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第九章微生物生态学山东教育学院生物科学与技术系微生物学课程组2020/2/52微生物与环境间有着极为密切的关系，微生物的生命活动依赖于环境，同时也影响着环境，研究微生物与环境之间的关系，了解它们在自然界的分布，可为人们开发微生物资源提供理论依据，以使人们利用微生物在自然界中的作用来改造自然，保护自然。微生物之间，微生物与其他生物之间，也存在着相互依存，相互制约的关系，研究它们之间的关系，使人类更好地利用微生物，为防治人和动植物疾病，为工农业生产服务。2020/2/53生态系统：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。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；微生物与环境保护2020/2/54第一节微生物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一、土壤中的微生物(一)土壤是微生物的天然培养基土壤是固体无机物(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。是微生物天然培养基。土壤微生物种类多、数量多、代谢潜力巨大，是自然界最丰富的微生物资源库。2020/2/551.营养丰富2.水分满足3.酸碱度,渗透压4.氧气5.温度土壤微生物通过其代谢活动可改变土壤的理化性质,进行物质转化,因此,土壤微生物是构成土壤肥力的重要因素.2020/2/561）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。(二)土壤中微生物分布特点2020/2/57二、水中的微生物（一）淡水微生物1.来源：土壤、空气、污水或动植物尸体等。2.分布特点：1）数量和种类与接触的土壤有密切关系；2）垂直分带分布3）多是吸附在悬浮在水中的有机物上及水底；4）多能运动，有些具有很异常的形态（例如柄细菌）；5）靠近城市或城市下游水中的微生物多，并且有很多对健康不利的细菌，因此不宜作为饮用水源；2020/2/58（二）海水微生物1）嗜盐，真正的海洋细菌在缺少氯化钠的情况下是不能生长的。2）低温生长，除了在热带海水表面外，在其它海水中发现的细菌多为嗜冷菌。3）大多数海洋细菌为G—细菌，并具有运动能力。4）耐高压（特别是生活在深海的细菌）。5）更明显的垂直分层分布（透光区、无光区、深海区、超深渊海区）2020/2/59三、空气中的微生物1）无原生的微生物区系，主要以气溶胶形式存在；2）来源于土壤、水体及人类的生产、生活活动；3）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；4）数量取决于尘埃数量；5）停留时间和尘埃大小、空气流速、湿度、光照等因素有关；6）与人类的关系：传播动、植物疾病，造成食品及发酵生产中的污染2020/2/510四、工农业产品上的微生物1．微生物引起的工业产品的霉腐大量工业制品都是用用动植物产品作原料来制造的纤维制品、木制品、革制品、橡胶制品、油漆、卷烟、化妆品等有些工业产品如塑料、建筑涂料等也有很多微生物可以分解、利用光学仪器上的镜头，建筑泥浆、钢缆、地下管道、金属材料等，各种电讯器材、文物、书画等也可被多种特殊微生物所破坏。2020/2/5112．食品、农副产品上的微生物不利方面：由于微生物的生长繁殖而腐烂、变质，不能再食用或使用；病原微生物进入人体的重要途径，引起传染性疾病；很多微生物在食品、农产品上生长后会产生对人有害的毒素；肉毒毒素、黄曲霉素等有利方面：利用特定的微生物制备风味食品，如酱制品、米酒、腌酸菜等；2020/2/512可采用多种方法防止微生物对食品等的破坏2020/2/513（五）极端环境下的微生物1、嗜热微生物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：2020/2/514隐蔽热网菌（Pyrodictiumoccultum）嗜酸热硫化叶菌（Sulfolobusacidocaldarius）水生嗜热杆菌(Thermusaquaticus)2020/2/5152、嗜冷微生物：嗜冷菌：最适生长温度低于15℃耐冷微生物：最适生长温度为20-40℃主要分布于极地、深海、高山、冰窖和冷藏库3、嗜酸微生物：只能上生活在低pH（4）的条件下耐酸微生物：也可在中性环境中生长最适生长温度低于15℃4、嗜碱微生物：专性生活在pH10-11的碱性条件下5、嗜盐微生物：在高盐浓度下才能生长6、嗜压微生物：在高静水压环境中生长7、抗辐射微生物：对辐射具有抗性或耐受性。2020/2/516研究意义：(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。2020/2/517(六）生物体内外的正常菌群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2020/2/518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、白色念球菌、（真菌）表皮葡萄球菌、肺炎球菌、奈瑟氏球菌、类白喉杆菌等胃：正常一般无菌肠道：类杆菌、双歧杆菌、大肠杆菌、厌氧性链球菌、粪链球菌、葡萄球菌、白色念球菌、乳酸杆菌、变形杆菌、破伤风杆菌、产气荚膜杆菌等鼻咽腔：甲型链球菌、奈氏球菌、肺炎球菌、流感杆菌、乙型链球菌、葡萄球菌、绿脓杆菌、大肠杆菌、变形杆菌等眼结膜：皮表葡萄球菌、结膜干燥杆菌、类白喉杆菌等阴道：乳酸杆菌、白色念球菌、类白喉杆菌、大肠杆菌等尿道：表皮葡萄球菌、类白喉杆菌、耻垢杆菌等2020/2/519●眼睛:1g•鼻腔:10g•口腔:20g•皮肤:200g•肺:20g•肠道:1000g•生殖道:20g•总量:1271g正常人体微生物的数量2020/2/520正常菌群对人体的作用营养作用:正常菌群的营养来自宿主组织细胞的分泌液、脱落细胞，以及某些腔道中的食物碎屑和残渣等。菌群的代谢产物除供给细菌自身利用外，一部分可以被宿主吸收利用。例如，过去外科医生不太重视肠道正常菌群中的大肠埃希氏菌能合成B族维生素和维生素K的功能，所以在肠道手术后为避免发生感染，常用抗生素作预防性治疗，结果是手术后感染是防止了，病人却出现了厌食和贫血等维生素B和K的缺乏症，因为大肠杆菌也被抗生素杀死了。所以现在遇到这类需施行肠道手术的患者，在给予广谱抗生素预防术后感染的同时，必须补充足量的微生素B和维生素K。2020/2/521免疫作用正常菌群的细胞中，有许多成分可以促进宿主免疫器官的发育成熟。有学者曾经做过实验，他们把刚孵化出来的小鸡分成两组，一组放在没有细菌的环境中生活，成为无菌鸡；另一组让它们正常生活，即带菌鸡。结果发现无菌鸡的小肠和回肓部的淋巴结都要比普通带菌鸡的少80%左右。如果将这些无菌鸡暴露在普通有菌的环境中饲养，使之建立正常菌群，则经2周后，它们的免疫器官的发育和功能就可与普通鸡相近。此外，有些正常菌群的细胞组分与病原菌的相同，因此，它们能刺激宿主免疫系统产生像抗体一类的免疫物质，这些免疫物质也能对抗相应病原菌的侵袭。2020/2/522生物拮抗作用将活的鼠伤寒沙门氏菌（Salmonellatypymuriumi）喂给小鼠，如果要使小鼠发病死亡，需要10万个细菌；如果先给小鼠口服链霉素，把小鼠肠道中的正常菌群都杀死，则只要10个活菌就可置试验鼠于死地。两者菌量竟相差1万倍，表明正常菌群有拮抗病原菌作用。这种现象在人类中也可以见到，例如大肠埃希氏菌、变形杆菌、肠球菌等正常菌，可以抵抗引起痢疾和伤寒的志贺菌和伤寒沙门菌等病原菌。我们把这种现象称为生物拮抗。2020/2/523生物拮抗的方式有多种。乳杆菌、大肠埃希氏菌等能产生细菌素，可以抑制一些肠道病原菌的生长；某些真菌、放线菌能产生抗生素，抑制或杀死不同种的敏感病原菌；口腔中的血链球菌、阴道的乳杆菌能产生具有杀伤作用的过氧化氢；肠道正常菌群中，99%以上是厌氧菌，它们依靠其数量上的绝对优势，在营养竞争方面压倒处于劣势的需用氧性病原菌。还有一种方式称为占位性保护。现在已经知道，病原菌侵入宿主机体后，首先要以其特殊结构（配体）和机体的粘膜上皮细胞表面的特异性受体相结合。也就是说，病原菌和宿主细胞粘附在一起是引起感染的第一步。如果这些细胞受体早已被正常菌群的配体结合而“占位”，那么后来的病原菌就无“位”可结合，当然不可能形成感染了。2020/2/524抗衰老作用现在一般认为，衰老是由于体内积累了过多的有毒的化学物质——自由基。双歧杆菌、乳杆菌、肠球菌等肠道正常菌群产生的超氧化物歧化酶（SOD），可以催化宿主体内自由基的歧化反应，消除自由基毒性，保护细胞免受活性氧的损伤，因此具有一定的抗衰老作用。其它作用肠道正常菌群有一定的抗肿瘤作用。其原因是这些正常菌群能产生多种酶，降解肠道内致癌物或可以转变成致癌物的物质成为无害物质；它们还可以激发免疫功能，调动处于待命状态的巨噬细胞等人体卫士围歼病原菌。2020/2/525条件致病菌人体的正常微生物菌群一旦进入非正常聚居部位，或生态结构发生改变而引起人类疾病的微生物。在一定条件下，正常菌群中的细菌也能使人患病：（1）由于机体的防卫功能减弱,引起自身感染。例如皮肤粘膜受伤（特别是大面积烧伤）、身体受凉、过度疲劳、长期消耗性疾病等，可导致正常菌群的自身感染；（2）由于正常菌群寄居部位的改变，发生了定位转移，也可引起疾病。例如大肠杆菌进入腹腔或泌尿道，可引起腹膜炎、泌尿道感染。人体表面的正常菌群，一旦它们进入伤口也会引起感染。2020/2/526菌群失调在正常情况下，人体和正常菌群之间以及正常菌群中各细菌之间，保持一定的生态平衡。如果生态平衡失调，以至机体某一部位的正常菌群中各细菌的比例关系发生数量和质量上的变化，称为菌群失调。菌群失调的常见诱因：主要是使用抗生素、同位素、激素、患有慢性消耗性疾病时肠道、呼吸道、泌尿生殖道的功能失常也是重要原因。去除诱因后一般可使菌群复常，也有长期失调难于逆转的情况。2020/2/527常见的菌群失调症有：（1）耐药性葡萄球菌繁殖成优势菌而发生腹泻，偶尔发生致死性葡萄球菌脓毒血症；（2）变形杆菌和假单胞菌生长旺盛并侵入组织发生肾炎或膀胱炎；（3）白色念珠菌大量繁殖，引起肠道、肛门或阴道感染，也可发展成全身感染；（4）艰难梭菌在结肠内大量繁殖，并产生一种肠毒素及细菌毒素，导致假膜性肠炎。可以通过口服某些活的微生物制剂来治疗由于正常菌群失调而导致的腹泻，例如，含蜡状芽孢杆菌（Bcereus）的“促菌生”，含地衣芽孢杆菌的“整肠生”等，它们都是通过芽孢杆菌的生长，为肠道重新创造良好的厌氧环境，促使肠道内正常的厌氧菌的生长繁殖，这类活微生物制剂又称微生态制剂。微生态制剂一般用于恢复肠道内的正常生态环境，若肠道功能正常，一般不需要服用。2020/2/5282、无菌动物和悉生生物无菌动物：是指不能检出任何活的微生物和寄生虫的动物悉生生物：指整个个体不携带或只携带已知微生物的生物种类饲养方法说明附记无菌动物隔离系统以封闭的无菌技术取得，用现有方法不能检出任何微生物和寄生虫的动物悉生动物隔离系统确知所带的微生物丛（植物的和动物的）经特殊饲养的动物。确知所