1、第八章 微生物的生态(Microbial ecology),第一节 微生物在自然界中的分布 第二节 微生物与生物环境间的关系 第三节 微生物在自然界物质循环中的作用 第四节 微生物与环境保护,内 容,生物圈,生态系统与生态学,生态系统：生物群落与环境之间以及生物群落内部通过能量流动和物质循环形成一个统一整体。生物圈是地球上最大的生态系统。 生态学：研究生命系统与其环境间互相作用规律的科学。 微生物生态学：是生态学一分支，研究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。,生物群落,生物群落指生活在一定的自然区域内，相互之间具有直接或间接关系的各种生物的总和。,种 群,种群在一定时间内
2、占据一定空间的同种生物的所有个体。 种群中的个体并不是机械地集合在一起，而是彼此可以交配，并通过繁殖将各自的基因传给后代。 种群是物种在自然界中存在的基本单位，又是生物群落的基本组成单位。 种群是一种特殊组合，具有独特性质、结构、机能，有自动调节大小的能力。,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;微生物是地球生物演化中的先锋种类。,第一节 微生物在自然界中的分布与菌种资源的开发,一、土壤中的微生物,土壤是微生物的合适生境； 土壤微生物的数量和分布主要受到营养物、含水量、氧、pH等因子的影响
3、，集中分布于土壤表层和土壤颗粒表面； 土壤具有高度的异质性，其内部包含有许多不同的微生境，因而在微小的土壤颗粒中也可能存在不同的生理类群。,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 据估计：每亩耕作层土壤中，有霉菌150Kg，细菌75Kg，原生动物15Kg，藻类7.5Kg，酵母菌7.5Kg。 土壤微生物的代谢活动，可改变土壤的理化性质，进行物质转化，因此，土壤微生物是构成土壤肥力的重要因素。,我国各主要土壤的含菌量(万/克干土),土类 地点 细菌 放线菌 真菌 暗棕壤 黑龙江呼玛 2,327 612 13 棕壤 辽宁沈
4、阳 1,284 39 36 黄棕壤 江苏南京 1,406 271 6 红壤 浙江杭州 1,103 123 4 砖红壤 广东徐闻 507 39 11 磷质石灰土 西沙群岛 2,229 1,105 15 黑土 黑龙江哈尔滨 2,111 1,024 19 黑钙土 黑龙江安达 1,074 319 2 棕钙土 宁夏宁武140 11 4 草甸土 黑龙江亚沟 7,863 29 23 嵝土 陕西武功 951 1,032 4 白浆土 吉林皎河 1,598 55 3 滨海盐土 江苏连云港 466 41 0.4,花园土壤含菌量 (万/克干土),深度(cm) 细菌 放线菌 真菌 藻类3 8 975.0 208.0 1
5、19.0 2.520 25 217.9 24.5 5.0 0.5 35 40 57.0 4.9 1.4 0.05 65 75 1.1 0.5 0.6 0.01 135 145 0.1 0.3 ,二、水体中的微生物,水生生境中微生物的数量和分布主要受到营养物水平、温度、光照、溶解氧、盐分等因素影响； 微生物在水生态系中的分布有一定规律性，且是动态的。,（一）内陆水体中微生物的分布,水体多为淡水，其中的微生物主要来源于土壤、空气、污水、人和动植物的排泄物以及动植物尸体等； 影响微生物在淡水中的分布最重要的环境因子是营养物质，水体中有机质含量高，则微生物的数量大； 内陆水体中微生物的种类和数量，随水
6、体类型的不同而异。,清水型水体,营养物质含量低，细菌总数低,较小型球菌和短杆菌经常占优势； 以化能自养微生物和光能自养微生物为主; 流动的水体中，水的上层只有单细胞藻类和细菌生长，在水流缓慢的浅水处，有丝状藻类和丝状细菌和真菌生长。,富营养水体,含有大量有机营养物，细菌总数高（可达数百万至数千万/毫升），水体含有大量腐生菌（各种肠道杆菌、芽孢杆菌、弧菌和螺菌等）。 有机物丰富的河水中，特别是有污水流入的区域，水中富含高等真菌的孢子，它们大多来自陆源。,深水层和稳定水体,沿岸区：上层水（从水面到水面下10M），氧含量高，主要为好氧性细菌、真菌和藻类； 深水区：水深20M以下，光线弱，溶氧量少，主
7、要有紫色和绿色硫细菌等光合细菌； 底层区：水深30M以下及底质中，严重缺氧，只有厌氧菌。,（二）海洋中微生物的分布,海洋就整体而言，有机质含量低，盐度高，温度较低，深海静水压很高，微生物生长受到限制； 海水中主要有假单胞菌属、弧菌属、芽孢杆菌属和蓝细菌；霉菌少于细菌，藻类繁多，原生动物数量极大； 不同海水水体细菌含量不同，同一水体，细菌的含量也存在明显的水平颁布和垂直分布。,海洋微生物的垂直分布,透光区：光照强、水温高、营养来源直接，适于多种海洋微生物，尤其是单细胞藻类； 弱光区：25m-200m，微生物总数特点是显著成层，在温度和盐度跃层附近水层中，微生物的密度比其它水层高得多; 深海区：2
8、00m-6000m，无光照，寒冷，高静水压，少量微生物存在; 深渊海区：6000m以下，黑暗、寒冷、超高压，极少数耐压菌生存。,（三）水体自净-自然净化,物理作用：稀释、沉淀 （强） 化学作用：日光、氧气等对污染物的分解 （弱） 生物作用：生物降解（食物链） （强）,1mL自来水中的细菌总数不可超过100个（37，培养24h），超过500个不可饮用； 1L自来水中的大肠菌群数不能超过3个（ 37 ，培养48h ） 以大肠菌群为指标：一些革兰氏阴性、无芽孢、能发酵乳糖产酸产气的兼性厌氧杆菌的肠道细菌，包括大肠杆菌、产气肠杆菌、柠檬酸杆菌属、和肺炎克氏杆菌等。,（四）饮用水的微生物学标准,三、空气
9、中的微生物,空气微生物来自灰尘、水滴、动物呼吸道、排泄物； 空气中微生物数量与空气污染程度成正比城市空气大于乡村空气;公共场所、医院、闹市区、数量多；海洋、高山、森林、雪山、数量少 法国 百货商场 400万/立方米 公园 0.1万/立方米 森林 0.0055万/立方米,空气中微生物的形式和寿命,空气中微生物以气溶胶形式存在，它们是疾病传播、工业污染、产品霉变的重要根源； 空气中微生物的寿命：芽孢、孢子寿命较长 ；细菌、放线菌和真菌菌丝寿命短。,四、工农业产品上的微生物,工农业产品的许多材料是微生物可适宜生长的场所，一旦条件适合，微生物会大量繁殖，造成产品被破坏。 破坏形式： 1.霉变:霉菌引起
10、的劣化; 2.腐朽:微生物酶解造成产品性质严重下降; 3.腐烂:细菌生长繁殖含水量较高产品的劣化; 4.腐蚀:细菌（氧化硫杆菌）引起金属、建材的侵蚀破坏性劣化。,工业防霉剂筛选的菌种及其特性菌 名 破 坏 性 能 Aspergillus niger（黑曲霉） 在许多材料上广泛生长，抗铜盐 Asp. terreus（土曲霉） 侵蚀多种材料 Aureobacidium pullulans（出芽短梗霉） 侵蚀涂漆与喷漆 Paecilomyces varioti（宛氏拟青霉） 侵蚀塑料和皮革 Penicillium funiculosum（绳状青霉） 侵蚀织物及多种材料 P. ochro-chloro
11、n（赭绿青霉） 侵蚀塑料与织物，抗铜盐 Scopularriopsis brevicaulis（短柄帚霉） 侵蚀橡胶 Tricoderma viride（绿色木霉） 侵蚀纤维织物与塑料,Aspergillus曲霉菌属、Penicillium青霉属、Fusarium镰刀菌属、Alternaria链格孢属、Paecilomyces拟青霉、Rhizopus根霉菌属、Mucor毛霉菌属、Trichoderma木霉属、Phoma茎点霉属、E. coli大肠埃希氏菌、Staphylococcus aureus金色葡萄球菌、Bacillus subtilis芽孢杆菌、Salmonella沙门菌属、Prote
12、us vulgaris变形杆菌、Pseudomonas aeroginosa假单胞菌、Lactobacillus乳杆菌属、Streptococcus lactis链球菌、Clostridium梭菌属、Sacchromyces cerevisiae啤酒酵母等。,食品中污染食品的微生物种类,农产品上的微生物,真菌产生的真菌毒素：包括黄曲霉毒素、赭曲霉素、杂色曲霉素、岛青霉素、黄天精、环氯素、展青霉素、桔青霉素、皱褶青霉素、黄绿青霉素、青霉酸、圆弧青霉素、偶氮酸、单端孢烯族毒素、二氢雪腐镰刀菌烯酮和T2毒素等。 其中有14种致癌，两种是剧毒致癌剂，其一为黄曲霉毒素，另一种是单端孢烯族毒素T2。 凡是
13、被霉菌严重污染的粮食一般都含有多种真菌毒素，因此，“防癌必先防霉”。一份“黄变米”试样中70%米粒污染有产毒真菌，并都含有真菌毒素。,五、极端环境下的微生物,极端环境:高温、低温、高酸、高碱、高盐、高毒、高压、干旱、高辐射的环境。 嗜极微生物：依赖极端环境才能正常生长繁殖的微生物。 研究嗜极微生物的意义： 1.开发利用新的微生物资源,包括特异性的基因资源; 2.为生物基因组学和生物材料研究提供新的课题和材料; 3.为生物进化和生命起源研究提供新的材料。,分布：广泛分布于草堆、厩肥、温泉、煤堆、火山地、地热区土壤及海底火山附近等处。 嗜热微生物的种类和特点,耐热菌：最高4555，最低 30,兼性
14、嗜热菌：最高5065，最低 30,专性嗜热菌：最高6570，最低 42,极端嗜热菌：最高70，最适 65，最低40,超嗜热菌：最高113，最适80110 ，最低55 ,嗜热菌,嗜热微生物,微生物温度上限的一般规律：1.原核生物高于真核生物；2.原核生物中，古生菌高于真细菌；3.非光能营养细菌高于光能营养细菌；4.单细胞生物高于多细胞生物。,嗜热微生物的耐热机制： 酶和蛋白质有更强的耐热性； 细胞膜中饱和脂肪酸含量高，更易形成疏水键，以确保在高温下膜的稳定性和正常生理功能； 能产生多胺、热亚胺及高温精胺，以稳定核糖体等以及保护蛋白质大分子免受高温破坏； 其核酸有热稳定性的结构； 生长速率快，合成
15、大分子迅速，能及时弥补高温对大分子的破坏。,嗜冷微生物,一类最适生长温度低于15、最高生长温度低于20和最低生长温度在0以下的微生物，嗜冷微生物遇到20高温即死亡。 主要生境是极地、深海、寒冷水体、冷冻土壤、阴冷洞穴、保藏食品的低温环境； 细胞膜组成中含有大量不饱和、低熔点脂肪酸是嗜冷微生物适应环境的生化机理； 应用：低温食品腐败；低温酶制剂（洗涤中的酶类）。,嗜酸微生物,嗜酸微生物:只能生活在PH4以下,在中性PH 下即死亡的微生物; 耐酸微生物:能在高酸条件下生长，但最适PH接近中性的微生物; 优势菌是无机化能营养的硫氧化菌、硫杆菌、热原体属； 排酸机制：胞质内PH仍接近中性，原因在于嗜酸
16、菌的细胞膜、细胞壁具有排斥H+，对H+ 离子不渗透或把H+从胞内排出的机制。 应用：金属的湿法冶炼；煤脱硫。,嗜碱微生物,最适生长PH在9以上，中性条件不能生长的微生物称嗜碱微生物；中性条件能生长的称耐碱微生物； 有二个主要类群：盐嗜碱微生物和非盐嗜碱微生物。前者的生长还需高盐度； 细胞外被是胞内中性环境和胞外碱性环境的分隔，是嗜碱微生物嗜好碱性的重要基础。具有排出OH- 的功能。,必须在高嗜盐微生物盐浓度下才能生长的微生物。 种类： 低度嗜盐菌：3 (0.2-0.5 mol/L) 中度嗜盐菌： 3 -12%( 0.5-2.5 mol/L) 极度嗜盐菌: 12% -30 (2.5-5.2 mo
17、l/L) 分布：分布于晒盐场、腌制海产品、盐湖和死海； 耐盐机制： 嗜盐菌体内含紫膜，紫膜的主要成分是一种以紫色的视黄醛为辅基的细菌视紫红质，它既起一个质子泵的作用，同时又起排盐作用，可为嗜盐菌在高盐环境下建立跨膜的Na+电化学梯度，并由此而完成一系列的生理生化功能。,嗜盐微生物,嗜压微生物,需要高压才能良好生长的微生物称为嗜压微生物。最适生长压力为正常压力，但能耐受高压的微生物称为耐压微生物。 普遍生活在深海区，少数存在于油井深处。,抗辐射微生物对辐射具有较强抗性的微生物。,六、人体内微生物,人体器官表面一般为无侵袭力的“土著”微生物所占据。皮肤、口腔和胃肠道有各具特色的微生物群落。 正常菌
18、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，称为正常菌群。 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。,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）。,正常菌群是相对的、可变的、有条件的,七、植物体中的微生物,1.植物表面是某些微生物的良好生境，微生物对植物表面的影响主要是偏害作用;2.微生物和植物根相互关系:根际微生物菌根共生固氮,根际微生物,根际：邻接植物根的土壤区域。其中的微生
19、物称为根际微生物。 根际是微生物生长的特殊微生态环境；根际效应对土壤微生物最重要的是营养选择和富集，使根际微生物在数量、种类以及生理类群上不同于非根际。 根际微生物对植物的生长有明显的影响，如去除H2S、增加矿质溶解性、合成生长素等；也可能成为植物的病原体。,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： 性能测定：,第二节 微生物与生物环境间的关系,一、互生,
20、两种可单独生活的生物在一起时，通过各自的代谢活动而有利于对方，或偏利于一方的生活方式。（可分可合，合比分好， 1+12）,代表,粪肠球菌与阿拉伯糖杆菌； 分解纤维素的细菌与好氧的自生固氮菌； 人体肠道中的正常菌群与 人体。,应用混合发酵,Arthrobacter simplex（简单节杆菌）和Streptomyces roseochromogenes（玫瑰产色链霉菌）混合培养进行甾体转化； Propionibacterium shermanii（谢氏丙酸杆菌）和Bacillus mesentericus（马铃薯芽孢杆菌）或E. coli的混合培养可生产缬氨酸； Corynebacterium
21、glutamicum（谷氨酸棒杆菌）和E. coli的混合培养可生产组氨酸； Cellulomonas flavigena（产黄纤维单胞菌）和Pseudomonas putida（恶臭假单胞菌）的混合培养可分解9798%的预处理稻草粉，以生产单细胞蛋白； Trichoderma viride（绿色木霉）408.2和Aspergillus oryzae（米曲霉）3.042混合曲可以提高酱油产率； 将Aspergillus niger（黑曲霉）和Zymomonas mobilis（运动发酵单胞菌）包埋在海藻酸钠小球中，可以直接将淀粉浆转化为乙醇。,二、共生,两种生物共居在一起，相互分工协作，相依为
22、命，甚至难舍难分，合二为一的及其紧密的一种相互关系。意味着彼此分离就不能很好地生活。（1=0）,代表,地衣是真菌（矿物质）和蓝细菌（固氮）或藻类（有机养料）的共生体。 根瘤菌和豆科植物的共生固氮。 某些真菌和植物根以互惠关系建立起的共生体，陆地上97%的绿色植物具有菌根。 瘤胃微生物与反刍动物共生。,三、寄生,小型生物生活在较大型的生物体内或体表，从后者获得营养并进行生长、繁殖，并使后者蒙受损害甚至被杀死的一种相互关系。,代表,噬菌体与细菌。 蛭弧菌与一些肠杆菌和假单胞菌。 引起动植物致病的病原菌与宿主。 冬虫夏草。,四、拮抗,一种微生物在其生命活动中，产生某种代谢产物或改变环境条件，从而抑制
23、其他微生物的生长繁殖，甚至杀死其它微生物的现象。,代表青霉素的发现,青霉素的发现者是英国细菌学家弗莱明。1928年的一天，弗莱明在他的一间简陋的实验室里研究导致人体发热的葡萄球菌。由于盖子没有盖好，他发觉培养细菌用的琼脂上附了一层青霉菌。这是从楼上的一位研究青霉菌的学者的窗口飘落进来的。使弗莱明感到惊讶的是，在青霉菌的近旁，葡萄球菌忽然不见了。这个偶然的发现深深吸引了他，他设法培养这种霉菌进行多次试验，证明青霉素可以在几小时内将葡萄球菌全部杀死。弗莱明据此发明了葡萄球菌的克星青霉素。1929年，弗莱明发表了学术论文，报告了他的发现，但当时未引起重视，而且青霉素的提纯问题也还没有解决。1935年
24、，英国牛津大学生物化学家钱恩和物理学家弗罗里对弗莱明的发现大感兴趣。钱恩负责青霉菌的培养和青霉素的分离、提纯和强化，使其抗菌力提高了几千倍，弗罗里负责对动物观察试验。至此，青霉素的功效得到了证明。 由于青霉素的发现和大量生产，拯救了千百万肺炎、脑膜炎、脓肿、败血症患者的生命，及时抢救了许多的伤病员。青霉素的出现，当时曾轰动世界。为了表彰这一造福人类的贡献，弗莱明、钱恩、弗罗里于1945年共同获得诺贝尔医学和生理学奖。,五、捕食,一种大型的生物直接捕捉吞食另一种小型生物以满足营养需要的相互关系。,第三节 微生物在自然界物质 循环中的作用,生物地球化学循环,在地球表层生物圈中，生物有机体经由生命活
25、动，从其生存环境的介质中吸取元素及其化合物(常称矿物质)，通过生物化学作用转化为生命物质，同时排泄部分物质返回环境，并在其死亡之后又被分解成为元素或化合物返回环境介质中。这一个循环往复的过程，称为生物地球化学循环。,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,一、碳素循环,二、氮素循环,氮循环由6种氮化合物（N2、NH4+、NO2-、NO3-、RNH2、N2O）的转化反应组成。 包括固氮、氨化（脱氨）、硝化作用、反硝化作用及硝酸盐还原等反应。,自然界中的氮循环,
26、亚硝化细菌,硝化细菌,硝酸盐呼吸,三、硫素循环,参与自然界硫循环主要的硫化合物包括S、H2S、FeS2、S2O22-、S4O62- ，SO4-和有机硫。 包括同化性硫酸盐还原，脱硫作用，硫(氧)化作用和异化性硫酸盐还原和异化性硫还原等反应。,自然界中的硫素循环,硫酸盐呼吸,硫呼吸,硫杆菌的氧化作用,四、磷的循环,生物体 有机磷,磷酸或可溶性磷酸盐,不溶性磷酸盐,产酸微生物的作用或磷肥生产,与土壤中的盐基结合,植被与微生物的吸收同化,微生物的分解作用,可溶性无机磷的有机化：水体中的可溶性磷酸盐浓度过大严重污染水源。,有机磷的矿化：植素、核酸和磷脂等，经微生物的分解后，形成植物可利用的可溶性无机磷
27、化物。,不溶性无机磷的可溶化：细菌产酸作用促进磷酸钙溶解。如硝化细菌和硫化细菌。,1,2,3,第四节 微生物与环境保护,一、水体的污染之富营养化,水域的植物营养成分（氮、磷等）不断补给，过量积聚，致使水体营养过剩的现象称为水体“富营养化”。,武汉东湖官桥湖2009年8月爆发蓝藻水华,赤 潮,（一）发生条件,总磷、总氮等营养盐相对比较 充足；,缓慢的水流流态；,适宜的温度条件。,（二）发生机理,总磷总氮等营养盐是发生富营养化的必要条件，但不是必然条件。 主要原因是由于水体整个环境系统出现失衡，导致某种优势藻类大量繁殖生长的过程。,（三）后果,水生生物（主要是藻类）大量繁殖； 藻类的的呼吸作用及死
28、亡藻类的分解作用消耗大量的氧，致使水体处于严重的缺氧状态，并分解出有毒物质，从而其他的水生生物死亡。,（四）治理,国内采用的比较熟悉的有两种： 一是通过养鱼、向湖中投放除藻试剂等方式改善水质； 二是实施生态系统工程，以栽植大型水生植被为主，重建水下生态系统。,二、微生物治理污染,污水的微生物处理,固体废弃物的微生物处理,一、污水处理,好氧处理系统1.活性污泥法:由微生物群落与污水中的有机、无机固体物混凝交织构成絮状物；2.生物膜法:利用附着在滤材表面的生物膜对污水中有机物的吸附和氧化分解作用;厌氧处理系统沼气发酵:处理高浓度有机污水，处理过程杀死各种病原微生物，去除有机物，并获得大量的沼气作为
29、能源。,1.活性污泥法处理废水,活 性 污 泥 法,活性污泥都是由各种微生物、有机物和无机物胶体、悬浮物构成的结构复杂的肉眼可见的绒絮状微生物共生体。共生体中生物相包括细菌、真菌、原生动物和后生动物等。细菌是主要的有机废物去除者，数量为108109个/ml ，原生动物有鞭毛虫、根足虫、纤毛虫、吸管虫等 。,2. 生 物 膜 法,生物膜法是依靠固着于固体介质表面的微生物来净化有机物的。（活性污泥法依靠曝气池中悬浮流动着的活性污泥来净化有机物的） 生物膜是通过附着而在单位体积生物膜中所含的微生物数量更高、比表面积更大。生物膜固定于特定载体上的结构复杂的微生物共生体,三、沼气发酵与环境保护,生物物质
30、的利用1.一步利用:燃烧。利用率低(10%的热能);2.梯级利用:多层次化学能转化(沼气发酵),利用率高(90%的化学能); 沼气发酵三阶段:水解、产酸、产气。,沼气发酵的三个阶段（1）,纤维素、淀粉 水解成单糖，并进而形成丙酮酸； 蛋白质水解成氨基酸，进而形成有机酸和氨； 脂类水解成甘油和脂肪酸，进而形成丙酸、乙酸、丁酸、琥珀酸、乙醇、氢气和二氧化碳。 作用细菌主要有：专性厌氧菌：梭菌属， 拟杆菌属，丁酸弧菌属优杆菌属，双歧杆菌属；兼性厌氧菌 链球菌属， 一些肠道菌等。,沼气发酵的三个阶段（2）,有机酸 分解成 乙酸、氢气和二氧化碳。 起作用的微生物： 产氢产乙酸细菌（S菌株） : 发酵乙醇产生乙酸和分子氢， MOH菌株 菌株，能利用分子氢产生甲烷。,沼气发酵的三个阶段（3）,一碳化合物、乙酸、氢气 形成甲烷。 主要微生物类群：甲烷杆菌目甲烷球菌目甲烷微球目,
