《微生物学》主要知识点-09第九章微生物的生态

1第九章微生物的生态概论：微生物生态学是研究微生物群体——微生物区系（microflora）或正常菌群（normalflora）对其周围的生物和非生物环境条件相互作用关系的科学。生命科学研究对象的十层次：生物圈（biosphere）；生态系统（ecosystem）；群落（community）；种群（population）；个体（individual）；器官（organ）；组织（tissue）；细胞（cell）；细胞器（organelle）；分子（molecule）。9.1微生物在自然界中的分布与菌种资源开发9.1.1微生物在自然界中的分布1.土壤中的微生物：每克耕作层土壤中，各种微生物含量之比大体有一个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）2.水中的微生物：淡水型水体的微生物：寡营养微生物（1-15mgC/L）；海水型水体的微生物：3.0-3.5%盐度；水体的自净作用（selfcleaning）；饮用水的微生物学标准（China）：1mL自来水中的细菌总数不可超过100个（37℃；24hr）；1000mL自来水中的大肠菌群（coliforms）数不能超过3个（37℃；48hr）。3.空气中的微生物：漂浮的尘埃、漂浮的气溶胶均附着大量的微生物。4.工农业产品上的微生物：工业产品的霉腐；食品上的微生物；农产品上的微生物。5.极端环境下的微生物：嗜热微生物（thermophile）；嗜冷微生物（psychrophile）；嗜酸微生物（acidophile）；嗜碱微生物（alkalinophile）；嗜盐微生物（halophile）；嗜压微生物（barophile）；抗辐射微生物（thermophile）。6.生物体内外的正常菌群：人体的正常菌群（normalflora）与条件致病菌（opportunistpathogen）；无菌动物（germ-freeanimal）与悉生动物（gnotobiota）；根际微生物（rhizospheremicroorganism）与附生微生物（epibioticmicroorganism）。9.1.2菌种资源的开发1.采集菌样；2.富集培养；3.纯种分离；4.性能测定9.2微生物与生物环境间的关系9.2.1互生：两种可以独立生活的生物，当他们生活在一起时，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。1.微生物间的互生关系：好氧性自生固氮菌（Azotobactersp.）和纤维素分解菌（Cellvibriosp.）。2.人体肠道正常菌群：E.coli、Streptococcusfaecalis等9.2.2共生：两种生物共居在一起，相互分工协作、相依为命，甚至达到难分难解、合二为一的一种相互关系。1.微生物间的共生关系：地衣中的真菌与藻类、产氢产乙酸细菌（S菌株）和产甲烷细菌（MOH菌株）。2.微生物与植物间的共生关系：根瘤菌（Rhizobium）与豆科植物。3.微生物与动物间的共生关系：白蚁等与其肠道内的某些原生动物、反刍动物与瘤胃微生物。9.2.3寄生：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，同时使后者蒙受损失甚至被杀死的现象。1.微生物间的寄生关系：Bdellovibriobacteriovorus与E.coli、Erwiniacarotovora等。2.微生物与2植物间的寄生关系：白粉菌、锈菌、霜霉菌、植物病毒与寄生植物。3.微生物与动物间的寄生关系：苏云金芽孢杆菌与鳞翅目的昆虫、冬虫夏草。9.2.4拮抗：某种生物所产生的某种代谢产物可抑制其他生物的生长发育甚至杀死它们的一种相互关系。：乳酸杆菌与其他腐败微生物。9.2.5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。代表：原生生物吞食细菌和藻类、某些真菌捕食线虫和其他原生动物。9.3微生物与自然界物质循环概述：从物质循环的角度看，自地球起源至今的45亿年左右的漫长时间内，经历了化学进化和生物进化两大阶段。在生物进化中，可分为单极生态系统、双极生态系统和三极生态系统阶段三个明显不同的发展阶段。1.单极生态系统阶段——由35亿年前形成的异养厌氧生物（异养分解者）构成；2.双极生态系统阶段——由25~30亿年前形成的自养蓝细菌（生产者）和厌氧性异养原核生物（分解者）构成；3.三极生态系统阶段——在10~12亿年前真核生物的出现，形成了由生产者、消费者、分解者组成的生态系统。9.3.1碳素循环：碳素是一切生命有机体的最大组分，接近有机物干重的50%。碳循环是最重要的物质循环。TheCarbonCycle9.3.2氮素循环：氮元素在自然界中的存在形式主要有：铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐、有机含氮物、游离氮气等。氮素循环中微生物起着关键的作用。1.生物固氮；2.硝化作用（nitrification）；3.氨化作用（ammonification）；4.硝酸盐还原作用（nitratereduction）；5.反硝化作用（denitrification）。TheNitrogenCycle39.3.3硫循环：硫的氧化；硫酸盐还原；硫化氢的释放。细菌沥滤（Bacterialleaching）：利用化能自养微生物对矿物中的硫或硫化物进行氧化产生酸性浸矿剂，使低品位矿中的有色金属或稀有金属溶解出来，再通过金属置换获得有色金属或稀有金属。9.3.4磷循环：1.有机磷转化成溶解性无机磷；2.不溶性无机磷变成溶解性无机磷；3.溶解性无机磷变成有机磷。9.4微生物与环境保护：人类赖以生存的环境受到越来越严重的污染，水源的污染是危害最广、最大的污染。全人类联合起来拯救人类唯一的家园——地球。9.4.1水体的污染——富营养化富营养化（eutrophication）：水体中因氮、磷等元素含量过高而引起水体表层的蓝细菌和藻类过度生长繁殖的现象。水华（waterbloom）：淡水水体中的富营养化现象。赤潮（redtide）：咸水水体中的富营养化现象。9.4.2用微生物治理污染一、污水的微生物处理：水源的污染是危害最广、最大的污染。污水分为：生活污水、工业有机污水、工业有毒污水和其他污水。1.微生物处理污水的原理4污水处理中的常用名词BOD(biologicaloxygendemand)即“生化需氧量”：水中有机物含量的间接指标，一般指在20℃下，1L污水中所含的有机物（主要是有机碳源），在进行微生物氧化时，5日内所消耗的分子氧的毫克数（mg/L）。COD（chemicaloxygendemand）即化学需氧量：使用强氧化剂（KMno4或K2CrO7）使1L污水中的有机物迅速进行化学氧化时所消耗氧的毫克数（mg/L）。TOD（totaloxygendemand）即总需氧量：水中能被氧化的物质，主要是有机物质在燃烧中变成稳定的氧化物时所需要的氧量。DO（dissolvedoxygen）即溶解氧量：水体中的分子态氧。SS（suspendsolid）即悬浮物含量：污水中不溶性固态物质的含量。TOC（totalorganiccarbon）即总有机碳含量：水体内所含有机物中的全部有机碳的量。2.污水处理中的特殊微生物：分解氰的微生物：Nocardia、Pseudomonas等。降解TNT（三硝基甲苯）的微生物：Citrobacter、Enterobacter等。降解聚乙烯醇（PVA）的微生物：Pseudomonassp.0-33.污水处理的主要装置（1）节能型污水处理装置：①氧化塘法（oxidationponds或lagoon）；②洒水滤床法（trickingfilterprocess）。（2）好能型污水处理装置：①活性污泥法（activatedsludgeprocess）；②生物膜法（biomembraneprocess）。（3）产能型污水处理装置——厌氧消化器。二、固体有机垃圾的微生物处理：有机垃圾好氧生物反应器。9.4.3沼气发酵与环境保护：在地球的生物量（biomass）中，以植物秸秆和其他动植物残体的含量最高，这是一类可再生资源（renewableresource）。一.沼气发酵的三个阶段1、水解阶段：厌氧或兼性厌氧的水解性细菌或发酵性细菌将纤维素、淀粉、蛋白质等大分子水解成有机小分子。2、产酸阶段：厌氧的产氢产乙酸菌群利用第一阶段产生的各种有机酸，分解成乙酸、H2和CO2。3、产气阶段：严格厌氧的产甲烷菌群（methanogens）利用一碳化合物（CO2、甲醇、甲酸、甲基胺或CO）、二碳化合物（乙酸）和H2产生甲烷。二.甲烷形成的生化机制——产甲烷菌式严格的厌氧菌，CO2被H2还原的过程是一个逐步还原的过程，总反应式为：CO2+4H2→CH4+2H2O三.产甲烷菌CO2同化途径：产甲烷菌同化CO2并不经过通常的Calvin循环，而是通过厌氧乙酰辅酶A的独特途径来进行的。代表：Methanobacteriumbarkeri和Methanobacteriumthermoautotrophicum。