M1，G1，B2、M2、G2的毒性依次减弱。

B1的致癌作用比巳知的化学致癌物都强，它比二甲基亚硝胺强75倍。

（二）食品上的微生物

粮食，食品，油料，含丰富的一样物质，是微生物的天然培养基。

1、种类：

霉菌：

100多种，酵母菌几十种，细菌，放线菌，近百种。

粮食，油料种子有100多种植物病原微生物。

2、数量：

几千—几万/g，可达：

几亿/g。

3、来源：

①原生性微生物区系：

是植物（种子）本身固有的微生物。

属正常菌群（区系）。

即：

是微生物与植物在长期相处的关系中形成的。

同一种作物产生的粮食上都具有一些共同的微生物种类。

如：

粮食中的草生假单胞菌，可抑制青霉和曲霉的生长。

②次生性微生物区系：

是贮存，加工，运输，中经各种途径感染的微生物，可以来自空气，土壤，仓库（加工）等。

4、危害：

主要是霉菌，使粮食变质，降低营养价值，还可产生50多种毒素。

如：

黄曲霉，可产生黄曲霉素B1，G1，M等。

不仅对人和动物有剧毒还可以致癌。

肝癌。

5、食品：

肉类、鱼类、乳品、蛋类、水果、蔬菜等多是蛋白质、糖、脂肪、也是天然培养基。

常污染很多微生物，有的在冰箱中可繁殖，（嗜冷细菌）鱼类、肉类等常含有肉毒梭菌，可产生肉毒毒素（Pr），抑制运动NC功能（1mg可杀死200万只豚鼠，2000万只小白鼠）。

此外还有沙门氏菌、葡萄球菌、变形杆菌、致病菌等，引起中毒。

6、罐头杀菌不彻底也可能有芽孢菌。

（三）引起工业产品霉腐的微生物

许多工业产品是部分成全部由有机物组成，因此易受环境中微生物的侵蚀，引起生霉、腐烂、腐蚀、老化、变形与破坏．即便是无机物如合届、玻璃也可因微生物活动而产生腐蚀与变质，使产品的品质、性能、精确度、可靠性下降。

霉腐微生物通过产生各种酶系米分解产品中的相应组分，从而产生危害，如纤维素酶破坏棉、麻、竹、木等材料；蛋白酶分解革、毛、丝等产品；一些氧化酶和水解酶可破坏涂料、塑料、橡胶和粘接剂等合成材料。

此外，微生物还可通过菌体的大量繁殖和代谢产物对工业产品产生危害，如霉腐微生物在矿物油中生长后，不仅因产生的大量茵体阻塞机件，而且其代谢产物还会腐蚀金属器件；硫细菌、铁细菌和硫酸盐还原菌会对金属制品、管道和船舰外壳等产生腐蚀；霉腐微生物的菌体和代谢产物属于电解质、对电讯、电机器材来说会危及其电学性能；有些霉菌分泌的有机酸会腐蚀玻璃，以致严重降低显微镜、军远镜等光学仪器的性能。

五、正常人体及动物体内的微生物。

正常人及动物的体表或体内都有微生物。

一般情况下不侵害机体故叫正常微生物区系。

1、人体：

正常人体的体表和体腔（外界相通的器官，如：

口腔、呼吸道、肠道、生殖、泌尿）中存在一定数量和种类的微生物，正常情况下不侵害人体，所以叫人体的正常微生物区系（菌落）。

1皮肤：

主要是葡萄糖球菌，各种好气杆菌，如：

微球菌、链球菌、肠杆菌、霉菌等。

2口腔：

温度适宜，营养丰富（唾液、食物残渣等）口腔中存在着大量球菌、乳酸杆菌、芽孢杆菌、螺旋体等。

3呼吸道：

经常有：

类白喉杆菌、葡萄球菌、甲链球菌，有致病菌：

肺炎球菌、流感球菌、腺病毒等，肺内基本无菌。

4胃：

呈酸性，PH=2，可杀菌，故基本无菌。

胃壁上常有乳酸菌、链球菌。

5肠：

呈碱性，适于微生物生长，营养物质丰富，有大量细菌。

常见的有：

大肠杆菌、产气杆菌、变形杆菌、粪产碱杆菌、产气荚膜梭菌、乳酸杆菌、螺旋体等。

6生殖泌尿道：

常见：

嗜酸乳杆菌、类白喉杆菌、葡萄球菌、链球菌、大肠杆菌。

人体正常微生物与人体之间表现为互生关系。

即：

人体为微生物提供了良好的生态环境，使微生物生长、繁殖。

微生物为人软梯提供多种营养物质。

如：

肠道细菌可以合成人体所需要的硫胺素、核黄素、烟酸，VB12、VK等。

还可合成氨基酸，抑制其他微生物生长繁殖。

2、动物：

皮毛与外界相通器官也有许多微生物。

1皮毛：

葡萄球菌、链球菌、双球菌。

2肠道：

大肠杆菌、类链球菌、魏氏梭菌、腐败梭菌、纤维素分解细菌等。

第三节微生物在自然界物质循环中的作用及污水处理方法

一、微生物在自然界中物质循环中的作用

生产者：

绿色植物是自然界中有机质的主要合成者。

（光合细菌等）

消费者：

动物、人是有机物主要消耗者。

（腐生细菌类）

分解者：

分解动物尸体，植物残体等。

三者共同作用，促进自然界是物质循环。

（一）微生物在碳素循环中的作用（碳素循环）

碳素是生物体的最基本元素。

各种有机物都含有碳。

植物只能利用CO2（0.03%），不补充20—30年会被用尽。

此外动、植物呼吸，及燃烧也可产生CO2。

使大气中的CO2保持动态平衡。

（二）氮素循环（微生物在自然界氮素循环中的作用）

氮素是生物体生长发育的主要营养元素。

大气中氮气占78%，120万吨/亩上空，若可直接利用，可用几千万年。

地球上有机氮含量约200—250亿吨。

N2和有机氮，植物不能直接利用。

植物只能利用简单的含氮化合物。

如：

NH3，尿素、NH4+、NH3-、NO2-等。

植物利用空气中N2，主要通过微生物固氮作用（工厂固氮作用）。

动物排泄物及动物尸体、植物、微生物残体中的有机氮在微生物的作用下分解产生氨，此过程叫氨化作用。

NH3在土壤和水中可被硝化细菌氧化成NO3-+H+。

即硝化作用。

NO3-在反硝化细菌作用下可以形成NH3，即反硝化作用。

NO3-。

NH4+、NH3。

可以被植物直接利用。

自然界中的N2、有机氮化物、无机氮化物、经固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用及植物、微生物同化作用，不断转化、循环。

（三）硫素循环（微生物在自然界硫循环中的意义）。

硫是生物体的一种必需营养元素。

硫循环与氮循环相似。

自然界中的硫以三种状态存在。

即：

单质硫、有机硫化物、无机硫化物。

元素硫不能被植物利用，但硫细菌可氧化硫。

2S+2H2O+3O2——2H2SO4

H2SO4+CaCO3——CaSO4+CO2+H2OSO42-可被植物利用。

植物吸收SO42-在体内可形成有机硫化物。

如：

—SH，—S—S—，动物排泄物，动物尸体及植物残渣中的有机硫化物在异养微生物作用下分解，产生H2S（尸体发臭原因），H2S可氧化（硫细菌）成SO42-，SO42-也可被土壤中的反硫化细菌还原生成H2S。

——反硫化作用。

二、利用微生物处理污水的一般方法：

水是宝贵的自然资源，人类、动物、植物、工农业生产都离不开水。

目前城市用水急增，且污染增多。

分水必须经处理，达标准后，才能放入天然水系及重复利用。

水污染原因：

主要是工业废水，生活污水。

污水处理方法很多：

物理的，化学的，生物的方法，但以生物处理方法效果最佳，经络方便。

应用了。

1976年美国有22600处理厂。

生物法占68%。

73年英国5000家处理厂，全部生物法。

我国普遍采用生物法处理污水。

微生物在污水处理中的作用：

1将含氮有机物分解成：

NH3，HNO3，NHO2，N2等。

2将含硫有机物分解成：

CO2、H2S、CH4等气体。

3使Hg、As、铅、氰等重金属及毒性物转化形成沉淀，以便除去或回收。

污水处理的微生物方法分为：

需氧处理及厌氧处理方法。

常见的有：

活性污泥法、生物膜法、土壤灌溉法、厌氧处理法等。

（一）活性污泥法：

（生化曝气法）

利用含义大量需氧微生物的活性污泥，在强力通气的条件下使污水净化的生物学方法。

活性污泥：

是由污水中繁殖的大量微生物凝聚而成的绒絮状泥粒。

具有很强的吸附和分解有机物的能力。

活性污泥中含有多种细菌、放线菌、酵母菌、霉菌。

原生动物及藻类。

净化水质的以好氧微生物为主体。

过程：

对于含氰。

铅汞等有毒工业废水的处理可加入分界毒物的微生物。

（二）氧化塘法：

氧化塘是一种大面积敝开式的污水处理塘。

几亩——万亩不等，深0.6—5米。

原理：

利用菌藻共生系统来分解污染物质。

缺点：

占地面积大，污水在池内停留时间长，故应用少。

我国武汉鸭儿湖，氧化塘是我国目前最大的氧化塘。

处理以有机磷为主的多种农药的废水。

共5个塘：

1—4号：

总面积2800亩，深3米，停留时间80天，

5号：

3200亩。

深2米，水质达到或接近地面水标准。

厌氧——兼性厌氧——兼性厌氧——需氧塘

1号2号3号4号

（三）厌氧处理方法：

（厌气处理法，甲烷发酵法）

是在缺氧条件下，利用微生物分解污水中有机质的方法。

主要是利用甲烷细菌进行厌氧发酵原理。

在缺氧条件下利用厌氧的产甲烷细菌，和非产甲烷细菌，来分解废水中的有机物，分解后的最终产物是：

CH4，H2，CO，CO2，H2S，NH3等。

在产物中：

CH4：

60—70%CO2：

30—35%

关键是：

密封，厌氧。

发酵后即可除去有机质又可产沼气（CH4）。

第三节微生物的生物环境

同一生态环境和中的各种生物之间相互影响。

互为环境，相互联系，相互依赖，相互制约，相互影响。

一般表现为：

互生、共生、竞争、拮抗、寄生、猎食六种关系。

一、互生关系：

是指二种可以单独生活的生物，当它们共同生活在一起时，相互有利或者一种生物生命活动的结果为另一种生物创造了有利的生活条件。

如：

①分解纤维素的细菌和固氮菌之间。

分解纤维素细菌分解纤维素产生有机酸，固氮菌不能利用纤维素，而利用有机酸为硫源，进行固氮，固定的氮被纤维细菌利用。

②土壤表层的好氧微生物和厌氧生物之间。

好氧微生物利用氧气为厌氧微生物创造条件。

③根际微生物与高等植物之间。

根际：

跟系周围的土壤里根际中生活的微生物叫根际微生物。

根的脱落物及分泌物为根际微生物提供有机质。

根际微生物加速有机质愤激外，或固氮为微生物提供无机盐。

4人、恒温动物肠道内微生物提供与人和动物之间

人、动物为微生物提供适宜温度及营养物质。

微生物活动。

为人、及动物提供了氨基酸、维生素等营养。

5植物体表面也存在着许多正常的微生物区系

如：

种子表面草生假单胞菌可以抑制，霉菌（青霉、曲霉）及酵母菌的生长。

二、共生关系：

两种生物共同居住在一起，彼此有利，创造相互有利的营养和生活条件，较单独生活时更有利，更有生命力。

如：

1地衣：

典型例子。

是单细胞澡类或是细菌与真菌的共生体，藻类或兰细菌从真菌中获得水份、无机盐等养料，真菌从藻类或兰细菌中获得有机养料，二者相互依存，形成特定的共生体。

2根瘤菌与豆科植物：

根瘤菌从植物中获得有机物进行固氮，植物利用根瘤菌固定的氮素进行生长。

3细菌与原生动物：

细菌栖息于原生动物细胞内，获得营养及保护，原生动物利用细菌的合成物质。

4微生物与反刍动物：

微生物在反刍动物胃内，获得营养，及温度等环境条件，动物利用微生物分解纤维素产生的葡萄糖或纤维二糖，或有机酸等。

5微生物与昆虫：

A：

外共生：

微生物生活在动物细胞外面，动物肠道内及生活环境中，如：

白蚁与肠道内微生物，白蚁不消化纤维素，靠微生物分解。

Ｂ：

内共生：

微生物在动物细胞内生活。

许多昆虫细胞内含有微生物，对昆虫生活是必要的，它可以合成维生素等。

三、竞争关系：

二种微生物生活在一起，为争夺食物、空间等而发生的斗争。

（使生长受抑制，适应强的微生物占优势，而排斥另一种微生物。

）

如：

将二种微生物在液体培养中做分别培养和混合培养，然后计数。

结果：

分别培养二种微生物个体数多，混合培养个体数少，说明二者混合培养为争夺食物空间而发生斗争。

四、拮抗关系：

一种微生物在生命活动中产生某种代谢产物或改变环境条件（温度、ＰＨ）而抑制或杀死一种微生物的现象。

（一）非特异性拮抗：

无专一性

如：

1酵母菌产生的乙酸（无氧条件下）可以抑制其他微生物。

2乳酸菌、醋酸菌：

发酵产生乳酸和醋酸，使ＰＨ下降，而抑制多种不耐酸的微生物生长。

（腌酸菜）

（二）特异性拮抗：

有专一性。

微生物生命活动中产生的代谢产物，只对某一种或某一类微生物有杀死或抑制作用。

可选择性杀死或抑制其他种微生物生长。

如：

微生物代谢产物——抗生素。

1青霉素：

可抑制Ｇ＋、部分Ｇ－菌生长。

2制霉素：

抑制酵母菌和霉菌生长。

3链霉素等抑制原核微生物生长。

五、寄生关系：

是一种生物生活在另一种生物体的体表或体内，从中摄取营养物质而进行生长，繁殖，并在一定条件下杀死或伤害另一种生物。

前者为寄生物，后者为宿主或寄主。

种类：

专性寄生物：

寄生物对寄主一般有害，寄生物离开寄主不能生活——专性寄生物。

兼性寄生物：

寄生物离开寄主可以营腐生活不死亡。

如：

1噬菌体与细菌和放线菌。

2真菌和真菌间，细菌和细菌间。

食菌蛭弧菌能寄生在鼠伤害沙氏门菌，大肠杆菌。

假单胞菌内。

盘菌菌丝寄生于毛霉菌丝中，木霉寄生于马铃薯丝核菌内。

3微生物与高等植物之间，引起植物传染性病害，导致减产。

植物病毒：

３５０种，其次真菌、细菌病害。

4微生物与人体或动物体的寄生关系：

主要是人和动物的病原微生物。

有许多细菌、真菌、病毒及病原菌都可寄生在人及动物体内、体表。

六猎食关系：

一种生物捕食另一种生物的现象。

原生动物捕食细菌、真菌、藻类等。

如：

细菌，放线菌，单细胞藻类，真菌孢子是原生动物的食物，为猎食关系。

作业：

1．为什么说土壤是人类最丰富的“菌种资源库”?

如何从中筛选所需要的菌种?

2.试讨论防霉与防癌间的关系。

3．为什么说在治理污水中，最根本、最有效的手段是微生物处理法?

4.饮用水的标准是什么？

为什么用大肠菌群作为检验标准？