第二篇 微生物生态与环境生态工程中的微生物作用

第一章 微生物的生态 生态系统 土壤微生物生态 空气微生物生态 水体微生物生态

第一节 生态系统 一 生态系统和生物圈 （一）生态系统 动物、植物和微生物的个体、种群、群落 一 生态系统和生物圈 （一）生态系统 1.定义：生态系统是在一定时间和空间范围内由生物与它们的生境通过能量流动和物质循环所组成的一个自然体。 生态系统=生物+环境条件 生态系统是生态学的功能单位之一（个体、种群、群落和生态系统）。 光、水、土壤、空气及其他因子

3．结构：生态系统具有明显的三维空间结构，由于环境条件在空间上的差异性，造成生物的分布也出现明显的水平和垂直分布。 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 其他环境条件：温度、pH 2.组成：生态系统有四个基本组成： 环境 生产者（植物） 消费者（一级、二级……） 分解者或转化者（微生物）。 3．结构：生态系统具有明显的三维空间结构，由于环境条件在空间上的差异性，造成生物的分布也出现明显的水平和垂直分布。

4．功能：主要表现在生物生产、能量流动、物质循环和信息传递。 （1）生物生产：通过光合作用合成有机物，是生态系统的基本功能之一，包括初级生产（初级生产者进行）和次级生产（其他生物进行）。 （2）能量流动：太阳光的光能→化学能，不断消耗→热能、动能等；能量是单向流动的；

（3）物质循环：各种营养物质在各个组成成分间传递、循环（物质不灭）；物质是被反复循环的；

（4）信息传递：生态系统中的生物之间通过信息传递，进行调节。信息有营养信息、物理信息、化学信息及行为信息等，构成一个整体的信息网。

（二）生物圈 地球上的一切生物，其中包括人类，都生活在地球的表面层。因为只有这个表面层内有空气、水、土壤等维持生物的生命所必需的物质，人们将这个生物有机体生存的地球表面层，称为生物圈。 即：地球上所有的生物及其环境所共同组成的一个最大的生态系统（地球上所有生态系统的总和）。

定义：生态系统在一定的时间和空间内，保持相对稳定的状态，并能对外来干扰进行自我调节。 二、生态平衡 定义：生态系统在一定的时间和空间内，保持相对稳定的状态，并能对外来干扰进行自我调节。 生态系统的自我调节能力是有限度的，干扰超过限度，则不再具有恢复能力。这个限度称为生态阈限。

> < ≈ 物质和能量的输入 物质和能量的输出 生物量增加 物质和能量的输入 物质和能量的输出 生物量减少 物质和能量的输入 相对稳定

生态系统的平衡的破坏和建立，是自然界发展的普遍规律。每当气候、日照、季节变化，或由于人为的因素，都可能造成旧平衡的破坏和新平衡的建立。 生态系统总是在不平衡-平衡-不平衡的发展过程中进行着物质和能量的交换，推动着自身的变化和发展。

三、生态系统的分类 由于生态系统可以小到一滴水，大到生物圈，所以，分类有多种。 根据生存环境分：如水体生态系统和陆地生态系统。各自还可进一步细分，例如淡水生态系统和海水生态系统；根据动态和静态可将淡水生态系统分为河流生态系统和湖泊生态系统；根据生物群落分的，有动物生态系统、植物生态系统及微生物生态系统，在这些生态系统内又可根据生存环境或生物群落进一步细分。

第二节 土壤微生物生态 一、土壤的生态条件 1．营养 土壤内有大量的有机和无机物质（动植物的残体、分泌物、排泄物等） 2．pH 3.5~8.5，多为5.5~8.5；适合于大多数微生物的生长繁殖。

3．渗透压 土壤内通常为0.3~0.6MPa，而在微生物（细菌）体内，G+为2.0~2.5 MPa，G-为0.5~0.6 Mpa。所以，土壤是等渗或低渗溶液，有利于微生物吸收水份和营养。 4．氧气和水 土壤具有团粒结构，有孔隙，可以通气和保持水分。土壤中氧气的含量要少于空气中，一般为7~8%。 5．温度 土壤具有较强的保温性，其变化幅度要小于空气。

6．保护层 表面几毫米厚的土壤，可以使下面的微生物免受紫外线的直接照射。 综合以上各方面，所以说，土壤具备了微生物所需要的营养和各种环境条件，是微生物良好的天然培养基。

二、微生物在土壤中的种类、数量和分布 1.数量和种类 同一土体由于微环境的通气、水分、营养等状况都存在着差异，致使不同微生物呈立体分布。 每克肥土中通常含有几亿至几十亿个微生物，贫瘠土壤每克也有几百万至几千万个微生物。 ①细菌 数量：70~90%；种类：主要为腐生，少数自养 分布：表层最多，随土层加深减少，厌氧菌反之。 ②放线菌 数量：5~30% ③真菌 ④藻类 ⑤原生动物

表9－2 农田土壤上层15cm处微生物数量和生物量 微 生 物 土壤中的数量(个/g) 生物量（g/m2） 细菌 放线菌 真菌 藻类 原生动物 9.8×107 2.0×106 1.2×102 2.5×204 3.0×104 160 160 200 32 8

2.分布 水平分布——不同类型的土壤中所含微生物不同 垂直分布——同一土壤的不同深度，微生物的分布不同

三、土壤自净和污染土壤微生物生态 1．土壤自净 土壤对进入其中的一定负荷的有机物或有机污染物具有吸附和生物降解能力，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水平的净化过程，称土壤自净。

土壤自净是有一定限度的，即自净容量。如果超过这个容量，就会造成土壤污染。土壤自净能力的大小取决于土壤中微生物的种类、数量和活性；取决于土壤结构、通气状况等理化性质。土壤有团粒结构，并栖息着极为丰富、种类繁多的微生物群落，这使土壤具有强烈的吸附、过滤和生物降解作用。

2．污染土壤的微生物生态 土地是天然的生物处理厂，可用土地法处理废水、生活污水，易被微生物降解的工业废水经土地处理后得到净化。 进行土壤灌溉时，要十分小心，要注意： （1）要根据物质和植物的特点，合理灌溉； （2）不能超过自净容量； （3）不能用含有有毒或难以降解物质的污水。这是因为这些物质会在生物体内积累、富集，最终会影响到人类自己。

四、土壤污染和土壤生物修复 1．土壤污染及其后果 来源：废水（农田灌溉和土地处理）、固体废弃物、油库泄漏或农药的使用等。 污染物质：农药、石油类、氨、重金属等。 易降解的污染物在土壤中会被逐渐分解，而难降解物质和重金属等会在土壤中停留和积累，甚至进入地下水中。

土壤污染的后果： （1）改变土壤的性质，破坏土壤生态系统； （2）污染物通过食物链迁移或进入水体，危害人类健康； （3）各种病原微生物可能通过各种途径传播。

2．土壤修复 土壤生物修复是利用土壤中的天然微生物或人为加入特定菌株，使土壤中的污染物质加快降解和转化的速度，使土壤恢复其天然功能。 有关污染环境的修复（生物修复），是目前环境科学领域的热点之一。

目前“土著”微生物应用较多，具有经济性，但效 土壤生物修复技术的关键 （1）微生物种 目前“土著”微生物应用较多，具有经济性，但效 果较差； 从污染土壤选育优势菌种，经扩大培养接种到污 染土壤中，易实施，收效快，效果好； 质粒育种或基因 工程构建工程菌，但有不相容性。

因污染物的过量积累，可能使营养物质品种单一，营养元素比例失衡严重，要通过可行性试验确定适应的营养元素比例。 （2）微生物营养 C:N:P 因污染物的过量积累，可能使营养物质品种单一，营养元素比例失衡严重，要通过可行性试验确定适应的营养元素比例。 可参照一般土壤微生物的碳氮比25:1，污水好氧生物处理的BOD:N:P=100:5:1等作基本参数，在试验过程中加以调整。

（3）溶解氧 通气良好的土壤溶解氧在5mg/L左右，粘土和积水土溶解氧极低，加上有污染物，因而溶解氧更低。保证好氧微生物和兼性厌氧微生物的旺盛生长，才能有效分解污染物。 用鼓风机向地下鼓风，可使土壤中溶解氧达8～12mg/L；通纯氧可达50mg/L；若含有较多的苯和低碳烷基苯，则需更多溶解氧（20～200mg/L）满足微生物需要，苯等污染物才能被氧化彻底。 （4）微生物的环境因子 适量的水、pH和温度对于土壤的生物修复也有很大影响。

土壤生物修复工程 （1）原位处理： 在污染区原地钻一组注水井，用泵注入微生物、水和营养物，通入空气。另外钻一组抽水井，用抽水泵抽取地下水，使地下水呈流动状态，促使微生物和营养物质均匀分布。 工艺简单，费用低，但处理速度较慢。 （2）生物通风 气体流动。 用于处理因储油罐泄漏而污染的土壤

第三节 空气微生物生态 一、空气的生态条件 紫外线、干燥、温度变化大、缺乏营养等， 这些特点决定了空气不是微生物生长繁殖的场所。 二、空气微生物的种类、数量和分布 1.空气中的微生物来源于： 土壤（飞扬的尘土把微生物带至空中）； 水体（水面吹起的小水滴）； 人和动物（皮肤脱落物、呼吸道等）

不同场所上空微生物的数量（单位：个/m3空气） 畜舍 宿舍 城市 街道 市区 公园 海洋 上空 北纬80° 微生物 1～2×106 2×104 5×103 200 1～2

2.空气中的微生物只是短暂停留，是可变的，没有固定类群。 3.在空气中存活的微生物，主要是有芽孢的细菌、有孢子的霉菌、放线菌及各种胞囊。 4.取决于多种因素的影响：空气的相对湿度、紫外线、尘土颗粒的数量和大小以及微生物本身的性质。 也与环境卫生状况有关，如绿化。

空气是人类与动植物赖以生存的极重要因素，也是传播疾病的媒介。为了防止疾病传播，提高人类的健康水平，要控制空气中微生物的数量。 三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术 空气是人类与动植物赖以生存的极重要因素，也是传播疾病的媒介。为了防止疾病传播，提高人类的健康水平，要控制空气中微生物的数量。 目前，空气还没有统一的卫生标准，一般以室内1m3空气中细菌总数为500~1000个以上作为空气污染的指标。空气污染的指示菌以咽喉正常菌丛中的绿色链球菌为最合适，绿色链球菌在上呼吸道和空气中比溶血性链球菌易发现，且有规律性。

最好的措施是绿化环境和搞好室内外环境卫生。有些工业部门需要采用生物洁净技术净化空气，多用备有高效过滤器的空气调节除菌设备，它既达到恒温控制又可提供无菌空气。 生物洁净室也没有统一标准，大多数国家采用美国1967年颁发的航空宇宙局(NASA)标准。该标准要求严格，对民用生物洁净环境要求可能过高。

空气微生物卫生标准可以浮游细菌数为指标或以降落细菌数为指标。 飘浮在空气中的细菌称浮游细菌。浮游细菌附着在尘粒上，故浮游细菌的数量与尘粒的数量和粒径有关。浮游细菌在一定条件下缓慢地降落下来成为降落菌。它的数量取决于浮游细菌的数量，浮游细菌和降落菌有一定关系。

四 空气微生物检测 （一）空气微生物的测定方法 落菌数（平皿落菌法） 1.将营养琼脂培养基融入无菌平皿中制成平板， 2.将它放在待测点（通常设5个测点），打开皿盖暴露于空气中5～10min，待空气微生物降落在平板表面， 3.盖好皿盖，置于培养箱中培养48h后取出，计菌落数即落菌数。

撞击法 1.用吸风机或真空泵将含菌空气以一定流速穿过狭缝，菌落被吸到营养琼脂培养基平板上。平板以一定转速旋转。 2.通常平板转动一周，取出置于37℃恒温培养箱中培养48h，计算含菌量

注：采集含菌量高的空气样品时。平板的转动速度要比含菌量低的空气样品的转速快。 液体法 1.将一定体积的含菌空气通入无菌蒸馏水或无菌液体培养基中，依靠气流的洗涤和冲击使微生物均匀分布在介质中。 2.取一定量的菌液涂布于营养琼脂平板上 3.置于37℃恒温培养箱中培养48h，取出计菌落数

（二）空气微生物的检测点数 以20～30个测点数为宜，最少测点数为5～6个 （三）空气微生物的培养温度和时间 37℃，48h

第四节 水体微生物生态 一、水体中的微生物群落 水体：天然水体和人工水体 水体中的微生物来源： 水体中固有的； 来自土壤（径流）； 生产和生活（废弃物）； 空气（降雨等）。 水体中的微生物种类很多，微生物在水体中的分布和数量受水体类型、有机物的含量、微生物的拮抗作用、雨水冲刷、河水泛滥、工业废水、生活污水的排放量等因素的影响。

（一）海洋中的微生物群落 1、种类：多数是嗜盐菌 2. 分布 水平分布：沿海带，海水中含有大量有机物，温度适宜，每毫升海水含菌10，0000个。外海带，每毫升含菌10～250个。 海洋微生物的水平分布内陆气候、雨量、潮汐的影响。

垂直分布： 表层（0～10m）：藻类 中层（5～50m）：兼性厌氧微生物 底层：厌氧菌及硫酸还原菌 3.海洋微生物群落的生态特征 海水的盐质量浓度高约30g/L，所以海洋微生物大多是耐盐或嗜盐的，有的还能耐高渗透压。 海洋微生物还耐高的静水压力，甚至嗜高静压力。

4.分类 按栖息地分为 底栖性细菌：因海底地质结构和有机物 含量的不同而异； 浮游性细菌：有鞭毛，自由生活 附着性细菌：附着于动、植物体上，异 养菌

3、影响微生物在淡水中分布的因子：营养物质、温度、溶解氧、pH等。 （二）淡水微生物 1、来源：土壤、空气、污水及有机残体 2、种类：自养菌 3、影响微生物在淡水中分布的因子：营养物质、温度、溶解氧、pH等。 浸入小河里的载玻片上的发育形成的小菌落

层次化湖泊生态 水体不同层次微生物分布 阳光 表层输入(河流) 产氧光合 动物、原生动物、好氧细菌 嗜甲烷菌、无机化能细菌 不产氧光合 发酵 厌氧呼吸菌 产甲烷菌 沉积物 厌 氧 层 好 氧 层 表层输出 蓝细菌、藻、水生植物

二、水体自净和污染水体微生物生态 （一）水体自净 1．概念 河流（水体）接纳了一定量的有机污染物后，在物理的、化学的和水生物(微生物、动物和植物)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，叫作水体自净。任何水体都有其自净容量。自净容量是指在水体正常生物循环中能够净化有机污染物的最大数量。

———自然净化 物理作用：稀释、沉淀 （强） 化学作用：日光、氧气等对污染物的分解 （弱） 生物作用：生物降解（食物链） （强）

2．自净过程 水体自净过程大致如下： a 污染物排入水体后被水体稀释，有机和无机固体物沉降至河底 b 水体中好氧细菌利用溶解氧把有机物分解为简单有机物和无机物 c 水体中的溶解氧逐渐恢复 d 自净过程完成

a.物理作用有机污染物排入水体后被水稀释，有机和无机固体沉降到河底； 如下图河流污染和自净过程 水体自净过程大致如下 a.物理作用有机污染物排入水体后被水稀释，有机和无机固体沉降到河底； b.生物作用 溶氧↓ 溶解氧↑ 好氧菌↑ 好氧菌↓ 有机物降解 厌氧菌↑ 自然溶氧、藻类产氧

河流污染与自净过程 污水

河流污染对水生生物的影响

3．衡量水体自净的指标 （1）P/H指数：P代表光合自养型微生物，H代表异养型微生物，两者的比即P/H指数。 P/H指数反映水体污染和自净程度。 水体刚被污染，水中有机物浓度高，异氧型微生物大量繁殖， P/H指数低，自净的速率高； 在自净过程中，有机物减少，异养型微生物数量减少，光合自养型微生物数量增多， P/H指数升高，自净速率逐渐降低，在河流自净完成后， P/H指数恢复到原有水平。

（2）氧浓度昼夜变化幅度和氧垂曲线。 水中溶解氧的来源： 由空气中的氧溶于水而得到补充： 光和自养型微生物的光和作用放出氧得到补充

污染河流中氧浓度昼夜变化示意图

（二）污染水体的微生物生态 1．污化系统 毒物或污染物排入水体后水质发生一系列变化，接近污染源往往污染较严重，因河水有自净能力，随距离增加河水逐渐净化。根据这个原理，将水体划分为一系列的带：多污带、α中污带、β中污带和寡污带，并存在相应的生物群落，耐污的种类及其数量按以上顺序逐渐减少，而不耐污的种类和数量逐渐增多。 污化指示生物包括细菌、真菌、藻类、原生动物、轮虫、浮游甲壳动物，底栖动物有寡毛类的颤蚯蚓、软体动物和水生昆虫。

（1）多污带 水呈暗灰色，很浑浊，含有大量有机物，BOD高，溶解氧极低，为厌氧状态。由于环境恶劣，水生生物的种类很少，以厌氧菌和兼性厌氧菌为主，种类多，数量大，每毫升含几亿个细菌。水面上有气泡，鱼类绝迹。 （2）α中污带 水为灰色，溶解氧少，为半厌氧状态，有机物减少，BOD下降，水面上有泡沫和浮泥，有NH3、氨基酸及H2S,生物种类比多污带稍多。细菌数量较多，每毫升水约有几千万个。有藻类、原生动物，底泥已部分无机化

（3）β中污带 有机物较少，BOD和悬浮物含量低，溶解氧浓度升高，细菌数量减少，每毫升水有几万个。藻类大量繁殖，水生植物出现。 （4）寡污带 标志着河流自净过程已完成，有机物全部无机化，BOD和悬浮物含量极低， H2S消失，细菌极少，水的浑浊度低，溶解氧恢复到正常含量。 应用污化系统时，要注意两点： （1）只适用于有机污水（无毒）； （2）只能定性描述。

特 征 多污带 α-中污带 β-中污带 寡污带 水色 暗灰色，很浑浊 灰色，较浑浊 浑浊 浑浊度低 BOD 高 减少,有悬浮物 减少,悬浮物少 极少,悬浮极少 溶解氧含量 极低（或无） 少 升高 恢复正常 气体 H2S、CO2和CH4 NH3、H2S 氨及H2S减少 H2S消失 细菌数量 几亿/毫升 几千万/毫升 几万/毫升 极少 微生物种类特点 （兼）厌气性 硫酸还原菌 产甲烷菌 藻类及原生动物出现 藻类大量繁殖 纤毛虫活跃 鱼腥藻、硅藻、黄藻、钟虫、变形虫 动物类型 寡毛类（颤蚯蚓） 颤蚯蚓，增多 轮虫、浮游甲壳动物 轮虫、浮游甲壳动物增多 显花植物 无 出现 增多 鱼类 有 底泥 大量的有机质 部分无机化 大量无机化

注：*颤蚯蚓属后生动物，与陆地上的蚯蚓从体态和习性上都十分相似，他们也是环节动物，栖息于水底污泥中，与蚯蚓类似吞食污泥故俗称水蚯蚓，与蚯蚓不同的是，他们体表多毛。

** 有关生物的形态见下图天蓝喇叭虫、椎尾水轮虫、栉虾。

***β-中污带的藻类见下图。 水花束丝藻 梭裸藻 变异直链硅藻 短棘盘星藻

****寡污带的指示生物见附图轮虫、水蚤、鱼腥藻、玫瑰旋轮虫。 前节晶囊轮虫 大型水蚤 蚤状水蚤 玫瑰旋轮虫 鱼腥藻

2．水体有机污染指标 （1） BIP指数 BIP=B/(A+B)×100% 其中：A为有叶绿素的微生物数，B为无叶绿素的微生物数。所以BIP的含义是无叶绿素的微生物数占总微生物数的百分比。 BIP值 0-8 清洁水 8-20 轻度污染水 20-60 中度污染水 60-100 严重污染水

（2）细菌菌落总数（CFU） 细菌菌落总数是指1ml水样在营养琼脂培养基中，于37℃培养24h后所生长出来的细菌菌落总数。它用于指示被检的水源水受有机物污染的程度，为生活饮用水作卫生学评价提供依据。 在我国规定1ml生活饮用水中的细菌菌落总数在100个以下。

（3）总大肠菌群（大肠菌群、大肠杆菌群） 用以间接指示水体被粪便污染的一个指标。 大肠菌群被选作致病菌的间接指示菌的原因是：大肠菌群是人肠道中正常寄生菌，数量最大，对人较安全，在环境中的存活时间与致病菌相近，而且检验技术较简便，因而被选中，一直沿用至今。 在我国规定1L生活饮用水中的总大肠菌群数在3个以下。

三、水体富营养化 （一）水体富营养化的概念和发生 水体从贫营养向富营养的发展，是一个自然的、 缓慢的过程。在天然情况下，需要千百万年的 时间。 由于某些因素，特别是人类的活动，使营养物 质（氮、磷等）大量进入水体，促使水体中的 藻类过量繁殖，造成水体出现富营养化。在淡 水水体中称为“水华”，在海水中为“赤潮”。

在水体中，一般氮和磷是藻类生长的限制因子，当氮和磷的浓度增加，就会造成藻类的大量繁殖。 与富营养化有关的藻类主要是蓝藻中的微囊藻属、腔球藻属和鱼腥藻属等。 富营养化的危害： 消耗溶解氧，造成水体缺氧，鱼类等无法生存； 藻类分泌有毒物质，死亡腐败等，影响水质； 改变水体生态系统，引起生物群落的演替。

（二）水体富营养化的评价 常用的方法有： 观察蓝藻等指示生物； 测定生物量； 测定原初生产力； 测定透明度； 测定N、P等营养物质。 AGP（藻类潜在生产力的测定）

（三）水体富营养化的防治 防止天然水体富营养化的根本措施是将各种污水和废水中的氮和磷的排放量控制在低水平。 加强对水体富营养化的研究，探索其发生的机理，及时预报，减少对人类生活和生产的损失。