微生物與環境生態的可持續性

來源：上海稻王環保科技有限公司   時間：2018-04-18   

　　生態環境(ecological environment)就是“由生態關系組成的環境總和”，是由生態系統中對應于生物系統以外的非生物自然因素構成的各種生態系統有機結合的整體，包括了物質與能量及相互間作用的總和，是一個大系統。其與人類密切相關，影響著我們生活和生產活動的方方面面。
　　環境生態的可持續性是指生態系統在受到某種干擾時，能夠保持其平衡穩定的能力。因為資源和環境是人類生存和發展的基礎條件，所以，保護生態環境，維持環境生態的可持續性是人類獲得長久發展的重要任務。
　　微生物--生態系統中的基礎分解者
　　微生物在我們的生活中可謂無處不在，從空氣、到水、再到土壤，乃至我們體內，到處都有微生物的身影。在日常生活中，我們一定有過這樣的經歷，放置的食物、衣物等經過或長或短的時間，都會變質、發霉進而腐爛，而這一切就是微生物作用的結果。微生物的這種分解作用雖然會對人類的生存資源造成損失，但對于整個生態系統的均衡發展乃至全球的生物生存和延續卻是必不可少的。
　　生態系統中的每一種生物在其生命活動過程中都要從周圍的環境中吸收水分、能量和營養物質;在其生長、繁育等生命活動中又會不斷向周圍環境釋放和排泄各種物質，死亡后的生物殘體也要復歸環境。生態系統中的每一種生物，其營養要求不盡相同，甚至是完全不同。簡單說來，地球上的生物可以分為三大類：植物、動物和微生物。綠色植物(包括光合作用微生物)以土壤或水中的無機化合物(如氨或硝酸鹽、磷酸鹽及其它無機礦物)、空氣中的二氧化碳和氧氣、以及水等為營養，利用太陽光能固定二氧化碳合成自身物質，并為動物提供食物，是生態系統中的生產者(producer);動物以植物或其它動物為食物，通過消化食物為自身提供能量和營養，是生態系統中的消費者(comsumer);微生物則通過分解動、植物的殘體或腐植質獲得能量和營養來供給自身生命所需，同時將有機物分解成可供植物利用的無機化合物，是生態系統中的分解者(decomposer)。微生物在我們的生態環境中扮演著極具分量的角色，作為生物鏈中的分解者，微生物可以把地球上死亡的動植物殘體清掃得干干凈凈，將有機體分解成生產者生長所需要的元素，所以微生物被看成是生態系統中的“清道夫”，也是生物金字塔的根基。我們可以設想，如果沒有微生物的分解作用，地球上的動、植物殘體和有機物將得不到分解，那么至今為止幾十億年來生命活動的結果，將是把地球上的生命構成元素以動植物殘體的形式堆積起來，植物生長的營養將會枯竭，生產者將不能生產，消費者將得不到食物，地球上的生命也就無法維持了。因此，微生物的分解作用是地球上生命波浪式發展、螺旋式進化的原動力之一。
　　微生物包括細菌、真菌、病毒、一些小型原生生物和少數藻類等。它們雖然個頭小、結構簡單，但整個體表都具有吸收營養物質的機能，一個細胞或是分化成簡單的一群細胞，就是一個能夠獨立生活的生命體，承擔了生命活動的全部功能。微生物不分雌雄，以簡單分裂的方式繁衍后代。微生物在自然界中不僅分布廣，而且種類多，并多是混雜地生活在一起。
　　生態系統平衡及其失調
　　生態系統(ecosystem)是由各類生物共同組成的生物群落(bioflora)或生物系統(organisms’system)與其生存環境系統構成的具有一定結構和功能的一個不斷更新和變化的開放系統。這個系統需要不斷從外界獲取物質和能量，經生理代謝過程又向環境釋放出物質和能量，處于相對的動態平衡之中。這個過程與具體的時間和空間相關聯，并能在一定程度和范圍內進行自我調節和控制。
　　生態系統中各組分之間及其與環境之間不斷進行著的物質、能量和信息的交換，通常以“流”(Current)的形式(物質流、能量流、信息流)來定量表述強度。這種交換維系了系統與環境、系統內部各組分之間的關系，形成了一個動態的、可以實行反饋調控和相對獨立的體系。系統中的任一組分只要其狀態發生了變化，定可通過“流”的相應改變(路徑、方向、強度和速率等)，去影響其它組分，終將波及整個系統，這種變化如果超出了生態系統本身的調節能力范圍，將造成生態系統平衡的失調、崩潰，直至造成整個系統功能的喪失。例如現在頻繁發生的“赤潮”和“水華”(redtide and waterfloom)兩種現象，就是生態系統平衡失調而引起的結果。
　　以上兩種現象都是由于水體富營養化引起的，某些繁殖速度極快的藻類，在溫度、鹽度、風力等條件適合的情況下，只要有充足的營養物質就會爆發式生長(近年來，由于人類活動產生的大量高污染廢水排入自然水體，導致此類現象發生的更加頻繁)，由于這些藻類繁殖速度極快，會大量搶奪其他水生生物的營養源，遮蓋水面抑制水體復氧，并且其中某些藻類還能產生毒素，其他水生生物吞食后容易死亡，同時，大量藻類死亡也會進一步消耗水體溶解氧，進一步造成高等水生生物缺氧死亡。
　　伴隨著水生生物的大量死亡，好氧微生物對生物殘體的分解作用持續的消耗氧氣，溶解氧進一步降低，繼而導致厭氧微生物成為水中的優勢種群，厭氧分解又會產生更多不完全分解的有害中間產物，水生態平衡遭到進一步破壞，繼而形成“黑臭”水體而徹底喪失水體自凈功能。
　　微生物的抗毒性
　　現代工業化進程一方面給人們的生活帶來方便及舒適，但另一方面不可避免地影響著環境及環境中的各種生物，包括微生物。許多有機污染物本來是作為殺蟲劑、殺菌劑、除草劑、防腐劑等而被開發出來，并大量生產和使用的，它們是人工合成的本來在自然界不存在的化合物，一般來說，都是有毒的。例如，為了追求糧食高產，現在世界各國都大量使用化肥和農藥(殺蟲劑、除草劑)，而化學肥料和農藥的大量使用就容易改變土壤酸堿度及成分，造成土壤微生物群落的變化，嚴重的可導致土壤板結，使土壤肥力降低。而農藥通常不僅殺死有害昆蟲等，田間的有益生物也在劫難逃。而且有的農藥極難被降解，在環境中的殘留時間很長，造成一代代積累，對環境造成極大的破壞。
　　雖然微生物個體微小，但卻繁殖迅速、數量巨大、代謝能力強速度快、易于突變，它們較其它生物更易適應不良環境。當環境條件發生變化，例如有新的化合物存在時，某些微生物能逐步發生改變以適應環境的變化。它們可能通過自然突變形成新的突變種，也可能通過在細胞內產生新的功能而適應新環境。這些特征使得微生物成為污染物降解中的主力軍。
　　現在人們通過生物技術，例如人工篩選或者基因改良可以得到比野生菌株降解效率提高很多的優良菌株，從而為治理環境污染物提供了重要的工具。
　　此外，微生物在與環境污染物的相互作用中不是完全被動的，很多微生物在與環境的相互作用中有積極主動的一面。像不少致病性細菌對青霉素具有抗藥性一樣，很多微生物對各種重金屬污染也有抗性。
　　有機污染物的轉化和降解
　　相對于生物的進化歷史來說，有些有機污染物被釋放到環境中的時間是非常短暫的，微生物與之相互作用的時間就更短了。但是農藥等生物外源性物質的使用和對環境的污染，增加了微生物生存環境中的不利因素，用科學術語來說，就是增加了微生物進化的選擇壓力。這起到了促進微生物的物種發生改變和進化的作用，因為只有那些發生了對微生物本身存活有利的突變(如抗藥性、轉化能力、降解活性)的微生物，才能繼續存在于自然界中。我們人類感興趣和有可能加以利用的微生物的新特性，正是它們對生物外源性物質的轉化和降解作用。
　　許多微生物可以對生物外源性物質進行化學轉化，使其轉變成為毒性較小或易于被其它微生物所降解利用的化合物。如對殺蟲劑DDT和對炸藥TNT的轉化。
　　微生物除了可以轉化生物外源性物質外，有些微生物還可以把它們分解掉，因為是把較大的化合物分子一步一步地變小，所以稱為降解作用。有些生物外源性物質可以被徹底降解，即變成水和二氧化碳等無毒無害的很小的分子化合物或元素。
　　多數情況下，這種降解過程需要多種微生物的協同作用，才能徹底完成。有些微生物在降解生物外源性物質時，要給微生物另外提供對它們生長繁殖所需要的營養物質，因為這些生物外源性物質的降解產物并不能成為該微生物生長繁殖所需的碳源和能源。在微生物生態學中，我們把這種情況叫做共代謝作用(Cometabolism)，或輔代謝作用。這種降解往往是不徹底的，同時也是很多見的。
　　被污染環境的生物修復
　　生物修復(Bioremediation)，也稱生物整治、生物恢復、生態修復或生態恢復，是指利用處理系統中的生物，主要是微生物的代謝活動來減少污染現場污染物的濃度或使其無害化的過程。這種技術的特點是可以對大面積的污染環境進行原位治理。生物修復中一個成功的例子是對阿拉斯加海岸線的石油污染的生物修復，經處理后，使得近百公里海岸的環境得到改善。
　　生物修復的具體操作方法可分為兩種，其一是環境條件的修飾，如營養物質的利用、通氣等。例如在石油污染的生物修復中只有在充分供氧條件下石油才能迅速的降解。其二是接種合適的微生物以降解污染物。用于生物修復的微生物包括土著微生物、外來微生物等。如果在污染區域內的土著微生物不能有效地降解污染物，就必須人為接種各種可降解污染物的微生物。這些微生物可以是從天然樣品中篩選的，也可以是通過基因工程改造的。
　　如果在污染區域內的微生物種群，即使在作用條件下也不能降解污染物，或降解污染物的速度很慢，在這種情況下就需要人為接種各種可降解污染物的微生物。這些微生物可以是從天然樣品中分離篩選的，也可以是通過基因工程改造的。然后改善污染區域的環境條件(比如氧氣含量、pH、溫度等)，以保證所接種的微生物的生長繁殖，充分發揮它們降解污染物的代謝作用，以達到對污染區域的生物修復的目的。
　　微生物作為分解者，以其龐大的基數成為了生態系統中基礎的層級，自下而上的影響著整個生態的平衡，并成為了生態環境自凈功能的重要組成部分。