《微生物的生态刘》PPT课件.ppt

第九章 微生物的生态,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。,生态系统：,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。,各种环境中的微生物的种类、分布；,微生物和其它生物的关系；,微生物与物质循环；,生态学研究范围：生物圈（biosphere）、生态系统（ecosystem）、群落（community）、种群（population）。 研究意义： 理论：地球进化和生物进化原因 实践：开发菌种资源、防治有害微生物、新的微生物农药、菌肥、医药、混菌发酵、生态农业，促进探矿、冶金、环保、提高土壤肥力以及开发生物能等,9.1 微生物在自然环境中的分布及菌种资源的开发,第九章 微生物的生态,微生物学,北方民族大学,9.1.1 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,微生物学,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,微生物的分布,生境的特征,微生物的分布是生境各种物理、化学、生物因素 对微生物的限制、选择的结果。,在某些生境中，高度专一性的微生物存在并仅限于这种 生境中，并成为特定生境的标志。,土壤中的环境条件：营养、水分、空气、酸碱度、渗透压和温度条件都适于微生物的生活，是微生物的大本营、也是人类最丰富的“菌种资源库”。 1.岩石在风化过程中产生的矿质元素和微量元素，能满足多数自养微生物的生长需要，土壤中的有机物质为异养微生物提供了良好的碳源、氮源和能源。 2.土壤中的水分也可以满足微生物的要求。 3.土壤的pH接近中性，缓冲性也较强，适合大多数微生物生长。 4.肥沃的土壤具有较好的团粒结构，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良好的环境。 5.土壤的保温性能好，昼夜温差和季节温差的变化不大。在表土几毫米以下，微生物便可免于被阳光直射致死。,一、土壤中的微生物,土壤中微生物的数量：按种类递减 细菌放线菌霉菌酵母菌藻类原生动物 -108 -107 -106 -105 -104 -103个/g 耕作土壤中，细菌湿重约90-225kg；以土壤有机质含量为2%计算，则所含细菌干重约为土壤有机质的1%左右。 土壤微生物的代谢活动，可改变土壤的理化性质，进行物质转化，因此，土壤微生物是构成土壤肥力的重要因素。 若按生物量计算则各种微生物的生物量基本相当。,土壤中微生物的含量,土壤中微生物的含量与土壤有机质含量有直接关系。 表层耕作土中含量最高，耕作层厚度20-30cm，地表土受阳光直接照射，其中微生物含量较低。 采取土样时一般要刮开表土23cm后采样。,自然界江河湖海等各种淡水与咸水水域中都生存着相应的微生物。 水域中微生物的种类和数量与水域的有机物、无机物的种类和含量，光照、酸碱度、渗透压、温度、含氧量和有毒物质的含量有密切关系。 各种水系：,二、水体中的微生物,海水,平均含盐量：3.5%，密度大、渗透压高、冰点低 微生物组成：多数为革兰氏阴性菌、多嗜盐、河口处有耐盐菌， 嗜盐菌：低嗜盐菌，适于生活在盐浓度2-5%； 中等嗜盐菌，适于生活在盐浓度5-20%； 高嗜盐菌：适于生活在盐浓度2030% 形 态：多有鞭毛，常见多形性、可变为球形、弧形、丝状及螺旋状，个体小； 生 理：兼性厌氧，生长慢，能在低营养下生活，常产色素，分解蛋白质能力强，解糖能力低，多嗜冷，对热敏感； 分 布：不均匀，与水深成反比， 0-10米少 10-50米呈上升变化 50米以下数量减少 海底沉积物上多 常见菌种：假单孢菌、弧菌、螺菌、无色杆菌、黄杆菌,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 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, 水体的自净作用,总菌数： 100个/ml 大肠菌群： 3 个/L,饮用水的微生物指标,大肠菌群是指一群在37、24h内能发酵乳糖,产酸产气,需氧或兼性需氧,革兰氏阴性,无芽孢的杆状细菌.主要包括大肠杆菌、产气杆菌和一些中间类型的杆菌.,水体大量的有机物或无机物，特别是磷酸盐和无机氮化合物,水的富营养化,藻类等过量生长，产生大量的有机物,异养微生物氧化这些有机物，耗尽水中的氧， 使厌氧菌开始大量生长和代谢,分解含硫化合物，产生H2S，从而导致水有难闻的气味，,鱼和好氧微生物大量死亡，水体出现大量沉淀物和异常颜色,水体的富营养化作用和“水花”、“赤潮”,上述过程又称富营养化作用，它是水体受到污染 并使水体自身的正常生态失去平衡的结果。,“水花”或“水华”（water bloom）：,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。,赤潮或红潮（red tides）：,在海洋中，某些甲藻类大量繁殖也可也可以形成水花，从而使 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,空气中的环境条件：无营养和水分、紫外线直射 存在状态：漂浮，短暂停留，以吸附于尘埃微粒上的形式存在。空气中的尘埃颗粒数与微生物数量有直接关系。 分布：越接近地面的空气含菌量越高，目前人类检测到微生物存在的最高处为85km的高空。 种类：球菌、芽孢杆菌、产色素细菌、真菌孢子 空气中微生物数量的测定：培养皿沉降法、液体阻留法 空气中微生物的杀灭与去除：紫外线照射、甲醛熏蒸、药物喷雾、过滤除菌等，常用的过滤介质有棉花、纱布、石棉滤板、活性炭或超细玻璃纤维过滤纸等。,三、空气中的微生物,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。 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。,不同地点大气中的微生物数量,四、工农业产品上的微生物,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。,微生物在各类工业产品上的生长所造成的产品 的霉腐给人类造成了巨大的损失!,而另一方面，有时也努力想开发并推广使用可被 微生物降解的产品，或利用微生物的降解特性。,-生物可降解塑料,-开发、利用纤维素（能源、饲料）,-苎麻脱胶,食品、农副产品上的微生物,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,不利影响：,由于微生物的生长繁殖而腐烂、变质，不能再食用或使用；,病原微生物进入人体的重要途径，引起传染性疾病；,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,2、嗜冷微生物,3、嗜酸微生物,4、嗜碱微生物,5、嗜盐微生物,6、嗜压微生物,极端环境下的微生物研究意义：,(1)开发利用新的微生物资源，包括特异性的基因资源；,(2)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；,(3)为生物进化、生命起源的研究提供新的材料。,六、生物体内外的正常菌群,人体微生态 无菌动物和悉生生物 植物微生态,第九章 微生物的生态,微生物学,（1）人体微生态,自然界中广泛存在着大量的，多种多样的微生物。当人体免疫功能正常时，这些微生物对宿主无害，有些对人还有利，是为正常微生物群。 正常菌群的生理学意义： 生物拮抗 营养作用 免疫作用 抗衰老作用,第九章 微生物生态,微生物学,菌群失调 在正常情况下，人体和正常菌群之间以及正常菌群中各细菌之间，保持一定的生态平衡。 如果生态平衡失调，以至机体某一部位的正常菌群中各细菌的比例关系发生数量和质量上的变化，称为菌群失调。 菌群失调的常见诱因： 主要是使用抗生素、同位素、激素、患有慢性消耗性疾病时，肠道、呼吸道、泌尿生殖道的功能失常也是重要原因。去除诱因后一般可使菌群复常，也有长期失调难于逆转的情况。 微生态制剂一般用于恢复肠道内的正常生态环境，若肠道功能正常，一般不需要服用。,正常菌群与宿主间的生态平衡在某些情况下可被打破，形成生态失调而导致疾病。原来在正常时不致病的正常菌群就成了条件致病菌。 特定条件包括： 寄居部位的改变 免疫功能低下 菌群失调,(2)无菌动物和悉生生物,凡在其体内外检查不到任何正常菌群的动物，称为无菌动物。用无菌动物进行实验，可排除正常菌群的干扰，从而使人们可以更深入、更精确地研究动物的免疫、营养、代谢、衰老和疾病等问题。 凡已人为地接种上某已知纯种微生物的无菌动物或无菌植物，称为悉生生物。,(3)植物微生态,第九章 微生物的生态,微生物学,根际微生物和附生微生物,生活在根系邻近土壤，依赖根系的分泌物、外渗物和脱落细胞而生长，一般对植物发挥有益作用的正常菌群。,生活在植物地上部分表面，主要借植物外渗物质或分泌物质为营养的微生物。,9.1.2菌种资源的开发,自然界的菌种资源虽十分丰富，但要设法从其中筛到较为理想的菌种也不十分容易。如链霉素的发现就是其中一个例子。 分离样品中的微生物，通常情况下可分四步来进行： 1采集菌样 2富集培养 3纯种分离 4性能测定,采取土壤样品要考虑的几个问题,土质肥，微生物含量高，特别肥沃的土壤中细菌多，放线菌少；在植物残体枯枝落叶下的土壤中较多含有拮抗性真菌。 离地面5-20cm处的土壤通气良好、不受阳光直射，喊菌量最高。 采土季节以春秋两季最好。 采土方法：选择适当地点、铲除表土、取土样数十克，盛入事先准备的无菌防水纸袋中，其上记录采土时间、地点、植被情况等。 多点采土、混合分离，可以代表每一地块上的微生物分布平均情况,9.2 微生物与生物环境间的关系,不同生物间的相互关系,第九章 微生物的生态,微生物学,有利关系：互生 共生：互惠共生和偏利共生 有害关系：拮抗（偏害共生） 寄生 捕食 竞争,第九章 微生物的生态,微生物学,（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,第九章 微生物的生态,微生物学,（二）共生,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。 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）微生物和植物间的共生关系,根瘤根瘤菌与豆科植物间的共生体。根瘤菌固定大气中的气态氮为植物提供氮素养料；豆科植物的根的分泌物能刺激根瘤菌的生长，同时，还为根瘤菌提供保护和稳定的生长条件。 菌根：土壤真菌与植物根形成的共生结构。具有改善植物营养、调节植物代谢和增强植物抗病能力等功能。,3） 微生物与动物的共生关系,与昆虫的共生关系 外共生：例如白蚁与其肠道内的微生物之间的共生。 内共生：昆虫与其细胞内的共生性细菌。 与反刍动物的共生关系：反刍动物，如牛、羊、骆驼、长颈鹿等。 深海火山口细菌与蠕虫的共生关系,（三）拮抗作用(又称颉颃或偏害共生),这是一种微生物通过产生某种特殊的代谢产物或改变环境条件来抑制或杀死另一微生物种群的现象。,非特异性拮抗作用 特异性拮抗作用,第九章 微生物的生态,微生物学,非特异性拮抗作用 指一种微生物通过自身的代谢活动改变环境条件,非特异性地抑制其他微生物的作用。其作用方式： 产酸。腌制泡菜、酸菜或青贮饲料 产生乙醇。抑制除醋酸菌以外的其它微生物的生长 改变氧分压。 特异性拮抗作用 是一种微生物在代谢活动中专门产生的一些特殊次生代谢产物能在低浓度下有选择性地抑制或杀死另一种微生物的作用。 细菌素 抗生素,（四）寄生,一种小型生物生活在另一种相对较大型生物的体内或体表，从中取得营养和进行生长繁殖，同时使后者蒙受损害甚至被杀死的现象。 微生物间的寄生: 噬菌体细菌；蛭弧菌细菌；真菌真菌；真菌、细菌原生动物。 微生物与动植物间的寄生关系: 各种各样的致病菌多是行寄生生活。,第九章 微生物的生态,微生物学,（五）捕食,捕食：一种种群被另一种种群完全吞食，捕食者种群从被食者种群得到营养，而对被食者种群产生不利影响。 对微生物来说，一般有如下几种情况： 原生动物吞食细菌和藻类； 粘细菌吞食细菌和其它微生物； 真菌捕食线虫和其它原生动物,第九章 微生物的生态,微生物学,（六） 竞争,竞争：两个种群因需要相同的生长基质或其它环境因子，致使增长率和种群密度受到限制时发生的相互作用，其结果对两种种群都是不利的。,第九章 微生物的生态,微生物学,9.3 微生物与自然界物质循环,第九章 微生物的生态,微生物学,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。,第九章 微生物的生态,微生物学,碳、氢、氧元素在自然界中的循环,一、微生物在碳素循环中的作用,第九章 微生物的生态,二、微生物在氮素循环中的作用,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,（双线箭头表示微生物与植物的共同作用，粉色箭头表示好氧条件下进行；黄色表示厌氧条件）,反硝化作用,原核生物的专利，占85,亚硝化细菌：亚硝化单胞菌属,硝化细菌：硝化杆菌菌属,荧光假单胞菌;腐败梭菌;芽孢杆菌,兼性厌氧菌，行无氧呼吸的菌种,气单胞菌属、芽孢杆菌属、肠杆菌属,淹水的土壤或死水塘，少数异养和化能自养菌,（红箭头表示植物与微生物共同进行的反应， 黄色表示无氧条件，其它有无氧均可）,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,腐败微生物,好氧或微好氧的化能营养硫氧化菌和光营养硫细菌,脱硫弧菌属,脱硫弧单胞菌属,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,四、微生物在自然界中磷元素的循环作用,第九章 微生物的生态,8.4 微生物与环境保护,第九章 微生物的生态,微生物学,水资源污染日益严重,一、水污染及防治,微生物学,富营养化 水体中氮、磷等元素含量过高而引起水体表层的蓝细 菌和藻类过度生长繁殖,水华:淡水水体中的富营养化,赤潮:咸水水体中的富营养化,二、微生物治理污染,污水的微生物治理 好氧生物处理:活性污泥法、生物膜法及氧化塘法 厌氧生物处理:甲烷发酵 固体垃圾的微生物治理 好氧堆肥法 厌氧发酵法:厌氧堆肥法和沼气发酵,污水的微生物处理,高BOD5的污水进入处理装置后，其中的自然微生物区系在好氧条件下，根据其中营养物质或有毒物质的情况，在客观上造成了一个选择性的培养条件，并随着时间的推移，发生了微生物区系的有规律的更迭，从而使水中的有机物或毒物不断被降解、氧化、分解、转化或吸附沉降，进而达到去除污染物和沉降、分层的效果。其废渣经过厌氧发酵生产沼气和有机肥。,污水处理装置是一个小型生态系统，在其中利用各种生理生化性能的微生物类群间的互相配合而进行的一种物质循环过程。,BOD5（biological oxygen demand）：五日生化需氧量。表示水中有机物含量的间接指标。一般指在20下，1L污水中所含的有机物（主要是有机碳源），在进行微生物氧化时，5日内所消耗的分子氧的毫克数（或ppm数）。 测定方法：取一定量被测水样，用加有磷素营养和经氧饱和的稀释用水稀释到一定浓度，然后放在密封瓶中，在20 恒温培养5天，测定水中残留溶解氧的量。 COD（chemical oxygen demand）：即化学需氧量。使用强氧化剂使1L污水中的有机物质迅速进行化学氧化时所消耗氧的毫克数。实际上许多无机物也能被氧化而影响COD值。COD能在短时间内测得，有利于指导现场操作。常用的氧化剂是K2Cr2O7，测得为CODCr。,污水处理的有关名词,污水处理的主要装置,曝气池,1.完全混合曝气法(活性污泥法),所谓活性污泥是指由菌胶团形成菌、原生动物、