环境工程微生物学课件7微生物生态.ppt

1、1第七章第七章 微生物生态微生物生态27.1.1 生态系统和生物圈生态系统和生物圈 1.生态系统生态系统(ecosystem)生态系统生态系统 是在一定时间和空间范围内，由生物是在一定时间和空间范围内，由生物与它们的环境通过能量流动和物质循环所组成的一与它们的环境通过能量流动和物质循环所组成的一个自然体。个自然体。生物圈生物圈(biosphere)是地球上最大、最复杂的生是地球上最大、最复杂的生态系统。态系统。7.1 生态系统生态系统32.生态系统的组成生态系统的组成生态系统环境条件生物群落能源：太阳辐射生物代谢产物：CO2、O2、H2O、无机盐媒质：水、大气、土壤基质：砂、岩石泥土其他环境条

2、件：温度、pH生产者：植物群落、藻类等消费者：动物群落分解者：异养微生物、原生动物及微型后生动物异养微生物、原生动物及微型后生动物43.生态系统的功能生态系统的功能v 生物生产生物生产v 能量流动能量流动v 物质循环物质循环v 信息传递信息传递5生产者生产者消费者消费者分解者分解者土壤土壤太阳能太阳能能量能量物质物质生态系统中的物质循环和能量交换生态系统中的物质循环和能量交换67.1.2 生态平衡生态平衡(ecological balance)生态平衡是指生态系统的物质和能量输入输生态平衡是指生态系统的物质和能量输入输出在较长的时间内趋于相等，生态系统的组成、出在较长的时间内趋于相等，生态系统

3、的组成、结构和功能长期处于稳定状态，即使有外来干结构和功能长期处于稳定状态，即使有外来干扰，生态系统能通过自行调节能力恢复到原来扰，生态系统能通过自行调节能力恢复到原来的稳定状态。的稳定状态。77.1.3 生态系统分类生态系统分类按生存环境分按生存环境分 流动水生态系统（江、河）流动水生态系统（江、河）淡水生态系统淡水生态系统 静水生态系统（湖、水库）静水生态系统（湖、水库）水生生态系统水生生态系统 海洋生态系统海洋生态系统 滨海生态系统滨海生态系统 大洋生态系统大洋生态系统 荒漠生态系统荒漠生态系统 草原生态系统草原生态系统陆生生态系统陆生生态系统 稀树干生态系统稀树干生态系统 森林生态系统

4、森林生态系统87.1.3 生态系统分类生态系统分类按生物群落分按生物群落分 动物生态系统植物生态系统微生物生态系统97.2.1 土壤的生态条件土壤的生态条件v 营养：有机物、无机元素、微量元素营养：有机物、无机元素、微量元素v pH：3.58.5，多数，多数5.58.5v 渗透压：渗透压：0.30.6MPav 氧气和水氧气和水v 温度：具有较强的保温性温度：具有较强的保温性v 保护层保护层7.2 土壤微生物生态土壤微生物生态107.2.2 土壤中微生物的种类、数量和分布土壤中微生物的种类、数量和分布土壤中微生物的种类、数量土壤中微生物的种类、数量细菌放线菌真菌藻类原生动物个/g土2.51097

5、.01054.01055.01043.0104数量百分比7090530适宜pH中性、偏碱性中性、偏碱性酸性11土壤中微生物的分布土壤中微生物的分布v 水平分布取决于碳源；水平分布取决于碳源；v 垂直分布与紫外辐射、营养、水、温度等有关。垂直分布与紫外辐射、营养、水、温度等有关。深度/cm好氧细菌 厌氧细菌 放线菌真菌藻类38780019502080119252025180037924550535404729849140.56575101560.1135145 10.043微生物在不同土层的分布微生物在不同土层的分布/(104个个/g干土干土)12我国各主要土壤的含菌量(万/g干土)土类地点细菌

6、放线菌真菌暗棕壤黑龙江呼玛2,32761213棕壤辽宁沈阳1,2843936黄棕壤江苏南京1,4062716红壤浙江杭州1,1031234砖红壤广东徐闻5073911磷质石灰土西沙群岛2,2291,10515黑土黑龙江哈尔滨2,1111,02419黑钙土黑龙江安达1,0743192棕钙土宁夏宁武114草甸土黑龙江亚沟7,8632923嵝土陕西武功9511,0324白浆土吉林皎河1,598553滨海盐土江苏连云港466410.413 土壤微生物的数量和分布主要受土壤微生物的数量和分布主要受到营养物、含水量、氧、温度、到营养物、含水量、氧、温度、pHpH等因子的影响，并随土壤类型的不等因子的影响，

7、并随土壤类型的不同而有很大变化。同而有很大变化。微生物的数量也与于土层的深度微生物的数量也与于土层的深度有关，一般土壤表层微生物最多，有关，一般土壤表层微生物最多，随着土层的加深，微生物的数量逐随着土层的加深，微生物的数量逐步减少。步减少。土壤中的微生物以细菌最多，其土壤中的微生物以细菌最多，其次位放线菌和真菌。次位放线菌和真菌。土壤中的微生物分布特点土壤中的微生物分布特点147.2.3 土壤自净和污染土壤的生态土壤自净和污染土壤的生态 1.土壤自净土壤自净 土壤自净是指土壤对施入其中一定土壤自净是指土壤对施入其中一定负荷的有机物或有机污染物具有吸附和负荷的有机物或有机污染物具有吸附和生物降解

8、能力，通过各种物理、生化过生物降解能力，通过各种物理、生化过程自动分解污染物，使土壤恢复到原有程自动分解污染物，使土壤恢复到原有水平的净化过程。水平的净化过程。15自净原理自净原理 植物根系的吸收、转化、降解和合成作用；植物根系的吸收、转化、降解和合成作用；微生物的降解、转化和生物的固定化作用；微生物的降解、转化和生物的固定化作用；无机、有机胶体及其复合体的吸收、络合无机、有机胶体及其复合体的吸收、络合和沉淀作用；和沉淀作用；离子交换；离子交换；土壤和植物的机械阻留作用；土壤和植物的机械阻留作用；气体扩散作用。气体扩散作用。162.土壤污染土壤污染 土壤污染是指人类生产和生活过程中所产生的土壤

9、污染是指人类生产和生活过程中所产生的环境污染物，通过多种途径进入土壤，其数量环境污染物，通过多种途径进入土壤，其数量和速度超过了土壤的环境容量和土壤净化速度和速度超过了土壤的环境容量和土壤净化速度的现象。的现象。土壤污染的不良后果土壤污染的不良后果 破坏土壤结构，使土壤盐碱化、板结，毒害植破坏土壤结构，使土壤盐碱化、板结，毒害植物和土壤微生物，破坏土壤生态平衡。物和土壤微生物，破坏土壤生态平衡。土壤中的毒物随食物链迁移，会转移到人体；土壤中的毒物随食物链迁移，会转移到人体；被雨水冲刷会进入水体，污染水源进而影响人类。被雨水冲刷会进入水体，污染水源进而影响人类。土壤中的病原微生物经过各种途径可进

10、入人体。土壤中的病原微生物经过各种途径可进入人体。174.土壤生物修复土壤生物修复 是利用土壤中天然的微生物资源或人为投是利用土壤中天然的微生物资源或人为投加目的菌株，甚至用构建的特异降解功能菌投加目的菌株，甚至用构建的特异降解功能菌投加到各污染土壤中，将滞留的污染物快速降解加到各污染土壤中，将滞留的污染物快速降解和转化，使土壤恢复其天然功能。和转化，使土壤恢复其天然功能。修复工作的步骤：修复工作的步骤：调查本底资料；调查本底资料；制定治理方案，进行适当的可行性试验；制定治理方案，进行适当的可行性试验；技术实施。技术实施。18土壤修复技术的关键因素土壤修复技术的关键因素 微生物种微生物种 微生

11、物营养微生物营养 溶解氧溶解氧 环境因子环境因子195.土壤生物修复工程土壤生物修复工程 原位处理原位处理 生物通风生物通风 挖掘堆置处理和反应器处理挖掘堆置处理和反应器处理207.3.1 空气中微生物的种类、数量和分布空气中微生物的种类、数量和分布1.空气的生态条件空气的生态条件v 空气中的环境条件：空气中有较强的紫外辐射、空气中的环境条件：空气中有较强的紫外辐射、较干燥、温度变化大、缺乏营养等特点。不宜较干燥、温度变化大、缺乏营养等特点。不宜微生物生长繁殖。微生物生长繁殖。v 存在状态：漂浮，短暂停留，以吸附于尘埃微存在状态：漂浮，短暂停留，以吸附于尘埃微粒上的形式存在。空气中的尘埃颗粒数

12、与微生粒上的形式存在。空气中的尘埃颗粒数与微生物数量有直接关系。物数量有直接关系。7.3 空气微生物生态空气微生物生态212.种类、数量和分布种类、数量和分布v 分布：越接近地面的空气含菌量越高，目前分布：越接近地面的空气含菌量越高，目前人类检测到微生物存在的最高处为人类检测到微生物存在的最高处为85km的高的高空。空。v 种类：芽孢杆菌、霉菌和放线菌的孢子、野生种类：芽孢杆菌、霉菌和放线菌的孢子、野生酵母菌、原生动物及微型后生动物的胞囊。酵母菌、原生动物及微型后生动物的胞囊。场所场所畜舍畜舍宿舍宿舍城市城市街道街道市区市区公园公园海洋海洋上空上空北纬北纬80微生微生物物(12)1062104

13、5103200120不同场所上空微生物的数量不同场所上空微生物的数量(个个/m3空气空气)227.3.2 空气微生物的卫生标准及生物洁净技术空气微生物的卫生标准及生物洁净技术v 一般以室内一般以室内1m3空气中细菌总数为空气中细菌总数为5001000个以个以上为空气污染的指标。上为空气污染的指标。v 空气污染的指示菌：空气污染的指示菌：绿色链球菌绿色链球菌。v 空气微生物卫生标准可以空气微生物卫生标准可以浮游细菌数浮游细菌数为指标或以为指标或以降落细菌数降落细菌数为指标。为指标。v 生物洁净技术：多用备有高效过滤器的空气调节生物洁净技术：多用备有高效过滤器的空气调节除菌设备。除菌设备。23以细

14、菌总数评价空气的卫生标准以细菌总数评价空气的卫生标准清洁程度清洁程度细菌总数细菌总数(个个/m3)最清洁空气最清洁空气(有空调有空调)12清洁空气清洁空气30普通空气普通空气31125临界环境临界环境150轻度污染轻度污染300严重污染严重污染301247.3.3 空气微生物检测空气微生物检测1.空气微生物的测定方法空气微生物的测定方法2.空气微生物的检测点数空气微生物的检测点数 以以2030个为宜，最少测点数个为宜，最少测点数563.空气微生物的培养温度和时间空气微生物的培养温度和时间 一般细菌和细菌总数，一般细菌和细菌总数，3132，24或或48h;真真菌，菌，25，96h。固体法固体法平

15、皿落菌法平皿落菌法撞击法撞击法液体法液体法254.浮游菌最小采样量和最小沉降面积浮游菌最小采样量和最小沉降面积浮游菌最小采样量浮游菌最小采样量浮游菌上限浓度浮游菌上限浓度/个个m2 min1计算最小采样量计算最小采样量/m3 100.350.6130.560.1300.056026落菌法测细菌所需要的最少培养皿数落菌法测细菌所需要的最少培养皿数(沉降沉降0.5h)含尘浓度最大值含尘浓度最大值需要需要d90mm培养皿数培养皿数0.35403.51335435023500350001277.4.1 水中微生物的来源水中微生物的来源 1.水中固有微生物水中固有微生物 2.来自土壤的微生物来自土壤的微

16、生物 3.来自生产和生活的微生物来自生产和生活的微生物 4.来自空气的微生物来自空气的微生物7.4 水体微生物生态水体微生物生态287.4.2 水体中的微生物群落水体中的微生物群落1.海洋中微生物群落海洋中微生物群落v 生态特征：多数微生物耐盐或嗜盐，耐高渗透压，耐生态特征：多数微生物耐盐或嗜盐，耐高渗透压，耐高静水压高静水压v 有底栖性、浮游性和附着性细菌有底栖性、浮游性和附着性细菌v 分布不均匀分布不均匀010米少1050米呈上升变化50米以下数量减少海底沉积物上多2.淡水中微生物群落淡水中微生物群落 种类与土壤中的差不多，分布规律与海洋的相似种类与土壤中的差不多，分布规律与海洋的相似29

17、7.4.3 水体自净和污染水体的微生物生态水体自净和污染水体的微生物生态(一一)水体自净水体自净1.水体中的食物链水体中的食物链阳光阳光一级一级生产者生产者原生原生动物动物轮虫、浮游轮虫、浮游甲壳动物甲壳动物鱼鱼其它其它动物动物人人废物、废物、排泄物排泄物异养异养细菌细菌302.水体自净水体自净(selfpurification of water body)水体自净水体自净是指水体接纳了一定量的有机污染物后，是指水体接纳了一定量的有机污染物后，在物理、化学和水生生物等因素的综合作用后得在物理、化学和水生生物等因素的综合作用后得到净化，水质恢复到污染前的水平和状态。到净化，水质恢复到污染前的水平

18、和状态。自净容量自净容量 是指在水体正常生物循环中能够净化有机是指在水体正常生物循环中能够净化有机污染物的最大数值。污染物的最大数值。自净的基本原理自净的基本原理物理净化物理净化化学净化化学净化生物净化生物净化313.水体自净过程水体自净过程 有机污染物排入水体后被水体稀释，有机和有机污染物排入水体后被水体稀释，有机和无机固体沉入河底；无机固体沉入河底；有机物被分解为简单有机物和无机物，有机物被分解为简单有机物和无机物，DO急急速下降，此时鱼类绝迹，厌氧菌大量繁殖，对速下降，此时鱼类绝迹，厌氧菌大量繁殖，对有机物进行厌氧分解。有机物进行厌氧分解。有机物被完全无机化，生成有机物被完全无机化，生成

19、CO2、H2O、PO43、NO3和和SO42；细菌死亡，细菌死亡，DO上升，水质变清，高等水生动上升，水质变清，高等水生动物重新出现，水体恢复到污染前的状态和功能，物重新出现，水体恢复到污染前的状态和功能，自净过程完成。自净过程完成。32自净过程中自净过程中DO的变化的变化v 有机物浓度有机物浓度 ，耗氧速率复氧速率，耗氧速率复氧速率，DO v 有机物浓度有机物浓度，耗氧速率复氧速率，耗氧速率复氧速率，DO DO minv 有机物浓度有机物浓度 0，耗氧速率复氧速率，耗氧速率复氧速率，DO DO 饱和饱和334.氧垂曲线（氧垂曲线（Oxygensag Curve）河流受到污染后，河水中河流受到

20、污染后，河水中DO含量的变化情含量的变化情况用一条曲线来表示，曲线呈下垂状，叫做氧况用一条曲线来表示，曲线呈下垂状，叫做氧垂曲线。垂曲线。345.衡量水体自净的指标衡量水体自净的指标(1)P/H 指数：反映了水污染和自净程度指数：反映了水污染和自净程度v 被污染初始：有机物浓度高，被污染初始：有机物浓度高，H大量繁殖，大量繁殖，P/H，自净速率高；，自净速率高；v 自净过程：有机物减少，自净过程：有机物减少，H，P，P/H，自净，自净速率速率；v 自净完成：自净完成：P/H 恢复到原有水平。恢复到原有水平。35(2)氧浓度昼夜变化幅度和氧垂曲线氧浓度昼夜变化幅度和氧垂曲线 氧浓度高低与细菌含量

21、有关，昼夜变幅与藻类数量有关，氧浓度高低与细菌含量有关，昼夜变幅与藻类数量有关，因此因此与与P/H或或BIP有关有关。36(二二)污染水体的微生物生态污染水体的微生物生态1.污化系统污化系统(saprobic system)污化带污化带多污带多污带 中污带中污带 中污带中污带寡污带寡污带有机物或有机物或BOD高高降低降低较少较少极低极低DO极低极低(或无或无)低低升高升高正常正常细菌数细菌数/mL几亿个几亿个几千万个几千万个几万个几万个极少极少产物产物H2S、CH4、CO2NH3、氨基、氨基酸、酸、H2SNH3和和H2S含含量降低量降低H2S消失消失指示生物指示生物细菌、寡毛类细菌、寡毛类动物

22、动物细菌、蓝藻、细菌、蓝藻、绿藻、裸藻、绿藻、裸藻、原生动物、原生动物、颤蚯蚓颤蚯蚓细菌、藻类、细菌、藻类、固着型纤毛虫、固着型纤毛虫、轮虫、浮游甲轮虫、浮游甲壳动物壳动物鱼腥藻、硅藻、鱼腥藻、硅藻、黄藻、钟虫、黄藻、钟虫、变形虫、旋轮变形虫、旋轮虫、浮游甲壳虫、浮游甲壳动物动物372.水体有机污染指标水体有机污染指标(1)BIP指数指数：无叶绿素的微生物占所有微：无叶绿素的微生物占所有微生物数的百分比。生物数的百分比。100%BBIPAB污染程度污染程度清洁水清洁水轻度污染轻度污染水水中等污染中等污染水水严重污染严重污染水水BIP值值08820206060100利用利用BIP值判断水体的污染

23、程度值判断水体的污染程度38(2)细菌菌落总数细菌菌落总数(CFU)：指：指1mL水样在水样在营养琼脂培养基中，于营养琼脂培养基中，于37培养培养24h后后所生长出来的细菌菌落总数。所生长出来的细菌菌落总数。v 我国规定我国规定1mL生活饮用水中的生活饮用水中的CFU100个个。(3)总大肠菌群数总大肠菌群数致病菌污染水体的间致病菌污染水体的间接指标接指标397.4.4 水体富营养化水体富营养化1.水体富营养化的概念水体富营养化的概念 水体富营养化是指水体中氮、磷等元素含水体富营养化是指水体中氮、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量过高而引起水体表层的蓝细菌和藻类过度生长繁殖的

24、现象。长繁殖的现象。v 与富营养化有关的藻类：微囊藻属、腔球藻属、与富营养化有关的藻类：微囊藻属、腔球藻属、鱼腥藻属和裸藻、甲藻。鱼腥藻属和裸藻、甲藻。40水花：淡水水体中的富营养化水花：淡水水体中的富营养化41赤潮：咸水水体中的富营养化赤潮：咸水水体中的富营养化422.评价水体富营养化的方法与评价水体富营养化的方法与AGP(1)方法：方法：观察蓝藻等指示生物；观察蓝藻等指示生物；测定生物的现存量；测定生物的现存量；测定原始生产力；测定原始生产力；测定透明度；测定透明度；测定氮和磷等导致富营养化的物质。测定氮和磷等导致富营养化的物质。43(2)AGP(algal growth potential)藻类生产的潜在能力藻类生产的潜在能力 把特定的藻类接种在天然水或废水中，在把特定的藻类接种在天然水或废水中，在一定的光照度和温度条件下培养，使藻类增长一定的光照度和温度条件下培养，使藻类增长到稳定期为止，通过测干重或细胞数来测定其到稳定期为止，通过测干重或细胞数来测定其增长量，即为增长量，即为AGP。贫营养湖中营养湖富营养湖污水处理厂排出水小型排水设备处理后的水AGP(mg/L)1110 550150300500443.防止水体富营养化防止水体富营养化 根本措施是将各种污水和废水氮和磷根本措施是将各种污水和废水氮和磷的排放量控制在低水平。的排放量控制在低水平。