微生物與環(huán)境生態(tài)的可持續(xù)性

來源：上海稻王環(huán)?？萍加邢薰?  時(shí)間：2018-04-18   

　　生態(tài)環(huán)境(ecological environment)就是“由生態(tài)關(guān)系組成的環(huán)境總和”，是由生態(tài)系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)于生物系統(tǒng)以外的非生物自然因素構(gòu)成的各種生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的整體，包括了物質(zhì)與能量及相互間作用的總和，是一個(gè)大系統(tǒng)。其與人類密切相關(guān)，影響著我們生活和生產(chǎn)活動(dòng)的方方面面。
　　環(huán)境生態(tài)的可持續(xù)性是指生態(tài)系統(tǒng)在受到某種干擾時(shí)，能夠保持其平衡穩(wěn)定的能力。因?yàn)橘Y源和環(huán)境是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)條件，所以，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，維持環(huán)境生態(tài)的可持續(xù)性是人類獲得長久發(fā)展的重要任務(wù)。
　　微生物--生態(tài)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)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(nèi)，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(jīng)歷，放置的食物、衣物等經(jīng)過或長或短的時(shí)間，都會(huì)變質(zhì)、發(fā)霉進(jìn)而腐爛，而這一切就是微生物作用的結(jié)果。微生物的這種分解作用雖然會(huì)對(duì)人類的生存資源造成損失，但對(duì)于整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的均衡發(fā)展乃至全球的生物生存和延續(xù)卻是必不可少的。
　　生態(tài)系統(tǒng)中的每一種生物在其生命活動(dòng)過程中都要從周圍的環(huán)境中吸收水分、能量和營養(yǎng)物質(zhì);在其生長、繁育等生命活動(dòng)中又會(huì)不斷向周圍環(huán)境釋放和排泄各種物質(zhì)，死亡后的生物殘?bào)w也要復(fù)歸環(huán)境。生態(tài)系統(tǒng)中的每一種生物，其營養(yǎng)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(dòng)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(jī)化合物(如氨或硝酸鹽、磷酸鹽及其它無機(jī)礦物)、空氣中的二氧化碳和氧氣、以及水等為營養(yǎng)，利用太陽光能固定二氧化碳合成自身物質(zhì)，并為動(dòng)物提供食物，是生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)者(producer);動(dòng)物以植物或其它動(dòng)物為食物，通過消化食物為自身提供能量和營養(yǎng)，是生態(tài)系統(tǒng)中的消費(fèi)者(comsumer);微生物則通過分解動(dòng)、植物的殘?bào)w或腐植質(zhì)獲得能量和營養(yǎng)來供給自身生命所需，同時(shí)將有機(jī)物分解成可供植物利用的無機(jī)化合物，是生態(tài)系統(tǒng)中的分解者(decomposer)。微生物在我們的生態(tài)環(huán)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(dòng)植物殘?bào)w清掃得干干凈凈，將有機(jī)體分解成生產(chǎn)者生長所需要的元素，所以微生物被看成是生態(tài)系統(tǒng)中的“清道夫”，也是生物金字塔的根基。我們可以設(shè)想，如果沒有微生物的分解作用，地球上的動(dòng)、植物殘?bào)w和有機(jī)物將得不到分解，那么至今為止幾十億年來生命活動(dòng)的結(jié)果，將是把地球上的生命構(gòu)成元素以動(dòng)植物殘?bào)w的形式堆積起來，植物生長的營養(yǎng)將會(huì)枯竭，生產(chǎn)者將不能生產(chǎn)，消費(fèi)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(fā)展、螺旋式進(jìn)化的原動(dòng)力之一。
　　微生物包括細(xì)菌、真菌、病毒、一些小型原生生物和少數(shù)藻類等。它們雖然個(gè)頭小、結(jié)構(gòu)簡單，但整個(gè)體表都具有吸收營養(yǎng)物質(zhì)的機(jī)能，一個(gè)細(xì)胞或是分化成簡單的一群細(xì)胞，就是一個(gè)能夠獨(dú)立生活的生命體，承擔(dān)了生命活動(dòng)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(tài)系統(tǒng)平衡及其失調(diào)
　　生態(tài)系統(tǒng)(ecosystem)是由各類生物共同組成的生物群落(bioflora)或生物系統(tǒng)(organisms’system)與其生存環(huán)境系統(tǒng)構(gòu)成的具有一定結(jié)構(gòu)和功能的一個(gè)不斷更新和變化的開放系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)需要不斷從外界獲取物質(zhì)和能量，經(jīng)生理代謝過程又向環(huán)境釋放出物質(zhì)和能量，處于相對(duì)的動(dòng)態(tài)平衡之中。這個(gè)過程與具體的時(shí)間和空間相關(guān)聯(lián)，并能在一定程度和范圍內(nèi)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)和控制。
　　生態(tài)系統(tǒng)中各組分之間及其與環(huán)境之間不斷進(jìn)行著的物質(zhì)、能量和信息的交換，通常以“流”(Current)的形式(物質(zhì)流、能量流、信息流)來定量表述強(qiáng)度。這種交換維系了系統(tǒng)與環(huán)境、系統(tǒng)內(nèi)部各組分之間的關(guān)系，形成了一個(gè)動(dòng)態(tài)的、可以實(shí)行反饋調(diào)控和相對(duì)獨(dú)立的體系。系統(tǒng)中的任一組分只要其狀態(tài)發(fā)生了變化，定可通過“流”的相應(yīng)改變(路徑、方向、強(qiáng)度和速率等)，去影響其它組分，終將波及整個(gè)系統(tǒng)，這種變化如果超出了生態(tài)系統(tǒng)本身的調(diào)節(jié)能力范圍，將造成生態(tài)系統(tǒng)平衡的失調(diào)、崩潰，直至造成整個(gè)系統(tǒng)功能的喪失。例如現(xiàn)在頻繁發(fā)生的“赤潮”和“水華”(redtide and waterfloom)兩種現(xiàn)象，就是生態(tài)系統(tǒng)平衡失調(diào)而引起的結(jié)果。
　　以上兩種現(xiàn)象都是由于水體富營養(yǎng)化引起的，某些繁殖速度極快的藻類，在溫度、鹽度、風(fēng)力等條件適合的情況下，只要有充足的營養(yǎng)物質(zhì)就會(huì)爆發(fā)式生長(近年來，由于人類活動(dòng)產(chǎn)生的大量高污染廢水排入自然水體，導(dǎo)致此類現(xiàn)象發(fā)生的更加頻繁)，由于這些藻類繁殖速度極快，會(huì)大量搶奪其他水生生物的營養(yǎng)源，遮蓋水面抑制水體復(fù)氧，并且其中某些藻類還能產(chǎn)生毒素，其他水生生物吞食后容易死亡，同時(shí)，大量藻類死亡也會(huì)進(jìn)一步消耗水體溶解氧，進(jìn)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(duì)生物殘?bào)w的分解作用持續(xù)的消耗氧氣，溶解氧進(jìn)一步降低，繼而導(dǎo)致厭氧微生物成為水中的優(yōu)勢(shì)種群，厭氧分解又會(huì)產(chǎn)生更多不完全分解的有害中間產(chǎn)物，水生態(tài)平衡遭到進(jìn)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(xiàn)代工業(yè)化進(jìn)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(huán)境及環(huán)境中的各種生物，包括微生物。許多有機(jī)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(fā)出來，并大量生產(chǎn)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(chǎn)，現(xiàn)在世界各國都大量使用化肥和農(nóng)藥(殺蟲劑、除草劑)，而化學(xué)肥料和農(nóng)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(yán)重的可導(dǎo)致土壤板結(jié)，使土壤肥力降低。而農(nóng)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(nóng)藥極難被降解，在環(huán)境中的殘留時(shí)間很長，造成一代代積累，對(duì)環(huán)境造成極大的破壞。
　　雖然微生物個(gè)體微小，但卻繁殖迅速、數(shù)量巨大、代謝能力強(qiáng)速度快、易于突變，它們較其它生物更易適應(yīng)不良環(huán)境。當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化，例如有新的化合物存在時(shí)，某些微生物能逐步發(fā)生改變以適應(yīng)環(huán)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(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生新的功能而適應(yīng)新環(huán)境。這些特征使得微生物成為污染物降解中的主力軍。
　　現(xiàn)在人們通過生物技術(shù)，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(yōu)良菌株，從而為治理環(huán)境污染物提供了重要的工具。
　　此外，微生物在與環(huán)境污染物的相互作用中不是完全被動(dòng)的，很多微生物在與環(huán)境的相互作用中有積極主動(dòng)的一面。像不少致病性細(xì)菌對(duì)青霉素具有抗藥性一樣，很多微生物對(duì)各種重金屬污染也有抗性。
　　有機(jī)污染物的轉(zhuǎn)化和降解
　　相對(duì)于生物的進(jìn)化歷史來說，有些有機(jī)污染物被釋放到環(huán)境中的時(shí)間是非常短暫的，微生物與之相互作用的時(shí)間就更短了。但是農(nóng)藥等生物外源性物質(zhì)的使用和對(duì)環(huán)境的污染，增加了微生物生存環(huán)境中的不利因素，用科學(xué)術(shù)語來說，就是增加了微生物進(jìn)化的選擇壓力。這起到了促進(jìn)微生物的物種發(fā)生改變和進(jìn)化的作用，因?yàn)橹挥心切┌l(fā)生了對(duì)微生物本身存活有利的突變(如抗藥性、轉(zhuǎn)化能力、降解活性)的微生物，才能繼續(xù)存在于自然界中。我們?nèi)祟惛信d趣和有可能加以利用的微生物的新特性，正是它們對(duì)生物外源性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和降解作用。
　　許多微生物可以對(duì)生物外源性物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化，使其轉(zhuǎn)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(duì)殺蟲劑DDT和對(duì)炸藥TNT的轉(zhuǎn)化。
　　微生物除了可以轉(zhuǎn)化生物外源性物質(zhì)外，有些微生物還可以把它們分解掉，因?yàn)槭前演^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(zhì)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(shù)情況下，這種降解過程需要多種微生物的協(xié)同作用，才能徹底完成。有些微生物在降解生物外源性物質(zhì)時(shí)，要給微生物另外提供對(duì)它們生長繁殖所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，因?yàn)檫@些生物外源性物質(zhì)的降解產(chǎn)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(tài)學(xué)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(shí)也是很多見的。
　　被污染環(huán)境的生物修復(fù)
　　生物修復(fù)(Bioremediation)，也稱生物整治、生物恢復(fù)、生態(tài)修復(fù)或生態(tài)恢復(fù)，是指利用處理系統(tǒng)中的生物，主要是微生物的代謝活動(dòng)來減少污染現(xiàn)場(chǎng)污染物的濃度或使其無害化的過程。這種技術(shù)的特點(diǎn)是可以對(duì)大面積的污染環(huán)境進(jìn)行原位治理。生物修復(fù)中一個(gè)成功的例子是對(duì)阿拉斯加海岸線的石油污染的生物修復(fù)，經(jīng)處理后，使得近百公里海岸的環(huán)境得到改善。
　　生物修復(fù)的具體操作方法可分為兩種，其一是環(huán)境條件的修飾，如營養(yǎng)物質(zhì)的利用、通氣等。例如在石油污染的生物修復(fù)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(fù)的微生物包括土著微生物、外來微生物等。如果在污染區(qū)域內(nèi)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(qū)域內(nèi)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(qū)域的環(huán)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(fā)揮它們降解污染物的代謝作用，以達(dá)到對(duì)污染區(qū)域的生物修復(fù)的目的。
　　微生物作為分解者，以其龐大的基數(shù)成為了生態(tài)系統(tǒng)中基礎(chǔ)的層級(jí)，自下而上的影響著整個(gè)生態(tài)的平衡，并成為了生態(tài)環(huán)境自凈功能的重要組成部分。