第九章---微生物的生态

第九章微生物的生态第一节微生物在生态系统中的地位与作用第二节生态环境中的微生物第三节人体微生物及病原微生物的传播（自学）第四节微生物与环境保护（自学）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角色二微生物与生物地球化学循环生态系统是指在一定的空间内生物和非生物成分通过物质循环和能量流动相互作用、相互依存而构成的一个生态学功能单位。一微生物在生态系统中的角色◆有机物的主要分解者——其最大价值。◆物质循环中的重要成员——主要、独特、关键作用◆生态系统中的初级生产者——光能自养、化能自养。◆物质和能量的储存者◆地球生物演化中的先锋种类——出现最早的生物体。二微生物与生物地球化学循环生物地球化学循环（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。C、N、P、S自养生物对无机营养物的同化异养生物对有机营养物的矿化（90%由细菌和真菌完成）1碳素循环②无氧条件：酵解甲烷生成形成化石燃料CO2的固定①有氧条件：光合作用:呼吸作用：有机碳CO2CO2有机碳碳素循环2氮素循环大多数微生物和植物可吸收的形式：NH4+、NO3-①固氮作用：N2NH3②氨化作用:有机氮NH4++SO42-+H2O④反硝化作用：在无氧条件下，硝酸盐还原菌的作用NO3-NO2-NON2ON2⑤同化作用：无机氮转化成有机氮（主要由植物进行）两类细菌：亚硝酸细菌：NH4+NO2-硝化细菌：NO2-NO3-③硝化作用:好氧时，NH4+NO3-氮素循环氨化作用生物固氮硝化作用反硝化作用生物体有机氮NO3-NH4+NO2-NON2O大气N2反硝化作用生物固氮3硫素的循环好氧时：硫的氧化（硫化作用）H2S、SSO42-硫细菌厌氧时：硫酸盐还原（反硫化作用）SO42-S+H2S硫酸盐还原菌厌氧时：有机硫化物的矿化含硫蛋白质H2S、CH4等硫素的循环第二节生态环境中的微生物一微生物的群落二陆生生境的微生物三水生生境的微生物四大气生境的微生物五极端环境的微生物六动物体中的微生物七植物体中的微生物自然环境中的微生物存在个体、种群、群落和生态系统从低到高的组织层次，与动物、植物相比，微生物具有更强的群体性。生态系统表现出来的生态功能取决于群落的功能。一微生物群落种群：§具有相似特性和生活在一定空间内的同种个体群。§是组成群落的基本成分。§存在种群的相互作用。1种群的相互作用互生关系§概念：两种独自生活的生物共同生活相互获利，或一种生物为另一种生物创造有利的条件。§举例：微生物与微生物间：土壤固氮菌与纤维素分解菌间。微生物与动物间：微生物与植物间：纤维素纤维素分解菌有机酸固氮菌氮素物共生关系§概念：两种生物生活在一起不能分离，彼此依赖，生理上相互分工，组织上形成新的结构。§举例◎真菌与蓝绿藻形成的地衣叶状地衣壳状地衣藻类光合作用产生有机物吸取水、无机养料真菌◎根瘤◎菌根寄生关系§概念：一种生物依赖另一种活生物获取营养进行生活，使寄主受损甚至死亡。§举例：◎噬菌体与细菌之间◎细菌寄生在真菌体◎真菌在真菌体内、外寄生寄生型放线菌真菌寄生真菌竞争关系§概念：多种微生物共同生活在一个环境中，因一种微生物优先利用有限养料，致使另一种微生物养料缺乏生长受阻。§应用：生产中加大接种量控制少量污染菌繁殖。掠食关系§概念：一种生物捕食另一种生物为食并消化的现象。§举例：原生动物捕食、吞食微生物。拮抗关系§特异性拮抗◎微生物产生的特殊次生代谢产物能选择性杀死一种或少数几种微生物。◎抗生素：多为放线菌、真菌产生。◎细菌素：细菌产生的蛋白类物质§非特异性拮抗◎一种微生物的代谢产物对多种微生物有抑制或杀死。无选择性。◎乳酸菌发酵糖产生乳酸抑制多种不耐酸菌。群落：§一定区域内或一定生境中各种微生物种群相互松散结合的一种结构单位——群落。§任何微生物群落由一定的微生物种群组成。§种群的个体有一定的形态和大小。个体在群落中处于不同地位和起着不同的作用。§种的多样性、垂直结构、水平结构和优势种群是表征群落结构的重要参数。2微生物的群落结构◆微环境（紧密围绕微生物细胞的环境）一块土壤，一段根面◆稳定性高度多样性的群落能在一定程度上应付环境条件的变化两类微生物群落优势种具有大量个体，种类少种类多，每种个体数量少。◆适应性微生物以改变群体的结构来适应新环境。微生物群落的特点：二陆生生境的微生物——土壤中（一）土壤的环境条件（二）土壤中微生物的种类和数量微生物生活的最好环境（一）土壤的环境条件1提供养分（1）微生物、动植物残体土壤有机物大量元素微量元素（2）岩石风化矿物质2通气、保水肥沃土具有良好的团粒结构——团聚体microaggregates微环境团聚体间为大孔隙——透水通气。内部为毛细孔隙——具有良好的蓄水保水能力3渗透压土壤溶液的渗透压为0.5～5.0个大气压。一般细菌的渗透压多为3～6个大气压4pH值多数土壤pH值5.5～8.5多数细菌、藻类、原生动物pH值6.5～7.5放线菌pH值7.5～8真菌pH值5～65保温性昼夜温差、季节温差变化小。（二）土壤中微生物的种类和数量1种类（1）细菌量最多。种类最多、功能多样。形态：杆菌＞球菌＞螺旋状菌。氧气需要：好氧菌＞厌氧菌营养类型：有机营养型＞无机营养型。优势菌：节杆菌、好气芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌、固氮菌、硝化细菌、反硝化细菌纤维粘菌。（2）放线菌（仅次于细菌）特点：菌丝不发达，多以孢子存在。干旱、荒漠土放线菌比例升高。产生的抗生素在农业生产中有使用价值的约数十种。重视对它们的研究。重要属：链霉菌属70～90％诺卡氏菌属10～30％小单胞菌属1～15％（3）真菌特点：一般农田土：半知菌亚门霉菌多；森林、草地：担子菌亚门菌多；果园土：酵母菌多。筛选有益真菌：是某些植物病菌的藏身地。因此，对土壤真菌生态调查和应用研究在农业生产上有重要的意义。（4）藻类与原生动物常见藻类：蓝绿藻、鞭毛藻、硅藻。喜水，分布在湿润土表面、浸水层中常见原生动物：纤毛虫、鞭毛虫、肉足虫。富含有机物的土、污泥中，尤其污水。2数量1g干土微生物数量：贫瘠土107个肥沃土108～109个细菌：106～109个/g干土。放线菌：105～108个/g干土真菌：103～105个/g干土以每亩耕作层土重30万斤计，细菌的活重为180～450斤。三水生生境的微生物1微生物生存的条件溶解、悬浮的多种有机物、无机物。具有一定的pH、DO、渗透压。2淡水水生微生物区系▲清水型微生物区系特点有机物少，无机物多。自养菌。包括硫细菌、铁细菌、蓝细菌、绿硫细菌、水霉、绵霉▲腐败型微生物区系特点有机物多。异养菌。腐败细菌，原生动物3海水微生物区系嗜盐菌，盐生盐杆菌。发光细菌四大气生境的微生物缺少必需的营养物质、水分；存在紫外线。空气不是微生物的栖息场所。1来源：尘埃漂浮进入。多以孢子和其它休眠体形态存在。2分布：禽畜舍、公共场所、医院、厕所、宿舍、城市街道，微生物含量高；海洋、高山、森林、极地等微生物含量少；梅雨季节霉菌含量高。3常见：霉菌、酵母菌、芽孢杆菌、产色素球菌、放线菌孢子。五极端环境的微生物（一）研究极端环境微生物的重要意义（二）极端环境微生物的种类（一）研究极端环境微生物的重要意义1开发利用新的微生物资源（基因资源）2提供微生物生理、遗传、生命科学的新材料3为生物进化、生命起源的研究提供新的材料。（二）极端环境微生物的种类1极端嗜热微生物（hyperthermophile）2极端嗜冷微生物（psychrophilicmicroorganisms）3极端嗜酸微生物（acidophilicmicroorganisms）4极端嗜碱微生物（alkalitrophicmicroorganisms）5极端嗜盐微生物（halophilicmicroorganisms）6极端嗜压微生物（barophilicmicroorganisms）1极端嗜热微生物（1）最适生长温度大部分是古细菌。80℃~110℃。（2）分布热泉、岩石表面、堆肥、厩肥、工厂冷却水。（3）耐热机制蛋白质、核酸、类脂质粒的热抗性基因（4）应用高温发酵污水处理耐高温DNA聚合酶2极端嗜冷微生物（1）生长温度可以在低于0℃或5℃的环境下生活。多G-菌。（2）分布极地、深海、冷冻土壤、阴冷洞穴、低温保藏食品。（4）应用获得低温蛋白酶用于洗涤剂，节约能源。（3）嗜冷机制细胞膜脂含有大量的不饱和、低熔点脂肪酸。3极端嗜酸微生物（1）生长pH值pH在3~4以下。PH3~5.5较普遍。（2）分布泥炭土、酸性沼泽、酸热泉、火山湖、地热泉。（3）耐酸机制细胞壁、细胞膜排斥H+，对H+不渗透。（4）应用微生物冶金、生物脱硫（污水处理）4极端嗜碱微生物（1）生长pH值10.5~11.0。一般pH9以上。碳酸盐是环境碱性的主要来源。（2）分布碳酸盐湖、碳酸盐荒漠、极端碱性湖。盐嗜碱微生物和非盐嗜碱微生物（3）应用蛋白酶、果胶酶、纤维素酶、木聚糖酶用于洗涤剂5极端嗜盐微生物（1）生长盐度中度嗜盐菌盐浓度0.5~2.5mol/L；极端嗜盐菌盐浓度2.5~5.2mol/L（32%）。（2）分布盐湖、盐场、盐矿、盐腌制食品。（3）嗜盐机制正在研究。紫膜具有排盐作用。（4）应用紫膜的质子泵和排盐作用研究。生物能电池及海水淡化装置。6极端嗜压微生物（1）生长压力深海底部1.01×108Pa(1000大气压)油井深部4.05×107Pa(400大气压)（2）应用研究工作受到一定限制。六正常人体及动物体上的微生物正常菌群：正常寄居在人体、动物体内或体表的微生物菌群。是人和动物个体重要的生理组分，对宿主必不可少。特点：生活在健康部位、数量大、种类稳定。以一定比例混合存在，并不对宿主造成危害引起疾病。1动物体上皮毛：葡萄球菌、链球菌、双球菌。肠道：拟杆菌、大肠杆菌、乳杆菌、粪链球菌、产气荚膜梭菌、腐败梭菌、纤维素分解菌。微生物和昆虫的共生微生物和瘤胃共生发光细菌和海洋鱼类共生2人体上◆在健康状况下，人体组织血液不含菌。◆人体内的微生物以细菌为主，约有几十亿～百万亿◆身体的皮肤、黏膜以及一切与外界相通的腔道有许多正常的菌群。肠道1kg肺20g口腔20g鼻孔10g眼1g皮肤200g重量1.5~2kg人消化道各部位的重要细菌皮肤：表皮葡萄球菌、金黄色葡萄球菌。鼻腔：葡萄球菌、类白喉分支杆菌、肺炎球菌、流感嗜血菌口腔：球菌、乳杆菌属、拟杆菌属胃：酸性环境。少数耐酸菌。其它进入的菌都被杀死。肠：中性或碱性环境。适于微生物生长。拟杆菌、双歧杆菌、优杆菌、大肠杆菌、肠球菌。厌氧菌占99%，好氧菌占1%。正常菌群的致病人体正常菌群和人体是互生关系。但也是相对的、可变的和有条件的。◆人体防御机能减弱：烧伤、黏膜受损、受凉、过度疲劳。◆正常菌群的易位：大肠菌群进入腹腔或泌尿生殖系统，引起腹膜炎、肾炎、膀胱炎。外伤和手术可导致易位。◆外因破坏了微生物之间的相互制约关系：长期服用广谱抗生素，对药物敏感的细菌被抑制，不敏感的白色假丝酵母、耐药性的葡萄球菌大量繁殖，引起病变。◎儿童的消化不良、成人的胃肠炎：好氧菌、肠杆菌数量增加，拟杆菌、双歧杆菌减少。◎痢疾病人：拟杆菌减少、肠杆菌增加，出现痢疾杆菌。除使用药物抑制或杀死致病菌外，还须调整菌群恢复肠道正常菌群平衡。七植物体中的微生物1植物表面微生物2微生物和植物根相互关系1植物表面的微生物附生微生物——定居于活植物茎、叶、果实表面的微生物（地上部分）。（互生）◆叶面的附生微生物以细菌为主，其次是酵母菌和少量丝状真菌，放线菌很少。多种微生物的孢子、芽孢。◆天然的接种剂乳酸杆菌－－腌制泡菜、酸菜和青储饲料。酵母菌－－葡萄酒的自然发酵。◆引起病害——主要是真菌病害。2微生物和植物根相互关系（1）根际微生物（rhizospheremicroorganisms）（2）菌根（mycorrhiza）（3）共生固氮（1）根际微生物（与植物互生）§根际微生物：邻接植物根1-2mm的土壤区域——根际（根圈）。根际中生活的微生物——根际微生物。§根际是微生物生长的特殊微生态环境。◎植物渗出物（碳水化合物、有机酸、氨基