复旦微生物学课件11- 微生物生态

第八章微生物的生态1研究生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系的一门科学。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。各种环境中微生物的种类、分布微生物和其他生物的关系微生物与物质循环生态学：生态系统：在一定的空间内生物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。微生物与环境保护；2第一节微生物在自然界中的分布4一、土壤微生物•土壤是微生物大本营。营养与水分•原因：土壤具备微生物生长空气与酸度温度与渗压•排序：一般细菌放线菌霉菌酵母菌~108~107~106~105藻类原生动物~104~103/g•土壤是微生物“菌种资源库”5土壤微生物的含量与功能土壤有机质：约占耕作层的2%土壤细菌量：约占土壤有机质的1%亩细菌重量：细菌湿重约有90~255kg微生物功能：进行物质转化；改变土壤理化性质；提高土壤肥力分布规律：肥土瘦土;耕作层非耕作层旱田放线菌与真菌水田土壤6二、水体微生物分类：自然水质（江、河、湖、海等各种淡水和咸水)人工水域（水库、井水、自来水等）分布：任何水质中都生存着相应的微生物水生微生物的区系可分为：清水型水生微生物，水质清有机含量低，含少量自养微生物为主。还有贫(寡)营养细菌(1~15mgC/L)腐败型水生微生物，水质浊有机含高，携带大量外来腐生细菌与原生动物等。7沿岸区浅水区阳光充足和溶氧量大，蓝细菌、光合藻类和好氧性微生物。柄杆菌属生丝微菌属深水区光线微弱、溶氧量少和硫化氢含量较高，一些厌氧光合细菌和若干兼性厌氧菌.紫色和绿色硫细菌湖底区严重缺氧，厌氧菌生长脱硫弧菌属产甲烷菌蓝藻8海洋微生物海洋营养物浓度特别低(N,P,Fe)微生物数量：105-106个/ml微生物的数量随着深度而降低深海中古生菌数量多于细菌广阔海洋初级生产力：主要为原绿藻(Prochlorophyte)好氧不产氧光合异养细菌（AAPB）9饮用水标准•检测：饮用水的微生物学检测十分重要，不仅要检测微生物的总菌数，更重要的检测大肠菌群含量,依此判断水源被粪便污染程度,从而间接推测其它致病菌存在的概率（为什么用大肠菌群来判断，指标是什么？用什么方法检测？p241–p103）•标准：总菌数100/ml(500/ml不宜饮用)大肠菌群[指示菌]3个/L（EMB）微囊藻毒素1ug/L11建立水体病毒检测方法的必要性•水中病原体：–细菌、病毒以及寄生型原生动物等–其污染来源主要是人畜粪便•常规的水消毒技术可以去除细菌，但较难将病毒完全清除如：–0.5mg/L氯来处理10分钟才可清除水中的脊髓灰质炎病毒–Norovirus可以耐受60ºC30min，低于pH＝3的酸度，并耐受3000ppm的次氯酸盐–这些病毒数量往往较少，但单个病毒足以引起感染12通过噬菌斑间接检测病毒•噬菌体可作为粪便来源致病病毒的指标–只感染细菌，能保证检测人员的安全–与人类致病性病毒具有相似的结构、大小和化学组成•类似于肠道病毒的对环境的抗性和水处理过程中的耐受性•能很好地代表水处理过程中病毒颗粒被清除的情况–水体中噬菌体的量远远多于致病病毒•所以可以作为很好的指示–欧美的水质检测方法中，已利用噬菌体来检测水体内引起疾病的病毒情况•噬菌体可用于病毒去除效率的指标13水体中病毒检测•噬菌斑检测(host:E.coli,Bacteroidesfragilis)•致病病毒的定量ＰＣＲ检测•利用细胞的病毒培养和利用量子点（quantum-dot）的病毒检测14三、空气中的微生物来源：尘埃是空气中微生物的主要来源尘埃是“微生物的飞行器”微生物学工作的主要污染源消除法：空气过滤除菌法；UV杀菌法；化学消毒杀菌（甲醛高锰酸钾法）等分布：公共场所、医院、城市大洋、高山、高空、森林地带1516雾霾中的微生物Environ.Sci.Technol.2014,48,1499−150717四、工农业产品上的微生物生物劣化种类多常纳入霉腐微生物学(biodeteriorativemicrobiology)霉变(mouldness):由霉菌在产品生长引起劣化腐朽(decay):好氧下微生物酶解木质素纤维素所致劣化腐烂(腐败,rot):由细菌或酵母所物质软化发臭性劣化腐蚀(corrosion):由硫酸盐还原菌,铁细菌或硫细菌所致金属材料的侵蚀等劣化现象18霉腐微生物的危害方式酶系:分解各产品中相应组分(纤维素酶分解棉、麻、竹、木等材料;蛋白酶分解革、毛、丝、裘等产品等等)菌体:本身属电解质,对电汛与电器的电学性能危害极大等产物:菌体分泌的有机酸等代谢产物对光学仪器损害重大等毒素:其危害更大,常常致人于死地等（如：黄曲霉毒素）19“菌灾”预防菌灾所致的损失是极其巨大又很难估计防治要点：阻断微生物赖以生长繁殖的外环境条件；（温、湿、氧与养等）采用理化方法抑杀使产品劣化的微生物；杜绝产品加工、包装等过程微生物的污染，无菌措施等。2021五、极端环境下的微生物嗜热微生物（Thermophiles)细胞膜耐热性高，单分子层；G+C含量高，核糖体耐热；酶耐热-TaqDNA聚合酶（水生栖热菌（Thermusaquaticus）中分离）-PfuDNA聚合酶（火球菌（PyrococcusFuriosus）中分离）22嗜冷微生物（psychrophiles）最适温度15度细胞膜中大量不饱和脂肪酸主要在极地、深海、高山（100m以下海洋2-3度）应用：低温下的酶制剂（如：洗涤剂用的蛋白酶）23嗜酸微生物(acidophiles)最适pH4嗜碱微生物（alkaliphiles)最适pH8细胞内pH接近中性，壁膜的排H+能力洗涤剂的添加剂(蛋白酶，脂肪酶等）；不详矿山排水24嗜盐微生物(halophiles)最适盐度12-32%嗜压微生物（barophiles)最适压力400atm25极端微生物嗜热（50-80度)嗜冷（0-10度)嗜酸（pH4)超嗜热（80度)嗜碱（pH9)嗜盐（salt10%)2627古古生菌界泉古生菌门广古菌门嗜盐嗜酸厌氧产甲烷奇古菌门28人体正常菌群肠道正常菌群(p248)与人体间以互生为主，有时转化为寄生（病态）；在肠道正常菌群间则存在着共生、互生、寄生与拮抗等复杂菌相动态平衡（微生态平衡，失调，内源性感染，宏基因组—元基因组）数量：60~400种微生物（现〉3000），总数100万亿优势菌：厌氧G-的拟杆菌，双歧杆菌和乳杆菌类，含量可达10~100亿/克湿粪，好氧菌1%功能:多方面,400~650ml/日产气量29厚壁菌拟杆菌30微生态制剂定义：是依据微生态学理论制成的含有益菌的活菌制剂功能：a维持宿主的微生态平衡b调整宿主的微生态失调c兼有若干其他保健功能分类：a益生菌剂着眼于活的有益菌b益生元能活化益生菌的底物（人体不能消化吸收的低聚糖类食物）31皮肤物化特点(pH,油脂,水分)皮肤细胞(汗腺&皮脂腺)微生物(病原菌,降解菌)代谢产物屏障提供底物抑制一些微生物代谢产物疾病，免疫疾病皮肤：最大器官,~1.8m2;~1亿细菌/cm2皮肤生态系统32疾病部位的主要微生物是否都是病原菌?是否应该去除皮肤上的所有“病原菌”?PreviousView:killallgermCurrentView:decreasebadgerm,increasegoodgermAdvancedView:promotethehealthybalanceofmicrobes开发个性化护肤品：哪个是影响皮肤微生物菌群结构的主要因素？（部位，年龄，性别，职业，遗传等）33第二节微生物与生物环境间的相互关系34微生物与生物环境间关系共生（symbiosis）：两种生物共居一起分工协作、相依为命、难分难解与合二为一的依存关系寄生（parasitism）：常指小型生物生活在另一种较大型生物的体内或表面吸取营养生长而使后者蒙难互生（metabiosis）：两种独生的生物生活在一起时各自代谢活动有利于对方，即可分可合，合比分好拮抗（antagonism）：系指共居在一起的生物由于它种生物分泌拮抗物而受抑或被杀捕食生物间捕食主要为原生动物吞食细菌和藻类现象35共生类型微生物间的共生实例地衣为菌、藻（即子囊菌与绿藻或篮细菌）共生产氢产乙酸菌与产甲烷菌微生物与植物间的共生实例根瘤菌与豆科植物间共生之典型微生物与动物间的共生实例反刍动物瘤胃微生物的共生也十分典型36降解消化时间降解效率(％)牛瘤胃24h～36h60～90堆肥6m～12m60土壤以年计很低瘤胃--分解转化纤维素类物质效率最高的天然体系之一373839寄生类型微生物间的寄生实例噬菌体与其宿主菌蛭弧菌与其宿主菌微生物与植物的寄生实例专性寄生（锈菌、白粉菌和植物病毒）兼性寄生除活体寄生外还能在死组织上生长微生物与动物的寄生实例病原菌41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制作泡菜中的拮抗：密封容器，好氧菌和兼性厌氧菌利用了残氧，为乳酸菌提供无氧环境，乳酸拮抗腐败菌42捕食捕食：是指一种较大型生物直接捕捉、吞食另一种小型生物以满足其营养需要的相互关系。微生物间捕食关系主要是原生动物吞含细菌和藻类的现象意义：捕食在污水净化和生态系统的食物链具有重要功能43第三节微生物的地球化学作用44定义:(元素循环,物质循环)在水环境、空气、岩石圈中通过物质的生化活性所引起的物理移动和化学转换：C,H,O,N,S,P,…Fe,Mo,Mn,etc.物质循环物质循环与能量流动是相关的C循环与能量流最直接相关CO2+H2O+lightenergyCHO+O2CHO+O2releasedenergy+H2O+CO245食物链能量学自养生物:CO2org.C生产者高等植物(energyfromsun)藻类(energyfromsun)细菌(energyfromsunorchemicaloxidations)异养生物:消费者org.Corg.C初级消费者=食草动物次级消费者=以食草动物为食三级消费者=以次级消费者为食杂食动物=以生产者和消费者为食分解者(食腐质者)org.Clesscomplexorg.CCO2细菌，真菌46物质循环Assimilatory（同化）process:生产生物量组分Dissimilatory（异化）process:分解伴随释放能量氧化:失去电子;释放能量.还原:得到电子;需要能量.-通过氧化作用和还原作用，得到微生物代谢所需能量。471.“快”循环–十年或更短a.储藏者:大气,海洋表面,生物,土壤b.转移:光合作用,呼吸作用,矿物燃料燃烧c.生物过程占优势2.“慢”循环–千年a.储藏者:深海,沉积,矿物燃料b.转移:沉积的埋葬和掘出,火山c.地质过程占优势有机碳或者碳酸盐可以进入很深的沉积，离开“快”循环.如果这一过程超过地质学时间（超过100，000年），在高温高压的环境下，则产生石油或煤（矿物燃料）一、碳素循环48碳元素以二氧化碳的形式在大气、海洋、湖泊和河流间进行物理交换一、碳素循环andbacteria49蓝细菌、微藻绝大部分由微生物完成90%以上有机物分解由细菌和真菌完成完全由微生物完成5051化能营养厌氧光合磷酸化产氧光合磷酸化甲烷氧化菌Methanogens(产甲烷菌）厌氧的a.古生菌b.氧化还原电位极低时有活性–350to–450mVc.Methano–‘methane’(CH4)–genesis‘production’d.CO2+4H2CH4+2H2O(CO2是电子受体;H2是电子供体）CH3COOHCH4+CO2（简化的反应式，实际的反应很复杂）甲烷和二氧化碳之间的转换52以H2还原CO2等一碳化合物来获得自身所需要的能量和物质，产生代谢废物CH4。Methanotrophs（甲烷氧化菌）好氧的a.细菌类；CH4作为能量来源b.CH4+2O22H2O+CO2c.有