微生物学 生态

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章 微生物的生态,1,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与其周围的生物和非生物环境条件相互作用关系的科学。,微生物分布,开发菌种资源,微生物与其他生物的关系制药、农药,、肥料,微生物之间的关系混菌发酵、污水处理,微生物在自然界物质循环中的作用揭开地球环 境 变迁、生物进化之谜。同时有助于探矿、冶金、环保等,2,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,3,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,4,（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,5,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。,6,细菌（10,8,）放线菌（10,7,）霉菌（10,6,）,酵母菌（10,5,）藻类（10,4,）原生动物（10,3,）,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。,7,（二）土壤中微生物的分布,2、土壤团聚体与微生物的分布,土壤团聚体（土壤团粒）：,由土壤矿物质颗粒（黏粒）、微生物、植物残体以及腐殖质构成的微团聚体经过多次复合和团聚而成的结构。,不同的团聚体微生物的分布不同。同一团聚体内外微生物的分布不同。,土壤颗粒表面的微生物,8,微生物的数量也与土层的深度有关，一般土壤表层微生物最多，,随着土层的加深，微生物的数量逐步减少,。,9,水体中含有机物、无机物、O,2,、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。,10,1）清水型水生微生物,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（1010,3,ml ), 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。,11,2）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10,7,10,8,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。,12,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,。,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。,13,（三）水体自净及污染水体的微生物生态,14,1）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。如水活微球菌和浮游植物弧菌等。,(2)海水型水体微生物,15,16,（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、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。,17,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、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,.,18,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）极端环境下的微生物,19,极端环境,20,不同生物的pH极限,红色为古细菌,，,蓝色为细菌，,浅绿色为藻类,，,棕色为真菌,，,黄色为原生动物，,绿色为植物,，,紫色是动物,。,21,不同生物的温度极限,红色为古细菌,，,蓝色为细菌,，,浅绿色为藻类,，,棕色为真菌,，,黄色为原生动物,，,绿色为植物,，,紫色是动物,。,22,Life in extreme environments.,Lynn J. Rothschild & Rocco L. Mancinelli,Nature, 2001, Vol. 409, 1092-1101,23,极端环境微生物的研究意义,由于极端环境微生物能产生许多独特的稳定蛋白，在生物技术产业上有很高的价值，它们产生的许多酶已经在市场上得到广泛的应用。,在生物学上，极端环境微生物的意义也不能被低估，通过对16s rDNA的研究，Woese在1990年提出了新的分类系统。,对极端环境微生物中古细菌的研究，显示这一类微生物和已知的微生物有显著的差别，从而，提出了新的分类系统，即三域分类系统古菌、细菌和真核生物。,24,极端环境微生物在工业上的应用,Life in extreme environments.,Lynn J. Rothschild & Rocco L. Mancinelli,Nature, 2001, Vol. 409, 1092-1101,25,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，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。,26,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。,27,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。,28,二、 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；,29,现代分子生态学,微生物生态学研究什么？,1，有什么,2，做什么,3，能做什么,4，我们利用他们做什么,30,对环境中微生物种群的类型和数量进行及时和准确的分析测定在微生物生态研究中十分重要，传统的微生物分析测定方法，包括显微镜微生物形态观察、选择性培养基计数、纯种分离和生理生化鉴定等，在环境样品研究中都存在巨大缺陷。,31,近年来，,人们运用微生物生物化学分类的一些生物标记，包括呼吸链泛醌、脂肪酸和核酸，来进行环境样品中的微生物种群分析。,其中，以16S rRNADNA为基础的分子生物学技术已成为普遍接受的方法，该技术主要利用不同微生物在16S核糖体RNA (rRNA)及其基因(rDNA)序列上的差异来进行微生物种类的鉴定和定量分析。,32,33,微生物多样性与DNA指纹技术,环境样品中的微生物DNA提取物通常是不同微生物的DNA混合物，经过PCR后，其产物是序列等长但不同源DNA片段的混合物。混合物中序列的多样性和不同序列的丰度在一定程度上反映了原始样品中微生物种群的多样性和不同物种的丰度。如果可以将这些序列等长但不同源DNA片段分离开，则可对样品中微生物群落的组成进行初步的分析。经过多年的研究，现在已经有多种,DNA指纹技术，又称为多态性分析,34,变性梯度凝胶电泳,(Denaturing Gradient Gel Electrophoresis，DGGE）,DGGE的原理是：在碱基序列上存在差异的不同DNA双链解链时需要不同的变性剂浓度，DNA双链一旦解链，其在聚丙烯酰胺凝胶中的电泳速度将会急剧下降；因此，将PCR扩增得到的等长的DNA片段加入到含有变性剂梯度的凝胶中进行电泳，序列不同的DNA片段就会在各自相应的变性剂浓度下变性，发生空间构型的变化，导致电泳速度的急剧下降，以至停留在其相应的不同变性剂梯度位置，染色后可以在凝胶上呈现为分开的条带。每个条带代表一个特定序列的DNA片段。在不同泳道中停留在相同位置的条带，一般可视为具有相同的DNA序列。,35,36,16S rDNA文库,有了微生物16S rDNA序列，不论是全长还是部分，都可以提交到GenBank采用BLAST程序与已知序列进行相似性分析。Gen Bank将按照与测得序列的相似性高低列出已知序列名单、相似性程度以及这些序列相对应的微生物种类，但更为精确的微生物分类还取决于系统发育分析(phylogenetic analysis)。系统发育分析，就是根据能反映微生物亲缘关系的生物大分子(如16S rDNA 、ATP酶基因)的序列同源性，计算不同物种之间的遗传距离，然后采用聚类分析等方法，将微生物进行分类，并将结果用系统发育树(phylogenetic tree)表示。,37,基因探针设计,虽然上述从核酸提取到PCR、克隆、测序和系统发育分析的技术路线，可以给出,详细的微生物种群分析结果，但费时费力，不能对目标种群进行原位和实时的检测，,而且由于核酸提取和PCR过程中存在的偏差，上述实验结果也有可能存在错误。因此,还需要根据测序和系统发育分析的结果进行DNA探针设计，将其施用于原系统,38,基因探针是一段特异性的DNA单链，通常长度为15到30个碱基，并可根据碱基互补的原理与待测样品中的互补序列在特定条件下结合(称为杂交)，杂交前这段序列被标记上一些可检测的物质(如放射性同位素、荧光染料、或催化特异性反应的酶)，然后就可利用与目标基因结合的基因探针上的放射性信号或荧光信号识别样品中的目标核酸，如16S rRNA,39,荧光原位杂交(Fluorescence in situ hybridization，FISH),将基因探针用荧光染料标记，再使之与固定在载玻片上的微生物样品杂交，将未杂交的荧光探针洗去后用普通荧光显微镜或是共聚焦激光扫描显微镜进行观察和摄像。,采用这一技术可以同时对不同类群的细菌在细胞水平上进行原位的定性定量分析和空间位置标示,40,In situ identification of archaea/SRB aggregates with fluorescently labelled rRNA-targeted oligonucleotide probes. The archaea are shown in red, and the SRB in green. The aggregates were visualized using filter sets specific for DAPI, CY3 and FLUOS for identical microscopic fields.,41,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,42,一、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。,43,3、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V,C,生产发酵。,44,二、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,45,（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。,46,地衣-藻类和真菌的共生体,形成有固定形态的叶状结构：,真菌无规则地缠绕藻类细胞，或二者组成一定的层次排列。,地衣繁殖时，在表面上生出球状粉芽，粉芽中含有少量的藻类细胞,和真菌菌丝，粉芽脱离母体散布到适宜的环境中，发育成新的地衣,结构上的共生：,生理上的共生：,共生菌从基质中吸收水分和无机养料；,共生藻进行光合作用，合成有机物；,使地衣能在十分贫瘠的环境中生存。,47,48,（二）微生物与植物间的共生,根毛,根瘤菌,侵入线,已侵入的,根瘤菌,根瘤,根瘤的形成过程,1. 根瘤菌与植物间的共生,49,2. 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）。,50,（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。,51,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。,52,三、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,53,（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。）,54,3、真菌真菌；,4、真菌、细菌原生动物。,真菌寄生于真菌菌丝,细菌寄生于真菌菌丝,55,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。,56,（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。,57,寄生于动物的微生物即为动物的病原菌。,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,58,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。,59,四、 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。,60,五、 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。,61,62,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,63,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。,64,一、碳素循环,微生物在碳循环中的作用,降解作用,呼吸作用,发酵作用,甲烷形成,光合作用,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CO,2,（含量为0.032）、溶于水中CO,2,H,2,CO,3,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。,65,CO,2,+H,2,O,CO,2,+CH,2,O,醇有机酸,CO,2,+H,2,CH,4,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,66,据估计，地球上有,90,的CO,2,是靠微生物的分解作用而形成的。经光合作用固定的CO,2,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CO,2,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。,67,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,68,自,然,界,中,的,氮,素,循,环,69,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1.7,10,8,吨，其中草原3.5 10,7,吨，林地4.0 10,8,吨，海洋3.6 10,8,吨，其它土壤0.6 10,8,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。,70,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。,71,反硝化作用,定义：,由硝酸盐还原成NO,2,并进一步还原成N,2,的过程（广义）。狭义的反硝化作用仅指由亚硝酸还原成N,2,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,Moraxella,（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。,72,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。,73,三、硫素循环,硫是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）,74,生物体,有机硫,SO,4,2-,H,2,S,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,75,（二）细菌沥滤,铜矿的细菌沥滤原理,76,四、 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）,77,第四节、微生物与环境保护,环境中的主要污染物,环境污染：,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,78,一、 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,79,一、 水体的污染富营养化,（一）水体的富营养化,水体中因氮、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（H,2,S）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H,2,S，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。,80,（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，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。,81,（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（TNT、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。,82,1、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。,83,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。,84,（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,85,在水处理技术中，污水处理前后水中BOD,5,值之差，即可理解为这一处理过程对有机物处理效率的高低。,BOD,5,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BOD,5,。,我国对地面水环境的质量标准：,一级水BOD,5,1mg/L，,二级水BOD,5,3mg/L，,三,级水BOD,5,10mg/L时已严重污染。,86,（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,4,和K,2,Cr,2,O,7,。KMnO,4,的氧化力较弱，因此，实际使用对常采用K,2,Cr,2,O,7,，作氧化剂，并把测得的数值称为CODcr。同一污水的BOD,5,与COD值是不一致的，但一般都呈明显的比例关系。,87,（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CO,2,的量来计算。,88,3、污水处理中的特殊微生物,例如，已知的能分解,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。,89,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,90,活性污泥法（activated sludge process）,又称生化曝气法。此法最早由英人Ardern和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BOD,5,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。,91,菌胶团,由产荚膜或粘液层的絮凝性细菌相互絮凝聚而成的菌胶团块。是活性污泥的结构和功能中心。,动胶菌属（,Zoogloea,)和丛毛单胞属（,Comamonas,)为主，可占到70%以上。,有很强的吸附和分解有机物能力,为原生动物提供良好的生存环境,具有指示作用,92,活性污泥中原生动物的作用,指示作用,净化作用（辅助菌胶团）,促进絮凝和沉淀作用,93,污水入口处,完全混合曝气法处理污水的装置,94,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。,95,北京高碑店污水处理厂,活性污泥法,96,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。,97,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。,98,生物转盘法的基本装置,99,生物脱氮和生物除磷,一、污、废水脱氮、除磷的意义,废水,磷,含量在,0,5mg/L,氨氮,15mg,L,污水的一级处理：去除固体废物，30%COD,二级处理：去除有机物，70-90%COD，,90%以上BOD,5,25%的氮，19%的磷,未去除的氮磷造成水体污染富营养化,100,二、微生物脱氮工艺、原理及其微生物,A/O,脱氮工艺,废水,好氧脱碳,缺氧反硝化,沉淀池,好氧硝化,沉淀池,1,好氧,活性污泥回流,缺氧,活性污泥回流,出水,回流,(,一,),微生物脱氮工艺,活性污泥法典型工艺,A/O,工艺（缺氧、好氧工艺）,101,(二)脱氮原理,缺氧反硝化,细菌,：,反硝化细菌（兼性厌氧菌）,反应,：,NO,3,-,N,反硝化,还原为,N,2,，溢出水面释放到大气,碳源,：,原水中,BOD,硝酸盐来源,：,回流出水中的硝化产物,102,好氧脱碳硝化,脱碳,氧化去除,COD,脱碳菌,好氧,有机物呼吸,的细菌,，以,有机物为碳源,硝化菌,好氧,氨盐呼吸,的细菌,，以,碳酸盐为碳源,（,NH,4,+,NO,2,-,NO,3,-,),提问：为什么先脱碳、后脱氮？,硝化菌的碳源是脱碳菌的代谢产物；,有机碳源丰富时，脱碳菌世代周期短生长迅速,，,硝化菌氧利用不足，生长缓慢；,103,为什么水处理中都是先异养菌脱碳再由自养菌脱氨（硝化）,?,1.,防止自养菌反驯化,利用有机物,不再利用氨氮,2.,有机物为主时自养菌生长慢竞争不过异养菌,3.,异养菌分解蛋白质等产生氨再被自养菌利用,4.,异养菌分解有机物产生碳酸盐作为自养菌碳源,天然的过程,104,两级滤池法工艺流程,好氧脱碳硝化滤池,进水,厌氧反硝化,滤池,出水,甲醇,补充反硝化菌的碳源！,利用进水中的BOD,105,微生物除磷原理、工艺及其微生物,（,BOD,：,N,：,P,）,100,：,5,：,1,微生物除碳的同时吸收磷元素用以合成细胞物质和合成,ATP,等，,但只去除污水中约,19,左右的磷,。某些高含磷废水中残留的磷还相当高，故需用除磷工艺处理。,1,微生物除磷原理,依靠,聚磷菌,（兼性厌氧菌）,聚磷，再从水中除去这些细菌。,Polyhydroxybutyric acid,(聚-羟丁酸，PHB),106,聚,P,聚,P,聚,P,聚,P,部分回流,做种,大部分,（,P,）去除,水中,P,水中,P,厌氧时,：,不繁殖,，消耗,多聚磷酸盐颗粒,(,即异染颗粒,),），,释放磷酸盐于体外（产生能量储备,好氧状态能源,PHB,）,磷释放。,好氧时,：,正相反,大量繁殖（,消耗厌氧状态能源,聚,-,羟基丁二酸（,PHB,），,逆浓度梯度过量吸磷（贮备厌氧状态能源,多聚磷酸盐颗粒,(,即异染颗粒,),）,磷过剩摄取,107,2,工艺简介,常见的脱磷工艺如下图所示,进水,厌氧放磷,好氧聚磷,出水,部分污泥回流接种,剩余污泥处理,沉淀脱磷,108,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BOD,5,，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。,109,（二）固体有机垃圾的微生物处理,有机垃圾好氧处理反应器剖面图,110,三、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H,2,、N,2,和CO,2,。,沼气发酵（甲烷形成）：,产甲烷菌在厌氧条件下，利用H,2,还原CO,2,等碳源营养物，以产生细胞物质、能量和代谢废物CH,4,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。,111,广古生菌门、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,产生的古生菌。,112,几种产甲烷细菌的形态 a.,Methanobacterium,sp.; b.,Methanobrivebacter,sp.; c. A strain of,Methanosarcina mazaii,; d. a strain of,Methanosarcina barkeri,; e. a strain of,Methanosarcina vacuolata,; f.,Methanococcus jannaschii,; g.,Methanothrix,sp.; h.,Methanococcus igneus,.,113,甲烷形成的三个阶段,114,1、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H,2,产甲烷。,115,3、产气阶段,严格厌氧的产甲烷菌群利用一碳化合物（CO,2,、甲醇、甲酸、甲基胺、CO）、二碳化合物（乙酸）和H,2,产生甲烷。,116,内容串讲,微生物在自然界中的分布（土壤，水，空气）,微生物在物质循环中作用（碳，氮，硫，磷）,相互关系（互生，共生，寄生，拮抗，捕食）实例,污水处理方法：特点，比较,117,基本要求,一.,掌握的内容,1.,生物体内正常菌群,土壤,空气,水中微生物分布,2.,微生物间及它生物间的互生关系,3.,碳素与氮素循环.,4.,水污染源及指标和污水的微生物处理法,118,二.,熟悉的内容,1.工农业产品中的微生物 共生与寄生关系,2.微生物在硫素循环中作用,3.微生物对污染物降解与转化及污水处理中的微生物,三.,了解的内容,1.极端环境微生物,拮抗与捕食关系.,2.细菌冶金.磷的循环;固体废物的微生物处理法,119,复习思考题,1,微生物在自然界中分布情况如何,2,试述微生物在物质循环中的作用,3,微生物之间的相互关系如何,4,常见的生物法处理废水有哪些,5,名词解释：微生物生态 物质循环 环境污染 活性污泥 生物转盘 COD BOD,120,