微生物与人类健康第三章微生物的生态课件

第三章 微生物的生态 n生态学(ecology)是一门研究生命系统与 其环境系统间相互作用规律的科学. n微生物生态学是生态学的一个分支，它 研究的对象是微生物群体与其周围生物 与非生物环境条件间相互作用的规律。 第一节 微生物在自然环境中的 分布及菌种资源的开发 第三章 微生物的生态 微生物与人类健康 北方民族大学 一、微生物在自然界中的分布 土壤中的微生物 水体中的微生物 空气中的微生物 工农业产品中的微生物 生物体内外的正常菌群 极端环境中的微生物 第三章 微生物的生态 微生物与人类健康 （一）土壤中的微生物 1. 土壤是微生物生长和栖息的良好基地 在土壤中正常分布着形形色色的微生物 群,这些在土壤中生活的微生物类群称为土壤 微生物. (1)水分.微生物生命活动需要大量的水. (2)pH值.土壤大多是中性偏碱，适宜于大多 数微生物生长. (4)温度.土壤的保温性，为微生物的生长提 供了有利的条件。 (3)氧气. (5)固形物.土壤中含有大量固有有机物和矿 物元素，是微生物的营养库。 以上说明土壤是微生物的合适生境，是微 生物的大本营，人类最丰富的“菌种资源 库”。 v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。 v土壤微生物的数量和分布受季节影响； v微生物的数量也与土层的深度有关，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。 v土壤中的微生物以细菌最多，其次位放 线菌和霉菌。 2.土壤中的微生物分布特点 (1)参与自然界的物质循环. (2)分解动植物的尸体、排泄物及化学污染物等。 (3)固定大气中的氮气,促进植物的生长. (4)土壤中有不少微生物常被用来生产各种抗生素 等药物. 土壤中存在的大多数微生物对人类是有益的. 但是土壤中少数的病原菌,则是造成各种传染病的 病因. 1.不同水体中微生物的种类 (1)淡水中的微生物 清水型水生微生物 腐败型水生微生物 (2)海洋微生物 （二）水体中的微生物 第三章 微生物的生态 微生物与人类健康 数量和种类与接触的土壤有密切关系； v分布上更多的是吸附在悬浮在水中的有机物上及 水底； v淡水中的微生物是可以运动的，而且某些淡水中 的细菌例如柄细菌具有很异常的形态，这些异常 形态使得菌体的表面积与体积之比增加，从而使 这些微生物能有效地吸收有限的营养物； v靠近城市或城市下游水中的微生物多，并且有很 多对健康不利的细菌，因此不宜作为饮用水源； v水体自身存在自我净化作用 2.水中微生物的分布特点： 柄细菌 3.饮用水的细菌学指数 n 细菌总菌数： 100个/ml n 大肠菌群数： 3 个/L 目前,我国规定的生活用水的标准是: 4.水中的微生物与水体的自净作用 好氧菌的降解作用 原生动物等的吞噬作用 藻类对无机物的利用 指被污染的水借天然的 理化因素及生物因素的 综合作用,而达到净化的 过程. 致病菌一般对营养要求苛刻，因此在一般的水 中只能存活2-3天 水表微生物会受辐射等作用而被杀灭 由固形物吸附再沉积到水底 尽管自然水体具有自净作用，但是 只能净化少量污染物。若进入水体的污 染物超过了水体的自净能力，则会破坏 水体的生态平衡，导致污染的发生。 三、空气中的微生物 1、大气是微生物的暂存空间 n空气环境的特点：无营养物质、无足够的水分 ，这种环境不适合微生物的生长繁殖。 n大气中没有固定的微生物种类。但由于微生物 能产生各种休眠体以适应不良环境，有些微生 物可以在大气中存在一段相当长的时间而不至 死亡。 2、大气中的微生物来源 土壤、水体和其他微生物源。进入大气的土壤尘粒， 水面吹来的小水滴，污水处理厂曝气产生的气溶胶 ，人和动物体表的干燥脱落物，呼吸道呼出的气体 都是大气微生物的来源。 n主要种类是霉菌和细菌，霉菌常见种类是曲霉、木 霉、青霉、毛霉、白地霉和色串孢(Torulasp)等。 细菌有球菌、杆菌和一些病原菌。 3、微生物在大气中的分布很不均匀 n所含数量取决于所处环境和飞扬的尘埃量 n降低空气中微生物的措施 过滤、UV照射、甲醛熏蒸、减少菌源和尘埃源 不同地点大气中的微生物数量 地点 微生物数量 /CFum -3 北极(北纬 800) 0 海洋上空l-2 市区公园200 城市街道5000 宿舍20000 畜舍 1000000- 2000000 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 嗜压微生物 抗辐射的微生物 四、极端环境下的微生物 第三章 微生物的生态 微生物与人类健康 极端环境下微生物的研究有三个方面的重要意义 n开发利用新的微生物资源，包括特异性的基因 资源； n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； n为生物进化、生命起源的研究提供新的材料。 1.嗜热微生物 n嗜热微生物生长的生态环境：高温环境，如热 泉(温度高达100)，高强度太阳辐射的土壤 ，岩石表面(高达70)，各种堆肥、厩肥、干 草、锯屑及煤渣堆，此外还有家庭及工业上使 用的温度比较高的热水及冷却水。 n细菌是嗜热微生物中最耐热的。 第三章 微生物的生态 微生物与人类健康 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： 第三章 微生物的生态 微生物与人类健康 嗜热微生物的特点 n嗜热微生物生物大分子蛋白质、核酸、类脂的 热稳定结构以及存在的热稳定性因子是它们嗜 热的生理基础。新的研究还表明专性嗜热菌株 的质粒携带与热抗性相关的遗传信息。 n应用：耐热DNA聚合酶用于多聚酶链式反应（ PCR）。 2. 嗜冷微生物 嗜冷微生物能在较低的温度下生长，可以分 为专性和兼性两类，前者的最高生长温度不超 过20，可以在0或低于0条件下生长；后 者可在低温下生长，但也可以在20以上生长 。 第三章 微生物的生态 微生物与人类健康 v嗜冷微生物的主要生境：南北极地区、深海、 寒冷水体、冷冻土壤、阴冷洞穴、保藏食品的 低温环境。 v嗜冷微生物的种类：针丝藻、粘球藻、假单胞 菌等。从深海中分离出来的细菌既嗜冷，也耐 受高压。 v嗜冷微生物适应环境的生化机理是因为细胞膜脂 组成中有大量的不饱和、低熔点脂肪酸。 v嗜冷微生物低温条件下生长的特性可以使低温保 藏的食品腐败，甚至产生细菌毒素。 v研究开发嗜冷微生物的最适反应温度低的酶，在 工业和日常生活中都有应用价值。如从嗜冷微生 物中获得低温蛋白酶用于洗涤剂，不仅能节约能 源，而且效果很好。 3.嗜酸微生物 生长最适pH在3-4以下，中性条件不能生长的 微生物称为嗜酸微生物；能在高酸条件下生长， 但最适pH接近中性的微生物称为耐酸微生物 极端的酸性环境包括各种酸矿水、酸热泉、 火山湖、地热泉等。 第三章 微生物的生态 微生物与人类健康 嗜酸微生物生长的生态环境： 温和的酸性(pH3-5.5)自然环境较为普遍，如某些湖泊 、泥碳土和酸性的沼泽。 极端的酸性环境包括各种酸矿水、酸热泉、火山湖、 地热泉等。 嗜酸微生物的种类: 硫氧化菌、硫杆菌。嗜酸嗜热细菌，如嗜酸热硫化叶 菌等。嗜酸微生物的胞内pH从不超出中性大约2个pH单 位，其胞内物质及酶大多数接近中性。 n嗜酸微生物适应环境的生化机理: 嗜酸微生物能在酸性条件下生长繁殖，需要 维持胞内外的pH梯度，现在一般认为它们的细 胞壁、细胞膜具有排斥H+，对H+离子不渗透或 把H+从胞内排出的机制。而嗜酸微生物的外被 要高H+来维持其结构。 n嗜酸菌被广泛用于微生物冶金、生物脱硫。 4.嗜碱微生物 一般把最适生长pH在9以上的微生物称为 嗜碱微生物，中性条件不能生长的为专性嗜碱 微生物，中性条件甚至酸性条件都能生长的称 为耐碱微生物或碱营养微生物 。 第三章 微生物的生态 微生物与人类健康 嗜碱微生物生长的生态环境: 地球上碱性最强的自然环境是碳酸盐湖及碳酸 盐荒漠，极端碱性湖如肯尼亚的玛格达湖，埃 及的wady natrun湖是地球上最稳定的碱性环境 ，那里pH达10.5-11.0。我国的碱性环境有青 海湖等。碳酸盐是这些环境碱性的主要来源。 人为碱性环境是石灰水、碱性污水。 嗜碱微生物的种类: 嗜碱微生物有两个主要的生理类群：盐嗜碱微 生物和非盐嗜碱微生物。前者的生长需要碱性 和高盐度(达33%NaCl十Na2CO3)。代表性种属有 外硫红螺菌、甲烷嗜盐菌、嗜盐碱杆菌、嗜盐 碱球菌等。 嗜碱微生物生长最适PH在9以上，但胞内pH都接近 中性。细胞外被是胞内中性环境和胞外碱性环境的分 隔，是嗜碱微生物嗜碱性的重要基础。其控制机制是 具有排出OH-的功能。 嗜碱微生物产生大量的碱性酶，包括蛋白酶(活性pH 10.5-12)、淀粉酶(活性pH 4.5-11)、果胶酶(活性PH l0.0)、支链淀粉酶(活性pH 9.0)、纤维素酶(活性pH 6-11)、木聚糖酶(活性pH 5.5-10)。这些碱性酶被广 泛用于洗涤剂或作其他用途。 嗜碱微生物适应环境的生化机理: 5.嗜盐微生物 嗜盐微生物生长的生态环境: 含有高浓度盐的自然环境主要是盐湖，如青海 湖(中国)、大盐湖(美国)、死海(黎巴嫩)和里海(俄罗 斯)，此外还有盐场、盐矿和用盐腌制的食品。海水 中含有约3.5%的氯化钠，是一般的含盐环境。根据 对盐的不同需要，嗜盐微生物可以分为弱嗜盐微生物 、中度嗜盐微生物、极端嗜盐微生物。嗜盐细菌具有 许多生理特性，其中紫膜引人注目。 第三章 微生物的生态 微生物与人类健康 6.嗜压微生物 需要高压才能良好生长的微生物称为嗜压微生物 。最适生长压力为正常压力，但能耐受高压的微 生物被称为耐压微生物。 嗜压微生物生长的生态环境:海洋深处和海底沉积 物平均水压超过4.05107Pa(400个大气压)。 深海底部:嗜压菌， 油井深部约(400大气压):耐压的硫酸盐还原菌。 第三章 微生物的生态 微生物与人类健康 五、不可培养的微生物 对微生物的经典研究方法，是基于对微生物 的分离培养。但是自然环境复杂，微生物种类繁 多，大多数微生物在目前的条件下不能在实验室 进行人工培养。 有人认为在土壤中生活的微生物仅有1%可 用目前的方法在实验室进行培养。因此，已为人 们所认识的微生物仅占自然界中存在的很小一部 分，通常认为仅10%。 那些采用常规微生物培养技术不能得到纯培 养的微生物，称为不可培养的微生物。 第二节 微生物在生态链中的作用 第三章 微生物的生态 微生物与人类健康 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。 生物成分按其在生态系统中的作用，可划分 为三大类群：生产者、消费者和分解者。 浮游动物小虾小鱼大鱼 消费者 分解者生产者 真菌 细菌 浮游 植物 图3- 三级生态系统示意图（水体食物链） 微生物在生态系统中的地位 1.微生物是有机物的主要分解者； 微生物最大的价值也在于其分解功能。它们分解生物圈内存在 的动物和植物残体等复杂有机物质，并最后将其转化成最简单 的无机物，再供初级生产者使用。 2.微生物是物质循环中的重要成员； 微生物参与所有的物质循环，大部分元素及其化合物都受到微 生物的作用。在一些物质的循环中，微生物是主要的成员，起 主要作用；而一些过程只有微生物才能进行，起独特作用；而 有的是循环中的关键过程，起关键作用。 3.微生物是生态系统中的初级生产者； 光能营养和化能营养微生物是生态系统的初级生产者，它们具 有初级生产者所具有的二个明显特征，即可直接利用太阳能、 无机物的化学能作为能量来源，另一方面其积累下来的能量又 可以在食物链、食物网中流动。 4.微生物是物质和能量的贮存者； 微生物和动物、植物一样也是由物质组成和由能量维持的生命 有机体。在土壤、水体中有大量的微生物生物量，贮存着大量 的物质和能量。 5.微生物在地球生物演化中的作用； 微生物是最早出现的生物体，并进化成后来的动、植物。藻类 的产氧作用，改变大气圈中的化学组成，为后来动、植物出现 打下基础。 第三章 微生物的生态 微生物与人类健康 微生物在碳循环中的作用 一、微生物在碳素循环中的作用 第三章 微生物的生态 人工合成有机物化工原料 化石燃料 有机物 CO2 产 甲 烷 菌 甲 烷 氧 化 菌 植物、微生物 微生物 分解作用 合成作用 火山爆发 燃烧 CH4 二、微生物在氮素循环中的作用 图3 微生物在氮循环中的作用 大气N2 生物体 有机氮 NH4+NO3- NO2- N2O NH2OH NH4+ 硝化作用 硝酸盐 同化作用 铵盐同化作用 生物固氮 异化性硝酸 盐还原作用 亚硝酸 氨化作用 硝化作用 氨化作用 反硝 化作用 原核生物的专 利，占85 S SO42- H2S 生物体 有机硫 异化性硫酸盐还原 同化性硫酸 盐还原 脱硫作用 硫氧化作用 异化性硫还原 硫氧化作用 三、微生物在硫素循环中的作用 图3 微生物在硫素循环中的作用 四、微生物在自然界中磷元素的循环作用 第三章 微生物的生态 生物有机磷 不溶性磷酸盐 磷酸或可溶性 磷酸盐 与土壤中 的盐基结 合 产酸微生物的 作用或磷肥的 生产 植物与微生物 的吸收同化 微生物的分 解作用 家庭和工业含 磷化合物 图3 微生物在磷循环中的作用 如果人类活动将含磷物质 大量排放到水环境中，可 溶性磷酸盐浓度过高会造 成蓝细菌及其它藻类大量 增殖，即常说的富营养化 作用，从而破坏环境的生 态平衡。 第三节 微生物与生物环境间的相互关系 不同生物间的相互关系 第三章 微生物的生态 微生物与人类健康 v有利关系：互生 共生：互惠共生和偏利共生 v有害关系：拮抗（偏害共生） 寄生 捕食 竞争 第三章 微生物的生态 微生物与人类健康 一、互生 二种可以单独生活的生物，当它们生活在一起时 ，通过各自的代谢活动而有利于对方，或偏利于 一方的一种生活方式，但二者不形成共生组织(生 命整体)的关系。 “可分可合，合比分好” 微生物间的互生关系:纤维素分解细菌固氮菌 人体肠道正常菌群 第三章 微生物的生态 微生物与人类健康 二、共生 v二种生物共居在一起，相互分工协作、相依为 命，甚至形成在生理上表现出一定的分工，在 组织和形态上产生了新的结构的特殊的共生体 。 v共生一般有二种情况：互惠共生（二者均得利 ）和偏利共生（一方得利，但另一方并不受害 ） 1. 微生物间的共生关系 地衣藻类或蓝细菌和真菌的共生体 生理上的共生：其中蓝细菌和绿藻进行光合作用，为 真菌提供有机养料，而真菌则以其产生的有机酸分解 岩石为藻类提供矿质元素。 结构上的共生：形成有固定形态的叶状结构。 细菌与原生动物间的共生关系：细菌栖息于原生动物 细胞内，获得营养和保护环境；原生动物通过共生菌 获得生长所需要的维生素及其它生长因子。 地衣：真菌与绿藻的共生 2.微生物和植物