微生物学-5解析课件

微生物生态liaodc@126.com2023/10/32本章学习要点自然环境中的微生物(土壤、空气、水体、极端环境、动植物)微生物与生物环境间的关系微生物与碳、氮、硫、磷等物质循环2023/10/33主要知识点微生物在生态系统中的角色自然界中的微生物微生物与其他生物之间相互关系

碳循环（淀粉的分解、纤维素和半纤维素的分解、果胶物质的分解、木质素的分解、脂肪的分解、甲烷发酵）

氮循环（蛋白质的氨化、尿素、尿酸氨化、几丁质的氨化、硝化作用、反硝化作用、生物固氮作用）硫、磷微生物转化

2023/10/34

生态学则定义为研究生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系的一门科学。

微生物生态学则是研究微生物与周围生物和非生物环境之间的相互关系及其在自然环境中的作用和环境因素对微生物的影响。第一节概述第二节生态环境中的微生物第三节微生物与生物环境间的关系第四节微生物与生物地球化学循环第五节微生物与环境保护2023/10/35概述----生态系统生态系统是指在一定的空间内生物的成分和非生物的成分通过物质循环和能量流动互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位。2023/10/36生物成分按其在生态系统中的作用，可划分为三大类群：生产者、消费者和分解者。微生物可以在多个方面但主要作为分解者而在生态系统中起重要作用。微生物是有机物的主要分解者；微生物最大的价值也在于其分解功能。它们分解生物圈内存在的动物和植物残体等复杂有机物质，并最后将其转化成最简单的无机物，再供初级生产者使用。微生物是物质循环中的重要成员；微生物是生态系统中的初级生产者；微生物是物质和能量的贮存者；微生物在地球生物演化中的作用7概述----微生物在生态系统中的作用微生物是有机物的主要分解者；微生物是物质循环中的重要成员；微生物参与所有的物质循环，大部分元素及其化合物都受到微生物的作用。在一些物质的循环中，微生物是主要的成员，起主要作用；而一些过程只有微生物才能进行，起独特作用；而有的是循环中的关键过程，起关键作用。微生物是生态系统中的初级生产者；微生物是物质和能量的贮存者；微生物在地球生物演化中的作用8概述----微生物在生态系统中的作用微生物是有机物的主要分解者；微生物是物质循环中的重要成员；微生物是生态系统中的初级生产者；光能营养和化能营养微生物是生态系统的初级生产者，它们具有初级生产者所具有的二个明显特征，即可直接利用太阳能、无机物的化学能作为能量来源，另一方面其积累下来的能量又可以在食物链、食物网中流动。微生物是物质和能量的贮存者；微生物在地球生物演化中的作用9概述----微生物在生态系统中的作用微生物是有机物的主要分解者；微生物是物质循环中的重要成员；微生物是生态系统中的初级生产者；微生物是物质和能量的贮存者；微生物和动物、植物一样也是由物质组成和由能量维持的生命有机体。在土壤、水体中有大量的微生物生物量，贮存着大量的物质和能量。微生物在地球生物演化中的作用10概述----微生物在生态系统中的作用微生物是有机物的主要分解者；微生物是物质循环中的重要成员；微生物是生态系统中的初级生产者；微生物是物质和能量的贮存者；微生物在地球生物演化中的作用微生物是最早出现的生物体，并进化成后来的动、植物。藻类的产氧作用，改变大气圈中的化学组成，为后来动、植物出现打下基础。

先锋生物11概述----微生物在生态系统中的作用第二节

生态环境中的微生物2023/10/312一、土壤中的微生物

微生物种类繁多。它们在自然界的分布非常广泛，土壤、水、空气、动植物体中均有它们的踪影，在一些极端环境中也发现有大量微生物生存。二、水圈中的微生物三、大气中的微生物四、极端环境微生物五、动物体内的微生物六、植物体中的微生物一、土壤中的微生物P306营养物质水分空气酸碱度渗透压温度团粒结构保护作用土壤适合微生物生活的特点：土壤是自然界最丰富的微生物资源库。(一)土壤中微生物的分布

聚集在表土层和耕作层，以微菌落的形式分布在土壤颗粒和有机质表面以及植物根际。细菌：

特点：是土壤微生物中数量最大、种类最多、功能多样的类群。生物量可超过全部土壤微生物总量的1/4。土壤细菌以异养型为主和无芽孢细菌占优势。

土壤中常见的细菌属：

不动杆菌（Acinetobacter）、土壤杆菌（Agrobacterium）、产碱杆菌（Alcaligenes）、节杆菌（Arthrobacter）、芽孢杆菌（Bacillus）、短杆菌（Brevibacterium）、梭状芽孢杆菌（Clostridium）、棒杆菌（Corynebacterium）、黄杆菌（Flavobacterium）、微球菌（Micrococcus）、分枝杆菌（Mycobacterium）、假单胞菌（Pseudomonas）、葡萄球菌（Staphylcoccus）黄单胞菌（Xanthomonas），柄杆菌（Caulobacter）、纤维单胞菌（Cellulomonas）等(二)土壤中微生物的群落放线菌：占土壤细菌群体的10~33%。链霉菌属（Streptomyces）和诺卡氏菌属（Nocardia）在土壤放线菌中所占的比例最大；其次是小单胞菌属（Micromonospora）和放线菌属（Actinomyces）等。

放线菌对干燥条件抗性比较大，并能在沙漠土壤中生存，它们比较适合在碱性或中性条件下生长，对酸性条件较敏感。放线菌的生长使土壤带有特殊的土腥气味。(二)土壤中微生物的群落真菌：数量约为103～105个/克土，但其生物量却是最大的，尤其是在通气良好的酸性土壤中。真菌在土壤物质循环中起着重要作用，它们中的许多类群能分解纤维素、木质素等难分解的有机物质。土壤真菌可以游离的状态存在或与植物形成共生关系，丝状真菌主要存在于表土层的枯枝落叶中。

在土壤中常见的真菌主要是半知菌，如：曲霉属、青霉属和木霉属等，但也可以找到大量的子囊菌和担子菌。各种酵母菌，如假丝酵母、红酵母和隐球酵母等也能从土壤中分离到。(二)土壤中微生物的群落藻类和原生动物：光能自养的蓝细菌主要分布在表土层中，酸性土壤中较少，中性到微碱性土壤中较多。蓝细菌中，有些如念珠藻在自然生境中既能固定氮气，又能通过光合作用合成有机物。土壤中还生活有大量的藻类。原生动物多存在于有机质和微生物丰富的表层土壤中，它们是土壤细菌和藻类的捕食者，对土壤微生物尤其是细菌的数量和种类起着重要的平衡和调控作用。(二)土壤中微生物的群落细菌病毒在土壤中分布广泛，但数量不是很多，如果其宿主细菌数目增加，那么相应的病毒数目也增加。

(二)土壤中微生物的群落(三)根际微生物1、根际和根际微生物 在植物根系影响下的独特土壤环境范围称为根际，通常围绕根2mm以内的范围。在植物根际生活的微生物称根际微生物。2、根际效应和根土比(R/S)

根际内的细菌最多，但种类较少；植物生长后期，真菌数量渐增。分泌物、脱落物作为营养和能量来源；根分泌的酶促进物质转化；根呼吸放出的CO2→H2CO3，促进难溶物的溶解；根的穿插改善通气、水分状况；根际温度略高；微生物区系受到选择。3、根系对微生物的作用(三)根际微生物4、根际微生物对植物的影响有益方面：

(1)改善植物的营养状况；

(2)微生物分泌的生长调节物质和生长因子；

(3)产生拮抗物质抑制病原微生物生长；

(4)产生铁载体，抑制不产铁载体的有害微生物生长。(三)根际微生物有害方面：

(1)争夺营养；

(2)加富病原菌；

(3)分泌有毒物质。4、根际微生物对植物的影响(三)根际微生物二、水圈中的微生物清水中微生物：以自养微生物为主，少量异养微生物。水的清洁度(一)淡水中的微生物腐败水中的微生物：大量腐生、异养微生物及原生动物。浅水区：光合及好氧微生物居多。深水区：厌氧微生物占多数。湖底区：只有厌氧微生物。水的深浅二、水圈中的微生物(一)淡水中的微生物(二)海水中的微生物海洋土著菌：BacillusPseudomonasVibrioPhotobacterium以耐盐或嗜盐菌为主透光区：各种海洋微生物。无光区：一些微生物。深海区：少量微生物。海底区：极少数耐压厌氧微生物。海洋深度三、大气中的微生物大气的特点：无营养、干燥、流动性强、光照强，故无固定微生物微生物的存在状态：吸附于尘埃、水滴、脱落物上，但孢子无须吸附空气是微生物传播的重要介质：传播距离与风力成正比，与空气湿度成反比。陆地＞海洋城市＞农村近地>高空空气微生物的种类和数量：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城市街道5,000宿舍20,000畜舍1,000,000～2,000,000三、大气中的微生物四、极端环境微生物极端环境高温低温高酸高碱高盐高毒高渗透压高压干旱高辐射强度五、动物体内的微生物六、植物体中的微生物玉米穗上的Fusarium

玉米上的Aspergillusflavus桔子上的Penicillum(一)植物表面微生物与植物病害(二)植物体内的细菌豆科植物(如大豆等)根瘤内的根瘤菌桤木及根瘤（含Frankia）(二)植物体内的细菌珊瑚状根瘤（含蓝细菌）(二)植物体内的细菌苏铁鱼腥蓝细菌红萍

蓝细菌与蕨类植物——红萍的共生(二)植物体内的细菌(三)植物体内的真菌菌根：真菌与植物形成的共生体。真菌的菌丝在根表面交织成鞘套状结构(称菌套)，内层菌丝将外皮层细胞包起来形成哈蒂氏网。外生菌根内生菌根真菌的菌丝体主要存在于根的皮层细胞间和细胞内，共生的植物仍保留有根毛。最常的为丛枝菌根（AM）。VA菌根哈蒂氏网外生菌根黑松的菌根根及外生菌根横切图菌丝体外生菌根与植物的相互作用外生菌根菌→植物：①提供植物营养及生长刺激物质；②防御林木根部病害。植物→菌根菌：提供良好的生态环境和有机养料。泡囊丛枝VA菌根(泡囊-丛枝菌根)根毛VA菌根对植物的主要作用：增加根圈的范围，扩大吸收营养的范围；提高植物从低磷土壤中吸收磷等矿质元素的能力。第三节

微生物与生物环境间的关系2023/10/347中立互生共生竞争拮抗寄生捕食偏利共栖协同共栖对抗一、中立关系（neutralism）

中立关系指两个种群之间没有影响或者存在着无关紧要的相互作用。二、互生关系

包括偏利互生（commersalism）和协同共栖（synnergism）两种类型。

1．偏利互生： 两个生物群体生活在一起时，其中一个生物群体的生命活动对另一个生物群体产生有利影响，而本身不受害，也不得利。

例子：微氧环境中需氧性细菌生长消耗了氧气，使厌氧性细菌得以生长。 污泥中的某一微生物群体可以厌氧代谢有机物产生有机酸，有机酸可被一些微生物群体代谢产生甲烷，甲烷有利于甲烷氧化菌的生长，甲烷氧化菌氧化甲烷产生甲醇，甲醇有利于甲基营养菌的生长。

2．协同共栖：指两个生物群体生活在一起时，互相获利，但这两者之间的关系没有专一性，它们能单独生活在各自的自然环境中，但形成协作关系时，双方均能受益，其中任何一个群体可以被其他群体所代替。微生物中这种关系的重要意义在于不同的微生物群体共同参与某一物质的代谢过程，自然界这种关系相当普遍。例：亚硝酸细菌氧化氨为硝酸细菌提供了代谢基质；亚硝酸被硝酸菌利用避免了亚硝酸在环境中的积累，消除了对亚硝酸菌的毒害作用。

植物与其根际促生细菌（PGPR）、人体与其肠道正常菌群之间也是典型的协同共栖关系。2．协同共栖：

三、共生关系（mutualism）

指两种生物群体紧密地生活在一起，互相依存，互换生命活动的产物，生理上形成一个整体乃至特殊的共生结构，并且两者之间的结合具有专一性和选择性，其中任何一个群体不能被其它群体所代替。

藻类或蓝细菌与真菌共生形成地衣。

根瘤菌和豆科植物之间形成的根瘤或茎瘤。

反刍动物与其瘤胃微生物也是一种典型的共生关系。四、对抗关系

两种生物间的对抗关系表现为竞争、拮抗、寄生和捕食几种类型。

1．竞争（competition）

两种生物之间的竞争包括对食物和生存空间的竞争，竞争的结果对两个群体均产生不利影响，使两个群体的密度下降，生长速度下降，两个关系较近的群体各自分开，不再占据同一生态环境。

2．拮抗（amensalism）

拮抗关系指一种生物产生一些代谢产物可抑制另一种生物的生长发育，甚至杀死它们的一种相互关系。

例如青霉菌分泌青霉素抑制G+，这种拮抗关系也称之为特异性拮抗，非特异性拮抗关系没有这种选择性，如硫细菌产生硫酸降低环境pH，抑制不耐酸的各种细菌生长。

3．寄生（parasitism）

寄生现象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，从中取得营养和进行生长繁殖，同时使后者蒙受损害甚至被杀死的现象。前者称为寄生物，后者称作寄主或宿主。例

蛭弧菌寄生于某些肠杆菌科和假单胞菌科细菌； 植物和动物的病原微生物。4．捕食（predation）

捕食是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。

例原生动物吞食细菌和藻类的现象；

例捕食线虫的真菌。第四节

微生物与生物地球化学循环生物地球化学循环(biogeochemicalcycles)

是指生物圈中的各种化学元素，经生物化学作用在生物圈中的转化和运动。这种循环是地球化学循环的重要组成部分。2023/10/357碳、氮、磷、硫的循环受二个主要的生物过程控制，一是光合生物对无机营养物的同化，二是后来进行的异养生物的矿化。实际上所有的生物都参与生物地球化学循环。微生物在有机物的矿化中起决定性作用，地球上90%以上有机物的矿化都是由细菌和真菌完成的。2.碳在生物圈中的总体循环Carboncycle/recycle2生境中的碳循环CO2固定生物多聚物的分解淀粉纤维素和半纤维素果胶质和几丁质木质素脂类

微生物在同化CO2中的作用2023/10/361CO2含碳有机物产氧光合作用如藻类、蓝细菌不产氧光合作用如化能自养菌厌氧同化作用如热自养甲烷杆菌①②③2023/10/362(一)淀粉的水解直链淀粉支链淀粉2023/10/363液化型淀粉酶：

α-淀粉酶糖化型淀粉酶：淀粉-1,4-麦芽糖苷酶淀粉-1,4-葡萄糖苷酶淀粉-1,6-葡萄糖苷酶水解淀粉的酶及产酶微生物：产液化型淀粉酶微生物：枯草芽孢杆菌、黄单胞菌、木霉、根霉等产糖化型淀粉酶微生物：根霉属2023/10/364(二)纤维素、半纤维素的水解（1）水解纤维素的酶天然纤维素C1酶Cx酶纤维二糖(外切酶)短链纤维素纤维二糖酶葡萄糖(内切酶)纤维二糖纤维二糖酶（2）水解纤维素的微生物真菌、放线菌、细菌（3）半纤维素的分解半纤维素的组成中含有：多聚戊糖（木糖和阿拉伯糖）多聚己糖（半乳糖、甘露糖）多聚糖醛酸（葡萄糖醛和半乳糖醛酸）等半纤维素的分解许多能分解纤维素的微生物大部分也能分解半纤维素；但另一些不能分解纤维素的微生物却能够分解半纤维素。在分解半纤纤素的微生物中，酸性土壤中以真菌为主；碱性土壤中，以细菌为主。多聚糖酶(三)果胶质和几丁质的分解（1）果胶质的结构果胶是由甲基半乳糖醛酸的聚合体。

不被甲基化的聚合体是果胶酸。果胶的结构果胶酸的结构甲基半乳糖醛酸原果胶(非水溶性)可溶性果胶果胶酸半乳糖醛酸原果胶酶多缩戊糖+甲醇+果胶甲酯水解酶果胶酸酶H2OH2OH2O（2）果胶质的分解（3）分解果胶的微生物好氧细菌如：枯草芽孢杆菌等厌氧细菌如：费地浸麻梭菌等真菌如：黑曲霉、米曲霉等一些放线菌（4）几丁质的分解某些细菌与放线菌产生的几丁质酶可将几丁质分解为N-乙酰葡萄糖胺(四)木质素2023/10/373化学组成：苯丙烷单元通过醚键和碳碳键连接并难以被水解的复杂无定形高聚物。酶系：目前尚未完全清楚，研究较多的有：漆酶、木素过氧化物酶、锰过氧化物酶等木质素降解微生物：白腐菌，属于担子菌，如干朽菌、多孔菌、伞菌；以黄孢原毛平革菌研究较多，其特点是培养温度高（37℃），无性繁殖迅速，菌丝生长快且分泌木质素降解酶能力强，已成为研究白腐真菌的模式微生物。厚孢毛霉；假单孢菌的个别种2023/10/3742023/10/375（五）脂类组成：由甘油和高级脂肪酸组成；酶系：脂肪酶脂肪+H2O脂肪酶甘油+高级脂肪酸类脂质+H2O磷肪酶类甘油或其他醇类+高级脂肪酸+磷酸+有机碱类蜡脂+H2O脂酶类高级醇+高级脂肪酸脂类降解微生物主要为好氧性的种类细菌：假单孢菌、分枝杆菌、无色杆菌、芽孢杆菌和球菌；真菌：青霉、曲霉、枝孢霉、粉孢霉放线菌中的有些种。2023/10/3763氮素循环2023/10/377固氮作用氨化作用硝化作用反硝化作用3.1氮循环的途径2023/10/3783.2固氮作用固氮作用：N2被还原为氨和其它氨化物的过程。非生物固氮:雷电、合成氨工业生物固氮:占全部固氮量的75%左右。2023/10/3792023/10/380生物固氮(biologicalnitrogenfixation)

固氮微生物自生固氮菌共生固氮菌联合固氮菌根际、叶面、动物肠道等处的固氮微生物好氧自生固氮菌兼性厌氧自生固氮菌厌氧自生固氮菌根瘤豆科植物植物地衣满江红鱼腥藻3.3氨化作用氨化作用是有机氮化物转化成氨(铵)的过程。蛋白质的氨化氧化脱氨基作用；水解脱氨基作用；还原脱氨基作用。尿素的分解2023/10/3812023/10/382NH2C=O+2H2ONH2(NH4)2CO32NH3↑+CO2↑+H2O尿酶尿素的分解3.4铵同化被细胞同化成氨基酸、嘌呤、嘧啶的过程2023/10/383铵同化途径α-酮戊二酸谷氨酸α-酮酸3.5同化硝酸盐还原2023/10/384细菌、真菌、光合生物同化硝酸盐还原是硝酸盐被还原成亚硝酸盐和氨，氨被同化成氨基酸的过程。这里的氮化物被还原成为微生物的氮源。3.6硝化作用硝化作用是好氧条件下在硝化细菌作用下，氨被氧化成硝酸盐的过程。

硝化作用分两步进行：

2023/10/385微生物:亚硝酸细菌、硝酸细菌3.7反硝化作用2023/10/386硝酸盐氮气厌氧反硝化细菌还原亚硝酸盐氧化氮氧化二氮3.7反硝化作用在反硝化过程中硝酸盐经一系列酶的作用，细胞色素传递电子，最后被还原成N2O和N2，大量的N2O、N2释放到大气中去。反硝化过程也是一个偶联产能过程，但电子传递链较短，一个硝酸盐还原过程产生2个ATP，反硝化细菌的生长缓慢。2023/10/387反硝化作用的效应是造成氮的损失，降低氮肥效率，N2O的释放会破坏臭氧层。自然界中，反硝化作用损失的氮可由固氮过程增加的氮得到平衡.

4硫循环硫的生物地球化学循环包括:还原态无机硫化物的氧化，异化硫酸盐还原同化硫酸盐还原硫化氢的释放（脱硫作用）。微生物参与所有这些循环过程2023/10/3882023/10/389硫的氧化硫氧化是还原态的无机硫化物(如S0、H2S、FeS2、S2O22-和S4O62-等)被微生物氧化成硫酸的过程。2023/10/3902S+3O2+2H2O2H2SO4+能量4FeSO4+O2+2H2SO42Fe2(SO4)3+2H2O+能量2023/10/391好氧、硫杆菌属好氧、发硫菌属H2SSSO42-S厌氧、绿菌属厌氧、着色菌属硫磺细菌硫磺细菌硫化细菌硫化细菌2023/10/392硫酸盐的还原1、同化型的硫酸盐还原：SO42-有机硫化物2、异化型的硫酸盐还原（反硫化作用）：SO42-或有机硫H2S厌氧、脱硫弧菌属硫酸盐还原菌与微生物冶金生物湿法冶金是微生物学、冶金学的交叉学科。与传统的选冶工艺相比,具有环境危害小、能耗低、投资少等优点,而且能处理传统工艺不能有效利用的低品位、难处理的矿石和尾矿。1947，Colmer和Hinckle首先从酸性矿坑水中分离出能氧化亚铁硫杆菌。1954，Bryner等较系统的研究了各种硫化物的

微生物浸出过程，研究了氧化亚铁硫杆菌在硫

化矿浸出中的作用1958，美国肯尼柯铜矿公司首先利用氧化亚

铁硫杆菌渗滤硫化铜矿获得成功1966，加拿大用细菌浸铀成功2023/10/3932023/10/394浸矿用细菌主要性质2023/10/395微生物利用硫酸盐和H2S组成本身细胞物质的过程硫酸盐同化作用activatedsulfate

(PAPS)differentthandissimilatorysulfatereduction,wheresulfateactsaselectronacceptorforanaerobicrespiration磷循环磷的生物地球化学循环包括三种基本过程：

①有机磷转化成溶解性无机磷(有机磷矿化)，

②不溶性无机磷变成溶解性无机磷(磷的有效化)，

③溶解性无机磷变成有机磷

(磷的同化