九微生物生态

九微生物生态第1页/共59页前言一、生态学的概念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二、什么是微生物生态学微生物生态学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。第2页/共59页第一节微生物在自然界中的分布一、土壤圈及其微生物(一)土壤是微生物生活的良好环境

（1）土壤的矿物质成分，提供微生物需要的矿质养料；（2）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养料和氮素养料；（3）土壤的持水性为微生物提供水分条件；（4）土壤的孔隙性和土壤水分多少，直接影响土壤的通气条件。（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。第3页/共59页

同一土体由于微环境的通气、水分、营养等状况都存在着差异，致使不同微生物呈立体分布。每克肥土中通常含有几亿至几十亿个微生物，贫瘠土壤每克也有几百万至几千万个微生物。（1）细菌数量：70~90%；种类：主要为腐生，少数自养分布：表层最多，随土层加深减少，厌氧菌反之。（2）放线菌数量：5~30%

（3）真菌（4）藻类（5）原生动物（二）土壤中微生物的分布第4页/共59页表9－2农田土壤上层15cm处微生物数量和生物量微生物土壤中的数量(个/g)生物量（g/m2）细菌

放线菌

真菌

藻类

原生动物9.8×107

2.0×106

1.2×102

2.5×204

3.0×104160

160

200

32

8土壤中微生物的数量：按种类递减细菌——放线菌——霉菌——酵母菌——藻类——原生动物

108 ~107 ~106 ~105 ~104~103个/g采取土样时一般要刮开表土2~3cm后采样。第5页/共59页二、微生物在水中的分布

水具有微生物生命活动适宜的温度、pH、氧气等，水体中也具备微生物生长繁殖的其他条件，因此成为微生物栖息的又一天然场所。(一)水体中微生物的来源

土壤、空气、动植物尸体、人和动物的排泻物、工业及生活污水。(二)种类

水中存在的微生物90%为革兰氏阴性菌，主要有弧菌、假单胞菌、黄杆菌等。鞘细菌及有柄附生细菌也常见于水体中。(三)微生物在水体中的分布

表现为水平分布和垂直分布的规律。此外，相同水域的不同浓度微生物的含量及分布也不同。(四)水体中的病原微生物

通过水体传播的病原微生物主要有沙门氏菌属、志贺氏菌属、霍乱弧菌等。因此，做好水的卫生学检查至关重要。第6页/共59页影响水体微生物分布的因素有机物含量温度水的深度日光与水体的溶解氧量

海洋微生物具有耐压、嗜冷和低营养要求的特点。淡水的pH值变幅从3.7到10.5，多数为6.5-8.5，因而适合于多数水生微生物的生长。

第7页/共59页淡水中的微生物细菌总数不得超过：100个/毫升

饮用水消毒常用方法：加入液态氯或次氯酸盐大肠菌群指数不得超过：3个/升

我国相关法规对饮用水微生物指标的规定第8页/共59页三、微生物在空气中的分布:

1．空气是传播微生物的重要介质空气本身缺乏微生物生活所必需的营养物，日光对微生物也具有很强的杀菌作用，另外空气一般是干燥的，因此空气不是微生物生活的良好环境。

2．空气中微生物的种类和数量

空气中的微生物主要来源于带有微生物菌体及孢子的灰尘，这类微生物大多数是腐生性的，还来源于人和动物，它们大多数是通过呼吸道排出的，其中也包含有病原微生物，悬浮在大气中。空气中微生物的分布随环境条件及微生物的抵抗力不同而呈现不同的分布规律。空气中存在较多的、存活时间较长的是各种真菌、放线菌的孢子及细菌芽胞。空气中微生物的数目决定于尘埃的总量。第9页/共59页表9－3不同地点空气中的微生物数量地点微生物数量（个/ｍ3空气）北极(北纬80°)0海洋上空1-2市区公园200城市公园5,000宿舍2,000畜舍1,000,000-2,000,000第10页/共59页四、极端环境中的微生物

不利于一般生物生长的特殊环境称为极端环境。主要有极端高温、低温、高盐、高压、高酸、高碱等。例如火山与温泉、极地或高山冰川、盐湖、深海底层等。1．高温环境中的微生物

高热环境--高温环境喷发的火山、地热蒸汽、沸腾或过热的温泉以及高温堆肥、热水器和取暖用热水循环系统等是常见的天然或人工的高温环境。不同微生物对高温的适应能力见表9－4，高温型微生物中以细菌居多，只有少数真菌。如嗜热脂肪芽孢杆菌、酸热芽孢杆菌（Ｂ．acidocaldarius）等。表9—4各类群生长的上限温度类群上限温度(℃)真核微生物原生动物

藻类

真菌56

55-60

60-62原核微生物盐盐细菌

光合细菌

无机化能细菌

异养细菌70-73

70-73

>90

>90第11页/共59页嗜热机制--嗜热菌之所以耐热，主要是其结构及生理上具有一定特点。近年来，对其嗜热机制进行了分子水平的研究，可归纳为以下4种假说。（1）类脂的敏感作用嗜热菌细胞质膜的化学成分，随环境温度的升高不仅类脂总含量增加，而且细胞中的高熔点饱和脂肪酸也增加，即长链饱和脂肪酸增加，而不饱和脂肪酸减少。因此，嗜热菌在高温下能维持膜的功能，能较好地生存。（2）重要代谢产物的迅速再合成

嗜热菌中tRNAr的周转率大于中温菌的周转率，核酸中的GC含量也比中温菌高。（3）大分子的热稳定性--嗜热菌的酶和蛋白质比中温菌的酶和蛋白质具有较高的热稳定性。（4）蛋白质合成系统的热稳定性--嗜热菌的核糖体比中温菌的核糖体抗热性高。第12页/共59页2．高盐环境中的微生物

高盐环境--盐湖、盐池和盐腌制的食品等是常见的高盐环境。通常把能在含盐量高于１５％的环境中生长的微生物称为极端嗜盐菌，常见的种类有盐细菌属和盐球菌属(表9-5)。

耐盐机理：

①嗜盐菌具有能适应高盐环境的细菌结构和离子浓度。嗜盐菌有选择性地吸收K＋排出Na＋的能力，细胞内的高浓度K＋既可以防止原生质脱水，又能维持酶和蛋白质等的活性;②有嗜盐的酶;③光合盐杆菌的细胞质膜上含有菌视紫素，能利用光能造成膜内外H＋的浓度梯度并藉以产生ATP和向细胞外排出Na＋。对高盐浓度的适应性酶的嗜盐性

紫膜的H+泵作用和排盐作用

第13页/共59页表9-5微生物的不同嗜盐类群嗜盐类群最适生长盐浓(NaC1)实例非嗜盐微生物＜0.2mol/L淡水微生物弱嗜盐微生物0.2-0.5mol/L大多数海洋微生物中等嗜盐微生物0.5-2.5mol/L某些细菌和藻类极端嗜盐微生物2.5-5.2mol/L盐杆菌和盐球菌耐盐微生物耐受范围0.2-2.5mol/L金黄色葡萄球菌和其他葡萄球菌，耐盐酵母菌等第14页/共59页3．高压环境中的微生物

自然界的高压环境主要存在于深海中，多数海洋底部的压力在100个大气压以上，最深处约为1100个大气压。研究表明从常压环境中分离的多数微生物在200-600个大气压的高压环境中将受到抑制或死亡，高压条件主要抑制常压微生物细胞蛋白质合成、质膜上物质和能量的传递及酶的代谢活性。高压环境中生长的主要是细菌，如分离自深海淤泥的耐压假单胞菌，生长十分迟缓，代时为33天。3类嗜压菌及其生长静水压（大气压数）类型最低生长压最适生长压最高生长压耐压菌未测1-100500嗜压菌1400-500700极端嗜压菌400700-8001035第15页/共59页4.嗜冷微生物（psychrophiles）5.嗜酸微生物（acidophiles）6.嗜碱微生物（alkalinophiles）7.嗜酸微生物（acidophiles）8.抗辐射微生物其他极端环境的微生物第16页/共59页五、工农业产品上的微生物工业产品上的霉腐

大量的工业产品都是直接或间接用动植物作原料制成的,例如木制品、纤维制品、革裘制品、橡胶制品、卷烟、化妆品、中成药等。食品上的微生物

粮、油、肉、蛋、奶、蔬菜和水果等各类食品含有丰富的营养成分，因而是微生物生长繁殖的天然营养基质。

1．粮食上的微生物

2．肉类上的微生物：假单胞杆菌,大肠杆菌,球菌,肠球菌

3．鱼类上的微生物：水体中的微生物类群

4．乳制品中的微生物

第17页/共59页六、生物体内外的正常菌群：正常菌群：生活在健康动物各部位，数量大、种类较稳定且一般是有益无害的微生物。正常菌群与人体的关系：一般能维持平衡，菌群内部的各种微生物之间，也是相互制约而维持相对稳定。变化情况：正常菌群是相对的、可变的、有条件的。机体防御机能减弱时，一部分正常菌群会成为病原微生物；正常菌群在非正常部位时也可引起疾病；由于外界因素的影响，破坏了各种微生物之间的相互制约关系，正常菌群也会引起疾病（菌群失调症）。第18页/共59页人体不同部位的正常菌群

部位主要微生物皮肤葡萄球菌属、八叠球菌、JK群棒状杆菌、绿脓杆菌、痤疮丙酸杆菌、厌氧革兰阳性球菌、青霉菌属等。口腔表皮葡萄球菌、α型溶血或不溶血链球菌、肺炎球菌、肠球菌属、奈瑟球菌属、他莫拉菌大肠杆菌、嗜血杆菌属、乳杆菌、类白喉杆菌真杆菌属、梭杆菌属、类杆菌属、厌氧革兰阳性和阴性球菌、白色念珠菌等。眼结膜表皮葡萄球菌、JK群棒状杆菌、丙酸杆菌属等第19页/共59页人体不同部位的正常菌群部位主要微生物鼻咽腔

葡萄球菌属、α型和β型溶血链球菌、肺炎球菌、奈瑟球菌属、嗜血杆菌属、大肠杆菌属、变形杆菌属、厌氧球菌、白色念珠菌等。肠道大肠杆菌、产气杆菌、变形杆菌属、绿脓杆菌、葡萄球菌属、八叠球菌、肠球菌属、产气荚膜杆菌、类杆菌属、双岐杆菌、真杆菌属、梭杆菌属、消化球菌、消化链球菌、白色念珠菌、艾柯病毒、腺病毒等。第20页/共59页

正常菌群对宿主新陈代谢、营养物质转化和消化吸收都具有重要作用，是保持人体生态平衡和内环境的稳定有重要因素。许多因素都能引起上述生态失调，如宿主患病、医疗措施影响、外来菌侵袭及抗菌药物使用等，结果引起内源性感染Endogenousinfection，又称机会感染Opportunisticinfection。原来存在于肠道、口、咽等部位的正常菌群在其他易感部位造成感染。如大肠杆菌由结肠转移至呼吸道引起肺炎。这种情况在宿主免疫功能缺陷时尤为常见。第21页/共59页其它生物体无菌动物（germ-freeanimal）：体内外检查不到任何正常菌群的动物悉生生物（gnotobiotics）：已经人为接种某已知纯种微生物的无菌动物第22页/共59页扩展：菌种资源的开发菌种筛选的一般原则和基本步骤：采集菌样：了解目标菌分布情况、首选样品是土壤富集培养：利用选择性培养基的原理，向所采土样中加入某些特殊营养物，并创造一些有利于待分离对象生长的条件，使样品中少量的能分解利用该营养物的微生物大量繁殖，以提高其在群体中的比例，使之便于分离。纯种分离：见第八章第五节“菌种的衰退、复壮与保藏”。性能测定：见第八章第五节“菌种的衰退、复壮与保藏”。第23页/共59页采取土壤样品要考虑的几个问题土质肥，微生物含量高，特别肥沃的土壤中细菌多，放线菌少；在植物残体枯枝落叶下的土壤中较多含有拮抗性真菌。离地面5~20cm处的土壤通气良好、不受阳光直射，喊菌量最高。采土季节以春秋两季最好。采土方法：选择适当地点、铲除表土、取土样数十克，盛入事先准备的无菌防水纸袋中，其上记录采土时间、地点、植被情况等。多点采土、混合分离，可以代表每一地块上的微生物分布平均情况第24页/共59页第三节微生物的生物环境

1、互生关系：两种可以独立生活的生物生活在一起时，都从对方获得利益，相互提供营养或生态位。

人体的肠道正常菌群：排阻、抑制外来致病菌；提供若干种维生素：如VB1、B2、B6、B12、VK、烟酸、泛酸、生物素、叶酸等产生若干种酶类。肠道为微生物提供生存环境。

人体肠道正常菌群与宿主的关系主要是互生关系。第25页/共59页

2、共生关系：两种生物生活在一起，相互依赖，形成特殊的共生结构。微生物与动物之间的共生关系：

反刍动物与瘤胃微生物的共生关系：前者为后者提供生存环境，后者分解纤维素为纤维二糖和葡萄糖，为动物提供能量来源。

切叶蚁与丝状真菌共生时将树叶切碎，混以唾液和粪便培养真菌供其生长。蟑螂、蝉、芽虫、臭虫等昆虫的细胞中有大量的内共生微生物，这些微生物为昆虫合成B族维生素，降解多余的含N化合物，以促进昆虫的排泻。微生物与海洋生物共生发光，帮助动物发现饵料、逃避捕食或作为联络的信号。

第26页/共59页微生物间的共生关系：地衣产氢产乙酸菌株（S菌株）与产甲烷细菌（MOH菌株）微生物与植物间的共生关系：根瘤菌与豆科植物放线菌、藻状菌、蓝细菌、分枝杆菌和克雷伯氏菌与一些非豆科植物之间的根瘤菌根：特别多见于兰科、杜鹃科及其它森林树种第27页/共59页

3、寄生关系：能在人和动物体内寄生并引起疾病的微生物称为寄生菌。能导致寄主损害或死亡的寄生菌称为病原菌。病原菌会使人和动物产生疾病。利用寄生关系开展生物防治是生态农业发展方向。苏云金杆菌寄生于鳞翅目昆虫引起病害导致昆虫死亡；核多角体病毒寄生于棉铃虫引起病毒病导致昆虫死亡。第28页/共59页微生物间的寄生：噬菌体与其宿主之间的关系真菌对真菌的寄生细菌或真菌寄生于原生动物细菌寄生于细菌：蛭弧菌寄生于Pseudomonasphaseolicola（栖菜豆假单胞菌）微生物与植物之间的寄生关系：植物病原体专性寄生物和兼性寄生物微生物与动物之间的寄生关系：各种病原微生物昆虫病原菌——生物农药冬虫夏草第29页/共59页四、拮抗定义：由某种生物所产生的某种代谢产物可抑制他种生物的生长发育甚至杀死它们的关系。一般多用来指代微生物之间的“化学战术”有时也将因某微生物生长而引起的其它条件改变抑制他种生物的现象称为拮抗，如缺氧、pH值改变等拮抗关系的利用：为筛选抗生素、食品保藏、医疗保健、动植物病害防治等提供有效手段。第30页/共59页第三节微生物与生物地球化学循环

微生物在自然界物质循环中的作用包括参与:1、C素循环

2、N素循环

3、P素循环

4、S素循环第31页/共59页微生物在碳素循环中作用：

A、将二氧化碳合成有机物

B、将含碳有机物分解为二氧化碳第32页/共59页二、氮素循环第33页/共59页三、磷素循环第34页/共59页微生物在P素循环中的作用:

A.分解含P有机物释放出PO43-

B.同化磷酸盐为含P有机物

C.产生有机酸、HNO3

、H2CO3，溶解土壤中难溶性P为可溶性P，供植物吸收第35页/共59页四、硫素循环

第36页/共59页第四节微生物与环境保护

环境保护涉及的范围很广，内容很多，概括地说，主要包括：

“保护自然环境”

“防治污染和其他公害”微生物与环境保护，关系极为密切，在环保工作中，利用微生物处理环境污染物和监测环境，已取得很大成就。而且，微生物在这些方面的作用，还在不断地研究之中，今后将会被利用于更多方面。第37页/共59页一、微生物对有毒污染物的降解

对烃的降解能降解石油的微生物很多，已报道的约有70余属200多种。土壤真菌和细菌以及海洋细菌，丝状真菌等都是石油的重要降解者，其中以灰绿青霉(Penicilliumglaucum)、产朊假丝酵母(Candidautilis)等真菌，和假单胞菌属、诺卡氏菌属、分枝杆菌属中的一些种类，降解能力最强。同时，由于石油是多种烃类的混合物，一般是由多种微生物共同作用而使其降解。主要是在加氧酶的催化作用下，将分子氧组合入基质中，形成一种含氧的中间产物，然后转化成其他物质而参与代谢过程。第38页/共59页微生物对烃类物质的分解第39页/共59页表面活性剂

表面活性剂主要是合成脂肪酸衍生物、烷基磺酸盐、烷基苯磺酸盐、烷基硫酸盐等有机化合物。由于其组成分子具有亲水性和疏水性两重性质，故它们倾向于聚集在空气~水界面和水界面上，能降低表面张力，促进乳化作用。环境中表面活性剂的消失，几乎完全是微生物的作用。例如，新一代合成表面活性剂中使用得最广的烷基苯磺酸盐类，能被芽孢杆菌和恶臭假单胞菌降解：经过脱磺基和氧化两步来降解此类化合物。第40页/共59页

含苯化合物这类化合物耐酸、耐碱、耐腐蚀，具有稳定性、绝缘性、不燃性、耐热性等特点，而被作为绝缘油、载热体、软化剂、涂料、添加剂等，广泛用于工业。因此，在其生产与使用过程中造成环境污染，可引起人和动物中毒。能降解多氯联苯的微生物：蜡状芽孢杆菌、邻单胞菌(Plesiomonassp.)、产碱菌和不动杆菌、无色细菌；通过与解脂假丝酵母、小球诺卡氏菌、红色诺卡菌和酿酒酵母等混合菌的共代谢，能使多氯联苯完全降解。第41页/共59页微生物对苯的分解第42页/共59页微生物对甲基环己烷的分解第43页/共59页氰和腈

由于石油化工工业和人造纤维工业的发展，含有机腈化物(如丙烯腈)和无机氰成分的废水日益增多，它们均为剧毒物。能分解氰和腈化物的微生物有:

腐皮镰孢霉木霉假单胞菌诺卡氏菌无色杆菌产碱菌等14个属，共计49个种。第44页/共59页农药农药是除草剂、杀虫剂、杀菌剂等化学药剂的总称。由于农药对粮食生产的重要，目前全世界农药的总产量已达200多万吨，品种约有500余种，常用的也有100种。农药多是有机氯制剂、有机磷制剂和有机汞制剂。这些有毒化合物在累积于自然环境中，对人和动物具有严重的危害。环境中有机农药的消失，主要是由于微生物的降解作用。并已从土壤、水体、污泥、污水中分离到能降解农药的细菌、放线菌、真菌等微生物。由此，可利用微生物降解有机农药污染物。第45页/共59页能降解有机磷农药的微生物第46页/共59页微生物产生的酶可打断P-S、P-O、P-N键,使有机磷农药降解或毒性减弱。第47页/共59页微生物对重金属的转化自然界中存在有多种重金属，其中以汞、砷、铅、镉、铬等的生物毒性最为显著。重金属对人类的毒害常与它的存在状态有密切关系。如有机汞和有机铅化合物引起的环境危害超过它们的无机化合物；六价铬比三价铬更具毒性。因此，研究重金属在自然环境中的转化，对防止重金属对环境的污染具有重要的意义。微生物不能降解重金属，只能使它们发生形态间的相互转化及分散和富集过程。另外，微生物代谢活动的结果，形成大量各种产物，能对金属离子起增溶、沉淀、螯合等作用。第48页/共59页第49页/共59页一、水体自净作用（1）概念水体自净是发生在受到污染（特别是有机污染）的水体中的一个生态学过程，在这个过程中微生物消耗或吸收了水中的污染物，使得水或水体向净化的方向转变。（２）作用造成这一转变的生物化学过程常被称作生物降解。生物降解是指在微生物作用下，有机化合物转化为低级有机物和简单无机物的过程。２．水体富营养化

（１）概念富营养化是湖泊分类和演化学的一个概念，它指的是当湖泊水中的N、