第七章微生物的生态

第七章微生物的生态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：研究微生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系。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；•生态学研究范围：生物圈（biosphere）、生态系统（ecosystem）、群落（community）、种群（population）。•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、防治有害微生物、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等几个概念•生物圈：地球上的所有生物。•生态系统：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。•群落：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依赖、相制约的生物集团。•种群：生活在同一环境中的同种个体组成的能繁殖集团。与同种别地的种群有隔离、有界限。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。1.微生物在自然界中的分布与菌种资源土壤中的微生物•土壤中的环境条件：营养、水分、空气、酸碱度、渗透压和温度条件都适于微生物的生活，是微生物的大本营、也是人类最丰富的“菌种资源库”。•土壤中微生物的数量：按种类递减–细菌——放线菌——霉菌——酵母菌——藻类——原生动物–~108~107~106~105~104~103个/g–耕作土壤中，细菌湿重约90~225kg；以土壤有机质含量为2%计算，则所含细菌干重约为土壤有机质的1%左右。–土壤微生物的代谢活动，可改变土壤的理化性质，进行物质转化，因此，土壤微生物是构成土壤肥力的重要因素。–若按生物量计算则各种微生物的生物量基本相当。1.1微生物在自然界中的分布土壤中微生物的含量•土壤中微生物的含量与土壤有机质含量有直接关系。–表层耕作土中含量最高，耕作层厚度20-30cm，地表土受阳光直接照射，其中微生物含量较低。–采取土样时一般要刮开表土2~3cm后采样。水中的微生物•自然界江河湖海等各种淡水与咸水水域中都生存着相应的微生物。•水域中微生物的种类和数量与水域的有机物、无机物的种类和含量，光照、酸碱度、渗透压、温度、含氧量和有毒物质的含量有密切关系。•各种水系：水淡水海水地下水：无色杆菌、黄杆菌、革兰氏阳性杆菌、微球菌、诺卡氏菌地表水溪水：营养少、主要是革兰氏阴性无芽孢杆菌、生丝微菌河水：出现假单孢菌、芽孢、肠杆菌、弧菌、螺菌、硫细菌、微球菌、八叠球菌、诺卡氏菌、链球菌、螺旋体等污水生活污水：荧光、绿脓、变形、枯草、阴沟、大肠、粪链球菌、病毒和噬菌体生产污水：与所含污物有关海水平均含盐量：3.5%，密度大、渗透压高、冰点低微生物组成：多数为革兰氏阴性菌、多嗜盐、河口处有耐盐菌，嗜盐菌：低嗜盐菌，适于生活在盐浓度2-5%；中等嗜盐菌，适于生活在盐浓度5-20%；高嗜盐菌：适于生活在盐浓度20~30%形态：多有鞭毛，常见多形性、可变为球形、弧形、丝状及螺旋状，个体小；生理：兼性厌氧，生长慢，能在低营养下生活，常产色素，分解蛋白质能力强，解糖能力低，多嗜冷，对热敏感；分布：不均匀，与水深成反比，0-10米——少10-50米——呈上升变化50米以下数量减少海底沉积物上——多常见菌种：假单孢菌、弧菌、螺菌、无色杆菌、黄杆菌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☆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。“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也可以形成水花，从而使海水出现红色或褐色。引起水体富营养化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，因此由于富营养化作用致死的鱼等水产品不能食用空气中的微生物•空气中的环境条件：无营养和水分、紫外线直射•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•空气中微生物数量的测定：培养皿沉降法、液体阻留法•空气中微生物的杀灭与去除：紫外线照射、甲醛熏蒸、药物喷雾、过滤除菌等，常用的过滤介质有棉花、纱布、石棉滤板、活性炭或超细玻璃纤维过滤纸等。工农业产品上的微生物◆微生物引起的工业产品的霉腐大量工业制品都是用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、建筑涂料等也有很多微生物可以分解、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。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。---------生物可降解塑料---------开发、利用纤维素（能源、饲料）---------苎麻脱胶◆食品、农副产品上的微生物很多微生物在食品、农产品上生长后会产生对人有害的毒素；肉毒毒素、黄曲霉素等不利影响：由于微生物的生长繁殖而腐烂、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：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、嗜压微生物极端环境下的微生物研究意义：(1)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。不可培养的微生物从环境中直接分离并克隆rRNA并分析其序列和在分子进化树上的位置等方法而发现的的目前尚不能在人工条件下获得培养的微生物。不可培养微生物（unculturedmicroorganisms）利用特异性rRNA探针进行荧光原位杂交（Fluorescenceinsituhybridization,FISH），或进行原位PCR（InSituPCR）后再进行荧光原位杂交的技术对环境中的这些不可培养微生物进行定位、计数和进行形态观察。不可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不可培养微生物中寻找新的基因、新的蛋白据报道，美国recombianantbiocatalysisInc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1.2菌种资源的开发•工业发酵产物的性质：–菌体物质–生产分解酶类–生产主流代谢产物、次生代谢产物或生物合成产物•菌种筛选的一般原则和基本步骤：–采集菌样：了解目标菌分布情况、首选样品是土壤–富集培养：利用选择性培养基的原理，向所采土样中加入某些特殊营养物，并创造一些有利于待分离对象生长的条件，使样品中少量的能分解利用该营养物的微生物大量繁殖，以提高其在群体中的比例，使之便于分离。–纯种分离–性能测定采取土壤样品要考虑的几个问题•土质肥，微生物含量高，特别肥沃的土壤中细菌多，放线菌少；在植物残体枯枝落叶下的土壤中较多含有拮抗性真菌。•离地面5-20cm处的土壤通气良好、不受阳光直射，喊菌量最高。•采土季节以春秋两季最好。•采土方法：选择适当地点、铲除表土、取土样数十克，盛入事先准备的无菌防水纸袋中，其上记录采土时间、地点、植被情况等。•多点采土、混合分离，可以代表每一地块上的微生物分布平均情况土样的富集培养•含有目的菌较多的土样不需要富集培养•如果原有样品中目的菌含量低，可以人为地添加相应的基质，培养使之以较其它微生物更快的速度生长繁殖，从而提高它们在样品中的比例，便于分离。•富集培养的一般方法：采用有利于目的菌种而不利于无关微生物的营养和培养条件，以达到使目的菌种在群体中比例上升的目的。•一些有特定物质产生能力的菌种，不容易富集，只有通过大量艰苦的工作筛选取得。2、微生物与生物环境之间的相互关系•微生物与任何一种生物之间的关系：–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（代谢共栖）（+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（––）2.1共栖：两种生物同时栖生于一个环境中，双方的生命活动互相作用而形成各种利害关系。共栖伙伴彼此离开，各自都有独立生活能力。2.2共生定义：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：地衣产氢产乙酸菌株（S菌株）与产甲烷细菌（MOH菌株）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。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）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。微生物和植物间的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；豆科植物的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。与动物的共生关系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。瘤胃也为里面居住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2.3寄生定义：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：噬菌体与其宿主之间的关系真菌对真菌的寄生细菌或真菌寄生于原生动物细菌寄生于细菌：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：植物病原体专性寄生物和兼性寄生物微生物与动物之间的寄生关系：各种病原微生物昆虫病原菌——生物农药冬虫夏草2.4拮抗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。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