人民卫生微生物学第8版第二章 微生物生态学.ppt

卫生微生物学,第二章微生物生态学,丁玲山西医科大学公共卫生学院王金桃山西医科大学公共卫生学院,目录,第一节：基本概念与研究范畴,第二节：微生物生态学的基本规律,第三节：微生物在自然界的分布及其主要类群,第四节：微生物生态学的应用及研究前景,01,02,03,04,重点难点,微生物生态学的基本概念微生物生态的基本规律微生物在自然界的分布,第一节基本概念与研究范畴,1.生态系统（ecosystem）在一定空间内存在的各种生物体所组成的生物群落与非生物的环境因子之间相互依存、相互制约，具有一定功能和独立性的动态复合体系。,一、基本概念,（一）生态系统及其相关概念,生态系统,非生物部分（生命支持系统）,生物部分,非生物环境能源、气候、基质和介质,物质代谢原料,CO2、O2、H2O等无机盐脂肪、蛋白质、碳水化合物等,生产者绿色植物、光合细菌、化能细菌等,消费者食草动物、肉食动物、杂食动物等,分解者（还原者）微生物（细菌、真菌等）,第一节基本概念与研究范畴,2.生物圈（biosphere）地球表面全部生物以及与之相关的自然环境的总称，是范围最大的生态系统。,第一节基本概念与研究范畴,3.生态系统的研究内容（1）天文地质过程所形成的物理因子及其变化（2）参加物质环境循环的无机物的丰度及其变化规律（3）参与生命活动的有机物丰度及其变化规律（4）初级生产者、消费者和分解者之间的相互作用和功能,第一节基本概念与研究范畴,4.微生物生态系统（microbialecosystem）微生物与其周围生物和非生物环境共同构成的整体系统。特点：（1）多样性（2）稳定性（3）适应性（4）物质流和能量流,生活在墨西哥湾海下三分之一英里（约合536米）处的一个冷泉生物群落。出现在前景的橙色垫状物实际上是一个微生物群体，以海底渗出的石油和天然气为食。它们启动了一个复杂的食物链并最终形成一个黑暗条件下的生态系统。出现在背景的是管状蠕虫，身长可达到8英尺（约合2.4米），寿命可达到数百年。,第一节基本概念与研究范畴,5.生态学（ecology）研究生物有机体与周围环境（包括生物环境与非生物环境）相互关系的科学，是一门研究生命系统与环境系统间相互作用规律的科学。6.微生态学（microecology）研究正常微生物群的结构、功能及其与宿主之间相互依赖和相互制约关系的科学。内涵：（1）学科层面：主要定位于细胞、分子、原子水平（2）生理学层面：正常菌群、免疫及营养在遗传因素的影响下形成微生态学三角（3）医学层面：即生态医学，主张治疗医学、预防医学、保健医学协调发展,第一节基本概念与研究范畴,7.微生物生态学(microbialecology)研究微生物与其生存环境、微生物群体之间相互关系、相互作用的科学。,第一节基本概念与研究范畴,第一节基本概念与研究范畴,（1）生境（habitat）微生物能够在其中生存，并执行其特定功能的微小环境，又称为微环境（microenvironment）或微小生境（microhabitat）。（2）龛（niche）不但包含了生物生存的空间概念，还蕴涵着功能作用以及在不同温度、湿度等环境变化中的位置，也称为生态位。（3）种群（population）具有相似特性和生活在一定空间内的同种个体群称之为种群。是组成群落的基本部分。（4）群落（community）一定区域内或一定生境中各种微生物种群相互松散结合的一种结构和功能单位称之为群落。,二、研究范畴,（一）微生物种类、分布及其随环境条件变化的规律（二）微生物之间、微生物与动植物之间的相互关系，及其与自然界/环境因素之间的相互影响（三）微生物代谢活动与自然界/环境的相互影响（四）极端自然环境中的微生物种类、作用和生命机制（五）环境污染对微生物的影响与微生物对污染物的净化（六）研究所用的传统和现代分子生物学方法,第一节基本概念与研究范畴,第二节微生物生态学的基本规律,第二节微生物生态学的基本规律,一、微生物生态演化规律,（一）适应性1.遗传适应性2.表型适应性（二）变异性1.可遗传变异2.非遗传变异（三）选择性1.自然选择2.人工选择,生物能适应在一定时间内的环境波动或剧变以保持自身生存和生活的能力。微生物进化中最重要的因素生物的基因型与环境因子共同作用的结果,第二节微生物生态学的基本规律,（一）适应性（adaptability）,第二节微生物生态学的基本规律,同种生物世代之间或同代生物不同个体之间在形态特征、生理特征等方面所表现的差异。,相互作用，相互联系，使生物适应演化，长期生存,（二）变异性（variability）,第二节微生物生态学的基本规律,1.自然选择（naturalselection）：在长期的自然选择过程中，生物逐渐发生变异以适应其环境，即生物的适应性；环境对生物的生存也具有选择性，即自然选择。2.人工选择（artificialselection）：按照人类的意愿使生物发生某些对人类有益的变异，并将这种变异保留、遗传给后代。是人为的，也称其为驯化（domestication）。,自然选择由自然环境条件决定过程缓慢变异对生物本身有利,人工选择以人的意志为主决定过程较快变异只对人类有利,自然选择和人工选择的主要区别,（三）选择性（selectivity）,第二节微生物生态学的基本规律,也叫最小因子定律（lawoftheminimum），利比希定律（Liebiglaw），适用于“稳定状态”的环境。在物质的进入与流出处于平衡的状态下，任何生物的总产量或生物量决定于所处环境中该生物生长所需的数量最少或浓度最低的营养因子。,二、微生物与生存环境相互作用的规律,（一）限制因子定律（lawofrestrictionfactor）,第二节微生物生态学的基本规律,又称为谢氏耐受性定律（Shelfordlawoftolerance），决定了微生物生存的可能性和分布的广泛性。在一个生态环境中，微生物的生长繁殖和消长不但取决于营养，而且受各种物理、化学因素如温度、pH、氧化还原电位、多种化学抑制因子等其他因素的影响。生物对各类生态因子所能耐受的最大值和最小值之间的范围叫耐受限度（limitsoftolerance）,（二）耐受性定律（lawoftolerance）,第二节微生物生态学的基本规律,核心是一个生物或一群生物的生存和繁殖取决于综合环境。在一个生境中的生物既受到营养物种类和浓度的限制，也受到至关重要的环境因子限制和生物本身对这些因子耐受性限度的限制。,（三）综合作用定律（combinedlaw）,第二节微生物生态学的基本规律,（一）互生（二）竞争（三）拮抗（四）捕食（五）寄生（六）共生,三、生态系统中微生物种群间相互作用的规律,（一）互生（alternation）两种可以单独生活的生物在一起时，通过各自的代谢活动而有利于对方，或有利于双方的生活方式。,1.偏利互生（commensalism）其中一个获益，另一个不受影响2.互利互生（mutualism）互换产物，相互依赖，共同有利，在生理上形成一个整体3.互惠互生（synergism）互相受益，但不是一种固定的关系，解除关系后双方都能独立存在,第二节微生物生态学的基本规律,（二）寄生（parasitism）一种生物侵入到另一种生物体，从宿主体内获得自己所需要的营养物质并生长繁殖，使后者蒙受损害甚至被杀死的一种相互关系。前者称为寄生体或寄生物，后者称为寄主或宿主。寄生只对寄生物有利，对宿主有害。,第二节微生物生态学的基本规律,（三）拮抗（amensalism）两个种群共同生长，由某种生物所产生的特定代谢产物可干扰他种生物的代谢活动，抑制其生长和繁殖甚至杀死它们的一种相互关系，也称偏害共栖。根据拮抗作用的选择性，可将拮抗分为非特异性拮抗和特异性拮抗两类。,（四）捕食（predation）一种大型的生物直接捕捉、吞食另一种小型生物以满足其营养需要的相互关系，又称猎食。（五）竞争（competition）两个种群共同生活于同一环境中，因需要相同的生长因子或其他环境条件而发生的争夺现象。（六）共生（symbiosis）两种微生物生活在一起，但两者互无伤害，互无补益，各自互无影响的关系，也叫种间共处（neutralism）。,第二节微生物生态学的基本规律,第二节微生物生态学的基本规律,生态平衡（ecologicalbalance）又称“自然平衡”（balanceofnature），是指生态系统各组成部分的内部或相互之间，在长期的发展演化过程中，通过相互制约、转化、补偿、交换及适应而建立起来的一种相互协调的动态平衡关系。生态平衡是生物维持正常生长发育、生殖繁衍和人类生存的基本条件。,四、微生物生态平衡规律,（一）自然环境中微生物的生态平衡与失调,微生物在人体内的正常菌群与机体的生命活动和免疫功能密切相关，参与机体的生命活动，与宿主细胞进行物质、能量和基因的交流，在宿主的生长发育、消化吸收、生物拮抗及免疫等方面发挥着不可替代的生理功能，共同维持着生命过程。菌群失调（dysbacteriosis）指在原生态环境内正常微生物群发生种类、总菌数和各种群落成员的活菌数的异常变化。,第二节微生物生态学的基本规律,（二）人体环境中微生物的生态平衡与失调,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,（一）土壤中的微生物（二）水体中的微生物（三）空气中的微生物（四）工农业产品中的微生物（五）正常人体及动物体中的微生物（六）极端环境中的微生物,一、微生物在自然界的分布,（一）土壤中的微生物,微生物生存与繁殖的理想场所，最稳定的生境。微生物种类多，数量大，成为其他自然环境中微生物的主要来源。种类：细菌（70%90%）、放线菌、真菌、藻类和原生动物等。,（二）水体中的微生物,生境复杂，有漂游生物生境、浮游生物生境、水底生物生境、外生生物生境、肠-粪浮游生物生境等。种类：革兰阴性菌（90%），鞘细菌和有柄附生细菌。通过水体传播的病原微生物：沙门菌属、志贺菌属、霍乱弧菌等。,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,分布不均，随环境条件及微生物的抵抗力不同而不同。主要来源：带有微生物菌体及孢子的灰尘，人和动物呼吸道排出物。传播形式：飞沫、飞沫核。导致疾病：呼吸系统疾病、动植物病害的传播、发酵工业的污染及工农业产品的发霉腐败变质等。,（四）工农业产品中的微生物,农产品：粮食中最为突出；曲霉属、青霉属和镰孢(霉)属为主；曲霉危害最大，青霉次之。食品：食品加工、包装、运输和贮藏等过程；细菌、霉菌、酵母菌等。工业产品：生霉、腐烂、腐蚀、老化、变形与破坏。,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,（三）空气中的微生物,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,正常菌群：生活在健康人体和动物体各部位种类较稳定且一般有益无害的微生物种群。,（六）极端环境中的微生物,高温环境低温环境高酸环境高碱环境高盐环境高压环境高辐射强度环境,微生物分布于特殊环境中，具有特殊的生物学特性和功能,（五）正常人体及动物体中的微生物,二、环境中微生物的主要类群,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,细胞型微生物,非细胞型微生物,原核细胞型微生物,真核细胞型微生物,病原微生物,条件致病微生物,非致病性微生物,按细胞结构分类,按致病性分类,（一）原核细胞型微生物,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,1.细菌（becteria）性状最具代表性、数量最多的一群单细胞微生物，具典型原核细胞结构。,环境中常见致病菌与条件致病菌,环境中其他常见细菌,典型原核细胞构造,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,2.放线菌（Actinomycetes）具有丝状分枝细胞和无性孢子的原核微生物，菌落呈放射状。其细胞壁含有胞壁酸，对抗生素敏感，仅有无性繁殖，可形成菌丝及菌丝体、且以菌丝断裂、形成分生孢子或孢子囊的形式增殖。代表属：链霉菌属（Streptomyces）、诺卡菌属（Nocardia）、单孢菌属（Micromonospora）,链霉菌孢子丝形状,菌丝菌丝断裂为孢子部分菌丝放大，示菌丝产隔断裂情况,诺卡菌,小单孢菌,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,3.鞘细菌（sheathedbacteria）单细胞连成的丝状体细菌。丝状体外包围一层由有机物或无机物组成的鞘套；丝状体不分枝或形成假分枝，靠游动孢子或不能游动的分生孢子行无性繁殖，常生存于淡水或海水中。代表菌属：球衣菌属（Sphaerotilus）：细胞串成丝状，丝状体外包有鞘套；大多具有假分枝；专性需氧，有较强的分解有机物的能力；常生存于流动的、有机物污染的淡水中，为活性污泥曝气池中常见菌种。铁细菌属（Crenothrix）：带鞘的丝状菌，但丝状体多不分枝；能将低铁氧化为高铁，在铁素循环中占重要位置。,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,4.蓝细菌（Cyanobacteria）,过去归入藻类，有时仍被称为“蓝藻”。近年根据其细胞结构仅有原始的核而归入原核细胞型微生物单细胞生物，呈球形或杆状，光合型微生物喜中温，对冷、热，干旱有较强耐受性代表属：微囊藻属（Microcystis）、鱼腥藻属（Anabaena）、颤藻属（Oscillatoria）,水华,赤潮,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,5滑动细菌,不借鞭毛而靠菌体蠕动进行滑动，多为丝状体，也有杆状或球状常见的代表菌贝氏硫菌属（Beggiatoa）：菌体为丝状体，没有鞭毛能滑动，菌丝不固着在物体上，分布于淡水或海水中，能氧化H2S为硫，对自然界硫素循环起着重要作用噬纤维菌属（Cytophaga）：呈杆状，两端略尖，细胞柔软，可以滑行，分解纤维素能力很强,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,细胞分化程度高，有细胞核、核膜和核仁；细胞质内细胞器完整。真菌藻类原生动物,（二）真核细胞型微生物,真菌,藻类,原生动物,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,1.真菌（fungus）分布广泛，存在于各种环境和生物体内，尤其是偏酸性和渗透压较高的环境中，大多为腐生，少数为寄生，常引起水果、蔬菜、乳酪类、酒类和肉类等食品的变质和衣物、器具的霉烂，少数能引起动植物病害和人类疾患。,单细胞真菌：酵母菌（yeast）和类酵母菌（yeast-likefungus）多细胞真菌：多形成菌丝和孢子，称为丝状菌（filamentousfungus）或霉菌（mold）二相性（dimorphic）：环境和培养条件不同而见两种细胞形态相互转变,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,（1）环境中酵母菌的代表属酵母菌属（Saccharomyces）种类多，分布广；大多数腐生，少数寄生；可用于酿酒和面包发酵；使果酱等糖制品和蜂蜜变质假丝酵母属（Candida）有酒精发酵能力；食用酵母和饲料酵母的重要菌种红酵母属（Rhodotorula）常污染空气、食品或其他；少数为人类或动物的致病菌球拟酵母属（Torulopsis）对多种糖有分解能力；耐受高浓度的糖和盐环境毕赤酵母属（Pichia）分解糖能力弱，不产生酒精，耐受高浓度酒精并使之氧化，常使酒类和酱油变质形成白色干燥浮膜,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,（2）环境中霉菌的代表属,曲霉属（Aspergillus）：酿造、食品和制药行业的重要菌属。青霉属（Penicillium）：存在于水果、食品上引起变败；有些可产生真菌毒素污染粮食和食品；青霉素、灰黄霉素由此属中菌种产生。镰刀菌属（Fusarium）：寄生或腐生于植物上，有些种可产生真菌毒素。交链孢霉属（Alternaria）：是土壤、空气和工业材料上常见腐生霉菌。芽枝霉属（Cladosporium）：引起食品霉变，污染谷物、纺织品、皮革和橡胶等。根霉属（Rhizopus）：分解有机质能力极强，在酿造、生物制品领域应用。毛霉属（Mucor）：分解淀粉及蛋白能力极强，常用于发酵工业。木霉属（Trichoderma）：可生产纤维素酶、合成核黄素、产生抗生素等，有些能转化甾体化合物。,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,2藻类（algae）,低等植物，广泛浮游于淡水及海洋水的上层，也存在于陆地阴湿处。自然界水生生态系统中重要的初级生产者，水生食物链的关键环节。与水体生产力和物质转化及能量流关系密切，使水体保持自然生态平衡。常见种类,绿藻：藻体中含叶绿素及少量胡萝卜素、叶黄素，细胞呈草绿色硅藻：藻瓣中含大量硅质和果胶质，死亡后藻壳遗留于海中，形成硅藻土，可作滤剂、绝缘剂甲藻：水中主要浮游藻类，喜酸性环境，大量增殖引起“赤潮”，毒素可累积于贝体,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,单细胞低等动物在环境中分布广，海洋、湖水、河水、池水及土壤中均有存在。有的原生动物在高等动物与人体内寄生或共生，更多的为腐生。水中重要的浮游生物在活性污泥法处理污水中，原生动物以吞食细菌为主，在净化污水中起一定作用。常见的原生动物：鞭毛纲、肉足纲、纤毛纲和孢子纲,3.原生动物（protozoa）,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,运动细胞器是鞭毛多生活在含有机质较多的污水中常见的有绿眼虫、波豆虫、跳侧滴虫等,鞭毛纲（Mastigophora）,运动器官是伪足，也是摄食细胞器生活在富有藻类、含氧量较高的水塘或沟渠中，或潮湿土壤的表层。最常见的代表有变形虫（Amoeba）,肉足纲（Sarcodina）,1.绿眼虫2.波豆虫3.滴虫几种鞭毛虫,变形虫,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,运动细胞器是纤毛，亦为摄食细胞器结构较复杂无性生殖为横分裂生殖，有性生殖为接合生殖在活性污泥污水处理池中，常以原生动物的类群与比例作为污水净化的指标。一般条件下，普通单体钟虫与群体钟虫较多时，说明污泥曝气池运转正常。分游泳型（如草履虫）和固着型（如钟虫类）,纤毛纲（Ciliata）,1.草履虫2.肾形虫3.豆形虫4.浸游虫游泳型纤毛虫,1.小口钟虫2.沟钟虫3.累枝虫固着型纤毛虫,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,无运动细胞器，有些种类在某一时期有鞭毛或伪足有复杂的生活史原虫为寄生，环境中少见间日疟原虫（Plasmodiumvivax）是我们很熟悉的寄生于人体的原生动物，在人体内引起疟疾病，即引起人周期性的恶寒与高烧，是由一种吸血的雌性按蚊（Anopheles）进行传播,孢子虫纲（Sporozoa）,间日疟原虫生活周期,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,（三）非细胞型微生物,是由蛋白质外壳包裹一种核酸（RNA或DNA）形成的颗粒，不具细胞结构体积小、结构简单、专性寄生、抵抗力特殊空气、土壤、水和食品等各种外环境均可为其生境并成为传播疾病的媒介,流感病毒示意图,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,空气中：室内：来自人体，如流感病毒、鼻病毒、腮腺炎病毒、麻疹病毒、天花病毒、水痘病毒、风疹病毒和腺病毒等；室外：来自污水喷灌，以肠道病毒为主。水中：来自人、畜粪便及污水等，多为肠道内病毒土壤中：可吸附于颗粒内而延长存活时间食品中：主要引发甲型病毒性肝炎和胃肠炎等食源性疾病,病毒（virus）在自然界分布广泛，可感染细菌、真菌、植物、动物和人，常引起宿主发病。空气、土壤、水和食品等各种外环境均可为其生境并成为传播疾病的媒介。,脊髓灰质炎病毒,第三节微生物在自然界的分布及其主要类群,2.噬菌体（bacteriophage）,感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒。分布极广在人和动物的排泄物或污染的井水、河水中常含有肠道菌的噬菌体在土壤中含有土壤细菌的噬菌体有严格的宿主特异性，只寄居在易感宿主菌体内。由于噬菌体结构简单、基因数少，是分子生物学与基因工程的良好实验工具。,噬菌体结构示意图,裂解噬菌体的复制周期,第四节微生物生态学的应用及研究前景,一、微生物生态学的应用（一）全面认识传染病发生的原因,病原体感染并非导致疾病发生的唯一原因。从流行病学对病因研究的观点看，病原微生物的暴露可能造成感染，也可能不发生感染，而感染后也不一定导致疾病，这取决于病原体的致病能力和机体免疫功能两大因素。微生物生态理论将疾病的发生归结于病原-宿主-环境的生态失调以及影响这一生态平衡的因素，