第9章 微生物的生态

---来源搜集，文内均可编辑---来源搜集，文内均可编辑PAGE132---来源搜集，文内均可编辑第9章微生物的生态重点、难点剖析1．微生物在生态系统中的作用是本章重点之一，却并非难点。理解这个问题首先要抓住生态系统，从生态系统的组成、结构和功能出发来理解微生物在生态系统中所扮演的重要角色(表11—1)，微生物主要作为分解者，但也是生产者，以及其他方面的重要角色。表11—1生态系统的基本框架组成非生物成分无机元素和化合物有机物质其理化条件生产者植物、藻类光能营养微生物化能营养微生物消费者食草动物肉食动物分解者微生物土生动物结构生产者亚系统植物、藻类光能营养微生物化能营养微生物消费者亚系统食草动物肉食动物分解者亚系统微生物土生动物功能能量流动所有生物物质循环所有生物（主要是合成作用的植物和分解作用的微生物）信息传递所有生物注：在生态系统中分解有机碎屑的微生物一般被认为是碎屑食的起点，其作用等同于生产者。但从对贮存于碎屑中能量的利用角度也可以认为是消费者。2，微生物与生物地球化学循环是本章重点之一，但并非难点。生物地球化学循环主要有两个基本过程，光合生物对无机营养物的同化和异养生物对有机物的矿化。微生物参与的生物地球化学循环主要在于对有机物的矿化，这体现了微生物作为物质循环重要成员的作用。(1)微生物参与的碳循环。微生物推动的碳循环从以下4个方面加以理解：①宏观的碳循环主要是CO2为绿色植物固定为有机碳，有机碳再为微生物分解矿化成可被利用的CO2。②微观上微生物参与的碳循环是微生物在生境中分解生物多聚物，微观的生物降解是宏观碳循环的基础。③微生物在好氧和厌氧两种条件下进行有机物的分解作用。④微生物推动碳循环中的中心化合物是CO2，此外还有CO、烃类物质等。(2)微生物参与的氮循环。微生物参与的氮循环复杂多样，大多实际上是氧化还原反应。各种循环反应的比较如表11—2。3，生态环境中微生物的生态分布是微生物生态学的基础，也是重点之一。特别要认识到微生物分布的广泛性和微生物无处不在的特点。(1)微生物在土壤、水体、大气等自然生境中的分布。①土壤是微生物的合适生境，是微生物最大的贮库，土壤微生物的数量和活性主要取决于有机物的含量。②水环境中的微生物主要来源于土壤，以悬浮和附着两种方式存在，水体中微生物的数量和分布主要受到营养物水平、温度、光照、溶解氧及盐分等因素的影响。①大气不是微生物生长的合适生境，但由于微生物能产生各种休眠体以适应不良环境，有些微生物可以在大气中存在相当长的时间而不死亡。大气中的微生物来源于土壤、水体和其他微生物源。表11－2微生物推动的多种氮循环反应比较微生物类群反应酶反应产物反应性质电子受体环境条件生境产／耗能量科学意义环境影响固氮作用固氮微生物固氮酶系NH3还原反应N2好氧或厌氧土壤水体耗能补充反硝化过程中损失的N2加大环境中氮的流通量氨化作用腐生微生物蛋白酶、溶菌酶、核酸酶、脲酶等NH3好氧或厌氧土壤水体耗能为生物固定和进一步转化提供氨释放到大气可造成大气污染和氮损失硝化作用硝化(作用)细菌(多数自养，少数异养)加单氧酶N03－氧化反应02好氧土壤水体产能提供植物生长的无机氮源造成环境(地下水)硝酸盐、亚硝酸盐污染硝酸盐还原同化硝酸盐还原异养微生物(少数自养)硝酸盐、，亚硝酸盐还原酶NH3还原反应N03－、N02－好氧或厌氧土壤水体耗能提供氮源减缓硝酸盐造成的污染异化硝酸盐还原发酵性硝酸盐还原异养微生物(少数自养)硝酸盐、亚硝酸盐还原酶NH3还原反应N03－作为附带电子受体缺氧或厌氧土壤水体产能产生氨减缓硝酸盐造成的污染反硝化作用(产N2的呼吸性硝酸盐还原)异养微生物(少数自养)硝酸盐还原酶等多酶系统N02N2还原反应N03－作为末端电子受体缺氧或厌氧土壤水体产能去除环境中的N03－，造成氮的损失产N2进人大气(2)极端环境下的微生物是那些生长在其他生物难于存活环境中的微生物。这些微生物开拓了微生物的生存空间，扩大了分布范围。极端环境下的微生物具有特殊的适应机制，有特异的遗传信息，这些都是极端环境微生物的重要资源价值。(3)动植物既是微生物的分布载体，也是展现微生物和动物、植物柑互作用的生动舞台。①生长在动物体上的微生物是一个种类复杂、数量庞大、生理功能多样的群体。生态分布上有体内体外之分，功能上有有益和有害两个方面，对动物有益的互惠共生关系受到广泛的关注与深入研究，瘤胃共生是最重要的一种共生关系。瘤胃共生系统是大量微生物聚集，以微生物(包括细菌、真菌、噬菌体、原生动物及原生动物)为主体的高能量、多物质流通的类似一个生物反应器的生态系统。这种共生对充分利用植物资源，连接植物和草食动物的食物链，推动能量流动和物质循环具有重要的意义。②植物茎叶、根部是微生物生长的重要生境，部分微生物可以引起植物病害，更多微生物可以与植物形成互惠的共生关系，根际微生物、菌根真菌和共生固氮中的固氮菌都对植物的生长产生促进作用。微生物和植物根的相互作用是最重要的植物微生物相互关系。从根际、菌根到根瘤，微生物和植物根之间的互惠共生关系越来越密切，形态结构越来越复杂，生理功能越来越完备，遗传调节越来越严密。(4)人体微生物和人类健康密切相关。皮肤、口腔和胃肠道一般为无侵袭力的“土著”微生物所占领，形成具不同生理功能的微生物群落。胃肠道是微生物密度最高的人体器官，人和微生物存在着对双方都有利的共生关系。(5)许多工农业产品可以成为微生物生长利用的潜在基质，在大多数情况下，微生物对这些物质的利用可以导致酸败、腐烂及霉腐，食品及农产品霉腐产生微生物毒素是公众健康中的重要问题。4．微生物与环境保护所要阐述的是微生物在环境保护中的作用，是利用微生物有机体、生理机能、遗传基因处理污染介质、修复污染环境、监测环境污染。这是本章的重点和难点，之所以是难点是因为大部分师生对环境科学知识的陌生和缺乏感性认识，实际上微生物在环境保护中的作用是微生物生理、遗传功能的扩展，是易于理解的。(1)微生物处理污染介质、修复污染环境与微生物工业发酵在基本原理上是相一致的。本质上都是微生物利用(分解)基质取得能量生长，产生微生物生物量的代谢过程，简单地说都是放大的摇瓶培养。异同比较(污水处理与工业发酵)如表11—3。表11—3污水处理与工业发酵过程异同比较基质营养物微生物反应器运行方式氧需要生物量代谢产物经济效益工业发酵发酵培养基含C、N、P比例合理的农副产品，主要为糖类经筛选的纯菌株或混合菌群(主要为单一的纯菌株)工业发酵罐一般分批发酵(也有连续的)主要好氧，也有厌氧的菌体(从菌体中提取有用代谢物)从发酵液中提取所需的代谢产物较高经济效益污水处理污水污水中的有机污染物筛选的菌群或混合菌群(主要是混合菌群)反应器(反应池、槽)一般连续的(也有分批的)大多好氧也有厌氧污泥(有些污水发酵回收单细胞蛋白)有时可回收代谢产物(如甲烷、甲醇、乙醇等)主要是社会效益(有些资源化的过程可获较好经济效益)(2)微生物处理污染介质、修复污染环境的基础——生物降解。微生物在环境保护中发挥作用的基础是微生物对有机污染物的生物降解，把各种易降解和难降解的有机污染物、有毒有害有机污染物转化成无毒无害的化学物或彻底降解转化成CO2、H2O及其他氧化性物质。微生物对各种有机污染物的降解能力是微生物利用葡萄糖、淀粉、蛋白质作为基质能力的拓展，是常见的分解作用的扩展和伸延。降解质粒是微生物降解难降解有机物遗传信息的另一个重要载体，许多难降解有机物的重要降解步骤的降解酶都由降解质粒编码的，染色体和质粒共同编码有机污染物降解过程中的酶。(3)污染介质的生物处理以及污染环境的生物修复是利用微生物降解污染物能力保护环境的最重要方式，但不同的处理方式也具有不同的特点，它们的比较列于表11—4。(4)环境污染的微生物监测是利用污染压迫下微生物种群、代谢活性所发生的变化指示环境污染。粪便污染指示是利用粪便污染带到水体的大肠菌群所造成的水体细菌群体变化指示水体的粪便污染。致突变物的微生物检测是基于微生物易变异的特点，利用微生物营养缺陷型回复突变的作用检测具致突变能力的环境污染物。发光细菌检测法、硝化细菌的相对代谢率试验都是利用污染压迫下微生物的代谢反应所发生的改变来检测环境污染物。表11—4污水、固体废弃物、废气生物处理及污染环境生物修复比较污染介质污染特点处理目标作用微生物微生物存在状态反应器运行方式需氧解耗资源化经济／社会效益污水处理好氧处理系统活性污泥法污水点污染去除BOD、COD一般为混合微生物群体(也可用单种、两种或菌群)悬浮曝气池(好氧生物反应器)连续好氧耗能一般直接排放(可中水回用)社会效益生物膜法污水点污染去除BOD、COD同上主要是附着(也有悬浮)生物滤池连续好氧低能耗同上社会效益厌氧处理系统污水点污染去除BOD、COD同上悬浮或附着厌氧生物反应器连续厌氧低能耗回收甲烷回收能源生态 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 处理方法污水点污染去除BOD、COD混合微生物悬浮或附着自然生态系统连续好氧或厌氧低能耗污水灌溉等利用污水肥力氮、磷去除技术污水点污染去除BOD、COD及N、P除有活性污泥法一样的微生物外，还有去除N、P的微生物类群悬浮或附着固定曝气池、缺氧池、厌氧池连续好氧、缺氧或厌氧耗能一般排放(中水回用)社会效益固体废弃物处理堆肥化处理固体废弃物点污染降解废弃物中的有机物混合微生物群体附着仓式容器批式好氧耗能可作肥料有经济效益生态工程处理同上点污染降解废弃物中的有机物同上附着自然堆放批式好氧低能耗恢复垃圾堆放场的景观性社会效益资源化回用技术同上点污染利用废弃物中的有机物资源特定微生物群体悬浮或附着固定工业发酵反应器批式好氧耗能回收废弃物中的资源社会效益气态污染物处理废气点污染去除废气中的污染物混合微生物悬浮或附着固定多种处理池连续好氧耗能净化后气体排人大气社会效益污染环境修复多种介质面污染去除污染环境中的污染物混合微生物附着固定的微生物不同类型的处理装置批式好氧或厌氧低能耗修复受污染环境社会效益