1、第八章 微生物的生态,龙中儿生命科学学院,第八章 微生物的生态,自然界中的微生物,微生物与生物环境间的相互关系,微生物在生态系统中的作用,生态学基本概念,第一节 生态学基本概念,在一定的时间和空间内，生物的成分和非生物的成分通过物质循环和能量流动相互作用、相互依存而构成的一个生态学功能单位。,生态系统：,生态学：,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：,研究微生物及其周围生物和非生物环境之间相互关系的学科。,各种环境中的微生物的种类、分布,微生物和其它生物的关系,微生物与物质循环,微生物的特点：,个体微小,代谢营养类型多样,适应能力强,微生物在自然界中分布广泛
2、,微生物的分布,生境的特征,微生物的分布是生境各种物理、化学、生物因素 对微生物的限制、选择的结果。,在某些生境中，高度专一性的微生物存在并仅限于这种生境中，并成为特定生境的标志。,第二节 自然界中的微生物,第二节 自然界中的微生物,水体中的微生物,土壤中的微生物,工农业产品上的微生物,空气中的微生物,极端环境条件下的微生物,不可培养的微生物,微生物资源的开发与利用,一、空气中的微生物,1）无原生的微生物区系；,2）来源于土壤、水体及人类的生产、生活活动；,3）种类主要为真菌和细菌，一般与其所在环境的微生物种类有关；,4）数量取决于尘埃数量；,5）停留时间和尘埃大小、空气流速、湿度、光照等因素
3、有关；,6）与人类的关系：,传播疾病、,造成食品等的污染,微生物学的基本技术：,无菌操作技术,制备微生物气溶胶实现群体免疫,第二节 自然界中的微生物,一、空气中的微生物,第二节 自然界中的微生物,无菌操作及超净工作台,一、空气中的微生物,第二节 自然界中的微生物,第二节 自然界中的微生物,1. 江河水,1）数量和种类与接触的土壤有密切关系；,2）分布上更多的是吸附在悬浮于水中的有机物上及水底；,3）多能运动，有些具有很异常的形态（例如柄细菌）；,4）靠近城市或城市下游水中的微生物多，并且有很多对健康不利的细菌，因此不宜作为饮用水源；,5）水体自身存在自我净化作用：,a）致病菌一般对营养要求比较
4、苛刻，在一般的水中只能存活2-3天；,b）水表微生物会受辐射等作用而被杀灭；,c）原生动物等的吞噬作用；,d）由固形物吸附再沉积到水底；,水中的病原微生物会对水质产生重要影响,饮用水的微生物指标： 总菌数： 100个/ml 大肠杆菌： 3 个/L,二、水体中的微生物,第二节 自然界中的微生物,1. 江河水,二、水体中的微生物,严重污染的水会通过食物链的生物放大作用危害人类健康,1) 嗜盐，真正的海洋细菌在缺少氯化钠的情况下是不能生长的。,2）低温生长，除了在热带海水表面外，在其它海水中发现的细菌多为嗜冷菌。,4）耐高压（特别是生活在深海的细菌）。,3）大多数海洋细菌为G-细菌，并具有运动能力。
5、,Micrococcus aquivivus （水活微球菌） 最适生长条件： 600个大气压。,第二节 自然界中的微生物,2. 海水,二、水体中的微生物,“科学家们下海去！”,德国科学家H. N. Schulz等1999年在纳米比亚海岸的海底沉积物中发现的一种硫磺细菌（sulfur bacterium），其大小可达0.75 mm，Thiomargarita namibiensis，-“纳米比亚硫磺珍珠”,第二节 自然界中的微生物,2. 海水,二、水体中的微生物,第二节 自然界中的微生物,2. 海水,二、水体中的微生物,从永冻冰层分离微生物,第二节 自然界中的微生物,2. 海水,二、水体中的微生
6、物,南极Vostok湖冰芯样品中的微生物,第二节 自然界中的微生物,2. 海水,二、水体中的微生物,3. 水体的富营养化作用和“水花”、“赤潮”,水资源污染日益严重,第二节 自然界中的微生物,二、水体中的微生物,水体大量的有机物或无机物，特别是磷酸盐和无机氮化合物,水的富营养化,藻类等过量生长，产生大量的有机物,异养微生物氧化这些有机物，耗尽水中的氧， 使厌氧菌开始大量生长和代谢,分解含硫化合物，产生H2S，从而导致水有难闻的气味，,鱼和好氧微生物大量死亡，水体出现大量沉淀物和异常颜色,第二节 自然界中的微生物,二、水体中的微生物,3. 水体的富营养化作用和“水花”、“赤潮”,引起水体富营养化
7、的藻类除通过消耗水中的氧气危害养殖业外，很多藻类还能产生各种毒素，使动物得病或死亡。,“水花”或“水华”（water bloom）：,藻类（主要是微藻）的大量繁殖使水体出现颜色，并变得浑浊，许多藻类团块漂浮在水面上形成。,赤潮或红潮（red tides）：,在海洋中，某些藻类大量繁殖也可以形成水花，从而使海水出现红色或褐色。,因此由于富营养化作用致死的鱼等水产品不能食用,第二节 自然界中的微生物,二、水体中的微生物,3. 水体的富营养化作用和“水花”、“赤潮”,上述过程又称富营养化作用，它是水体受到污染并使水体自身的正常生态失去平衡的结果。,第二节 自然界中的微生物,二、水体中的微生物,3.
8、水体的富营养化作用和“水花”、“赤潮”,第二节 自然界中的微生物,土壤是固体无机物(岩石和矿物质)、有机物、水、空气和生物组成的复合物，是微生物的合适生境。,三、土壤中的微生物,土壤是微生物的“大本营”,营养,水分,空气,酸碱度,渗透压,温度,适合微生物生长的良好环境,三、土壤中的微生物,第二节 自然界中的微生物,土壤微生物种类多、数量多、代谢潜力巨大，是主要的微生物源。,1）土壤微生物的数量和分布主要受到营养物、含水量、氧、温度、pH等因子的影响，并随土壤类型的不同而有很大变化。,2）土壤微生物的数量和分布受季节影响；,3）微生物的数量也与土层的深度有关，一般土壤表层微生物最多，随着土层的加
9、深，微生物的数量逐步减少。,三、土壤中的微生物,第二节 自然界中的微生物,四、工农业产品上的微生物,1微生物引起的工业产品的霉腐,大量工业制品都是用动植物产品作原料来制造的,纤维制品、木制品、革制品、橡胶制品、油漆、卷烟、化妆品等,有些工业产品如塑料、建筑涂料等也可能被微生物可以分解利用,光学仪器上的镜头，建筑泥浆、钢缆、地下管道、金属材料等，各种电讯器材、文物、书画等也可被多种特殊微生物所破坏。,第二节 自然界中的微生物,微生物在各类工业产品上的生长所造成的产品的霉腐给人类造成了巨大的损失!,而另一方面，有时也努力想开发并推广使用可被微生物降解的产品，或利用微生物的降解特性。,-生物可降解塑
10、料,-开发、利用纤维素（能源、饲料）,-苎麻脱胶,四、工农业产品上的微生物,第二节 自然界中的微生物,1微生物引起的工业产品的霉腐,四、工农业产品上的微生物,2食品、农副产品上的微生物,产生对人有害的毒素，如肉毒毒素、黄曲霉毒素等；,不利影响：,导致腐烂、变质，不能再食用或使用；,病原微生物进入人体的重要途径，引起传染性疾病；,利用特定的微生物制备风味食品，如酱制品、米酒、腌酸菜等；,有利影响：,第二节 自然界中的微生物,五、极端环境下的微生物,1. 嗜热微生物,2. 嗜冷微生物,3. 嗜酸微生物,4. 嗜碱微生物,5. 嗜盐微生物,6. 嗜压微生物,第二节 自然界中的微生物,研究意义：,(1
11、) 开发利用新的微生物资源，包括特异性的基因资源；,(2) 为微生物生理、遗传和分类乃至生命科学及相关学科许多领域，如：功能基因组学、生物电子器材等的研究提供新的课题和材料；,(3) 为生物进化、生命起源的研究提供新的材料。,第二节 自然界中的微生物,五、极端环境下的微生物,第二节 自然界中的微生物,从环境中直接分离、通过克隆rRNA分析其序列和在分子进化树上的位置等方法而发现的、目前尚不能在人工条件下获得培养的微生物。,六、不可培养的微生物,不可培养微生物（uncultured microorganisms）,不可培养的微生物与生物多样性,1概念,六、不可培养的微生物,第二节 自然界中的微生
12、物,2.研究意义,生物多样性和系统发生的多样性（Biodiversity and Phylogenetic diversity）,“Taxonomists counts suggest that insects dominate the diversity game, but new analyses reveal that microbes are the real winners.”,A Molecular View of Microbial Diversity and the Biosphere.Scienec , 2 May 1997, 276 (734-740),六、不可培养的微生物
13、,第二节 自然界中的微生物,2.研究意义,生物多样性和系统发生的多样性（Biodiversity and Phylogenetic diversity）,微生物生态学的研究提出新的要求,六、不可培养的微生物,第二节 自然界中的微生物,2.研究意义,生物多样性和系统发生的多样性（Biodiversity and Phylogenetic diversity）,微生物生态学的研究提出新的要求,寻找新的致病微生物,The Search for Unrecognized Pathogens. Science, 21 May 1999, 284 (1308-1310),六、不可培养的微生物,研究意义：,
14、生物多样性和系统发生的多样性（Biodiversity and Phylogenetic diversity）,微生物生态学的研究提出新的要求,寻找新的致病微生物,从不可培养微生物中寻找新的基因、新的蛋白,据报道，美国recombianant biocatalysis Inc公司目前已从不可培养微生物中获得了约300个与工业生产相关的新蛋白,第二节 自然界中的微生物,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,共生,寄生,拮抗,互生,竞争,微生物与生物环境间的相互关系概述,自然环境中的微生物一般都不是单独存在的,个体、种群、群落和生态系统等从低到高的组织层次,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,一
15、、微生物与生物环境间的相互关系概述,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,一、微生物与生物环境间的相互关系概述,种群(population)： 生活在一定空间内的具有相似特性同种个体群，是组成群落的基本组分。,群落(community)： 在一定区域或一定生态环境内，各种生物群体构成的一个生态学结构单位。群落中各生物群体之间存在各种相互作用。,生态系统（ecosystems）： 生物群落和它们所生活的非生物环境相互作用形成的一个有机整体，是生物圈的组成单元。,任何一个相对完整的自然整体都可以被看作为一个生态系统，如一个池塘，一片森林，一个污水处理池等等。,生物圈（biosphere）： 地球上
16、所有生物及其所生活的非生命环境的总称。,个体,种群,群落+非生物环境,生态系统,生物圈,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,一、微生物与生物环境间的相互关系概述,微生物生态的研究特点：以微生物群体，即种群作为主要研究单位。,生态系统中生物（种群）之间的相互关系：,有利关系：一种生物的生长和代谢对另一种生物的生长产生有利的影响，或相互有利；,有害关系：一种生物的生长对另一种生物的生长产生有害的影响，或相互有害；,中性关系：二种生物生活在一起时，彼此对对方的生长代谢无明显的有利或有害影响；,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,一、微生物与生物环境间的相互关系概述,第三节 微生物与生物环境间的相
17、互关系,二、互生,互生(Metabiosis) 二种可以单独生活的生物，当它们生活在一起时，通过各自的代谢活动而有利于对方，或偏利于一方的一种生活方式。,“可分可合，合比分好”,1. 概念,微生物间的互生关系,人体肠道正常菌群,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,二、互生,2. 微生物间的互生关系,纤维素分解细菌,固氮菌,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,二、互生,2. 微生物间的互生关系,金黄色葡萄球菌的生长为本来在平板上不能生长的嗜血流感菌提供生长因子，后者在其菌苔周围形成卫星菌落。,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,二、互生,2. 微生物间的互生关系,第三节 微生物与生物环境间
18、的相互关系,二、互生,2. 微生物间的互生关系,本来不能在含青霉素的平板上生长的受体菌在转化子（含有Ampr质粒）周围形成卫星菌落（b-内酰胺酶分泌到胞外所致）,互生关系（正常情况）,寄生关系（某些特殊条件下）,人肠道内的菌群：,正常菌群通过肠道获取营养；,通过排阻、抑制外来致病菌；提供许多人体所必不可少的维生素、氨基酸等营养物对人体作出贡献；,含有60-400种不同的微生物，占粪便干重的1/3是细菌，其中厌氧菌占了绝大多数,3. 人体肠道正常菌群,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,二、互生,环境条件改变或着生部位改变：,正常菌群,致病菌,滥用抗生素；,人身体虚弱，抵抗力下降；,吃了不洁净
19、的食物；,肠道中的正常菌群，大肠杆菌，一旦进入泌尿系统，引起尿路感染。,人体表面的正常菌群，一旦它们进入伤口也会引起感染。,条件致病菌：人体的正常微生物菌群一旦进入非正常聚居部位，或生态结构发生改变而引起人类疾病的微生物。,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,二、互生,3. 人体肠道正常菌群,可以通过口服某些活的微生物制剂来治疗由于正常菌群失调而导致的腹泻。例如，含蜡状芽孢杆菌的“促菌生” 含地衣芽孢杆菌的“整肠生”等，,微生态制剂一般用于恢复肠道内的正常生态环境，若肠道功能正常，一般不需要服用！,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,二、互生,3. 人体肠道正常菌群,它们都是通过芽孢杆菌的
20、生长，为肠道重新创造良好的厌氧环境，促使肠道内正常的厌氧菌的生长繁殖，这类活微生物制剂又称微生态制剂。,共生(Symbiosis) 二种生物共居在一起，相互分工协作、相依为命，甚至在生理上表现出一定的分工，在组织和形态上产生新的特殊结构的一种相互关系。,互惠共生：二者均得利,偏利共生：一方得利，但另一方并不受害,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,三、共生,1. 概念,微生物与微生物之间的共生,微生物与动物之间的共生,微生物与植物之间的共生,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,三、共生,2. 微生物之间的共生关系,地衣-藻类和真菌的共生体,形成有固定形态的叶状结构： 真菌无规则地缠绕藻类细
21、胞，或二者组成一定的层次排列。 地衣繁殖时，在表面上生出球状粉芽，粉芽中含有少量的藻类细胞和真菌菌丝，粉芽脱离母体散布到适宜的环境中，发育成新的地衣,结构上的共生：,生理上的共生：,共生菌从基质中吸收水分和无机养料； 共生藻进行光合作用，合成有机物；,使地衣能在十分贫瘠的环境中生存。,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,三、共生,2. 微生物之间的共生关系,细菌栖息于原生动物细胞内，获得营养和保护环境，而这些细菌在原生动物细胞外都不能生长,细菌与原生动物间的共生关系,原生动物通过共生菌获得生长所需要的维生素及其它生长因子,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,三、共生,3. 微生物和植物间的
22、共生关系,根瘤菌与豆科植物间的共生,-形成根瘤共生体,根瘤菌固定大气中的气态氮为植物提供氮素养料；,豆科植物根的分泌物能刺激根瘤菌的生长，同时，还为根瘤菌提供保护和稳定的生长条件。,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,三、共生,3. 微生物和植物间的共生关系,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,三、共生,4. 微生物和动物间的共生关系,1）微生物与昆虫的共生关系,外共生：例如白蚁与其肠道内的微生物之间的共生,食木质的白蚁自身并不能分解利用纤维素，必须依赖肠道中共生的原生动物和细菌通过厌氧发酵过程来分解纤维素。,内共生：例如昆虫与其细胞内的共生性细菌,细胞内的共生性细菌能为宿主提供B族维生素
23、，使昆虫能以缺乏维生素的植物为生。,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,三、共生,4. 微生物和动物间的共生关系,2）微生物与反刍动物的共生关系,反刍动物，如牛、羊、骆驼、长颈鹿等以植物的纤维素为主要食物，它们在瘤胃中经微生物发酵变成有机酸和菌体蛋白再供动物吸收利用。,瘤胃也为居住在里面的微生物提供了必要的营养和生长条件,-食物和严格的厌氧环境,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,三、共生,4. 微生物和动物间的共生关系,3）深海火山口细菌与蠕虫的共生关系,寄生（Parasitism） 一种小型生物生活在另一种相对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
24、至被杀死的一种相互关系。,寄生物（parasite）,寄主或宿主（host）,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,四、寄生,1. 概念,微生物之间的寄生,微生物与动物之间的寄生,微生物与植物之间的寄生,噬菌体细菌,蛭弧菌细菌,真菌真菌,真菌、细菌原生动物,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,四、寄生,2. 微生物间的寄生,各种各样的致病菌多是行寄生生活,择生生物悉生生物定菌生物(Gnotobiote),整个个体不携带或只携带已知微生物的生物,干扰因素少，操作易控制，既可进行定性分析，也可进行定量分析，实验结果准确、可靠，对于了解微生物与宿主之间复杂的关系及其机理具有十分重要的作用。,用于科
25、学研究：,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,四、寄生,3. 微生物与动植物间的寄生关系,拮抗(Antagonism) 又称抗生。指某种生物产生的代谢产物可抑制它种生物的生长发育甚至将后者杀死的一种相互关系。,微生物间的“化学战术”,抗生菌产生能抑制其它生物生长发育的抗生素；,微生物间的生长抑制,因某种微生物的生长而引起的其它条件的改变，从而抑制它种生物的生长；,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,五、拮抗,竞争(Competition) 两个种群因需要相同的生长基质或其它环境因子，致使增长率和种群密度受到限制时发生的相互作用，其结果对两种种群都是不利的。,第三节 微生物与生物环境间的相互
26、关系,六、竞争,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,七、捕食,捕食(Predatism, Predation) 一种种群被另一种种群完全吞食，捕食者种群从被食者种群得到营养，而对被食者种群产生不利影响的关系。,微生物间的捕食现象：,原生动物吞食细菌和藻类；,粘细菌吞食细菌和其它微生物；,真菌捕食线虫和其它原生动物；,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,七、捕食,捕虫菌目（Zoopagales）在长期的自然进化中形成的特化结构，特化菌丝构成巧妙的网，可以捕捉小型原生动物或无脊椎动物，捕获物死后，菌丝伸入体内吸收营养。,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,七、捕食,第四节 微生物在生态系统中
27、的作用,微生物在生态系统中的地位,微生物与自然界中的物质循环,微生物与环境保护,生态系统：,生物群落,所生活的非生物环境,物质循环,能量流动,生产者,消费者,分解者,第三节 微生物在生态系统中的作用,一、微生物在生态系统中的地位,从无机物合成有机物,利用有机物进行生活，一般不能将有机物直接分解成无机物,分解有机物成无机物,第三节 微生物在生态系统中的作用,一、微生物在生态系统中的地位,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,1.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
28、机物，再供初级生产者使用。,2.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。,3. 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。,4.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
29、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。,5.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。,第三节 微生物在生态系统中的作用,一、微生物在生态系统中的地位,第三节 微生物在生态系统中的作用,二、微生物与自然界中的物质循环,1. 生物地球化学循环,生物地球化学循环（Biogeochemical cycle）,是指地球上各种化学元素，从周围的环境到生物体，再从生物体回到周围环境的周期性循环。,碳素循环,氮素循环,硫素循环,磷素循环,第三节 微生物在生态系统中的作
30、用,二、微生物与自然界中的物质循环,2. 碳素循环,光合作用,呼吸作用,分解作用,第三节 微生物在生态系统中的作用,二、微生物与自然界中的物质循环,3. 氮素循环,固氮作用,硝化作用,同化性硝酸盐还原,反硝化作用,氨化作用,铵盐同化作用,第三节 微生物在生态系统中的作用,二、微生物与自然界中的物质循环,4. 硫素循环,同化性硫酸盐还原,脱硫作用（厌氧）,硫（氧）化作用,异化性硫酸盐还原作用,异化性硫还原作用,第三节 微生物在生态系统中的作用,二、微生物与自然界中的物质循环,5. 磷素循环,磷的有效化作用,磷的同化作用,有机磷的矿化作用,第三节 微生物在生态系统中的作用,三、微生物与环境保护,微生物在污水处理中的作用,微生物在污物降解中的作用,微生物在环境监测中的作用,第三节 微生物在生态系统中的作用,三、微生物与环境保护,1. 微生物在污水处理中的作用,第三节 微生物在生态系统中的作用,三、微生物与环境保护,2. 微生物在污物降解中的作用,第三节 微生物在生态系统中的作用,三、微生物与环境保护,3. 微生物在环境监测中的作用,思考题1）为什么说土壤是人类最丰富的菌种库？如何从中筛选目的菌种？ 2）试论微生物与水体富营养化作用，你认为对此类污染该如何进行防治？3）试用一些典型例子说明微生物与生物环境之间的相互关系。4）微生物在生态系统中的地位怎样？,
