第8章微生物的生态(简)

第八章微生物生态第八章微生物生态通过本章的学习，了解微生物在自然界分布的特点及其与人类生活的密切关系，掌握微生物与其生活在一起的其它生物之间的相互关系以及微生物在自然界物质循环中的重要作用。前言•生态学：研究生物系统与其所处环境条件之间的相互作用规律性的科学。•微生物生态学内容：微生物群体对其周围生物和非生物环境条件的相互作用关系。几个概念•种群（population）生活在同一环境中的同种个体组成的能繁殖集团。•群落（community）同一环境中两个以上种群由于生活繁殖上的连锁而构成相互依赖和制约的生物集团。•生态系统（ecosystem）生物群落与其无机环境相结合、相作用、相调控而成的动态系统。•生物圈（biosphere）地球上的所有生物。研究意义理论：地球进化和生物进化原因实践：开发菌种资源、新的微生物农药、菌肥、医药、混菌发酵、生态农业，促进探矿、冶金、环保、提高土壤肥力以及开发生物能，防治有害微生物等第三节微生物在生态系统中的作用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相互关系了解不同环境中微生物分布的基本特点及与其人类生活的关系掌握生物之间相互关系的特点（一些典型例子的原理）基本概念第一节微生物在自然界中的分布DistributionofMicroorganismsinthenature一、土壤中的微生物二、自然水域中的微生物1、江河水；2、海水；3、水体的富营养化作用和“水华”、“赤潮”三、空气中的微生物四、食品中的微生物五、极端环境下的微生物六、未培养的微生物一.土壤中的微生物•土壤具有微生物生存的环境条件•土壤中有养分、空气、水，土壤覆盖阻挡了紫外线对微生物的杀伤，土壤pH及渗透压都适合微生物生长。土壤中的微生物：细菌、放线菌、真菌、藻类、原生动物、病毒微生物的作用：①改变土壤性质②进行物质转化③提高土壤肥力第一节微生物在自然界中的分布DistributionofMicroorganismsinthenature耕作层(15cm)土壤中的微生物数量和生物量微生物类群菌数(cfu/g)生物量(g/m3）细菌108160真菌105200放线菌105-106160藻类104-10532原生动物10438FromL.Hawker:Microorganisms1）土壤微生物的数量和分布主要受营养物、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。微生物以微菌落（microcolony）的形式存在于土壤团粒结构中。二、自然水域中的微生物•自然水域具有微生物的生活条件：水中有营养物质、溶解氧、渗透压和温度适合不同微生物生长。•淡水水域中的微生物细菌、真菌、藻类、原生动物。特点：①运动性（随水流动）；②在低营养浓度下生存。•海水中的微生物藻类、G-需氧细菌、兼性厌氧菌。特点：嗜盐、嗜冷、嗜压。江河水中的微生物1）数量和种类与接触的土壤密切相关；2）主要吸附在悬浮于水中的有机物及水底；3）多能运动，有些具有异常形态（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，不宜作饮用水源。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水体的自净作用(selfcleaning)•自然水体尤其是快速流动、溶氧量高的水体，对投入其中的有机或无机污染物有明显的自净作用，其原因除了包含物理性的沉淀、扩散、稀释作用和化学性的氧化作用外，关键是微生物的作用。好氧性细菌对有机物的降解作用原生动物对细菌的吞噬作用噬菌体对细菌的裂解作用细菌糖被（荚膜物质）对污染物的吸附沉降作用藻类的光合作用等富营养化作用（eutrophication）：指水体中因N、P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。这时，下层水体不但因缺光而少氧，很多藻类还能产生各种毒素，造成了厌氧和有毒的环境。“水花”或“水华”（waterbloom）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（redtides）在海洋中，某些甲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。三、空气中的微生物空气不具有微生物生活的条件：无营养物、紫外线杀菌、空气中微生物只能存留，不能进行生长繁殖•空气中的微生物主要来自：①土壤扬起的灰尘；②水面吹起的水沫；③动、植物体表。•空气中的微生物主要是：①芽孢细菌的芽孢和一些G＋菌；②真菌的孢子。•空气中的微生物密度农村城市高空低空海洋上空陆地上空畜厩、街道、医院、宿舍区微生物密度大高山、海洋、森林、旷原微生物少四、食品中的微生物微生物可以从土壤、作物收割、食品加工、储藏、销售等各个环节进入食品食品中有益的微生物：乳酸菌双歧杆菌酵母菌霉菌食品中有害的微生物：导致食品腐败、变质，产生有害物质，危害人类健康！1998年发展中国家约180万儿童死于微生物性腹泻全世界每年约有220万人因患食源性疾病而丧生发达国家每年约有三分之一的人受食源性疾病危害(WHO,2002)食品安全—全球关注的问题①1988年上海，贝类，甲肝②1989年新疆，戊肝③1996年欧洲，牛肉，疯牛病④1996年日本，奶制品，O157⑤1997年中国香港，禽流感⑥2000年法国，熟制肉类，李斯特菌⑦2000年日本，乳品，金黄色葡萄球菌⑧2000年英国、法国，口蹄疫⑨2004年南亚、东南亚、中国，禽流感微生物是食品安全的主要危害因子根据食品卫生的要求，从微生物学的角度，对不同食品所提出的与食品有关的具体指标要求。食品微生物检验的指标：1、菌落总数2、大肠菌群3、致病菌五、极端环境中的微生物•可在绝大多数微生物所不能生长的高温、低温、高酸、高碱、高盐、高压或高辐射强度等极端环境下生活的微生物。•研究价值：了解极端环境下微生物的物种、遗传特性及适应机制，不仅可为生物进化、微生物分类积累资料，提供新的线索，还可直接利用它的特殊基因、特殊机能，培育更有用的新种。•高温环境极端嗜热菌Pyrodictiumbroii最适生长温度为105℃，最高可达110℃。•低温环境嗜冷菌中的某些固氮微生物在1℃下还可以固氮。•强酸环境嗜酸菌；氧化硫硫杆菌在pH0.9-4中生长，最适pH2.5左右•强碱环境嗜碱菌BacillusrotanspH11•高盐环境极端嗜盐菌，最适生长盐浓度为2.5-5.0摩尔/L.•高压环境深海中的极端嗜压菌Pseudomonasbathycete能在1.01×108Pa3℃下生长。六、未培养的微生物未培养微生物（unculturedmicroorganisms）利用分子生物学技术能够检测到，但目前采用微生物纯培养分离、培养方法还未获得纯培养的微生物。包括可获得纯培养，但在环境因子的胁迫下不能生长、处于休眠状态下的微生物。•Staley和Konopka(1985)创造的名言：“伟大的平板，计的数太偏”，是对环境中微生物实际数量同平板菌落计数之间巨大差异的最好描述。1-10%ofobservablebacteriagrowonstandardculturemediaThegreatplatecountanomaly-Doesculturingreflectnaturalconditions?纯培养技术——微生物多样性研究的限制性瓶颈•使用标准微生物学培养技术对不同生境微生物可培养性的测定结果：•海水中可培养性约为0.001％～0.100％•淡水约0.25％•土壤约0.3％•活性污泥为1％～15％未培养的微生物研究意义：生物多样性和系统发生的多样性（BiodiversityandPhylogeneticdiversity）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未培养微生物中寻找新的基因、新的蛋白美国recombianantbiocatalysisInc公司目前已从未培养微生物中获得了约300个与工业生产相关的新蛋白（viablebutnonculturablestate,VBNCstate）活的非可培养状态我国青岛海洋研究所的徐怀恕和美国UniversityofMaryland的Colwell等于1982年研究霍乱弧菌和大肠杆菌在海洋与河口环境中的存活规律，发现霍乱弧菌在其生活史中，处于低温、低盐、低营养物等不良生活条件下，会变成活动但不可培养状态。首次提出了活的不同培养状态（viablebutnonculturablestate,VBNCstate）现象。近年来已成为微生物学研究的一个热点。•Vibriocholerae霍乱弧菌•Escherichiacoli•Campylobacterjejuni空肠弯曲杆菌•Legionellapneumophila嗜肺军团杆菌•Shigellasonnei索氏志贺菌PathogenicityopportunismMetabolicfunctionsVBNC至少有16个属的30种细菌被报道有此现象发生，它被认为是微生物暴露于胁迫环境的一种生存反应。•VBNC是细菌处于不良环境条件下产生的一种特殊的生存方式和休眠状态。•VBNC细菌不能在常规培养条件下生长繁殖，但仍然具有代谢活性，但如果给予合适条件又能够恢复生长繁殖。①细胞保持完整、胞内酶维持活性、染色体和质粒DNA均保持稳定;②用显微镜观察，其细胞会表现为缩小成球状，细胞表面产生皱折等。VBNC细菌特点：•宏基因组（Metagenome）“theGenomesoftheTotalMicrobiotaFoundinNature”，即指任何特定环境样品中全部微生物遗传物质的总和。•基本方法：分析微生物在环境中的基因组集合，直接分离未培养土壤微生物基因组DNA，克隆到可培养微生物中，最后筛选所需的结果克隆。•宏基因组文库包含了可培养和未可培养的微生物基因组,避开了微生物的实验室分离培养，因而能更有效研究和挖掘环境微生物的多样性。分子生物学手段研究未培养微生物，绕过“纯培养”技术——宏基因组学•宏基因组研究充分扩展了微生物基因资源的利用空间,显著增加了筛选与分离新型生物活性分子及其编码基因的机会。•目前已采用土壤、海水、湖泊、浮游生物、生物膜、动物和昆虫消化道、排泄物等环境样品成功构建出宏基因组文库,并筛选到多种在工农业、医药等行业具有应用前景的酶、色素、抗肿瘤活性物质、抗生素等及其编码基因（簇），包括脂酶/酯酶、蛋白酶、淀粉酶、氧化酶、几丁质酶、核酸酶、膜蛋白、4-羟基丁酸代谢酶系、生物素合成酶系、色素、抗菌/肿瘤活性分子及抗生素抗性基因等。第二节微生物与生物环境间的相互关系在生态系统中生物间相互间关系的概念及典型例子重点：微生物与其它生物环境（包括微生物、动植物）的互生和共生关系。一、微生物与动物的关系互生，共生，寄生二、微生物与植物的关系互生，共生，寄生三、微生物种群之间的相互关系中性关系neutralism偏利关系commensalism协同关系synergism互惠关系mutualism竞争关系competition拮抗关系antagonism寄生关系parasitism捕食关系predation第二节微生物与生物环境间的相互关系1.互生关系metabiosis两种可以独立生活的生物生活在一起时，都从对方获得利益，相互提供营养或生态位。举例：人体肠道正常菌群与宿主的关系，肠道为微生物提供生存环境，肠道微生物进行多种代谢，为人体提供有益物质如维生素。一、微生物与动物的关系人体不同部位的正常菌群部位主要微生物皮肤葡萄球菌属、八叠球菌、JK群棒状杆菌、绿脓杆菌、痤疮丙酸杆菌、厌氧革兰阳性球菌、青霉菌属等口腔表皮葡萄球菌、α型溶血或不溶血链球菌、肺炎球菌、肠球菌屑、奈瑟球菌属、他莫拉菌、大肠杆菌、嗜血杆菌属、乳杆菌、类白喉杆菌、真杆菌属、梭杆菌属、类杆菌属、厌氧革兰阳性和阴性球菌、白念珠菌等。眼结膜表皮葡萄球菌、JK群棒状杆菌、丙酸杆菌屑等鼻咽腔