生态系统是指一定时间和空间范围内生物群落和环境所组成的自然体。生态系统中微生物不但与环境因素有密切关系。微生物之间也有着非常复杂多样的关系。
微生物之间的关系可以分为互生、共生、拮抗、寄生四种关系。
互生关系是指两种可以单独生活的微生物，当它们生活在同一环境时，一方可以为另一方提供有利条件的关系，两者各自可单独生存，如天然水体、污水处理中氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌之间的关系，以及氧化塘中细菌和藻类之间的关系。
共生关系是指两种不能单独生活的微生物，必须共同生活于同一环境中，组成共生体，营养上互为有利的关系，即两者“相互依存，不可分割”，如地衣中真菌和藻类的关系。
拮抗关系是指一种微生物可以产生不利于另一种微生物生存的代谢产物或者一种微生物以另一种微生物为食料的关系，较为常见，如原生动物以细菌、真菌或藻类为食。
寄生关系是指一种微生物生活在另一种微生物体内，摄取营养生长繁殖，使后者受到损害或死亡的关系，即“寄生物和寄主的关系”，如噬菌体寄生于细菌等体内。
1.土壤微生物生态
土壤是微生物最好的天然培养基，它具有微生物所必需的营养物质和生长繁殖及生命活动所需的各种条件微生物数量最多。
（1）土壤的生态条件
1）营养。土壤中含有大量有机物为微生物提供了良好的碳源、氮源、能源，还含有丰富无机元素，可满足微生物生长的营养需求。
2）pH值。土壤的酸碱度接近中性，适合大多数微生物生长需要。
3）氧气和水。土壤具有团粒结构和小孔隙，可为土壤创造良好的通气和水分条件。
4）渗透压。土壤中的渗透压对微生物是等渗或低渗环境，与微生物细胞的渗透压相近，有利于微生物的生存和摄取营养。
5）温度。土壤具有较强的保温性，昼夜温差和季节温差的变化较小，有适合微生物生长的温度条件。
6）保护层。几毫米厚的表层土是土壤生物天然的保护层，使土壤中的微生物免遭太阳光的紫外辐射。
（2）土壤微生物的种类及分布
1）土壤微生物的种类
土壤中的微生物以细菌最多。放线菌和真菌类次之，藻类和原生动物等的数量较小。
①细菌。土壤细菌占土壤微生物总数量的70%～90%，以腐生性种类为主，自养性的较少。土壤中细菌按来源可分为三类：天然生活在土壤中的土著细菌；随着动物尸体进入土壤的腐生性和寄生性细菌；随着动植物尸体或其排泄物进入土壤的致病菌。
②放线菌。土壤中放线菌的数量仅次于细菌，占土壤中微生物总数的5%～30%。放线菌对干燥条件抗性比较大，并能在沙漠土壤中生存。
③真菌。真菌是土壤微生物中第三个大类。当细菌和放线菌的生长受到限制时，真菌仍能生长而数量比例提高。
④藻类。土壤中生长繁殖着许多真核藻类。土壤中藻类的数量不及土壤微生物总数量的1%，但往往因形体较大，其生物量可以达到细菌的10%。
⑤原生动物。土壤中的原生动物，包括纤毛虫、鞭毛虫和根足虫等。
2）微生物在土壤中的分布
土壤中微生物的分布因土壤的结构、有机物和无机物的成分、含水量及土壤理化特性不同而表现出较大的差异。此外，土壤中微生物的分布还与施肥、耕作方法、气象条件、植物覆盖等也有密切关系。
土壤中微生物的水平分布取决于碳源状况。例如油田地区存在以碳氢化合物为碳源的微生物；森林土壤中存在分解纤维素的微生物；含动、植物残体多的土壤中含氨化细菌、硝化细菌较多。
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。表面土因受紫外辐射的照射和缺乏水分，微生物容易死亡而数量少；在5～20cm处微生物数量最多；在耕作层20cm以下，微生物的数量随土层深度增加而减少。
（3）土壤污染与土壤自净
1）土壤污染
①土壤污染和土壤污染源的概念。土壤污染是指人类在生产和生活过程中所产生的环境污染物，通过多种途径进入土壤，其数量和速度超过了土壤的环境容量和土壤净化速度的现象。
土壤污染的发生特征是与土壤所处的地位和功能相联系的，其污染物主要来自两个方面：人为污染源和自然污染源。人为污染源可分为工业污染源、农业污染源和生物污染源。土壤自然污染较少发生。
②土壤污染的不良后果。有机、无机毒物在土壤中的过多滞留和积累，破坏土壤生态平衡。土壤中的毒物被植物吸收、富集、浓缩，随食物链迁移，最终会转移到人体，引起毒害。污水和其他废物中含有的各种病原微生物，进入人体，会引发疾病。
2）土壤自净。土壤环境的自净作用是指在自然因素的作用下，通过土壤自身的作用使污染物在土壤环境中的数量、浓度或毒性、活性降低的过程。土壤环境自净作用的机理可从物理净化作用、物理化学净化作用、化学净化作用和生物净化作用四个方面分析。
土壤的自净主要包括六个作用过程：①绿色植物根系的吸收、转化、降解和生物合成作用。②土壤中微生物的降解、转化和生物的固定化作用。③土壤的有机、无机胶体及其复合体的吸收、络合和沉淀作用。④土壤的离子交换作用。⑤土壤和植物的机械阻留作用。⑥土壤的气体扩散作用。
（4）土壤生物修复 土壤生物修复是利用土壤中天然的微生物资源或人为投加目的菌株，甚至用构建的特异降解功能菌投加到各污染土壤中，将滞留的污染物快速降解和转化，使土壤恢复其天然功能。
1）土壤生物修复步骤如下：
①调查污染地的本底资料，包括土壤的理、化性质，土壤结构、含氧量和温度，土著微生物种群和数量等。
②制定治理方案，进行适当的可行性试验。
③技术实施。
2）土壤生物修复技术的关键有四个方面的因素
①微生物菌种：土著微生物目前用得较多，具有经济性，但效果较差；从污染土壤选育优势菌种若干种，经扩大培养接种到污染土壤中，这种方法较易实施，收效快而效果好；用质粒育种或基因工程构建工程菌接种到污染土壤中，这种方法有不相容性，工程菌可能受到土著微生物的排他作用。(www.xing528.com)
②微生物营养：土壤微生物也需一定的营养元素比例，即C∶N∶P。因污染物过量积累，可能造成营养元素比例失衡，应通过可行性试验确定适宜的营养元素比例。
③溶解氧：为保证好氧微生物和兼性厌氧微生物生长，有效分解污染物，当溶氧不足时，须采用鼓风机向土壤鼓风。
④微生物的环境因子：适量的水、pH和温度对于土壤的生物修复也有很大的影响。
另外，有的需加适量的表面活性剂，帮助微生物吸收污染物。
3）土壤生物修复工程。土壤污染虽然已引起注意，但只限于局部、小面积处理，大面积处理难度较大。土壤生物修复工程有如下几种形式：
①原位处理：是在污染区原地钻一组注水井，用泵注入微生物、水和营养物，通入空气。另外钻一组抽水井，用抽水泵抽取地下水，使地下水呈流动状态，促使微生物和营养物均匀分布。该工艺简单，成本低，但处理速度慢。原位处理也可用于污染河流底泥的生物修复。
②生物通风：是一种改进和强化原位处理的方法，用于处理因储油罐泄漏而污染的土壤，与原位处理不同是注入气体使气体流动，从而使微生物和营养物均匀分布。
③挖掘堆置处理和反应器处理：挖掘堆置处理类似于固体废弃物的堆肥，反应器处理与污水生物处理类似。这两个处理工艺效果较好，但费用高。
2.空气微生物生态
（1）空气的生态条件 空气中具有较强的紫外辐射、较干燥、温度变化大和缺乏营养等特点，故不是微生物生长繁殖的场所。空气中微生物只是暂时停留。
（2）空气微生物的种类及分布 空气微生物来源很多，如来自土壤、水中、人和动物身体的脱落物、分泌物等。敞开的污水生物处理系统通过机械搅拌、鼓风曝气等可使污水中的微生物以气溶胶的形式飞溅到空气中。气溶胶中的微生物在空气中的存活时间长短不等，有的很快死亡，有的存活几天、几个星期、几个月或更久。
空气微生物没有固定的类群，主要有芽孢和孢子等。
3.水体微生物生态
水体是微生物广泛分布的第二大天然环境，水体中的各种有机和无机物质不如土壤中的丰富，但在各种水体中都有大量的与其环境相适应的各种微生物生存。
（1）水体中微生物的来源
1）水体中固有的微生物。这些微生物是水体中的土著微生物。
2）来自土壤的微生物。降水对地表的冲刷，会将土壤中的微生物带入水体中。
3）来自人类生产和生活的微生物。各种工业废水、生活污水和牲畜的排泄物夹带各种微生物进入水体，很有可能带入病原微生物。
4）来自空气的微生物。各种降水过程，会把空气中的微生物带入水体。
（2）不同水质水体中的微生物
1）清水型水生微生物。大都是化能自养型或光能自养型。
2）腐生型水生微生物。这些微生物绝大多数是腐生型细菌和原生动物。
（3）淡水微生物的分布和种类 微生物在淡水中的分布受到许多环境因子的影响，最重要的一个因子是营养物质，其次是溶解氧和温度等。一般在清洁的湖泊、池塘和水库中，有机物含量少，大部分是以自养方式为主的清水型微生物种群。在停滞的塘水、污染的江河水以及下水道的沟水中，有机物含量高，微生物的种类和数量都很多，以腐生型水生微生物。在水体不同深度分布的微生物种类也不同。
（4）海水微生物的分布和种类 尽管海水中具有有机物含量低、盐度高、温度低，而且在深海处有很高的静水压等特点，使微生物的发展受到一定的限制，但海水水域广阔，海水中的微生物总量远远超过陆地微生物的总量。
海水中生活的微生物，除了一些从河水、雨水及污水等带来的临时种类外，绝大多数是嗜盐菌，并能耐高渗透压。
4.水体自净过程
（1）水体污染 由于人类活动而排放的污染物进入水体，使水体和水体底泥的物理、化学性质或生物化学性质发生变化，从而降低了水体的使用价值，这种现象称为水体污染。
（2）水体自净的概念 水体自净是指水体在接纳了一定量的污染物后，通过物理、化学和水生生物（微生物、动植物）等因素的综合作用后得到净化，水质恢复到受污染前的水平和状态的现象。但水体自净能力是有限度的，当进入水体的污染物总量超过了其自净容量时，就会导致水体污染。水体的自净容量是指水体在正常生物循环中能够同化有机污染物的最大数量，又称同化容量。影响水体自净过程的因素很多，包括受纳水体的地形和水文条件、水中微生物的种类和数量、水温和复氧状况、污染物的性质和浓度等。
（3）水体自净的基本原理 水体的自净是以下三个过程共同作用的结果，各种净化过程同时发生，相互影响，相互交织进行。
1）物理净化过程。它包括沉淀、稀释、混合、挥发等。
2）化学净化过程。它包括氧化还原、分解化合、吸附凝聚、离子交换等过程。
3）生物净化过程。其为厌氧和好氧微生物代谢的生物化学过程。
5.污染水体的微生物生态
当河流受到有机物污染后，在污染源下游的一段流程里会发生水体自净过程。可以将河流沿水流方向划分为不同的污化带，一般划分为多污带、α-中污带、β-中污带和寡污带。
（1）多污带 位于废水排放口之后的区段，水质浑浊，多为暗灰色，含有机物量很高，溶解氧趋于零，为厌氧状态。水生生物种类很少，细菌为主，数量大，主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。该过程中微生物分解有机物，产生大量H2S、甲烷和CO2等气体，水体发出强烈的臭味。多污带的指标生物主要是细菌，如浮游球衣细菌、贝氏硫细菌。另外，沉积物泥中还会有大量寡毛类蠕虫如颤蚓、蜂蝇幼虫等。
（2）中污带 分为污染严重的α-中污带与污染较轻的β-中污带。
1）α-中污带：继多污带之后，污染程度仍很严重，水质状况与多污带近似，水质为灰色而浑浊。溶解氧浓度比多污带略有提高，为半厌氧条件，开始有氧化作用，仍有较多H2S生成。微生物仍然以细菌为主，总量很高，但生物的种类并不丰富。在α-中污带出现吞食细菌的轮虫类和纤毛虫类，另外，还有蓝藻和绿色鞭毛藻类，滋生大量颤蚓。
2）β-中污带：特点是氧化作用比还原作用更占优势，水的透明度大大增加，溶解氧浓度显著提高，有时甚至还可达到饱和程度。有机污染物基本上完成无机化过程，含氮化合物转化为铵盐、亚硝酸盐和硝酸盐，水中H2S含量也极低。细菌数量明显减少。β-中污带的生物学特征是种类上的极多样化，这一带的主要生物种类是蓝藻、绿藻、硅藻等各种藻类，生根植物开始出现。还有轮虫、甲壳动物和昆虫也很多。出现螺类及一些较高等的、但耐污能力较强的生物，如泥鳅、鲫鱼、黄鳝、鲤鱼等野生杂鱼类。
（3）寡污带 寡污带的自净作用已经完成，水质已接近清洁水体，水中的溶解氧含量很高，恢复正常，水中有机物浓度很低，基本上不存在有毒物质，水质清澈，适合于生物的生存。寡污带细菌数量大大减少，生物种类极为丰富，且都是需氧性生物。一些水生昆虫幼虫，如蜉蝣幼虫、石蚕幼虫和蜻蜓幼虫等出现，由于它们喜欢在清水草丛中生活，在污染的环境中没有它们的影踪，故可作为寡污带的指示生物。此外，水中还有大量的浮游植物，如硅藻、甲藻、金藻等，动物中还有苔藓虫、水螅、海绵类等，鱼的种类也很多。
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