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微生物学MicrobiologyChapter8MicrobialEcology化学与生命科学学院卜宁ChemistryandLifeScienceCollege第八章微生物生态第一节微生物在自然界的分布第二节微生物与生物环境间的关系第三节微生物的地球化学作用第四节微生物与环境保护生态学：是一门研究生命系统与环境系统间相互作用规律的科学微生物生态学：是生态学的一个分支，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。生命科学研究领域中，从宏观到微观一般可分10个层次：。1.生物圈（biosphere）2.生态系统（ecosystem）3.群落（community）4.种群（population）5.个体（individual）6.器官（organ）7.组织（tissue）8.细胞（cell）9.细胞器（organelle）10.分子（molecule），生态学的研究范围一、土壤环境中的微生物二、水体环境中的微生物三、空气中的微生物四、极端环境条件下的微生物一、土壤环境中的微生物土壤具备了各种微生物生长发育所需要的营养、水分、空气、酸碱度、渗透压和温度等条件，微生物的种类和数量是其他任何生态系统无法比拟的。土壤是微生物的天然培养基，是微生物生活的大本营，对人类来说，则是最丰富的菌种资源库。（1）土壤的矿物质成分，提供微生物需要的矿质养料，可为微生物提供S、P、Fe、Mg、Ca、B、Mo、Zn、Mn等无机元素；（2）土壤中的动植物残体，以及耕作土壤中有机肥料，源源不断地供给微生物碳素养料和氮素养料；（3）土壤的持水性为微生物提供水分条件；（4）土壤的孔隙性和土壤水分多少，直接影响土壤的通气条件。（5）土壤的pH范围在3.5~10.5之间，多数在5.5~8.5之间，这是大多数微生物活动最适宜的pH；（6）土壤的保温性，比地面空气温度变化小，也为微生物的生长提供了良好的条件。1.土壤是微生物生活的良好环境每克土壤的含菌量大体上有一个十倍系列的递减规律：细菌（～108）＞放线菌（～107）＞霉菌（～106）＞酵母菌（～105）＞藻类（～104）＞原生动物（～103）2.土壤中微生物的分布每克肥土中通常含有几亿至几十亿个微生物，贫瘠土壤每克也有几百万至几千万个微生物。（1）细菌数量：70~90%；种类：主要为腐生，少数自养分布：表层最多，随土层加深减少，厌氧菌反之。（2）放线菌数量：5~30%（3）真菌（4）藻类（5）原生动物3.土壤微生物的作用参与土壤中几乎所有的生物化学变化，异养微生物分解有机质，自养微生物转化矿质养分存在状态。微生物是合成土壤腐殖质的主要成员，因此成为土壤肥力和土壤结构的决定者之一。光合微生物能增加某些环境中有机碳素的含量，尤其在无植被的环境中，藻类是土壤形成或恢复的先行者。二、水体环境中的微生物水具有微生物生命活动适宜的温度、pH、氧气等，水体中也具备微生物生长繁殖的其他条件，因此成为微生物栖息的又一天然场所。1.水体中微生物的来源土壤、空气、动植物尸体、人和动物的排泻物、工业及生活污水。水中存在的微生物90%为革兰氏阴性菌。通过水体传播的病原微生物主要有沙门氏菌属、志贺氏菌属、霍乱弧菌等。2.微生物在水体中的分布表现为水平分布和垂直分布的规律。此外，相同水域的不同浓度微生物的含量及分布也不同。3.影响水体微生物分布的因素有机物含量温度水的深度日光与水体的溶解氧量海洋微生物具有耐压、嗜冷和低营养要求的特点。淡水的pH值变幅从3.7到10.5，多数为6.5-8.5，因而适合于多数水生微生物的生长。原因：除物理性的沉淀、扩散、稀释作用和化学性氧化作用外，主要还是生物学和生物化学作用。好氧菌对有机物的降解和分解作用，原生动物对细菌的吞噬作用，噬菌体对细菌的裂解作用，细菌糖被对污染物的吸附、沉降作用藻类对无机元素的吸收利用（光合作用），浮游动物等通过食物链对有机物的摄取和浓缩作用等。在自然界，有些水体中的污染物质浓度，可通过河水向下游流动而自然减低，这种现象称为水体的自净作用（稀释、沉淀和微生物分解）4.水体的自净作用在自然水体尤其是快速流动、氧气充足的水体中，存在着水体对有机或无机污染物的自净作用。5.水体评价细菌总数不得超过：100个/毫升（37℃，24h)大肠菌群指数不得超过：3个/1000毫升(37℃,48h)我国相关法规对饮用水微生物指标的规定水华：发生在淡水水体中的富营养化现象。赤潮：发生在河口、港湾或浅海等咸水区水体的富营养化现象。富营养化现象:在人类活动的影响下，氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。赤潮1.空气是传播微生物的重要介质空气本身缺乏微生物生活所必需的营养物，日光对微生物也具有很强的杀菌作用，另外空气一般是干燥的，因此空气不是微生物生活的良好环境。三、空气中的微生物2.空气中微生物的种类和数量空气中的微生物主要来源于带有微生物菌体及孢子的灰尘，这类微生物大多数是腐生性的，还来源于人和动物，它们大多数是通过呼吸道排出的，其中也包含有病原微生物，悬浮在大气中。空气中微生物的分布随环境条件及微生物的抵抗力不同而呈现不同的分布规律。空气中存在较多的、存活时间较长的是各种真菌、放线菌的孢子及细菌芽胞。空气中微生物的数目决定于尘埃的总量。不同地点空气中的微生物数量地点微生物数量（个/ｍ3空气）北极(北纬80°)0海洋上空1-2市区公园200城市公园5,000宿舍2,000畜舍1,000,000-2,000,000四、极端环境条件下的微生物不利于一般生物生长的特殊环境称为极端环境。主要有极端高温、低温、高盐、高压、高酸、高碱等。例如火山与温泉、极地或高山冰川、盐湖、深海底层等。极端环境下微生物研究的意义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。各类群微生物生长的上限温度类群上限温度(℃)真核微生物原生动物藻类真菌5655-6060-62原核微生物盐盐细菌光合细菌无机化能细菌异养细菌70-7370-739090主要环境：温泉、热泉、高强度太阳辐射的土壤、火山喷发处、高温堆肥、热水循环系统等是常见的天然或人工的高温环境。一般来说，原核微生物比真核微生物、非光合细菌比光合细菌、构造简单的生物比构造复杂的生物更能在高温下生长。1.嗜热微生物耐热菌：最高生长温度45-55℃之间，低于30℃也能生长兼性嗜热菌：最高生长温度50-65℃之间，低于30℃也能生长专性嗜热菌：最适生长温度65-70℃之间，不能在低于40-42℃条件下生长极端嗜热菌：最高生长温度高于70℃，最适温度高于65℃，最低高于40℃超嗜热菌：最适生长温度80-110℃，最低高于55℃类群2.嗜冷微生物主要环境：极地、深海、寒冷水体、冷冻土壤、阴冷洞穴、保藏食品的低温环境。类群专性嗜冷微生物：最高生长温度不超过20℃，可以在0℃或低于0℃的条件下生长兼性嗜冷微生物：可在低温下生长，但也可在20℃以上生长嗜冷微生物适应环境的生化机制是因为细胞膜脂组成中有大量的不饱和、低熔点脂肪酸。嗜冷微生物在低温条件下生长的特性可以使低温下保藏的食物腐败，甚至产生细菌毒素。3.嗜酸微生物主要环境：某些含硫矿的矿尾水，酸性热泉，以及人为有机酸发酵等处类群嗜酸微生物：最适生长pH3-4，中性条件不能生长耐酸微生物：能在高酸条件下生长，但最适生长pH接近中性嗜酸微生物的胞内pH从不超出中性大约2个pH单位，其胞内物质主酶大多数接近中性。嗜酸性微生物在酸性条件下生长繁殖，需要维持细胞内外的pH梯度，现在一般认为它们的细胞壁、细胞膜具有排斥H+,对H+离子不渗透或把H+从胞内排出的机制。4.嗜碱微生物主要环境：碳酸盐湖及碳酸盐荒漠、极端碱性湖等自然环境，石灰水、碱性污水等人为碱性环境。类群弱碱微生物：最适生长pH9以上的微生物专性嗜碱微生物：中性条件不能生长的微生物耐碱微生物：中性条件甚至酸性条件都能生长的微生物5.嗜盐微生物高盐环境：自然盐环境盐湖-青海湖、大盐湖（美）、死海（黎）、里海（俄），盐场、盐矿和盐腌制的食品等。类群弱嗜盐微生物：最适生长盐浓度0.2-0.5mol/L，海洋微生物中度嗜盐微生物：最适生长盐浓度0.5-2.5mol/L极端嗜盐微生物：最适生长盐浓度2.5-5.2mol/L微生物的不同嗜盐类群嗜盐类群最适生长盐浓(NaC1)实例非嗜盐微生物＜0.2mol/L淡水微生物弱嗜盐微生物0.2-0.5mol/L大多数海洋微生物中等嗜盐微生物0.5-2.5mol/L某些细菌和藻类极端嗜盐微生物2.5-5.2mol/L盐杆菌和盐球菌耐盐微生物耐受范围0.2-2.5mol/L金黄色葡萄球菌和其他葡萄球菌，耐盐酵母菌等6.嗜压微生物高压环境：海洋深处、深油井内。多数海洋底部的压力在100个大气压以上，最深处约为1100个大气压。最大特点：生长极为缓慢。3℃培养下，滞留适应期4个月，倍增时间需33天，一年后才达静止期，生长速率仅相当于常压微生物生长速率的1/1000。高压环境中生长的主要是细菌研究表明：从常压环境中分离的多数微生物在200-600个大气压的高压环境中将受到抑制或死亡。高压条件主要抑制常压微生物细胞蛋白质合成、质膜上物质和能量的传递及酶的代谢活性。3类嗜压菌及其生长静水压（大气压数）类型最低生长压最适生长压最高生长压耐压菌未测1-100500嗜压菌1400-500700极端嗜压菌400700-8001035五、工农业产品上的微生物1．微生物引起工业产品的霉腐（1）霉变（mildew，mouldness）主要指由霉菌引起的劣化。（2）腐朽（decay）泛指在好氧条件下微生物酶解有机质使其劣化的现象，常见的如由担子菌引起的木材或木制品的腐朽现象。（3）腐烂（或腐败，putrefaction，rot）主要指由细菌或酵母菌引起的使物体变软、发臭性的劣化。（4）腐蚀（corrosion）主要指由硫酸盐还原细菌、铁细菌或硫细菌引起的金属材料的侵蚀、破坏性劣化。（5）变质（deterioration）指由各种生物或非生物因素引起的工农业产品质量下降的现象。控制其温度、湿度、氧气和养料等微生物赖以生长繁殖的外界环境条件；采用有效的化学抑菌剂、杀菌剂或物理杀菌剂，以抑制它们的生长繁殖或直接杀死它们；在工业产品加工、包装过程中，尽量保持环境卫生并严防杂菌的污染等。防止工业产品霉腐的方法污染食品的微生物主要是曲霉属、青霉属、镰孢霉属、链格孢霉属、拟青霉属、根霉属、毛霉属等2.食品上的微生物据调查，在目前知道的5万多种真菌中，已知至少其中有两百多个种可产生一百余种真菌毒素。在这些真菌毒素中有14种能致癌，其中的2种是剧毒的致癌剂，其中之一黄曲霉菌株产生的黄曲霉毒素，凡长有大量霉菌的粮食，一般都含有多种真菌毒素，极有可能存在致癌的真菌毒素，•黄曲霉毒素有B1、B2、G1、G2、M1和M2等多种衍生物，其中以B1的毒性为最高。含黄曲霉毒素最多的食品是花生及花生制品、玉米、“红变米”、“黄变米”、等粮食及其加工产品上。•黄曲霉毒素是于1960年起逐渐被认识和发现的。当时在英国东南部的农村相继有约10万只火鸡死于一种病因不明的“火鸡X病”。经多方研究，发现从巴西进口的花生粉中，污染有大量的黄曲霉，并证明由它所分泌的黄曲霉毒素，就是“火鸡X病”的根源，以后又证实它可引起鸭、兔、猫、猪等多种动物和人的肝脏中毒。黄曲霉毒素发霉的玉米、花生等胚附近，生长能产生剧毒真菌毒素的黄曲霉。花生上的黄曲霉黄曲霉菌落1.人体及动物体的正常微生物菌群2.植物体微生物菌群（1）根际微生物（2）附生微生物（3）内生微生物六、生物体内外的正常菌群1.人体及动物体的正常微生物区系正常菌群：生活在健康动物各部位，数量大、种类较稳定且一般是有益无害的微生物。正常菌群是一个