第七微生物生态和农业微生物应用技术

1、第七章第七章 微生物生态和微生物生态和农业农业微生物应用技微生物应用技术术 1 1、环境与生态、环境与生态 2 2、环境中的微生物、环境中的微生物 3 3、微生物与生物地球化学循环、微生物与生物地球化学循环 4 4、生物间的相互关系、生物间的相互关系 5 5、应用微生物技术、应用微生物技术 6 6、资源微生物开发的理论和实践、资源微生物开发的理论和实践l 环境：环境：生物体外的空间；生物体外的空间；l 环境因素：环境因素：化学因素、生物因素、物理因素化学因素、生物因素、物理因素l 生态学：生态学：研究生态系统内物理、化学、生物因素相互作用的研究生态系统内物理、化学、生物因素相互作用的学科。学科

2、。l 生态与生态系统：生态与生态系统：n生态：生态：区域内生物因素、化学因素和物理因素的协调统一。区域内生物因素、化学因素和物理因素的协调统一。n生态系统：生态系统：一定空间内生物因子和非生物因子通过物质循环一定空间内生物因子和非生物因子通过物质循环和能量流动形成的相互作用、相互依存而构成的一个系统。和能量流动形成的相互作用、相互依存而构成的一个系统。包括包括 宏观生态系统和微生态系统宏观生态系统和微生态系统n生态平衡：生态平衡：一定生态系统内三因素协调的动态稳定一定生态系统内三因素协调的动态稳定n生物因素：生物因素：生产者、消费者、分解者生产者、消费者、分解者 生产者 消费者 （主要自养生物

3、） （各种动物） 分解者（化能有机营养型微生物，分解死亡的生物体） 食物链 生态系统内生物之间的相互关系 植物 动物 微生物食物链协助种群扩大协助种群扩大促进植物生长促进植物生长协助种群扩大协助种群扩大促进微生物生长（动物体内、促进微生物生长（动物体内、体外）体外）促进生长、传染病促进生长、传染病促进生长、植物病害促进生长、植物病害促进生长和繁殖促进生长和繁殖 微生物种群研究，也就是微生物区系分析，微生物区系分析方法微生物种群研究，也就是微生物区系分析，微生物区系分析方法包括：包括：l传统的基于可培养技术的方法。工作步骤：传统的基于可培养技术的方法。工作步骤：采样采样数量测定、纯种分离数量测定

4、、纯种分离分类鉴定分类鉴定生物学特性研究（包括表形生物学特性研究（包括表形性状研究和遗传也行研究）；性状研究和遗传也行研究）；l基于非培养技术的方法。包括基于非培养技术的方法。包括（1 1）TGGETGGE技术，技术，DGGEDGGE技术，工作步骤：技术，工作步骤：样品总样品总DNADNA提取提取设计引物设计引物PCRPCR扩增保守区段（原核生物为扩增保守区段（原核生物为16S rDNA16S rDNA, ,真核生物是真核生物是18S rDNA18S rDNA）TGGETGGE或或DGGEDGGE电泳技术分离保守区段的扩增混电泳技术分离保守区段的扩增混合物合物回收保守区段回收保守区段质粒或噬菌

5、体载体连接质粒或噬菌体载体连接克隆到受体细胞克隆到受体细胞测测序公司对保守区段测序序公司对保守区段测序序列提交序列提交GenBankGenBank 构建系统发育树。构建系统发育树。（2 2） RNARNA探针技术。工作步骤：探针技术。工作步骤： 样品总样品总DNADNA提取提取根据保守区段设计合成根据保守区段设计合成RNARNA探针探针探探针标记（荧光标记、放射性同位素标记、生物素标记）针标记（荧光标记、放射性同位素标记、生物素标记） 探针和总探针和总DNADNA杂交杂交杂交识别杂交识别l土壤中的微生物：土壤中的微生物：n不同类型土壤和理化性质不同土壤，微生物的种群和数量是不同类型土壤和理化性

6、质不同土壤，微生物的种群和数量是不相同的，微生物种群和数量上的变化，直接反映出不同土壤不相同的，微生物种群和数量上的变化，直接反映出不同土壤理化性质的不同和变化。理化性质的不同和变化。土壤中的微生物，从数量看，细菌土壤中的微生物，从数量看，细菌 放线菌放线菌 真菌真菌( (霉菌）霉菌） 真菌真菌（酵母菌）（酵母菌） 藻类藻类 原生动物。以重量计，真菌原生动物。以重量计，真菌 细菌细菌 原生动物原生动物 藻类藻类 酵母菌。酵母菌。n特殊的微生物类群可指示土壤类型和土壤优劣的作用特殊的微生物类群可指示土壤类型和土壤优劣的作用. .具体应用：具体应用： （1)土宜：什么土壤种植什么植物；土宜：什么土

7、壤种植什么植物； （2）土壤改良的生物指标；土壤改良的生物指标；根据土壤中微生物种群组成和根据土壤中微生物种群组成和数量上的变化（土壤微生物区系分析），作为土壤改良的数量上的变化（土壤微生物区系分析），作为土壤改良的生物指标。生物指标。 （3）设计种植制度、耕作制度和施肥措施设计种植制度、耕作制度和施肥措施 （4）有机污染的微生物修复；有机污染的微生物修复；l水体中的微生物水体中的微生物 水体的自净化作用：污染的水体在快速流动和氧气充足时，水体的自净化作用：污染的水体在快速流动和氧气充足时，水体会自我净化。水体会自我净化。l空气中的微生物：空气中的微生物： 空气消毒和过滤是防止病源（或医源）微

8、生物的重要措施，空气消毒和过滤是防止病源（或医源）微生物的重要措施，通常的空气消毒方法是紫外灯消毒和化学药剂熏蒸。通常的空气消毒方法是紫外灯消毒和化学药剂熏蒸。l工业产品上的微生物：工业产品上的微生物：l农业产品上的微生物：农业产品上的微生物：在实际应用中主要是防止腐败和农产在实际应用中主要是防止腐败和农产品的微生物加工。品的微生物加工。l极端环境下的微生物：极端环境下的微生物：极端微生物：极端微生物：生长在极端环境如高温、高压、低温、高酸、高碱、高生长在极端环境如高温、高压、低温、高酸、高碱、高毒、高渗、干旱、强辐射的微生物。毒、高渗、干旱、强辐射的微生物。 极端微生物极端微生物的细胞结构、

9、生理、的细胞结构、生理、代谢、遗传都和普通微生物不同代谢、遗传都和普通微生物不同。主要包括以下几种类型：主要包括以下几种类型：嗜热微生物嗜热微生物 耐热菌：耐热菌：3030生长温度生长温度45-5545-55 兼性嗜热菌兼性嗜热菌：3030生长温度生长温度50-6550-65 专性嗜热菌专性嗜热菌：4242生长温度生长温度65-7065-70 极端嗜热菌极端嗜热菌：最低最低42427070 超嗜热菌超嗜热菌：最高最高113113，最适，最适80-11080-110，最低，最低5555。 分布分布：草堆、厩肥、堆肥、煤堆、温泉、火山地、地热区域土壤、草堆、厩肥、堆肥、煤堆、温泉、火山地、地热区域

10、土壤、海底火山口附近。海底火山口附近。 应用：应用：高温堆肥；耐热酶。高温堆肥；耐热酶。嗜冷微生物嗜冷微生物：指一类最适生长温度低于指一类最适生长温度低于15,最高生长温度低最高生长温度低于于20以及一些最低生长温度在以及一些最低生长温度在0以下的微生物。以下的微生物。 分布：分布：冰箱；冷库；寒冷地带。冰箱；冷库；寒冷地带。嗜酸微生物嗜酸微生物：只能生活在只能生活在PH4的环境中的微生物。的环境中的微生物。嗜碱微生物嗜碱微生物：指专性生活在指专性生活在pH1011强强碱性下的微生物碱性下的微生物。分布分布：碱性盐湖、碳酸盐含量高的土壤中碱性盐湖、碳酸盐含量高的土壤中。类群：类群：多数是芽孢杆

11、菌属（多数是芽孢杆菌属（Bacillus)的细菌，少数是古细菌的细菌，少数是古细菌。应用：应用：开发一些特殊的蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶，用于洗涤开发一些特殊的蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶，用于洗涤剂中。剂中。嗜盐微生物：嗜盐微生物：必须在一定的盐度下才能生存的微生物，有些必须在一定的盐度下才能生存的微生物，有些种类必须生活在含盐高达种类必须生活在含盐高达12-30%的环境中，称为极端嗜盐菌，的环境中，称为极端嗜盐菌，嗜盐微生物在盐碱地的改良中具有独特的指示作用。嗜盐微生物在盐碱地的改良中具有独特的指示作用。嗜压微生物：嗜压微生物：必须生活在很深的水中和一些油井中，这些地必须生活在很深的水中和一些油

12、井中，这些地方压力很大。方压力很大。抗辐射微生物：抗辐射微生物：这类微生物只是抗辐射能力强。在辐射生物这类微生物只是抗辐射能力强。在辐射生物学，如核生物学研究中具有重要的研究价值。学，如核生物学研究中具有重要的研究价值。l生物体内外的微生物：生物体内外的微生物：植物体内外的微生物植物体内外的微生物，包括叶围（表）微生物，植物内生微生物，包括叶围（表）微生物，植物内生微生物，根围（际）微生物，他们对植物病源微生物的防护，植物营养都有重根围（际）微生物，他们对植物病源微生物的防护，植物营养都有重要的作用。要的作用。特点特点：共生微生物和内生微生物。这些微生物主要包括：共生微生物和内生微生物。这些微

13、生物主要包括：u根际微生物根际微生物(rhizosphere microorganisms)根际：根际：邻接根表的土壤区域。邻接根表的土壤区域。根际中的微生物称为根际微生物。根际中的微生物称为根际微生物。根际效应（根际效应（Rhizophere effect)：同根际外的微生物相比，根际微生物同根际外的微生物相比，根际微生物在数量和种类上同其他非根际微生物相比明显不同，表现出一定的独在数量和种类上同其他非根际微生物相比明显不同，表现出一定的独特的特点，叫根际效应（特的特点，叫根际效应（Rhizophere effect)。根土比：根土比： 根际微生物根际微生物数量数量和和非根际微生物非根际微生

14、物数量数量之比。之比。 根际微生物根际微生物 植物植物u菌根菌根(mycorrhiza)定义：定义： 一些土壤真菌和植物根以互惠关系建立起来的共生体一些土壤真菌和植物根以互惠关系建立起来的共生体称为称为菌根菌根。陆地上陆地上97%97%以上的绿色植物具有菌根。以上的绿色植物具有菌根。作用：作用：菌根可以大大促进磷、氮和其他矿物质的吸收。菌根可以大大促进磷、氮和其他矿物质的吸收。类型：类型：n内生菌根：内生菌根：也叫也叫VA菌根或泡囊丛枝菌根菌根或泡囊丛枝菌根（有隔膜真菌形成的（有隔膜真菌形成的和无隔膜真菌形成的）和无隔膜真菌形成的）内生菌根的菌丝体主要存在于根的皮层内生菌根的菌丝体主要存在于根

15、的皮层中，在根外较少。内生菌根存在于草、林木和各种作物中。中，在根外较少。内生菌根存在于草、林木和各种作物中。n外生菌根外生菌根：菌丝在根表形成：菌丝在根表形成鞘套鞘套，一般不侵入根细胞。，一般不侵入根细胞。泡囊丛枝菌根（泡囊丛枝菌根（VA菌根）菌根）VA菌根（泡囊丛枝菌根）示意图外生菌根外生菌根两种类型的菌根两种类型的菌根u固氮微生物固氮微生物 A:自生固氮微生物自生固氮微生物 B:共生固氮微生物共生固氮微生物 1）：根瘤菌和豆科植物的共生固氮）：根瘤菌和豆科植物的共生固氮 2）:放线菌和非豆科植物共生固氮放线菌和非豆科植物共生固氮 结瘤植物多为木本双子叶植物，如桤木、杨梅、沙棘等。结瘤植物

16、多为木本双子叶植物，如桤木、杨梅、沙棘等。 3）:蓝细菌和植物的共生固氮：蓝细菌和植物的共生固氮： 蓝细菌蓝细菌(蓝藻蓝藻)中许多属种除能自生因中许多属种除能自生因氮外，念珠藻属、鱼腥藻届等属的蓝细菌与部分苔类植物、蕨类植物、氮外，念珠藻属、鱼腥藻届等属的蓝细菌与部分苔类植物、蕨类植物、裸子植物和被子植物可建立具有固氮功能的共生体。裸子植物和被子植物可建立具有固氮功能的共生体。理论意义，应用理论意义，应用不大不大。l人体内外的微生物人体内外的微生物l动物体内外的微生物动物体内外的微生物Rhizobium nodules on a pea rootl 地球化学循环：地球化学循环： 地球化学元素在

17、物理、化学、生物的作用地球化学元素在物理、化学、生物的作用下不断的转化和运动。下不断的转化和运动。l生物地球化学循环生物地球化学循环(biogeochemical cycles) ：u 定义：定义：是指生物圈中的各种化学元素，经生物化学作用在是指生物圈中的各种化学元素，经生物化学作用在生物圈中的转化和运动，是地球化学循环的重要组成部分。生物圈中的转化和运动，是地球化学循环的重要组成部分。这种循环受二个主要的生物过程控制：这种循环受二个主要的生物过程控制：自养生物对无机营养物的同化；自养生物对无机营养物的同化；异养生物对有机物质的矿化（分解）异养生物对有机物质的矿化（分解）。 微生物在有机物的微

18、生物在有机物的矿化中起决定性作用，地球上矿化中起决定性作用，地球上90%以上有机物的矿化都是由以上有机物的矿化都是由细菌和真菌完成的。细菌和真菌完成的。u各主要循环各主要循环1、碳循环、碳循环过程：过程： COCO2 2固定和高分子物质固定和高分子物质的合成：的合成： 生物多聚物的分解生物多聚物的分解 淀粉淀粉 纤维素和半纤维素纤维素和半纤维素 果胶质果胶质 木质素木质素 脂类脂类 2 2、氮循环、氮循环氮循环由氮循环由6 6种氮化合物的转种氮化合物的转化反应所组成，包括以下几化反应所组成，包括以下几个过程：个过程：n固氮作用固氮作用n氨化氨化( (脱氨脱氨) )作用作用n硝化作用硝化作用n硝

19、酸盐还原与反硝化作用硝酸盐还原与反硝化作用及脱氮作用及脱氮作用n固氮固氮固氮作用固氮作用：N N2 2被还原为氨和其它氨化物的过程。包括非生物固被还原为氨和其它氨化物的过程。包括非生物固氮和生物固氮。氮和生物固氮。 非生物固氮：非生物固氮：有两个来源，一是氮肥厂，二是雷电。有两个来源，一是氮肥厂，二是雷电。 N N2 2被固定成氨（铵盐）和硝酸（硝酸盐）被固定成氨（铵盐）和硝酸（硝酸盐） 生物固氮：生物固氮：由固氮微生物将由固氮微生物将N2N2固定成氨（铵盐），固氮微固定成氨（铵盐），固氮微生物有类，一是生物有类，一是共生固氮微生物，共生固氮微生物，二是二是自身固氮微生物。自身固氮微生物。 n

20、氨化氨化( (脱氨脱氨) )作用作用 氨化作用是有机氮化物转化成氨氨化作用是有机氮化物转化成氨( (铵铵) )的过程。的过程。n氨的硝化氨的硝化 氨的硝化称为氨的硝化称为硝化作用，硝化作用，硝化作用是好氧条件下在硝化细硝化作用是好氧条件下在硝化细菌作用下，氨被氧化成硝酸盐的过程。菌作用下，氨被氧化成硝酸盐的过程。 微生物微生物：硝化细菌，是严格的化能自养细菌硝化细菌，是严格的化能自养细菌 包括两个群，包括两个群，即亚硝酸细菌和硝酸细菌即亚硝酸细菌和硝酸细菌4 4）硝酸盐还原与反硝化作用）硝酸盐还原与反硝化作用 硝酸盐硝酸盐亚硝酸盐亚硝酸盐氨氨(N2) N20再次利再次利用用脱氮作脱氮作用用固氮

21、作固氮作用用3 3、硫循环、硫循环硫的循环包括还原态无机硫的循环包括还原态无机硫化物的氧化，异化硫酸硫化物的氧化，异化硫酸盐还原，同化硫酸盐还原，盐还原，同化硫酸盐还原，硫化氢的释放（脱硫作硫化氢的释放（脱硫作用）。微生物参与所有这用）。微生物参与所有这些循环过程。些循环过程。 4 4、磷循环、磷循环 磷的生物地球化学循环包括三个基本过程：磷的生物地球化学循环包括三个基本过程： 难溶性的无机磷转化为可溶性的无机磷（难溶性的无机磷转化为可溶性的无机磷（磷的有效化：物理、磷的有效化：物理、化学和解磷菌化学和解磷菌） 可溶性的无机磷转化为有机磷（可溶性的无机磷转化为有机磷（磷的同化磷的同化） 有机磷

22、转化成溶解性无机磷有机磷转化成溶解性无机磷( (有机磷矿化有机磷矿化) )。 生物残体中的磷以生物残体中的磷以植酸植酸的形式存在植酸。的形式存在植酸。植酸酶的来源是土壤中植酸酶的来源是土壤中的微生物。的微生物。5 5、铁循环、铁循环6 6、其它元素的循环、其它元素的循环 生物间的相互关系是生物学和生态学研究的重要领域，了解生物生物间的相互关系是生物学和生态学研究的重要领域，了解生物间的相互关系有助于认识生物的生命活动的规律和特点，为应用生物间的相互关系有助于认识生物的生命活动的规律和特点，为应用生物技术提供有效的科学的思路和方法。微生物间的相互关系主要：技术提供有效的科学的思路和方法。微生物间

23、的相互关系主要：1、中性关系：、中性关系：两种群之间在一起彼此基本没有影响两种群之间在一起彼此基本没有影响2、偏利作用、偏利作用：一种种群因另一种种群的存在或生命活动而得利，而后：一种种群因另一种种群的存在或生命活动而得利，而后者没有受益或受害。者没有受益或受害。3、互生关系、互生关系：两种种群相互促进生长，离开能单独生存。：两种种群相互促进生长，离开能单独生存。4 4、共生：、共生：相互作用的两个种群相互有利，两者形成共生体，地衣、菌相互作用的两个种群相互有利，两者形成共生体，地衣、菌根、根、根瘤根瘤是互惠共生的典型例子。是互惠共生的典型例子。5 5、寄生：、寄生：一种种群对另一种群的直接侵人，寄生者从寄主生活细胞或一种种群对另一种群的直接侵人，寄生者从寄主生活细胞或生活组织获得营养，而对寄主产生不利影响。生活组织获得营养，而对寄主产生不利影响。6 6、捕食：、捕食：一一种种群被另一种种群完全吞食，捕食者种群种种群被另一种种群完全吞食，捕食者种群从被食者种群得到营养，对被食者种群产生不利影响。从被食者种群得到营养，对被食者种群产生不利影响。7 7、拮抗：、拮抗：一种种群阻碍另一种种群的生长，而对第一种一种种群阻碍另一种种群的生长，而对第一种种群无影响。种群无