第八章微生物的生态

第八章微生物的生态有关基本概念：生态系统：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。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。微生物生态学：研究微生物与其周围生物和非生物环境之间相互作用的规律。生物链-食物链图示图片资料来源：EnvironmentalScience，byJohnWiley&Sons,Inc.1995第一节微生物在自然界的分布与菌种资源的开发一、微生物在自然界中的分布（一）土壤中的微生物1、土壤是微生物生活的良好环境是微生物的“天然培养基”，是它们的“大本营”，是人类的最丰富的菌种资源库。2、土壤中的微生物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，其中以细菌最多。在耕作层土壤中，各种微生物含量之比有以下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）据估计每亩耕作层土壤中，约有微生物250kg，其中：霉菌150kg、细菌75kg、原生动物15kg、藻类7.5kg、酵母菌7.5kg。通过这些微生物的代谢活动，可明显提高土壤的物理结构和肥力。★土壤微生物的数量和分布受季节影响，也与土层的深度有关，一般土壤表层微生物最多，随着土层的加深，微生物的数量逐步减少。（二）水体中的微生物可把水体分成许多类型，各有其相应的微生物区系。1不同水体中的微生物种类（1）淡水型水体的微生物1）清水型水生微生物以化能自养微生物和光能自养微生物为主：硫细菌、铁细菌、衣细菌、蓝细菌和光合细菌；异养菌较少——贫营养细菌（1~15mgC/L有机质）：寡养土壤单孢菌。2）腐败型水生微生物随各种污水夹带大量腐生菌：各种肠道杆菌、芽孢杆菌、弧菌和螺菌。在较深的湖泊或水库等淡水生境中，因光线、溶氧和温度等的差异，微生物呈明显的垂直分布带：①沿岸区或浅水区（阳光充足、溶氧量大）：蓝细菌、光合藻类、好氧性微生物。如：噬纤维菌属、柄杆菌属、生丝微菌属、假单孢菌属等。②深水区（光线微弱、溶氧量少、H2S含量较高）：厌氧光合细菌（紫色和绿色硫细菌）、一些兼性厌氧菌。③湖底区（严重缺氧的污泥）：一些厌氧菌。如：脱硫弧菌属、产甲烷菌类及梭菌。（2）海水型水体的微生物1）海水的含盐量3%左右，能在其中生活的微生物为嗜盐菌真正的海洋细菌在缺少氯化钠的情况下是不能生长的，为：一些藻类以及细菌中的芽孢杆菌属、假单孢菌属、弧菌属及一些发光细菌等。2）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。3）在深海或超深海由于黑暗、寒冷和超高压只有少数耐压菌才可生长，少数微生物甚至可在600个大气压下生长。4）大多数海洋细菌为G-细菌，并具有运动能力。2.水体的自净作用“流水不腐”的实质是生物学和生物化学的作用。3.饮用水的微生物学标准（1）细菌数100个/mL，当500个/mL不宜作饮用水。（2）用以E.coli为代表的大肠菌群数为指标大肠菌群数/1000mL自来水3个（37℃，48h）。（三）空气中的微生物1、无原生的微生物区系空气中不含微生物生长繁殖所必须的营养物、充足的水分和其他条件，且日光中的UV还具强烈的杀菌作用，因而不宜于微生物的生存。2、来源土壤、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。（四）工农业产品上的微生物霉腐微生物学：研究各种工农业产品上有害微生物的分布、种类、霉腐机制及其防治方法的微生物学分支，称为霉腐微生物学。1.工业产品的霉腐大量的工业产品都是直接或间接用动、植物作原料制成的，含有微生物需要的各种营养物。2.食品上的微生物食品是用营养丰富的动、植物或微生物等原料经加工后的制成品。3.农产品上的微生物各种农产品上存在着大量微生物，由此引起的霉腐以及使人和动、植物中毒，危害极大。（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、高渗、高压、干旱或高辐射强度等绝大多数生物都无法生存的环境。极端微生物（嗜极菌）：凡依赖于这些极端环境才能正常生长繁殖的微生物。1.嗜热微生物（嗜热菌）嗜热微生物主要为嗜热细菌。可分为5类：耐热菌：最高生长温度45~55oC，最低生长温度30oC；兼性嗜热菌：最高生长温度50~65oC，最低生长温度30oC；专性嗜热菌：最适生长温度65~70oC，最低生长温度42oC；极端嗜热菌：最高生长温度70oC，最适生长温度65oC，最低生长温度40oC；超嗜热菌：最高生长温度113oC，最适生长温度80～110oC，最低生长温度55oC。2.嗜冷微生物（嗜冷菌）最适生长温度15oC，最高生长温度20oC，最低生长温度0oC的细菌、真菌和藻类等微生物。3.嗜酸微生物（嗜酸菌）只能生活在低pH（4）条件下，在中性pH下即死亡的微生物。pH2，甚至pH0.5的酸性条件下也有生活，如：硫化叶菌属、硫细菌属、热原体属。4.嗜碱微生物（嗜碱菌）能专性生活在pH10~11的碱性条件下而不能生活在中性条件下的微生物。5.嗜盐微生物（嗜盐菌）必须在高盐浓度下才能生长的微生物。一般Nacl浓度3%左右，盐杆菌等极端嗜盐菌必须生活在12~30%Nacl中。6.嗜压微生物（嗜压菌）必须生长在高静水压环境中的微生物。均为原核微生物。7.抗辐射微生物对辐射这一不良环境因素有抗性的微生物。★华商晨报2004年6月6日消息据新华社电：在我国实施的“入地”工程——大陆科学钻探工程中，发现地下2000米深处，“生活”着大量微生物——嗜酸菌、嗜铁菌、嗜甲烷菌等。它们藏身在岩石微细裂缝里，以铁、镍、甲烷等为营养。专家指出：以前人们认为石头里没有生命，但这些生活在缺氧高温的极端环境中的“饥饿生命”打破了人们的传统认识。这是近年来我国早期生命研究中的一项重大发现，对研究地下生物圈以及生命起源具有重大意义。同日另讯：据《北京娱乐信报》：沉船“泰坦尼克号”船体钢板被食铁性微生物变成了触目惊心的红褐色“钟乳石”，并向其他多处地方快速蔓延。（六）生物体内外的正常菌群1.人体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、一般能发挥有益作用的微生物种群。在一般情况下，正常菌群与人体保持着十分和谐的平衡状态，在菌群内部各微生物间也相互制约，维持稳定、有序的相互关系。★人体肠道正常菌群与宿主间的关系，主要是互生关系，但在某些特殊条件下，也会转化为寄生关系。正常菌群失调：正常菌群的微生态平衡是相对的、可变的、有条件的。一旦宿主的防御功能减弱、正常菌群生长部位改变或长期服用抗生素等制菌药物后，就会引起菌群失调。条件致病菌：由于正常菌群失调，原先某些不致病的正常菌群成员就会乘机转移或大量繁殖，成为致病菌。内源感染：由条件致病菌引起的感染。微生态制剂：根据微生态学理论而制成的含有有益菌的活菌制剂。微生态学：从细胞和分子水平上研究微观层次上的生态学规律。人体五大微生态系统：消化道、呼吸道、泌尿生殖道、口腔及皮肤。益生菌剂：一类分离自正常菌群，以高含量活菌为主体，以口服或粘膜途径投入，以改善宿主特定部位微生态平衡并有其他有益生理活性的生物制剂。2.无菌动物与悉生生物无菌动物：凡在其体内外不存在任何微生物（包括正常菌群）的动物。悉生生物：凡已人为地接种上某种或某些已知纯种微生物的动物或植物。意即已知其上所含微生物群的大生物。悉生生物学（悉生学）：研究悉生生物的学科。用于了解微生物与宿主之间复杂的关系及其机理，用它做实验研究有很多优点：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。3.根际微生物和附生微生物（1）根际微生物生活在根系临近土壤，依赖根系的分泌物、外渗物和脱落细胞而生长，一般对植物发挥有益作用的正常菌群。多数为G-细菌：假单孢菌属、土壤杆菌属、无色杆菌属、节杆菌属。（2）附生微生物（根圈微生物）生活在植物地上部分表面，借植物外渗或分泌物质为营养的微生物。主要为叶面微生物，鲜叶表面一般含106个/g细菌，还有少量酵母菌和霉菌，放线菌很少。二、菌种资源的开发一般步骤：采集菌样→富集培养→纯种分离→性能测定。第二节微生物与生物环境间的关系自然环境中的微生物一般都不是单独存在的，存在个体、种群、群落和生态系统从低到高的组织层次。一、互生两种可单独生活的生物，当它们在一起时，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。（一）微生物间的互生在土壤微生物中，互生关系十分普遍。（二）人体肠道中正常菌群与人的互生关系（三）互生现象与发酵工业中的混菌培养二、共生指两种生物共居在一起，相互分工合作、相依为命，甚至达到难分难解、合二为一的极其紧密的一种相互关系。（一）微生物间的共生典型例子：由菌藻（子囊类真菌与藻类）共生或菌菌真菌与蓝细菌）共生的地衣。（二）微生物与植物间的共生1.根瘤菌与植物间的共生2.菌根菌与植物菌根具有改善植物营养、调节植物代谢和增强植物抗病能力等功能。菌根菌主要为真菌中的担子菌和子囊菌。菌根可分为外生菌根（哈蒂氏网）、内生菌根（丛枝状菌根）。（三）微生物与动物间的共生1.微生物与昆虫的共生在白蚁、蟑螂等昆虫的肠道中有大量的细菌和原生动物与其共生。有的生活在共生体的细胞外（外共生生物），有的生活在共生体的细胞内（内共生生物）。2.瘤胃微生物与反刍动物的共生瘤胃中生活着多种细菌和原生动物。反刍动物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。与此同时，瘤胃也为里面居住的微生物提供了必要的营养和生长条件。三、寄生一种小型生物生活在另一种较大型生物的体内（包括细胞内）或体表，从中夺取营养并生长繁殖，同时使后者蒙受损害甚至被杀死的一种相互关系。前者称为寄生物（parasite），后者称为寄主或宿主（host）。各种各样的寄生微生物多是致病菌。（一）微生物间的寄生1、噬菌体—细菌；2、蛭弧菌—细菌；3、真菌—真菌；4、真菌、细菌—原生动物。（二）微生物与植物间的寄生寄生于植物的微生物即为植物的病原菌。多为真菌和病毒，细菌较少。有的为植物专性寄生菌，有的为兼性寄生菌。（三）微生物与动物间的寄生寄生于动物的微生物即为动物的病原菌。种类极多，包括：各种病毒、细菌、真菌和原生动物等。这些微生物若寄生于对人有害的动物，则可用它们制才微生物杀虫剂或生物农药。冬虫夏草：寄生于昆虫的真菌。四、拮抗（抗生）指由某种生物所产生的特定的代谢产物可抑制它种生物的生长繁殖甚至杀死它们的一种相互关系。典型例子：抗生素（抗菌素）、乳酸。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其营养需要的一种相互关系。原生动物捕食细菌和藻类（净化污水）、捕食性真菌（生物防治）。捕食性真菌捕食土壤线虫，对生物防治具有一定意义。第三节微生物与自然界物质循环一、碳素循环地球上90%以上有机物的矿化由细菌和真菌完成。二、氮素循环三、硫素循环与细菌沥滤（一）S素循环（二）细菌沥滤四、磷素循环1、不溶性无机磷的可溶化通过细菌和真菌所产生的有机酸、硫酸和硝酸促使无机磷化物的溶解。可利用这些菌种与磷矿粉混合制成细菌磷肥。2、可溶性无机磷的有机化即各类微生物对无机磷的同化作用。3、有机磷的矿化生物体中的有机磷进入土壤后，经腐生微生物的分解，形成植物可利用的可溶性无机磷化物。如：Streptomycesspp.、Bacillusspp.、Aspergillusspp.、Penicilliumspp.等。解磷巨大芽孢杆菌能有效分解核酸、卵磷脂等有机磷化物，被制成磷细菌肥料。第四节微生物与环境保护环境污染：指土壤或水体等生态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。例：土壤自净能力、水体自净能力的丧失。一、水体的污染——富营养化（一）水体的自净作用除物理性的沉淀、扩散、稀释作用和化学性的氧化作用外，关键作用是生物学和生物化学作用，“流水不腐”。（二）水体的