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微生物与环 境生态的可持续性

2015/05/27 | 作者: hanchaodirector | 查看: | 评论: 0 | 来源: 瀚潮环保

微生物与环 境生态的可持续性

生态环境(ecological environment)就是由生态关系 组成的环境总和,是由生态系 统中对应于生物系统以外的非生物自然因素构成的各种生态系统有机结合的整体,包括了物质 与能量及相互间作用的总和,是一个大系统。其与人类密切相关,影响着我们 生活和生产活动的方方面面。

环境生态的 可持续性是指生态系统在受到某种干扰时,能够保持其 平衡稳定的能力。因为资源和 环境是人类生存和发展的基础条件,所以,保护生态环境,维持环境生 态的可持续性是人类获得长久发展的重要任务。

 

微生物--生态系统中 的基础分解者

微生物在我 们的生活中可谓无处不在,从空气、到水、再到土壤,乃至我们体内,到处都有微 生物的身影。在日常生活中,我们一定有 过这样的经历,放置的食物、衣物等经过 或长或短的时间,都会变质、发霉进而腐烂,而这一切就 是微生物作用的结果。微生物的这 种分解作用虽然会对人类的生存资源造成损失,但对于整个 生态系统的均衡发展乃至全球的生物生存和延续却是必不可少的。

生态系统中 的每一种生物在其生命活动过程中都要从周围的环境中吸收水分、能量和营养物质;在其生长、繁育等生命 活动中又会不断向周围环境释放和排泄各种物质,死亡后的生 物残体也要复归环境。生态系统中 的每一种生物,其营养要求不尽相同,甚至是完全不同。简单说来,地球上的生 物可以分为三大类:植物、动物和微生物。绿色植物(包括光合作用微生物)以土壤或水 中的无机化合物(如氨或硝酸盐、磷酸盐及其 它无机矿物)、空气中的二 氧化碳和氧气、以及水等为营养,利用太阳光 能固定二氧化碳合成自身物质,并为动物提供食物,是生态系统 中的生产者(producer);动物以植物 或其它动物为食物,通过消化食 物为自身提供能量和营养,是生态系统 中的消费者(comsumer);微生物则通过分解动、植物的残体 或腐植质获得能量和营养来供给自身生命所需,同时将有机 物分解成可供植物利用的无机化合物,是生态系统 中的分解者(decomposer)。微生物在我 们的生态环境中扮演着极具分量的角色,作为生物链 中的分解者,微生物可以 把地球上死亡的动植物残体清扫得干干净净,将有机体分 解成生产者生长所需要的元素,所以微生物 被看成是生态系统中的清道夫,也是生物金 字塔的根基。我们可以设想,如果没有微 生物的分解作用,地球上的动、植物残体和 有机物将得不到分解,那么至今为 止几十亿年来生命活动的结果,将是把地球 上所有的生命构成元素以动植物残体的形式堆积起来,植物生长的 营养将会枯竭,生产者将不能生产,消费者将得不到食物,地球上的生 命也就无法维持了。因此,微生物的分 解作用是地球上生命波浪式发展、螺旋式进化 的原动力之一。

微生物包括细菌、真菌、病毒、一些小型原 生生物和少数藻类等。它们虽然个头小、结构简单,但整个体表 都具有吸收营养物质的机能,一个细胞或 是分化成简单的一群细胞,就是一个能 够独立生活的生命体,承担了生命 活动的全部功能。微生物不分雌雄,以简单分裂 的方式繁衍后代。微生物在自 然界中不仅分布广,而且种类多,并多是混杂 地生活在一起。

 

生态系统平 衡及其失调

  生态系统(ecosystem)是由各类生 物共同组成的生物群落(bioflora)或生物系统(organisms’system)与其生存环 境系统构成的具有一定结构和功能的一个不断更新和变化的开放系统。这个系统需 要不断从外界获取物质和能量,经生理代谢 过程又向环境释放出物质和能量,处于相对的 动态平衡之中。这个过程与 具体的时间和空间相关联,并能在一定 程度和范围内进行自我调节和控制。

生态系统中 各组分之间及其与环境之间不断进行着的物质、能量和信息的交换,通常以Current)的形式(物质流、能量流、信息流)来定量表述强度。这种交换维 系了系统与环境、系统内部各 组分之间的关系,形成了一个动态的、可以实行反 馈调控和相对独立的体系。系统中的任 一组分只要其状态发生了变化,定可通过的相应改变(路径、方向、强度和速率等),去影响其它组分,最终将波及整个系统,这种变化如 果超出了生态系统本身的调节能力范围,将造成生态 系统平衡的失调、崩溃,直至造成整 个系统功能的丧失。例如现在频繁发生的赤潮水华redtide and waterfloom)两种现象,就是生态系 统平衡失调而引起的结果。

以上两种现 象都是由于水体富营养化引起的,某些繁殖速 度极快的藻类,在温度、盐度、风力等条件 适合的情况下,只要有充足 的营养物质就会爆发式生长(近年来,由于人类活 动产生的大量高污染废水排入自然水体,导致此类现 象发生的更加频繁),由于这些藻 类繁殖速度极快,会大量抢夺 其他水生生物的营养源,遮盖水面抑 制水体复氧,并且其中某 些藻类还能产生毒素,其他水生生 物吞食后容易死亡,同时,大量藻类死 亡也会进一步消耗水体溶解氧,进一步造成 高等水生生物缺氧死亡。

伴随着水生 生物的大量死亡,好氧微生物 对生物残体的分解作用持续的消耗氧气,溶解氧进一步降低,继而导致厌 氧微生物成为水中的优势种群,厌氧分解又 会产生更多不完全分解的有害中间产物,水生态平衡 遭到进一步破坏,继而形成黑臭水体而彻底 丧失水体自净功能。

 

微生物的抗毒性

现代工业化 进程一方面给人们的生活带来方便及舒适,但另一方面 不可避免地影响着环境及环境中的各种生物,包括微生物。许多有机污 染物本来是作为杀虫剂、杀菌剂、除草剂、防腐剂等而 被开发出来,并大量生产 和广泛使用的,它们是人工 合成的本来在自然界不存在的化合物,一般来说,都是有毒的。例如,为了追求粮食高产,现在世界各 国都大量使用化肥和农药(杀虫剂、除草剂),而化学肥料 和农药的大量使用就容易改变土壤酸碱度及成分,造成土壤微 生物群落的变化,严重的可导 致土壤板结,使土壤肥力降低。而农药通常 不仅杀死有害昆虫等,田间的有益 生物也在劫难逃。而且有的农 药极难被降解,在环境中的 残留时间很长,造成一代代积累,对环境造成 极大的破坏。

虽然微生物个体微小,但却繁殖迅速、数量巨大、代谢能力强速度快、易于突变,它们较其它 生物更易适应不良环境。当环境条件发生变化,例如有新的 化合物存在时,某些微生物 能逐步发生改变以适应环境的变化。它们可能通 过自然突变形成新的突变种,也可能通过 在细胞内产生新的功能而适应新环境。这些特征使 得微生物成为污染物降解中的主力军。

现在人们通 过生物技术,例如人工筛 选或者基因改良可以得到比野生菌株降解效率提高很多的优良菌株,从而为治理 环境污染物提供了重要的工具。

此外,微生物在与 环境污染物的相互作用中不是完全被动的,很多微生物 在与环境的相互作用中有积极主动的一面。像不少致病 性细菌对青霉素具有抗药性一样,很多微生物 对各种重金属污染也有抗性。

 

有机污染物 的转化和降解

相对于生物 的进化历史来说,有些有机污 染物被释放到环境中的时间是非常短暂的,微生物与之 相互作用的时间就更短了。但是农药等 生物外源性物质的广泛使用和对环境的污染,增加了微生 物生存环境中的不利因素,用科学术语来说,就是增加了 微生物进化的选择压力。这起到了促 进微生物的物种发生改变和进化的作用,因为只有那 些发生了对微生物本身存活有利的突变(如抗药性、转化能力、降解活性)的微生物,才能继续存 在于自然界中。我们人类最 感兴趣和有可能加以利用的微生物的新特性,正是它们对 生物外源性物质的转化和降解作用。

许多微生物 可以对生物外源性物质进行化学转化,使其转变成 为毒性较小或易于被其它微生物所降解利用的化合物。如对杀虫剂DDT和对炸药TNT的转化。

微生物除了 可以转化生物外源性物质外,有些微生物 还可以把它们分解掉,因为是把较 大的化合物分子一步一步地变小,所以称为降解作用。有些生物外 源性物质可以被彻底降解,即变成水和 二氧化碳等无毒无害的很小的分子化合物或元素。

多数情况下,这种降解过 程需要多种微生物的协同作用,才能彻底完成。有些微生物 在降解生物外源性物质时,要给微生物 另外提供对它们生长繁殖所需要的营养物质,因为这些生 物外源性物质的降解产物并不能成为该微生物生长繁殖所需的碳源和能源。在微生物生态学中,我们把这种 情况叫做共代谢作用(Cometabolism),或辅代谢作用。这种降解往 往是不彻底的,同时也是最多见的。

 

被污染环境 的生物修复

生物修复(Bioremediation),也称生物整治、生物恢复、生态修复或生态恢复,是指利用处 理系统中的生物,主要是微生 物的代谢活动来减少污染现场污染物的浓度或使其无害化的过程。这种技术的 最大特点是可以对大面积的污染环境进行原位治理。生物修复中 一个成功的例子是对阿拉斯加海岸线的石油污染的生物修复,经处理后,使得近百公 里海岸的环境得到改善。

生物修复的 具体操作方法可分为两种,其一是环境 条件的修饰,如营养物质的利用、通气等。例如在石油 污染的生物修复中只有在充分供氧条件下石油才能迅速的降解。其二是接种 合适的微生物以降解污染物。用于生物修 复的微生物包括土著微生物、外来微生物等。如果在污染 区域内的土著微生物不能有效地降解污染物,就必须人为 接种各种可降解污染物的微生物。这些微生物 可以是从天然样品中筛选的,也可以是通 过基因工程改造的。

如果在污染 区域内的微生物种群,即使在最佳 作用条件下也不能降解污染物,或降解污染 物的速度很慢,在这种情况 下就需要人为接种各种可降解污染物的微生物。这些微生物 可以是从天然样品中分离筛选的,也可以是通 过基因工程改造的。然后改善污 染区域的环境条件(比如氧气含量、pH、温度等),以保证所接 种的微生物的生长繁殖,充分发挥它 们降解污染物的代谢作用,以达到对污 染区域的生物修复的目的。

微生物作为分解者,以其庞大的 基数成为了生态系统中最基础的层级,自下而上的 影响着整个生态的平衡,并成为了生 态环境自净功能的重要组成部分。

 


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