土壤微生物

土壤微生物劳动卫生与环境卫生学教研室邢杰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——GarrisonSposito,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。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、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成分地壳组成(%)土壤组成（％）SiO261.2864.17Al2O315.3412.86Fe2O36.296.58CaO4.961.17MgO3.900.91K2O3.060.95Na2O3.440.58P2O30.290.11TiO20.781.25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、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(soilwater)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(soilair)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6.5～16.8‰，2米处为11.8‰，4米处为24.8～35.0‰，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。1、我国土壤粒级标准（soilparticleclassification)颗粒名称颗粒粒径（mm）石块10石砾粗砾10~3细砾3~1砂粒粗砂粒1~0.25细砂粒0.25~0.05粉粒粗粉粒0.05~0.01细粉粒0.01~0.005粘粒粗粘粒0.005~0.001细粘粒0.0012、土壤质地分类土壤中各粒级所占的相对比例或重量百分数，称土壤质地（soiltexture）。砂土：0.05～1mm的砂粒占50％以上，透气性好，排水能力强，有机物分解快壤土：0.01～0.05mm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（soilporosity）单位容积土壤中空隙容积所占的百分率称为土壤孔隙度（soilporosity）.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（soiladsorption）：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1μm、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4.5－8.5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，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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5～30cm深的土壤含量最多。至l00～200cm深时细菌开始减少，在4～5m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、根霉属及木霉属等。CH2NH2COOH＋O2HCOOH＋CO2＋NH3CH2NH2COOH＋H2CH3COOH＋NH3CH2NH2COOH＋H2OCH2(OH)COOH＋NH3氧化还原水解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。2NH2＋3O22HNO2＋2H2O＋热量2HNO2＋O22HNO3＋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：与豆科植物共生土壤氮循环碳循环来自空气中的二氧化碳被初级生产者(植物和藻类)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。土壤碳循环硫循环土壤硫的来源：母质、灌溉水、大气沉降