第七章-微生物生态

第七章第七章微生物生态一、微生物生活的环境二、微生物在自然界物质循环中的作用三、微生物与植物的共生关系一、生态系统第一节微生物生活的环境生物群落所生活的非生物环境物质循环能量流动（一）生物圈与生态系统生态系统：生物群落和它们所生活的非生物环境结合（ecosystems）起来的一个整体，是生物圈的组成单元。任何一个相对完整的自然整体都可以被看作为一个生态系统，如一个池塘、一片森林、一个污水处理池等等。生物圈：地球上所有生物及其所生活的非生命环境的总称。（biosphere）个体种群群落+非生物环境生态系统生物圈生产者：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（二）微生物之间的相互关系有利关系：一种生物的生长和代谢对另一种生物的生长产生有利的影响，或相互有利；有害关系：一种生物的生长对另一种生物的生长产生有害的影响，或相互有害；中性关系：二种生物生活在一起时，彼此对对方的生长代谢无明显的有利或有害影响。互生关系共生关系对抗关系1、互生两种可以单独生活的生物，当它们生活在一起时，通过各自的代谢活动而有利于对方，或偏利于一方的一种生活方式。“可分可合，合比分好”纤维素分解细菌固氮菌纤维素分解细菌分解纤维素时产生较简单的有机物，可以作为固氮细菌的碳源；后者进行固氮作用时，可能有少量氮化物供纤维分解菌利用。人体肠道正常菌群互生关系（正常情况）寄生关系（某些特殊条件下）人肠道内的菌群：60-400种不同的微生物，占粪便干重1/3的是细菌，其中厌氧菌占了绝大多数。正常菌群通过肠道获取营养；通过排阻、抑制外来致病菌；提供许多人体所必不可少的维生素、氨基酸等营养物对人体作出贡献。环境条件改变或着生部位改变：正常菌群致病菌滥用抗生素；人身体虚弱抵抗力下降；吃了不洁净的食物。肠道中的正常菌群，大肠杆菌，一旦进入泌尿系统，引起尿路感染。人体表面的正常菌群，一旦它们进入伤口也会引起感染。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。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！2、共生二种生物共居在一起，相互分工协作、相依为命，甚至形成在生理上表现出一定的分工，在组织和形态上产生了新的结构的特殊的共生体。互惠共生：二者均得利偏利共生：一方得利，但另一方并不受害地衣-----藻类和真菌的共生体形成有固定形态的叶状结构：真菌无规则地缠绕藻类细胞，或二者组成一定的层次排列。地衣繁殖时，在表面上生出球状粉芽，粉芽中含有少量的藻类细胞和真菌菌丝，粉芽脱离母体散布到适宜的环境中，发育成新的地衣结构上的共生：生理上的共生：共生菌从基质中吸收水分和无机养料；共生藻进行光合作用，合成有机物；使地衣能在十分贫瘠的环境中生存。细菌与原生动物间的共生关系：细菌栖息于原生动物细胞内，获得营养和保护环境，并且这些细菌在原生动物细胞外都不能生长；原生动物通过共生菌获得生长所需要的维生素及其它生长因子。（1）寄生一种微生物寄生在另一种微生物细胞中或表面，从后者取得养料，引起病害或死亡。寄生物（parasite）寄主或宿主（host）3、对抗关系噬菌体—细菌蛭弧菌—细菌真菌—真菌真菌、细菌—原生动物（2）拮抗一种微生物通过产生特殊代谢产物或改变环境条件来抑制或杀死另一种微生物的现象。微生物间的“化学战术”——特异性抗生菌产生能抑制其它生物生长发育的抗生素微生物间的生长抑制——非特异性因某种微生物的生长而引起的其它条件的改变，从而抑制它种生物的生长（3）竞争两个种群因需要相同的生长基质或其它环境因子，致使增长率和种群密度受到限制时发生的相互作用，其结果对两种种群都是不利的。原生动物吞食细菌和藻类；粘细菌吞食细菌和其它微生物；真菌捕食线虫和其它原生动物。（4）捕食一种种群被另一种种群完全吞食，捕食者种群从被食者种群得到营养，而对被食者种群产生不利影响。捕虫菌目（Zoopagales）在长期的自然进化中形成的特化结构，特化菌丝构成巧妙的网，可以捕捉小型原生动物或无脊椎动物，捕获物死后，菌丝伸入体内吸收营养。（一）土壤微生物生物量的测定1、生理学办法：土壤熏蒸法2、生物化学方法：测定DNA含量（8.5fg/细菌细胞）计算ATP二、微生物生态学的研究方法（二）微生物多样性研究技术（三）细菌个体生态学研究技术常规方法：抗药性标记、免疫荧光技术分子生物学方法：核酸探针、标记基因（四）土壤微生物的原位研究1、意义和必要性2、模拟生态系统（一）大气圈中的微生物1、无原生的微生物区系；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：传播疾病、造成食品等的污染制备微生物气溶胶实现群体免疫微生物学的基本技术：无菌操作技术三、微生物在自然界中的分布无菌操作及超净工作台（二）水圈中的微生物1、淡水生境1）数量和种类与接触的土壤有密切关系；2）分布上更多的是吸附在悬浮在水中的有机物上及水底；3）多能运动，有些具有很异常的形态（例如柄细菌）；4）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。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2、海水生境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。4）耐高压（特别是生活在深海的细菌）。3）大多数海洋细菌为G-细菌，并具有运动能力。Micrococcusaquivivus（水活微球菌）最适生长条件：600个大气压3、水体的富营养化作用和“水花”、“赤潮”水资源污染日益严重3、水体的富营养化作用和“水花”、“赤潮”水资源污染日益严重3、水体的富营养化作用和“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）生物圈中的微生物1、与昆虫的共生关系外共生：例如白蚁与其肠道内的微生物之间的共生食木质的白蚁自身并不能分解纤维素，必须依赖肠道中共生的原生动物和细菌通过厌氧发酵过程来分解纤维素。内共生：昆虫与其细胞内的共生性细菌这些细胞内的共生性细菌能为宿主提供B族维生素，使昆虫能以缺乏维生素的植物为生。2、与反刍动物的共生关系反刍动物，如牛、羊、骆驼、长颈鹿等以植物的纤维素为主要食物，它们在瘤胃中经微生物发酵变成有机酸和菌体蛋白再供动物吸收利用。瘤胃也为里面居住的微生物提供了必要的营养和生长条件。——瘤胃微生物（四）极端环境中的微生物1、嗜热微生物2、嗜冷微生物3、嗜酸微生物4、嗜碱微生物5、嗜盐微生物6、嗜压微生物四、土壤圈及其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。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，是微生物的大本营。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。（一）土壤中微生物的分布（二）根圈及其微生物根圈：是邻接植物根的土壤区域，指生长中的植物根系直接影响的土壤范围，包括根系表面至几毫米的土壤区域。其中的微生物称为根际微生物。根土比(R/Sratio)：根圈中微生物数量同相应的无根系效应土壤的微生物数量之比，它是反映根圈效应的重要指标。根圈效应1、根圈和根圈效应根圈细菌根圈微生物的种类根圈真菌根圈原生动物2、根圈微生物类群3、根圈微生物对植物的影响（1）有益影响改善植物的营养；分泌一些生长刺激物质促进植物的生长；分泌抗菌类物质、有利于作物对抗病原微生物；产生铁载体等。（PGPR:plantgrowthpromotingrhizobacteria，植物生长促进细菌）（2）不利影响引起作物病害；产生有毒物质抑制种子的发芽、幼苗的生长和根系的发育；竞争有限养分。在自然界生态系统中，物质循环与能量流动是同时进行的，这种物质与能量的循环流转是生态中最根本的运动，在各种完整生态系统中基本相同，都是由自养的生产者、异养的消费者和微生物分解者联合推动的。碳、氢、氧、氮、硫、磷、钾、铁等元素是组成生物体的化学元素，生物必需不断从环境中取得这些营养元素才能生长发育和繁殖。但是地球上这些元素的贮存量毕竟是有限的，而生命的延续与发展却是无穷尽的，两者之间的矛盾只有在自然界的物质不断循环转化的条件下才能解决。第二节微生物在自然界物质循环中的作用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微生物在生态系统中的地位：1、微生物是有机物的主要分解者；2、微生物是物质循环中的重要成员；3、微生物是生态系统中的初级生产者；4、微生物是物质和能量的贮存者；5、微生物在地球生物演化中的作用。一、碳素循环碳素是有机化合物的骨架，是构成有机体最重要的元素成分。现在大气中CO2含量仅为0.03%,总含量约7×1014kg。地球表面的绿色植物和光合微生物进行光合作用，象一个巨大的碳泵，把浓度很低的CO2集中起来（生物体内碳的平均重量达24.9%）,特别是C4植物能在CO2含量仅为百万分之几的环境中进行光合作用。光合作用的产物，经异养生物的食物链传递，以动植物残体及分泌排泄物的形式进入土壤或水体中，经微生物转化，最终又以CO2形式返回大气；另外一部分则在动植物的呼吸作用过程中也以CO2形式释出。碳素的生物循环简图(CH2O)n光合作用藻类、绿色植物、蓝细菌呼吸作用动植物及微生物产甲烷细菌光合细菌厌氧呼吸、发酵微生物，包括光合细菌甲烷氧化细菌有机化合物CH4沉积作用甲基化合物厌氧需氧(CH2O)n有机化合物(CO2)（一）纤维素的分解能分解纤维素的微生物种类很多，在酸性和森林土壤中纤维素分解以真菌为主，而中性或微碱性土壤中纤维素分解则以细菌为主，但也有真菌和放线菌参与纤维素的分解。土壤中还有许多嗜热性纤维素分解菌，在堆肥和厩肥的发热阶段，主要是这类真菌在起作用。分解纤维素的细菌有噬纤维菌属、生孢噬纤维菌属、粘细菌中的粘球菌属、堆囊粘菌属等的一些种,都属非光合滑行细菌类群以及纤维单胞菌属，厌氧梭菌中的纤维分解梭菌。纤维分解酶系包括许多不同的酶：1、C1酶水解未经降解的自然纤维素；2、β(1—4)葡聚糖酶,又称Cx酶；3、Β-葡聚糖苷酶（二）木质素的分解木质素是植物木质化组织的重要成分，是以苯环为核心，带有丙烷支链所组成的一种或多种芳香族化合物氧化缩合而成。能分解木质素的微生物主要是真菌中担子菌的一些种类，如干朽菌（Merulius）、多孔菌（Polyporus）、伞菌（Agaricus）属的一些种。（三）甲烷的形成和转化