第七章微生物的生态

第七章微生物生态了解微生物在自然界分布的特点掌握微生物与其它生物之间的相互关系微生物在自然界物质循环中的重要作用重点：1.微生物与植物之间的相互关系2.互生、共生、寄生3.2.微生物在C、N、S、P循环中的作用及其相关微生物第一节生态系统一、生物圈和生态系统二、生态系统中的能量流和物质流三、微生物生态系统特点作用构成生态学是一门研究生命系统与环境系统间相互作用规律的科学微生物生态学（MicrobialEcology）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）生物圈(biosphere)：地球表面进行生命活动的有机圈层生态系统(ecosystem)：生物群落与其生存环境组成的整体系统。它是生物圈的基本组成单元，也是功能单元一、生物圈和生态系统二、生态系统中的能量流和物质流能量流：能量通过生态系统从一种生物传递给另一种生物的现象叫做能量流物质流：生态系统内通过生产者、消费者和分解者的作用进行的物质循环食物链：由生产者产生的有机物，以食物的形式从一系列食用和被食用的步骤通过生态系统，形成一种食物链索关系微环境：紧密围绕微生物细胞的环境，它与微生物的关系比大环境更为密切稳定性：群落中的优势种作为主导者使群落稳定适应性：通过改变群体的结构适应新环境基因流:微生物生态系统中基因的平行转移三、微生物生态系统特点微生物在生态系统中的主要作用初级生产者的重要成员：光能自养、化能自养微生物最主要的分解者：化能异养微生物参与有机物质的矿化在生物地球化学循环中参与物质转变代谢产物对动植物和其它微生物的促进或抑制作用微生物生态系统构成种群(Populations)共位群(Guilds)群落(Communities)生态系统(Ecosystem)种群（population):生活在同一环境中的同种个体细胞生长组成Inamicrobialecosystemindividualcellsgrowtoformpopulations共位群(guild):在代谢作用上相关的种群Metabolicallyrelatedpopulationsconstitutegroupingscalledguilds群落（community):同一环境中两个以上共位群由于生活繁殖与代谢上的连锁而构成相互依赖、制约的生物群体Setsofguildsconductingcomplementaryphysiologicalprocessesinteracttoformmicrobialcommunities生态系统(Ecosystem):微生物群落与大生物群落和环境相互作用则构成一个完整的生态系统Microbialcommunitiestheninteractwithcommunitiesofmacroorganismsandenvironmenttodefinetheentireecosystem生物膜(Biofilm):微生物细胞与基质表面形成的有组织的微生物系统微生物垫(Microbialmat):在特定环境发展的巨大生物膜单一细胞层复杂多层细胞更为成熟的生物膜细胞团间隙和导管ASimpleEcosystem藻类：O2，有机质化能异养细菌Community1Photiczone–cyanobacteriaandalgae6CO2+6H2OC6H6O6+6O2Community2Oxiczone–ChemoorganotrophicbacteriaC6H12O6+6O26CO2+6H2OAnoxiczoneCommunity3Guild1:methanogenicbacteria(CO2CH4)homoacetogenicbacteria(CO2acetate)Guild2:sulfatereducingbacteria(SO42-H2S)sufur-reducingbacteria(S0H2S)Guild3:denitrifyingbacteria(NO3-N2)ferriciron-reducingbacteria(Fe3+Fe2+)Guild4:fermentativebacteria(fermentingsugar,etal)IndividualPopulationlakeecosystem第二节自然界中的微生物微生物无处不在！！！第二节自然界中的微生物一、土壤中的微生物二、自然水域中的微生物三、空气中的微生物四、极端环境下的微生物五、未培养微生物一、土壤中的微生物（一）土壤是适合微生物生活的“天然培养基”由于土壤具备了各种微生物生长发育所需要的营养、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是其他任何生态系统无法比拟的。动植物残体、有机肥料矿物质成分团粒结构调节了空气和水分的含量渗透压在3-6之间pH范围多数在5.5-8.5之间土壤的保温性阻挡紫外线杀伤Veryfew：freeinthesoilsolutionMostas：microcoloniesattachedtosoilparticles原位杂交法得到的微生物在土壤颗粒上的微菌落形态SoilparticlesarenothomogeneousintermsoftheiroxygencontentVisualizationofmicroorganismsonthesurfaceofsoilparticlesbyuseofSEM•Left:Rod-shapebacteria•Center:Actinomycetespores（放线菌孢子）•Right:Fungushyphae（真菌菌丝）细菌：细菌最多，占土壤微生物总量的70-90%放线菌：数量次于细菌，约占5-30%真菌：数量次于细菌和放线菌，但生物量最高。藻类：单细胞硅藻或丝状绿藻等，约占1%原生动物：主要包括纤毛虫、鞭毛虫等。它们数量不多，但对土壤有机质的分解起着重要的作用。病毒：主要以噬菌体的形态存在，其生物量甚微。（二）土壤中的微生物及生物量Proportionofdifferentsoilmicroorganisms耕作层(15cm)土壤中的微生物数量和生物量类群菌数(cfu/g)生物量(g/m2）细菌108160真菌105200放线菌105-106160藻类104-10532原生动物10438FromL.Hawker:Microorganisms我国各主要土壤的含菌量(万/克干土)土类地点细菌放线菌真菌暗棕壤黑龙江呼玛2,32761213棕壤辽宁沈阳1,2843936黄棕壤江苏南京1,4062716红壤浙江杭州1,1031234砖红壤广东徐闻5073911磷质石灰土西沙群岛2,2291,10515黑土黑龙江哈尔滨2,1111,02419黑钙土黑龙江安达1,0743192棕钙土宁夏宁武140114草甸土黑龙江亚沟7,8632923嵝土陕西武功9511,0324白浆土吉林皎河1,598553滨海盐土江苏连云港466410.420世纪80年代，美国能源部-----地下科学计划（DeepSubsurfaceProgram）地下的微生物在陆地可达4公里处！九十年代初期从地下数公里发现的超微型细菌，用代谢产生的CO2作指标，计算出其代谢速率仅为地上正常细菌的10-15，认为它们需要100年才能分裂一次。1）作为地质标记2）分离特殊的蛋白（基因）在特定土壤中存在的具有特征性的微生物类群，称为土壤微生物区系。采用多种培养基和培养方法，培养土壤中微生物区系的各个组分，从而认识特定土壤的微生物区系在数量和类群上的特点，称为土壤微生物区系分析（三）土壤微生物区系1、土壤微生物区系分析法测定细菌、放线菌和真菌数量：分别采用牛肉膏蛋白胨、高氏一号、马铃薯蔗糖培养基选择培养基:测定土壤中特定生理功能群的数量，如固氮菌、硝化细菌，反硝化细菌、硫化细菌、纤维素分解细菌，厌气菌等2、土壤微生物区系的特点类群、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土壤类型的不同而有很大变化季节影响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Profileofamaturesoil土著性区系是以土壤腐殖质为主要有机养料，生长慢，数量稳定，作用持久。主要以G－无芽胞杆菌和放线菌等为主发酵性区系是以在新鲜动植物分泌物、排泄物和残体为主要有机养料，其代谢活性和数量表现为大起大落的间歇性。主要包括假单胞菌属、芽胞杆菌属的细菌、青霉、曲霉和毛霉属的真菌等3、土著性区系与发酵性区系二、自然水域中的微生物(一)自然水域具有微生物的良好生活条件营养物质溶解氧渗透压温度1、水是良好的溶剂，有较丰富的营养物质固有生物死亡、排泄和分泌产生陆地上的污染物2、天然水体的温度淡水水体的温度在0-36℃之间海洋水温100米以下在5℃以下，表层超过35℃温泉水温在70℃以上，甚至超过100℃3、天然水体的pH值大多数湖泊，江河及池塘在6.5-8.5；海水pH在8-8.34、水中溶解氧的存在适合于好气性M生长，流动江河静止水域，淡水海水（二）淡水水域中的微生物类群：细菌、真菌、藻类、原生动物等特点：运动性（随水流动)、在低营养浓度下生存。江河水中的微生物数量、种类与接触的土壤有密切关系吸附悬浮有机物及水底多能运动，有些具有异常形态（如柄细菌）靠近城市或城市下游水中的微生物多，并且有很多危害健康的细菌，不宜饮用占地球表面面积的71%海洋生境有机营养物含量低含盐量高低温(表层35℃以下,100米以下0-5℃)pH值8.3-8.5（三）海水中的微生物环境类群：包括细菌、放线菌、真菌、藻类、原生动物和噬菌体等各类群。特点：嗜盐、嗜冷、耐压、低营养。嗜盐菌如Halobacteriumhalobuim，在12%饱和盐水中生长。嗜压菌如Pseudomoasxanthocrus，在400-500个大气压下生长。（三）海水中的微生物富营养化作用-----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红潮（redtides）在海洋中，某些甲藻类大量繁殖也可形成水花，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。空气不具有微生物生活的良好条件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主要包括：抗逆性强的芽胞，G+球菌，霉菌和放线菌的孢子三、空气中的微生物农村城市海洋上空陆地上空街道、医院、宿舍区微生物密度大高山、海洋、森林、旷原微生物少空气中的微生物密度空气中的微生物种类和数量是大气污染程度的指标之一！不同地域上空空气中的细菌数四、极端环境中的微生物极端环境：不利于生物生长的特殊、局部环境。包括极端温度、盐度、酸碱等结构和功能均发生了改变的特殊微生物类群:蛋白质、核酸、脂肪等分子结构、细胞膜结构与功能代谢途径等都有特点（一）高温环境（热泉、岩石表面）嗜热微生物(thermophile)：65-70℃极端嗜热菌Pyrodictiumbroii最适生长温度为105℃，最高可达110℃（二）低温环境(深海、极地）嗜冷微生物(psychrophile)中的某些固氮微生物在1℃下还可以固氮（三）强酸环境（酸热泉、沼泽地）嗜酸微生物(acidophile)氧化硫硫杆菌能在pH0.9-4范围生长，最适pH为2.5左右（四）强碱环境pH9(胞内中性)嗜碱菌(alkaliphiles)Bacillus