微生物生態(tài)與環(huán)境生態(tài)工程中的微生物作用.ppt

1、土著微生物：authochthonous microorganism 指在一定給定的生境中生存、生長和進(jìn)行活躍代謝的微生物，并且這些微生物能與來自其他群落的微生物進(jìn)行有效的競爭，它從生理方面完全適應(yīng)了這一生境的物化條件。 外來微生物：allochthonous microorganism 指來自于其他生態(tài)系統(tǒng)的微生物，這些微生物不能在這一生境中長期生活下去。,第二節(jié) 土壤微生物生態(tài),一、土壤的生態(tài)條件 1、營養(yǎng)：豐富的營養(yǎng) 2、pH：適合大多數(shù)微生物生長。 3、滲透壓：等滲或低滲環(huán)境。 4、氧和水：團(tuán)粒結(jié)構(gòu)中可保持大量空氣和水。 5、溫度：保溫性強(qiáng)，變動幅度小，10-25 6、保護(hù)層：吸收紫外

2、線。,二、微生物在土壤中的種類、數(shù)量和分布 （一）種類和數(shù)量 土壤中的微生物可粗分為兩大類：土著微生物、外來微生物。一般土壤微生物指的是土著微生物。 種類主要有細(xì)菌、放線菌、真菌、藻類和原生動物五類。數(shù)量上以細(xì)菌最多 放線菌 真菌 藻類 原生動物。但生物量真菌常比細(xì)菌大，放線菌接近細(xì)菌。 pH的變化可引起微生物種類和數(shù)量的變化.,1、細(xì)菌：桿狀的居多，球狀的較少，G+較多，主要是異養(yǎng)菌。 2、放線菌：鏈霉菌屬、諾卡氏菌屬最多，小單胞菌也很普遍，隨土壤深度增加而減少比細(xì)菌慢。 3、真菌：大多是好氧性的。存在于10cm以內(nèi)的頂層土壤中，30cm以下就很少 4、藻類和藍(lán)細(xì)菌：多棲息于多水的表層土壤。

3、季節(jié)性變化明顯，春秋多冬夏少。 5、原生動物：最多的是鞭毛蟲，其次是肉足類，纖毛蟲較少。,（二）微生物在土壤中的分布 水平分布 垂直分布,三、土壤自凈和污染土壤的微生物生態(tài) （一）土壤自凈 土壤對施入其中一定負(fù)荷的有機(jī)物或有機(jī)物污染物具有吸附和生物降解能力，通過各種物理、生物化學(xué)過程自動分解污染物使土壤恢復(fù)到原有水平的凈化過程。 自凈能力取決于土壤中微生物的種類和數(shù)量，以及土壤自身的理化性質(zhì)如土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、有機(jī)物含量、pH值、陰陽離子的種類和含量等。土壤容量指土壤對污染物的最大承受量或負(fù)荷量。,（二）污染土壤的微生物生態(tài),污水長期灌溉會引起土壤微生物生態(tài)的變化：區(qū)系和數(shù)量改變。 （1） 產(chǎn)生可

4、分解各種污染物的微生物種類。 （2） 重金屬的作用。,隱蔽性和潛伏性 不可逆性和長期性 后果嚴(yán)重性,特點,四、土壤污染和土壤生物修復(fù) （一）土壤的污染及其不良后果,土壤污染的后果,破壞土壤生態(tài)平衡 隨食物鏈危害人體健康 致病微生物的存在,（二） 土壤修復(fù) 土壤生物修復(fù)是利用土壤中天然的微生物資源或人為投加目的菌株，構(gòu)建特異的基因工程菌株加入污染土壤中，將滯留的污染物快速降解和轉(zhuǎn)化，恢復(fù)土壤的功能。,費(fèi)用省 環(huán)境影響小 最大限度地降低污染物濃度 可用于其他技術(shù)難以應(yīng)用的土地 可同時處理污染土壤和地下水,優(yōu)點,不能降解所有的污染物 要對地點和存在污染物進(jìn)行考察 微生物活性受溫度和環(huán)境條件的影響 不

5、能將污染物全部去除,局限性,1、土壤生物修復(fù)的工作步驟： 調(diào)查本底資料 選擇技術(shù)路線，進(jìn)行可處理性試驗 技術(shù)咨詢 列出方案 確定最佳技術(shù) 設(shè)計小試和中試 技術(shù)實施,引入土壤的大多數(shù)基因工程菌在無外加碳源的條件下，不能在土壤中生存和增殖，目的基因表達(dá)的產(chǎn)物對微生物本身的活動并無益處，有時還會降低基因工程菌的競爭力。 解決這一問題的途徑是為基因工程菌創(chuàng)建一個生態(tài)位使其能利用土著菌不能利用的選擇性基質(zhì).加入后會造成土壤微生物系統(tǒng)的暫時失衡，土著微生物需要一段時間來適應(yīng)，基因工程菌就可利用這段時間來建立自己的生態(tài)位。,2、土壤生物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵,（1）微生物種 土著微生物 外來微生物 基因工程菌,（2

6、）微生物營養(yǎng)：土壤和地下水中，尤其是地下水中，氮、磷都是限制微生物活性的重要因素。因此要保持一定的C：N：P比值，一般以土壤微生物C：N= 25：1，污水好氧生物處理BOD5：N：P= 100：5：1作為參考值。 （3）溶解氧：溶解氧是現(xiàn)場處理的關(guān)鍵因素。土壤結(jié)構(gòu)、土質(zhì)、污染物數(shù)量的不同，溶解氧含量也不同。為了增加溶解氧，可以采用一些工程的方法：鼓風(fēng)、添加產(chǎn)氧劑。 （4）微生物的環(huán)境因子,（1）微生物修復(fù) 原位處理： 直接采用生物修復(fù)技術(shù)，不需要將土壤挖出和運(yùn)輸，一般采用土著微生物處理。 先鉆注水井、抽水井，通過向地面上抽水推動地下水在地層流動，促進(jìn)微生物的分布和營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸，保持氧供應(yīng)。工

7、藝較簡單，費(fèi)用較省，但處理時間較長，而且在長期的生物修復(fù)過程中，污染物可能會進(jìn)一步擴(kuò)散到深層土壤和地下水中。 適用于處理污染時間較長，狀況已基本穩(wěn)定的地區(qū)或污染面積大的地區(qū)。,2、土壤生物修復(fù)工程,生物通風(fēng) bioventing：是改進(jìn)和強(qiáng)化原位處理的一種方法。通常用于地下儲油罐泄漏造成的輕度污染土壤的生物修復(fù)。,異位生物修復(fù) 主要包括現(xiàn)場處理法、預(yù)制床法、堆制處理法、生物反應(yīng)器和厭氧生物處理法,a、現(xiàn)場處理法 土壤耕作處理是現(xiàn)場處理土壤污染常用的方法。被污染的廢物施在土壤上，通過施肥、灌溉和加石灰等管理措施，保持氧氣、水分和pH的最合適值，并進(jìn)行耕作以改善土壤的通氣狀況，確保在污染廢物和下面

8、土層中污染物的降解。,b、預(yù)制床（ 挖掘堆置）法：預(yù)制床的底面為滲透性低的物質(zhì)，如高密度的聚乙烯或粘土。將污染土壤轉(zhuǎn)移到預(yù)制床上，通過施肥、灌溉，調(diào)節(jié)pH，有時還加入微生物和表面活性劑，使其最適合污染物的降解。,C、堆制處理法 將受污染的土堆挖掘起來運(yùn)輸?shù)揭粋€經(jīng)過各種工程準(zhǔn)備（布置防止?jié)B漏底，通風(fēng)管道等）的地點堆放，形成上升的斜坡，并在此進(jìn)行生物修復(fù)的處理，處理后的土壤再運(yùn)回去。,D、反應(yīng)器處理： 將污染土壤置于一專門的反應(yīng)器中處理。 反應(yīng)器可使土壤與微生物及其他添加物如營養(yǎng)鹽，表面活性劑等徹底混合，能很好的控制降解條件，因而處理速度快，效果好。 生物反應(yīng)器處理的過程為：先挖出土壤與水1：2混

9、合，然后轉(zhuǎn)入反應(yīng)器。為了提高降解速率，常在反應(yīng)器中加入已被馴化的微生物。處理后的土壤與水分離后再運(yùn)回原地。,（2）植物修復(fù)技術(shù) 植物生物修復(fù)是利用植物體內(nèi)對某些污染物的積累、植物代謝過程對某些污染物的轉(zhuǎn)化和礦化，植物根圈與根莖的共生關(guān)系增加微生物的活性的特點，加速土壤污染物降解速度的過程。 植物修復(fù)的方式包括植物提取、植物降解和植物穩(wěn)定化三種。 植物生物修復(fù)是一項利用太陽能動力的處理系統(tǒng)，具有處理費(fèi)用低，減少場地破壞等優(yōu)點而受到普遍重視。,第三節(jié) 空氣微生物,一、空氣的生態(tài)條件 有較強(qiáng)的紫外輻射、干燥、溫差大、缺乏營養(yǎng)、高空缺氧，不適合微生物生長。空氣不是微生物生長繁殖的場所。,二、空氣微生物

10、種類、數(shù)量和分布 來源：都是在水體、土壤和高等生物中生長，并由空氣塵埃、土粒等搬運(yùn)進(jìn)入大氣的。 微生物在空氣中的存活時間取決于空氣的相對濕度、紫外輻射的強(qiáng)弱、塵埃顆粒的大小和數(shù)量，微生物的適應(yīng)性及對環(huán)境的抵抗能力。,室外空氣中微生物數(shù)量與環(huán)境衛(wèi)生狀況和綠化程度有關(guān)。室外空氣中主要存在著真菌、細(xì)菌、藻類的孢子和原生動物的胞囊。細(xì)菌以產(chǎn)芽孢、有色素的為主。 室內(nèi)空氣中微生物的數(shù)量與人員密度、活動情況、空氣流通程度、室內(nèi)衛(wèi)生狀況關(guān)系很大。,三、空氣微生物的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)及衛(wèi)生潔凈技術(shù) 衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)一般以500-1000個微生物/m3作為空氣污染的指標(biāo)。 空氣微生物衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)可以浮游細(xì)菌或降落菌為指標(biāo)。,四、空氣

11、微生物檢測 （一） 測定方法 1、固體法 （1）平皿落菌法 瓊脂平板打開后暴露空氣5-10min，培養(yǎng)48h，計算菌落數(shù) 奧氏公式：C=100050N/（At） N=菌落數(shù)，A=捕集面積，t=暴露時間。 此法計算的浮游菌數(shù)比實際的菌少。 沒有考慮塵埃粒子大小、數(shù)量、氣流情況、人員密度和活動情況。,（2）撞擊法: 用吸風(fēng)機(jī)或真空泵將含菌空氣以一定流速穿過狹縫，平板與狹縫間隔2mm，平板以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，一般轉(zhuǎn)動一周，取出后37培養(yǎng)48h，計算菌落：C=1000平板菌落數(shù)/（氣流量L時間t min）,2、液體法 將一定體積的含菌空氣通入無菌蒸餾水或無菌液體培養(yǎng)基，將細(xì)菌阻留于無菌水中，然后取一定量菌

12、液涂布瓊脂平板，或取一定量菌液倒平板。,（二） 空氣微生物的檢測點數(shù)：20-30為宜，至少5-6個 （三） 培養(yǎng)溫度時間：37培養(yǎng)48h （四） 浮游菌最小采樣量和最小沉降面積,第四節(jié) 水體微生物生態(tài),營養(yǎng)：一般江河湖泊和池塘的營養(yǎng)較豐富，湖岸區(qū)域比湖中央含有機(jī)物質(zhì)多。海水和鹽湖含有較高鹽分，但其他營養(yǎng)缺乏，雨水基本上是蒸餾水。 溫度：淡水變化在0-36。海洋表面水，兩極-1.7，在熱帶和亞熱帶25-35，深海常常是0上少許，90%海水小于5。 溶解氧：氧在水中溶解度較小，是水環(huán)境中最重要的限制因子之一。靜水湖泊中氧易被好氧微生物耗盡，江河流域可由于水的流動不斷補(bǔ)充氧。溶解氧在一定范圍內(nèi)隨溫度

13、的降低而增加。,pH：淡水pH在3.7-10.5之間，大多數(shù)湖水平均pH7左右，海水pH一般維持在8.0-8.3之間。適合微生物生長。 光：水體中光合帶的范圍10-100m，清澈水體中可達(dá)200m，水體表面微生物數(shù)量較下層少。,水體中微生物的來源： 水中固有微生物 來自土壤微生物 來自生產(chǎn)和生活微生物 來自空氣微生物,二、水體自凈和污染水體的微生物生態(tài) （一） 水體自凈 1、水體自凈過程 河水接納了一定量的有機(jī)污染后，能進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，利用物理、化學(xué)和生物作用將水質(zhì)恢復(fù)到污染前的水平水體自凈。 物理作用有氧化還原反應(yīng)、吸附沉淀反應(yīng)、酸堿中和、硝酸鹽和磷酸鹽的釋放等，最重要的是生物作用，即微生物對

14、有機(jī)物無機(jī)物的同化和異化作用。任何水體都有自凈容量，即水體正常生物循環(huán)中能夠凈化有機(jī)污染物的最大數(shù)量。,污水,水體自凈可分為幾個階段： （1） 污染階段：有機(jī)物濃度大量增加。好氧細(xì)菌開始分解有機(jī)物，氧被消耗下降至零。厭氧細(xì)菌大量繁殖呈直線上升，有機(jī)物經(jīng)厭氧分解后產(chǎn)生PO43-、NH3、H2S，NH3、H2S被硝化細(xì)菌和硫化細(xì)菌氧化為NO3-、SO42-。 （2） 分解階段：有機(jī)物濃度由于分解而顯著下降，水體復(fù)氧速度小于耗氧速度。隨著河流的流動，有機(jī)物含量漸漸下降，復(fù)氧速度慢慢大于好氧速度，原生動物開始大量出現(xiàn)，異養(yǎng)菌數(shù)量明顯下降。 （3） 恢復(fù)階段：有機(jī)物濃度下降到最低點，異養(yǎng)菌數(shù)量減少，原生

15、動物也減少。溶解氧恢復(fù)到原先水平。藻類大量生長。 （4）清水階段：自凈過程完成，各項指標(biāo)恢復(fù)到未污染前水平,2、衡量水體自凈的指標(biāo) （1） P/H指數(shù)：P=光合自養(yǎng)型微生物，H=異養(yǎng)型微生物?？煞磻?yīng)水體污染的自凈程度。,（2）氧濃度晝夜變化,（二）污染水體的微生物生態(tài),2、水體有機(jī)污染指標(biāo) （1） BIP指數(shù)：水污染生物指數(shù) biological index of water pollution。 無葉綠素微生物占所有微生物總數(shù)的比值 BIP=B/（A+B）100%,（2） 細(xì)菌菌落總數(shù)（CFU）colony forming unit： 指1ml水樣在瓊脂培養(yǎng)基中37 24h 培養(yǎng)后所生長出的

16、菌落總數(shù)。 用于指示被檢的水源受有機(jī)物污染的程度。CFU只能說明被生活污水污染的程度，不能說明來源，通常用大腸菌群數(shù)來判斷水體是否被糞便污染。,（3） 總大腸菌群 total coliform 原理：天然水體由于糞便污染導(dǎo)致致病性微生物污染，但致病菌通常數(shù)量少不易檢出。大腸桿菌是人體腸道寄生菌中數(shù)量最大的，容易檢出，而且在環(huán)境中的存活時間與腸道致病菌相似，因此被作為致病菌的間接指標(biāo)，指示糞便污染。 大腸菌群是一群需氧的和兼性厭氧的，能在37培養(yǎng)24h內(nèi)使乳糖發(fā)酵產(chǎn)酸產(chǎn)氣的G-無芽孢桿菌，包括埃希氏菌屬、檸檬酸桿菌屬、腸桿菌、克雷伯氏菌。,三、水體富營養(yǎng)化 （一） 概念與發(fā)生 富營養(yǎng)化（eutrophication）指富含磷酸鹽和某些氨素營養(yǎng)的水。當(dāng)大量含N、P的生活污水和工業(yè)廢水進(jìn)入江河湖海時，超過水的自凈能力，使藻類大量繁殖，淡水水體發(fā)生“水華”，海洋發(fā)生“赤潮” 。,水華形成的條件： 1、營養(yǎng)元素：主要是N、P。水體中總P達(dá)到0.02mg/L，總N達(dá)到0.3mg/L時就會出現(xiàn)富營養(yǎng)化，適合藻類生長。 2、光：決定于水的透明度