高级微生物学-湖南农业大学6

1第六章微生物生态2主要内容：微生物在自然界的分布微生物与其他物种间的相互关系微生物与自然界物质循环微生物与环境保护3微生物与环境间有着极为密切的关系，微生物的生命活动依赖于环境，同时也影响着环境，研究微生物与环境之间的关系，了解它们在自然界的分布，可为人们开发微生物资源提供理论依据，以使人们利用微生物在自然界中的作用来改造自然，保护自然。微生物之间，微生物与其他微生物之间，也存在着相互依存，相互制约的关系，研究它们之间的关系，使人类更好地利用微生物，为防治人和动植物疾病，为工农业生产服务。4前言一、生态学的概念生态学（ecology）是一门研究生命系统与环境系统间相互作用规律的科学。二、什么是微生物生态学(Microbialecology)微生物生态学是生态学的一个分支，它的研究对象是微生物群体与其周围生物和非生物环境条件间相互作用的规律。(是研究微生物与环境之间相互作用的科学)生命科学研究领域中，从宏观到微观一般可分10个层次：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），其中前4个客观层次都是生态学的研究范围。5几个概念生物圈：地球表面全部生物以及与之相关的自然环境的总称。生态系统：是指在一定区域内生活的生物与其非生物环境之间相互紧密结合而形成的系统。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。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互依赖、相互制约的生物集团。种群：在一定时间里生活在同一生境的同一个体细胞生长形成的生物群体，在生态学上称之为种群。6第一节微生物在自然界的分布7一、土壤中的微生物(一)土壤是微生物生活的良好环境土壤是固体无机物(岩石和矿物质)、有机物、水、空气和生物组成的复合物，是微生物的合适生境。是微生物的大本营。由于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，所以土壤中微生物的种类和数量、代谢潜力是其他任何生态系统无法比拟的。8（1）土壤的矿物质成分，提供微生物需要的矿质养料；（2）土壤中的动植物残体，以及耕作土壤中有机肥料，源源不断地供给微生物碳素养料和氮素养料；（3）土壤的持水性为微生物提供水分条件；（4）土壤的孔隙性和土壤水分多少，直接影响土壤的通气条件。（5）土壤的pH范围在3.5-10.5之间，多数在5.5-8.5之间，这是大多数微生物活动最适宜的pH；9（二）土壤中的微生物分布特点1）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。2）土壤微生物的数量和分布受季节影响；3）微生物的数量也与于土层的深度有关，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。4）土壤中的微生物:细菌放线菌真菌藻类原生动物10每克肥土中通常含有几亿至几十亿个微生物，贫瘠土壤每克也有几百万至几千万个微生物。农田土15cm处的微生物量微生物每克土生物量壤数量（g/m3）细菌1×108160放线菌2×106160真菌1.2×105200藻类2.5×10432原生动物3×10438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。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。11（三）、微生物对土壤的作用1、微生物是土壤形成的先驱生物；土壤中的自生固氮微生物种类和数量很多，可以固定和制造氮素供植物生长。2、腐生作用，土壤中的微生物将各种有机物、无机物转化成NH3-N、NO3--N等被植物利用。3、形成腐殖质，改善土壤团粒结构。12根际微生物（rhizospheremicroorganism）：植物根系经常向周围土壤分泌各种外渗物质，故根际有大量微生物活动。种类组成受植物的种类和植物发育阶段影响。作用是改善植物营养、分泌生长刺激素及抗生素等；有时也有害，与植物争夺N、P等营养、分泌毒素等。附生微生物（epibioticmicrobe）：指生活在植物体表面，主要借其外渗物质或分泌物质为营养的微生物。叶面微生物是主要的附生微生物。133、根际微生物和附生微生物根际微生物：生活在植物根系周围土壤中的微生物，为正常菌群，多为G-细菌附生微生物：生活在植物地上部分表面的微生物14二、微生物在水中的分布水具有微生物生命活动适宜的温度、pH、氧气等，水体中也具备微生物生长繁殖的其他条件，因此成为微生物栖息的又一天然场所。(一)水体中微生物的来源土壤、空气、动植物尸体、人和动物的排泻物、工业及生活污水。(二)种类水中存在的微生物90%为革兰氏阴性菌，主要有弧菌、假单胞菌、黄杆菌等。鞘细菌及有柄附生细菌也常见于水体中。(三)微生物在水体中的分布表现为水平分布和垂直分布的规律。此外，相同水域的不同浓度微生物的含量及分布也不同。(四)水体中的病原微生物通过水体传播的病原微生物主要有沙门氏菌属、志贺氏菌属、霍乱弧菌等。因此，做好水的卫生学检查至关重要。15影响水体微生物分布的因素有机物含量温度水的深度日光与水体的溶解氧量淡水的pH值变幅从3.7到10.5，多数为6.5-8.5，因而适合于多数水生微生物的生长。海洋微生物具有耐压、嗜冷和低营养要求的特点。16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：与所含污物有关各种水系中的微生物17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18清水型水生微生物洁净湖泊和水库，微生物数量少（10~103/ml），以化能自养型和光能自养型微生物为主，部分腐生细菌，如色杆菌、无色杆菌和微球菌等；霉菌中如水霉、绵霉等的一些种；以及单细胞和丝状的藻类和一些原生动物常在水面生长，数量较少。以上微生物种类可以认为是水中的“土著”菌群。根据微生物对水生环境中的营养要求，将其分为三类：贫营养细菌（1~15mgC/L）、兼性贫营养细菌（指一些在富营养培养基中经反复培养后也能适应并生长的贫营养细菌）、富营养细菌（10gC/L）贫营养指数（O.I）：某水样中贫营养细菌占总菌数的百分比19类型：流经城市的河水、港口附近的海水、滞留的池水、阴沟水环境情况：流入了大量的人畜排泄物、生活污物和工业废水等，有机物含量大增微生物数量和类群：–数量：大量外来的腐生细菌，使腐败型水生微生物尤其是细菌和原生动物大量繁殖，每毫升污水的微生物含量达到107~108个。–类群：革兰氏阴性无芽孢杆菌，如Proteus、E.coli、Enterobacteraerogenes和Alcaligenes等，各种Bacillus、Vibrio和Spirillum等的一些种纤毛虫类、鞭毛虫类和根足虫类等原生动物腐败型水生微生物20还有一些随人畜排泄物和病体污物进入水体的动植物致病菌繁殖及后果：通常因水体环境中的营养等条件不能满足其生长繁殖的要求，加上周围其它微生物的竞争和拮抗关系，一般难以长期生存，但由于水体的流动，也会造成病原菌的传播甚至疾病的流行。21水的自净作用污水中的微生物在污水环境中大量繁殖，逐渐把水中的有机物分解成简单的无机物，同时它们的数量随之减少，污水也就逐步净化变清。水源的饮用价值：良好的饮用水细菌含量应在100个/ml以下，当超过500个/ml时，即不适合作为饮用水。更重要的是水中的微生物种类，一般用大肠菌群数作为是否含有病原菌的指标。22在自然水体尤其是快速流动的水中，存在着对有机或无机污染物的自净作用。其原因是多方面的，有稀释、沉降、吸附等物理作用，更重要的是各种生物学和生物化学作用，如好氧菌对有机物的分解作用、原生动物对细菌等的吞噬作用，噬菌体对宿主的裂解作用，以及微生物产生的凝胶物质对污染物的吸附、沉降作用等使水中有机物含量降低，这种作用称为水的自净作用。是流水不腐的原因。23三、微生物在空气中的分布:1．空气是传播微生物的重要介质空气本身缺乏微生物生活所必需的营养物，日光对微生物也具有很强的杀菌作用，另外空气一般是干燥的，因此空气不是微生物生活的良好环境。至85km的高空。2．空气中微生物的种类和数量空气中的微生物主要来源于带有微生物菌体及孢子的灰尘，这类微生物大多数是腐生性的，还来源于人和动物，它们大多数是通过呼吸道排出的，其中也包含有病原微生物，悬浮在大气中。空气中微生物的分布随环境条件及微生物的抵抗力不同而呈现不同的分布规律。空气中存在较多的、存活时间较长的是各种真菌、放线菌的孢子及细菌芽胞。空气中微生物的数目决定于尘埃的总量。24不同地点空气中的微生物数量地点微生物数量（cfu/ｍ3空气）北极(北纬80°)0海洋上空1-2市外公园200城市公园5,000宿舍2,000畜舍1,000,000-2,000,000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。25不利于一般生物生长的特殊环境称为极端环境。主要有极端高温、低温、高盐、高压、高酸、高碱等。例如火山与温泉、极地或高山冰川、盐湖、深海底层等。1．高温环境中的微生物(嗜热微生物)高热环境--高温环境喷发的火山、地热蒸汽、沸腾或过热的温泉以及高温堆肥、热水器和取暖用热水循环系统等是常见的天然或人工的高温环境。不同微生物对高温的适应能力见表，高温型微生物中以细菌居多，只有少数真菌。如嗜热脂肪芽孢杆菌、酸热芽孢杆菌（Ｂ．acidocaldarius）等。各类群生长的上限温度类群上限温度(℃)真核微生物原生动物藻类真菌5655-6060-62原核微生物盐细菌光合细菌无机化能细菌异养细菌70-7370-73909026兼性嗜热菌专性嗜热菌极端嗜热菌耐热菌超嗜热菌嗜热菌的类型：27隐蔽热网菌（Pyrodictiumoccultum）嗜酸热硫化叶菌（Sulfolobusacidocaldarius）水生嗜热杆菌(Thermusaquaticus)28嗜热机制--嗜热菌之所以耐热，主要是其结构及生理上具有一定特点。近年来，对其嗜热机制进行了分子水平的研究，可归纳为以下4种假说。（1）类脂的敏感作用嗜热菌细胞质膜的化学成分，随环境温度的升高不仅类脂总含量增加，而且细胞中的高熔点饱和脂肪酸也增加，即长链饱和脂肪酸增加，而不饱和脂肪酸减少。因此，嗜热菌在高温下能维持膜的功能，能较好地生存。29（2）重要代谢产物的迅速再合成嗜热菌中tRNAr的周转率大于中温菌的周转率，核酸中的GC含量也比中温菌高。（3）大分子的热稳定性--嗜热菌的酶和蛋白质比中温菌的酶和蛋白质具有较高的热稳定性。（4）蛋白质合成系统的热稳定性--嗜热菌的核糖体比中温菌的核糖体抗热性高。302．高盐环境中的微生物高盐环境--盐湖、盐池和盐腌制的食品等是常见的高盐环境。通常把能在含盐量高于15％的环境中生长的微生物称为极端嗜盐菌，