第五章环境微生物生态学

第五章环境微生物生态学李永峰教授谢静怡研究生环境微生物生态学微生物生态学的定义和研究内容1微生物之间与动物之间的关系2环境微生物的进化规律3环境微生物的生物技术4环境微生物学新技术5环境微生物生态学定义微生物生态学的定义以及研究对象微生物生态学就是研究微生物群体与其周围环境条件之间相互作用关系的科学。微生物生态学的研究对象为可培养的、难培养的以及至今尚不可培养的微生物。环境微生物生态学研究内容微生物在自然界中的分布规律、微生物种群内和种群间的组成、数量和生理生化特性微生物种群内和种群间的关系和结构功能利用微生物生态规律造福人类的途径微生物生态学主要研究内容环境微生物生态学研究内容研究微生物生态学具有重要的理论意义和实践价值促进生产生活事业发展阐明进化原因发展生态农业开发菌种环境微生物对生态系统的重要影响1在生态系统中，可作为初级生产者，并作为食物链中其他生物的基本食物，包括藻类、蓝细菌和光合细菌等；2作为分解者，生态系统存在大量生物残体，是通过异样微生物的矿化作用加以分解的，最后无机化放出能量，完成能量流动的最后阶段；3作为生物地球化学循环中一个不可缺少的成员，如N、S、Fe、P的转化；4在煤和石油、硫磺等重要矿藏的形成过程中，可能起十分重要的作用。微生物之间与动物之间的关系湿地是位于水生生态系统和陆生生态系统之间的过渡性地带，分为水湿地、淡水湿地和人工湿地。湿地的生态功能主要表现为调蓄径流洪水，补充水源供应；保护生物多样性，丰富物种资源；固定二氧化碳，调节区域气候；降解污染，净化水质；防浪固岸，稳定海岸线等。湿地典型微生物之间的关系微生物水生植物土壤微生物净化微生物资源为湿地污水处理系统提供了足够的分解者。快速生长的微生物是湿地介质中的优势菌属，其体内的可降解质粒是净化的关键。微生物种类繁多，主要包括细菌、放线菌、真菌等。水生植物对微生物的影响•水生植物组织为微生物提供了附着场所；•根区内的有氧区为好养细菌提供优越生存环境，而区外则适宜兼氧、厌氧微生物进行反硝化、有机物降解反应；•湿地中的氨氮是可被植物吸收，合成根系分泌物为微生物提供氮源等营养；•植物种类影响微生物的数量和种类净化作用三要素Text土壤对微生物的影响土壤性状的改变影响着生物的生长发育，土壤中各种元素的循环与转化都与微生物作用密切相关微生物与微生物之间的关系微生物群内个体之间的关系存在协同和竞争的关系，且都与种群密度相关。种群密度小时，协同作用占优势，相反，竞争关系占优势。微生物与微生物之间的关系不同种群之间的关系存在中立、协作、偏利共生、互利共生、竞争、偏害、捕食、寄生等关系。微生物群内个体之间的关系独立个体的分泌物可作为其他个体的营养物质大量的菌落可分泌有机物质溶解无机元素供个体使用微生物种群可产生胞外酶溶解不溶性底物供个体使用协同作用在微生物个体间的表现微生物相关遗传物质的可传递性微生物种群抵御外界不良环境的能力随种群密度的增加而增强竞争作用在微生物个体间的表现对食物的竞争对空间的竞争微生物间信号的传递这种竞争的现象可分为“争夺性”和“分摊性”竞争不同微生物种群之间的关系作用名称作用结果群体A群体B中立关系OO协作关系++偏利共生关系O+互利共生关系++竞争关系--偏害关系O或--捕食关系+-寄生关系+-根据两个相互作用的群体受到的影响程度的不同，可以把种群之间的相互作用分为8种，如下表所示.微生物与植物之间的关系微生物与植物根之间的相互作用植物内生微生物微生物与植物其他部分之间的相互作用微生物与植物之间的关系可分为中立、协作、偏利共生、互利共生、拮抗和竞争关系菌根分为两大类，即外生菌根（如松柏类）和内生菌根（玉米、大豆）菌根真菌与寄生植物组织相通，与植物互利共生。在根际中，植物对土壤中的微生物有直接的影响，同样，根际微生物对植物的生长也有重要的影响。植物的根部为根瘤菌提供良好居住环境、碳源和能源，而根瘤菌则将空气中的氮转化为植物可吸收的含氮物质，如根瘤菌中的弗兰克氏菌与非豆科植物形成的共生系统。微生物与植物根之间的相互作用根际与根际微生物菌根与菌根真菌根瘤与根瘤菌微生物与植物其他部分之间的相互作用微生物与植物其他部分之间的作用某些生物群体可以生长在植物的茎、叶、花、果实表面，这些微生物成为附生生物，如蓝细菌、酵母菌等。这些浮生生物暴露在外界环境中，受气候的影响很大竞争关系蓝细菌与单细胞藻类互利共生蕨类植物与鱼腥藻微生物与人和动物之间的关系微生物与人和动物之间存在着正和负的相互关系微生物可以作为某些动物的食物微生物对于动物消化食物和和获取营养所起的作用微生物在动物体外帮助消化食物微生物在动物体内帮助消化食物病原微生物与动物之间的关系微生物与人体的相互作用微生物与人体的相互关系皮肤表面的微生物与人体的关系口腔中微生物与人体的关系肠道中微生物与人体的关系人体的皮肤、粘膜表面或管腔内存在大量微生物，这些菌群对寄主是有益的，但某种情况下，也可能给人体带来负担。环境微生物的进化规律微生物遗传学研究创始于40年代，经过50,60年代的发展，又衍生出分子遗传学，之后又在高等真核生物中发展起来，既然高等真核生物与细菌在一些基本的生物功能上有共同之处，那么为什么不能用细菌来进行研究呢？认识生物界，最直观最具体的对象是生物个体，包括单细胞和多细胞个体，小进化的分析表明个体不是进化的基本单位，无论是有性生殖或是无性生殖的生物其个体都不是进化的基本单位，无性生殖的生物的进化单位是无性繁殖系，而有性生殖是的进化单位是种群。突变、选择、迁移和偶然因素影响着进化。环境微生物的进化规律基因水平转移在细菌的多样性和基因组的进化过程当中起了非常重要的作用蛋白质和DNA序列为分子系统发育分析提供了最详细和准确的数据根据特征或距离数据确定其基因、起源物种和发生关系的方法基因组的生物多样性DNA和蛋白质的进化分子系统发育分析分子系统发育分析末端物种顶端中间节点中间枝条末端分支叶子节点系统树系统树的分类archaeaarchaeaarchaeaeukaryoteeukaryoteeukaryoteeukaryote无根树bacteriaoutgrouprooteukaryoteeukaryoteeukaryoteeukaryotearchaeaarchaeaarchaeaMonophyleticgroup单源群有根树外围群Monophyleticgroup分子系统发育分析•距离法•最大简约法•极大似然法•多种方法联合•分子序列的分析•系统发育树的构建•结果的检验系统发育分析步骤系统发育分析方法系统发育树构建后的评价标准分为以下3点：•有效性•稳定性•一致性在研究生物进化和系统发育的过程中，常用一种树状分支图来概括各种生物之间的亲缘关系，这种表征物种或序列进化关系的树状分支图成为系统发育树，简称系统树或进化树。DNA和蛋白质的进化DNA的进化序列相似性搜索和联配→当序列拥有同一祖先序列时，往往在序列结构和生物学功能上具有相似性。系统发育信息→为比较个体间的遗传关系，一些有用的基因片段用于遗传片段和系统发育的研究，如rRNA、16SrRNA、9yrB。16-23SrDNA间隔区序列分析在分子分类中的应用→进化速率大，可扩增ITS序列蛋白质的进化结构和功能的约束→进化改变了核苷酸序列，编码蛋白质序列受到约束，蛋白编码基因的变化速率受到为维持蛋白质结构和功能的稳定性的约束。蛋白质结构的进化与保留→蛋白质序列相似度的阈值取决于序列的长度，较短的序列需要较高的相似度。蛋白质功能的进化→蛋白质功能的进化使明显同源的蛋白质有时也会有不同的功能。基因组的生物多样性基因水平转移基因水平转移，又称基因横向转，是指在差异生物个体之间或单个细胞内部细胞器之间所进行的遗传物质的交流。基因水平转移在细菌的多样性和基因组的进化过程中起了非常重要的角色。→大肠杆菌可以将遗传信息传递给某些鼠伤寒沙门氏菌突变菌株；→寄生开花植物同其他宿主之间的基因水平转移。基因水平转移的方式和特点方式转化结合转导溶原性转换转座特点连续性非复杂性非特异性易受环境影响环境微生物生物技术环境微生物的基因工程1环境微生物的蛋白质工程2环境微生物的细胞工程3环境微生物的代谢工程4环境微生物的基因工程基因工程工具酶基因工程中常用工具酶工具酶功能限制性核酸内切酶识别特异序列，切割DNADNA连接酶催化DNA中相邻的5´磷酸基和3´羟基末端之间形成磷酸二酯键，使DNA切口封合或使两个DNA分子或片段连接DNA聚合酶Ⅰ①合成双链cDNA分子或片段连接；②缺口平移制作高比活探针；③DNA序列分析；④填补3´末端Klenow片段又名DNA聚合酶I大片段，具有完整DNA聚合酶I的53聚合、35外切活性，而无53外切活性。常用于cDNA第二链合成，双链DNA3末端标记等反转录酶①合成cDNA；②替代DNA聚合酶I进行填补，标记等多聚核苷酸激酶催化多聚核苷酸5´羟基末端磷酸化，或标记探针末端转移酶在3´羟基末端进行同质多聚物加尾碱性磷酸酶切除末端磷酸基TaqDNA聚合酶PCR合成DNA片段环境微生物的基因工程环境微生物核酸的提取基因工程中常用载体质粒的提取方法碱裂解法当菌体在NAOH和SDS溶液中裂解时，蛋白质与DNA发生变性，当加入中和液后，质粒DNA分子迅速复性，呈溶解状态，离心时留在上清液中，蛋白质与染色体DNA不变性而呈絮状，离心时可沉淀。煮沸法利用STET缓冲液中的蛋白变性剂和加入的溶菌酶使菌体破裂，同时使释放出的大量蛋白质失活，EDTA和短暂的沸水浴可已知DNase活性，减少其对质粒DNA的切割作用，再利用加入的乙醇、异丙醇使质粒DNA沉淀析出。环境微生物的基因工程环境微生物功能基因的克隆与表达如何构建基因的克隆分子克隆具体步骤目的基因的表达首先用限制性内切酶消化目的基因和载体，然后用DNA连接酶将他们连接起来，转化宿主菌，构建基因克隆。★分离符合要求DNA片段★将带有目的基因的DNA片段连接到载体上，形成重组DNA分子★将重组分子导入受体细胞，扩增重组体细胞★重组体的筛选使用聚合酶链反应技术，通过PCR扩增目的基因，得到目的基因片段。用同一种限制性内切酶切割含有目的基因的外源和载体DNA，在DNA连接酶作用下，重组DNA分子，再将其导入受体细胞完成表达。环境微生物的蛋白质工程什么是蛋白质工程指在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学，计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识通过对基因的人工定向改造等手段，对蛋白质进行修饰，改造和拼接以生产出能满足人类需要的新型蛋白质的技术。工程技术应用固定化酶技术处理淀粉废水和造纸废水基因工程抗体可用临床诊断、导向治疗，防止病菌危害。主要包括嵌合抗体、改型抗体、单链抗体、单域抗体和复合功能抗体。基因工程亚单位疫苗改进植物、动物的疾病诊断；替代化学药品治疗农业病虫害；提高农业生产率，降低生产成本，减少污染物并降低污染处理难度。环境微生物的细胞工程什么是细胞工程是指应用现代细胞生物学、发育生物学、遗传学和分子生物学的理论与方法，按照人们的需要和设计，在细胞水平上的遗传操作，重组细胞的结构和内含物，以改变生物的结构和功能，即通过细胞融合、核质移植、染色体或基因移植以及组织和细胞培养等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的生物工程技术。工程技术应用及优点单克隆抗体技术具有耗资少、抗体纯的特点。目前广泛应用于生物、医学领域，主要是免疫学上的应用，如鉴定抗原和组织间的相容性，还可研究免疫球蛋白基因定位、表达、结构和多样性。临床诊断技术可对癌症、性病、妊娠、妇女月经排卵进行早期诊断。原生质体融合技术构建环境工程菌；可将降解不同污染物的微生物融合起来，使融合微生物能够同时降解多种污染物。固定化微生物在环境治理中的应用共价结合法吸附法包埋法介质截留法无载体固定化微生物固定化方法应用化学、物理方法将游离微生物限制在某一特定范围内，保留其固有催化活性，且能够被重复和连续使用环境微生物的代谢工程微生物代谢工程在能源上的应用实例降低和去除二氧化碳海洋微藻在烟囱排放