微生物生物地球化學(xué)循環(huán)ppt課件

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第八章微生物生態(tài)學(xué) 1 第一節(jié)微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的作用第二節(jié)生態(tài)環(huán)境中的微生物第三節(jié)人體微生物及病原微生物的傳播第四節(jié)微生物與環(huán)境保護(hù) 第八章微生物生態(tài)學(xué) 2 第一節(jié)微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的作用 微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的角色 微生物與生物地球化學(xué)循環(huán) 碳循環(huán) 氮循環(huán) 硫循環(huán) 其它元素的微生物轉(zhuǎn)化 磷循環(huán) 鐵循環(huán) 3 微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的角色 微生物是有機(jī)物的主要分解者 微生物是物質(zhì)循環(huán)中的重要成員 微生物是生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)者 微生物是物質(zhì)和能量的貯存者 微生物是地球生物演化中的先行者 4 碳循環(huán) 碳在生物圈中的總體循環(huán) 微生物在碳循環(huán)中的作用 5 CO2 H2O CO2 CH2O 醇有機(jī)酸CO2 H2 CH4 光合作用 發(fā)酵作用 呼吸作用 化石燃料 碳在生物圈中的總體循環(huán) 6 氮循環(huán) 自然界中的氮素循環(huán) 微生物在氮素循環(huán)中的作用 固氮 氨化作用 硝化作用 硝酸鹽還原和反硝化作用 7 生物體有機(jī)酸 NO3 NH4 NO2 NO N2O 大氣N2 同化作用 氨化作用 硝化作用 硝化作用 反硝化作用 生物固氮 同化作用 還原作用 自然界中的氮素循環(huán) 8 生物固氮 據(jù)70年代中期的統(tǒng)計(jì)全球生物圈每年生物固氮達(dá)1 7 108噸 其中草原3 5 107噸 林地4 0 108噸 海洋3 6 108噸 其它土壤0 6 108噸 根瘤菌屬每年可為每公頃土地固氮達(dá)250Kg 硝化作用 nitrification 定義 土壤或水體中的氨態(tài)氮經(jīng)化能自養(yǎng)菌的氧化而成為硝酸態(tài)氮的過程 過程 兩階段 1 由亞硝化細(xì)菌參與 銨 亞硝酸 2 由硝化細(xì)菌參與 亞硝酸 硝酸 意義 是自然界氮素循環(huán)中不可缺少的一環(huán) 對(duì)農(nóng)業(yè)無益 9 氨化作用 ammonnification 定義 含氮有機(jī)物經(jīng)微生物的分解產(chǎn)生氨的作用 含氮有機(jī)物的種類 蛋白質(zhì) 尿素 尿酸 幾丁質(zhì)等 分解蛋白質(zhì)的微生物種類 Proteusvulgaris 普通變形桿菌 Bacillusmegaterium 巨大芽孢桿菌 Clostridiumputrificum 腐敗梭菌 分解尿素的細(xì)菌 Sporosarcinaureae 脲芽孢八疊球菌 和Bacilluspasteurii 巴氏芽孢桿菌 分解幾丁質(zhì)的細(xì)菌 Bacteriumchitinophilum 嗜幾丁桿菌 等 意義 含氮有機(jī)物必須經(jīng)過微生物降解才能被植物利用 10 反硝化作用 定義 由硝酸鹽還原成NO2 并進(jìn)一步還原成N2的過程 廣義 狹義的反硝化作用僅指由亞硝酸還原成N2的過程 條件 厭氧 淹水的土壤或死水塘中 菌種 少數(shù)異養(yǎng)和化能自養(yǎng)菌 如 Pseudomonasaeruginosa 銅綠假單胞菌 Ps stutzeri 施氏假單胞菌 Thiobacillusdenitrificans 脫氮硫桿菌 以及Spirillum 螺菌屬 和Moraxella 莫拉氏菌屬 等 意義 土壤中氮元素流失的重要原因之一 水稻田中施用化學(xué)氮肥 有效利用率只有25 左右 另外可以利用水生性反硝化細(xì)菌去除污水中的硝酸鹽 11 硫循環(huán) 生物體有機(jī)硫 SO42 H2S 原素S 硫酸鹽還原 脫硫作用 硫氧化作用 硫氧化作用 同化作用 異化性硫酸鹽還原 12 微生物在硫素循環(huán)中的作用 硫的氧化 硫酸鹽還原 有機(jī)硫化物的礦化 硫化氫釋放 13 其它元素的微生物轉(zhuǎn)化 有機(jī)質(zhì)的分解作用 無機(jī)離子的固定或同化作用 無機(jī)離子和化合物的氧化作用 氧化態(tài)還原態(tài)的還原作用 14 陸生生境的微生物 水生生境的微生物 大氣生境的微生物 工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品上的微生物及生物性酶腐的控制 第二節(jié)生態(tài)環(huán)境中的微生物 極端環(huán)境下的微生物 生物體內(nèi)外的正常菌群 微生物群落 15 一 微生物群落 種群 具有相似特性和生活在一定空間內(nèi)的同種個(gè)體群 種群是組成群落的基本部分 群落 一定區(qū)域內(nèi)或一定生境中各種微生物種群相互松散結(jié)合的一種結(jié)構(gòu)和功能單位 互生 共生 竟?fàn)?寄生 捕食 中立生活 偏利作用 偏害作用 種群的相互作用 16 互生 兩種生物可以獨(dú)立生活 也可以形成松散的聯(lián)合 對(duì)一方有利 或雙方都有利 微生物間的互生關(guān)系 微生物與高等植物之間的互生關(guān)系 微生物與人及動(dòng)物間的互生關(guān)系 固氮菌 纖維素分解菌 固氮 碳源 17 微生物與高等植物之間的互生關(guān)系 根際微生物與高等植物 高等植物為微生物提供所需的營養(yǎng)物質(zhì) 植物發(fā)達(dá)的根系改善了土壤結(jié)構(gòu) 水分和空氣條件 有利于微生物的生長 微生物與人及動(dòng)物間的互生關(guān)系 某些種類微生物在數(shù)量極少的情況下對(duì)人及動(dòng)物物體是有益的 一般不會(huì)致病 18 共生 兩種微生物緊密生活在一起 彼此依賴 相互為對(duì)方創(chuàng)造有利條件 有的達(dá)到了難以分離的程度 生理上相互分工 組織上形成了新的結(jié)構(gòu) 彼此分離各自就不能很好地生活 微生物間的共生 微生物與植物共生體 菌根 微生物與動(dòng)物共生 19 微生物間的共生 組成 真菌 子囊菌 擔(dān)子菌 單細(xì)胞藻類 綠藻 藍(lán)藻 共生組成一種植物體 地衣 結(jié)構(gòu) 有些種地衣真菌無規(guī)律地纏繞藻類細(xì)胞 另一些種地衣真菌與藻類形成一定層排列 當(dāng)?shù)匾路敝硶r(shí) 表面生出珠狀粉芽 其中含有少量藻細(xì)胞和真菌絲 粉芽脫離母體 生理 地衣中的真菌和藻類已形成特殊形態(tài)的整體了 在生理上相互依存 真菌異養(yǎng)生活 藻類制造養(yǎng)料 真菌提供水分 無機(jī)鹽供藻類光合作用 20 微生物與植物共生體 菌根 侵入線 根瘤的形成過程 21 微生物與動(dòng)物共生 微生物和昆蟲的共生 瘤胃共生 發(fā)光細(xì)菌和海洋魚類共生 牛羊等反芻動(dòng)物 草是主要飼料 但它們本身沒有分解纖維素的能力 而是靠瘤胃微生物幫助分解 使纖維素變成能被牛羊吸收的糖類 22 竟?fàn)?一種微生物生命活動(dòng)中 通過產(chǎn)生某些代謝產(chǎn)物或改變環(huán)境條件 能抑制其它微生物的生長繁殖 或毒害殺死其它微生物的現(xiàn)象 23 寄生 一種生物能侵入另一種生物體內(nèi)吸取自己所需要的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行生長繁殖 在一定的條件下對(duì)后者造成損害或死亡的現(xiàn)象叫寄生 微生物間的寄生關(guān)系 微生物對(duì)植物的寄生 微生物對(duì)人與動(dòng)物的寄生 24 微生物間的寄生關(guān)系 細(xì)菌間 一種細(xì)菌可以寄生在另一種細(xì)菌體內(nèi) 如食菌蛭弧菌能寄生在大腸桿菌等許多 菌體內(nèi) 真菌間 一種真菌寄生在另一種真菌間較普遍 寄生物先分泌毒素 引起寄主活力衰退 然后再纏繞致死 有些寄生真菌不分泌毒素 由菌絲將寄主的菌絲緊緊地纏繞起來 再由接觸部位侵入寄主菌絲內(nèi)吸收營養(yǎng)使之死亡 還有些寄生真菌將菌絲或吸器伸到寄主真菌絲內(nèi)或寄生菌絲與寄主菌絲接觸 溶解寄主細(xì)胞膜 吸取其營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行生長繁殖 25 微生物對(duì)植物的寄生 微生物對(duì)植物的寄生很普遍 這是植物發(fā)生病害的重要原因 能引起植物病害的微生物稱為植物病原微生物 植物或染病微生物發(fā)病后 出現(xiàn)變色 組織壞死 萎蔫和畸形等癥狀 能引起植物病害的有真菌 細(xì)菌 病毒等 植物病害以真菌病害為主 占 細(xì)菌性植物病害占 26 微生物對(duì)人與動(dòng)物的寄生 微生物在人體和動(dòng)物體內(nèi)寄生引起人與動(dòng)物的傳染病常見的畜禽傳染 炭疽病 口蹄疫 豬瘟 雞瘟病等 病原微生物寄生在有益的動(dòng)植物體內(nèi)會(huì)給人們?cè)斐山?jīng)濟(jì)損失 寄生有害在動(dòng)物體內(nèi) 則對(duì)人類是有益的 可以加以利用 27 獵食 原生動(dòng)物以水體和土壤中的細(xì)菌 放線菌 真菌的孢子及單細(xì)胞藻類為食 這種關(guān)系即為獵食關(guān)系 28 二 陸生生境的微生物 土壤是微生物良好的生活場所 土壤中的微生物 細(xì)菌 放線菌 真菌 藻類和原生動(dòng)物 微生物在土壤中的分布的影響因素 29 土壤是微生物良好的生活場所 1 為微生物提供了良好的 源 源 能源 2 為微生物提供有機(jī)物 無機(jī)鹽 微量元素 4 土壤p 值范圍5 5 8 5之間 5 溫度 季節(jié)與晝夜溫差不大 6 土壤顆?？障堕g充滿著空氣和水分 7 適宜的滲透壓 3 滿足了微生物對(duì)水分的要求 30 細(xì)菌 生物量 單位體積內(nèi)活細(xì)胞的重量 每克肥土可含 億個(gè)細(xì)菌 以每畝半尺深耕作層土壤重30萬計(jì) 細(xì)菌活重約100 450斤 放線菌 多分布在有機(jī)物較豐富的堿性土壤中 幾萬 幾百萬 克土壤 土壤中放線菌數(shù)量僅次于細(xì)菌 由于菌體大 其生物量與細(xì)菌接近 31 真菌 真菌主要分布在接近地面的土層中 以絲狀體和孢子體形式存在于土壤中 幾千 幾十萬個(gè) 每克土壤 由于菌體粗大 其生物量不低于細(xì)菌 放線菌 為0 6mg g土壤 菌絲最長可達(dá)40米 如酵母在果園土壤里含量幾十萬個(gè) g土壤 藻類和原生動(dòng)物 藻類 萬個(gè) 克土 原生動(dòng)物 萬個(gè) 克土 纖毛蟲 鞭毛蟲 肉足蟲等為主 它們以其它微生物和有機(jī)物碎片為食 對(duì)其它幾類微生物的數(shù)量起調(diào)節(jié)作用 32 微生物在土壤中的分布的影響因素 土壤深度對(duì)微生物分布的影響 有機(jī)物含量對(duì)微生物分布的影響 碳源對(duì)微生物分布的影響 酸堿度影響微生物分布 33 土壤中微生物的數(shù)量 按種類遞減細(xì)菌 放線菌 霉菌 酵母菌 藻類 原生動(dòng)物耕作土壤中 細(xì)菌濕重約90 225kg 以土壤有機(jī)質(zhì)含量為2 計(jì)算 則所含細(xì)菌干重約為土壤有機(jī)質(zhì)的1 左右 土壤微生物的代謝活動(dòng) 可改變土壤的理化性質(zhì) 進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化 因此 土壤微生物是構(gòu)成土壤肥力的重要因素 若按生物量計(jì)算則各種微生物的生物量基本相當(dāng) 34 微生物的水域環(huán)境 水中無機(jī)鹽 水中有機(jī)物 p 值 溫度 光線 三 水生生境的微生物 淡水中的微生物 海水中的微生物 35 淡水中的微生物 細(xì)菌總數(shù)不得超過 100個(gè) 毫升 飲用水消毒常用方法 大腸菌群指數(shù)不得超過 3個(gè) 升 我國相關(guān)法規(guī)對(duì)飲用水微生物指標(biāo)的規(guī)定 加入液態(tài)氯或次氯酸鹽 36 海水中的微生物 平均含鹽量 3 5 密度大 滲透壓高 冰點(diǎn)低 微生物組成 多數(shù)為革蘭氏陰性菌 多嗜鹽 河口處有耐鹽菌 形態(tài) 多有鞭毛 常見多形性 可變?yōu)榍蛐?弧形 絲狀及螺旋狀 個(gè)體小 生理 兼性厭氧 生長慢 能在低營養(yǎng)下生活 常產(chǎn)色素 分解蛋白質(zhì)能力強(qiáng) 解糖能力低 多嗜冷 對(duì)熱敏感 分布 不均勻 與水深成反比 0 10米 少 10 50米 呈上升變化 50米以下數(shù)量減少 海底沉積物上 多 常見菌種 假單孢菌 弧菌 螺菌 無色桿菌 黃桿菌 37 清水型水生微生物 潔凈湖泊和水庫 微生物數(shù)量少 10 103 ml 以化能自養(yǎng)型和光能自養(yǎng)型微生物為主 部分腐生細(xì)菌 如色桿菌 無色桿菌和微球菌等 霉菌中如水霉 綿霉等的一些種 以及單細(xì)胞和絲狀的藻類和一些原生動(dòng)物常在水面生長 數(shù)量較少 以上微生物種類可以認(rèn)為是水中的 土著 菌群 根據(jù)微生物對(duì)水生環(huán)境中的營養(yǎng)要求 將其分為三類 貧營養(yǎng)細(xì)菌 1 15mgC L 兼性貧營養(yǎng)細(xì)菌 指一些在富營養(yǎng)培養(yǎng)基中經(jīng)反復(fù)培養(yǎng)后也能適應(yīng)并生長的貧營養(yǎng)細(xì)菌 富營養(yǎng)細(xì)菌 10gC L 38 類型及環(huán)境情況 流經(jīng)城市的河水 港口附近的海水 滯留的池水 陰溝水 流入了大量的人畜排泄物 生活污物和工業(yè)廢水等 有機(jī)物含量大增 微生物數(shù)量和類群 數(shù)量 大量外來的腐生細(xì)菌 使腐敗型水生微生物尤其是細(xì)菌和原生動(dòng)物大量繁殖 每毫升污水的微生物含量達(dá)到107 108個(gè) 類群 革蘭氏陰性無芽孢桿菌 纖毛蟲類 鞭毛蟲類和根足蟲類等原生動(dòng)物 還有一些隨人畜排泄物和病體污物進(jìn)入水體的動(dòng)植物致病菌繁殖及后果 通常因水體環(huán)境中的營養(yǎng)等條件不能滿足其生長繁殖的要求 加上周圍其它微生物的競爭和拮抗關(guān)系 一般難以長期生存 但由于水體的流動(dòng) 也會(huì)造成病原菌的傳播甚至疾病的流行 腐敗型水生微生物 39 水的自凈作用 污水中的微生物在污水環(huán)境中大量繁殖 逐漸把水中的有機(jī)物分解成簡單的無機(jī)物 同時(shí)它們的數(shù)量隨之減少 污水也就逐步凈化變清 水源的飲用價(jià)值 良好的飲用水細(xì)菌含量應(yīng)在100個(gè) ml以下 當(dāng)超過500個(gè) ml時(shí) 即不適合作為飲用水 更重要的是水中的微生物種類 一般用大腸菌群數(shù)作為是否含有病原菌的指標(biāo) 在自然水體尤其是快速流動(dòng)的水中 存在著對(duì)有機(jī)或無機(jī)污染物的自凈作用 其原因是多方面的 有稀釋 沉降 吸附等物理作用 更重要的是各種生物學(xué)和生物化學(xué)作用 這種作用稱為水的自凈作用 正是流水不腐的原因 40 空氣干燥 不利于微生物生命活動(dòng) 不是微生物生長繁殖的場所但卻飄浮著相當(dāng)數(shù)量的微生物 來自地面 動(dòng)植物 塵土 四 大氣生境的微生物 城市街道 醫(yī)院 宿舍等公共場所空氣中含量高 森林 海洋 高緯度地帶的空氣中微生物含量很少 41 微生物在空氣中只能短時(shí)間停留 就要落地 大部分死亡 包括一些人體病原菌 但結(jié)核 白喉 炭疽等桿菌和肺炎雙球菌 葡萄球菌 流感病毒 脊髓灰質(zhì)炎病毒抗性比較強(qiáng) 能傳染疾病 微生物在空氣傳播的距離是無限的 因而其分布是世界性的 空氣中的微生物的數(shù)量是大氣污染程度的標(biāo)志之一 42 五 極端環(huán)境下的微生物 嗜熱菌 嗜冷菌 嗜酸菌 嗜堿菌 嗜鹽菌 嗜壓菌 抗輻射的微生物 43 六 生物體內(nèi)外的正常菌群 人體 正常微生物區(qū)系 植物體表 分泌物可被微生物利用 動(dòng)物體表 為動(dòng)物體正常菌群 44 七 工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品上的微生物及生物性酶腐的控制 糧油食品中的微生物 工業(yè)材料上的微生物 45 鮮肉 假單胞桿菌 大腸桿菌 球菌 腸球菌蛋類 環(huán)境中細(xì)菌 霉菌可進(jìn)入蛋殼使蛋變臭菜果 細(xì)菌 真菌 病毒 酵母菌魚 水體中的微生物類群 糧油食品中的微生物 罐頭食品是人仍然用來長期保存食品的一種方法 主要通過密封如熱殺死微生物 即可長期保存 但有些耐熱的芽孢桿菌 芽孢梭菌能形成芽孢 引起罐頭變質(zhì) 46 所貯糧食含水量低于 造成低溫缺氧環(huán)境 密閉 使用防霉化學(xué)藥劑 防止糧食污染霉變的辦法是 47 微生物引起的劣化種類 霉變 mildew mouldness 由霉菌引起的劣化腐朽 decay 泛指在好氧條件下微生物酶解有機(jī)質(zhì)使其劣化的現(xiàn)象 常見的如由擔(dān)子菌引起的木材或木制品的腐朽現(xiàn)象腐爛 或腐敗 主要指由細(xì)菌或酵母菌引起的使物體變軟 發(fā)臭性的劣化腐蝕 corrosion 主要指由硫酸鹽還原細(xì)菌 鐵細(xì)菌或硫細(xì)菌引起的金屬材料的侵蝕 破壞性劣化變質(zhì) deterioration 指由各種生物或非生物因素引起的工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量下降的現(xiàn)象 48 霉腐微生物學(xué) 定義 工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的劣化主要是霉變與腐爛 故研究危害各種工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的微生物種類 分布 作用機(jī)理以及如何防治其危害的科學(xué) 霉腐微生物的作用機(jī)理 通過微生物酶系分解各種工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品中的相應(yīng)組分產(chǎn)生危害 在礦物油中生長 不僅因大量菌體阻塞機(jī)件 代謝產(chǎn)物會(huì)腐蝕金屬器件 硫細(xì)菌 鐵細(xì)菌和硫酸鹽還原菌會(huì)對(duì)金屬制品 管道和船體外殼等產(chǎn)生腐蝕 菌體和代謝物屬于電解質(zhì) 對(duì)電訊 電機(jī)器材等會(huì)危及其電學(xué)性能 有些霉菌分泌的有機(jī)酸能腐蝕玻璃以致嚴(yán)重降低光學(xué)儀器的性能 49 工業(yè)材料上的微生物 腐蝕木材 擔(dān)子菌類 多孔目 多孔菌 層孔菌腐蝕金屬 鐵細(xì)菌 細(xì)菌腐蝕紡織品 細(xì)菌 霉菌 防腐方法 用防菌物隔離 瀝青涂管道 用殺菌劑處理材料 紙漿中加入五氯酚 有機(jī)汞 改變材料分子結(jié)構(gòu)使之具抗菌性能 如把棉花纖維素分子乙?；蚯枰一?50 第三節(jié) 人體微生物及病原微生物的傳播 正常菌群 生活在健康動(dòng)物各部位 數(shù)量大 種類較穩(wěn)定且一般是有益無害的微生物 稱為正常菌群 正常菌群與人體的關(guān)系 一般能維持平衡 菌群內(nèi)部的各種微生物之間 也是相互制約而維持相對(duì)穩(wěn)定 51 變化情況 正常菌群是相對(duì)的 可變的 有條件的 機(jī)體防御機(jī)能減弱時(shí) 一部分正常菌群會(huì)成為病原微生物 正常菌群在非正常部位時(shí)也可引起疾病 由于外界因素的影響 破壞了各種微生物之間的相互制約關(guān)系 正常菌群也會(huì)引起疾病 菌群失調(diào)癥 52 第四節(jié) 微生物與環(huán)境保護(hù) 環(huán)境中的主要污染物 微生物對(duì)污染物的降解與轉(zhuǎn)化 污染物的微生物的處理 污水處理 無毒有機(jī)物 有毒有機(jī)物 無毒無機(jī)物 有毒無機(jī)物 重金屬的轉(zhuǎn)化 53 一 微生物對(duì)污染物的降解與轉(zhuǎn)化 微生物對(duì)無毒有機(jī)物的降解 微生物對(duì)有毒有機(jī)物的降解 微生物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)化 生物降解 biodegradation 是微生物對(duì)物質(zhì) 特別是環(huán)境污染物 的分解作用 54 微生物對(duì)有毒有機(jī)物的降解 農(nóng)藥 石油 洗滌劑 多氯聯(lián)苯 氰和腈 55 2002 11 19巴哈馬籍油輪 威望號(hào) 在西班牙發(fā)生斷裂沉沒導(dǎo)致燃料油泄漏 這艘船共裝有7 7萬噸燃料油 56 57 動(dòng)物保護(hù)者在為鳥清洗身上的油污 58 二 重金屬的轉(zhuǎn)化 微生物不能降解重金屬 微生物作用于重金屬主要是改變金屬在環(huán)境中的存在狀態(tài)從而改變它們的毒性 59 三 污染物的微生物處理 污水處理 污水 污水處理中的特殊微生物 污水生物處理原理 污水生物處理類型 60 污水當(dāng)進(jìn)入水體的外來污染物質(zhì)數(shù)量 超過了水體的自凈能力 并達(dá)到破壞水體原有用途的程度 即為水污染 污水處理中的特殊微生物 針對(duì)性強(qiáng) 篩選難 種類多 體內(nèi)有能水解污染物的酶 61 一種高效率 低能耗的污水處理設(shè)施 污水生物處理原理 62 國家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目浦東污水處理工程 污水生物處理類型 生物膜法 活性污泥法 氧化塘法 厭氧處理法 土壤灌溉法 63 北京高碑店污水處理廠 活性污泥法 64 65 濱洲污水處理廠8萬方 日 氧化塘法 66