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第八章微生物生态生态学：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）与其周围的生物和非生物环境条件相互作用关系的科学。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；生物圈（biosphere）生态系统（ecosystem）群落（community）种群（population）个体（individual）器官（organ）组织（tissue）细胞（cell）细胞器（organelle）分子（molecule）生态学研究的范围宏观微观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。现代生态学的研究领域生态系统中种群规模的调控生物生产力的利用和保护研究人工生物群落的稳定性和提高生产力环境污染防治城市生态系统生态学和人类生态学的研究和建设现代生态学要研究与解决的主要问题能源短缺问题环境污染问题防止自然生态系统的萎缩、保护森林，防止沙漠化等城市有机废弃物的处理及综合利用的生态工程建立高产高效、持续发展的生态农业和企业化生态工厂。如：白色农业生命活动密切相关元素、化合物及生态效应与人体健康关系。海洋资源的生态调查、开发利用、保护的研究微生物生态系统多样性陆生微生物生态系统水生微生物生态系统大气微生物生态系统根系微生物生态系统肠道(消化道)微生物生态系统极端环境微生物生态系统活性污泥微生物生态系统“生物膜”微生物生态系统微生物生态学：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；微生物和其它生物的关系；微生物与物质循环；微生物生态学研究中的传统方法样品的采集微生物菌量计数富集培养和菌种分离最大或然值法活菌计数法微生物生态学研究中的分子生物学方法核酸探针杂交技术PCR特异性扩增技术rRNA基因同源性分析方法研究微生物的生态学有着重要的理论意义和实践价值。1、微生物的分布规律挖掘丰富的菌种资源，推动进化、分类的研究和开发应用2、微生物与他种生物间的相互关系发展新的微生物农药、微生物肥料和微生态制剂，并为发展混菌发酵、生态农业以及积极防治人和动、植物病虫害提供理论依据3、微生物在自然界物质循环中的作用阐明地质演变和生物进化中的许多机制，也可为探矿、冶金、提高土壤肥力、治理环境污染、开发生物能源和促进大自然生态平衡等提供科学的基础。第一节微生物在自然界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微生物的分布是生境各种物理、化学、生物因素对微生物的限制、选择的结果。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。微生物的分布生境的特征土壤水体（淡水、海水）空气食品极端环境（高温、低温、高压、高盐、强酸、强碱等）生物体内外主要讨论：微生物在一下环境中的分布1.土壤环境条件（1）土壤是微生物的天然培养基，（2）土壤的保水性，使微生物生长有充分的水供应，（3）土壤颗粒间的空隙，保持了良好的通气条件，（4）土壤的pH约3.5～10.5，是大多微生物的最适pH，（5）土壤中温度变化不大，冬天具保温性。有机质层淀积层碳酸盐积累疏松母质淋溶层土体层一、土壤中的微生物土壤是微生物的大本营1.土壤中动、植物和微生物残体及其分解物为异养微生物提供碳、氮及能源;2.岩石风化释放的无机元素和微量元素,满足自养菌的需要;3.土壤温度及pH条件可满足各类微生物的需求;4.土壤团粒结构内部保水,外部通气,适于好氧或厌氧菌群;5.土壤可保护微生物不受强光的伤害。2.土壤中微生物的种类与数量细菌70～90％2.5亿／每克土放线菌5～30％70万／每克土霉菌3～20％40万／每克土藻类1～2％5万／每克土原生动物0.5～1％3万／每克土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。4）土壤中的微生物以细菌最多，其次位放线菌和霉菌。3、土壤中的微生物分布特点4.影响土壤中微生物分布与种类的因素（1）土壤的类别细菌一般在中性、潮湿的土壤中偏多；放线菌在干旱、中性偏碱的土壤中偏多；真菌需通气好的土壤；藻类则在湿度适当、见光的环境中生长。（2）土壤的肥沃情况耕作地、施肥区，微生物较多；荒地、沙漠，微生物就少。（3）土壤的深度一般微生物在5～20cm处分布最多，土壤表层和50～100cm处微生物数量明显减少。（4）气候变化的影响季节的变化对微生物的生存也有较大的影响（5）根际微生物的情况则受植物生长发育的情况而变化根际微生物（rhizospheremicroorganism）又称根圈微生物，是指生活在在根系附近土壤，依赖根系的分泌物、外渗物和脱落细胞而生长，一般对植物发挥有益作用的正常菌群。根际细菌：假单胞菌、黄杆菌、产碱杆菌。多为G-细菌。根际真菌：镰孢霉属、黏帚霉属、青霉属根际原生动物：二、水体中的微生物1、淡水(河流、湖泊、地下水)：营养较丰富，溶氧不等，温度随气温变化，pH近中性,适合多数微生物生长。2、海水：有机质含量低，温度低，含盐量高，碱性，海洋微生物具有耐压、嗜冷和低营养要求等特点。3、水的细菌学检查饮用水中微生物指标项目单位限值说明总大肠菌群MPN/100mL或CFU/100mL不得检出一般性污染耐热大肠菌群MPN/100mL或CFU/100mL不得检出指示粪便污染大肠埃希氏菌MPN/100mL或CFU/100mL不得检出指示粪便污染菌落总数CFU/mL100一般性污染贾第鞭毛虫个/10L1肠道原虫隐孢子虫个/10L1肠道原虫微囊蓝细菌毒素（引起肝损伤和肝癌）：不超过1ug/L4、水体的自净作用（selfcleaning）水体接纳了一定量的有机污染物后，在物理、化学及生物等因素的综合作用后得到净化，水质恢复到污染前的水平和状态，称为水体自净。流水不腐好氧菌对有机物的降解作用；原生动物对细菌的吞噬作用；噬菌体对宿主的裂解作用；藻类对无机元素的吸收利用；浮游动物和一系列后生动物通过食物链对有机物的摄取和浓缩作用等。水体的富营养化作用和“水华”、“赤潮”水体含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。“水花”或“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。赤潮或红潮(redtides):在海洋中,某些甲藻类大量繁殖也可也可以形成水花,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.三、空气中的微生物空气是微生物传播的介质种类：放线菌和真菌孢子、细菌芽孢和胞囊等传播：传播速度与风速成正比，与空气湿度成反比数量：陆地上空海洋，城市上空农村，近地面空气高空四、食品中的微生物食品含丰富营养，是微生物生长繁殖的天然营养基质，可造成食品腐败变质。例如：粮食霉变（镰刀菌，曲霉，假单胞菌等）肉类腐败（青霉，芽孢杆菌，肉毒梭菌等）果实腐烂（青霉、毛霉、酵母菌等）乳品变质（念珠霉，产气杆菌，粪链球菌等）五、极端环境中的微生物极端环境(extremeenvironment):指高等动、植物不能生长，大多数微生物不能生活的高温、低温、强酸、强碱、高盐、高压、高热酸、高辐射及缺氧等特殊环境。生活在极端环境中的微生物多分属于古菌和细菌。1.高温环境中的微生物布氏热网菌（Pyrodictumbrockii）:分离自深海热泉喷口，最适生长温度105℃，最高可达110℃热酸硫化叶菌（Sulfolobusacidocaldarius）最适温度范围70-90℃，能在pH1-4的含硫热泉中生长嗜热微生物是一类生活在高温环境中的微生物，如火山口及其周围区域、温泉、工厂高温废水排放区等。兼性嗜热菌专性嗜热菌极端嗜热菌耐热菌超嗜热菌嗜热菌的类型：隐蔽热网菌（Pyrodictiumoccultum）嗜酸热硫化叶菌（Sulfolobusacidocaldarius）水生嗜热杆菌(Thermusaquaticus)Thermusaquaticus（水生栖热菌，80℃下生存）分离Taq酶；Pyrococcusfuriosus(激烈火球菌，100℃下生存）分离Pfu酶；用于PCR技术。2.高盐环境中的微生物(1)微生物对盐的需求微生物生长最适盐(NaCl)浓度非嗜盐菌(nonhalophilic)1%轻度嗜盐菌(slighthalophilic)1-3%中度嗜盐菌(moderatelyhalophilic)0.1-32.5%极端嗜盐菌(extremehalophilic)9-35%(2)嗜盐菌的生态环境盐湖和海洋(含盐量15~20%):Halomonas,Pseudomonas,Halobacillus盐土(含盐量表层25~30%,深层1.5~2%)：Halomonas寒冷高盐环境(含盐量15~20%,-14~+15℃)Halomonas(0.5~20%,0~5℃)Halobacterium(0.5~20%,-3.3~-9.2℃)Planococcus(0~20M,0~40℃)盐碱环境(含盐量1.25~15%,pH7.5~11)halomonas盐渍鱼、肉和其他食物可分离到很多中度嗜盐菌特殊环境Atriplexhalinus(爱尔兰沙漠植物):叶片盐腺分泌NaCl,分离到耐盐菌Pseudomonassp.(耐盐0.05~20%,30℃)（3）嗜盐菌的耐盐机理1）具有适应高盐环境的细胞结构和离子浓度，选择性吸收K+而排除Na+，防止原生质水，维持酶和蛋白活性；2）具有嗜盐酶；3）细胞膜具有菌视紫素（bacteriorhodopsin），利用光能产生ATP向胞外排除Na+；4)具有亲合性溶质（小分子有机物），高渗环境下用以补偿细胞渗透压和稳定生物大分子，并与细胞代谢物质相容。目前发现的亲合性溶质：多元醇（甘油）、糖类（海藻糖）、氨基酸（脯氨酸）及其衍生物（甜菜碱）、四氢嘧啶类物质等。3.高压环境中的微生物海底大气压100个大气压以上。Pseudomonasbathycetes生长在深海淤泥（低温，黑暗、有机营养贫乏），生长缓慢，代时为33天。高压会抑制常压微生物细胞蛋白合成,膜上物质和能量的传递及酶的代谢活性。多数嗜压微生物属于耐压菌。(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。极端环境微生物研究意义1、人体的正常菌群在正常人体皮肤、粘膜及外界相通的各种腔道（如口腔、鼻咽腔、肠道和泌尿道）等部位，存在着对人体无害的微生物群，包括细菌、真菌、螺旋体、支原体等。在长期进化过程中，微生物群的内部及其与宿主之间互相依存、互相制约，形成一个能进行物质、能量等交流的动态平衡的微生态系统，常称之为正常菌群(六）生物体内外的正常菌群人体各部位常见的正常菌群皮肤：表皮葡萄球菌、类白喉杆菌、绿脓杆菌、耻垢杆菌等口腔：链球菌（甲型或乙型）、乳酸杆菌、螺旋体、梭形杆菌、白色