环境微生物第七章微生物生态.ppt
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1、1,7-1 生态系统,2,一、生态系统和生物圈,(一)生态系统,1、生态系统的概念,生态系统是在一定时间和空间范围内由生物(包括动物、植物和微生物的个体、种群、群落)与它们的生境(包括光、水、土壤、空气及其他生物因子)通过能量流动和物质循环所组成的一个自然体。生态系统的概念亦可用一个简明的公式表达:,生态系统生物群落+环境条件,3,2、生态系统的结构,环境条件,生物群落,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,生产者:,消费者:动物群落,分解者或转化者:,生态系统,异养微生物、原生动物及微型后生动物,植物
2、群落、藻类、光合细菌及化能自养细菌,4,3、生态系统的功能,生态系统是自然界的基本功能单元,其功能主要表现在生物生产、能量流动、物质循环和信息传递。它们是通过生态系统的核心生物群落实现的。,5,4、生态系统的类型,生态系统根据大环境条件的不同,通常可分为两大类,即水生生态系统和陆地生态系统。,陆地生态系统具有鲜明的空间结构。生物群落在空间上有明显的垂直和水平分布,即具有三维空间结构和二维水平结构。,水生生态系统包括海洋、河流、湖泊和沼泽等水域。,陆地生态系统包括陆地上的各类生物群落。,6,5、生态系统的特点,运动性(相对稳定状态),开放性(物质循环和能量流动),自我调节性(适应外界变化条件、维
3、持系统动态平衡),相关性(彼此相互联系),演化性(产生、发展、消亡的周期性),7,(二)生物圈,生存在地球陆地以上和海面以下各约10km之间的范围,包括岩石圈、土壤圈、水圈和大气圈内所有生物群落和人以及它们生存环境的总体,叫生物圈。,8,二、生态平衡,在一定的时期内,生产者、消费者和分解者之间保持着一种动态平衡状态,系统内的能量流动和物质循环在较长时期内保持稳定。这种状态就是生态平衡,又称自然平衡。,9,然而,生态系统的自行调节能力是有限度的,超越了生态阈限,自行调节能力的降低或丧失就会导致一系列连锁反应:各生物群落的种类和数量减少,各生物群落间的数量比例失调,能量流动和物质循环发生障碍,整个
4、生态系统平衡失调。,破坏生态平衡的因素有自然因素和人为因素。,10,7-2 土壤微生物生态,11,本节框架,一、土壤的生态条件,二、微生物在土壤中的种类、数量和分布,三、土壤自净和污染土壤微生物生态,(一)土壤的污染及其不良后果,(二)土壤修复,四、土壤污染和土壤生物修复,1、概念,4、主要特点和优点,5、局限性,2、原理,3、生物修复工艺,12,土壤是微生物最良好的天然培养基,它具有微生物所必需的营养和微生物生长繁殖及生命活动所需的各种条件。,13,一、土壤的生态条件,1、营养:土壤中有大量动、植物残体,植物根系的分泌物,还有人和动物的排泄物;有微生物生长发育所需的大量无机元素和微量元素。,
5、2、pH:土壤pH范围在3.58.5之间,多数在5.58.5之间,甚至不少土壤的pH接近中性,适合大多数微生物生长需要。,3、渗透压:土壤的渗透压通常在0.30.6Mpa之间,G杆菌体内的渗透压为0.50.6Mpa,G+球菌体内的渗透压为2.02.5Mpa。所以,土壤中的渗透压对微生物是等渗或低渗环境,仍有利于微生物摄取营养。,14,4、氧气和水:土壤具有团粒结构,有无数小孔隙为土壤创造通气条件。土壤的团粒结构还起毛细管的作用,具有持水性,为微生物提供了水分。,15,5、温度:土壤的保温性较强,一年四季温度变化不大,即使冬季地面冻结,一定深度土壤仍保持着一定的温度,可供微生物生长需要。,6、保
6、护层:几毫米厚的表层土是保护层,使土壤中的微生物免遭太阳光中紫外辐射的直接照射致死。,16,二、微生物在土壤中的种类、数量和分布,1、土壤中微生物的种类和数量,(1)土壤中所含的微生物数量很大,尤以细菌最多。,每克土壤的含菌量大体上有一个十倍系列的递减规律:,细菌(108)放线菌(107)霉菌(106)酵母菌(105)藻类(104)原生动物(103),17,(2)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。,18,(3)不同类型土壤中的各种微生物含量,表7-2-1 我国各主要土壤的含菌量(万/克干土),(据中国科学院南京土壤研究所资料
7、),中性土和偏碱性土适合细菌和放线菌生长,酸性土适合霉菌和酵母菌生长。,19,2、微生物在土壤中的分布,(1)土壤中微生物的水平分布取决于碳源:即不同地区有不同的碳源,相应就会有不同的微生物。,(2)土壤中微生物的垂直分布与紫外辐射的照射、营养、水、温度等因素有关。不同深度,微生物数量和种类都不同。,20,三、土壤自净和污染土壤微生物生态,存在于土壤中,最终会,可降解的物质,消失?分解?,21,1、概念,土壤对施入其中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。,2、土壤自净能力的大小,(一)土壤自净,取决
8、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。,22,(二)污染土壤的微生物生态,污(废)水长期灌溉会引起土壤“土著”微生物区系和数量的改变,并诱导产生分解各种污染物的微生物新品种,这是_的结果。,?,诱导变异,如果污(废)水灌溉量适中,不超过土壤自净能力是不会造成土壤污染的。,23,四、土壤污染和土壤生物修复,(一)土壤的污染及其不良后果,(二)土壤修复,1、土壤污染来源,2、污染物种类,3、土壤污染的后果,1、土壤生物修复的概念,4、主要特点和优点,5、生物修复技术的局限性,2、生物修复技术的原理,3、生物修复工艺,24,1、土壤污染来源,(1)含有机毒物和重金属的
9、污水和废水的农田灌溉;,(2)含有机毒物和重金属的污、废水的土地处理;,(3)固体废物的堆放和填埋等的渗滤液;,(4)地下储油罐泄漏以及喷洒农药;,(5)工厂污水的随意排放;,25,2、污染物种类,有机农药,酚类物质、氰化物、石油、多环芳烃、洗涤剂、重金属以及有害微生物、高浓度耗氧有机物等。,26,3、土壤污染的后果,(1)有机、无机毒物过多滞留、积累在土壤中,改变了土壤理化性质,使土壤盐碱化、板结。毒害植物和土壤微生物,破坏土壤生态平衡。,(2)土壤中的毒物被植物吸收、富集,浓缩,进入食物链,毒害人畜;被雨水冲刷流入河流、湖泊或渗入地下水,造成水体污染。,(3)污水和废物中含有的病原微生物会
10、通过各种途径进入人体,危害健康。,27,1、土壤生物修复的概念,广义的 土壤生物修复包括利用土壤中的各种生物植物、土壤动物和微生物吸收、降解和转化土壤中的污染物,使污染物的浓度降低到可接受的水平,或将有毒有害的污染物转化为无害的物质。,狭义的 土壤生物修复,就是利用微生物的作用将土壤中有害的有机污染物降解为无害的无机物(CO2和 H2O)或其它无害物质的过程。这种技术应用最广泛,所以通常就把这种技术称为土壤的生物修复(Bioremediation)。,28,2、生物修复技术的原理,(1)在土壤中存在着多种多样的微生物,这些微生物能够适应变化了的环境,具有或产生酶,具备代谢功能,能够降解或转化土
11、壤中难降解的有机物;,(2)进入土壤的有机化合物大部分应具有可生物降解性,即在微生物作用下由大分子化合物转变为简单小分子化合物的可能性;,在生物修复中起作用的微生物,根据其来源可分为三类:土著微生物、外来微生物和基因工程菌。,29,3、修复工艺,生物修复工艺可分为三大类型:,原位处理(in situ),非原位处理(exsitu),生物反应器(Bioreactor)。,30,(1)原位处理工艺,该工艺是污染土壤不经搅动、挖出和运输,直接向污染部位提供氧气、营养物或接种,以达到降解污染物目的的生物修复工艺,一般采用土著微生物处理,有时也加入经驯化和培养的微生物以加速处理。,31,在这种工艺中经常采
12、用各种工程化措施来强化处理效果。这些措施包括泵处理【也称P/T(PumpTreatment)技术】、生物通气(Bioventing)、渗滤(Percolation)、空气扩散等形式。,注水井,抽水井,32,(2)非原位处理工艺,该工艺是将受污染的土壤、沉积物移离原地,在异地用生物的、工程的手段进行处理,使污染物降解,受污染的土壤恢复到原有的功能。,主要的工艺类型包括土地耕作、堆肥化和挖掘堆置处理(或叫处理床;预备床)。,33,(3)生物反应器修复工艺,这种方式是将受污染的土壤挖掘起来,和水混合后,在接种了微生物的生物反应装置内进行处理,其工艺类似污水的生物处理方法,处理后的土壤与水分离后,脱水
13、处理再运回原地。处理的出水视水质情况,直接排放或送入污水处理厂继续处理。,反应器可分为两种类型:生物反应器(Bioreactor)和土壤泥浆反应器(Slurry reactor),但也有人将这两种类型的反应器统称为生物反应器。,34,4、土壤生物修复技术的主要特点和优点,(1)不破坏植物生长所需要的土壤环境,土壤的物理、化学、生物性质保持不变甚至优于原有的性质;,(2)(对可降解)污染物降解完全,可将有机污染物降解为完全无害的无机物(CO2和 H2O等),没有二次污染问题;,(3)处理形式多样,可就地处理,操作相对简单,如受污染土壤位于建筑物或公路下面不能挖掘和搬出时,可采取生物修复技术;,(
14、4)处理成本低于热处理及物理化学方法,其处理费用约为热处理费用的1/31/4;,(5)应用广泛,可处理各种不同种类的有机污染物,如石油、炸药、农药、除草剂、塑料等,无论小面积或大面积污染均可应用,并可同时处理受污染的土壤和地下水。,35,5、生物修复技术的局限性,(1)微生物不能降解所有进入环境的污染物,污染物的难降解性、不溶性以及与土壤腐殖质或泥土结合在一起常常使生物修复不能进行。特别是对重金属及其化合物,微生物也常常无能为力;,(2)这一技术在应用时要对污染地点和存在的污染物进行详细的具体考察,如在一些低渗透的土壤中可能不宜使用原位生物修复,因为这类土壤或在这类土壤中的注水井会由于细菌生长
15、过多而阻塞;,(4)这一技术受各种环境因素的影响较大,因为微生物活性受温度、氧气、水分、pH等环境条件的变化影响;,(3)特定的微生物只降解特定类型的化学物质,状态稍有变化的化合物就可能不会被同一微生物酶所破坏;,36,73 空气微生物生态,37,一、空气的生态条件,空气中有较强的紫外辐射,空气较干燥,温度变化大,缺乏营养等特点。,所以,空气不是微生物生长繁殖的场所。,38,二、空气微生物的种类、数量和分布,2)无原生的微生物区系,主要以气溶胶形式存在污染;,1)来源于土壤、水体及人类的生产、生活活动;,6)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;,3
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