第8章微生物的生态2006(S1-2)

第八章微生物生态通过本章的学习，了解微生物在自然界分布的特点及与人类生活的密切关系，掌握微生物与其生活在一起的其它生物之间的相互关系以及微生物在自然界物质循环中的重要作用第一节生态系统第二节自然界中的微生物第三节微生物与生物环境间的相互关系第四节微生物在生态系统中的作用第五节微生物与环境保护第八章微生物生态第一节生态系统一、生物圈和生态系统二、生态系统中的能量流和物质流三、微生物生态系统及其特点生态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微生物生态学（MicrobialEcology）是生态学的一个分支，它的研究对象是微生物群体与其周围生物和非生物环境条件间相互作用的规律生命科学研究领域中，从宏观到微观一般可分10个层次：生物圈（biosphere）、生态系统（ecosystem）、群落（community）、种群（population）、个体（individual）、器官（organ）、组织（tissue）、细胞（cell）、细胞器（organelle）、分子（molecule），其中前4个客观层次都是生态学的研究范围Microbialecology=Thestudyofinteractionsbetweenmicroorganismsandtheirenvironment(chemical,physical,andbiologicalenvironment!)TwoObjectives:Biodiversity(生物多样性)Activity(活性)生物圈(biosphere)：地球表面进行生命活动的有机圈层

生物圈的上限大约高达空中10km生物圈的下限可达表面岩层下面2-3km生物集中分布在地面上100m,水下200m范围内生态系统(ecosystem)：生物群落与其生存环境组成的整体系统。它是生物圈的基本组成单元，也是功能单元一、生物圈和生态系统生物群落包括动物植物微生物环境条件包括生物环境（biotic）

非生物环境（abiotic）

土壤水体空气光线温度气候生态系统二、生态系统中的能量流和物质流能量流：能量通过生态系统从一种生物传递给另一种生物的现象叫做能量流。物质流：生态系统内通过生产者、消费者和分解者的作用进行的物质循环。食物链：由生产者产生的有机物，以食物的形式从一系列食用和被食用的步骤通过生态系统，形成一种食物链索关系。微生物生态系统：微生物与其生存环境组成的整体系统。具有如下特点：微环境：紧密围绕微生物细胞的环境，它与微生物的关系比大环境更为密切。稳定性：群落中的优势种作为主导者使群落稳定。适应性：通过改变群体的结构适应新环境，形成新的生态系统。三、微生物生态系统及其特点MicroorganismsinNatureAmicrobialcommunitystructureinalakeecosystem种群(population)共位群(guild)群落(community)种群：是在一定时空中同种个体的组合。具有3基本特征，空间特征、数量特征和遗传特征群落：是指在一定时间内，居住在一定区域或生境内的各种生物种群相互关联、相互影响的有规律的一种结构单元ThemicroorganismsandthemicroenvironmentThemicroorganismsandthemicroenvironmentContourmapofO2

concentrationinasoilparticle第二节自然界中的微生物请思考:微生物广泛分布的原因是什么?第二节自然界中的微生物一、土壤中的微生物二、自然水域中的微生物三、空气中的微生物四、极端环境下的微生物五、未培养微生物一、土壤中的微生物（一）土壤是适合微生物生活的“天然培养基”由于土壤具备了各种微生物生长发育所需要的营养、空气、酸碱度、渗透压和温度等条件，所以土壤中微生物的种类和数量是其他任何生态系统无法比拟的。（1）土壤中的动植物残体，以及耕作土壤中有机肥料，源源不断地供给微生物碳素和氮素养料（2）土壤的矿物质成分，提供微生物需要的矿质养料（3）土壤的团粒结构调节了空气和水分的含量，为好氧和厌氧微生物的生长提供了良好环境（4）土壤的渗透压在3-6之间，适合大多数微生物生长。（5）土壤的pH范围在3.5-10.5之间，多数在5.5-8.5之间，这是大多数微生物活动最适宜的pH（6）土壤的保温性，比地面空气温度变化小，也为微生物的生长提供了良好的条件（7）土壤覆盖阻挡了紫外线对微生物的杀伤VisualizationofmicroorganismsonthesurfaceofsoilparticlesbyuseofSEMLeft:Rod-shapebacteriaCenter:ActinomycetesporesRight:Fungushyphae细菌：土壤微生物以细菌最多，占土壤微生物总量的70-90%放线菌：数量仅次于细菌，约占土壤微生物总数的5-30%真菌：数量仅次于细菌和放线菌，由于霉菌菌丝比放线菌宽几倍到十几倍，因此土壤真菌生物量最高。藻类：大多是单细胞硅藻或丝状绿藻等，其数量远较上述各菌少，约为土壤微生物总数的1%原生动物：主要包括纤毛虫、鞭毛虫等。它们数量不多，但对土壤有机质的分解起着重要的作用。病毒：主要以噬菌体的形态存在，其生物量甚微。（二）土壤中的微生物及生物量耕作层(15cm)土壤中的微生物数量和生物量微生物类群菌数(cfu/g)生物量(g/m2）细菌108160真菌105200放线菌105-106160藻类104-10532原生动物1043820世纪80年代，美国能源部-----地下科学计划（DeepSubsurfaceProgram）九十年代初期从地下数公里发现的超微型细菌，用代谢产生的CO2作指标，计算出这些超微菌的代谢速率仅为地上正常细菌的10-15，有人认为它们需要100年才能分裂一次。1）作为地质标记2）分离特殊的蛋白（基因）地下的微生物在陆地可达4公里处在海底则可深达7公里处在特定土壤中存在的具有特征性的微生物类群，称为土壤微生物区系。采用多种培养基和培养方法，培养土壤中微生物区系的各个组分，从而认识特定土壤的微生物区系在数量和类群上的特点，称为土壤微生物区系分析。（三）土壤微生物区系1、土壤微生物区系分析法普通培养基:测定细菌、放线菌和真菌数量选择培养基:测定土壤中特定生理功能群的数量，如固氮菌类、硝化细菌类，反硝化细菌类、硫化细菌类、纤维素分解细菌类，厌气菌类等等。不同类型的土壤，其微生物的种类和数量不一样同一土壤的不同深度，微生物的种类和数量不同一般在耕作层（水田/旱地）表土中，微生物数量最多，随土壤深度的增加，数量迅速下降，种类相应减少。发生明显的季节变化，这是由于不同季节温度、湿度和有机质的供应状况不同而引起的。

2、土壤微生物区系的特点土壤微生物的数量和分布主要受到营养物、含水量、氧、温度、pH等因子的影响，并随土壤类型的不同而有很大变化土壤微生物的数量和分布受季节影响微生物的数量也与于土层的深度有关，一般土壤表层微生物最多，随着土层的加深，微生物的数量逐步减少Profileofamaturesoil根据土壤中有机质养料供应情况而发育的区系可分为两个组分，即土著性区系和发酵性区系。土著性区系是指对新鲜有机质不很敏感的区系，以土壤腐殖质为主要有机养料，生长慢，数量稳定，作用持久。主要以G－无芽胞杆菌和放线菌等为主。发酵性区系是以在新鲜动植物分泌物、排泄物和残体为主要有机养料，其代谢活性和数量表现为大起大落的间歇性。主要包括假单胞菌属、芽胞杆菌属的细菌、青霉、曲霉和毛霉属的真菌等。

3、土著性区系与发酵性区系二、自然水域中的微生物(一)自然水域具有微生物的良好生活条件营养物质溶解氧渗透压温度地球上70%的面积是海洋，加上江河、湖泊则水域面积更大。水体是微生物生活的第二主要环境。

1、水是良好的溶剂，水中有较丰富的营养物质A、固有生物死亡、排泄和分泌产生B、陆地上的污染物江河、湖泊及沿岸海水有机物含量为1-26mg/L有机碳远洋海水有机物含量为0.4-2mg/L有机碳2、天然水体的温度淡水水体的温度在0-36℃之间海洋水温100米以下在5℃以下，表层超过35℃温泉水温在70℃以上，甚至超过100℃3、天然水体的pH值

淡水pH在3.7-10.5，大多数湖泊，江河及池塘在6.5-8.5；海水pH在8-8.34、水中溶解氧的存在溶氧的存在适合于好气性微生物的生长，流动的江河水中的溶氧较静止水域中的溶氧高，淡水中的溶氧比海水中的高。自然水域中的溶解氧在8mg/L左右（二）淡水水域中的微生物类群：细菌、真菌、藻类、原生动物等特点：运动性（随水流动)、在低营养浓度下生存。江河水中的微生物1）数量和种类与接触的土壤有密切关系；2）分布上更多的是吸附在悬浮在水中的有机物上及水底；3）多能运动，有些具有很异常的形态（例如柄细菌）；4）靠近城市或城市下游水中的微生物多，并且有很多对健康不利的细菌，因此不宜作为饮用水源；水中的病原微生物会对水质产生重要影响饮用水的微生物指标：总菌数：

<100个/ml大肠杆菌：<3个/L类群：包括细菌、放线菌、真菌、藻类、原生动物和噬菌体等各类群。特点：嗜盐、嗜冷、耐压、低营养。

嗜盐菌如Halobacterium

halobuim，在12%饱和盐水中生长。嗜压菌如Pseudomoas

xanthocrus，在400-500个大气压下生长。（三）海水中的微生物富营养化作用-----水体受到污染并使水体自身的正常生态失去平衡的结果。“水花”或“水华”（waterbloom）藻类（主要是微藻）的大量繁殖使水体出现颜色，并变得浑浊，许多藻类团块漂浮在水面上形成。赤潮或红潮（redtides）在海洋中，某些甲藻类大量繁殖也可形成水花，使海水出现红色或褐色。引起水体富营养化的藻类除通过消耗水中的氧气危害养殖业外，很多藻类还能产生各种毒素，使动物得病或死亡，因此由于富营养化作用致死的鱼等水产品不能食用。空气不具有微生物生活的良好条件

主要来自： 1、土壤扬起的灰尘 2、水面吹起的水沫 3、动、植物体表主要包括：抗逆性强的芽胞，G+球菌，霉菌和放线菌的孢子三、空气中的微生物农村<城市高空<低空海洋上空<陆地上空畜厩、街道、医院、宿舍区微生物密度大高山、海洋、森林、旷原微生物少空气中的微生物密度空气中的微生物种类和数量是大气污染程度的指标之一！四、极端环境中的微生物

极端环境：不利于生物生长的特殊、局部环境。包括极端温度、盐度、酸碱等结构和功能均发生了改变的特殊微生物类群适应的分子机理实践意义高温环境极端嗜热菌Pyrodictiumbroii

最适生长温度为105℃，最高可达110℃。低温环境嗜冷菌中的某些固N微生物在1℃下还可以固N。强酸环境嗜酸菌；氧化硫硫杆菌能在pH0.9-4范围生长，最适pH为2.5左右。强碱环境嗜碱菌Bacillusrotans

能在pH11下生长。高盐环境极端嗜盐菌，最适生长盐浓度为2.5-5.0摩尔/L.高压环境深海中极端嗜压菌Pseudomonasbathycete

能在1.01×108

Pa，3℃生长。五、未培养的微生物（unculturedmicroorganisms）20世纪70年代以来，基于对rRNA（原核的16s和真核的18s）基因序列的分析、同源性比较和生物分子系统进化树的建立，使人们发现了大量的目前尚未在人工条件下获得培养的微生物类群。研究结果表明，在自然界中存在的微生物中，已为人们所认识的仅占很小一部分（通常认为仅10%，有人认为在土壤中生活的微生物仅有1%可用目前的方法在实验室进行培养）。Phylogeneticanalysisofmicrobialcommunity（viablebutnonculturablestate,VBNCstate）活的非可培养状态VBNC现象是我国青岛海洋研究所的徐怀恕和美国UniversityofMaryland的RRColwell等于1982年通过对霍乱弧菌和大肠杆菌在海洋与河口环境中的存活规律进行研究后首次提出的，近年来已成为微生物学研究的一个热点。活的非可培养状态（VBNCstate）细菌处于不良环境条件下时产生的一种特殊的生存方式或休眠