第7章微生物生态

1、第第7 7章章 微生物生态微生物生态重点：人体微生态和食品的微生态特点重点：人体微生态和食品的微生态特点第一节第一节 微生态学的基本概念微生态学的基本概念n生态学：研究生物系统与其环境条件间相互作生态学：研究生物系统与其环境条件间相互作用规律性的科学。用规律性的科学。n微生物生态学：研究微生物群体（微生物区系微生物生态学：研究微生物群体（微生物区系或正常菌群）与其周围的生物和非生物环境条或正常菌群）与其周围的生物和非生物环境条件相互作用关系的科学。件相互作用关系的科学。n主要内容：微生物在自然界中的分布；微生物主要内容：微生物在自然界中的分布；微生物与其它生物间的关系；微生物在自然界物质循与其

2、它生物间的关系；微生物在自然界物质循环中的作用；微生物在污水处理中的应用。环中的作用；微生物在污水处理中的应用。一、生物圈与生态系统一、生物圈与生态系统n1 1生物圈生物圈biospherebiosphere：n是地球表面进行生命活动的有机圈层。广义的生是地球表面进行生命活动的有机圈层。广义的生物圈又称生态圈：由活动于大气下层、水圈、岩物圈又称生态圈：由活动于大气下层、水圈、岩石圈及活动于三圈界面的生物所组成。石圈及活动于三圈界面的生物所组成。n2 2生态系统生态系统ecosystemecosystem的能量和物质的能量和物质: :是生物圈的基是生物圈的基本单元。生态系统的维系主要通过能量流和

3、物质本单元。生态系统的维系主要通过能量流和物质流。流。n3 3 种群种群population:population:同种生物生活在同一生境中形同种生物生活在同一生境中形成生物群体。成生物群体。n4 4 群落群落community:community:在自然界中一个中群总是与在自然界中一个中群总是与其他种群相联系，构成一个在生理上相互拟补其他种群相联系，构成一个在生理上相互拟补的种群复合体。的种群复合体。n5 5 环境梯度：环境条件纵向或横向渐变，形成环境梯度：环境条件纵向或横向渐变，形成梯度。梯度。n6 6 群落演替：在一个生态区域中，原有的微生群落演替：在一个生态区域中，原有的微生物群落经过

4、一般的发展时期后，由于内外环境物群落经过一般的发展时期后，由于内外环境的改变原有的微生物群落被另一种新的生物群的改变原有的微生物群落被另一种新的生物群落所取代。落所取代。n7 7 生态平衡：生物与环境之间形成相对协调稳生态平衡：生物与环境之间形成相对协调稳定的状态即为生态系统。发展到成熟阶段在三定的状态即为生态系统。发展到成熟阶段在三个方面保持相对平衡：个方面保持相对平衡：n生产、消费、分解者按照一定比例关系结合生产、消费、分解者按照一定比例关系结合n物质循环和能量流动协调畅通物质循环和能量流动协调畅通n系统的输入和输出在数量上接近相等。系统的输入和输出在数量上接近相等。n举例；物质循环中的碳

5、循环和氮循环举例；物质循环中的碳循环和氮循环 二、微生物生态系统及其特点二、微生物生态系统及其特点n1 1 微生态微生态n微生态微生态: :研究微生物群体（微生物区系或研究微生物群体（微生物区系或正常菌群）与其周围的生物和非生物环正常菌群）与其周围的生物和非生物环境条件相互作用关系的科学。境条件相互作用关系的科学。n2 2 特点：特点：n（1 1）微环境）微环境n微环境微环境: :microenviroment:microenviroment:指紧密围绕生指紧密围绕生物细胞的环境，与大环境先比，微生物物细胞的环境，与大环境先比，微生物的关系更加密切，影响更大。的关系更加密切，影响更大。n（2

6、2）稳定性：）稳定性：n稳定性稳定性: :一个生境中有多种微生物构成微生物群一个生境中有多种微生物构成微生物群落。高度多样性的群落能够在一定程度上应付落。高度多样性的群落能够在一定程度上应付环境条件的变化。环境条件的变化。n（3 3）适应性：）适应性：n适应性适应性: :微生物生态系统的微生物群落改变环境微生物生态系统的微生物群落改变环境的能力弱。因此微生物群落一般不能抗拒环境的能力弱。因此微生物群落一般不能抗拒环境的剧烈变化，而是通过改变群体结构以适应新的剧烈变化，而是通过改变群体结构以适应新的环境。的环境。三、自然界的微生态系统三、自然界的微生态系统n（一）土壤中的微生物（一）土壤中的微生

7、物n1 1 土壤是微生物生活的最适宜环境土壤是微生物生活的最适宜环境n 土壤中的动植物遗体是异养型微生物土壤中的动植物遗体是异养型微生物最好的碳氮能源最好的碳氮能源; ;n 土壤矿质成分中，可为微生物提供土壤矿质成分中，可为微生物提供S S、P P、FeFe、MgMg、CaCa、B B、MoMo、ZnZn、MnMn等无等无机元素机元素n 土壤的酸碱度接近中性土壤的酸碱度接近中性, , 土壤的渗透土壤的渗透压与微生物细胞的渗透压相近压与微生物细胞的渗透压相近; ;n 土壤的含气量（土壤的含气量（78%78%）可保证好氧）可保证好氧微生物的生长。微生物的生长。2 2 土壤中的微生物土壤中的微生物我

8、国各主要土壤的含菌量（万我国各主要土壤的含菌量（万/ /克干土）克干土）土壤类型土壤类型细菌细菌放线菌放线菌真菌真菌黑龙江暗棕壤黑龙江暗棕壤黑龙江黑土黑龙江黑土黑龙江黑钙土黑龙江黑钙土黑龙江草甸土黑龙江草甸土辽宁棕壤辽宁棕壤宁夏棕钙土宁夏棕钙土吉林白浆土吉林白浆土江苏黄棕壤江苏黄棕壤浙江红壤浙江红壤广东砖红壤广东砖红壤西沙磷质石灰西沙磷质石灰土土江苏滨海盐土江苏滨海盐土2 2，2372372 2，1111111 1，0740747 7，8648641 1，2842841401401 1，5985981 1，4064061 1，1031035075072 2，229229466466612612

9、1 1，2042043193192929393911 11555527127112312339391 1，1051054141131319192 2232336364 43 36 64 411 1115150.40.4 土壤剖面不同层次中微生物数量土壤剖面不同层次中微生物数量深度（深度（cmcm）好氧细菌好氧细菌厌氧细菌厌氧细菌放线菌放线菌真菌真菌澡类澡类38382025202535403540657565751351451351457 7，8008001 1，80080047247210101 11 1，95095037937998981 10.40.42 2，080080245245494

10、95 5- -119119505014146 63 325255 50.50.50.10.1- - 3 3 土壤微生物的作用土壤微生物的作用n参与土壤中几乎所有的生物化学变化，异养微生参与土壤中几乎所有的生物化学变化，异养微生物分解有机质，自养微生物转化矿质养分存在状物分解有机质，自养微生物转化矿质养分存在状态。态。n微生物是合成土壤腐殖质的主要成员，因此成为微生物是合成土壤腐殖质的主要成员，因此成为土壤肥力和土壤结构的决定者之一。土壤肥力和土壤结构的决定者之一。n光合微生物能增加某些环境中有机碳素的含量，光合微生物能增加某些环境中有机碳素的含量，尤其在无植被的环境中，藻类是土壤形成或恢复尤其

11、在无植被的环境中，藻类是土壤形成或恢复的先行者。的先行者。（二）水体微生物（二）水体微生物1 1 水体是微生物栖息的第二个天然场所水体是微生物栖息的第二个天然场所n 在江、河、湖、海、地下水中都有微生物的在江、河、湖、海、地下水中都有微生物的存在。习惯上把水体中的微生物分为淡水微生物存在。习惯上把水体中的微生物分为淡水微生物和海洋微生物两大类型。和海洋微生物两大类型。n水体条件：水体条件：n（1 1）一般的江河、湖泊和池塘内的营养较为丰富；）一般的江河、湖泊和池塘内的营养较为丰富；海水和盐湖含有较高的盐分，其它营养较贫乏。海水和盐湖含有较高的盐分，其它营养较贫乏。雨水近似于蒸馏水，含有非常少量

12、的溶解营养。雨水近似于蒸馏水，含有非常少量的溶解营养。n（2 2）天然水体温度：水体一般）天然水体温度：水体一般036036某些温某些温泉温度在泉温度在70 70 以上。以上。n（3 3）氧在水中的溶解度较小，易被好氧微生）氧在水中的溶解度较小，易被好氧微生物耗尽，因此是微生物生存的最重要的限制因物耗尽，因此是微生物生存的最重要的限制因子。子。n（4 4）pHpH值：淡水值：淡水3.710.53.710.5，大多数江河、湖，大多数江河、湖泊和池塘泊和池塘6.58.56.58.5。n2 2 淡水水体中微生物淡水水体中微生物n清洁的湖泊、池塘和水库中微生物较少；清洁的湖泊、池塘和水库中微生物较少；

13、n有机质丰富的湖泊中，微生物较多有机质丰富的湖泊中，微生物较多n停滞的塘水、污染的江河水以及下水道的沟水停滞的塘水、污染的江河水以及下水道的沟水中，微生物较多。中，微生物较多。n地下水因经过深厚的土层过滤，几乎大部分微地下水因经过深厚的土层过滤，几乎大部分微生物被阻留在土壤中生物被阻留在土壤中n3 3 海水微生物的分布和种类：海水微生物的分布和种类：n海水中的微生物除来源于河水、雨水及污水等环海水中的微生物除来源于河水、雨水及污水等环境中临时种类外，绝大多数是嗜盐菌，并耐高渗境中临时种类外，绝大多数是嗜盐菌，并耐高渗透压。透压。n微生物在海水中的垂直分布一般规律为：表层主微生物在海水中的垂直分

14、布一般规律为：表层主要是好氧性异养菌，低层水体中，主要是厌氧腐要是好氧性异养菌，低层水体中，主要是厌氧腐生及硫酸还原菌，两层之间紫硫菌较多。生及硫酸还原菌，两层之间紫硫菌较多。n（三）、空气中的微生物（三）、空气中的微生物n 空气干燥，无营养，紫外线照射强烈，因此空气干燥，无营养，紫外线照射强烈，因此空气不是微生物生存的环境：空气不是微生物生存的环境：n空气中微生物的数量：决定于所处环境和空气中微生物的数量：决定于所处环境和飞扬尘埃量。飞扬尘埃量。n空气中的微生物种类：主要是真菌和细菌。空气中的微生物种类：主要是真菌和细菌。（四）、人体的微生态系统（四）、人体的微生态系统n1人体正常微生物群落

15、：人体正常微生物群落：n 在正常生理状态下，人体的体表和体腔中在正常生理状态下，人体的体表和体腔中所存在的一定种类和数量的微生物，并不侵害所存在的一定种类和数量的微生物，并不侵害人体，称为人体正常微生物群落。缺乏正常微人体，称为人体正常微生物群落。缺乏正常微生物群落人体就不能维持正常的生活。生物群落人体就不能维持正常的生活。n2 2 正常菌群的作用：正常菌群的作用：n 维护生态平衡、阻制病原物入侵；提供人维护生态平衡、阻制病原物入侵；提供人体必须的维生素等。体必须的维生素等。 3 人体微生物存在的主要部位：人体微生物存在的主要部位：n（1 1）皮肤环境和菌群：）皮肤环境和菌群：n栖息地：皮肤表

16、面、毛发、皮脂腺。栖息地：皮肤表面、毛发、皮脂腺。n主要营养来自汗和皮脂；抑制物为溶菌酶、脂肪主要营养来自汗和皮脂；抑制物为溶菌酶、脂肪酸积累导致酸积累导致 pHpH下降、下降、NaClNaCl积累。积累。n常见的种群：有常见的种群：有200200多种，其中常见的有金黄色多种，其中常见的有金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、微球菌、棒状杆菌和葡萄球菌、表皮葡萄球菌、微球菌、棒状杆菌和丙酸杆菌丙酸杆菌 。（2 2） 口腔环境和菌群口腔环境和菌群n栖息地：颊黏膜、舌、龈缝和牙齿栖息地：颊黏膜、舌、龈缝和牙齿n口腔为有氧环境，但口腔微生物绝大多数是兼口腔为有氧环境，但口腔微生物绝大多数是兼性或专性厌氧菌：

17、链球菌、放线菌、韦荣球菌、性或专性厌氧菌：链球菌、放线菌、韦荣球菌、白色念珠菌、厌氧性革兰氏阴性菌白色念珠菌、厌氧性革兰氏阴性菌n（3 3） 呼吸道环境和菌群：呼吸道环境和菌群：n栖息地：前鼻孔、鼻咽、口咽都具有特征性微栖息地：前鼻孔、鼻咽、口咽都具有特征性微生物（支气管无菌）。生物（支气管无菌）。n主要是需氧和兼性厌氧菌。有很多能引起病害主要是需氧和兼性厌氧菌。有很多能引起病害的微生物。如：金黄色葡萄球菌、流感嗜血菌、的微生物。如：金黄色葡萄球菌、流感嗜血菌、溶血性化脓性链球菌等。溶血性化脓性链球菌等。n（4 4 ）胃肠道环境和菌群：）胃肠道环境和菌群：n 胃液胃液pHpH低，主要是耐酸菌。

18、不同年龄菌群低，主要是耐酸菌。不同年龄菌群有差异。有差异。n主要有：真杆菌、梭杆菌、链球菌、双歧杆菌主要有：真杆菌、梭杆菌、链球菌、双歧杆菌大肠杆菌、产气杆菌、乳酸杆菌等专性和兼性大肠杆菌、产气杆菌、乳酸杆菌等专性和兼性厌氧菌。厌氧菌。二、食品微生物种群关系和群落的演替二、食品微生物种群关系和群落的演替n（一）（一）微生物种群关系微生物种群关系n1 1 偏利关系偏利关系n 一方的生命活动明显对另一方有益。一方的生命活动明显对另一方有益。n2 2 互生关系互生关系n 微生物间比较松散的联合，在联合中一方微生物间比较松散的联合，在联合中一方或双方都有利。或双方都有利。n3 3 颉抗或偏害关系颉抗或

19、偏害关系n 两种微生物生活在一起时，一种微两种微生物生活在一起时，一种微生物产生某种特殊的代谢产物或改变环生物产生某种特殊的代谢产物或改变环境条件，从而抑制甚至杀死另一种微生境条件，从而抑制甚至杀死另一种微生物的关系。物的关系。第二节第二节 食品环境生态及极端微食品环境生态及极端微生物生物n一、食品微生态系统一、食品微生态系统n1 食品生境的不均一性食品生境的不均一性n（1 1）孔隙度的不均一性）孔隙度的不均一性n（2 2）化学成分的不均一性）化学成分的不均一性n2 营养物的供给导致异源微生物种群变化大。营养物的供给导致异源微生物种群变化大。n3 表面环境与生物膜表面环境与生物膜n 表面微生物

20、利用营养进行生长繁殖，逐步表面微生物利用营养进行生长繁殖，逐步形成表面生物膜，即微生物表面膜。形成表面生物膜，即微生物表面膜。n二、群落演替二、群落演替n1 1 群落演替：在一个生态区域中，原有的群落演替：在一个生态区域中，原有的微生物群落经过一般的发展时期后，由微生物群落经过一般的发展时期后，由于内外环境的改变原有的微生物群落被于内外环境的改变原有的微生物群落被另一种新的生物群落所取代。另一种新的生物群落所取代。n2 2 特点：逐渐进行的、按照一定方向和特点：逐渐进行的、按照一定方向和一定的顺序变化。演替过程是微生物自一定的顺序变化。演替过程是微生物自身行为，也受环境影响。身行为，也受环境影

21、响。n3 食品中微生物群落演替事例食品中微生物群落演替事例：n（1 1）泡菜：卷心菜）泡菜：卷心菜 肠膜明串珠菌肠膜明串珠菌 醋酸、乳醋酸、乳酸等酸等 黄瓜乳杆菌黄瓜乳杆菌 大量产生乳酸大量产生乳酸 戊乙酸乳戊乙酸乳杆菌杆菌 乳酸。乳酸。n（2 2）酱油：曲）酱油：曲 曲霉曲霉发酵发酵 水解酶水解酶 加盐加盐 嗜嗜盐片球菌盐片球菌 乳酸乳酸 耐酸耐盐酵母耐酸耐盐酵母 糖糖 、乙醇、乙醇、甘油、其它。甘油、其它。三、食品环境中的极端微生物及其利用三、食品环境中的极端微生物及其利用极端微生物：极端微生物：在生命禁区如高温高压高酸等极端恶劣的环在生命禁区如高温高压高酸等极端恶劣的环境汇总仍然生活着的

22、微生物。境汇总仍然生活着的微生物。（一）嗜盐微生物（一）嗜盐微生物 定义：指那些一定浓度的盐为菌体生长所需，且定义：指那些一定浓度的盐为菌体生长所需，且有一定浓度才能生长的菌。分为轻度嗜盐有一定浓度才能生长的菌。分为轻度嗜盐 、中、中度嗜盐度嗜盐 、极端嗜盐。、极端嗜盐。 应用：一些种类含有丰富的类胡萝卜素和不饱和应用：一些种类含有丰富的类胡萝卜素和不饱和脂肪酸。嗜盐菌中有一种紫膜蛋白，是一种光驱脂肪酸。嗜盐菌中有一种紫膜蛋白，是一种光驱动的质子泵，可以通过构型改变贮存信息。动的质子泵，可以通过构型改变贮存信息。 有害：引起盐渍食品腐败。有害：引起盐渍食品腐败。 （二） 嗜热微生物嗜热微生物嗜

23、热菌：嗜热菌：适合温度适合温度65706570，低于，低于4040，不能，不能生长。生长。 超嗜热菌：超嗜热菌：适合温度适合温度8011080110，低于，低于5555，不，不能生长。还发现在能生长。还发现在250300250300高温高压下生长高温高压下生长的细菌。的细菌。应用：利用高温酶减少发酵工业中的低温中温应用：利用高温酶减少发酵工业中的低温中温微生物的污染。一些种类对一些矿物有特殊的微生物的污染。一些种类对一些矿物有特殊的侵溶能力。侵溶能力。有害：食品加工中最重要的嗜热菌为芽孢杆菌有害：食品加工中最重要的嗜热菌为芽孢杆菌和梭状芽孢杆菌。在罐头食品中残存，引起腐和梭状芽孢杆菌。在罐头食

24、品中残存，引起腐败。败。（三）嗜冷和耐冷微生物（三）嗜冷和耐冷微生物嗜冷菌嗜冷菌：必须生活在低温条件下且最高生长温：必须生活在低温条件下且最高生长温度不超过度不超过20 20 ，适合温度，适合温度1515，00下可以生下可以生长繁殖。长繁殖。耐冷微生物耐冷微生物：最高生长温度高于：最高生长温度高于20 20 ，适合，适合温度高于温度高于1515，在，在0505下可以生长繁殖。下可以生长繁殖。应用：低温发酵、一些特殊的蛋白酶等用于食应用：低温发酵、一些特殊的蛋白酶等用于食品和洗涤剂中。品和洗涤剂中。有害：对冰箱贮存的食品污染。有害：对冰箱贮存的食品污染。n应用前景:n尽管嗜冷微生物有时会引起低温

25、保藏食品腐败，甚至产生细菌毒素。但它们能在低温条件下即可对污染物进行降解和转化的特性，使其在工业和日常生活中具有许多潜在的应用价值。如：低温发酵可生产出许多风味食品，且可节约能源及减少嗜温菌的污染；分离自嗜冷菌的酯酶、蛋白酶及-半乳糖苷酶在食品工业和洗涤剂中具有很大潜力；从海洋嗜冷菌分离的生物活性物质可用于医药和食品等。（四）耐辐射微生物（四）耐辐射微生物 对辐射环境具有耐性。对辐射环境具有耐性。可能机制：产生色素、细胞壁坚固、膜成分独可能机制：产生色素、细胞壁坚固、膜成分独特、有较快的特、有较快的 修复系统。修复系统。应用：研究应用：研究DNADNA修复机制修复机制有害：引起辐射食品腐败有害：引起辐射食品腐败第三节第三节 污染食品的微生物来源污染食品的微生物来源污染食品的微生物来源途径，和各途径污染食品的微生物来源途径，和各途径的微生物种群特点。的微生物种群特点。一、内源性污染（第一次污染）一、内源性污染（第一次污染） 1 内源性污染的概念内源性污染的概念 内源性污染：内源性污染： 凡是作为食品原料的动植物体在生活过程中，凡是作为食品原料的动植物体在生活过程中，由于本身带有的微生物而造成食品的污染称为内由于本身带有的微生物而造成食品的污染称为内源性污染。源性污染。 2