微生物的生态(4学时)省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

第八章微生物生态

（4课时）第一节微生物在环境中分布（2课时）第二节微生物在物质循环中作用（2课时）第1页第一节微生物在环境中分布一、微生物生态系统特点二、微生物在环境中分布三、微生物间相互关系第2页一、微生物生态系统特点（一）微生物生态系统概念（二）微生物在生态系统作用（三）微生物生态系统特点第3页（一）微生物生态系统概念生物圈：地球上有生命活动范围，是地球上全部生活有机体与其环境相互作用统一整体，是全部生态系统总和生态系统：生物群落与其生存环境组成整体系统微生物生态系统：许多不一样微生物群落与周围生物及非生物共同组成整体系统微生物群落：许多不一样种微生物种群生活在一起组成群落微生物种群：指含有相同性和生活在一定空间内同种微生物个体群第4页第5页一、微生物生态系统特点（一）微生物生态系统概念（二）微生物在生态系统作用（三）微生物生态系统特点第6页（二）微生物在生态系统作用微生物是有机物质主要分解者微生物是物质循环中主要组员微生物是生态系统中初级生产者微生物是物质和能量贮存者微生物是地球上生物演化中先锋种类第7页一、微生物生态系统特点（一）微生物生态系统概念（二）微生物在生态系统作用（三）微生物生态系统特点第8页（三）微生物生态系统特点微环境性：是指紧密围绕微生物细胞环境稳定性：微生物微环境中微生物种群种类多样、组成稳定特征适应性：微生物微环境发生猛烈改变时，微生物群落结构会发生对应改变特征第9页二、微生物在环境中分布（一）微生物在土壤中分布（二）微生物在水体中分布（三）微生物在空气中分布（四）微生物在食品上分布（五）极端环境中微生物第10页（一）微生物在土壤中分布土壤是微生物良好生活环境：土壤中含有大量有机物和矿物质；土壤中含有一定水分；土壤中含有孔隙性；土壤含有保温性；土壤pH值靠近中性，缓冲性较强土壤自净作用：污水、污物进入土壤后，可被土壤吸附和过滤，接着被微生物及其它生物降解，使土壤逐步恢复到原来状态第11页第12页表面土壤层淋溶层淀积层疏松母质耕作土壤层第13页1、土壤中微生物垂直分布表面土壤层：微生物数量少；因为这里缺水，受紫外线照射微生物易死亡10~30cm耕作层：微生物数量最多，种类多样；若是植物根系附近，微生物数量更多30cm以下土壤层：微生物数量随土层深度增加而降低，至lm深处降低约20倍，至2m深处，因缺乏营养和氧气每克土中仅有几个第14页2、土壤微生物种类种类：以细菌为最多（106-109/g土），放线菌（105-108/g土）和真菌（103-105/g土）次之，藻类和原生动物较少土壤习居微生物：以G-无芽胞杆菌和放线菌为主；它们以土壤腐殖质为营养，生长慢、数量较稳定、作用持久土壤暂居微生物：以芽胞杆菌、青霉、曲霉、镰刀菌和毛霉等为主；它们以动植物分泌物、排泄物和残体为营养，一旦离开生物残体后不能生活较长时间第15页经典花园土壤不一样深度每克土壤微生物菌落数/CFU深度/cm细菌放线菌真菌藻类3-8975000020800001190002500020-25217900024500050000500035-40570000490001400050065-751100050006000100135-1451400——3000——第16页3、根圈效应根圈(rhizosphere)：也称根际，指植物根系表面至其外围几毫米土壤区域，是植物根系直接影响土壤范围根圈效应：同根圈外微生物群落相比，根圈中微生物在数量、种类和活性上表现出一定特异性根土比（R／S）：即根际微生物数量与非根际土壤微生物数量比值；R/S值普通为5～20，有时可高达100以上第17页二、微生物在环境中分布（一）微生物在土壤中分布（二）微生物在水体中分布（三）微生物在空气中分布（四）微生物在食品上分布（五）极端环境中微生物第18页（二）微生物在水体中分布淡水生境：以土著性光能或化能自养微生物为主；江、河微生物种群受流经区域影响；水体较深湖泊微生物有显著垂直分布带海水生境：特点是耐盐（2-4%）、耐低温和耐压；以藻类、G-需氧性或兼性厌氧细菌为主水体自净作用：污染物进入水体后，可被水体吸附和沉降，接着被微生物及其它生物降解，使水体逐步恢复到原来状态第19页第20页二、微生物在环境中分布（一）微生物在土壤中分布（二）微生物在水体中分布（三）微生物在空气中分布（四）微生物在食品上分布（五）极端环境中微生物第21页（三）微生物在空气中分布大气圈微生物：大气圈含有微生物，但因营养物质和水分缺乏、紫外线辐射等影响并非微生物生长繁育良好场所；多数以孢子和休眠体形态吸附在尘埃上，经过气流进行传输分布：空气中微生物数量与温湿度、尘埃颗粒数等相关系；越靠近地面空气含菌量越高种类：以球菌、芽孢杆菌、产色素细菌、真菌孢子为主第22页第23页

地点微生物数量/CFU·m-3北极(北纬800)0海洋上空l~2市区公园200城市街道5,000宿舍2×104畜舍106~2×107不一样地点大气中微生物数量第24页二、微生物在环境中分布（一）微生物在土壤中分布（二）微生物在水体中分布（三）微生物在空气中分布（四）微生物在食品上分布（五）极端环境中微生物第25页（四）微生物在食品上分布食品中微生物：食品含有丰富营养物质，通常在食品原料生长、采收、运输、加工和包装等过程中被微生物附生或污染一旦水分、温度、通气等环境条件适宜，霉菌和细菌等就会快速繁殖起来第26页1、微生物对食品影响引发食物腐败：降低风味产生有毒物质：误食后引发食物中毒如肉毒毒素；有些毒素甚至能致癌如黄曲霉素少数对人类有益：可被用于食品加工，如豆腐乳、酸奶等第27页2、食品常见污染微生物粮食：最常见有曲霉、青霉、假单胞菌和黄单胞菌等肉类：芽胞杆菌、梭菌、无芽胞杆菌、球菌、曲霉、毛霉和青霉等鱼类：微球菌、变形杆菌、黄杆菌、副溶血弧菌等乳制品：荧光假单胞菌、变形杆菌、大肠杆菌、粪链球菌、青霉、酵母菌等第28页一、微生物在环境中分布（一）微生物在土壤中分布（二）微生物在水体中分布（三）微生物在空气中分布（四）微生物在食品上分布（五）极端环境中微生物第29页（五）极端环境中微生物极端微生物：是指能在普通生物不能生存高温、高压、高盐、强酸、强碱、低温、缺氧等特殊环境条件下存活微生物；多数属于古细菌在冶金、采矿、石油化工、酶制剂生产、环境保护等领域有主要意义第30页１、嗜热微生物嗜热微生物：最适生长温度高于65~70℃，最高生长温度可达110℃生态环境：热泉(温度高达100℃)，高强度太阳辐射土壤，岩石表面(高达70℃)，各种堆肥、厩肥等嗜热生化机制：蛋白质、核酸、类脂含有热稳定性，存在热稳定性因子应用：可用于高温发酵、污水处理；嗜热细菌耐高温DNA多聚酶使DNA体外扩增技术（PCR）技术得到突破第31页第32页２、嗜冷微生物嗜冷微生物：能在较低温度下生长，最高生长温度不超出20℃，能够在0℃或低于0℃条件下生长生态环境：极地、深海、严寒水体、冷冻土壤、阴冷洞穴、保藏食品低温环境嗜冷生化机制：细胞膜脂组成中有大量不饱和、低熔点脂肪酸应用：研究开发最适反应温度低酶，如从嗜冷微生物中取得低温蛋白酶用于洗涤剂，不但能节约能源，而且效果很好第33页第34页３、嗜酸微生物嗜酸微生物：生长最适pH在3-4以下，中性条件不能生长微生物生态环境：各种酸矿水、酸热泉、火山湖、地热泉等，其优势菌是无机化能营养硫氧化菌、硫杆菌嗜酸生化机制：细胞壁、细胞膜含有排斥H+，对H+不渗透或把H+从胞内排出机制应用：微生物冶金、生物脱硫第35页第36页４、嗜碱微生物嗜碱微生物：普通把最适生长pH在9以上微生物生态环境：碳酸盐是碱性环境主要起源；肯尼亚玛格达湖，我国青海湖应用：碱性酶包含蛋白酶(活性pH10.5-12)、淀粉酶(活性pH4.5-11)、果胶酶(活性PHl0.0)、支链淀粉酶(活性pH9.0)、纤维素酶(活性pH6-11)，它们被广泛用于洗涤剂或作其它用途第37页5、嗜盐微生物嗜盐微生物：最适生长盐浓度为0.5-2.5mol/L，从许多含盐量较高环境中都能够分离到这个类群微生物嗜盐生化机制：细胞含有排出Na+和吸收高浓缩K+能力，以此维持胞内外一样水活度应用：紫膜是在细胞膜上形成一个特殊紫色物质，吸收光能以质子梯度形式部分储存起来，并用于合成ATP，许多科学家进行研究探索其作为电子器件和生物芯片可能性第38页第39页6、嗜压微生物嗜压微生物：需要高压才能良好生长微生物；耐压微生物最适生长压力为正常压力，但能耐受高压微生物生态环境：从深海底部1.0l×l08Pa(1000大气压)处，分离到嗜压菌Pseudomonasbathycetes；从油井深部约4.05×107Pa(400大气压)处，分离到耐压硫酸盐还原菌应用：用于油井下增压，降低原油黏度，以提升采油率第40页三、微生物间相互关系（一）中立关系（二）互生关系（三）反抗关系第41页（一）中立关系中立关系：两个微生物种群之间在一起彼此没有影响关系；普通发生在种群之间代谢能力差异极大或微生物总量很小而且代谢活力极低生态环境中如土壤中固氮细菌和硝化细菌第42页混合发酵将Aspergillusniger（黑曲霉）和Zymomonasmobilis（运动发酵单胞菌）包埋在海藻酸钠小球中，能够直接将淀粉浆转化为乙醇Trichodermaviride（绿色木霉）408.2和Aspergillusoryzae（米曲霉）3.042混合曲能够提升酱油产率第43页三、微生物间相互关系（一）中立关系（二）互生关系（三）反抗关系第44页（二）互生关系互生关系：两个微生物种群之间在一起，双方都有利或一方对另一方有利关系，包含以下几个：偏利作用：一个种群因另一个群存在或生命活动而得利，而后者没有从前者受益或受害协同作用：相互作用两种种群相互有利，二者之间是一个非专性涣散联合互惠共生：相互作用两种种群相互有利，二者之间是一个专性和紧密联合，而且形成一个共生体第45页偏利作用：贝氏硫细菌氧化H2S可解除对H2S敏感细菌毒性H2S硫酸盐硫酸盐还原菌绿硫细菌第46页乙酸光照硫酸盐还原细菌细胞底物光合细菌细胞底物SH2SCO2CO2协同作用：硫酸盐还原细菌与绿色光合细菌第47页互惠共生：囊衣属(pgtsucia)地衣纵切面—藻类和真菌形成共生体第48页互惠共生：根瘤菌和豆科植物第49页三、微生物间相互关系（一）中立关系（二）互生关系（三）反抗关系第50页（三）反抗关系反抗关系：两个微生物种群之间在一起，一方对另一方有害或对双方都有害关系，包含以下几个：竞争：两种微生物争夺养料或双方均需要其它生活条件寄生：一个微生物在另一个微生物体内或体表生活，并从中夺取养料，引发病害或死亡捕食：一个微生物直接吞食另一个微生物现象拮抗：一个微生物经过产生特殊代谢物质或改变环境来抑制或杀死另一个微生物现象第51页寄生：噬菌体侵入细菌电镜照片第52页捕食：食线虫真菌捕食线虫实物照片第53页拮抗：放线菌菌丝块对黄瓜枯萎病菌拮抗作用第54页第八章微生物生态

（4课时）第一节微生物在环境中分布（2课时）第二节微生物在物质循环中作用（2课时）第55页第二节微生物在物质循环中作用一、碳素生物循环二、氮素生物循环三、其它化学元素生物循环第56页物质循环物质循环：即生物地球化学循环(biogeochemicalcycle)，它是物质在生物与非生物之间重复交换和运转过程物质循环包含化学元素有机质化，即生物合成作用和有机物质无机质化，即矿化作用第57页一、碳素生物循环（一）碳素生物循环概念（二）微生物分解有机质普通路径（三）微生物对天然有机质分解第58页（一）碳素生物循环概念碳素主要存在形式：碳是组成生物体主要元素，占生物量25%；①CO2；②碳酸盐类；③各种天然有机物碳素生物循环（carboncycle）

：自然界最基本物质循环；以上三种形态碳素物质，在自然界各生物作用下，不停地相互转化第59页第60页一、碳素生物循环（一）碳素生物循环概念（二）微生物分解有机质普通路径（三）微生物对天然有机质分解第61页（二）微生物分解有机质普通路径复杂有机物分解为简单有机物：微生物经过其分泌于细胞外胞外酶类使基质分解成简单可溶性有机物，而后吸入体内加以利用简单有机物有氧分解：简单有机物在有氧呼吸过程中，经过一系列氧化反应（磷酸化、水解、脱氢、氧化、脱羧等），被彻底氧化成CO2和H2O简单有机物无氧分解：在缺氧环境中，简单有机物经过酒精发酵、乳酸发酵、丁酸发酵等发酵作用，生成不完全氧化和还原态产物，包含有机酸类、醇类、醛类、酮类等第62页第63页一、碳素生物循环（一）碳素生物循环概念（二）微生物分解有机质普通路径（三）微生物对天然有机质分解第64页（三）微生物对天然有机质分解天然有机质：纤维素、半纤维素、果胶、淀粉、脂质、木质素、芳香族物质、烃类等微生物对天然有机质分解：天然有机质都能被微生物分解利用，只是发生作用菌种不一样，条件各异，其中包含一系列复杂生化反应，有各种酶类参加第65页1、微生物分解纤维素纤维素（cellulose）：植物细胞壁主要成份；是自然界中最丰富、分布最广天然碳水化合物，占地球总生物量40%；棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水及城市垃圾等，其中均含有大量纤维素，是数量最大一类环境污染物纤维素酶：降解纤维素β-1，4-葡萄糖苷键酶总称；是一个诱导酶纤维素降解微生物：能产生纤维素酶，将纤维素逐步降解成可利用物质微生物总称第66页（1）纤维素分子结构结构：是葡萄糖高分子缩聚物，分子量介于50000~400000之间；含有300~2500个葡萄糖分子，以β-1,4-糖苷键结合形成线形长链分子性质：不溶于水，在环境中比较稳定；只有在产生纤维素酶微生物作用下，才被分解成简单糖类第67页（2）纤维素酶类群C1酶：水解未经降解天然纤维素，对部分降解多糖或寡糖极少作用或没有作用β-1,4-葡聚糖酶：又称Cx酶，它不能水解天然纤维素，只能切割部分降解多糖；包含内切酶和外切酶；前者任意切割葡萄糖单位，普通产生纤维二糖，不一样大小寡糖，有时也产生葡萄糖；后者从一端开始切割，每次切下两个葡萄糖单位，普通产物为纤维二糖β-葡萄糖苷酶：水解纤维二糖、纤维三糖及低相对分子质量寡糖成为葡萄糖第68页E1：C1酶E2：β-1,4-葡聚糖酶E3：

β-葡萄糖苷酶第69页（3）纤维素降解微生物种类好氧细菌：嗜纤维菌、纤维弧菌、纤维单胞菌等厌氧细菌：梭状芽孢杆菌等放线菌：诺卡氏菌、小单胞菌、链霉菌等真菌：青霉、曲霉、镰刀霉、木霉、毛霉等第70页2、微生物分解半纤维素半纤维素（hemicellulose）：在植物组织中含量很高，仅次于纤维素，约占25%~40%；细菌和真菌胞壁中也含；大量半纤维素进入土壤与水体，是环境微生物主要能源和碳源半纤维素酶：降解半纤维素葡萄糖苷键酶总称；聚糖酶现有结构酶，也有诱导酶；它们对底物有一定专一性，并常以其底物命名半纤维素降解微生物：能产生半纤维素酶，将半纤维素逐步降解成可利用物质微生物总称第71页（1）半纤维素分子结构结构：各种五碳糖、六碳糖及糖醛酸组成大分子聚合物；可分为同聚糖（仅含一个单糖如木聚糖、半乳聚糖、甘露聚糖等）和异聚糖（有各种单糖或糖醛酸同时存在）两类；许多半纤维素结构至今还未探明性质：微生物对半纤维素分解速度比纤维素快第72页（2）半纤维素酶类群内切酶：能任意切割半纤维素基本结构单元之间联结键，将大分子破碎成不一样大小片段外切酶：能从半纤维素一端开始，依次切下一个单糖或二糖，经内切酶水解后，半纤维素可出现很多末端，有利于外切酶深入作用糖苷酶：它作用是水解寡糖或二糖，产生单糖或糖醛酸第73页（3）半纤维素降解微生物种类细菌：芽孢杆菌属一些种能够分解甘露聚糖、半乳聚糖和木聚糖放线菌：链孢霉属一些种能够利用甘露聚糖、木聚糖真菌：木霉、镰孢霉、曲霉、青霉、交链孢霉等属一些种可分解阿拉伯木聚糖和阿拉伯胶等第74页3、微生物分解果胶质果胶质（pectin）：是植物毗邻细胞之间胞间层组分，占植物体干重15%~30%果胶质酶：降解连接果胶质α-1，4-糖苷键酶总称果胶质降解微生物：能产生果胶质酶，将果胶质逐步降解成可利用物质微生物总称第75页（1）果胶质分子结构结构：由D-半乳糖醛酸经过α-1，4-糖苷键连接直链组成高分子聚合物；链上羧基可部分或全部被甲醇酯化，也可部分或全部与阳离子结合不含甲基酯果胶质称为果胶酸，含甲基酯果胶质称果胶酯；后者可深入与钙离子结合成不溶于水原果胶，植物体内原果胶常与多缩戊糖结合第76页（2）果胶质酶类群果胶质酯酶：水解甲基酯键，使果胶酯转化为果胶酸和甲醇；这一反应虽不能使果胶质彻底分解，但为随即分解创造了条件果胶质水解酶：能水解α-1，4-糖苷键，可分为两种；①聚甲基酯半乳糖醛酶，产物是D-甲基酯半乳糖醛单元及其寡聚体；②聚半乳糖醛酸酶，产物则是D-半乳糖醛酸单元及其寡聚体果胶质裂解酶：将果胶质裂解为变态半乳糖醛酸单元，也可分为两种；①果胶酯裂解酶；②果胶酸裂解酶第77页（3）果胶质降解微生物种类细菌：好氧性细菌以芽孢杆菌居多，如枯草芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌、浸软芽孢杆菌；厌氧性细菌主要有蚀果胶梭菌和费氏梭菌真菌：青霉、曲霉、木霉、枝孢霉、根霉、毛霉等属一些种第78页4、其它有机质分解淀粉降解微生物：能产生水解淀粉糖苷键酶；包含枯草杆菌、链霉菌、曲霉、根霉和毛霉等脂质降解微生物：能产生水解脂质各种酯键酶；包含假单胞菌、色杆菌、链霉菌、曲霉和青霉等木质素降解微生物：能产生水解木质素醚键和碳碳键酶；包含假单胞菌、节杆菌、各种担子菌如多孔菌等烃类降解微生物：能降解各种烃类，如烷烃、烯烃、脂肪烃等；包含棒状杆菌、分枝杆菌、假丝酵母、小克银汉霉、镰刀霉等第79页二、氮素生物循环（一）氮素生物循环概念（二）微生物转化氮素物质路径第80页（一）氮素生物循环概念氮素主要存在形式：是核酸和蛋白质主要成份，是组成生物体必需元素；①分子态氮（N2）②无机态氮（NH4+，NO3-等）③有机态氮（核酸、蛋白质等）氮素循环（nitrogencycle）：自然界氮素循环是各种元素循环中心；以上三种形态氮素物质，在自然界各生物作用下，不停地相互转化第81页第82页二、氮素生物循环（一）氮素生物循环概念（二）微生物转化氮素物质路径第83页（二）微生物转化氮素物质路径N2NH4+NO3-NO2-有机氮氨化作用硝酸盐同化作用铵盐同化作用亚硝化作用硝化作用生物固氮反硝化作用第84页1、氨化作用氨化作用（amonification）：是指含氮有机物经微生物分解产生氨过程，又可称为有机氮矿化作用生态意义：动植物残体蛋白质、核酸等含氮有机物，均可经过氨化作用而释放氨，进入土壤，供植物和微生物吸收利用第85页2、硝化作用硝化作用（nitrification）：氨态氮经微生物氧化作用而成为硝态氮过程两个阶段：①氨被亚硝化细菌氧化成亚硝酸；②亚硝酸被硝化细菌氧化为硝酸生态意义：是自然界氮素循环中不可缺乏一环；不过硝化作用产物迁移性较强，对植物和微生物有较大毒性，淋洗渗透地下水，可污染地下水源第86页3、反硝化作用反硝化作用（denitrif