第八章 微生物生态

第八章 微生物生态,第一节 生态系统,生物圈和生态系统 生态系统中的能量流和物质流 微生物生态系统及其特点,一、 生物圈和生态系统,生物圈 biosphere地球表面进行生命活动的有机圈层称为生物圈生物圈的上限大约高达空中10 km。生物圈的下限可达表面岩层下面 2 3 km。生物集中分布在地面上100 m，水下 200 m 范围内。,生态系统 ecosystem 生物群落与其生存环境组成的整体系统 生物群落包括：动物、植物、微生物 环境条件包括：生物环境、非生物环境,二、 生态系统中的能量流和物质流,生态系中的能量流动(energy flow)和生物地球化学循环(biogeochemical cycle) 影响生命有机体的数量、生命活动代谢率以及生态系结构的复杂性。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 food chain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，形成一种食物的链索关系,三、 微生物生态系统及其特点,微生物生态系统是微生物与其生存环境组成的整体系统。 微生物生态系统的特点： 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。 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，形成新的生态 系统。,第二节 微生物在自然界中的分布,土壤中的微生物土壤具有微生物生存的环境条件土壤中有养分、空气、水，土壤覆盖阻挡了紫外线对微生物的杀伤，土壤 pH 及渗透压都适合微生物生长。土壤中的微生物有细菌、放线菌、真菌、藻类、原生动物、病毒。,耕作层(15 cm)土壤中的微生物数量和生物量,一、自然水域中的微生物自然水域具有微生物的生活条件： 水中有营养物质、有溶解氧、渗透压和温度适合不同微生物生长。淡水水域中的微生物细菌 、真菌 、藻类 、原生动物。 特点：运动性（随水流动）； 在低营养浓度下生存。 海水中的微生物藻类、G- 需氧细菌 、兼性厌氧菌 。 特点：嗜盐、嗜冷、嗜压。,二、 空气中的微生物空气不具有微生物生活的条件 空气中的微生物主要来自： 土壤扬起的灰尘；水面吹起的水沫；动、植物体表。 空气中的微生物主要是： 芽孢细菌的芽孢和一些G菌； 真菌的孢子。,空气中的微生物密度 农村 城市 高空 低空 海洋上空 陆地上空 畜厩、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,三、 极端环境中的微生物 高温环境极端嗜热菌 Pyrodictium broii 最适生长温度为 105 ，最高可达110。 低温环境嗜冷菌中的某些固 N 微生物在 1 下还可以固 N。 强酸环境嗜酸菌；氧化硫硫杆菌能在 pH 0.9 4 范围生长，最适 pH 为 2.5左右。,强碱环境嗜碱菌 Bacillus rotans 能在 pH 11下生长。 高盐环境极端嗜盐菌，最适生长盐浓度为2.5-5.0摩尔/L.高压环境深海中的极端嗜压菌 Pseudomonas bathycete 能在 1.01108 Pa，3 下生长。,第三节 微生物的生物环境,互生关系 metabiosis 两种可以独立生活的生物生活在一起时， 都从对方获得利益，相互提供营养或生态位。人体肠道正常菌群与宿主的关系主要是互生关系，肠道为微生物提供生存环境，肠道微生物进行多种代谢，为人体提供有益物质如维生素。,一、 微生物与动物的关系,人体内的正常菌群,传统的观念认为，外界环境中存在着病原微生物，但只有少数是引起感染性疾病的病原，称为致病微生物，所引起的感染称为外源性感染。近年的研究证实，人体各部位存在大量微生物，这些微生物(主要是细菌)在宿主细胞上定居、生长和繁殖的现象称为定植Colonization。定植的细菌称为正常菌群。,人体不同部位的正常菌群,部位 主要微生物 皮肤 葡萄球菌属、八叠球菌、JK群棒状杆菌、 绿脓 杆菌、痤疮丙酸杆菌、厌氧革兰阳性球菌、青 霉菌属等 。 口腔 表皮葡萄球菌、型溶血或不溶血链球菌、 肺炎球菌、肠球菌屑、奈瑟球菌属、他莫拉菌 大肠杆菌、嗜血杆菌属、乳杆菌、类白喉杆菌 真杆菌属、梭杆菌属、类杆菌属、厌氧革兰 阳性和阴性球菌、白念珠菌等。眼结膜 表皮葡萄球菌、JK群棒状杆菌、丙酸杆菌屑等,人体不同部位的正常菌群,部位 主要微生物鼻咽腔 葡萄球菌属、型和型溶血链球菌、肺炎 球菌、奈瑟球菌属、嗜血杆菌属、大肠杆菌 属、变形杆菌属、厌氧球菌、白念珠菌等。肠道 大肠杆菌、产气杆菌、变形杆菌属、绿脓杆 菌、葡萄球菌属、八叠球菌、肠球菌属、产 气荚膜杆菌、类杆菌属、双岐杆菌、真杆菌 属、梭杆菌属、消化球菌、消化链球菌、白 念珠菌、艾柯病毒、腺病毒等。,正常菌群对宿主新陈代谢、营养物质转化和消化吸收都具有重要作用，是保持人体生态平衡和内环境的稳定有重要因素。许多因素都能引起上述生态失调，如宿主患病、医疗措施影响、外来菌侵袭及抗菌药物使用等，结果引起内源性感染Endogenous infection，又称机会感染Opportunistic infection。原来存在于肠道、口、咽等部位的正常菌群在其他易感部位造成感染。如大肠杆菌由结肠转移至呼吸道引起肺炎。这种情况在宿主免疫功能缺陷时尤为常见。,共生关系 symbiosis 两种生物生活在一起，相互依赖，形成特殊的共生结构。反刍动物与瘤胃微生物的共生关系：前者为后者提供生存环境，后者分解纤维素为纤维二糖和葡萄糖，为动物提供能量来源。白蚁、蟑螂等昆虫的肠道内含有大量的细菌和原生动物与其共生。,寄生关系 parasitism 利用寄生关系开展生物防治是生态农业发展方向。苏云金杆菌寄生于鳞翅目昆虫引起病害导致昆虫死亡；核多角体病毒寄生于棉铃虫引起病毒病导致昆虫死亡。,二、 微生物与植物的相互关系,（一）互生关系植物根际(Rhizosphere)微生物与植物的关系是典型的互生关系：植物为根际微生物提供分泌物和根冠脱落物作为营养。微生物产生的代谢产物如生长刺激素或抗生素，对植物生长有利。Rhizosphere effect R/S ratio,根圈微生物对植物的影响包括：1.提供有机营养和生长素物质。2.提高土壤矿质营养的有效性。3.消除H2S对植物的毒害。4.产生抗生素抑制植物病原菌。5.过度生长时竞争矿质营养使植物出现营养不良。6.产生有毒物质抑制后茬作物种子萌发和幼苗生长。,（二）共生关系真菌与植物共生 菌根： 外生菌根：取代根毛，吸收面积大 VAM: vesicular-arbuscular mycorrhiza 非VA菌根：有隔真菌,内生菌根：,细菌与植物共生： 自生固氮：固氮菌 固 氮： 共生固氮：根瘤菌与豆科作物等 联合固氮：,自生固氮微生物好氧性细菌：主要是固氮菌科(Azotobacteriaceae)中的全部属、种。兼性厌氧细菌：主要有Enterobacter、Bacillus、Klebsiella中的一些种类。厌氧性细菌：主要是Clostridium中的一些种类。光合细菌：主要有Rhodospirillum、 Rhodopseudomonas、Chromatium和 Chlorobium中的一些种类。蓝细菌：主要有鱼腥藻属、念珠藻属、颤藻属、筒孢藻属(Cylindrospermum)、伪枝藻属(Scytonema)、真枝藻属(Stigonema)、单岐藻属(Tolypothrix)等中的一些种类。,共生固氮微生物 根瘤菌属：主要有Rhizobium leguminosarum、Rh. trifolii、Rh. melitoti、Rh. japonicum、Rh. Astragali等。弗兰克氏菌属：Frankia与非豆科植物共生形成根瘤共生体。能结瘤的非豆科植物主要是木本植物，如杨梅属、桤木属、美洲茶)、水牛果和沙棘属等13个属和138种。蓝细菌：主要有满江红鱼腥藻(Anabaena azollae)与水生蕨类植物满江红(红萍)共生形成红萍共生体；念珠藻或鱼腥藻与裸子植物苏铁共生形成苏铁共生体等。,联合固氮作用生活在高等植物根际、与高等植物之间有较强的专一性但不形成根瘤的固氮微生物的固氮作用。联合固氮作用是固氮微生物与植物之间存在的一种简单共生现象。这些固氮微生物仅存在于相应植物的根际，不形成根瘤，但有较强的专一性，固氮效率比在自生条件下高。如雀稗固氮菌(Azotobacter paspali)与克状雀稗联合，生活在根的粘质鞘套内，固氮量可达1593千克/(公顷年)。另外，水稻、甘蔗以及许多热带牧草的根际，由于与固氮微生物的联合，都有很强的固氮活性。通常在水域环境中，大量的氮主要靠自由生活的微生物固定，在有氧区主要是蓝细菌的作用，在无氧区主要是梭菌的作用。联合固氮的本质是自生固氮,（三）寄生关系 植物真菌病害真菌病害是植物病害最主要的一类，约占95%。藻状菌可引起马铃薯和番茄晚疫病；子囊菌可引起大麦和苹果白粉病；担子菌可引起小麦杆锈病、叶锈病、条锈病、小麦腥黑穗病和散黑穗病、大麦散黑穗病和坚黑穗病；半知菌可引起棉花炭疽病、立枯病和黄萎病、水稻稻瘟病和纹枯病等。,真菌大多以孢子萌发后形成的芽管或菌丝侵染植物。侵入的途径或是植物的自然孔口；或是植物的伤口，或是穿过植物的角质层直接侵入。真菌可能在幼苗出土前或在幼苗期把植株杀死，有的真菌可能侵害植物的根、茎、叶、花序、花或果实。有时同一种真菌可能既侵害寄主的幼苗，又侵害成年植株。例如，稻长蠕孢(Helminthosporium oryzae)能使水稻秧苗枯萎，也侵害成年植株，在叶片上产生病斑并使花穗不结实。由真菌引起的植物病害病症有腐烂、猝倒、叶斑、溃疡、根腐、萎蔫、过度生长等。,植物病原细菌和植物细菌病害植物细菌病害约占植物病害的3%。植物病原细菌主要是假单孢菌属、黄单胞菌属、土壤杆菌属、棒杆菌属和欧文氏菌属中的一些种类。植物病原细菌主要由植物的自然孔口和伤口侵入植物体内，寄生于植物组织的细胞间或导管中。植物病原细菌常可引起植物发生斑点、顶死、萎蔫、软腐和组织亢进(根癌)等病症。,皮包病黄单胞菌(Xanthomonas vesicatoria)引起番茄和辣椒的斑点病；解淀粉欧文氏菌(Erwinia amylovora)引起苹果和梨的枝条火疫病；青枯假单胞菌(Pseudomonas solanacearum)引起烟草的萎蔫病；胡萝卜软腐欧文氏菌(E.carotovora)引起马铃薯的软腐病；根癌土壤杆菌(Agrobacterium tumefaciens)引起苹果的根癌病等。,植物病毒和植物病毒病害能引起植物病害的病毒约有300多种，它们只能通过植物伤口侵入植物的活细胞和活组织中。病毒侵入寄主后，先在植物薄壁组织中繁殖和扩散，然后扩散到输导组织，最后通过输导组织扩散到整个植株，引起全株感染。植物病毒可通过嫁接、种子、汁液、昆虫等感染其他健康植株。植物病毒病害的病症分为三种类型：花叶型；黄化型；病症为卷叶、缩叶、萎缩、丛枝、癌肿、矮化以及其他各种畸形。病毒可使细胞和组织死亡，或促使形成不正常的组织，最突出的变化是在细胞内形成各种类型的包涵体，这也是病原病毒的特性。,微生物在高等植物中寄生，引起植物发病，是一个极其复杂的过程。受病原微生物、寄主植物和环境条件三者的影响。植物病害的防治，一般可以从三个方面着手：选育抗病品种或提高植物的抗病能力；防止病原微生物的传播和侵染；改进栽培技术和环境条件，以利寄主植株的生长发育，而不利于病原微生物的繁殖和侵染。,三、 微生物种群之间的相互关系,微生物种群之间存在下面八种相互关系：中性关系 neutralism 互惠关系 mutualism 偏利关系 commensalism协同关系 synergism竞争关系 competition 拮抗关系 antagonism 寄生关系 parasitism 捕食关系 predation,第四节 微生物与生物地球化学循环,大气中的CO2的蓄积化石燃料的燃烧；微生物对动植物残体的分解；陆地和海洋中动植物的呼吸作用；碳酸盐和珊湖礁的分解。 大气中 CO2的利用： 植物的光合作用；溶入水中转变为碳酸盐。,一、 碳素循环,微生物在碳素循环中作用： 将二氧化碳合成有机物；将含碳有机物分解为二氧化碳。,二、氮素循环,三、 磷素循环,自然界的 P 循环,微生物在 P 素循环中的作用 分解含 P 有机物释放出 PO43- 同化磷酸盐为含 P 有机物 产生有机酸、HNO3 、H2CO3，溶解土壤中难溶性 P 为可溶性P，供植物吸收,四、 硫素循环,自然界的 S 循环,第五节 微生物与环境保护,环境保护涉及的范围很广，内容很多，概括地说，主要包括：“保护自然环境”“防治污染和其他公害”微生物与环境保护，关系极为密切，在环保工作中，利用微生物处理环境污染物和监测环境，已取得很大成就。而且，微生物在这些方面的作用，还在不断地研究之中，今后将会被利用于更多方面。,一、 微生物对有毒污染物的降解,对烃的降解能降解石油的微生物很多，已报道的约有70余属200多种。土壤真菌和细菌以及海洋细菌，丝状真菌等都是石油的重要降解者，其中以灰绿青霉(Penicillium glaucum)、产朊假丝酵母(Candida utilis)等真菌，和假单胞菌属、诺卡氏菌属、分枝杆菌属中的一些种类，降解能力最强。同时，由于石油是多种烃类的混合物，一般是由多种微生物共同作用而使其降解。主要是在加氧酶的催化作用下，将分子氧组合入基质中，形成一种含氧的中间产物，然后转化成其他物质而参与代谢过程。,微生物对烃类物质的分解,表面活性剂表面活性剂主要是合成脂肪酸衍生物、烷基磺酸盐、烷基苯磺酸盐、烷基硫酸盐等有机化合物。由于其组成分子具有亲水性和疏水性两重性质，故它们倾向于聚集在空气水界面和水界面上，能降低表面张力，促进乳化作用。环境中表面活性剂的消失，几乎完全是微生物的作用。例如，新一代合成表面活性剂中使用得最广的烷基苯磺酸盐类，能被芽孢杆菌和恶臭假单胞菌降解：经过脱磺基和-氧化两步来降解此类化合物。,含苯化合物这类化合物耐酸、耐碱、耐腐蚀，具有稳定性、绝缘性、不燃性、耐热性等特点，而被作为绝缘油、载热体、软化剂、涂料、添加剂等广泛用于工业。因此，在其生产与使用过程中造成环境污染，可引起人和动物中毒。能降解多氯联苯的微生物：腊状芽孢杆菌、邻单胞菌(Plesiomonas sp.)、产碱菌和不动杆菌、无色细菌；通过解脂假丝酵母、小球诺卡氏菌、红色诺卡菌和酿酒酵母等混合菌的共代谢，能使多氯联苯完全降解。,微生物对苯的分解,微生物对甲基环己烷的分解,氰和腈由于石油化工工业和人造纤维工业的发展，含有机腈化物(如丙烯腈)和无机氰成分的废水日益增多，它们均为剧毒物。能分解氰和腈化物的微生物有诺卡氏菌、腐皮镰孢霉、木霉、假单胞菌、无色杆菌和产碱菌等14个属，共计49个种。,农药农药是除草剂、杀虫剂、杀菌剂等化学药剂的总称。由于农药对粮食生产的重要，目前全世界农药的总产量已达200多万吨，品种约有500余种，常用的也有100种。农药多是有机氯制剂、有机磷制剂和有机汞制剂。这些有毒化合物在累积于自然环境中，对人和动物具有严重的危害。环境中有机农药的消失，主要是由于微生物的降解作用。并已从土壤、水体、污泥、污水中分离到能降解农药的细菌、放线菌、真菌等微生物。由此，可利用微生物