微生物与健康2010.12.01

第五章微生物与环境保护 生态系统中的清道夫 分解者在日常生活中 放置的水果 食物 衣物 木材等经过或长或短的时间 都要变质 发霉 腐烂 这就是微生物分解作用的结果 微生物的这种作用虽然会造成人类生存资源的损失 但对于生态系统乃至全球的生物的生存 延续和发展却是不可缺少的 微生物通过分解动 植物的残体或腐植质获得能量和营养来合成自身 同时将有机物分解成可供植物利用的无机化合物 是生态系统中的分解者 digester 微生物可以把地球上死亡的动植物残体清扫得干干净净 将有机体分解成生产者生长所需要的元素 所以微生物被看成是生态系统中的 清道夫 微生物的分解作用是地球上生命波浪式发展 螺旋式进化的原动力之一 1 微生物对污染物的抗性和降解 微生物抗毒转化和降解 2 污染环境的废弃物的微生物处理 应用微生物处理城市垃圾应用微生物处理污水 3 被污染环境的生物修饰 4 利用微生物生产有益环境的产品 1 微生物对污染物的抗性及降解 利用微生物进行环境保护的基础1 1微生物抗毒微生物个体微小 繁殖迅速 数量巨大 代谢能力强速度快 易于突变 它们较其它生物更易适应环境 它们可能通过自然突变形成新的突变种 也可能通过在细胞内产生新的功能而适应新环境 这些特征使得微生物成为污染物降解中的主力军 1 2转化和降解许多微生物可以对生物外源性物质进行化学转化 使其转变成为毒性较小或易于被其它微生物所降解的化合物 如对杀虫剂DDT和对炸药TNT的转化 微生物对生物外源性物质的转化主要有以下几种形式 1 脱卤 主要是脱氯 如DDT的脱氯 2 还原 将生物外源性物质上的取代基 特别是硝基 进行还原 3 水合反应 如对有机氰的水合反应 形成无毒的含氮有机化合物 微生物除了可以转化生物外源性物质外 有些微生物还可以把它们分解掉 把较大的化合物分子一步一步地变小 称为降解作用 有些生物外源性物质可以被彻底降解 即变成水和二氧化碳等无毒无害的很小的分子化合物或元素 但是 有些生物外源性物质不能被彻底降解 2 污染环境的废弃物的生物处理世界各国的科学家和工程技术人员 针对环境污染的问题和不同的环境污染类型 发展了各种处理办法 主要可以分为三大类 化学法 如絮凝沉淀法 物理法 过滤 和生物法 如活性污泥法 这三类方法也可以结合使用 在污染物的处理中 虽然物理 化学方法作出了一定的贡献 但由于这些方法存在投资大 成本高 二次污染的问题 因而逐渐被生物法所代替 生物处理 Biotreatment 也叫生化处理 是指利用处理系统中的生物 特别是微生物的代谢活动以及各种特性来处理各种废弃物的过程 主要是针对各种污染源和小范围的环境污染 生物技术在处理环境污染物方面具有速度快 消耗低 效率高 成本低 反应条件温和以及无二次污染等显著优点 为从根本上解决环境问题提供了希望 因而越来越受到人们的青睐 城市垃圾 2 1城市垃圾生物处理技术固体废弃物的处理有很多方法 如填埋 堆肥 焚烧 用来发电等 垃圾的填埋处理不仅需要侵占大量的土地资源 而且需要很长时间 一般至少50 100年 才能完全使所填埋的垃圾无害化 因此填埋了垃圾的土地长期不能使用 而且填埋于地下的垃圾 绝大部分是有机物 在厌氧微生物的作用下进行发酵 能产生大量的沼气逸出地面 遇火即可发生火灾 填埋的垃圾还可能污染地下水 垃圾焚烧同样也存在火灾的隐患 同时焚烧时还会产生大量废气 造成对环境的再次污染 我们称这种污染为二次污染 较好的物理方法是利用垃圾发电 这在发达国家是一种普遍采用的处理城市垃圾的方法 我国也建立了几座垃圾发电厂 但目前在我国还不能普遍推广 因为成本很高 垃圾堆肥是较原始的简易的固体垃圾生物处理方法 主要是利用垃圾中原本带有的微生物进行自然发酵 这种方法虽可以采用 但所需的处理时间长 处理量小 发酵过程不易控制 现在发展了新的城市垃圾生物处理工艺 这种工艺是先经过过筛 回收可再生资源后 引入具有特定功能的微生物 主要是一些能高效降解有机物质 如纤维素 脂肪 蛋白质的微生物 进行好氧处理或厌氧发酵 加速发酵过程 同时还可以收集所产生的沼气 经过充分发酵后的垃圾是一种很好的农业肥料 如果实现垃圾处理工厂化 可以使发酵周期缩短 1 2星期 并且处理量较大 发酵过程可以实现全自动化控制 发酵后形成的肥料的质量也能得到保证 300 x420 x415mm 生垃圾处理机 家庭用型 生 処理機 2 2污水生物处理技术废水的处理方法主要可归结为三类 物理法 化学法和生物法 目前普遍使用生物法或生物法与其它方法结合 根据处理系统中微生物所处的状况 则可以分为 悬浮细胞法 活性污泥法 生物膜法等 目前最普遍使用的是活性污泥法 特别是在城市污水处理中 而效率较好的是生物膜法 特别是在特殊行业废水的处理中应用最为常见 3 被污染环境的生物修复对已经被广泛污染的大面积环境 采用废水及垃圾处理的方法是不可修复的 近年来 各国科学家已经成功的研究开发出可用于治理被大面积污染环境的生物技术 这就是生物修复技术 生物修复 Bioremediation 也称生物整治 生物恢复 生态修复或生态恢复 是指利用处理系统中的生物 主要是微生物的代谢活动来减少污染现场污染物的浓度或使其无害化的过程 目前所处理的对象主要是石油污染及农田农药污染 生物修复的具体操作方法可分为两种 其一是环境条件的修饰 如营养物质的利用 通气等 其二是接种合适的微生物以降解污染物 用于生物修复的微生物包括土著微生物 外来微生物等 4 利用微生物生产有益环境的产品4 1生物杀虫剂目前 世界各国大量使用化学农药而造成环境污染 化学农药因其不具有选择性而对有益的生物也造成威胁 同时 很多化学农药是不可降解或很难降解的 容易在动植物体内积累而造成污染物的富集 但是 生物农药的出现使得这个矛盾缓解 现在主要的产品是用苏云金芽孢杆菌制成的BT生物杀虫剂 苏云金芽孢杆菌之所以能够杀虫 是由于它们的细胞内存在着有毒的蛋白质 叫做伴胞晶体 昆虫吞食后中毒而死亡 这种活细胞对环境无毒无害 而且在动物的胃肠道内 酸性环境下蛋白晶体不能溶解 从而对人畜无毒 所以是一种高效安全的生物杀虫剂 可用来防治农作物害虫和杀灭蚊虫 对生物农药的研究刚刚开始 相信在不久的将来 我们的农田将不再需要喷洒化学农药 农田将真正成为绿色的田野 4 2可以被迅速分解的塑料 聚 羟基烷酸酯 PHA 塑料被称为白色污染 是近年来环境的大敌 以聚乙烯为代表的塑料 在自然条件下极难降解 在土里埋50 100年仍旧安然无恙 由于塑料广泛应用于农业生产及日常生活中 所以其产量每年递增 造成了这种人工化合物的大量积累 现在人们正在积极寻找可以取代原有塑料的可生物降解的新材料 一类由微生物合成的化合物引起了人们的兴趣 这类化合物为聚 羟基烷酸酯 简称PHA 它们是由许多个 羟基化的饱和脂肪酸聚合而成的 脂肪酸可以是丁酸 戊酸或己酸等 后来的研究表明 很多种类的微生物都能产生PHA 它的最大优点是可被微生物降解掉 因此人们称它为 生物可降解塑料 用细菌生产的聚 羟基丁酸酯除了替代现有的塑料制品外 还可以用来生产高弹性的无纺布 聚 羟基丁酸酯无毒性 高纯度的产品可用来做伤口的缝合线及骨骼固定绷带 当用这种缝合线缝合伤口后也用不着拆线 它可以在人体内自行被分解吸收 微生物和燃料乙醇 燃料乙醇产生于20世纪20年代 随着石油的大规模 低成本开发 酒精因其经济性较差而被淘汰 全世界面临着严重的能源危机 石油的价格已经超过了100美元 桶 生物材料的可再生性和燃料乙醇对环境安全无害的优点 使得燃料乙醇转化技术成为近十多年来许多发达国家的研究热点 巴西一跃成为世界上最大的生物乙醇生产地 巨大的甘蔗生产潜力和优惠的政府扶持政策是巴西生物乙醇生产得以发展的主要原因 第六章微生物与生物能源 资源利用 燃料乙醇的优点及其开发意义 燃料乙醇是一种良好的增氧剂 它可以增加汽油的含氧量 使其充分燃烧 目前用的甲基叔丁基醚 MTNBE 会对地下水造成严重的污染 而且其生产难度比较大燃料乙醇的辛烷值高 调和辛烷值一般可以达到120左右 可以有效提高汽油的抗爆指数 有利于环境的改善 使用车用乙醇汽油 可以使汽车尾气的污染水平均降低30 以上 其中一氧化碳排放下降30 8 挥发性烃类化合物排放下降13 4 二氧化碳的排放量降低27 纤维素和淀粉是地球上最丰富的有机资源之一 它是一种可以再生的资源 燃料乙醇生产技术 1 以淀粉类和糖蜜类物质为原料的生产技术 以玉米为例 其生产过程包括 玉米预处理 粉碎 脱胚制浆 液化 糖化 发酵 蒸馏 脱水和变性等 燃料乙醇生产工艺 2 以纤维素类物质为原料的生产技术 以纤维素为原料发酵生产燃料乙醇 首先将纤维素进行酸解和碱解或酶解预处理 释放出的葡萄糖可进入乙醇发酵途径 以纤维素类物质为原料的生产工艺 燃料乙醇发展过程中存在的问题 目前燃料乙醇生产中存在的最大问题是降低成本 据报道 以玉米为原料生产燃料乙醇 其综合成本是3897元 t 其中原料费用是3047元 t 即原料的成本占综合成本的78 19 美国乙醇的生产成本只有2770元 t 而国内乙醇的生产成本为3671元 t 相差901元 t 在以纤维素为原料生产燃料乙醇的过程中 最大的问题是原料的预处理 纤维素水解为单糖 需要纤维素酶 该酶的成本相当高 需要技术的突破 微生物与沼气 沼气是微生物在缺氧时 通过发酵将作物秸杆 杂草 人畜粪便等有机物分解而产生的一种可燃性气体 沼气是多种气体的混合气 有甲烷 二氧化碳 氢气 氧气 硫化氢等 一 多种细菌分泌的酶 将复杂的有机物质分解为一些低分子量的简单有机物及二氧化碳 氢气 硫化氢等无机物 称为酸发酵 参与的微生物有纤维素分解细菌 蛋白质分解细菌 果胶分解细菌 丁酸细菌 醋酸细菌等 二 有甲烷细菌分泌酶 将简单有机物分解为甲烷和二氧化碳 这一阶段称为气体发酵阶段 参与的细菌种类很多 有杆菌 球菌 螺旋菌等 分布广泛 沼气的发酵过程 沼气是一种优良的生物能源 是解决能源问题的有效途径之一 产生的甲烷还能用来合成多种工业产品 是化学工业的重要原料 发酵池内的残渣是一种还有速效氮磷钾及微量元素的有机复合肥料 规模化和质量控制是限制发展的一个瓶颈 微生物与资源利用 微生物冶金 又称微生物选矿 是利用微生物的新陈代谢能力氧化 浸润矿石中有用金属的一种工艺 其特点是 适用于处理低品位矿 尾矿废渣 小而分散的富矿 难以开采和普通技术不能处理的废弃矿 可综合浸出 分别回收多种金属设备简单 操作方便 可被微生物浸出的金属包括 铜 铀 锰 金 钴 铅 锌 铬等 能够用于微生物冶金的主要是化能自养菌 也有部分异养菌 目前已知的有 氧化铁硫杆菌 氧化硫硫杆菌 硫酸盐还原菌 嗜热嗜酸菌等 这类微生物还可以用于从废弃的电器 垃圾中回收金属等领域 氧化亚铁硫杆菌 Thiobacillusferrooxidans 系短杆菌 尺寸0 3 0 5 1 0 2 0 m 是一种化能自养菌 专性好氧 嗜酸性 广泛生活在金属硫化矿和煤矿的酸性矿坑水中 氧化亚铁硫杆菌的主要生化反应 我国桃红锰矿棠甘山矿区分离得到一株氧化亚铁硫杆菌 经改造后用于浸矿 效果良好 锰的浸出率达到83 5 微生物与石油资源的开采和利用 微生物和石油开采 石油由各种有机化合物组成 最大量是烃类 有些微生物喜欢以烃类有机物为食 如果在某地区的土壤中发现大量的以烃类为食的微生物 就说明那里很可能有石油 再配合其它的它测方法 就可确定油藏的分布范围了 微生物是名副其实的采油向导 微生物与三次采油 一次采油 利用原油的压力 石油直接涌出 只能采集小部分 二次采油 注水 只能采出不到一半的原油 三次采油 注入聚合物 增加水的粘稠度 或注入一些能增加水和油的混合程度的表面活性剂 微生物采油 地上微生物采油 用微生物生产聚合物或表面活性剂 地下微生物采油 将微生物和营养物质注入储油层 利用微生物代谢产物改变原油性质 提高开采效率 微生物发电 燃料电池是电池家族的后起之秀 原理是在负极的一端发生化学反应 失去电子 让氧化剂在正极的一端发生反应 得到从负极经过导线跑过来的电子 从而产生电流 燃料电池可用氢 联氨 甲醇 氢 甲醛等为燃料 以氧气 空气 双氧水为氧化剂 一些化能异氧微生物可以发酵糖类 醇类等有机物 吸收其中的化学能满足自身生命活动 同时把另一部分能量以氢气的形式释放出来 这就是微生物电池的原理 2001年麻萨诸塞大学的微生物学家在Science上报道 某些海底的微生物 Geobacter菌可以将海底沉淀物中的有机物转化为电能 产生的电流足以点亮灯泡或简单的计算机 利用工业或家庭垃圾为原料的微生物发电离我们也许不是很遥远了 嗜极菌在极端环境下能够生长的微生物称为极端微生物 又称嗜极菌 嗜极菌对极端环境具有很强的适应性 极端微生物基因组的研究有助于从分子水平研究极限条件下微生物的适应性 加深对生命本质的认识 有一种嗜极菌 它能够暴露于数千倍强度的辐射下仍能存活 而人类一个剂量强度就会死亡 该细菌的染色体在接受几百万拉德a射线后粉碎为数百个片段 但能在一天内将其恢复 研究其DNA修复机制对于发展在辐射污染区进行环境的生物治理非常有意义 开发利用嗜极菌的极限特性可以突破当前生物技术领域中的一些局限 建立新的技术手段 使环境 能源 农业 健康 轻化工等领域的生物技术能力发生革命 来自极端微生物的极端酶 可在极端环境下行使功能 将极大地拓展酶的应用空间 是建立高效率 低成本生物技术加工过程的基础 例如PCR技术中的TagDNA聚合酶 洗涤剂中的碱性酶等都具有代表意义 极端微生物的研究与应用将是取得现代生物技术优势的重要途径 其在新酶 新药开发及环境整治方面应用潜力极大 人体微生物 1 人体正常微生物群2 微生态平衡与健康 人体正常微生物群 人体正常微生物群是指栖息在人体皮肤或粘膜上 并随宿主长期进化过程形成的 在一定时期定植在宿主皮肤上或肠道粘膜等的微生物群落 一般在生理性情况下主要表现为有益于宿主的微生物群落 而在病理情况下又可表现为有害于宿主的微生物群落 人体正常微生物群 人体中的正常微生物群与人体和环境之间形成一个局部的生态平衡系统 作用 人体的免疫 疾病防御 营养 消化和吸收 保证人体健康的重要力量 发挥这些作用的前提 微生物 人和环境三者之间必须保持动态的平衡 人体正常菌群的来源 人和哺乳动物出生前都是无菌的 出生后来自母亲产道 周围环境及空气中的细菌 2 3h后就开始在新生儿肠粘膜定植 开始是肠球菌和大肠杆菌 随后是梭菌 酵母菌 葡萄球菌 链球菌和乳杆菌 这个定植过程大概7 14天完成 其后在一定时期内保持一个稳定的肠菌群状态 这就是人体正常菌群的来源 人体正常菌群的分布 皮肤菌群口腔菌群肠道正常菌群呼吸道正常菌群生殖道正常菌群 人体正常菌群的分布 皮肤菌群 皮肤腺管中有厌氧的疮疱丙酸杆菌及表皮葡萄球菌 皮肤表面还栖居着金黄色葡萄球菌 链球菌 棒杆菌 微球菌以及白色念珠菌和皮癣菌等皮肤正常菌群 人体第一道生物屏障 对于皮肤的营养代谢和体温调节等具有重要生理作用 研究人员发现 人类皮肤是真正的细菌园 共有182种已知细菌滋生在皮肤上 有些可能永久定居在皮肤上 有些偶尔造访一下我们的皮肤 纽约医学院的微生物学家马丁 布拉斯博士表示 细菌和我们呆在一起的时间相当短暂 而一些细菌是对我们有益的 此研究成果刊登在 美国国家科学院学报 上 你的皮肤上有250种细菌 布拉斯及其同事取回6名健康人前臂上擦拭过的棉签 以研究人类皮肤上的细菌群落 皮肤是我们最大的器官 我们识别了大约182种细菌 布拉斯说 基于这一数字 我们估计皮肤上可能至少有250种细菌 相比之下 一家不错的动物园可能只有100或200种动物 这样 我们就能知道我们的皮肤上有如此多种的不同细菌 仅前臂上 就是一个不错的细菌园 你的皮肤上有250种细菌 研究人员指出 我们体内的微生物大大超过人体的细胞 为10比1 我们的微生物确实是我们身体的一部分 布拉斯说 我们认为 许多正常有机体在保护我们的皮肤 因此 这就是为何我们不必老是洗手的原因 因为不断洗手会洗去我们的保护层 你的皮肤上有250种细菌 虽然很久以来一直知道细菌居住在皮肤上 但布拉斯及其同事用了一种精密复杂的DNA分子技术来研究皮肤上多如牛毛的细菌 研究人员发现 皮肤上的细菌比先前想像的要多得多 大概只有8 的细菌种类不知道是什么细菌 为神秘细菌 有些细菌似乎是皮肤上的固定居民 共有4种 葡萄状球菌 链球菌 丙酸菌和棒状杆菌 其数量占一半以上 其它细菌只是偶尔暂住皮肤的过客 你的皮肤上有250种细菌 人体正常菌群的分布 口腔菌群 口腔黏膜上栖息着卟啉单胞菌 梭杆菌 普氏杆菌 消化链球菌以及溶血链球菌 乳酸杆菌 变形链球菌 韦荣球菌 金黄色葡萄球菌 衣氏和内氏放线菌以及白色念珠菌等 维持口腔洁净 抵御致病菌生物侵袭 防止病从口入 促进免疫功能 人体正常菌群的分布 肠道正常菌群 胃内定植着酵母菌 螺旋菌 乳杆菌 少量球菌 小肠 由于肠蠕动过快 很少有常住菌 肠球菌 乳杆菌 肠杆菌等路过菌 结肠定植着大量正常菌群 50个菌属400 500个菌种组成 维持机体生物 化学 免疫屏障 对宿主营养 健康 抵御致病微生物侵袭 提高定植抗力 免疫 抗肿瘤 抗衰老等方面发挥重要的生理作用 Nature 与肥胖有关的肠道微生物 肠道微生物可以帮助我们完成我们本身不能完成的一些代谢任务 从某种意义上来说 它们的基因是智人 Homosapiens 多源基因组 metagenome 的一部分 Nature上的两篇相关的论文帮助说明了这一点 它们为微生物在肥胖的形成中所起的作用提供了证据 Nature 与肥胖有关的肠道微生物 大多数细菌被归为两组 Firmicutes 壁厚菌门 Bacteroidetes 拟杆菌门 对遗传性肥胖的小鼠所做的一项研究显示 与同窝出生的瘦的小鼠相比 它们肠道微生物群落利用能量的能力要强一些 而将该微生物群落移植进肠道中没有细菌的小鼠体内时 这种性状也能被转移过去 Nature 与肥胖有关的肠道微生物 对肥胖者肠道中两组占主导地位的细菌的含量多少所做的一项研究工作表明 拟杆菌门细菌数量的增加与体重降低相关联与苗条志愿者相比 肥胖志愿者体内的壁厚菌门细菌多了20 以上 而拟杆菌门细菌少了近90 肥胖志愿者接受一年的低脂肪或低糖食物 体重降低25 而同时厚菌门细菌的比例下降 拟杆菌门的比例上升 但没有达到苗条志愿者的水平 Nature 与肥胖有关的肠道微生物 研究人员提取肥胖小鼠和苗条小鼠肠道的微生物 将这些微生物注射到先天无菌动物 生长于无菌室 的肠道中 两周后 注射过小鼠微生物的动物 脂肪量上升了2倍 这项工作说明 与肥胖相关的肠道微生物也许是一种生物标记 并且可能是一个治疗目标 俄亥俄州辛辛那提大学RandySeeley认为 内肠微生物部分决定体重 是一个基本可以肯定的概念 人体正常菌群的分布 呼吸道正常菌群 人出生大致12 15h后 鼻 咽 喉部出现正常菌群 先是需氧菌如表皮葡萄糖球菌和金黄色 链球菌和汉森氏球菌 韦荣球菌 嗜血杆菌等 继而出现厌氧菌如普氏杆菌 卟啉单胞菌等 维持呼吸道健康 刺激机体局部免疫功能 保护机体免受致病菌侵袭 正常菌群的主要生理功能 生物屏障作用化学屏障作用免疫屏障作用促机体代谢和营养作用免疫赋活作用 正常菌群的主要生理功能 参与诱发和拮抗肿瘤作用保持 三流 正常运转 维持内环境稳定生物拮抗作用抗衰老作用促进微生态平衡 生物屏障作用 双歧杆菌等生理性细菌的胞壁脂 磷壁酸能特异性地黏附于人肠上皮细胞受体 这样形成了生物膜样屏障结构 电镜下显示这些定植微生物与肠上皮细胞几乎融为一体 构成所谓膜菌群 生物屏障 化学屏障作用 构成生物屏障的大量生理性细菌在定植 生长和繁殖的时候会产生大量的短链脂肪酸 这些短链脂肪酸不仅与肠道水盐电解质代谢有关 而且可以降低局部环境的pH值和Eh值 氧化还原电位值 阻止有害菌与肠上皮细胞的黏附 尤其是一直腐败菌 致病菌的生长和繁殖 并促进肠道蠕动 有利于致病菌及毒素的排泄 促机体代谢和营养作用 肠道微生物在肠道脂类和固醇类代谢方面起重要作用 无菌动物亚油酸高 硬脂酸低 而普通动物硬脂酸高 亚油酸低 说明正常菌群有将亚油酸转化成硬脂酸的能力 用高蔗糖饲料喂服的鸡易发生脂质吸收不良综合症 这种综合症在喂养粪链球菌悉生鸡 无菌动物 不会出现 说明粪链球菌参与了糖和脂肪的代谢 半乳糖代谢 双歧杆菌含有 半乳糖苷酶 进而将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖 最后酵解生成二氧化碳和水 促机体代谢和营养作用 正常菌群参与一些营养素如维生素合成 如初生的婴儿肠道中没有微生物 婴儿自身也不会产生维生素K 没有维生素K 血液就不会凝固 一旦出血就止不住 很容易造成生命危险 出生大约三天后 微生物就在婴儿的肠道里 生根发芽 并且开始为人体提供维生素K 这时候婴儿才度过危险期 为了保证婴儿的安全 有时医生会给分娩前的母亲服用些维生素K 以便使婴儿血液中有足够的维生素K 促机体代谢和营养作用 肠道正常菌群参与了体内药物代谢过程 肠道正常菌群能延长聚乙烯雌酚或吗啡等药物的半衰期 延缓这些药物在体内的代谢 甚至参与肝肠循环等 因此药物代谢也是有肠道菌群参与的 尤其是口服给药 复杂的生理过程 生物拮抗作用 抗感染 即生物拮抗作用 这种拮抗作用是微生态学上一个重要术语 即定植能力 占位保护作用 正常微生物群的空间位阻与免疫作用相互协调 正常微生物群的占位保护作用与化学屏障作用密不可分 正常微生物群的生物拮抗和营养争夺作用 微生态平衡与健康 一切生物都是与环境的对立统一体 没有脱离环境的生物 也没有脱离生物的环境 微生态系统是正常微生物群与环境和宿主构成相互制约相互作用的统一体 正常微生物群不仅事实上已参与宿主的整体生理功能 而且实际上也已构成像呼吸 循环和内分泌一样的生理系统 微生态平衡与健康 我们的体内也存在着一个生态世界 由微生物所主宰的微生态世界 环境影响人体正常菌群 美国曾对宇航员肠道正常菌群检查发现 1976年 肠道双歧杆菌等明显减少 而多形类杆菌增加 宇航员不思进食 消化功能减退 这就是环境影响正常菌群 而肠道正常菌群又进一步影响宿主消化等生理功能 这是环境对正常菌群影响进而影响宿主的典型例子 正常微生物越多越好 正常微生物群对健康的作用主要取决于微生物 人体和环境三者之间的生态平衡 而不是说这些微生物越多越好 当一个人换了一个生活环境宇航员上天地质队员到边疆勘察北方人到南方工作等 水土不服 环境改变 导致人体的微生物生态平衡被打破 过一段时间 新的微生物生态平衡又会很快建立 微生态平衡 微生态学中的核心问题 微生态平衡就是保持人 动物或植物健康发育和最佳生理状态 因为只有微生态平衡才有宿主健康 微生态平衡是在长期历史进化过程中形成的正常微生物群与其宿主在不同发育阶段的动态的生理性组合状态 微生态学与微生态制剂 微生态学 Microecology 是1977年由德国人VolkerRush首先提出的 它作为一门新兴的生命科学分支 是研究正常微生物与其宿主相互依赖 相互制约的边缘科学 是一门细胞水平和分子水平的生态学 中国的微生态学研究自1979年10月中国微生物学会人畜共患病病原学专业委员会下属的正常菌群学会的成立 1988年2月15日中华预防医学会微生态学分会的成立有了学术组织 1988年 中国微生态学杂志 创刊 微生态学的研究领域涉及微生态学的基础 教学 临床 中医药 动物 植物 感染 微生态调节剂等 微生态调节剂 微生态调节剂 Microecologicalmodulator 是由调整微生态失调 保持微生态平衡 提高宿主健康水平或增进健康状态的益生菌及其代谢产物和促进物质制成的制剂 可分成三大类 益生菌 益生元 合生元 健康与疾病的概念病因学发病学 疾病的概念 疾病发生 发展和转归的普遍规律和机制 Conceptsofhealthanddisease Ishealthsimplytheabsenceofdisease 健康与疾病的概念 Conceptofhealth 健康不仅是没有疾病 而且是一种身体上 精神上和社会上的完好状态 Healthisastateofcompletephysical mental andsocialwell being notmerelytheabsenceofdiseaseorinfirmity 一 健康的概念 Conceptofdisease 在致病因素的损伤与机体的抗损伤作用下 因自稳调节紊乱而发生的异常生命活动过程 二 疾病的概念 病人主观感觉的异常 Subjectivefeelingofdiscomfortthatcanbereportedbytheaffectedindividual 患病机体客观存在的异常 Objectivelyidentifiableaberrationofthedisease 疾病中的一组复合的并有内在联系的症状和体征 Acollectionofdifferentsignsandsymptomsthatoccurtogetherinspecificdisease Etiology 三 病因学 研究疾病发生的原因与条件及其作用的规律 疾病发生的原因 Etiologicalfactors 一 致病因素的概念 Conceptofetiologicalfactors 能够引起某一疾病并决定疾病特异性的因素 Thefactorthatcausesthediseaseanddeterminetheclinicalfeaturesofthedisease 1 生物性因素 biologicalfactors 病原微生物和寄生虫 全世界每年死亡的人约1 3因感染性疾病 特点 有一定的入侵门户和定位 物理性因素 physicalagents physicalandchemicalagents 2 理化性因素 化学性因素 chemicalagents 无机和有机化合物 动植物毒素 反应停 儿童 海豹肢 曾在西欧市场上出售的一种叫做 反应停 的新药 刚上市时作为镇静剂广泛应用于孕妇妊娠反应 结果出现几千例胎儿畸形 引起世界震惊 各类必需或营养物质缺乏或过剩 3 营养性因素 nutritionalfactors 4 遗传性因素 hereditaryfactors 基因突变 genemutation 基因的化学结构改变 染色体畸变 chromosomalaberration 染色体数目异常或结构的改变 唐氏综合征 红绿色盲 白化病 先天性高血压 糖尿病 又称21三体综合症先天愚型 专家提醒 下列7类夫妻属高发人群 妊娠前后 孕妇有病毒感染史 如流感 风疹等 受孕时 夫妻一方染色体异常 夫妻一方年龄较大 妊娠前后 孕妇服用致畸药物 如四环素等 夫妻一方长期在放射性荧幕下工作或污染环境下工作 有习惯性流产史 早产或死胎的孕妇 夫妻一方长期饲养宠物者 geneticpredisposition 遗传易感性 具有易患某种疾病的遗传素质 congenitalfactors 能够损害胎儿生长发育的有害因素 胎儿酒精综合征 5 先天性因素 其典型表现是 体重低 中枢神经系统发育障碍 可有小头畸形 面部很怪 前额突起 眼裂小 斜视 鼻底部深 鼻梁短 鼻孔朝天 上口唇向里收缩 扇风耳 还有心脏及四肢的畸形 过敏反应 anaphylacticreaction 免疫系统对抗原发生异常强烈的反应 致使组织细胞损伤和生理功能障碍 易患湿疹 荨麻疹 有的患过敏性哮喘 有的则对某些药物特别敏感 6 免疫性因素 immunologicalfactors 自身免疫性疾病 autoimmunedisease 对自身抗原发生反应并引起自身组织的损害造成的疾病 如类风湿类疾病 免疫缺陷病 immunodeficiencydisease 因体液免疫或细胞免疫缺陷所引起的疾病 分先天性免疫缺陷症和后天性免疫缺陷症 病原微生物等原因可引起后天性免疫缺陷症 如AIDS和淋巴组织的恶性肿瘤 心理因素 psychologicalfactors Precipitatingfactorofdisease 二 疾病发生的条件 作用于病因或 和机体 促进或阻碍疾病发生的因素 一 条件的概念 Conceptofprecipitatingfactor 身体条件 自然条件 社会条件 二 条件的分类 Classificationofprecipitatingfactors 作用于病因或机体促进疾病发生发展的因素 病因 机体 条件 研究疾病发展及转归的一般规律和共同机制 Pathogenesis 四 发病 Generalrulesofdiseasedevelopment 一 疾病发展的一般规律 在原始病因作用下 机体发生某些变化 这些变化又作为发病学原因 引起新的变化 因果不断交替 推动疾病的发展 因果交替规律 Thereverseofcause resultindiseaseprocess Thebasicmechanismsofdisease 1 神经机制 neuralmechanism 2 体液机制 humoralmechanism 3 细胞机制 cellularmechanism 4 分子机制 molecularmechanism 二 疾病发生的基本机制 整体水平 细胞水平 分子水平 研究疾病时功能代谢的变化及其发生机制 器官水平 人体内有一个免疫系统 它是人体抵御病原菌侵犯最重要的保卫系统 人类的免疫防御 免疫器官 骨髓 胸腺 脾脏 淋巴结 扁桃体 小肠集合淋巴结 阑尾等 免疫细胞 淋巴细胞 单核吞噬细胞 中性粒细胞 嗜碱粒细胞 嗜酸粒细胞 肥大细胞 血小板等 免疫分子 补体 免疫球蛋白 细胞因子等 组成 人体抵抗病原微生物的防线 第一道 皮肤和粘膜 机械屏障 而且皮肤上的汗腺 皮脂腺 胃和鼻腔粘膜以及唾液 眼泪中都含有称为溶菌酶的蛋白质 可以溶解许多细菌 胃中分泌的胃酸 可以杀死入侵的细菌 生活在皮肤上的一些正常微生物群产生的物质 也可以在一定程度上抑制某些病原微生物的生长 第二道防线 干扰素 interferon IFN 一 分型 根据其来源 结构及生物学性质 1 I型IFN IFN 1 细胞来源1 IFN 白细胞 主要为单核吞噬细胞 产生 2 IFN 成纤维细胞产生 二者结合相同受体 2 主要诱生剂 病毒 polyI C 人工合成双股RNA 2 II型IFN 1 主要细胞来源活化的Th1细胞 CD8 CTL和NK细胞 2 主要诱生剂抗原或有丝分裂原 二 主要生物学活性1 型干扰素 1 抗病毒和抗肿瘤1 诱导宿主细胞产生抗病毒蛋白 干扰病毒复制 2 增强NK细胞对病毒感染细胞和肿瘤细胞杀伤 3 促进MHC 类分子表达 增强CTL对病毒感染细胞和肿瘤等靶细胞的杀伤 2 免疫调节 与 型干扰素类似 2 型干扰素 1 主要起免疫调节作用1 活化巨噬细胞 2 促进APC s 表达MHC 类分子 提高抗原递呈能力 3 促进MHC 类分子表达和增强CTL细胞的杀伤活性 4 增强NK细胞的杀伤活性 5 促进B细胞分化 增殖 6 抑制Th2细胞分化及细胞因子合成 2 抗病毒和抗肿瘤作用 与 型干扰素类似 摘自MicrobiologyandImmunologyon line 干扰素 表1 第三道防线 白细胞 人体血液内的白细胞吞噬并消化外来的微生物 伤口化脓 白细胞抵抗微生物入侵时光荣牺牲后的 尸体 第四道防线 免疫系统 淋巴细胞 T细胞 占淋巴细胞的78 80 血液和淋巴组织间循环功能 参与细胞免疫受特异的抗原物质激活后 迅即增殖和分化T免疫效应 胞毒T细胞分