农业微生物第八章微生物生态.ppt

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1、第八章 微生物生态学（Microbiol Ecology）,第一节生态系统,一、生态学的概念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二、什么是微生物生态学微生物生态学是生态学的一个分支，它的研究对象是微生物群体与其周围生物和非生物环境条件间相互作用的规律。,一、微生物在生态系统中的作用,1.微生物在生态系统中的角色：（1）生态系统（ecosystem）：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（2）生态平衡：（3）生态系统中生物的作用：a.生产者（productor）植物为主体，从无机物合成有机物 b.消费者（con

2、sumer）动物为主体，利用有机物进行生活，一般不能将有机物直接分解成有机物 c.分解者（decomposer）微生物为主体，分解有机物成无机物,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,（4）微生物在生态系统中的作用：,a.微生物是有机物的主要分解者 b.微生物是物质循环中的重要成员 c.部分微生物是生态系统中的初级生产者光能、化能 d.微生物是物质和能量的储存者 e.微生物是地球生物演化中的先锋种类,二、微生物生态系统及其特点,1、微环境2、稳定性3、适应性,第二节微生物在自然界中的分布,一、土壤中的微生物（一）土壤是微生物生活的良好环境 由于土壤具备了各种微生物生长发

3、育所需要的营养、空气、酸碱度、渗透压和温度等条件，所以土壤中微生物的种类和数量是其他任何生态系统无法比拟的。1）土壤的矿物质成分，提供微生物需要的矿质养料；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3.510.5之间，多数在5.58.5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.土壤中的微生物种类极其丰富（1）自养菌：碳化菌、硝化菌、硫化菌、铁细菌（2）异养菌：

4、腐生菌、固氮菌、氨化菌（3）致病（芽孢）菌：（4）放线菌：抗生素的重要来源（5）真菌：以菌丝体和孢子的形式存在（6）藻类：硅藻、绿藻（7）病毒：肠道病毒为主，还有噬菌体2.作用：作为分解者参与物质循环,3.土壤微生物的来源,（1）动物排泄物及尸体、植物残体、根系（2）污水：灌溉、渗入（3）固体废弃物4.分布特点（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。,（二）土壤中微生物的分布,同一土体由

5、于微环境的通气、水分、营养等状况都存在着差异，致使不同微生物呈立体分布。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：7090%；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：530%（3）真菌（4）藻类（5）原生动物,农田土壤上层15cm处微生物数量和生物量,二、水圈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。(一)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。(二)种类 水中存在

6、的微生物90%为革兰氏阴性菌，主要有弧菌、假单胞菌、黄杆菌等。鞘细菌及有柄附生细菌也常见于水体中。(三)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。(四)水体中的病原微生物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。因此，做好水的卫生学检查至关重要。,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。,三、在空气中的微生物 1空气是传播微生物的重要介质 空

7、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。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,微生物在空气中的传播方式,（1）尘埃（dust）：固体（2）飞沫（dropl

8、et）：液体，来源于咳嗽、喷嚏，尤其是后者（3）飞沫核（droplet nuclei）：飞沫蒸发后，大多直径 12 m，存活时间与抵抗力有关,四、极端环境中的微生物 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。1高温环境中的微生物 高热环境-高温环境喷发的火山、地热蒸汽、沸腾或过热的温泉以及高温堆肥、热水器和取暖用热水循环系统等是常见的天然或人工的高温环境。不同微生物对高温的适应能力见表94，高温型微生物 中以细菌居多，只有少数真菌。如嗜热脂肪芽孢杆菌、酸热芽孢杆菌（acidocalda rius）

9、等。,各类群生长的上限温度,嗜热机制-嗜热菌之所以耐热，主要是其结构及生理上具有一定特点。近年来，对其嗜热机制进行了分子水平的研究，可归纳为以下4种假说。（1）类脂的敏感作用 嗜热菌细胞质膜的化学成分，随环境温度的升高不仅类脂总含量增加，而且细胞中的高熔点饱和脂肪酸也增加，即长链饱和脂肪酸增加，而不饱和脂肪酸减少。因此，嗜热菌在高温下能维持膜的功能，能较好地生存。（2）重要代谢产物的迅速再合成 嗜热菌中tRNAr的周转率大于中温菌的周转率，核酸中的GC含量也比中温菌高。（3）大分子的热稳定性-嗜热菌的酶和蛋白质比中温菌的酶和蛋白质具有较高的热稳定性。（4）蛋白质合成系统的热稳定性-嗜热菌的核糖

10、体比中温菌的核糖体抗热性高。,2高盐环境中的微生物 高盐环境-盐湖、盐池和盐腌制的食品等是常见的高盐环境。通常把能在含盐量高于的环境中生长的微生物称为极端嗜盐菌，常见的种类有盐细菌属和盐球菌属(表9-5)。耐盐机理：嗜盐菌具有能适应高盐环境的细菌结构和离子浓度。嗜 盐菌有选择性地吸收K排出Na的能力，细胞内的高浓度K既可以防止原生质脱水，又能维持酶和蛋白质等的活性;有嗜盐的酶;光合盐杆菌的细胞质膜上含有菌视紫素，能利用光能造成膜内外H的浓度梯度并藉以产生ATP和向细胞外排出Na。,对高盐浓度的适应性,酶的嗜盐性,紫膜的H+泵作用和排盐作用,微生物的不同嗜盐类群,3高压环境中的微生物 自然界的高

11、压环境主要存在于深海中，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。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。高压环境中生长的主要是细菌，如分离自深海淤泥的耐压假单胞菌，生长十分迟缓，代时为33天。,3类嗜压菌及其生长静水压（大气压数）,五、植物体中的微生物,1、植物表面微生物和植物病害2、植物体内细菌3、植物体内的真菌,六、工农业产品上的微生物,工业产品上的霉腐 大量的工业产品都是直接或间接用动植物作原料制成的,例如木制品、纤维制品、革裘制

12、品、橡胶制品、卷烟、化妆品、中成药等。食品上的微生物 粮、油、肉、蛋、奶、蔬菜和水果等各类食品含有丰富的营养成分，因而是微生物生长 繁殖的天然营养基质。1粮食上的微生物 2肉类上的微生物 3鱼类上的微生物 4乳制品中的微生物,第三节 微生物与环境间的关系,一、中立关系中立指两种或两种以上微生物处于同一环境时，相互间不产生任何影响。二、互生关系（偏利共栖、协同共栖）二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。因此，这是一种“可分可合，合比分好”的相互关系,三、共生关系 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

13、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。四、对抗关系1.竞争关系 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。2.拮抗作用 所谓拮抗，系指某种生物产生的代谢产物可抑制它种生物的生长发育甚至将后者杀死。3.寄生关系一般指一种小型生物生活在另一种相对较大型生物的体内或体表，从中取得营养和进行生长繁殖，同时使后者蒙受损害甚至被杀死的现象。4.猎食关系：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。,三 微生物和植物的共生关系类型 共生关系是两个生物间相互有利的共居关系，

14、彼此间有直接的营养物质交流，一种生物对另一种生物的生长有促进作用。种子植物和微生物间的共生关系现像，一般有两类型：根瘤（root nodule)和菌根（mycorrhiza）。（1）细菌和植物的共生关系,有的植物（豆科植物居多）的根上，常有各种形状的瘤状突起，称为根瘤。根瘤的产生是由于土壤内的一种细菌，即根瘤菌，由根毛侵入根的皮层内，一方面根瘤菌在皮层细胞内迅速分裂繁殖；另一方面，受到根瘤菌侵入的皮层细胞，因根瘤的分泌物的刺激也迅速分裂，产生大量新细胞，使皮层部分的体积膨大和凸出，形成根瘤。根瘤最大的特点，就是具有固氮的作用。根瘤菌的三大特性：感染性 专一性 有效性,根瘤,（2）真菌和植物的共

15、生关系,有些真菌能在一些植物根上发育，菌丝体包围在根面（外生菌根）或侵入根内或根组织（内生菌根），共同发育，建立共生关系。这种共生体称为菌根。植物：2000多种，包括被子植物、裸子植物和蕨类植物。真菌：担子菌、子囊菌和藻状菌。,（三）微生物与动物间的共生微生物与昆虫的共生 微生物与昆虫间的共生关系表现有多种形式并具有较高的特异性。切叶蚁同丝状真菌的共生是很有趣的。它们将地面的树叶切碎带回并混以唾液和粪便等含氮物质，在巢室里专门培养丝状真菌使其生长。蚂蚁则以食取部分菌丝和孢子为营养。一些研究表明切叶蚁同真菌的共生关系具有很高的特异性，它们培育的真菌几乎是纯培养体，为此而特称为蚁的“真菌园”。真菌

16、与切叶蚁的共生对热带雨林地表的落叶转化为土壤有机质有重要意义。,四、对抗关系1、竞争关系 多种微生物共同生活于一个环境中时，或因一种微生物优先利用有限养料，致使另一种微生物养料缺乏，生长发育受阻；或因一种微生物生长迅速，占领基质表面和充斥空间，使另一种微生物无处容身而生长受抑。竞争导致优势种群的胜利和劣势种群的淘汰。Gause(1934)用绿脓芽孢杆菌喂养双小核草履虫和大草履虫，单独培养时两种草履虫均表现 出型的数量增长曲线，但混合培养16天后，由于竞争同一食物只有生长较快的双小核草履虫生存，而大草履虫完全被淘汰。,Gemerden(1974)在硫化物为限制因子的条件下混合培养酒色红硫菌(Ch

17、romatium vinosum)和韦氏红硫菌(Chromatium werissei)，发现它们之间的竞争能力与光照条件有关，当连续光照或光照时间大于或等于黑暗时间时，酒色红硫菌占优势；当黑暗时间大于光照时间时，韦氏红硫菌占优势。许多研究结果表明限制性养料种类、浓度、H、温度和氧气等条件均会影响微生物种群间的竞争能力。此外，微生物对干旱、高 温和低温等极端因子的抗性也对其竞争能力有重要影响。在发酵工业上,常利用加大接种量来控制少量杂菌的污染,也是利用微生物的竞争关系。,2、拮抗作用 这是一种微生物通过产生某种特殊的代谢产物或改变环境条件来抑制或杀死另一微生物种群的现象。可以将拮抗作用区分为特

18、异性和非特异性两种类型。1非特异性拮抗作用 指一种微生物通过自身的代谢活动改变环境条件,非特异性地抑制其他微生物的作用。其作用方式：产酸。产生乙醇。改变氧分压。2特异性拮抗作用 是一种微生物在代谢活动中专门产生的一些特殊次生代谢产物能在低浓度下有选择性地抑制或杀死另一种微生物的作用。依产物的作用性质可分为两类：细菌素和抗生素。,3、寄生关系 寄生是一种生物生活在另一种生物表面或体内并对后者产生危害的相互关系。在这一关系中前者称为寄生物，后者称为寄主。微生物间的寄生关系有时也会给工农业生产带来巨大的损失。例如，苏芸金芽孢杆菌的生产中，常遇到噬菌体的危害而造成损失。但另一方面人们又能利用它们的寄生

19、关系来杀死有害微生物，防治动植物病害。,4、捕食关系 这是一种微生物直接吞食另一种微生物的关系。捕食者从被食者获得营养，在极端情况下，捕食者的吞食可能导致被食者种群的消失，进而也反过来威胁到捕食者本身的生存。但在一般情况下总有部分生活力强的被食者能逃避捕食并能在捕食者因食物减少而消减时重新繁殖起来，从而导致捕食者与被食者种群数量交替消涨的周期性波动。绝大多数的原生动物、粘菌的变形虫阶段和某些粘细菌以捕食为营养方式。,第九章 微生物与自然物质循环,一、碳素循环二、氮素循环三、硫素循环和细菌过滤四、磷素循环,碳素循环,光合作用藻类、绿色植物、蓝细菌,（CH2O）n有机化合物,呼吸作用动植物及微生物

20、,需氧,厌氧,CO2,厌氧呼吸、发酵厌氧微生物，包括光合细菌,有机化合物（CH2O）n,光合细菌,沉积作用,产甲烷细菌,甲基化合物,甲烷氧化细菌,CH4,二、氮素循环（1）生物固氮（2）硝化作用（3）同化性硝酸盐还原作用（4）氨化作用（5）铵盐同化作用（6）异化性硝酸盐还原作用（7）反硝化作用（8）亚硝酸氨化作用,工业固氮,有机氮化物,硝化作用,NO3-,NH4+,NO2-,NO2,N2,NO2,固氮作用,反硝化作用,同化硝酸盐的还原作用,硝化作用,反硝化作用,同化作用,分解作用,固氮,有机硫化物,反硫化作用,H2S,S2,SO42-,硫的生物循环,含磷矿物,风化作用,PO43-,不溶性磷酸盐

21、,有机磷化物,土壤固定,微生物溶磷作用,植物微生物同化作用,微生物解磷作用,磷的生物循环,1.有机磷化物的分解(解磷作用)2.不溶性无机磷化物的转化(溶磷作用)3.有效磷的微生物固定,磷的生物循环,（一）根际微生物,什么叫根际 也称根圈（rhizosphere），指生长中的植物根系直接影响的土壤范围，包括表面至几毫米的土壤区域。它是植物根系有效吸收养料和水分的范围，也是根系分泌作用旺盛的部位，因而是微生物和植物相互作用的界面。,根际释放物质的类型：（1）渗出物（2）分泌物（3）植物黏液（4）粘质（5）溶胞产物,（三）微生物-植物生态系,根际效应（1）概念 根际同根际外土壤中的微生物群落相比，生

22、活在植物根际中的微生物，在数量、种类和活性上有明显不同，表现出特异性，这种现象称为根际效应。（2）根土比-反应根圈效应的重要指标 根土比是指根圈中的微生物数量同相应的无根系影响的土壤中的微生物数量之比。不同的植物和土壤的特性不一样，根土比差异较大。,（2）有害影响 A.引起作物病害。B.某些有害微生物虽无致病性，但它们产生的有毒物质能抑制种子的发芽、幼苗的生长和根系的发展。C.竞争有限养分。,根际微生物对植物的影响（1）有利影响 A.改善植物的营养 代谢产物（糖类、有机酸有机酸、氨基酸以及维生素和生长素类物质。B.根际微生物分泌的维生素、氨基酸、生长刺激素等生长调节物质能促进植物的生长。C.根

23、际微生物分泌的抗菌素类物质，有利于作物避免土著性病原菌的侵染。D.产生铁载体（siderophore）,这些是一些植物促长细菌(PG PR)的重要功能之一。,（二）附生微生物 附生微生物是指直接着生在植物地上部分表面的微生物，附生在根表面的微生物，通常称根表微生物。（1）叶面的附生微生物以细菌为主，其次是酵母菌类和少数丝状真菌，放线菌则是很少的。乳酸杆菌是叶面广泛存在的附生细菌，研制泡菜利用的天然接种剂。（2）成熟的浆果表面有大量糖类分泌物，是酵母菌的天然附生环境。如葡萄酒发酵；水果腐烂。（3）根表微生物,第八章 微生物在农业上的应用,第一节 微生物肥料一、促生细菌剂植物根圈促生细菌（PGPR

24、）作用：分泌促生物质、对结瘤的促生作用、促进植物出芽、对土传病害调控,二、菌根菌剂1、外生菌根,Ectomycorrhizae,http:/plantbio.berkeley.edu/bruns/,内生菌根,三、固氮菌接种剂自生固氮和联合固氮作用的具有固氮活性的细菌有14科200多种芽孢杆菌属、欧文氏菌、固氮螺菌属四、根瘤菌接种剂,第二节微生物农药1微生物杀虫剂细菌（苏云金杆菌）、杀虫抗生素、真菌杀虫剂（白僵菌）、病毒杀虫剂（核型多角体 NPV）,2微生物杀菌剂,分活体微生物杀菌剂、生化杀菌剂及半合成杀菌剂三大类用机理主要为抗生素（拮抗作用）、重寄生作用、溶菌作用、竞争作用及诱导植物抗性或两种

25、以上机制的协同作用,木霉（Trichoderma）是真菌类中最有潜力的生防菌株，可用来防治多种植物病害。木霉广泛存在于土壤、根围、叶片、种子和球茎等生态环境中。对康宁木霉SMF2的胞外代谢产物及分生孢子进行了小白鼠急性经口毒性试验，家兔皮肤刺激试验及眼刺激试验。试验结果表明，康宁木霉SMF2胞外代谢产物及分生孢子对小白鼠均为实际无毒；对家兔均无皮肤刺激性；康宁木霉SMF2胞外代谢产物对家兔无眼刺激性，而分生孢子则有轻度眼刺激性。试验为康宁木霉SMF2作为绿色生物农药的广泛使用提供了安全依据。,3微生物除草剂活体和代谢产物 5种已经商品化的微生物除草剂和包括真菌、根际细菌、病毒、放线菌从自然感病

26、的稗草上分离到禾长蠕孢稗草专化型(Helminthosporiu mgramineum Rabenth f.sp.echinochloae，简写为HE)，经诱变和生物技术改良，使新菌株的孢子产量比原始菌株提高50，开发出以稗草为主要培养基原料大量生产孢子的技术，研制成功HE孢子制剂与低量化学除草剂复配新剂型“克稗霉1号”和“克稗霉2号”。适用于中国南方稻区，实现生物防治杂草。有利于减少化学农药的污染，实现农业可持续发展。,第三节 有机废物处理和土壤净化,有机废物处理和土壤净化一、堆肥二、沼气发酵三、污水处理四、土壤净化,一、堆肥,沼气发酵,污水处理,土壤中污染物的来源,土壤中污染物的来源具有多源性，主要是工业“三废”，化肥农药、城市污泥、垃圾等。土壤净化：主要是指微生物对有机污染物质的降解作用，以及使污染化合物转变为难溶性化合物的作用。,