第十一章微生物的形态

第十一章微生物的生态,生命科学学院馬匯泉,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；,第一节微生物在生态系统中的地位与作用,一、微生物在生态系统中的地位,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,微生物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；,2、微生物是物质循环中的重要成员；,3、微生物是生态系统中的初级生产者；,4、微生物是物质和能量的贮存者；,5、微生物是地球生物演化中的先锋；,二、微生物与生物地球化学循环,1、碳循环2、氮循环3、硫循环4、磷循环5、铁循环6、其它元素的循环,第二节环境中的微生物,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,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。,一、微生物群落,1、种群的相互作用,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；,主要介绍微生物间及微生物与其它生物间最常见的几种相互关系：,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,一）微生物间的互生关系,纤维素分解细菌,固氮菌,一）微生物间的互生关系,金黄色葡萄球菌的生长为本来在平板上不能生长的嗜血流感菌提供生长因子，后者在其菌苔周围形成卫星菌落。,一）微生物间的互生关系,本来不能在含青霉素的平板上生长的受体菌在转化子（含有Ampr质粒）周围形成卫星菌落（b-内酰胺酶分泌到胞外所致）,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,维生素、氨基酸等营养物对人体作出贡献；,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，它们都是通过芽孢杆菌的生长，为肠道重新创造良好的厌氧环境，促使肠道内正常的厌氧菌的生长繁殖，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,3、深海火山口细菌与蠕虫的共生关系,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）,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,悉生生物（Gnotobiote）：,-整个个体不携带或只携带已知微生物的生物,干扰因素少，操作易控制，既可进行定性分析，也可进行定量分析，实验结果准确、可靠，对于了解微生物与宿主之间复杂的关系及其机理具有十分重要的作用。,用于科学研究：,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；,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,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；,捕虫菌目（Zoopagales）在长期的自然进化中形成的特化结构，特化菌丝构成巧妙的网，可以捕捉小型原生动物或无脊椎动物，捕获物死后，菌丝伸入体内吸收营养。,2、群落结构,自然环境中的微生物一般都不是单独存在的,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。,二、陆生生境中的微生物,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,三、水生生境的微生物,（一）江河水,1）数量和种类与接触的土壤有密切关系；,2）分布上更多的是吸附在悬浮在水中的有机物上及水底；,3）多能运动，有些具有很异常的形态（例如柄细菌）；,4）靠近城市或城市下游水中的微生物多，并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；,饮用水的微生物指标：总菌数：100个/ml大肠杆菌：3个/L,（三）水体的富营养化作用和“水华”、“赤潮”,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,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（redtides）：,在海洋中，某些甲藻类大量繁殖也可也可以形成水华，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,四、大气生境的微生物,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，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,五、极端环境下的微生物,1、嗜热微生物（65-70）,2、嗜冷微生物（0-5）,3、嗜酸微生物（pH3-4）,4、嗜碱微生物（pH9）,5、嗜盐微生物（2.5mol/L）,6、嗜压微生物（400大气压）,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、动物体中的微生物,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,七、植物体中的微生物,2、微生物和植物根相互关系,-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。,1、植物表面微生物与植物病害,八、工农业产品上的微生物与生物性霉腐的控制,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