第九章微生物生态

第九章微生物生态一．生态学基本概念生物圈：地球上所有生物及其所居住的环境的总和.生物初级生产者非生物无机物消费者有机物分解者气候(大气、太阳能、生活空间、水)生态系统：生物群落与其周围环境相互作用的功能系统，是生物圈的组成单元。生物圈中任何一个相对完整的自然整体都是一个生态系统。一个池塘，一片森林等。种群或群体（population）：指属于同一个种的一大群生物（同一个种的生物，不同个体的集合）。群落（community）：指一定区域中的所有种群。能量流：能量通过生态系统从一种生物传递给另一种生物的现象。每一营养级能量自身代谢活动以热的方式损耗生物死亡后为分解者分解未被分解，以有机物形式贮存剩余（10-20%）为高一营养级的生物所消费热量自身呼吸热量自身呼吸热量自身呼吸光能光合生物食草动物食肉动物自身呼吸热量分解者营养库（化学物质贮存库）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态学：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。微生物在生态系统中的作用；各种环境中的微生物，微生物和其它生物的关系；微生物与环境保护二．微生物在生态系统中的作用1．M在生态系统中的地位生态系统：物质循环生物群落所生活的非生物环境能量流动生产者：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无机物;分解者：分解有机物成无机物（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。2．M与生物地球化学循环生物地球化学循环（Biogeochemicalcycling）: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。循环快:生命物质的主要组成元素（C、H、O、N、P、S），循环较慢:少量元素（Mg、K、Na、卤素元素）；迹量元素（Al、B、Co、Cr、Cu、Mo、Ni、Se、V、Zn）课堂讲解碳循环、氮循环（1）碳循环碳素是一切生命有机体的最大组分，接近有机物质干重的50%。碳循环是最重要的物质循环。P75在好氧条件下，大生物和微生物都能分解简单的有机物和生物多聚物；微生物是唯一在厌氧条件下进行有机物分解的（2）氮循环6种氮化合物的氧化还原反应所组成:N2,NH3(NH4),NO2¯,NO3¯,N2O,R-NH2•固氮•氨化（脱氨）、硝化作用（化能自养微生物：硝化细菌、亚硝化细菌）•硝酸盐还原同化硝酸盐还原（硝酸盐还原成亚硝酸盐和氨，氨被同化成氨基酸）异化硝酸盐还原发酵性硝酸盐还原（硝酸盐作为发酵过程的附带受体，还原成亚硝酸盐和氨）呼吸性硝酸盐还原（硝酸盐呼吸，最终电子受体，还原成亚硝酸盐和氨）♦反硝化作用（硝酸盐呼吸，还原成N2O、N2）三．生态环境中的微生物1．M种群之间的相互作用相互作用的基本类型包括8种：P293①中立生活：没有关系②偏利作用：一个受益（必需），一个无影响。偏利：岩石表面的微生物生长，使不溶性的无机盐溶出；降解多聚物产生有机酸，代谢有机酸生成甲烷；③协同作用：互相获利，但可以单独生活，种群可以替换。④互惠共生：互相获利，但不可分离单独生活，不可替换。蓝细菌和真菌的共生体-----地衣蓝细菌：光合作用，固氮作用；真菌：提供生长因子。⑤寄生：内寄生：病毒，蛭弧菌；外寄生：不进入或不接触，产生一些胞外酶，裂解宿主细胞，释放出营养物质。如食藻细菌。⑥捕食：原生动物⑦偏害（拮抗）：⑧竞争：生存空间和食物2．M在自然界中的分布微生物的特点：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。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。（1）空气中的微生物不适合微生物的生长繁殖，无固定的微生物区系；来源于土壤、水体及人类的生产、生活活动；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；数量取决于尘埃数量（附着在灰尘上,“微生物之舟”）；停留时间和尘埃大小、空气流速、湿度、光照等因素有关；停留时间和尘埃大小、空气流速、湿度、光照等因素有关；与人类的关系：传播疾病、造成食品等的污染测定方法：培养皿沉降法；液体阻留法（2）水体中的微生物淡水、海水中微生物的数量和分布不同。天然湖泊、污染水域微生物的种类和数量不同。主要影响因子：营养物水平、温度、光照、溶解氧、盐分等。富光层：光合藻类，好氧M；中度光照层：好氧M，兼性厌氧M；贫光层：厌氧M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靠近城市或城市下游水中的微生物多。水体的富营养化作用，“水花”、“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。（3）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（大本营）。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。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。土壤微生物的数量和分布受季节影响；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。（4）极端环境下的微生物嗜热微生物;嗜冷微生物;嗜酸微生物;嗜碱微生物;嗜盐微生物;嗜压微生物研究意义：开发利用新的微生物资源，包括特异性的基因资源；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的研究提供新的课题和材料；为生物进化、生命起源的研究提供新的材料。（5）不可培养微生物（unculturedmicroorganisms）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。参见P372：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.（6）动物体中的M人体微生物:皮肤:一个成年人的皮肤大约有2m2，约有1012细菌。优势的细菌种群是革兰氏阳性菌，革兰氏阴性菌较少见,真菌有瓶形酵母属.皮肤表面正常栖居的微生物对外来微生物具有排斥作用，可以防止外来微生物和病原微生物的侵染，对皮肤有保护作用。口腔:包括细菌、放线菌、酵母菌、原生动物，以细菌数量最多胃肠道:胃，仅有数量较低的附在胃壁上的抗酸微生物，包括酵母、链球菌、乳杆菌等小肠，近胃端的低量(103CFu/ml)到近大肠端的高量(108CFu/ml)。大肠，微生物数量巨大(1011CFu/ml)，区系组成包括：拟杆菌、真杆菌、厌氧链球菌、双歧杆菌、肠球菌、肠杆菌、乳酸菌、梭菌、酵母等。微生物合成的维生素、蛋白质，产生的能源可以为人吸收利用。（7）植物相关M茎、叶、果实的表面是某些M（好氧）生存的良好环境，细菌、蓝细菌、酵母等；某些M能够引起植物病害；植物根部微生物根际微生物：由根面向外伸展，具有一个M梯度的区域。老根、腐根际，大量、多样M;健康幼根，选择性M;说明根的分泌物较植物碎片更具选择性菌根：植物的根+真菌（子囊菌，担子菌）共生体.外生菌根，内生菌根P300根瘤：根瘤菌与豆科植物的共生体，弗兰克氏菌与非豆科植物（乔木和灌木等木本植物形成的共生体）四．微生物与环境保护1．微生物对污染物的降解与转化（1）环境污染物的来源自然存在：重金属，烃类，放射性物质等经转化及富集：由于生活或工业加工过程对自然界存在的物质富集、转化。污水，肥料，燃料燃烧废物，石油等。人工合成：农药;表面活性剂;合成聚合物;石油化工产品.非自然界存在物质，特殊的化学结构，化学键，难降解物质。当前研究的主要课题.（2）降解质粒：质粒编码了控制某些污染物的降解P3052．污染物的M处理（1）BOD与COD（biologicaloxygendemand）（chemicaloxygendemand）BOD：水中有机污染物在需氧微生物作用下进行氧化所消耗的氧气量。实际测定时，在一定的温度下，5天的需氧量。BOD5COD：水中有机污染物在强氧化剂作用下进行化学氧化所消耗的氧气量。KMnO4：氧化率60%左右.CODMnK2Cr2O7：氧化率80-100%.CODCr（2）污水处理一级处理：粗大固形物二级处理：生物，化学，物理法去除有机物三级处理：生物，化学，物理法去除N、P及其他无机物好氧处理活性污泥法二级处理生物膜法:生物滤池,生物转盘,生物接触氧化法厌氧处理沼气发酵,光合细菌•活性污泥法活性污泥是由复杂的微生物群落与污（废）水中的有机、无机固体物混凝交织在一起构成的絮状物，又称为菌胶团。活性污泥中的微生物组成一个微型的、复杂的、有密切相互关系的混合生物群体的生态系统。有细菌、真菌、原生动物、后生动物等多种微生物群体结合组成微生物的代谢反应;活性污泥的物理化学作用•生物膜法生物接触氧化法与生物滤池的主要区别：下面进水；机械供氧；漂浮微生物絮体（活性污泥）•厌氧处理：高浓度有机污水，微生物分解产生甲烷。高分子有机物低分子有机物甲酸、乙酸、甲醇等一碳化合物(产酸阶段,兼性厌氧M，专性厌氧M)甲烷(产甲烷阶段,产甲烷细菌)生物处理的优点：①代谢途径多样；②完全净化；③设备简单，作用条件温和，费用少；④处理各种重金属污染，通过吸附、累积、沉淀，易于回收；⑤效益高（肥料，沼气，蛋白质饲料等）。