第九章微生物的生态

第九章.微生物的生态

生态学（ecology）是一门研究生命系统与其环境系统间作用规律的科学。

微生物生态学的研究对象是微生物群体与其周围环境（生物和非生物）条件间相互作用的规律。

第一节、微生物在自然界中的分布

与菌种资源的开发一、微生物在自然界中的分布（一）土壤中的微生物

由于土壤具备了各种微生物生长发育所需要的营养、水分、空气、酸碱度、渗透压和温度等条件，所以成了微生物生活的良好环境。可以说，土壤是微生物的“天然培养基”，也是它们的“大本营”，对人类来说，则是最丰富的“菌种资源库”。一般来说，在每克耕作层土壤中，各种微生物含量之比大体有一个10倍系列的递减规律。细菌（～108）＞放线菌（～107）＞霉菌（～106）＞酵母菌（～105）＞藻类（～104）＞原生动物（～103）（二）水体中的微生物1、不同水体中的微生物种类1）淡水型水体的微生物

①清水型：化能、光能自养微生物为主，10-103/ml；

②腐败型：肠道杆菌、芽孢杆菌、弧菌、螺菌等，107-108/ml。2）海水型水体的微生物：

多为嗜盐菌，分布于海洋边、底部。分透光、无光、深海、超深渊海四区。3)深海微生物

1000m以下，主要为化能营养型微生物。①嗜冷微生物最适生长温度：15℃或更低，最高：20℃，最低：0℃或更低。②耐压细菌和嗜压细菌耐压细菌，压强在0.1-40.5MPa生长正常，50.7MPa时失去生长繁殖能力；嗜压细菌，最适生长压强为40.5MPa，但压强为0.1MPa时，也有一定生长能力；极端嗜压菌，最适生长压强为70.9-81.1MPa，压强为104.9MPa时，仍然能继续生长；耐压细菌、嗜压细菌和极端嗜压菌在低压时，短时间内不会死亡，但随着时间的延长，生长能力会逐渐消失。4)热水流火山口微生物

矿物质含量很高的温泉—热水流火山口分为温（6-23℃）、热（270-380℃）火山口。海底热水流火山口含有大量无机物，生长着以这些无机物为能源的厌氧的化能无机营养细菌。5)水体的富营养化：指水体中氮、磷元素等营养物的大量增加，远远超过通常的含量，结果导致原有生态系统的破坏，使藻类和某些细菌的数量激增，其他生物种类减少。

2、饮用水的微生物学标准1）细菌总数：

100个/mL（37℃，培养24小时）2）大肠菌群数：3个/L（37℃，培养48小时）因霍乱、痢疾等肠道传染病病原体少，用其同源的大肠菌群作指标，间接反映。水体的自净作用（selfcleaning）“流水不腐”：氧气充足，利于好氧菌等对有机物的降解。

空气不是良好的微生物生存场所，但空气中却漂浮着许多微生物。不同条件下1M3空气的含菌量:

条件 数量畜舍 1-2×106宿舍 20000城市街道5000市区公园200海洋上空1-2北极（北纬80°）0

重要性：与动植物病害的传播，发酵工业的污染以及工农业产品的霉病变质有很大关系。（三）空气中的微生物（四）工农业产品上的微生物1.工业产品的霉腐：1）范围；2）种类；3）机理；4）防治。2.食品的微生物污染：1）微生物种类；2）原因；3）条件；4）防止。3.农产品上的微生物：1）粮食霉变；2）真菌毒素（黄曲霉毒素）。（五）极端环境下的微生物

凡依赖于这些极端环境才能正常生长繁殖的微生物，称为嗜极菌或极端微生物（extremophiles）。1、嗜热微生物：：1）发酵工业；2）PCR技术:Taq→Pfu2、嗜冷微生物：南极，-60—0℃。（-253℃）3、嗜酸微生物：氧化硫硫杆菌，最适2.5，存活0.5。4、嗜碱微生物：pH：11—125、嗜盐微生物：饱和盐水（32%）6、嗜压微生物：1140大气压，万米深海。7、抗辐射微生物：脊椎动物的数千倍。（六）生物体内外的正常菌群1、人体的正常菌群正常菌群：生活在健康动物各部位，数量大、种类稳定且一般只有益无害的微生物种群。部位：口鼻腔、消化道、泌尿生殖道、皮肤、粘膜。数量：1014个，约为人体总细胞数的10倍。2、无菌动物与悉生生物

无菌动物：凡在其体内外不存在任何正常菌群的动物。悉生生物：凡已人为地接种上某种或某些已知纯种微生物的无菌动物或植物。3、根际微生物和附生微生物二、菌种资源的开发

“自然界丰富，但理想菌株不易得。”在自然环境中筛选菌种的一般步骤：1、采集菌样：1）有机物含量；2）深度；3）植被情况；4）季节；5）方法。2、富集培养：选择培养基加特殊营养物，在合适条件下，使所需菌大量繁殖。3、纯种分离4、性能测定第二节微生物与生物环境间的关系生物间相互关系：9种类型一、互生(metabiosis)：是指两种可单独生活的生物，当它们在一起时，通过各自的代谢活动而有利对方，或偏利于一方的生活方式。（0+单方有利、++双方有利）

“可分可合，合比分好。”二、共生(symbiosis)是指两种生物共居在一起，相互分工合作、相依为命，甚至达到难分难解、合二为一的极其紧密相互关系。（++）

1.微生物间(地衣)；2.微生物与植物间(根瘤)；3.微生物与动物间：相对共生关系(反刍动物与瘤胃微生物)；绝对共生关系(白蚁与原生动物)。

共生关系：地衣（Lichens

）蓝细菌（或藻类）与真菌共生地衣的繁殖：在表面上生出球状粉芽（有少量的藻类细胞和真菌菌丝）

→→

粉芽散布到适宜的环境中，发育成新的地衣。生态学意义：共生菌从基质中吸收水分和无机养料；共生藻进行光合作用，合成有机物。使地衣能在十分贫瘠的环境中生存。奶牛的瘤胃微生物代谢关系示意图唾液纤维质饲料自然菌源瘤胃内微生物大量繁殖CO2，CH4，H2等大量菌体在皱胃中消化排泄物牛奶，牛肉有机酸，乙醇瘤胃吸收从口中呕气

三、寄生(parasitism)一般指一种小型生物生活在另一种较大型生物的体内或体表，从中夺取营养并进行生长繁殖，同进使后者蒙受损害甚至被杀死的一种相互关系。（+-）细胞内寄生和细胞外寄生；专性和兼性寄生四、拮抗(antagonism)指由某种生物所产生的特定代谢产物可抑制他种生物的生长发育甚至杀死它们的一种相互关系。五、捕食(predatism,predation)一般指一种较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。Bdellovibrio

食线虫真菌扑食线虫的实物照片（引自张克勤等编著的食线虫菌物生物学2001）

微生物之间的拮抗现象图A是一种芽孢杆菌产生的细菌素对茄子黄萎病菌的拮抗作用；图B是五株放线菌的菌丝琼脂块对黄瓜枯萎病菌的拮抗作用.第三节、微生物与自然界物质循环重要性：C、N等元素如不能降解，循环难以继续，生物界将无生机。微生物的降解作用

１.理论上能氧化的物质，总有微生物在合适条件下氧化它们

２.难降解物质：塑料、杀虫剂、除垢剂、木质素等３.以上物质在土壤内终将消失．煤、石油不再分解生态系统的进化：一、碳素循环（carboncycle）

大气含0.032%CO2

，如不补充，按现行光合速度不到20年将耗尽。碳素的封存：无机沉积物－碳酸钙有机沉积物－煤、石油

光合作用（动物）主途径：CO2

植物、自养微生物

分解作用有机残余物CO2醇+有机酸H2+CO2碳、氢、氧元素在自然界中的循环有氧条件下 无氧条件下光合作用 发酵作用呼吸作用CO2+H2O O2+“CH2O”

CH4甲烷产生作用

化石燃料地球化学作用微生物微生物为主微生物或微生物为主植物、微生物CO2+H2O化石燃料呼吸作用O2+“CH2O”醇，有机酸，H2+CO2CH4光合作用发酵作用有氧环境无氧环境

碳、氢、氧元素在自然界中的循环二、氮素循环(nitrogencycle)三、硫素循环与细菌沥滤1.硫素循环(sulfurcycle)

2.细菌沥滤(bacterialleaching)利用化能自养细菌对矿物中的硫或硫化物的氧化作用，不断产（再）生酸性浸矿剂，使铜等金属从矿石（低品位）中溶解出来，再置换、离交，取得铜等金属。又称细菌浸出或细菌冶金。四、磷素循环（phosphoruscycle）富营养化（eutrophication）是指水体中因氮、磷等元素含量过高而引起水体表层的蓝细菌和藻类过度生长繁殖的现象(水华、赤潮)。这时，下层水体不但缺光而少氧，而且大量死藻因细菌的分解而进一步造成了厌氧和有毒的环境。

1.不溶性无机磷的可溶化：微生物代谢产酸溶解；2.可溶性无机磷的有机化：各类生物的磷同化；3、有机磷的矿化：有机磷可溶性无机磷。20世纪90年代以后，以前盛产的水产品逐年减少，虾和高价值的鱼类已经灭绝，只剩下了少数几种劣质鱼类。今天，滇池几乎成了臭水塘。

云南滇池一角的水华生物有机磷不溶性磷酸盐磷酸或可溶性磷酸盐与土壤中的盐基结合产酸微生物的作用或磷肥的生产植物与微生物的吸收同化微生物的分解作用

微生物在自然界中磷元素的循环作用五、铁的循环好氧环境厌氧环境铁元素在自然界中的循环Fe2+Fe3+Fe3O4Fe3O4厌氧的湖沼高铁杆菌、还原金属地杆菌、还原铁地弧菌、乙酸氧化脱硫单胞菌、甲醇暗杆菌厌氧紫色光养细菌趋磁水螺菌未知的化学因素好氧的氧化亚铁硫杆菌、嗜热的流化叶菌属等第四节、微生物与环境保护

环境污染：主要指生态系统的结构、功能受到外来有害因素的影响或破坏而失去平衡，导致物质流、能量流无法正常运转的现象。微生物引起的环境污染（一）大气微生物污染（二）水体微生物污染（三）土壤微生物污染（四）水体富营养化（五）微生物的代谢产物的污染

通过空气传播的主要病原菌及其引起的疾病病

原

微

生

物疾

病

名

称细菌

结核分枝杆菌（Mycobacteriumtuberculosis）

肺炎链球菌（Streptococcuspneumoniae）

葡萄球菌（Staphylococcussp）

酿脓链球菌（Streptococcuspyogenes）

脑膜炎奈瑟球菌（Neisseria

meningitidis）

白喉棒杆菌（Corynebacterium

diphtheriae）

百日咳博德特氏菌（Bordetella

pertussis）

鼠疫耶尔森氏菌（Yersinia

pestis）

炭疽芽孢杆菌（Bacillusanthracis）

嗜肺军团菌（Legionella

pneumophila）细菌性疾病

肺结核

肺炎链球菌肺炎

葡萄球菌呼吸道感染

链球菌呼吸道感染

流行性脑脊髓膜炎白喉百日咳鼠疫肺炭疽军团病病毒流感病毒（甲流H1N1病毒）鼻病毒等腮腺炎病毒麻疹病毒天花病毒水痘病毒风疹病毒腺病毒

SARS病毒病毒性疾病流行性感冒（H1N1甲流）普通感冒流行性腮腺炎麻疹天花水痘风疹急性咽炎、病毒性肺炎“非典型肺炎”其它病原微生物伯氏考克斯氏体（Coxiella

burnetii）肺炎支原体(Mycoplasma

pneumoniae)星状马杜拉放线菌(Actinomadura

asteroides)荚膜组织胞浆菌(Histoplasma

capsulatum)新型隐球菌(Cryptococcusneoformans)干草小多孢菌(Micropolyspora

faeni)其它疾病Q热原发性非典型肺炎奴卡氏菌病组织胞浆病隐球菌病农民肺通过粪便、污水进入水体的病原微生物（病原体）细

菌病

毒其

它沙门氏菌属致贺氏菌属致病性大肠杆菌变性杆菌属克雷伯氏菌属土拉热弗朗西丝氏菌假单胞菌属沙雷氏菌属小肠结肠炎耶尔森氏菌空肠弯曲杆菌霍乱弧菌ElTor弧菌分枝杆菌属芽孢杆菌属梭状芽孢杆菌属链球菌属钩端螺旋体属脊髓灰质炎病毒考克赛基病毒肠细胞病变人孤儿病毒呼肠孤病毒腺病毒轮状病毒肝炎病毒胃肠炎病毒溶组织内阿米巴人等孢子球虫兰伯氏贾弟虫日本吸血虫钩虫蛔虫蛲虫牛肉涤虫猪肉涤虫几种病原微生物在土壤中存活时间病原微生物存活时间粪链球菌沙门氏菌志贺氏菌结核杆菌霍乱弧菌钩端螺旋体炭疽杆菌溶组织内阿米巴肠道病毒26~77天15~280天，>280天1~3个月>180天8~60天15~43天15~60年6~8天8~170天

主要真菌毒素及其产生菌毒素种类毒素名称主要的产生菌肝脏毒黄曲霉毒素杂色曲霉素岛青霉素、黄天精、环氯素红青霉毒素棕曲霉毒素黄曲霉、寄生曲霉杂色曲霉、构巢曲霉岛青霉红青霉棕曲霉肾脏毒桔霉素曲酸桔青霉米曲霉神经毒棒曲霉素黄绿青霉素麦芽米曲霉素蕁麻青霉、棒形青霉黄绿青霉米曲霉小孢变种造血组织毒拟枝孢镰孢霉毒素雪腐镰孢霉烯醇葡萄穗霉毒素拟枝孢镰孢霉雪腐镰孢霉葡萄穗霉光过敏性皮炎菌核病核盘霉毒素菌核病核盘霉一、水体的污染—富营养化

水源的污染是危害最广、最大的污染。微生物处理法是最常用、最有效、最关键的处理方法。项目富营养湖泊贫营养湖泊数

量品

种分

布昼夜间的迁移水华现象主要藻类丰富较少主要生长在水体表层有限经常发生蓝藻纲(Cyanophyceae)色球藻科(Chroococcaceae)微囊藻属(Microcystis)铜绿微囊藻(Microcystis

aerugrinosa)水华微囊藻(Microcystis

flosaquae)具缘微囊藻(Microcystis

marginata)念珠藻科(Nostocaceae)鱼腥藻属(Anabaena)螺旋鱼腥藻(Anabaenaspiroides)束丝藻属(Aphanizomenon)颤藻科(Oscillatoriaceae)颤藻属(Oscillatoria)等片硅藻科(Deatomaceae)直链藻属(Melosira)脆杆藻属(Fragilaria)冠盘藻属(Stephanodescus)星杆藻属(Astericoolla)稀少很多可生长至深层频繁很少出现绿藻科(Chlorophyceae)角星鼓藻属(Staurastrum)片硅藻科(Diatomaceae)平板藻属(Tabellaria)小环藻属(Cyclotella)金藻科(Chrysophyceae)锥囊藻属(Dinobryon)富营养与贫营养湖泊中微生物的比较二、用微生物治理污染1、微生物处理污水的原理（一）污水的微生物处理活性污泥中菌胶团细菌和

丝状细菌的复合体显微照片污水处理中几个常用名词1）BOD：生化耗氧量，单位：mg/L；BOD5：20℃5昼夜，一级水，1mg/L二、三级水，3、4mg/L2）COD：化学需氧量3）TOD：总需氧量4）DO：溶解氧量5）SS：悬浮物含量6）TOC：总有机碳含量3、污水处理的方法和装置2、用于污水处理的特种微生物能分解氰、多氯联苯、蒽、菲、TNT、磺酸盐等难降解物的菌株。污水净化中三级处理的主要步骤处理步骤 过程一级处理 通过沉淀、筛分、加明矾和其他凝絮剂以及其他物理方法去除水中不溶的颗粒二级处理 生物方法去除水中的可溶性有机物