水中微生物族群

水中微生物族群
(The Structure and Dynamics of Microbial Populations in Water)
概观
　　地球上之水气不断发生循环，供给所有生物所需之水份。湖泊、水蒸气及海洋等之蒸发，与植物叶部之蒸散，使水气逸入大气中，而后以雪，雹、雨等形式重降大地。水滴状似单纯，其实颇为复杂，常含多种化学物质与微生物。该微生物可改变水中之化学物质，也可供给其它水中生物之营养。
　　人类所用之水源自自然界之淡水如井、湖泊及河川等。为维护饮水安全，除个别井水供给优质水外，水需经处理以去除可能致病之微生物。水净化厂即为此目的而设计。
　　废水或下水道污水乃人类于家庭或工厂已使用过之水，排放前需先经处理。微生物于废水处理过程中职司重要角色，分解所含之大部分有机物质及其它不良化学物质。

一、 天然水
　　地球之水气与大气之间之循环过程是谓水循环（hydrologic cycle）。此术语指海洋及其它水体表面之蒸发，与植物之蒸散（叶片表面之蒸散）等所形成之水气进入大气中，而后大气中之水气以雨、雪或雹等方式降回地球（图29~1；发现29~1）。于此循环中，天然水依其位置，可分为3类：
（１）大气水：含于云中之水，以雨、雪或雹等方式降下。
（２）表面水：如湖泊、溪流、河川、及海洋等水体。
（３）地下水：地球表面以下之水，此处之土壤孔隙与岩石间空间，均为水所饱和。
　　天然水可供许多微生物之栖息所在，有些为淡水栖息所（freshwater habitat），如湖泊、池塘、温泉、沼泽及河流等；有些为海洋栖息所（marine habitat）或海弯栖息所（estuarine habitat），此乃介于淡水源与海洋之间之区域。海湾系半围绕之海岸水体，与大海自由连接，故海洋环境为最大之水栖息所。
　　研究淡水、海洋与海弯环境之微生物是谓水微生物学（aquatic microbiology）。精专此方面研究之微生物学者，必需体察各种水环境之许多理化特征。

发现29~1：水滴之旅
地球水气之重循环特征，由此篇散文"水滴之旅"表露无遗，作者为纽约市第63公市学校六年级学生。

自我测验
１.何谓水循环？
２.自然水有那3类？

二、 水环境
　　水环境之微生物种类，依该环境中较优势之理化条件而定。此等环境条件彼此差异甚大如温度、光、pH与营养等因素。

１. 温度
　　表面水之温自极区之0℃以至赤道区之40℃，90﹪以上之海洋环境，其表面以下之温度低于5℃，此条件适于嗜冷微生物之生长。
　　部分嗜温菌曾自海底裂缝之厌气性沈集物分离出，例如原始细菌－隐藏火网菌乃分离自意大利火山岛附近海底，该处水温高达103℃，自海底裂缝涌出。据实验室之研究发现，隐藏火网菌之最适生长温度为。105℃（高于水之沸点5度），低于82℃完全不能生长。本菌为厌气性自营菌，生长时自氢气（H2O）与元素硫（S）形成硫化氢（H2S）。趋有机火杆菌为嗜超热原始细菌之新组代表，分离自全球不同地区之海洋，如图29~2所示。本属菌种之最适生长温度为100℃，乃革兰氏阴性杆菌，绝对厌气，藉鞭毛运动。目前微生物学者仍正发现能生活于极高温之新种微生物。

２. 静水压（Hydrostatic pressure）
　　静水压乃垂直水柱底部之压力，随水深每增加32.8英尺（10公尺），压力增力1大气压（14.7 lb/in2）。于极深处如接近海底，静水压颇大，能引起影响生物系统之许多变化，如改变化学反应速率，营养之溶解度，及水之沸点。
　　嗜压微生物（barophilic organism）乃不能生长于正常大气压而需高静水压之微生物。嗜压菌曾自1000~10000公尺深处之太平洋壕沟分离出，分离时需特殊采样设备，自采样以至培养期间维持检体之高压。一般而言，嗜压菌生长之最佳压力以稍低于采样处之压力为理想，且均需孵育于嗜冷温度（约2℃）。

３. 光
　　大多数之水栖生物，直接或间接仰赖光合作用微生物之代谢产物。水环境中之主要光合作用微生物为藻类与蓝细菌，其生长局限于水之上层，也即光能穿透之处。发生光合作用之水层深度是谓光合区（photic zone），此区域之大小依局部条件而异，如太阳位置、季节，尤其水之混浊度等。一般而言，光合作用受水之清澈度而影响，多局限于水体上层50~125公尺处。

４. 盐度（Salinity）
　　天然水之盐度或氯化钠浓度差异甚大，淡水几近于零，盐湖如犹他州之大盐湖则达饱和（32﹪NaCl）。海水之NaCl含量约2.75﹪；盐类（NaCl及其它盐类）之浓度介于3.3~3.7﹪。除NaCl外，水中之主要盐类为钠之硫酸盐与碳酸盐，及钾、钙、镁等之氯化物、硫酸盐与碳酸盐。浅海岸区与近河口处，盐类浓度常较低。海弯之盐浓度则依顶部至底部，高处至低处，及季节迁移等而异，对于栖息此水体之生物构成经常变化之环境。大多数之海洋微生物为嗜卤性；其生长之最佳NaCL浓度为2.5~4.0﹪。然而1﹪以上之NaCL常可抑制湖泊与河川之微生物。三种细菌对不同盐度之生长反应如图29~3所示。

５. 混浊度
　　表层水之清晰度差异甚大，如亚得里亚海清澈见底，密西西比河则高度混浊。与水浊度有关之悬浮物质包括：（1）矿物质微粒，源自海岸侵蚀，（2）碎屑（detritus）为颗粒性有机物质，源自动植物物质之分解产物，如纤维素、半纤维素，与几丁质，（3）悬浮之微生物。水之浊度愈大，光之穿透愈小。颗粒性物质也可作为微生物附着之表面，许多菌种为形成菌落即附着于固体表面，如图39~4所示。此黏着现象已说明于第17章。此外，颗粒性物质也可作为微生物代谢之受质。

６. 氢离子浓度（pH）
　　一般水栖微生物之最适生长pH值为6.5~8.5。海水之pH值为7.5~8.5，而大多数海洋微生物于培养基上之最佳生长pH值为7.2~7.6。湖泊与河川依地区环境之不同，范围较大。例如原始细菌曾自pH 11.5之非洲盐分离出，原始细菌之其它菌种则曾发现生长于pH 1.0或以下。

７. 营养
　　水环境中有机与无机物质之含量与种类，显著影响微生物之生长。硝酸盐与磷酸盐为一般之无机成分，可促进藻类之生长。过量之硝酸盐或磷酸盐可引起水体中藻类之过度繁殖，以致耗尽水中之氧供应，导致所有其它水栖生物之窒息。
水体中之营养含量是谓环境之营养负荷（nutrient load）。近岸水域汇集家庭废水，内含有机与无机化合物，易引起营养物物质；源自工业废物之汞与其它重金属，可抑制部分微生物之生长，惟抗性微生物依然生长。例如许多假单胞菌能生存于含汞之环境中，并将汞转变为甲基汞，此乃挥发性物质，逸入大气中，故移除水环境之汞。

自我测验
１.影响水环境中微生物菌丛之主要环境条件为何？
２.嗜压微生物之显著特征为何？
３.蓝细菌与藻类之共同代谢特征为何？
４.水微生物学中谓营养负荷意义为何？