第十章微生物生态.ppt

第十章微生物生态 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 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 参见P296 微生物与环境保护 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 微生物的分布 生境的特征 参见P302 一 空气中的微生物 1 无原生的微生物区系 2 来源于土壤 水体及人类的生产 生活活动 3 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 4 数量取决于尘埃数量 5 停留时间和尘埃大小 空气流速 湿度 光照等因素有关 6 与人类的关系 传播疾病 造成食品等的污染 微生物学的基本技术 无菌操作技术 制备微生物气溶胶实现群体免疫 无菌操作及超净工作台 二 水体中的微生物 一 江河水 1 数量和种类与接触的土壤有密切关系 2 分布上更多的是悬浮在水中的有机物及水底 3 多能运动 有些具有异常的形态 例如柄细菌 4 靠近城市或城市下游水中的微生物多 且有很多对健康不利的细菌 因此不宜作为饮用水源 5 水体自身存在自我净化作用 a 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 b 水表微生物会受辐射等作用而被杀灭 c 原生动物等的吞噬作用 d 由固形物吸附再沉积到水底 水中的病原微生物会对水质产生重要影响 饮用水的微生物指标 总菌数 100个 ml大肠杆菌 3个 L 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 二 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 4 耐高压 特别是生活在深海的细菌 3 大多数海洋细菌为G 细菌 并具有运动能力 Micrococcusaquivivus 水活微球菌 最适生长条件 600个大气压 三 水体的富营养化作用和 水花 赤潮 水资源污染日益严重 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 水花 或 水华 waterbloom 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 redtides 在海洋中 某些甲藻类大量繁殖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 三 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 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 是微生物的大本营 1 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 2 土壤微生物的数量和分布受季节影响 3 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 20世纪80年代 美国能源部 地下科学计划 DeepSubsurtaceProgram 地下的微生物 在陆地可达4公里深 每下降1公里温度上升20 在海底则可深达7公里 每下降1公里温度上升15 目前已知微生物的最高生长温度 113 海底火山口 目前的采样深度 2 8公里 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 2 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 2 食品 农副产品上的微生物 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 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 不可培养的微生物 从环境中直接分离并克隆rRNA并分析其序列和在分子进化树上的位置等方法而发现的的目前尚不能在人工条件下获得培养的微生物 unculturedmicroorganisms 不可培养的微生物与生物多样性 研究意义 生物多样性和系统发生的多样性 BiodiversityandPhylogeneticdiversity 微生物生态学的研究提出新的要求 寻找新的致病微生物 从不可培养微生物中寻找新的基因 新的蛋白 据报道 美国recombianantbiocatalysisInc公司目前已从不可培养微生物中获得了约300个与工业生产相关的新蛋白 第二节微生物与生物环境间的相互关系 个体 种群 群落和生态系统从低到高的组织层次 群体 population 具有相似特性和生活在一定空间内的同种个体群 是组成群落的基本组分 群落 community 在一定区域或一定生态环境内 各种生物群体构成的一个生态学结构单位 群落中各生物群体之间存在各种相互作用 生态系统 ecosystems 生物群落和它们所生活的非生物环境结合起来的一个整体 是生物圈的组成单元 生物圈 biosphere 地球上所有生物及其所生活的非生命环境的总称 个体 群体 群落 非生物环境 生态系统 生物圈 微生物生态的研究特点 以微生物群体 即种群作为主要研究单位 生态系统中生物之间的相互关系 有利关系 一种生物的生长和代谢对另一种生物的生长产生有利的影响 或相互有利 有害关系 一种生物的生长对另一种生物的生长产生有害的影响 或相互有害 中性关系 二种生物生活在一起时 彼此对对方的生长代谢无明显的有利或有害影响 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 可分可合 合比分好 一 微生物间的互生关系 纤维素分解细菌 固氮菌 二 人体肠道正常菌群 互生关系 正常情况 寄生关系 某些特殊条件下 人肠道内的菌群 60 400种不同的微生物 占粪便干重1 3的是细菌 其中厌氧菌占了绝大多数 正常菌群通过肠道获取营养 通过排阻 抑制外来致病菌 提供许多人体所必不可少的 环境条件改变或着生部位改变 正常菌群 致病菌 滥用抗生素 人身体虚弱抵抗力下降 吃了不洁净的食物 肠道中的正常菌群 大肠杆菌 一旦进入泌尿系统 引起尿路感染 人体表面的正常菌群 一旦它们进入伤口也会引起感染 条件致病菌 人体的正常微生物菌群一旦进入非正常聚居部位 或生态结构发生改变而引起人类疾病的微生物 可以通过口服某些活的微生物制剂来治疗由于正常菌群失调而导致的腹泻 例如 含蜡状芽孢杆菌 Bcereus 的 促菌生 含地衣芽孢杆菌的 整肠生 等 这类活微生物制剂又称微生态制剂 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 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 互惠共生 二者均得利 偏利共生 一方得利 但另一方并不受害 一 微生物间的共生关系 地衣 藻类和真菌的共生体 形成有固定形态的叶状结构 真菌无规则地缠绕藻类细胞 或二者组成一定的层次排列 地衣繁殖时 在表面上生出球状粉芽 粉芽中含有少量的藻类细胞和真菌菌丝 粉芽脱离母体散布到适宜的环境中 发育成新的地衣 结构上的共生 生理上的共生 共生菌从基质中吸收水分和无机养料 共生藻进行光合作用 合成有机物 使地衣能在十分贫瘠的环境中生存 一 微生物间的共生关系 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 并且这些细菌在原生动物细胞外都不能生长 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 二 微生物和植物间的共生关系 根瘤菌与豆科植物间的共生 形成根瘤共生体 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 三 微生物与动物的共生关系 1 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 食木质的白蚁自身并不能分解期望上纤维素 必须依赖肠道中共生的原生动物和细菌通过厌氧发酵过程来分解纤维素 内共生 昆虫与其细胞内的共生性细菌 这些细胞内的共生性细菌能为宿主提供B族维生素 使昆虫能以缺乏维生素的植物为生 2 与反刍动物的共生关系 反刍动物 如牛 羊 骆驼 长颈鹿等以植物的纤维素为主要食物 它们在瘤胃中经微生物发酵变成有机酸和菌体蛋白再供动物吸收利用 瘤胃也为里面居住的微生物提供了必要的营养和生长条件 食物和严格的厌氧环境 3 深海火山口细菌与蠕虫的共生关系 三 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 寄生物 parasite 寄主或宿主 host 一 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 二 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 四 拮抗 某种生物产生的代谢产物可抑制它种生物的生长发育甚至将后者杀死 微生物间的 化学战术 抗生菌产生能抑制其它生物生长发育的抗生素 特异性拮抗 微生物间的生长抑制 因某种微生物的生长而引起的其它条件的改变 从而抑制它种生物的生长 非特异性拮抗 五 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 六 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 微生物间的捕食现象 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 第三节微生物在生态系统中的作用 生态系统 生物群落 所生活的非生物环境 物质循环 能量流动 生产者 从无机物合成有机物 消费者 利用有机物进行生活 一般不能将有机物直接分解成有机物 分解者 分解有机物成无机物 参见P297 微生物可以在多个方面但主要作为分解者而在生态系统中起重要作用 一 微生物在生态系统中的作用 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 微生物在碳素循环中的作用 把有机物中的碳元素尽快矿化和释放 从而使生物解处于一种良好的碳平衡循环中 地球上约90 的CO2是由微生物分解作用形成的 二 微生物在碳素循环中的作用 微生物的分解作用 光合作用固定的CO2中大部分积累于木本和草本植物躯干中 草本植物中多糖含量更高分解纤维素的任务就是由土壤中的一些特殊微生物来完成的 自然界的氮素循环是各种元素循环的中心 而微生物是整个氮素循环的中心 氮元素的自然形态 1 铵盐 亚硝酸盐 硝酸盐 2 有机含氮物 3 氮气 一 生物固氮据统计全球生物圈每年生物固氮达2亿吨 根瘤菌属每年可为每公顷土地固氮达250公斤 三 微生物在氮素循环中的作用 二 硝化作用 定义 土壤或水体中的氨态氮经化能自养菌的氧化而成为硝酸态氮的过程 过程 两阶段 1 由亚硝化细菌参与 铵 亚硝酸 2 由硝化细菌参与 亚硝酸 硝酸 三 氨化作用 定义 含氮有机物经微生物的分解产生氨的作用 含氮有机物的种类 蛋白质 尿素 尿酸 几丁质等意义 含氮有机物必须经过微生物降解才能被植物利用 四 同化作用 所有绿色植物和微生物进行的以铵盐作为营养 合成氨基酸 蛋白质 核酸和其它含氮有机物的作用 五 硝酸盐还原和反硝化作用 定义 由硝酸盐还原成NO2 并进一步还原成N2的过程 广义 狭义的反硝化作用仅指由亚硝酸还原成N2的过程 条件 厌氧 淹水的土壤或死水塘中 意义 土壤中氮元素流失的重要原因之一水稻田中施用化学氮肥 有效利用率只有25 左右 四 微生物在硫素循环循环中的作用 生物体对硫的需要量约为氮的1 10 硫循环与氮循环相似 各环节都有相应的微生物参与 1 硫的氧化2 硫酸盐还原3 硫化氢的释放 生物体有机硫 S 5 异化性硫酸盐还原 SO42 H2S 1 同化性硫酸盐还原 2 脱硫作用 4 硫氧化作用 2 3 硫氧化作用 1 6 异化性硫还原 五 磷的循环 能溶解土壤中的磷酸钙或磷灰石的微生物较多 靠产酸作用促进磷酸钙溶解 如硝化细菌和硫化细菌 生物体有机磷 磷酸或可溶性磷酸盐 不溶性磷酸盐 产酸微生物的作用或磷肥生产 与土壤中的盐基结合 植被与微生物的吸收同化 微生物的分解作用 第十章微生物生态 第一节自然界中的微生物第二节微生物与生物环境间的相互关系第三节微生物在生态系统中的作用第四节微生物与环境保护 第四节微生物与环境保护 环境污染 生态系统的结构 机能受到外来有害物质的影响或破坏 无法进行正常的物质循环 一 微生物对污染物的降解与转化1 生物降解 微生物对物质的分解作用 2 降解性质粒 微生物对污染物的降解主要是酶促反应 但有些酶是由质粒控制的 这类质粒被称为降解性质粒 3 降解反应和生物降解性 二 重金属的转化环境污染中所说的重金属一般指汞 锡 铬 铅 砷 银 硒 锡等 微生物特别是细菌 真菌在重金属的生物转化中起重要作用 汞的微生物转化包括三个方面 无机汞的甲基化 无机汞 Hg2十 还原成Hg 甲基汞和其他有机汞化合物裂解并还原成Hg 三 微生物与污水处理水体污染的表现 无法进行水的自净作用 污水处理的有关名词 BOD5 biologicaloxygendemand 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 COD chemicaloxygendemand 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 污水处理的主要装置 一 活性污泥法活性污泥 是指由菌胶团形成菌 原生动物 有机和无机胶体及悬浮物组成的絮状体 微生物主要是细菌 主要有生枝动胶菌