微生物的生态

第八章微生物的生态本章要求掌握：1.了解生态学、生态系统与微生物生态学定义。2.了解自然界中微生物在土壤、水体、空气及其他基质中的广泛分布，掌握微生物与生物环境间的主要关系类型。3.了解微生物在自然界中各大类物质循环中的作用和地位，熟练掌握微生物在氮素循环中的作用和地位，理解细菌沥滤的基本原理。4.掌握富营养化、水华、赤潮、活性污泥、BOD、COD等重要概念，理解微生物处理污水的基本原理和几种常见方法，了解沼气发酵过程。微生物的生态：指周围环境（包括生物及非生物条件）对微生物区系或正常菌群的作用以及微生物对周围环境的反作用。微生物生态学：研究微生物群体—微生物区系或正常菌群对其周围环境的生物和非生物条件相互作用关系的科学。微生物生态学的研究内容：1、研究微生物的分布规律；2、研究微生物间及其与它种生物间的相互关系；3、研究微生物在自然界物质循环中的作用研究微生物生态学的意义1、有助于开发丰富的菌种资源；2、有助于防止有害微生物的活动；3、有助于发展新的微生物农药、微生物肥料；4、有助于防止人和动植物病虫害；5、有助于发展混菌发酵、序列发酵和生态农业；6、有利于阐明地球进化和生物进化的原因；7、能促进探矿、冶金、环保、提高土壤肥力以及开发生物能等各项生产事业的发展。生命科学研究的层次生物圈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生态系统ecosystem：在一定的时间和空间内生物群落与它们的环境通过物质循环和能量流动相互作用,相互依存而构成的一个生态学功能单位。生态系统=生物群落（生产者+消费者+分解转化者）+环境条件生物群落community：指生活在特定空间或区域的所有生物种群的集合体种群population：指生活在特定空间或区域的同一物种的所有个体的集合体生物圈biosphere：地球上所有生物群落以及它们生存的环境的总体，统称为生物圈。微生物只是生态系统中生物群落的一部分。微生物在生态系统中的作用•有机物的主要分解者；•物质循环中的重要成员；•生态系统中的初级生产者；•物质和能量的储存者；•地球生物演化中的先锋种类第一节微生物在自然界中的分布与菌种资源的开发第二节微生物与生物环境间的关系第三节微生物在自然界物质循环中的作用第四节污水的微生物处理一、自然环境中的微生物（一）岩土生态圈1、生态学特征•水分：土壤中的水分虽然变化较大，但基本上可以满足微生物的需要•营养状态：有机物、无机盐、微量元素等。•pH：3.5~8.5，多数在5.5~8.5。•氧气：土壤空隙中充满着空气和水分，为好氧和厌氧微生物的生长提供了良好的环境。•渗透压：0.3~0.6MPa，适合于微生物生长。•温度：土壤的保温性能好，与空气相比，昼夜温差和季节温差的变化不大•保护层：几毫米厚（微生物便可免于被阳光直射致死）第一节微生物在自然界中的分布与菌种资源的开发2、土壤中微生物的种类、数量及分布(1)种类及数量数量：108~109/克肥沃土，106~107个/克贫瘠土细菌（~108）﹥放线菌（~107）﹥霉菌（~106）﹥酵母菌（~105）﹥藻类（~104）﹥原生动物（~103）1)细菌：是土壤中数量最多的微生物，包括氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌、固氮细菌以及纤维素分解菌等。从形态来看，多为杆菌和球菌；从生理类型来说，一般为中温型的好氧菌或兼性厌氧异养菌。适宜在潮湿、pH近中性土壤中生长。2)放线菌：数量较少，但种类多，异养型，pH6.5-8.0时种类数量丰富，主要存在于有机质丰富的土壤中，干旱土中较多。3)真菌：生活在近地面的土层中，以菌丝体和孢子的形式存在，数量相对较少。•异养型霉菌：严格好氧类群，在通气良好的耕作土壤中广泛分布，酸性土壤中霉菌比例增加酵母菌：几个～几千个/克，果园、养蜂场等含糖丰富土壤中较多（105个/g）4)藻类：光能自养型，较少，一般103～104/克，主要生活在光照和CO2供应充足的浅层土中5)原生动物：数量变化大，10～105/克不等，富含有机质的土壤含量较多。(2)分布•影响因素：土壤肥力（有机物类型及含量）、湿度、pH、土壤类型、深度、植被、耕作状况、季节等。1)水平分布：取决于有机物的种类和浓度；2)垂直分布：表面土数量少；5~20cm处最多；20cm以下随深度增加而减少。（二）水生态圈1、淡水生境生态特征•营养状况：地下水、自流井、泉水、溪流以及洁净的湖泊和水库中，有机物含量低；池塘、河流有机物含量高。•温度：各种水体也有较大差异，并随着季节等有较大变化。一般淡水在0-36℃之间。•氧分压：水体中空气供应较差。因此，氧气是水生环境里最重要的限制因子。静水湖泊更为明显，江河水域由于水的流动溶解氧能不断得以补充。•pH值：变化范围3.7-10.5之间，大多数淡水pH值6.5-8.5，适于微生物生长。2、淡水生境中的微生物(1)清水型水生微生物生活在有机物含量低的水体中。1)自养型微生物包括化能自养微生物（硫细菌、铁细菌）和光能自养微生物（蓝细菌、铁硫细菌和紫细菌）。2)贫营养细菌指一些能在1-15mgC/L低含量有机质培养基中生长的细菌。3)一些霉菌；4)单细胞和丝状的藻类及一些原生动物。(2)腐败型水生微生物在含有大量外来有机物的水体中生长。1)细菌：2)原生动物；3)动植物致病菌。(3)淡水生境中微生物的垂直分布规律沿岸区：阳光充足、溶氧量大，适合蓝细菌、光合藻类和好氧微生物生长；深水区：光线微弱、溶氧量少、硫化氢含量较高，适合厌氧光合细菌生长；湖底区：严重缺氧；适合厌氧菌生长。3、海洋生境生态特征高渗透压、低温、高压、低有机质浓度、植物及动物区系稀少。4、海洋微生物；一般是微嗜盐并能耐高渗透压的微生物，常见的有具有活动力的杆菌、各种弧菌以及藻类、发光细菌等。海水生境中微生物的垂直分布规律：透光区：多种海洋微生物无光区：一些微生物深海区：少量微生物超深渊海区：极少数耐压菌5、饮用水的微生物学标准(1)检验饮用水质量时，选用大肠菌群数作为主要指标。1)由水传播的最重要的传染病是痢疾、霍乱和伤寒，它们都是肠道传染病。肠道病原菌都是通过粪便污染水源而传播的，因此防治饮用水传染病的关键是要严防水源被粪便污染。2)水中存在病原菌可能性很小，直接检测困难，因此需要选择一种指示菌作为卫生指标；3)作为卫生指标的指示细菌必须符合：生理习性与肠道病原菌类似，即在外界的生存时间基本一致；（代表性）在粪便中的数量比病原菌多，不会漏检；（灵敏性）检验技术较简单;（操作方便）4)比较理想的指示菌是大肠杆菌；但大肠杆菌的检测容易受一些形态和理化特性相似的细菌的干扰；选择大肠菌群（coliform)作为指示菌。①大肠菌群是一群好氧和兼性厌氧的，能在37℃24h内发酵乳糖产酸产气的革兰氏阴性无芽胞杆菌的总称。一般包括大肠埃希氏杆菌、产气杆菌、柠檬酸盐杆菌和副大肠杆菌等。②水中大肠菌群数量超过一定的数量，则说明水源可能被粪便污染，有存在肠道病原菌的可能性。(2)大肠菌群的测定方法通常采用MPN法。(3)我国《生活饮用水卫生标准》GB5749-85关于饮用水的卫生标准为：每ml水细菌总数不超过100个，大肠菌群数每升水不超过3个。6、水的消毒处理方法(1)机械净水法（过滤法）：是通过厚的沙层机械地将细菌滤掉，繁殖于沙层上的原生动物会吃去部分细菌而使菌数大减。(2)化学净水法：为杀死水中的病原菌而使用杀菌剂对水进行处理的方法。(3)物理净水法：采用紫外线、臭氧等对水进行净化处理的方法。（三）大气生态圈1、生态学特征：营养物质缺乏、紫外线照射、干燥。——不适合微生物生长繁殖2、大气中的微生物：(1)空气中的微生物的来源土壤尘埃；水面吹起的小水滴；人和动物体表面的干燥脱落物；呼吸道的微生物；敞口的废水处理系统。(2)空气中微生物的种类、数量和分布•空气中无固定的微生物种类和数量；•影响因素：环境卫生状况、绿化程度、尘埃颗粒大小和数量、空气相对湿度、辐射的强弱、人员密度和活动情况、空气流通情况等。主要类群：芽孢杆菌、霉菌和放线菌孢子、野生酵母、原生动物孢囊等。•分布：场所空气中的细菌数/(个/m3)蓄舍1~2×106宿舍2×104城市街道5×103公园200海面1~2北极0~1不同场所空气中的细菌数3、大气中微生物的测定方法；(1)培养皿沉降法；将含有琼脂培养基的平皿盖打开，使之暴露于空气中一定时间，以待微生物沉降于培养基表面，培养成菌落后，即可统计。(2)液体阻留法：将一定容积的空气样品，以很细小的气泡通过液体介质，使微生物分散在介质中，然后取一定量的含菌液涂布在平皿上，经培养后测定样品中的微生物含量。4、空气消毒法：(1)过滤除菌法：用棉花、纱布、石棉滤板、活性炭或超细玻璃纤维过滤纸对空气进行过滤除菌。(2)物理除菌法：用紫外线照射对室内空气进行灭菌的方法。(3)化学除菌法：用福尔马林等药物熏蒸或喷洒对空气进行消毒。（四）极端环境中的微生物：依赖于高温、低温、高酸、高碱、高盐或高辐射强度等极端环境才能生活的微生物叫嗜极菌或极端微生物。1、嗜热微生物：(1)分布：广泛分布于草堆、厩肥、温泉、煤堆、火山地、地热区土壤及海底火山附近等处，包括好热的放线菌、芽孢杆菌等。(2)嗜热微生物的种类和特点耐热菌：最高45-55℃，最低30℃兼性嗜热菌：最高50-65℃，最低30℃专性嗜热菌：最高65-70℃，最低42℃极端嗜热菌：最高70℃，最适65℃，最低40℃超嗜热菌：最高113℃，最适80-110℃，最低-55℃嗜热菌(3)嗜热微生物的耐热机制：1)酶和蛋白质有更强的耐热性；2)细胞膜中饱和脂肪酸含量高，更易形成疏水键，以确保在高温下膜的稳定性和正常生理功能；3)能产生多胺、热亚胺及高温精胺，以稳定核糖体等以及保护蛋白质大分子免受高温破坏；4)其核酸有热稳定性的结构；5)生长速率快，合成大分子迅速，能及时弥补高温对大分子的破坏。(4)特点及应用：1)生长速率高，代谢作用强；2)产物/细胞重量之比值较高；3)高温下具有竞争优势，在发酵生产中可防止杂菌污染；4)所含耐高温酶有重要的生产潜力和应用前景；5)乙醇等代谢产物容易收得；6)发酵过程不需冷却，可省去深井水消耗。2、嗜冷微生物(1)什么是嗜冷微生物？一类最适生长温度低于15℃、最高生长温度低于20℃和最低生长温度在0℃以下的微生物，嗜冷微生物遇到20℃高温即死亡。与耐冷微生物的区别：在0℃生长、最适20－40℃(2)分布：广泛分布于两极地区、冰窖、高山、深海和土壤等的低温环境中。(3)嗜冷微生物在低温环境下能生长繁殖的原因细胞膜内含有大量的不饱和脂肪酸，且其含量会随温度的降低而增加，从而保证了膜在低温下的流动性，有利于营养物质的吸收和代谢产物的分泌，因此能在低温条件下进行生命活动。(4)嗜冷微生物的应用：低温酶制剂；低温食品腐败3、嗜酸微生物(1)什么是嗜酸微生物？只能生活在低于pH4条件下，在中性pH下即死亡的微生物，少数可生活在pH2。与耐酸微生物的区别：耐酸微生物在中性pH下能生活。(2)类群：主要是一些真细菌和古生菌如硫细菌属、硫化叶菌属、热原体属等。(3)分布：仅分布于酸性矿水、酸性热泉和酸性土壤等处。(4)嗜酸机理：细胞内pH接近中性；酶最适pH中性；壁膜排阻H+。(5)嗜酸微生物的应用：金属的湿法冶炼；煤脱硫4、嗜碱微生物(1)什么是嗜碱微生物？能专性生活在pH10－11碱性条件下而不能生活在中性条件下的微生物。(2)分布：广泛分布于碱性盐湖、碳酸盐含量高的土壤中。(3)类群：Bacillus(4)嗜碱微生物的应用酶的开发：蛋白酶、脂肪酶和纤维素酶，洗涤剂5、嗜盐微生物(1)什么是嗜盐微生物？必须在高嗜盐微生物盐浓度下才能生长的微生物。嗜盐菌：注意与耐盐菌的区别(2)种类：低度嗜盐菌：0.2-0.5moL/LNaCL中度嗜盐菌：0.5-2.5moL/LNaCL极度嗜盐菌：2.5-5.2