天津大学微生物课件第八章

第八章

微生物生态8.1微生物生态学的研究内容8.2微生物与生境之间的关系8.3微生物与其它生物之间的关系8.4微生物在生态系统中的地位8.5微生物与污水处理8.1微生物生态学的研究内容生态学（ecology）主要研究：生物群体在自然栖息环境中的种类、数量、分布特点和变化规律；生物之间、生物与环境之间的相互关系，以及生态功能；生态学的应用：解释各种生态现象；开发环保技术，维持生态平衡；保护物种的多样性，开发利用生物物种资源；本章仅介绍一些基本的微生物生态学理论和应用；生态学的基本概念生态系统（ecosystems）：生物与它们的生活环境所构成的一个生态学功能单位；种群（population）：同一生态系统内，具有相似生物学特征的同种个体群；群落（community）：同一生态系统内，由两个以上种群构成的一个生态学结构单位；微生物群落也称为微生物区系（microflora）；生态环境（ecologicalenvironment）：一个生态系统中与生物生存密切相关的各种环境因素（生境）；微生物生态学研究的侧重点研究一般生态环境下微生物的分布规律，以及特殊生态环境下微生物区系的构成，发现新的微生物菌种资源；研究微生物与其它生物之间的关系，发现新的代谢方式，指导有害微生物的防治，利用有益微生物；研究微生物区系在生态系统中的功能和地位，开发各种基于微生物代谢的环境修复技术（环保技术）；运用生态学理论，解释各种微生物生态现象；8.2微生物与生境的关系生境所具有的环境因素：化学物质的种类和含量、温度、pH值、氧分压、渗透压、光照等，与微生物的代谢方式、营养要求和生长条件要求相适应，才能构成生态系统；微生物的生长会改变某些环境因素，改变的环境因素，反馈影响微生物区系的组成结构；相互循环影响，始终处于动态平衡；不同生境微生物种类数量不同；空气中的微生物空气中没有营养，受紫外线直射，而没有原生的微生物；但是空气中漂浮的尘埃上，吸附着来源于周围环境的微生物芽孢、孢子和细菌；空气中微生物的种类、数量与空气中尘埃颗粒数和周围环境有密切关系；宿舍空气微生物含量：2万cfu/m3；畜舍空气微生物含量：200万cfu/m3发酵车间和洁净生产车间一般在数十米高空取气；水体中的微生物水体中微生物区系，受水体中化学物质（有机物、无机物、有毒物质）含量和种类的影响，还受酸碱度、温度、溶氧、渗透压和光照的影响；清水型生境与水生微生物在远离人类活动地区的洁净溪流、湖泊水体中，缺乏有机物，而含氧量高；原生微生物主要为化能自养和光能自养型，数量一般为10~103cfu/mL；异养菌含量随水体有机物含量变化而变化；水体的自净作用溶氧充足（流水），有机或无机物含量较低的水体，具有自净作用，即水体中的污染物可自动消除；水体自净作用包括物理、化学和基于微生物代谢的生物化学作用；好氧菌利用水体中的有机物和无机物作为营养，经代谢而转化为菌体和气体；某些菌体还有吸附化学物质的作用；菌体可通过物理沉降、吸附或被吞食而从水体中被清除；水体的富营养化作用水体富营养化：天然水体中由于过量污染物的存在，而引起各种水生生物和微生物的大量生长，导致水质降低的现象；水体富营养化的早期过程：过量的无机含氮、磷化合物排入水体，引起光能自养型微生物（蓝细菌）大量生长；其死亡细胞，使水体中有机物含量提高；或者大量生活污水（物）或工业废水直接排入水体，使水体有机物含量超过水体自净能力；水体的富营养化的后期过程有机物丰富的水体，使好氧的异养菌大量生长，耗尽水中的溶氧；无氧环境使厌氧的异养菌大量生长，产生大量有机酸、H2S等代谢产物；缺氧和有毒物积累使鱼类和好氧菌大量死亡，水体浑浊、变色、发臭；污水菌含量可达到107~108cfu/mL土壤中的微生物土壤富含无机物、有机物、水和空气，酸碱度、渗透压和温度等环境因素都适于大多数微生物生长，土壤是微生物的大本营；土壤微生物种类、数量与土壤类型、季节和深度有关；地表受紫外线直射，含量较低；微生物的生长对土壤的物理结构和肥力有重要影响；一般土壤微生物数量随深度的变化一般土壤菌含量（104cfu/g干土壤）：细菌：1000~2000；放线菌：100~2000；真核微生物：10~20；极端环境微生物分布在高温、低温、高碱、高渗、高压、高辐射等极端环境中的微生物，称为极端环境微生物；嗜热微生物、嗜冷微生物、嗜酸微生物、嗜碱微生物、嗜盐微生物和嗜压微生物等；极端环境微生物在细胞结构组成、代谢方式和遗传结构上一般都有特殊性；研究它们具有重大的理论意义和应用价值，是目前研究的热点；8.3微生物与其它生物之间的关系同一个微生物区系中的各个微生物种群之间的关系，根据相互依赖和影响程度，可区分为；种间共处、互生、共栖、竞争、拮抗等；微生物与其它大型生物（宿主）的关系，根据相互依赖和影响程度，可区分为：共栖、共生、捕食；寄生：微生物生活在宿主上，有害宿主，如病毒和病原微生物与宿主的关系；微生物之间的互生（mutualism）互生：两种可以单独生活的微生物，当它们生活在一起时，形成互相有利，或偏利于一方的关系；混菌发酵技术：依据两（多）种微生物的互生关系，进行两（多）种微生物共同培养的工业发酵技术；氧化乙酸脱硫单胞菌与绿硫菌的互生互生的本质是两种菌的代谢和营养方式能够互补；氧化乙酸脱硫单胞菌氧化乙酸产生CO2，进行硫呼吸产生H2S；绿硫菌以CO2为碳源，以H2S作为供氢体，进行光合作用，积累硫；共栖：一种微生物的生长在一定条件下依赖于另一种微生物，两者构成共栖关系；流感嗜血杆菌（Haemophilusinfluenzae

）在普通培养基上不能单独生长（缺某种维生素的合成能力），可以与金黄色葡萄球菌共栖生长；微生物之间的共栖（commensalism）卫星菌落金黄色葡萄球菌的代谢产物为流感嗜血杆菌提供了生长所必需的生长因子；微生物之间的拮抗（antagonism）拮抗：一种微生物的生长所产生的代谢产物，抑制另一种微生物的生长，构成拮抗；乳酸细菌生长分泌乳酸，降低环境pH值，而抑制周围其它细菌种群的生长；平板上的青霉菌落分泌的次级代谢产物-青霉素，在其扩散的区域内，细菌生长被抑制，形成抑菌圈；微生物主要生命周期，都栖息在其它生物（宿主）上，形成共栖体，但微生物在代谢上不直接依赖宿主，称为共栖；微生物主要生命周期，都栖息在宿主上，并与宿主之间存在密切的代谢关系，称为共生（symbiosis）；微生物与宿主通常形成形态共同体——共生体；共栖一般都是偏利关系，对微生物有利，对宿主既无利也无害；共生都是互利关系；微生物与宿主的共栖或共生肠道菌群与人体肠道的共栖人体肠道正常微生物区系包括60-400种不同的微生物，占粪便干重的1/3，其中厌氧菌占了绝大多数；肠道为肠道菌群提供丰富的营养物质和良好的生长环境条件：温度（37℃）、pH值（中性）、无氧；肠道正常菌群抑制外来病原菌在肠道中生长，维持肠道正常功能；并为人体提供各种维生素、氨基酸等营养物质；产气体和粪臭素；人体肠道与肠道菌群形成了互利共栖关系；共生体——地衣地衣（lichen

）：丝状真菌无规则地缠绕藻类，形成具有一定排列层次的壳状、叶状或灌木状的共生体；共生藻类属于光能自养型，利用光能、CO2和无机元素合成有机物；丝状真菌从藻类获得有机营养物，利用藻类光合作用释放的O2进行呼吸；真菌代谢产酸，溶解矿物质，为藻类生长提供水和无机元素，并提供保护；共生体——根瘤根瘤（rootnodule）：根瘤菌属（Rhizobium

）与豆科植物的根部组织形成的共生体；根瘤菌进行生物固氮，为豆科植物提供氮源；植物为根瘤菌提供除氮源以外的全部营养要素，并且为根瘤菌提供生物固氮所需要的厌氧环境；根瘤的形成过程根瘤菌通过共生固氮，为豌豆提供氮源共生体—外生菌根（ectomycorrhiza）外生菌根：丝状真菌与植物根部的皮层组织形成的共生体，并在根表面形成菌套；共生真菌代替根毛为宿主吸收营养，并分泌代谢产物调节宿主代谢；宿主为共生真菌提供促进生长的生长因子；共生体—内生菌根（endotrophicmycorrhiza）内生菌根：由真菌生长在植物根部皮层组织的细胞间隙，形成的共生体；共生真菌菌丝多分支，并形成丛枝状或泡囊，也称丛枝状菌根（arbuscularmycorrhiza，AM）；共生的真菌也称AM真菌；植物为AM真菌提供生长因子，AM真菌帮助植物从土壤中吸收营养；约80％的陆生植物具有内生菌根；丛枝状菌根（AM）真菌的系统分类地位球囊菌门（Glomeromycota）球囊菌纲（Glomeromycetes）原囊霉目（Archaeosporales）多孢囊霉目（Diversisporales）球囊霉目（Glomerales）类球囊霉目（Paraglomerales）共生体——牛的瘤胃牛是反刍动物，有四个胃：瘤胃、网胃、瓣胃和皱胃；位于最上部的瘤胃是胃与微生物构成的共生体；构成瘤胃的微生物区系，称为瘤胃微生物（rumenmicroorganisims），其中包括细菌（1010cfu/mL），真菌孢子（103-105个/克），噬菌体（106-107pfu/mL），原生动物（4×106个/mL）；瘤胃微生物的代谢和营养类型：厌氧、兼性厌氧的纤维素、半纤维素分解菌、固氮菌、产甲烷菌、各种发酵和无氧呼吸产能细菌；瘤胃的共生关系牛食进草类，为瘤胃微生物提供碳源和无机盐；提供38~41℃，pH值5.5~7.3的无氧生长环境；瘤胃微生物分解草料中的糖、淀粉、果胶、纤维素、半纤维素等，进行生物固氮，产生小分子脂肪酸、CO2、H2和甲烷等代谢产物，以及大量菌体；脂肪酸被吸收作为反刍动物的能源；CO2、H2和甲烷通过嗳气被释放；瘤胃微生物进入下面的胃，作为营养被消化，为牛提供糖类、氨基酸、维生素等营养物；8.4微生物在生态系统中的地位维系生态系统中各种群之间，群落和生境之间关系的主要纽带就是它们之间的物质循环和能量流动，称为生物地球化学循环（biogeochemicalcycle）；各个生物种群由于营养的需要，也由于营养类型和代谢方式的差异，相互之间结成群落，进而与生境构成生态系统；微生物是生态系统中的主要分解者，也是生产者，贮存者和消费者，占有重要地位；生物在生态系统中的作用生产者（productor）：光能营养型、化能无机自养型的大型植物和微生物，将无机物转化为有机物，将光能转化为化学能，并储存；消费者（consumer）：化能异养型（有机营养型）的大型动物和微生物，主要储存和转化有机物，消耗和储存化学能；分解者（decomposer）：化能异养型（有机营养型）的微生物，储存、转化、彻底分解有机物产生无机物，消耗和储存化学能；微生物在碳循环中的作用CO2→碳水化合物→其它含碳有机物→甲烷→CO2；自养菌的CO2同化、异养菌的碳分解代谢（糖