第九章微生物生态

第九章微生物生态第1页，课件共48页，创作于2023年2月

微生物生态学是研究微生物群体（微生物区系或正常菌群）与其周围的生物和非生物环境条件之间相互作用关系的科学。

微生物是地球生物圈（Biosphere）的重要成员，在自然界分布广泛，对自然界的物质转化和元素的生物循环具有重要的意义和作用，对人类和其它生物的影响巨大。可以说没有微生物就没有我们今天这个缤纷多彩的世界！第2页，课件共48页，创作于2023年2月第一节微生物在自然界的分布微生物在自然界分布广泛。将生活于特定生态环境中的微生物分为两大类：（1）土著性微生物(Indigenous)：是指在生境中已占据特定的生态位(Habitat)，能在该生境中生长、代谢和繁殖，并能与同一生态位中的其它微生物竞争的微生物。如枯草芽孢杆菌、假单胞杆菌。（2）外来性微生物（Allochthonous）：是指在生境中没有占据特定的生态位，而是从另一生境传入的微生物。如大肠杆菌。第3页，课件共48页，创作于2023年2月一.土壤中的微生物二.水体中的微生物三.空气中的微生物四.极端环境中的微生物五.生物体内外的正常菌群第4页，课件共48页，创作于2023年2月1.土壤是微生物生活的“大本营”和“栖息地”（1）营养：（2）水分和渗透压：（3）空气：（4）pH值：（5）温度：一般10-25℃。一.土壤中的微生物第5页，课件共48页，创作于2023年2月

土壤中微生物的种类繁多，主要聚集于表层或耕作层土壤中，多以微菌落（Microcolony）的形式分布于土壤颗粒、有机质表面和植物根际。绝大多数的微生物是土著性的微生物，又可分为土生性和发酵性微生物两大类。2.土壤中微生物的种类（1）土生性微生物：以土壤腐殖质作为主要的营养来源，生长慢、数量较稳定，作用持久。以G-无芽孢杆菌和放线菌为主。（2）发酵性微生物：以动植物分泌物、排泄物和残体作为主要的营养来源，数量表现为大起大落的间歇性。以假单胞杆菌、芽孢杆菌、青霉、曲霉和毛霉等为主。多数可形成休眠体如芽孢、孢子等以度过不良环境。大多数进入土壤中的病原微生物属外来性微生物，其中多数因不能适应土壤的生活条件会很快消失。第6页，课件共48页，创作于2023年2月

土壤中微生物的数量因土壤类型、季节、土层深度与层次等不同而异。一般地说，在土壤表面微生物不易生存；离地表10-30cm的土层中微生物数最多；随土层加深，微生物数减少。3.土壤中微生物的数量在个体数量上，一般表现为：细菌(~108)>放线菌(~107)>霉菌(~106)>酵母菌

(~105)>藻类>(~104)>原生动物(~103)。土壤中微生物的分离和计数可用稀释平板法和平板划线分离法进行。第7页，课件共48页，创作于2023年2月（1）细菌：是土壤微生物中数量最大、种类最多、功能多样的类群。总菌数达到106~109个/克土壤，以异养菌为主，无芽孢杆菌占优势。（2）放线菌：数量为105~108个/克土壤。一般在有机质丰富的中性到微碱性土壤中较多，在贫瘠、酸性或淹水的土壤中较少。常见的种类以链霉菌属和诺卡氏菌属为主，其次是小单胞菌属和放线菌属。其生长使土壤带有特殊的土腥味。（3）蓝细菌：主要分布于土壤表层，以中性或微碱性土壤居多。蓝细菌中的固氮类群在土壤形成初期有积累有机质和氮素的重要作用。第8页，课件共48页，创作于2023年2月（5）藻类：光能自养的藻类因需要光照而主要分布在表土层和表层积水中，遇温暖潮湿季节时可大量繁殖而在表土层形成绿色、红色等斑点。可改善土壤的氧气条件。（4）真菌：丝状真菌都是好氧异养的类型，主要分布于土壤表面的枯枝落叶层的表土层中，在肥沃和通气良好的土壤中数量较多，数量可达103~105个/克土。真菌中的许多类群能分解纤维素、木质素等难分解的有机物质，因而在土壤形成和肥力提高过程中有重要作用。常见的有曲霉、青霉、木霉、根霉和毛霉。酵母菌存在于大多数土壤中，是兼性厌氧型，数量一般较少，常见的为假丝酵母属和红酵母属。（6）原生动物：多集中在有机质和微生物丰富的表层土壤中，以有机质碎片和溶液、藻类、细菌、真菌及其它微生物为食，可平衡和调控土壤中的微生物种类和数量。第9页，课件共48页，创作于2023年2月二.水体中的微生物根据水的化学组成，可分为淡水和海水。在这两种水体中都存在着大量的微生物。1.淡水微生物

江河、湖泊及下水道：微生物的种类和数量均较多，且多数是腐败型水生微生物。常见类群有变形杆菌、埃希氏杆菌和各种芽孢杆菌。

水中微生物的种类及数量随水的来源和水中所含营养物和气侯地理条件的不同而变化。其中影响最大的是水中有机质的含量。

地下水和泉水：微生物的种类和数量都较少，多数是清水型水生微生物，即光能或化能无机营养型微生物，如蓝细菌、绿硫细菌。第10页，课件共48页，创作于2023年2月2.海洋微生物

海洋微生物的种类与数量均较少，且特点是：嗜盐、耐压、贫营养、耐低温。主要是一些藻类和细菌中的芽孢杆菌属、假单胞杆菌属、弧菌属和一些发光细菌等。

3.饮用水的微生物标准根据规定标准，自来水中细菌总数不可超过100个/ml，大肠杆菌不可超过3个/L。

水中微生物的含量直接影响水的饮用价值。在饮水微生物学检查中不仅要统计总菌数，还要检查病原菌数。根据病原菌和大肠杆菌都来自粪便这一原理，通过检查大肠杆菌的数目来确定水源被粪便污染的程度。

第11页，课件共48页，创作于2023年2月三.空气中的微生物空气不是微生物生长的良好环境。然而，空气中却含有相当数量的微生物和孢子。凡是尘埃越多的空气，其中的微生物也越多，因此灰尘被称为“微生物之舟”。一般在畜舍、公共场所、医院、宿舍、城市街道的空气中微生物的数量最多。而大洋、高山、森林和终年积雪的山脉等区域空气中的微生物数量就很少。空气中常见的种类为青霉、曲霉、根霉和毛霉的孢子，芽孢杆菌、葡萄球菌和无芽孢杆菌。病原菌在空气中一般很易死亡，但结核杆菌、葡萄球菌、炭疽杆菌、流行性感冒病毒和脊髓灰质炎病毒等则可生存一段时间。第12页，课件共48页，创作于2023年2月四.极端环境微生物

在地球的某些局部地区，存在许多不利于一般生物生长的特殊环境，包括高温、低温、高盐、高压、高酸碱等，称为极端环境，在这些环境中生活有一些特殊的微生物类群，称为极端环境微生物。1.嗜热微生物

在火山、地热蒸汽、温泉、灼热的沙漠、岩石和土壤表面，以及堆肥等高温环境中都有一些嗜热微生物生长。

从1960年代以来，截止1997年已分离到20多属共50多种嗜热菌。其中最著名的是1960年代末美国黄石国家公园的温泉水中分离到的水生栖热菌（能在80℃下生长）及在深海火山口附近分离到的烟孔火叶菌（最适温度105℃，最高113℃，低于90℃停止生长）和激烈火球菌（最适温度100℃）。第13页，课件共48页，创作于2023年2月2.嗜盐微生物通常将在盐浓度超过15%的环境中能生长的微生物称为极端嗜盐菌。至今已记载的极端嗜盐古生菌为6属共15种，有盐球菌属、富盐菌属、盐盒菌属、嗜盐碱杆菌属和嗜盐碱球菌属，生活在盐湖、盐池、盐矿和盐腌制的食品等高盐环境中。既能在高盐环境中生活，又能在低盐环境正常生活的微生物称为耐盐微生物。3.嗜压微生物

在深海环境中，随海水深度增加，压力升高，一般水深每增加10m，压力即上升1atm。海洋深处除高压条件外，常伴随着黑暗、低温和低浓度的营养物质。

生活于高压条件下的微生物均为原核生物，又称嗜压菌，如耐压假单胞杆菌分离自深海淤泥，生长极其缓慢，代时为33天。曾报道从深海中分离到能在800atm下生长的微生物。第14页，课件共48页，创作于2023年2月4.嗜酸微生物

生长最适PH在3-4以下，中性条件下不能生长的微生物称为嗜酸微生物；能在高酸条件下生长，但最适PH接近中性的微生物称为耐酸微生物。极端的酸性环境包括各种酸矿水、酸热泉、火山湖、地热泉等。嗜酸微生物一般为化能无机营养的硫氧化菌、硫杆菌。酸热泉既具高酸度，又具高温，因而从中分离出独具特点的嗜酸嗜热细菌如嗜酸热硫化叶菌等。5.嗜碱微生物一般把最适生长PH在9以上的微生物称为嗜碱微生物，中性条件不能生长的为专性嗜碱微生物，中性条件甚至酸性条件都能生长的称为耐碱微生物或碱营养微生物。它们一般存在于碱性盐湖和碳酸盐含量高的土壤中。主要代表有甲烷嗜盐菌、嗜盐碱杆菌、嗜盐碱球菌等。第15页，课件共48页，创作于2023年2月6.嗜冷微生物嗜冷微生物能在较低的温度下生长，可以分为专性和兼性两类。前者的最高生长温度不超过20℃，可以在0℃或低于0℃条件下生长；后者可在低温下生长，但也可以在20℃以上生长。嗜冷微生物的主要生境有极地、深海、寒冷水体、冷冻土壤、阴冷洞穴、保藏食品的低温环境。从这些生境中分离到的主要嗜冷微生物有针丝藻、粘球藻、假单胞菌等。从深海中分离出来的细菌既嗜冷，也耐受高压。第16页，课件共48页，创作于2023年2月五.生物体内外的正常菌群1.人体的正常菌群人体内外部生活着为数众多的微生物种类，数量可高达1014，约为人体细胞数的10倍。生活在健康动物各部位，数量大、种类较稳定，一般能发挥有益作用的微生物种群，称为正常菌群。正常菌群之间、正常菌群与宿主之间，以及正常菌群与周围其它因子之间存在的密切关系即为微生态关系。人体共有5大微生态系统，包括消化道、呼吸道、泌尿生殖道、口腔和皮肤，尤其以消化道最引人注目。据报道，在胃肠道中的微生物数量占人体总携带量的78.7%。第17页，课件共48页，创作于2023年2月在一般情况下，正常菌群与人体保持着十分和谐的平衡状态，在菌群内部各微生物间也相互制约，维持稳定有序的相互关系即微生态平衡。肠道正常菌群对宿主具有很多有益作用，包括排阻、抑制外来致病菌，提供维生素等营养，产生淀粉酶、蛋白酶等有助消化的酶类，分解有毒或致癌物质，产生有机酸、降低肠道PH和促进蠕动，刺激机体的免疫系统并提高免疫力，及存在一定程度的固氮作用（如肺炎克雷伯氏菌可补充以甜薯为主食的新几内亚人的蛋白质营养）等。以人体肠道为例，经常生活着60-400种不同的微生物，总数可达数百亿个。厌氧菌是肠道正常菌群的主体（约99%），尤其是拟杆菌属、双歧杆菌类和乳杆菌类等更是优势菌群。第18页，课件共48页，创作于2023年2月正常菌群的微生态平衡是相对的、可变的和有条件的。一旦宿主的防御机能减弱、正常菌群生长部位改变或长期服用抗生素等制菌药物后，就会引起正常菌群失调。微生态制剂是依据微生态学理论而制成的含有有益菌的活菌制剂，其功能在于维持宿主的微生态平衡、调整宿主的微生态失调并兼有其它保健功能。益生菌剂是1974年由R.B.Parker正式提出，实际上成了微生态制剂的代名词，通常是指一类分离自正常菌群，以高含量活菌为主体，一般以口服或粘膜途径投入，有助于改善宿主特定部位微生态平衡并兼有若干其它有益生理活性的生物制剂。为调整和治疗因肠道等部位微生态失调而引起的疾病，从1970年代起，就有人提出采用微生态制剂或益生菌剂的措施以恢复微生态平衡的设想。第19页，课件共48页，创作于2023年2月2.根际微生物和附生微生物1）根际微生物：又称根圈微生物。生活在根系邻近土壤，依赖根系的分泌物、外泄物和脱落细胞而生长，一般对植物发挥有益作用。多数为G-细菌，如假单胞菌属、土壤杆菌属、节杆菌属等。2）附生微生物：生活在植物地上部位表面，主要借植物外渗物质或分泌物质为营养。主要为叶面微生物，鲜叶表面一般含细菌106个/g，还有少量酵母菌和霉菌，放线菌则很少。附生微生物具有促进植物发育（如固氮）、提高种子品质等有益作用，也可能引起植物腐烂甚至致病。一些蔬菜果实等表面存在的乳酸菌、酵母菌等附生微生物，在泡菜和酸菜的腌制、果酒酿造时，还起着天然接种剂的作用。第20页，课件共48页，创作于2023年2月第二节微生物之间的相互关系

微生物间的相互关系多种多样，十分复杂，如果将它们的关系限制在两种不同的微生物之间，这些关系可区分为三个方面：（1）单方受益；（2）双方受益；（3）一方受益、一方受害。

根据作用效应进一步的可分为八种类型。第21页，课件共48页，创作于2023年2月一.中性关系（Neutralism）两个微生物种群之间没有影响或只存在无关紧要的相互作用，即称为中性关系。

如空气中存在的病原细菌和非病原菌。二.偏利作用（Commensalism）一个微生物种群因另一微生物种群的存在而单方面获利的现象称为偏利作用。

在自然界中这种关系非常普遍，偏利作用有多种表现形式：第22页，课件共48页，创作于2023年2月（2）提供生长因子

水生的短黄杆菌产生半胱氨酸有利于肺炎军团细菌的生长。链霉菌产生VB12给三氯乙酸代谢菌使用。

（3）提供营养

土壤中的亚硝化细菌群利用氨盐转变为亚硝酸盐，硝化细菌群将亚硝酸盐作为营养将其转化为硝酸盐。

（4）中和和除去有害物质

贝氏硫细菌可以将H2S氧化为S，从而解除了H2S对许多好氧菌的毒性。（1）提供合适的生态条件

如土壤团粒内的兼性厌氧菌为厌氧菌的生长创造条件。在淀粉类食品上生长的肉毒梭菌常因食品的含水量降低，生长受抑制；但若同时有马铃薯芽孢杆菌生长时，它代谢产生的水可提供肉毒梭菌生长。第23页，课件共48页，创作于2023年2月三.协同作用（Synergism）两个微生物种群之间相互受益并保持其各自独立性的松散关系，称为协同作用。

具有协同作用的微生物种群可以增强生活能力，并常能完成它们单独不能进行的物质转化。协同作用有多种表现形式：

（1）互相提供营养物质

纤维分解菌将纤维素分解为葡萄糖，为固氮菌提供碳源和能源，而后者从空气中固定的氮素又能改善前者的氮素营养。

（2）互相提供生长因子

阿拉伯糖乳杆菌能产生叶酸但需要苯丙氨酸，而粪链球菌能产生苯丙氨酸，却需要叶酸，它们单独培养均不能在基础培养基上生长，但混合培养则可正常生长。

（3）协同降解农药

节杆菌和链霉菌协同降解有机农药二嗪农。第24页，课件共48页，创作于2023年2月四.共生（Symbiosis）共生是指协同作用进一步发展成专性的结合，共同形成具有特殊形态结构和功能上的紧密关系。又称互惠共生。如地衣是蓝细菌或藻类与真菌的共生体，是共生的典型代表。真菌的丝状体包在蓝细菌或绿藻的外围，从环境吸收水分和营养，提供共生者的生活条件，蓝细菌和绿藻的光合作用促进其本身的生活，也以光合产物供作真菌发育的碳源，蓝细菌固氮产物更提供了绿藻和真菌的氮素营养，三者共生相得益彰，使其能在岩石、树干或湿地上生长。第25页，课件共48页，创作于2023年2月

五.竞争关系（Competition）竞争是两个或两个以上的微生物种群间因利用相同的养料、生长基质或环境条件时，造成一方或双方的体积大小、生长速率、种群密度受到限制，并最终导致优势种群胜利，劣势种群淘汰的现象。如以硫化物作为限制因子混合培养酒色红硫菌和韦氏红硫菌，发现它们之间的竞争能力与光照有关，当连续光照或光照时间大于或等于黑暗时间时，酒色红硫菌占优势；当黑暗时间大于光照时间时，韦氏红硫菌占优势。第26页，课件共48页，创作于2023年2月

六.拮抗关系（Antagonism）又称偏害作用，是指一种微生物通过产生某种特殊的代谢产物或改变环境条件而抑制或杀死另一微生物种群的现象。（1）非特异性拮抗作用指一种微生物通过自身的代谢活动改变环境条件，非特异性地抑制其它微生物的作用。

A产酸：在腌制泡菜、酸菜的过程中一方面利用厌氧条件来抑制好氧性微生物的生长；同时乳酸细菌产生乳酸，可抑制腐败性微生物的生长并赋予食品特有的风味。

B产乙醇：酵母菌或发酵假单胞菌能发酵葡萄糖产乙醇，低浓度的乙醇可抑制除醋酸菌以外的其它微生物生长。

C改变氧分压：产生或消耗氧气能改变环境的氧分压使之不利于某一类微生物生长。如在藻类和蓝细菌生活的环境中很少有专性厌氧微生物生长。第27页，课件共48页，创作于2023年2月是指某种微生物在代谢活动过程中能产生一些特异性的次生代谢产物可在较低浓度下特异性地抑制或杀死其它微生物的现象。（2）特异性拮抗作用

A细菌素：是某些细菌产生的能抑制或杀死同类细菌的蛋白质类产物，其作用范围较狭窄，常限于少数有关的种或株系，表现为高度的特异性和选择性。如大肠杆菌素对与之相近的同类细菌有较强的毒性而对分类上较远的细菌无作用；根瘤菌产生的根瘤菌素等。

B抗生素：是微生物产生的一类特异性地抑制和杀死其它微生物的次生代谢产物。与细菌素的区别在于作用范围较广并主要作用于不同类的其它微生物。产生抗生素的微生物主要为放线菌、细菌和真菌。不同种类的微生物产生的抗生素种类和抗菌谱各异。依产物的作用性质可分为两类：细菌素和抗生素。

第28页，课件共48页，创作于2023年2月七.寄生关系（Parasitism）寄生关系是指一种微生物生活在另一种微生物的表面或体内并对后者产生危害甚至死亡的相互关系。（1）噬菌体和细菌。（2）蛭弧菌和细菌。

第29页，课件共48页，创作于2023年2月八.捕食关系（Predation）

一种微生物直接吞食另一种微生物的关系。捕食性真菌和线虫。以上介绍的8种相互关系仅是一个人为的分类系统，微生物间在自然界的相互作用常比以上的复杂得多。在一个特定的生态环境中通常存在多个微生物种群间的若干种相互作用，表现为复杂的相互促进又相互制约的生存竞争，从而促进了微生物的进化发展。第30页，课件共48页，创作于2023年2月第三节微生物在自然界物质循环中的作用

在地球表面，由于地壳的升降运动，各种化学元素经历了由陆地到海洋，再由海洋到陆地的循环过程，构成了化学元素的地质大循环。地球上的各种生物必须不断的从环境中吸收营养元素，才能满足其生活需要。由于自然界中的营养元素总量有限，所以必须使生物所需的各种营养元素不断转化和循环利用才能解决这一矛盾，这就构成了营养元素的生物小循环。生物小循环是由生物参与并推动的自然界物质循环，主要包括两方面的作用：（1）生物合成作用；（2）有机质的分解作用。

第31页，课件共48页，创作于2023年2月

微生物在自然界营养元素的生物小循环中发挥着主要作用，尤其在有机物的分解作用上。微生物的作用可以归纳为三个方面：（1）是生物食物链的初级生产者，如水体中的光合微生物和藻类。（2）是有机物的主要分解者，如异养细菌、真菌。（3）是地球上物质与能量的保存者。一.微生物在自然界碳素循环中的作用二.微生物在自然界氮素循环中的作用第32页，课件共48页，创作于2023年2月一.微生物在自然界碳素循环中的作用

碳源构成了有机物和生物细胞的结构骨架，是地球上所有生物必需的主要元素，占细胞干重的40~50%。1.自然界的碳素循环植物和自养微生物通过光合作用固定CO2成为有机碳化合物获得生长，同时通过呼吸作用释放CO2。动植物死后，通过微生物的作用，转变为有机碳化合物，并进一步转变为CO2，从而完成碳素循环。第33页，课件共48页，创作于2023年2月2.微生物在碳素循环中的作用1）同化CO2：藻类、蓝细菌主要进行产氧型光合作用；光合细菌在某些特殊的生态条件下（如有光、厌氧和H2S）进行不产氧光合作用；化能自养菌能利用氧化无机物时获得的化学能来同化CO2。2）分解有机碳化合物：蓝细菌、藻类、光合细菌合成的有机物一部分可通过呼吸作用而氧化生成CO2。死亡的动植物和微生物残体中有机物的转化和分解主要靠异养型微生物的作用。在有氧条件下，由好氧性微生物彻底氧化分解成CO2和水；在厌氧条件下，厌氧菌和兼性厌氧菌发酵产生CO2、水和某些未完全氧化的中间产物如醇、有机酸等。已知自然界分解有机物作用较强的类群主要有：A好氧性细菌如芽孢杆菌属、假单胞菌属、噬纤维菌属、生孢噬纤维菌属；B厌氧细菌以梭菌属为主；C真菌如青霉、曲霉、根霉、毛霉、木霉；D放线菌如链霉菌属、小单孢菌属、诺卡氏菌属、高温放线菌属等。第34页，课件共48页，创作于2023年2月二.微生物在自然界氮素循环中的作用

在自然界中，氮主要以三种形式存在：（1）以分子态氮（N2）的形式存在于大气中，占数量最大；固氮方法火山爆发、雷电和电离辐射可少量固氮；具固氮能力的原核微生物及共生体固氮；化学固氮（在第一次世界大战前，300℃高温、300atm高压、催化剂）。（2）以各种无机氮化合物（NO3-、NO2-、NH4+）的形式存在于土壤、岩石和水体中；（3）以有机氮化合物的形式存在于生物体内、生物的分泌物、排泄物和残体中。

在自然界氮素循环的过程中，微生物起着关键作用。第35页，课件共48页，创作于2023年2月空气中的氮气经固氮微生物的作用还原为氨后再转化成氨基酸等其它含氮化合物，它们可直接（在共生条件下）或经转化后为植物等非固氮生物利用。存在于植物和微生物体内的有机氮又能被动物食用，最终动植物和微生物残体、分泌物和排泄物等中的含氮有机物形式经微生物的氨化作用分解为氨。氨在通气条件下易被硝化细菌逐步氧化为亚硝酸和硝酸，硝酸盐在厌氧条件下又可被反硝化菌还原为分子态氮，铵盐和硝酸盐均能被植物和微生物吸收再同化为有机氮，从而完成自然界的氮素循环第36页，课件共48页，创作于2023年2月（一）生物固氮作用

生物固氮作用是指微生物利用分子态氮作为氮素营养来源，将氮还原成氨，并进一步转化成有机氮的生物学过程。1.固氮菌与固氮作用类型

已经发现的固氮生物都是原核微生物。根据这些微生物与其他生物的关系又可区分为自生固氮菌、共生固氮菌和联合固氮菌三大类，所引起的生物固氮作用分别称为自生固氮作用、共生固氮作用和联合固氮作用。第37页，课件共48页，创作于2023年2月（1）自生固氮菌：能独立生活并固氮的微生物称为自生固氮菌。第38页，课件共48页，创作于2023年2月（2）共生固氮菌：与其他生物形成生理上密不可分的整体，生活中互相补充并固氮的微生物称为共生固氮菌。共生固氮体系是目前自然界最有效的固氮作用。（3）联合固氮菌：生活于植物根的粘质鞘套内或皮层细胞之间，与植物既具有一定的专一性，但又不形成特殊共生结构的细菌称为联合固氮菌。常见的是巴西固氮螺菌与禾本科植物（玉米、小麦）。

第39页，课件共48页，创作于2023年2月

生物固氮作用是在常温常压下由固氮酶催化完成的，反应必须在无氧条件下进行。此外，还需具备基质、还原剂、ATP、Mg2+。N2+18~24ATP+8(H)固氮酶2NH3+18~24ADP+18~24Pi+H2

生物固氮是一个极其重要的生化反应过程，不同类型的固氮微生物虽然能量来源和营养代谢方式多样，但其固氮作用的机理基本相同，可用以下的反应式表示：2.生物固氮作用的机理第40页，课件共48页，创作于2023年2月

铁蛋白和铁钼蛋白单独存在时都不具备还原N2的能力，只有当两者同时存在才具有固氮酶活性。而且来源于不同固氮微生物的两种组分可以组成具有活性的固氮酶。(1)固氮酶的结构不同固氮微生物固氮酶的结构和性质基本相同，是一种复合蛋白，由固二氮酶和固二氮酶还原酶两种相互分离的蛋白构成。固二氮酶是一种钼铁蛋白（MF），铁和钼组成一个称为“FeMoCo”的辅因子，是还原N2的活性中心，可催化N2形成NH3。而固二氮酶还原酶是一种铁蛋白（F）。

固氮酶具有底物多样性，除可还原N2

成NH3外，还可催化许多其它底物，其中乙炔还原为乙烯的反应被广泛应用于间接测定固氮酶的活性。第41页，课件共48页，创作于2023年2月(2)固氮作用的基本条件a.ATP的浓度:固氮作用是一个十分耗能的过程，每固定1分子氮，须消耗18—24分子的ATP。在固氮微生物中，ATP可以通过有氧呼吸、厌氧呼吸、发酵作用和光合作用提供。b.电子、电子供体和电子载体:电子由NAD(P)H2提供，电子载体是铁氧还蛋白(Fd)或黄素蛋白(Fld)。通过Fd或Fld，可将来源于NAD(P)H2的电子转移给铁蛋白(F)使之还原，还原型的铁蛋白再将电子转移给钼铁蛋白（MF），最终催化N2转变成NH3。c.氨效应对固氮作用的影响:固氮作用所生成的NH3浓度对固氮酶的合成及活性都有较大的影响，如果在培养固氮菌时加入铵盐，固氮作用就会停止，固氮菌转而利用现成的氮化物进行生长，将这种氨对于固氮作用的抑制现象称为氨效应。第42页，课件共48页，创作于2023年2月d.氧气浓度固氮酶对于分子氧极其敏感，遇氧则不可逆失活。如固二氮酶还原酶一般在空气中暴露45秒即丧失一半活性；固二氮酶稍稳定些，但在空气中的活性半衰期也只有10分钟。已知的大多数固氮微生物都是好氧菌，其生命活动包括生物固氮所需大量的能量来自好氧呼吸和非环式光合磷酸化。因此，在它们身上都存在着好氧生化反应（呼吸）和厌氧生化反应（固氮）这两种表面上似乎水火不相容的过程。事实上，好氧性固氮菌在长期进化中，已形成了适合在不同条件下保护固氮酶免受氧害的机制了第43页，课件共48页，创作于2023年2月兼性厌氧型固氮菌和厌氧型固氮菌：只有在厌氧条件下才能进行生物固氮。共生固氮菌：根瘤菌与豆科植物共生时，诱导合成豆血红蛋白，通过氧化态(Fe3+)和还原态(Fe2+)间的变化发挥“缓冲剂”作用，借以使游离的氧维持在低而恒定的水平上，使根瘤菌中的结合氧与游离氧的比率一般维持在1000：1的水平上。既可满足根瘤菌生活所需，又可保持固氮酶活性。好氧型自生固氮菌，如固氮菌属采取：

ａ呼吸保护－固氮菌科以极强的呼吸作用迅速将周围环境中的氧消耗掉，使细胞周围微环境处于低氧状态，借此保护固氮酶

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