《微生物生态》PPT课件.ppt

第八章第八章 微生物生态 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。 生命科学研究对象的十层次：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）和分子（molecule）。其中前4个层次都 是生态学的研究内容。 生态系统： 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。 生态学：研究生物与其周围生物和非生物环境之间相 互关系的一门科学。 微生物生态学： 研究微生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系 。 t各种环境中的微生物的种类、分布； t微生物和其它生物的关系； t微生物与物质循环。 第一节 自然界中的微生物 微生物的特点： 个体微小，代谢营养类型多样，适应能力强 微生物在自然界中分布广泛 一、微生物在自然界中的分布 （一）土壤中的微生物 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。 土壤微生物种类多、数量多、代谢潜力巨大，是主 要的微生物源。 l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; l土壤微生物的数量和分布受季节影响； l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； l土壤中的微生物以细菌最多，其次为放 线菌和霉菌。 土壤中的微生物分布特点 在有机物含量丰富的黑土、草甸土、磷 质石灰土和植被茂盛的暗棕壤中，微生物的 含量较高；而在西北干旱地区的棕钙壤、华 中华南地区的红壤和砖红壤以及沿海地区的 滨海盐土中，微生物的含量最少。 一般来说，每克耕作层土壤中，各类微生物含 量之比大体有一个10倍系列的递减规律： 细菌（108） 放线菌（107）霉菌（106）酵母 菌（105） 藻类（104） 原生动物（103） 功能：生物地球化学活性（矿化作用） （二）水体中的微生物 1）数量和种类与接触的土壤有密切关系； 2）垂直分带分布 3）多是吸附在悬浮在水中的有机物上及水底； 4）多能运动，有些具有很异常的形态（例如柄细菌） ； 5）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； 6）水体自身存在自我净化作用。 1、淡水 清水型水体微生物：贫营养细菌 （1-15mg C/L） 化能自养微生物，光能自养微生物 腐败型水体微生物： 肠道菌群，芽孢杆菌，弧菌。 2、海水 1）嗜盐，真正的海洋细菌在缺少氯化钠的情况下是不能生长的。 2）低温生长，除了在热带海水表面外，在其它海水中发现的细菌 多为嗜冷菌。 3）大多数海洋细菌为G细菌，并具有运动能力。 4）耐高压（特别是生活在深海的细菌）。 5）更明显的垂直分层分布（透光区、无光区、深海区、超深渊海 区） 德国科学家H. N. Schulz等1999年在纳米比亚 海岸的海底沉积物中发现的一种硫磺细菌（ sulfur bacterium），其大小可达0.75 mm， Thiomargarita namibiensis，-“纳米比亚 硫磺珍珠” 水体微生物的作用 l食物链 光合微生物（蓝细菌、藻类、光合细菌） （初级生产者） 浮游动物 无脊椎动物 鱼类 厌氧微生物 l生物地球化学循环 （三）空气中的微生物 1）无原生的微生物区系，来源于土壤、水体及人类的 生产、生活活动； 2）种类主要为真菌和细菌，一般与其所在环境的微生 物种类有关； 3）数量取决于尘埃数量； 4）停留时间和尘埃大小、空气流速、湿度、光照等因 素有关； 5）与人类的关系： 传播动、植物疾病、造成食品及发酵生产中的污染。 （四）工农业产品上的微生物 1微生物引起的工业产品的霉腐 大量工业制品都是用动植物产品作原料来制造的： 纤维制品、木制品、革制品、橡胶制品、油漆、卷烟 、化妆品等； 有些工业产品如塑料、建筑涂料等也有很多微生物可 以分解、利用； 光学仪器上的镜头，建筑泥浆、钢缆、地下管道、金 属材料等，各种电讯器材、文物、书画等也可被多种特殊 微生物所破坏。 2食品、农副产品上的微生物 不利影响： t由于微生物的生长繁殖而腐烂 、变质，不能再食用或使用； t病原微生物进入人体的重要途 径，引起传染性疾病； t很多微生物在食品、农产品上 生长后会产生对人有害的毒素。 肉毒毒素、黄曲霉素等 可采用多种方法防止微生物对食品等的破坏 t 利用特定的微生物制备风味食品，如酱制品、 米酒、腌酸菜等。 有利影响： （五）极端环境下的微生物 1、嗜热微生物 嗜热微生物是一类生活在高温 环境中的微生物，如火山口及其周 围区域、温泉、工厂高温废水排放 区等。 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： 隐蔽热网菌 （Pyrodictium occultum） 嗜酸热硫化叶菌 （Sulfolobus acidocaldarius） 水生嗜热杆菌 (Thermus aquaticus) 2、嗜冷微生物 嗜冷菌：最适生长温度低于15 耐冷微生物：最适生长温度为20-40 主要分布于极地、深海、高山、冰窖和冷藏库 3、嗜酸微生物 只能上生活在低pH（4 mg/L。 2. 污水处理中的特殊微生物 l无毒有机物：纤维素、淀粉等多糖类，蛋白类，脂肪类 l有毒有机物：苯酚、多环芳烃、多氯联苯、有机农药 l无毒无机物：酸、碱、无机盐，氮、磷等植物营养物 l有毒无机物：重金属、氰化物、氟化物 l分解氰的微生物：Nocardia(诺卡氏菌)、Pseudomonas （假单孢菌）等。 l降解TNT（三硝基甲苯）的微生物：Citrobacter （柠 檬酸杆菌） 、Enterobacter （肠杆菌）等。 l降解聚乙烯醇（PVA）的微生物： Pseudomonas （假单 孢菌） l降解多环烃类物质（蒽、菲等）的微生物： Alcaligenes (产碱菌） Corynebacterium （棒杆菌） Pseudomonas （假单孢菌） 3.微生物处理污水的主要方法： 氧化塘法 l有机物的好氧性分解和厌氧消化； l光合作用； l藻类细胞的消除 洒水滤床法：生物膜 l表层：好氧菌； l中层：兼性厌氧菌； l内层：厌氧菌； l原生动物 曝气池 曝气法 活性污泥：指一种由活细菌、 原生动物和其他微生物群聚集 在一起组成的凝絮团，在污水 处理中具有很强的吸附、分解 有机物或毒物的能力。 生物转盘法 生物膜：是指生 长在潮湿、通气 的固体表面上的 一层由多种活微 生物构成的粘滑 、暗色菌膜 ， 能氧化、分解污 水中的有机物或 某些有毒物质。 节能型与耗能型污水处理装置 的缺点 l大量以活性污泥或脱落的生物膜形式出现的废 渣，必须进一步处理； l对一些BOD5超过10000mg/L的有机废水的处理 效果很差； l消耗大量动力。 三、沼气发酵与环境保护 沼气：是一种混合可燃气体，主要成分为甲烷，另有 少量H2、N2和CO2。 沼气发酵：本质是产甲烷菌在厌氧条件下，利用H2还 原CO2等碳源营养物以产生细胞物质、能量和代谢废 物CH4的过程。 在地球的生物量（biomass）中，以植物秸秆和 其他动植物残体的含量最高，这是一类可再生资源 （renewable resource）。 沼气发酵的意义 l植物秸杆和其它动植物残体是含量最高的生物量，是 一类可再生资源（renewable）或永续资源，有必要 对其有效利用； l一步利用燃烧，快速取得其中约10%左右的热能 和草木灰.梯级利用方式：粉碎做牲畜饲料畜粪 沼气发酵，利用其中约90%化学能固体残渣可做 优质肥料，甚至添加到饲料中； l产甲烷菌是自然界碳素循环中厌氧生物链的最后一个 成员。 l水解阶段：由厌氧和兼性厌氧菌将纤维素等多糖、蛋白质、 脂类分解成单体，并进而形成各种有机酸、乙醇、 H2 、CO2 ； l产酸阶段：由厌氧的产氢产乙酸细菌群把第一阶段产生的各 种有机酸分解成乙酸、 H2和CO2的过程； l 产气阶段：由严格厌氧的产甲烷菌群利用一碳化合物（ CO2 、甲醇、甲酸、甲基胺或CO）、二碳化合物（乙酸）和H2产生甲 烷的过程。 例1：肠道菌群的数量作为水体质量的指标 例2：艾姆氏试验法检测环境中的“三致”物质 四、用微生物监测环境污染 例3：发光细菌 好氧菌的降解作用 原生动物等的吞噬作用 水体食物链的富集作用 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 严重污染的水会通过食物链的生物 放大作用危害人类健康 饮用水的微生物指标： 总菌数： 100个/ml 大肠杆菌： 3 个/L 微生物在碳素循环中的作用 碳素是生物体最重要的一种元素，它的主要来源 是大气中的CO，只有通过生物所推动的碳素循环，特 别是微生物的分解作用，使不同形态的碳素相互转化 ，大气中的CO才不会被耗竭，生命才能维持。 （一）自然界中的碳素循环 （二）微生物在碳素循环中的作用 微生物在碳素循环中具有非常重要的作用，它们既参与固定CO 光合作用，又参与再生CO的分解作用。 1、光合作用：参与光合作用的微生物主要是藻类，蓝细菌和光合 细菌，它们通过光合作用，将大气中和水体中的合成为有机 碳化物。特别是在大多数水生环境中，主要的光合生物是微生物， 在有氧区域以蓝细菌和藻类占优势；而在无氧区域则以光合细菌占 优势。 2、分解作用：自然界有机碳化物的分解，主要是微生物的作用。 陆地和水域的有氧条件中，通过好氧微生物分解被彻底氧化为 CO ；在无氧条件中，通过厌氧微生物发酵被不完全氧化成醇、有 机酸、甲烷、氢和CO 。 能分解有机碳化物的微生物很多，主要有细菌、真菌和放线菌。 微生物在氮素循环中的作用 氮素是生物体组成核酸及蛋白质的主要成份，是 构成生物体的必需元素。 大气体积中约有是分子态氮，但所有植物 、动物和大多数微生物都不能直接利用。初级生产者 植物体需要的氨盐、硝酸盐等无机氮化物在自然界为 数不多，常常限制了植物体发展。 只有将分子氮进行转化和循环，才能满足植物体 对氮素营养的需要。因此氮素物质的相互转化和不断 地循环，在自然界十分重要。 自然界中的氮素循环及微生物在氮素循环中的作用 氮素循环包括：固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用 微生物参与氮素循环的所有过程，并在每一过程中都起主要作用。 1、固氮作用 自然界氮的固定，有两种 方式： l非生物固氮，即通过闪电、 高温放电等固氮，这样形成的 氮化物很少； l生物固氮，即通过微生物的 作用固氮，大气中以上 的分子态氮都是微生物的活性 而固定成氮化物。 2、氨化作用 微生物分解有机氮化物 产生氨的过程称为氨化作用 。 很多细菌、真菌和放线 菌都能分解蛋白质及其含氮 衍生物，氨化作用产生的氨 ，一部分供微生物，植物同 化，一部分被转变成硝酸盐 。 3、硝化作用 微生物将氧化成硝酸盐 的过程称为硝化作用； 整个过程由两类细菌分两个阶 段进行。 l第一阶段是被氧化为亚硝 酸盐，靠亚硝酸细菌完成； l第二阶段是亚硝酸盐被氧化为硝 酸盐，靠硝酸盐细菌完成。 硝化作用形成的硝酸盐，在有 氧环境中，被植物微生物同化，但 缺氧环境中，则被还原成分子态氮 ，从环境中消失。 、反硝化作用 微生物还原硝酸盐，释放出分子态氮和的过程称为反硝 化作用,参与这一作用的细菌称为反硝化作用细菌。 硫素循环 硫是生物的重要的营养元素，它是一些必需氨基酸 、某些维生素、辅酶等的成份。 在自然界，硫素以元素，硫酸盐和有机 态硫的形式存在，而植物一般只能以无机盐类作为养料 。因此，S素各种形式的循环转化，对植物营养非常重 要。 （一）自然界中的硫素循环 硫素循环可划分为分解作用，同化作用，无机硫 的氧化作用和无机硫的还原作用。 微生物参与素循环的全过程，并起很重要作用。 有机硫化物 硫酸盐 元素 分解作用 分解作用 同化作用 同化作用 无机硫的氧化作用 无机硫的氧 化作用 无机硫的还原作用 1、分解作用： 动、植物和微生物尸体 中的有机硫化物，被微生物 降解成无机物（硫酸盐、 等）的过程称为分解作 用。 2、同化作用 微生物利用硫酸盐和 ，组成本身细胞物质的 过程称为同化作用，细菌、 放线菌、真菌中都有能利用 硫酸盐作为硫源的种类。仅 少数微生物同化。 3、无机硫的氧化作用 无机硫的氧化作用是微生物 氧化硫化氢、元素或e等生 成硫酸盐的过程。主要是硫细菌 。 4、无机硫的还原作用 无机硫化物的还原作用是在 厌氧条件下微生物将硫酸盐还原 成的过