食品微生物第八章

第八章微生物生态

Microbialecology概述第一节自然界中的微生物第二节微生物之间的相互关系第三节微生物与环境保护概述生物圈 地球上有生命活动的范围统称为生物圈生态学：一门研究生物系统与其环境条件间相互作用规律性的科学微生物生态学：研究微生物群体—微生物区系或正常菌群对其周围的生物和非生物环境条件相互作用关系的科学生态学研究范围：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种群：生活在同一环境中的同种个体组成的能繁殖集团。与同种别地的种群有隔离、有界限。群落：同一环境中两个以上种群由于生活繁殖上的连锁而构成相依赖、相制约的生物集团。生态系统生态系统是指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。生物成分按其在生态系统中的作用，可划分为三大类群：生产者、消费者和分解者。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。生物地球化学循环(biogeochemicalcycles)

是指生物圈中的各种化学元素，经生物化学作用在生物圈中的转化和运动。这种循环是地球化学循环的重要组成部分。碳在生物圈中的总体循环氮循环氮循环由6种氮化合物的转化反应所组成，包括：固氮作用氨化(脱氨)作用硝化作用硝酸盐还原与反硝化作用

第一节 微生物在自然界中的分布与菌种资源本节内容：一、微生物在自然界的分布二、菌种资源的开发微生物在自然界的分布生物体内外的正常菌群人体微生态无菌动物与悉生生物植物微生态土壤中的微生物水中的微生物空气中的微生物腐败食品中的微生物极端环境中的微生物一、生物体内外的正常菌群人体的正常微生物区系正常菌群：生活在健康动物各部位，数量大、种类较稳定且一般是有益无害的微生物，称为正常菌群。正常菌群与人体的关系：一般能维持平衡，菌群内部的各种微生物之间，也是相互制约而维持相对稳定微生态关系

正常菌群之间、正常菌群与宿主之间，正常菌群与环境因子之间的关系人体的正常微生物区系有大量微生物的存在部位皮肤粘膜口腔鼻腔一切与外界环境相通的腔道：胃肠道、生殖道1014，人体细胞总数的10倍人体上的微生物其它生物体无菌动物（germ-freeanimal）：体内外检查不到任何正常菌群的动物悉生生物（gnotobiotics）：已经人为接种某已知纯种微生物的无菌动物根际微生物（rhizospheremicroorganism）：植物根系经常向周围土壤分泌各种外渗物质，故根际有大量微生物活动。种类组成受植物的种类和植物发育阶段影响。附生微生物（epibioticmicrobe）：指生活在植物体表面，主要借其外渗物质或分泌物质为营养的微生物。叶面微生物是主要的附生微生物。二、土壤中的微生物土壤是微生物的合适生境土壤中的环境条件：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，土壤微生物种类齐全、数量多、代谢潜力巨大，是微生物的大本营、也是人类最丰富的“菌种资源库”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，集中分布于土壤表层和土壤颗粒表面。典型花园土壤不同深度每克土壤的

微生物菌落数/CFu深度/cm细菌放线菌*真菌藻类3-8975000020800001190002500020-25217900024500050000500035-40570000490001400050065-751100050006000100135-1451400——3000——

土壤中的微生物类群土壤是自然界微生物活动的主要场所，1g表层土壤中含微生物的数量可达107~108个。水分、营养、pH、渗透压、氧、温度土壤中微生物的分布和数量分布和数量

108~109个/克肥沃土，106~107个/克贫瘠土 细菌>放线菌>霉菌>酵母菌>藻类>原生动物~108~107~106~105~104~103个/g影响因素有机物含量、湿度、pH、土壤类型、深度、季节、施肥土壤中微生物的主要类群细菌：主要异养菌,在潮湿土壤中生长,pH近中性放线菌：异养型,pH6.5-8.0种类数量丰富,干旱土中较多真菌：异养型霉菌：严格好氧类群酵母菌：几～几千个/克，含糖丰富土壤中较多（105个/g）藻类：光能自养型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2~3cm后采样。土壤微生物的作用

改变土壤的性质；进行物质转化；提高土壤肥力菌种筛选和分离的步骤调查研究及查阅充分的资料确定采集样品的生态环境设计实验方案确定特定的增殖条件采样确定特殊的选择培养基及可能的定性或半定量检测法增殖培养平板分离纯化菌种性能测定

一.采样采样：采集含菌的样品。采集目标：由于在土壤中几乎可找到任何微生物，所以土壤一般是首选的采集目标。除土壤以外，其他各类对象上都有相应的占优势生长的微生物。采样中应考虑环境条件对土样本中微生物分布的影响。1.环境条件对微生物分布影响

土壤中有机物的含量（营养环境）水分温度通风酸碱度植被情况（1）土壤中营养环境高糖环境（加工蜜饯、糖果、蜂蜜的环境）土壤耐渗透压酵母，柠檬酸产生菌，氨基酸产生菌富含淀粉环境污泥、水沟旁土壤中淀粉酶产生菌森林中腐叶烂草下土壤纤维素酶产生菌富含蛋白质（蚕丝、豆饼、生皮晒厂）土壤蛋白酶产生菌油田土石油分解菌(2)环境条件对分布的影响水分①离地表5-15cm土样②含水过多、过少都不理想温度：采样以秋季为好通风酸碱度：细菌、放线菌：中性或偏碱；霉菌、酵母：偏酸植被情况植被的种类对微生物的分布有密切的关系。采样方法采样方法（1）去除表层土（2）取5-15cm土样几十克（3）装入无菌牛皮低袋或塑料袋中注意（1）记录：时间，地点，环境情况等（2）样品袋应封好口，防止水分失去（3）土样应在分离前破碎（4）尽快分离二.增殖培养（富集培养）适用对象：样品中目的菌所占比例较低目的：增加样品中目的菌的数量，增大分离几率原理：通过控制营养成分或培养条件，使目的菌得以繁殖，而非目的菌的生长受到抑制。选择性培养基，如在土样中加入纤维素，富集纤维素分解菌增殖培养的方法控制培养基的营养成分控制培养基的pH控制培养的温度热处理：增殖芽孢细菌样品悬浮液经80℃、10分钟处理，杀死营养体，再添加营养培养，可增殖产芽孢细菌添加抑制剂三.纯种分离目的：将目的菌从混杂的群体中分离出来，获得纯培养。纯种分离的一般方法：稀释平板法：倾注平板或涂布平板划线分离法组织培养法：适用于分离高等真菌和植物病原菌稀释摇管法：适用于分离严格厌氧菌稀释分离划线分离厌氧菌的培养法去除培养基中的溶解氧，降低Eh值煮沸法培养基预还原法创造无氧的环境物理学方法化学方法：试管无氧培养法P392生物学方法混合法：厌氧罐法；厌氧手套箱厌氧菌的斜面培养法

厌氧培养装置Hungate滚管技术的厌氧试管三种厌氧培养皿厌氧罐及厌氧手套箱四.筛选目的：进行生产性能测定，确定适合要求的菌株。过程平皿反应快速检出法粗筛和复筛两步培养条件优化培养基的组成、通风量、pH值、培养温度、培养时间等分析：定量分析平皿反应快速检出法1.纸片培养显色法2.透明圈法碳酸钙平板透明圈：产酸量酪蛋白平板透明圈：蛋白酶3.变色圈法淀粉平板喷稀碘液：透明圈，液化型淀粉酶支链淀粉平板喷稀碘液：蓝色圈，异淀粉酶支链淀粉平板喷稀碘液：无色圈，液化型淀粉酶加葡聚糖的刚果红平板：葡聚糖酶平皿反应快速检出法4.生长圈法适用：氨基酸，核苷酸，维生素产生菌的选育工具菌：营养缺陷型，不能合成的物质为目的菌积累的产物菌落形态明显不同于目的菌5.抑菌圈法适用：抗生素产生菌的选育工具菌：对目的抗生素敏感的微生物初筛和复筛的比较初筛复筛种子斜面菌种液体种子摇瓶每株1瓶每株3~5瓶接种量每瓶一环3~5%取舍情况留下产量较高的10~20%的菌株每次保留10~20%，直至最后3~5株好氧培养五.纯种分离及筛选单细胞（单孢子）分离：获得细胞纯小滴分离法、显微操纵器进行分离六.生产性能试验培养条件优化，最终菌株可作为生产菌株或进一步育种出发菌株七.毒性试验及菌种鉴定从自然界中分离菌种举例

设计一种从自然界分离中温型（高温型）淀粉酶高产菌株的方案，并说明主要步骤的基本原理从粮食加工厂、饭店附近土壤、阴沟（高温堆肥）采样→用含淀粉的液体培养基于37℃（50~60℃）增殖→淀粉平板划线或涂布→依透明圈大小挑选菌株→划线纯化→液体摇瓶发酵→筛菌株（初筛、复筛）→测酶活→鉴定菌株→获高产菌株水中的微生物类群

水中微生物的来源 土著微生物，来自空气、土壤、污水、垃圾中的微生物水包括大气水（雨雪）、地面水、聚集水（河流、湖泊、水库）、地下水、海水这类微生物类群，会由于阳光的照射、河水的流动以及遇到不利的条件，如水中有机物因消耗而减少，浮游生物及噬菌体的吞噬，迅速死亡。水生生境的微生物水生生境主要包括湖泊、池塘、溪流、河流、港湾和海洋。水体中微生物的数量和分布主要受到营养物水平、温度、光照、溶解氧、盐分等因素的影响。

水体微生物的分类清水型水生微生物指能生长在含有机物不丰富的清水中的化能自养型或光能自养型的微生物。如硫细菌、铁细菌、衣细菌，蓝细菌、绿硫细菌、紫细菌等。仅从水域中吸取无机物或少量有机物作营养发育量一般不大腐生型水生微生物指能利用进入水体的废物废水为作为营养的微生物。如变形杆菌、大肠杆菌、产气杆菌、产碱杆菌以及芽孢杆菌、弧菌和螺菌等。能利用腐败的有机残体、动物和人类排泄物，生活污水和工业有机废物废水发育量大不同水体中的微生物种类

水淡水海水地下水：无色杆菌、黄杆菌、革兰氏阳性杆菌、微球菌、诺卡氏菌地表水溪水：营养少、主要是革兰氏阴性无芽孢杆菌、生丝微菌河水：出现假单孢菌、芽孢、肠杆菌、弧菌、螺菌、硫细菌、微球菌、八叠球菌、诺卡氏菌、链球菌、螺旋体等污水生活污水：荧光、绿脓、变形、枯草、阴沟、大肠、粪链球菌、病毒和噬菌体生产污水：与所含污物有关：密度大、渗透压高、冰点低。多数为革兰氏阴性菌、多嗜盐、河口处有耐盐菌，常见菌种：假单孢菌、弧菌、螺菌、无色杆菌、黄杆菌水体的自净作用（SelfCleaning）水体的自净作用

通过稀释、沉降、吸附等物理作用，以及生物学和生物化学的作用，包括好氧菌对有机物的降解、原生动物对细菌的吞噬、噬菌体对宿主的裂解、藻类对无机元素的吸收利用、浮游动物和后生动物通过食物链对有机物的摄取和浓缩作用，水体对有机或无机污染物的自净作用水体自净作用的实质

除去水中天然微生物类群，其余微生物一般只生存一段时间，很快便死亡饮用水的微生物指标细菌总数(CFU)≤100个/ml大肠菌群≤3个/L由水传播的疾病及其检验依据痢疾、霍乱、伤寒、肠道传染病检验：直接检验法、大肠菌群法大肠菌群肠道正常细菌有三类： 大肠菌群、肠杆菌和产气荚膜杆菌大肠菌群：一群以大肠杆菌为主的需氧及兼性厌氧的G-无芽孢杆菌，能在48h内发酵乳糖产酸产气。（大肠埃希氏菌、柠檬酸细菌、产气气杆菌、肠杆菌、克雷伯氏菌等）肠道致病菌

上：痢疾杆菌右：霍乱弧菌右上：伤寒沙门氏菌

四、空气中的微生物类群

空气不是微生物产生和生长的良好环境，大气中没有固定的微生物种类。因为空气中不含有细菌及其他微生物生长所必须的水分和各种养料；但在空气仍然能找到微生物，它们的存在，在经济上及环境卫生方面有着极大的重要性。空气中微生物含量的多少与气候条件、人口密度及室内外的清洁卫生状态等许多因素有关.大气中的微生物来源于土壤、水体和其他微生物源。

空气中检出率较高的微生物类群是抵抗力较强、特别是耐干燥和耐紫外线力强的。如G+球菌、含芽孢的G+杆菌以及霉菌和酵母菌的孢子。不同地点大气中的微生物数量

地点微生物数量/CFu·m-3北极(北纬800)0海洋上空l-2市区公园200城市街道5000宿舍20000畜舍1000000-2000000工农业产品上的微生物工业品：食品：农产品：工业产品的霉腐造成工业产品霉腐的微生物

用动植物原料、人工合成的有机物、无机物制成的工业品都可被相应微生物分解破坏，常见的为由微生物引起的霉变与腐烂

霉腐微生物（BiodeteriorativeMicrobiology）材料劣化霉变（mildew，mouldness）：由霉菌引起的劣化腐朽（decay）：木质素和纤维素腐烂（Putrefaction）：变软发臭腐蚀（corrosion）：金属材料变质（deterioration）：工农业产品质量下降防止工业产品霉腐的方法控制微生物生存的环境条件控制其温度、湿度、氧气和养料采用有效的化学抑菌剂、杀菌剂、物理杀菌剂在工业产品加工、包装过程中，尽量保持环境卫生并严防杂菌污染食品上的微生物影响食品上的微生物的因素食品本身的性质环境因素条件防腐剂：苯甲酸、山梨酸、脱氢醋酸、维生素K3、丙酸、二甲基延胡索酸、Nisin食品上微生物的来源：食品原料的采收、运输、加工和包装过程中被微生物污染，食品原料在土壤中生长所正常带有的微生物食品上的微生物微生物污染的危害：除引起食品变质外，还可能含有各种致病菌和毒素等有害代谢产物，会引起人类的各种严重疾病食品上的微生物腐败食品中的微生物食品分类（按pH分）酸性食品

pH在4.5以下的食品，包括水果、酸菜、饮料、果酱、部分蔬菜非酸性食品

pH在4.5以上的食品，包括粮谷类、豆类、乳类、肉、禽、蛋、蔬菜、部分瓜类pH与微生物的生长pH4.5以下能生长的微生物

乳酸菌类、酵母、霉菌pH4.5以上能生长的微生物

所有微生物防止霉腐的方法：在加工、制造、包装过程中必须特别注意清洁卫生控制保藏条件——采用低温、干燥、密封等措施添加少量无毒的化学防腐剂——如苯甲酸、山梨酸、脱氢醋酸、维生素K、丙酸、二甲基延胡索酸等罐头制品罐头食品生产的工艺流程

动植物组织→预处理→调配→装罐→真空封藏→杀菌→成品罐头的种类酸性食品罐头：属于一般酸性食品（pH3.7~4.5）者，如番茄、梨、无花果、菠萝和其它水果罐头；属于高酸食品（pH<3.7）者，如泡菜、浆果和柠檬汁罐头其中能生长的为不耐热微生物，只需沸水杀菌或巴氏消毒即可低酸或中酸食品罐头：pH>5的食品称低酸食品，如多数肉类、海产品、牛奶、玉米和豌豆等；pH为4.5~5的食品则称中酸食品，如肉菜混合物、汤料和沙司等需用>100℃的高压蒸汽灭菌法灭菌，以杀死其中最耐热的致病菌农产品上的微生物

—粮食和饲料上的微生物导致粮食饲料发生霉变的微生物：以青霉属、曲霉属、镰孢霉属（Fusarium）等的一些种为主真菌与真菌毒素：凡是被霉菌严重污染的粮食一般都含有多种真菌毒素，主要真菌毒素：黄曲霉毒素、赭曲霉素、杂色曲霉素、岛青霉素、黄天精、环氯素、展青霉素、桔青霉素、皱褶青霉素、黄绿青霉素、青霉酸、圆弧青霉素、偶氮酸、单端孢烯族毒素、二氢雪腐镰刀菌烯酮和T2毒素等。极端环境下的微生物嗜极菌/极端微生物Extremophiles

依赖于极端环境才能生长的微生物极端环境下微生物的研究意义独特的细胞构造生理、生化和遗传种系进化类群嗜热微生物嗜冷微生物嗜酸微生物嗜碱微生物嗜盐微生物嗜压微生物第二节 微生物与生物环境

之间的相互关系微生物与任何一种生物之间的关系：双方获益：共生、互利共栖、协同共栖、互养共栖（++）单方获益，对方受害：寄生、捕食、拮抗（+–

），（–+）单方获益，对方无害：偏利共栖、卫星状共栖、互生（代谢共栖）（+0）互不相扰：无关共栖（00）一方受害，对方无益无损：偏害共栖（0–

）双方受损：竞争共栖（–

–）1.互生是指两种可以单独生活的生物，当它们在一起时，通过各自的代谢活动有利于对方，或偏利于一方的一种生活方式。互惠互利

A+B

A

B

或A

或B

互生的类型：可分可合、合比分好微生物之间的互生肠道正常菌群与人的互生互生与发酵混菌培养二元培养技术微生物之间的互生土壤微生物的互生关系好氧性自生固氮菌与纤维素分解菌纤维素分解菌：有机酸好氧性自生固氮菌：氮素拉曼毛霉与一种红酵母，都是VB1需求者，都是只能合成硫胺素分子的一半结构；二者共栖时，互相吸收对方分泌物而可以不需要VB1，此为代谢共栖。混菌培养与生产实践酸奶的制作人体肠道与肠道正常菌群的互生关系人体的肠道正常菌群排阻、抑制外来致病菌提供若干种维生素：如VB1、B2、B6、B12、VK、烟酸、泛酸、生物素、叶酸等产生若干种酶类一定程度的固氮作用产气体和粪臭素

2.共生有些具有互利关系的两个微生物群体相互更为密切，甚至形成结构特殊的共生物体，两者绝对互利，分开后有的甚至难以单独生活，而且互相之间具有高度专一性，一般不能由其他种群取代共生体中的组成成员。

A

+B

A

B

微生物间的共生关系：地衣产氢产乙酸菌株（S菌株）与产甲烷细菌（MOH菌株）微生物与植物间的共生关系：根瘤菌与豆科植物放线菌、藻状菌、蓝细菌、分枝杆菌和克雷伯氏菌与一些非豆科植物之间的根瘤菌根，特别多见于兰科、杜鹃科及其它森林树种微生物与动物之间的共生关系：白蚁、蟑螂与其消化道中的原生动物及其它微生物（外共生生物）反刍动物与其瘤胃微生物

3.寄生

一种生物生活在另一种生物体内，从中摄取营养而进行生长和繁殖，并在一定的条件下使后者受到损害，或被杀死，这种关系称作寄生。前者叫寄生物，后者叫寄主或宿主。

A

+B

A

B

各种寄生物对寄主的寄生程度不一样，一般分三类1.专性寄生寄主必须是活的寄生物才能生存，如病毒2.

兼性寄生以腐生为主，兼营寄生。3.兼性腐生以寄主为主，兼营腐生。微生物间的寄生噬菌体与其宿主之间的关系真菌对真菌的寄生细菌或真菌寄生于原生动物细菌寄生于细菌：蛭弧菌寄生于Pseudomonasphaseolicola（栖菜豆假单胞菌）微生物与植物之间的寄生关系：植物病原体专性寄生物和兼性寄生物微生物与动物之间的寄生关系：各种病原微生物昆虫病原菌——生物农药冬虫夏草4.拮抗一种微生物在其生命活动过程中，产生某种代谢产物或改变其它条件，从而抑制它种微生物的繁殖，甚至毒害或杀死其它生物的现象。A

+B

A

B

1.非特异性拮抗对其它生物没有选择性。2.特异性拮抗如放线菌产生抗生素。拮抗关系的利用：筛选抗生素食品保藏医疗保健动植物病害防治5.捕食定义：一种较大型的生物直接捕捉、吞食另一种小型生物以满足其营养需要的相互关系。微生物间的捕食关系原生动物吞食细菌和藻类的现象。真菌捕食线虫和其它原生动物的现象捕食现象的利用——生物防治第三节

微生物及环境保护环境污染指土壤或水体等生态系统的结构、功能受到外来有害因素的影响或破坏失去了平衡，导致物质流、能量流无法正常运转的现象微生物对污染物的降解与转化生物降解(biodegradation)

是微生物(也包括其他生物)对物质(特别是环境污染物)的分解作用。降解性质粒

降解难降解化合物的酶类是由质粒控制的，这类质粒被称为降解性质粒(catabolicplasmids)

。环境中的主要污染物无毒无机物：酸、碱、无机盐、氮、磷有毒无机物：重金属、氰化物、氟化物无毒有机物：多糖、脂肪、蛋白质有毒有机物：苯酚、多环芳烃、人工合成的有机物污水当进入水体的外来污染物质数量，超过了水体的自净能力，并达到破坏水体原有用途的程度，即为水污染。水体污染的表现：无法进行水的自净作用水的污染源（水污染的原因）工业废水：金属、酚、甲醛等农业废水：农药、化肥、粪便生活废水：代谢废物、食物残渣有害固形物溶于水、废气溶于水二、微生物治理污染污水的微生物处理微生物治理污水的原理污水处理的微生物污水处理的方法和装置污水处理的有关名词COD：化学需氧量使用强氧化剂使1升污水中的有机物质迅速进行化学氧化时所消耗的氧的毫克数，即有机物所消耗的氧气的量，mg/L。

强氧化剂:KMnO4和K2Cr2O7。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。BOD5（5日生物需氧量）：使用微生物使1升污水中的有机物在20℃下进行化学氧化，5日内所消耗的氧的毫克数。即20℃时，每升废水在5日内能被微生物降解的有机物彻底氧化所消耗的氧的量，mg/L。水中有机物含量的一个间接指标一级水：BOD5值小于1mg/L二级水：BOD5值小于3mg/L三级水：BOD5值小于4mg/L严重污染：BOD5值大于10mg/L污水处理微生物处理污水过程的本质是微生物代谢污水中的有机物，作为营养物取得能量生长繁殖的过程污水处理中的特殊微生物针对性强种类多筛选难体内有能水解污染物的酶染色法观察到活性污泥中的各种菌落,每一种颜色代表一种细菌TOD：污水中能被氧化的物质在高温下燃烧变成稳定氧化物时所需要的氧量三、微生物处理污水的原理高BOD5的污水进入污水处理装置后，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，在客观上造成一个选择性的培养条件，随时间推移，发生微生物区系的群落演替，使水中有机物或毒物不断被降解、氧化、分解、转化或吸附沉降，进而达到净化的目的。

微生物区系充分供氧分层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。污水处理的方法和装置

污水处理装置节能型耗能型产能型氧化塘法洒水滤床法活性污泥法生物膜法厌氧消化法（即沼气发酵）推流式曝气法完全混合曝气法生物转盘法塔式滤池法（一）厌氧处理法沼气（marshgas或swampgas）：又称生物气（biogas），是一种混合可燃气体，其中主要成分为甲烷、