第八章微生物生态.

第八章微生物生态第一节微生物的分布及开发第二节微生物与生物环境间的关系第三节微生物与自然界物质循环（自学）第四节微生物与环境保护概念在生命科学研究领域中，从宏观到微观可分10个层次：1.生物圈（biosphere）2.生态系统（ecosystem）3.群落（community）4.种群（population）5.个体6.器官7.组织8.细胞9.细胞器10.分子概念生态学：研究生物系统与其所处环境系统之间的相互作用规律的科学。微生物生态学为生态学的一个分支微生物生态学：微生物群体对其环境条件的相互作用规律的科学。环境条件：非生物环境和生物环境第一节微生物的分布与开发一、微生物在自然界的分布二、菌种资源的开发一、微生物在自然界的分布1.土壤中的微生物2.水体中的微生物3.空气中的微生物4.工农业产品上的微生物5.生物体内外的正常菌群6.极端环境下是微生物1、土壤中的微生物土壤具备了各种微生物生长发育所需要的营养、水分、空气、酸碱度、渗透压和温度等条件，是微生物生活的良好环境。是微生物的“天然培养基”，是最丰富的菌种资源库。在每克耕作层土壤中，各种微生物含量之比呈10倍系列的递减规律：细菌（~108）放线菌（~107，孢子）霉菌（~106，孢子）酵母菌（~105）藻类（~104）原生动物（~103）在每亩耕作层土壤中，约有霉菌150kg，细菌75kg，原生动物15kg，藻类7.5kg，酵母菌7.5kg。微生物可改善土壤的物理结构，提高它的肥力。二、水体中的微生物（一）不同水体中的微生物种类1.淡水型水体的微生物（两类）清水型水生微生物：水中有机物含量低，以化能自养微生物和光能自养微生物为主，如硫细菌、铁细菌、衣细菌、蓝细菌、和光合细菌等。腐败型水生微生物：水体中有机物含量高，如流经城镇的河水，下水道污水，富营养化的湖水。有大量的细菌和原生动物。2.海水型水体微生物：土著微生物在含盐量为2-4%的环境中生长。主要是藻类、细菌中的芽孢杆菌属、假单胞菌属、弧菌属和发光菌。海洋微生物的垂直分布带很明显。海洋的平均深度达4km米，最深处为11km。（二）水体的自净作用定义：在快速流动、氧气充足的自然水体中，存在着水体对有机物或无机物的自净作用。原理：有机物→好氧菌分解→藻类和原生动物吞噬→后生动物吞噬→水体自净。（三）饮用水的微生物学标准我国卫生部门规定的饮用水标准：自来水中的细菌总数≺100个/1ml，大肠菌群数≺3个/1000ml。指示菌：大肠菌群（coliforms），典型代表是大肠杆菌属（E.coli）、产气肠杆菌、柠檬酸杆菌属和肺炎克氏杆菌。肠道传染病：霍乱、伤寒和痢疾。3、空气中的微生物存在状态：漂浮，短暂停留，以吸附于尘埃微粒上的形式存在。空气中的尘埃颗粒数与微生物数量有直接关系。分布：越接近地面的空气含菌量越高，目前人类检测到微生物存在的最高处为85km的高空。种类：球菌、芽孢杆菌、产色素细菌、真菌孢子灭菌方法：紫外线，甲醛熏蒸，空气过滤4、工农业产品上的微生物工业品食品农产品工业品类型：纤维制品、革制品、橡胶制品、油漆、卷烟、化妆品等，塑料、水性涂料等，文物、书画等食品上微生物的来源：食品原料的采收、运输、加工和包装过程中被微生物污染，可引起食品变质、霉腐和中毒。使用防腐剂。农产品上的微生物：粮食、饲料、蔬菜和水果上的微生物，引起霉腐、中毒。腐败食品中的微生物1.果蔬腐败微生物：大多由霉菌引起，其次为酵母菌。2.罐装食品微生物：食物中毒病原菌为肉毒芽孢杆菌（Clos.botulinum）。引起产气型变质的微生物主要是细菌和酵母菌。3.肉类腐败微生物：好氧性腐败病原菌是球菌和杆菌，主要是普通杆菌、荧光杆菌、粪杆菌；厌气性腐败是有大肠杆菌、枯草杆菌和马铃薯杆菌引起。腐败食品中的微生物4.蛋品腐败微生物：新鲜蛋的内部一般是无菌的。蛋白内有溶菌酶。引起蛋腐败的微生物有枯草芽孢杆菌、马铃薯杆菌、变形杆菌、大肠杆菌、产碱粪杆菌、荧光杆菌、绿脓杆菌、和某些球菌；霉菌有芽枝霉、分枝孢霉、毛霉、葡萄孢霉、交链孢霉和青霉。真菌毒素目前已知的大约9万种真菌中，有200多个种可产生100多种真菌毒素，其中14种能致癌。黄曲霉毒素（AFT）：分布于霉变的花生、玉米和大米。有18种，B1、B2、G1和G2毒性强。最高允许量各个国家都有严格的规定。单端孢烯族毒素：产于镰孢霉5、生物体内外的正常菌群正常菌群：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。肠道正常菌群有益作用：排阻、抑制外来致病菌、提供维生素、产生淀粉和酶蛋白酶、分解有毒和致癌物、产生有机酸，降低肠道pH、促进肠蠕动、提高免疫力及固氮作用。微生态制剂（益生菌剂）：双歧杆菌类、乳杆菌类和肠杆菌类，制成冻干菌粉，活菌胶囊或微胶囊。无菌动物（germ-freeanimal）：体内外检查不到任何正常菌群的动物悉生生物（gnotobiotics）：已经人为接种某已知纯种微生物的无菌动物根际微生物：生活在根系邻近土壤，对植物有益。附生微生物（epibioticmicrobe）：指生活在植物体表面，如叶面微生物，有固氮和致病作用。6、极端环境下的微生物1.嗜热微生物2.嗜冷微生物3.嗜碱微生物4.嗜酸微生物5.嗜盐微生物6.嗜压微生物1.嗜热微生物（thermophiles）分布在草堆、厩肥、煤堆、温泉、火山地、地热区土壤以及海底火山口附近。嗜热菌超嗜热菌：最高113℃，最适80~110℃，最低55℃极端嗜热菌：最高〉70℃，最适65℃，最低〉40℃专性嗜热菌：最高65~70℃，最低42℃兼性嗜热菌：最高50~65℃，最低〈30℃耐热菌；最高45~55℃，最低〈30℃嗜热菌和常温菌若干特点的比较比较项目嗜热菌常温菌细胞膜的耐热性细胞膜的层次细胞膜的成分DNA的G+Cmol%值DNA的氢键数DNA螺距核糖体耐热性tRNA热稳定tRNA周转率酶的耐热性酶的稳定离子（Ca2+、Zn2+、K+）酶中特定氨基酸（Arg、Pro、Leu）高单分子层甘油D型，其C2、C3上接20C植烷较高53.2%较多较短较高较强较高较高含量较高含量较高低双分子层甘油D型，其C2、C3上接不饱和脂肪酸较低44.9%较少较长较低较弱较低较低含量较低含量较低嗜热微生物的应用在美国怀俄明州黄石公园的温泉中分离到水生栖热菌（Thermusaquaticus），最适生长温度为80℃。产生的DNA聚合酶（taq酶）广泛用于DNA分子扩增的PCR技术。在深海火山口附近分离到激烈火球菌（pyrococcusfuriosus），最适生长温度为100℃。产生的DNA聚合酶（pfu酶）广泛用于DNA分子扩增的PCR技术。分布在极地、深海、高山、冰窖和冷藏库等处。最适生长温度15℃，最高生长温度低于20℃，最低生长温度在0℃以下。开发低温下的作用的酶制剂，如洗涤剂用的蛋白酶。2.嗜冷微生物pH〈4条件下生活，在中性pH下即死亡。耐酸微生物：pH〈2条件下生活，在中性pH下也能生活。3.嗜酸微生物能专性生活在10-11的碱性条件下，而不能生活在中性条件下的微生物。分布在碱性盐湖和碳酸盐含量高的土壤中。嗜碱菌的蛋白酶、脂肪酶和纤维素酶已被开发应用于洗涤剂中。4.嗜碱微生物必须在高盐浓度下才能生长的微生物。嗜盐菌：古生菌低度嗜盐菌：海洋微生物，3%（0.2-0.5mol/L）中度嗜盐菌：0.5-2.5mol/L极端嗜盐菌：12-30%（2.5-5.2mol/L）耐盐微生物：高盐和低盐环境下均能生长。5.嗜盐微生物6.嗜压微生物必须生长在高静水压环境中的微生物。分布在深海区（1000m以下），油井深处。太平洋马里亚纳海沟（10500m）分离到极端嗜压菌。类型最低生长压最适生长压最高生长压耐压菌嗜压菌极端嗜压菌未测14001-100400-500700-8005007001035嗜压菌及其生长静水压（大气压数）抗辐射最强的生物——耐辐射异常球菌（deinococcusradiodurans），其R1菌株的抗γ射线能力是E.colB/r菌株的200倍，抗UV的能力是B/r菌株的20倍。R1菌株的抗γ射线能力最高可达18000Gy，是人耐辐射能力的3000倍。7.抗辐射微生物二、菌种资源的开发据《国际微生物学会联盟通讯》有关专家于1995年估计，全球有50-600万种微生物，已研究的5%。生物资源：3500种细菌，90000种真菌，100000种藻类和原生动物，4000种病毒。菌种筛选方法：采样----富集----分离----测定第二节微生物与生物环境之间的相互关系双方获益：共生、互利共栖、协同共栖、互养共栖（++）单方获益，对方受害：寄生、捕食、拮抗（+–），（–+）单方获益，对方无害：偏利共栖、卫星状共栖、互生（+0）互不相扰：无关共栖（00）一方受害，对方无益无损：偏害共栖（0–）双方受损：竞争共栖（––）一、互生定义：两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，或偏利于一方的生活方式。微生物间的互生关系：好氧性自生固氮菌与纤维分解菌拉曼毛霉与一种红酵母，都是VB1需求者，都是只能合成硫胺素分子的一半结构；二者共栖时，互相吸收对方分泌物而可以不需要VB1，此为代谢共栖。二、共生两种生物共居在一起，相互协作分工，相依为命，以至达到难分难解、合二为一的一种关系微生物间的共生关系：地衣：真菌与绿藻或蓝细菌产氢产乙酸菌株与产甲烷细菌微生物与植物间的共生关系：根瘤菌与豆科植物放线菌、藻状菌、蓝细菌、分枝杆菌和克雷伯氏菌与一些非豆科植物之间的根瘤菌根，特别多见于兰科、杜鹃科及其它森林树种微生物与动物之间的共生关系：白蚁、蟑螂与其消化道中的原生动物及其它微生物（外共生生物）反刍动物与其瘤胃微生物丛枝状菌根微生物与动物间的共生，瘤胃微生物与反刍动物，100种微生物和原生动物。三、寄生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。微生物间的寄生：1.噬菌体与其宿主之间的关系2.真菌对真菌的寄生3.细菌或真菌寄生于原生动物4.细菌寄生于细菌：蛭弧菌寄生于Pseudomonasphaseolicola（栖菜豆假单胞菌）微生物与植物之间的寄生关系：1.植物病原体微生物与动物之间的寄生关系：1.各种病原微生物2.昆虫病原菌——生物农药3.冬虫夏草四、拮抗由某种生物所产生的某种代谢产物可抑制他种生物的生长发育甚至杀死它们的关系抗生素食品泡菜和青贮饲料五、捕食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。微生物间的捕食关系原生动物吞食细菌和藻类的现象。真菌捕食线虫和其它原生动物的现象生物防治第三节微生物在自然界物质循环中的作用重要的合成者更重要的分解者一、碳素循环：地球上约90%的CO2是由微生物分解作用形成二、氮素循环：根瘤菌属每年可为每公顷土地固氮达250Kg含氮有机物必须经过微生物降解才能被植物利用三、硫素循环四、磷素循环五、铁素循环细菌冶金（黄铜矿）第四节微生物与环境保护一、微生物治理污水污水--------分层气体：CO2、NH3、H2S、CH4、H2、CO清水：含SO42-、NO3-、PO43-等多种微生物群体O2残渣：厌氧发酵-----沼气、废渣第三节微生物与环境保护环境污染的定义：指土壤或水体等生态系统的结构和功能受外来有害因素的破坏而失去了平衡，导致物质流、能量流无法正常运转的现象。土壤和水体的自净能力的丧失，就是环境污染的典型例子。一、水体的污染—富营养化富营养化：指水体中因氮、磷等元素含量过高而引起的水体表面的蓝细菌和藻类过度生长繁殖的现象。水华：指发生在淡水水体（池、河、江、湖）中的富营养化现象。特点：在温暖季节，当水体中的氮磷比例达15-20比1上时，水中的蓝细菌和浮游藻类突然快速繁殖，从而使水面形成了一层蓝、绿色的藻体和泡沫。赤