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1、土壤微生物,提纲,土壤生境特征土壤微生物的来源、种类、分布及其卫生学意义土壤微生物的检测与卫生标准土壤微生物污染的预防,土壤生境特征,第一节,什么是土壤？,土壤是发育于地球陆地表面具有生物活性和孔隙结构的介质，是地球陆地表面的脆弱薄层 Garrison Sposito,1992土壤是固态地球表面具有生命活动，处于生物与环境间进行物质循环和能量交换的疏松表层 赵其国，1996 土壤是陆地表面由矿物质、有机质、水、空气和生物组成，具有肥力，能生长植物的未固结层。全国科学技术名词审定委员会，1998年,土壤：是由地壳表面的岩石经过长期风化和生物学作用而形成的一层疏松物质。土壤生态系统：土壤和以土壤为
2、基质的生物种群紧密的联系在一起，构成一个有机整体，称为土壤生态系统。,微生物动 物植 物,土壤的形成,土壤是岩石圈顶部经过漫长的物理风化，化学风化和生物风化作用的产物。,巍巍高山化作松软土柱,物理风化是将地表整块岩石物理分解成大量小碎屑的过程；化学风化则改变了岩石的化学组成和矿物面貌，其中地表（地下）水和大气中氧、二氧化碳的作用最为重要，使造岩矿物分解，形成以粘土矿物为主的松散物质，即通常所说的风化壳。生物在土壤形成过程中的意义更为关键。生物的风化作用是通过生物新陈代谢和生物死亡后生物降解作用实现的。生物腐烂形成腐殖质，增加了N、P、K和碳水化合物等养分，使风化壳最终形成土壤。,土壤圈,土壤圈
3、是大气圈、水圈、生物圈、岩石圈相互作用的产物。土壤物质来源于这些圈层，以三种状态-固态、液态和气态存在着固体部分包括有机物（来源于生物圈）和无机矿物（来源于岩石圈）液体部分即土壤溶液（水圈的组成部分）气体既包括大气中的气体，还包括土壤生物化学反应释放出的气体（最终进入大气圈）。,土壤分为无机土壤(矿质土）和有机土壤(有机质土），无机土壤在整个陆地面积中占绝大部分，可耕地主要是无机土壤，因此我们主要研究无机土壤环境对微生物的影响。无机土壤包含矿物质，有机质，水和空气，具有微生物所需要的一切营养物质和微生物进行生长繁殖及生命活动所需要的各种环境条件，是微生物生活的良好环境，有天然培养基之称。,一、
4、土壤的组成,土壤的固相：矿物质和有机质等固体物质土壤的液相：土壤水分及其水溶物土壤气相：土壤空气中的气体,（一）土壤固相,1、颗粒状矿物质：占土壤质量的95%以上，是土壤的基本骨架土壤矿物质不断风化，为微生物提供营养，包括硫、磷、钾、铁、镁、钙等常量元素以及硼、钼、锌、锰等微量元素。,土壤中的无机成分来自岩石风化的产物，其组成由地壳岩石组成所决定，构成土壤的主要元素含量百分比与其在地壳中相类似。,地壳和土壤中主要物质的含量,2、有机物质：主要存在与土壤表层，为微生物生长提供营养（碳、氮）和能量新鲜有机质：动植物残体，包括高等植物的脱落细胞、根的分泌物、微生物尸体和有机质肥料腐殖质：提高土壤肥力
5、、改善土壤物理性状,是土壤有机质的主要组成部分,有机物在土壤微生物的作用下分解成为简单的化合物的同时，又重新合成的复杂的高分子化合物。有机物的有机化是一种黑色胶体物质，具有较强吸附性和保水性能；其基本成分是纤维素、木质素、淀粉、糖类、油脂、蛋白质等。在这些成分里，包含有大量的碳、氢、氧、氮、硫、磷和少量的铁、镁等元素。是植物和微生物的营养来源。,腐殖质（humus）,（二）土壤的水分(soil water),指土壤空隙中的水分，主要来源于地面的雨雪水和灌溉水，是微生物进行物质交换的重要介质水分含量各地区差别很大、特别是表层土，往往取决于当地的降水量和自然蒸发量，以及植物覆盖、土壤性质。土壤水实
6、际上是一种溶液，水中溶解着可溶性的有机物及大量无机盐。在土壤颗粒与土壤溶液之间，以及土壤溶液和植物及微生物细胞之间，不断进行营养物质的交换。,（三）土壤空气(soil air),主要来自于大气，其次为土壤中生物化学过程所产生的气体。上层与大气相近似，深层土壤空气中氧气逐渐减少，二氧化碳增加。土壤空气中还含有氨、甲烷、氢、一氧化碳、硫化氢等有害气体。空气成分受土壤污染程度、土壤生物化学作用和与大气交换等影响。,CO2：地下1米处为6.516.8，2米处为11.8，4米处为24.835.0，O2在4米处只有7 左右。,三、土壤的空气,土壤空气是土壤中需氧微生物的氧气来源，空气的多少影响土壤氧化还原
7、反应的条件，决定土壤中微生物的类群。团粒结构较好的土壤需氧微生物潮湿的黏土厌氧微生物,二、土壤的物理学特征,天然土壤自上而下可分为覆盖层、淋溶层、淀积层、母质层和风化层。土壤的这种垂直分层特征称为土壤的发生剖面。,从建筑开挖基坑看到的土壤断面,1、我国土壤粒级标准（soil particle classification),颗粒名称 颗粒粒径（mm）石块 10石砾 粗砾 103 细砾 31砂粒 粗砂粒 10.25 细砂粒 0.250.05粉粒 粗粉粒 0.050.01 细粉粒 0.010.005粘粒 粗粘粒 0.0050.001 细粘粒 0.001,2、土壤质地分类,土壤中各粒级所占的相对比例
8、或重量百分数，称土壤质地（soil texture）。,砂土：0.051mm的砂粒占50以上，透气性好，排水能力强，有机物分解快 壤土：0.010.05mm的粉粒占40左右，既能通气透水，又能蓄水 粘土：0.01mm的粘粒占30左右，透气性差，溶水性强，有机物分解缓慢,3、土壤的孔隙度（soil porosity）,单位容积土壤中空隙容积所占的百分率称为土壤孔隙度（soil porosity）.土壤容水量：一定容积的土壤中含有水分的量。土壤渗水性：指水分渗透过土壤的能力。土壤的毛细管作用：土壤中的水分沿着空隙上升的作用。,三、土壤的化学特征,1、土壤的吸附性（soil adsorption）：
9、主要是土壤胶体和土壤微生物；土壤胶体是指土壤中颗粒直径小于1m、具有胶体性质的微粒。一般土壤中的粘土矿物质和腐殖质都具有胶体性质。,2、土壤的酸碱性：我国土壤pH大多数在4.58.5之间，并由南向北呈递增的趋势；H+：CO2溶于水形成的碳酸、有机物分解产生的有机酸和少量的无机酸、Al3+水解、酸雨OH-：土壤溶液中的碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钙以及胶体表面交换性的Na+水解,不同酸碱度土壤中存在的微生物类群不同偏酸性土壤真菌偏碱性土壤放线菌中性土壤细菌,3、土壤的氧化还原性：绝大多数是在土壤微生物的参与下进行的。氧化剂：氧气、NO3-和高价的金属离子(如Fe3+、Mn4+)还原剂：有机质和低价金属
10、离子土壤中的植物根系和土壤微生物-氧化还原反应的重要参与者,土壤微生物的来源、种类、分布及其卫生学意义,第二节,一、土壤微生物的来源,“土著”微生物种群：对物质的分解、代谢、转化起着极为重要的作用，是化学元素参与生物地球化学物质循环的重要推动者。外来微生物种群：几乎不参与土壤生态学上重要的物质转化作用。,二、土壤微生物的种类,包括细菌、放线菌、真菌、藻类和病毒，还有原生动物。绝大部分微生物对人是有益的有的能分解动植物尸体和排泄物为简单的化合物，供植物吸收；有的有固氮作用，使土壤肥沃，有利于植物生长；有的能产生各种抗生素，如链霉菌；也有一部分土壤微生物是动植物的病原体。,土壤中的细菌形态（革兰氏
11、染色，光学显微镜观察，菌体放大1000倍）,土壤中的微生物根据其对能源和营养的要求不同可分为四种营养类型光能自养型、光能异养型、化能自养型和化能异养型大多微生物属异养型微生物根据对氧的需要程度不同，可分为专性厌氧、兼性厌氧、微需氧和专性需氧等土壤中多数细菌属需氧和兼性厌氧，在氧气充足和缺氧的条件下均能生活.真菌属需氧型微生物，因此土壤深层或潮湿的黏土中真菌数量少。,1、土壤中的细菌,土著细菌是土壤中真正的常驻者，如氨化细菌、硝化细菌、固氮细菌、纤维素分解菌等，异养型，无芽胞、嗜中温外来细菌人畜粪便、动物尸体、医院废弃物等污染土壤带入的。如沙门菌、志贺菌、霍乱弧菌、大肠杆菌O157：H7、炭疽梭
12、菌、破伤风梭菌、肉毒梭菌等,2、土壤中的放线菌,肥沃土壤中数目较大异养菌、噬中温常见的有链霉菌属、诺卡菌属、小单孢菌属和放线菌属。,3、土壤中真菌,主要生活在近地面的土层中，异养型、需氧、中温性生长真菌是分解有机物质非常活跃的一类微生物，如腐生真菌参与难降解植物残体组分的分解，如纤维素、半纤维素、木质素等。霉菌可促进土壤腐殖质的形成土壤中常见的真菌：曲霉属、青霉属、木霉属等,4、土壤中的其他微生物,藻类：行光合作用，利用土壤中的无机质合成其生长需要的有机质原生动物：鞭毛虫、肉足虫、纤毛虫，利用有机质。在物质转化和调节其他微生物数量方面起重要作用。病毒（噬菌体）：裂解相应的细菌、放线菌及真菌等，
13、对某些农作物具有潜在影响。肠道病毒可吸附在土壤的颗粒上，能存活很长时间并保持其感染性。,三、土壤微生物的分布,土壤表面，微生物不易生存地表530cm的土层中微生物数量最多深层土壤微生物随土壤深度增加而减少土壤愈肥沃，微生物愈多,三 土壤微生物的分布,1.地理分布:土质不同，微生物数量差异很大，土壤愈肥沃，微生物愈多。如每克肥沃的土壤含菌量可达几亿到几十亿个，而荒地及沙漠地带的细菌数目则仅含10余万个。,2.垂直分布：,在土壤中垂直分布也是不均一的，一般表土层微生物数量最多，随着层次加深，微生物数量减少，土壤表面由于日光照射，水分缺乏，细菌易于死亡，因此，含菌不多。在530cm深的土壤含量最多。
14、至l00200cm深时细菌开始减少，在45m深处仅有少量细菌。其原因是深层土壤温度低，氧气缺乏并且缺少微生物可以利用的有机物质。,3.季节分布,一般春季到来，气温升高，植物生长发育，根分泌物增加，微生物数量迅速上升；到盛夏时，气候炎热、干旱，微生物数量下降；秋天雨水多，且为收获季节，植物残体大量进入土壤，微生物数量又急剧上升；冬季气温低，微生物数量明显减少。春、秋两季出现微生物数量的两个高峰。,四、土壤微生物的作用,在土壤这个生态系统中，同时进行着化学元素的有机质化(生物合成作用)和有机质的无机质化（分解作用）。绿色植物是化学元素有机质化的主要推动者，而微生物是有机质分解的主要推动者。土壤中动
15、植物残体和其他有机物，主要是在微生物参与下达到无机化和腐殖化。,（一）土壤微生物在物质循环中的作用,1、氮循环氮素的同化作用：绿色植物和微生物在它们的生命活动中，吸取氨态氮和硝酸盐形成的无机氮，组成生物细胞原生质的组分(蛋白质、核酸等)，使无机态氮同化为有机态氮，这一过程为氮素的同化。,氮素的矿化作用（氨化作用）土壤中动植物残体中的有机氮化物被微生物分解产生氨的生化过程，叫作氨化作用。大部分土壤细菌、真菌、放线菌都能分解蛋白质和其含氮衍生物，但分解速度是各不相同的。分解蛋白质能力较强的细菌有假单胞菌属、芽孢杆菌属、梭状芽孢杆菌属、沙雷菌属等。真菌有交链孢霉属、曲霉属、毛霉属、青霉属、根霉属及木
16、霉属等。,CH2NH2COOHO2 HCOOHCO2NH3CH2NH2COOHH2 CH3COOHNH3CH2NH2COOHH2O CH2(OH)COOHNH3,氮素的硝化作用有机氮化物在矿化作用中产生的氨，经过硝化细菌的作用，氧化成硝酸盐，称为硝化作用。,2NH23O2 2HNO22H2O热量 2HNO2O2 2HNO3热量,亚硝酸细菌,硝酸细菌,反硝化作用：在土壤通气不良的情况下，硝酸盐在反硝化细菌的作用下，还原成氨气和氮，这一过程叫反硝化作用。固氮作用：分子态氮在生物体内还原为氨的过程，称为生物固氮作用。自生固氮菌属根瘤菌：与豆科植物共生,碳循环,来自空气中的二氧化碳被初级生产者(植物和
17、藻类)吸收，经过光合作用，转化为体内的碳水化合物.动物以植物为食，经过食物链的传递，成为动物体内的碳水化合物。植物和动物把体内的一部分碳经过呼吸作用转化为二氧化碳，释放入大气中；把摄入的另一部分碳构成机体或在机体内贮存。动植物死后,遗体中的有机碳，通过微生物的分解作用转化为二氧化碳徘入大气。,硫循环,土壤硫的来源：母质、灌溉水、大气沉降、施肥。含量：一般0.01-0.05%。土壤硫的形态：无机硫和有机硫。前者包括：难溶态硫、水溶性硫、吸附态硫；后者主要存在于动植物残体及腐殖质中。,含硫有机物的分解 植物残体中的硫，主要存在于蛋白质中，能分解含硫有机物的土壤微生物很多，一般能分解含氮有机物的氨化
18、细菌，都能分解有机硫化物，产生硫化氢，其反应如下：蛋白质 硫氨基酸 H2S,还原型的无机硫化物被硫化细菌氧化成硫酸的过程，称硫化作用。其反应如下：2H2SO2 2H2O2S2S3O22H2O 2H2SO4 硫化作用产生的硫酸与土壤中的盐基物质作用，形成硫酸盐，硫酸盐是植物可吸收的养分。,土壤中硫素的循环可以分为四个方面的作用：大分子有机硫化物分解为较小的分子，并进一步释放出硫化氢和硫醇；硫化氢、硫代硫酸盐以及元素硫等氧化形成硫酸；植物和微生物吸收硫酸根离子，同化为细胞中的有机硫化物；硫酸还原为无机硫化物，如硫化氢。,磷循环,土壤中的磷有三种状态有机磷化合物，是土壤中磷存在的重要形式，约占土壤磷
19、含量的25一60；不溶性磷酸盐；可溶性磷酸盐。只有可溶性磷酸盐能被植物吸收利用。,磷在自然界主要通过三个途径进行循环,1、有机磷的矿化作用：有机磷化合物在微生物作用下转化分解，释放出其中的磷酸部分，并以无机磷酸盐状态存在于环境中为植物所吸收利用。2、磷的有效化(可溶化作用)：土壤中的不溶性磷酸盐可通过微生物生命活动过程中产生的酸类物质逐渐溶解，转化为水溶性的磷酸盐类3、磷的同化作用：土壤中的无机磷化物通过生物细胞转变为有机磷，成为细胞的组成成分,（二）土壤微生物与有机物降解,土壤自净作用：土壤受污染之后，由于物理、化学和生物学等因素的作用，使一些病原体死亡，一些有机污染物被分解成植物能利用的无
20、机盐和腐殖质，从而降低了土壤环境的污染程度，称为土壤的自净作用。生物净化为最主要的净化途径之一。,土壤微生物的作用主要是对有机污染物进行降解和转化降解是指微生物将复杂的物质氧化分解为简单的小分子过程。（使底物分子碳链断裂，碳原子数减少，并产生能量）转化指将化学物分子转变为另一种形式的过程。（主要是分解作用）,有机污染物质，根据微生物对它们的可降解性，可分为三种类型1、可生物降解的物质：主要来源于人和动物的排泄物、动植物残体。这些物质经过土壤中各类异养型微生物所产生的酶，被分解成糖、氨基酸、甘油、脂肪酸等简单的有机物，最终分解为二氧化碳、水和氨等。2、难生物降解的物质：如纤维素、农药等,微生物对
21、这些物质的降解需要较长时间。3、不可生物降解的物质：如塑料,五、土壤中病原微生物及其危害,由各种原因导致的土壤中致病菌、病毒、寄生虫卵等病原微生物增多称为土壤生物性污染。未经彻底无害化处理的人畜粪便和污泥用于施肥；未经处理的生活污水、医院污水和含病原体的工业废水进行农用灌溉；病畜尸体处理不当；野生动物携带病原体，其排泄物和死亡后的尸体也可污染土壤。,土壤中的细菌土著细菌，异养菌、嗜中温型随动植物尸体进入土壤的腐物寄生菌随动植物尸体或排泄物进入土壤的致病菌,破伤风杆菌,肉毒杆菌,产气荚膜杆菌,伤寒杆菌,霍乱弧菌,炭疽杆菌,结核杆菌,（一）土壤中的病原微生物,1、引起细菌性肠道传染病的病原体沙门菌
22、、志贺菌、霍乱弧菌和致病性大肠杆菌沙门菌在潮湿的冬季条件下，能在污水灌溉的土壤内存活约70d，而在干燥的夏季则存活约35d；志贺菌在土壤中可存活13个月；霍乱弧菌在土壤中可存活1430d，最长的约60d,2、肠道病毒主要来自人的排泄物和生活污水的污染。病毒进入土壤后就吸附在土壤的颗粒上，能够存活相当长时间并保持其感染性。70以上的污泥样品和11左右的用污水灌溉的土壤样品含有肠道病毒。主要的病毒有：脊髓灰质炎病毒、柯萨奇病毒、埃可病毒和肝炎病毒等。肠道病毒在土壤中不同条件下，可存活25170d；长期存在于土壤中的病毒可能在蔬菜生长和成熟过程中进入蔬菜和作物。,3、肠寄生虫：蛔虫卵在土壤中能存活7
23、年之久4、破伤风梭菌：形成芽孢，在土壤中可存活几年以上5、气性坏疽病原体：产气荚膜梭菌、诺维梭菌、败毒梭菌等，形成芽孢6、肉毒梭菌：形成芽抱后长期存在于土壤之中,7、炭疽杆菌：形成芽孢，在土壤中甚至可存活30年以上。8、布氏杆菌：在土壤中可存活180天。9、钩端螺旋体10、霉菌：在42土壤样品中可找到皮肤病霉菌；其他还有白色念珠菌、新型隐球菌、曲霉菌等。土壤中的产毒霉菌污染粮食作物后，可发生人、畜的真菌毒素中毒症。,（二）病原微生物污染土壤的途径和危害,1、人-土壤-人方式2、动物-土壤-人方式3、土壤-人方式,人体排出的病原体直接或经施肥与污水灌溉等污染土壤，在污染的土壤上种植蔬菜瓜果，人与
24、污染的土壤直接接触或生吃此类蔬菜瓜果就可患肠道传染病或寄生虫病。如痢疾杆菌、伤寒杆菌、肠道病毒、蛔虫卵等,自然土壤中存在有致病菌，人接触土壤而感染。如破伤风、肉毒中毒、原发性阿米巴脑膜脑炎,含有病原体的动物粪便污染土壤后，病原体通过皮肤或粘膜进入人体而得病。如钩端螺旋体病、炭疽病,炭疽病,炭疽热是一种由炭疽热杆菌引发的急性传染病，它主要发生在野生或家养的低等脊椎动物身上，例如牛、羊、骆驼和羚羊等反刍动物。人类感染炭疽热的概率很低，只有 10000:1。容易感染的人群主要是那些有机会接触因炭疽热致死的动物尸体及其制品的人，例如牧场工人、屠宰场工人、制革工人和剪羊毛工等。炭疽热杆菌的特点是可以形成
25、胞孢子结构，这种保护性的孢囊可以使这种细菌具备在自然界长期生存的能力。在那些掩埋由炭疽热而死亡的牲畜的地域，这种孢子仍然可以存活数十年。一旦炭疽热杆菌孢子进入生物体内，炭疽热杆菌就会开始增生扩散并产生生物毒素，被感染的生物将产生呕吐等症状直至死亡。,炭疽病,1、通过被切开或磨损的皮肤进入生物体内（这种传播形式占炭疽热感染数量的95%）。感染初期生物体将出现有痒感的肿块，痒的程度要超过一般的蚊虫叮咬，随后将发展成1-3厘米的无痛感皮肤溃疡，溃疡的中央将形成炭疽热感染所特有的黑色腐肉。如果不采取治疗措施，这种形式的感染的死亡率为 20%。皮肤炭疽,炭疽病,2、食用被炭疽热杆菌感染的未煮熟的肉类。初
26、期的症状是恶心、呕吐、剧烈的腹痛和腹泻，随后将产生血液中毒和休克。肠道炭疽热感染的死亡率为 25-60%。肠炭疽3、通过空气传播。初期的症状和感冒类似，在数天后将发展成呼吸道障碍和休克，直至长期昏迷。通常情况下，呼吸道炭疽热感染是致命的。肺炭疽,土壤微生物的检测与卫生标准,第三节,一、土壤微生物的检测目的样品采集样品的稀释检验项目与检验方法,一、土壤卫生微生物检测,目的：测定土壤污染的性质和污染程度，为改善环境卫生，规划城区建设提供卫生学依据。特点：土壤固相流动性小，所以外来污染物一旦进入土壤，其移动较慢，混合不均匀且主要集中于排放地带。,（一）样品采集,根据检测目的选择有代表性的采样地点，随
27、机多点取样取样点应分布均匀，每点取样量应大致相等先除去地表枯枝落叶，用已灭菌的刀或铲去除1cm的土壤表层，再用烧灼过的勺或铲取土样约200300g，装于灭菌容器中，表明采样地点、深度、日期。采样后因为改变了原来的自然条件，可能引起某些微生物的消长，应尽快检验,（二）样品的稀释,将土样置于灭菌乳钵内研磨均匀，称取50g，加入盛有450ml灭菌水的广口瓶中，充分振荡均匀，静置510min，取上清液做为原液，取原液10ml，加入盛有90ml灭菌水中，制成10-1稀释液，然后做10倍递增稀释，根据污染情况，采取适当的几个稀释度，进行检验。,（三）检验项目与检验方法,菌落总数的测定：只能大致估计土壤污染
28、的程度，但不能说明其污染来源。大肠菌群的检验用来评价土壤是否被人或温血动物的粪便污染，并提示有无被肠道病原体污染的可能培养温度为37时为总大肠菌群数培养温度为44.5时为粪大肠菌群数,大肠菌群值是指能检出一个大肠菌群的细菌所需的最少土样量，以g表示。1000大肠菌群值=大肠菌群数大肠菌群值越大，表示土壤越干净。,3、产气荚膜梭菌的检验,将土壤稀释液置 80 水浴15min，取1ml倍比稀释的样品，加入于已溶化的亚硫酸铁高层培养基，混匀，置冷水中凝固，于44培养2448h阳性培养基中出现裂痕、浑浊和变黑,产气荚膜杆菌,3、产气荚膜梭菌的检验结合大肠菌群值，可以辅助判断土壤被粪便污染的时间，若发现大量产气荚膜梭菌而大肠菌群较少时，表示污染为非新近污染,4、土壤中致病菌和病毒的检测土壤中致病菌和病毒数量少，检出较困难，应采取加大检样量、浓缩样品等方法。,4、土壤中致病菌和病毒的检测,主要是肠道病毒,脊髓灰质炎病毒,Hepatitis E Virus,Hepatitis A Virus,rotavirus,土壤环境质量标准（GB15618-1995）,二、土壤微生物的卫生标准,土壤微生物污染的预防,第四节,方法：污染源的无害化处理,沼气池,堆肥,第五节 土壤微生物研究的前景,
