《微生物学教学课件》第八章微生物的生态.ppt

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1、上节内容回顾,基因重组的定义转化、转导及结合的区别,第八章 微生物的生态,第一节微生物在自然界中的分布与菌种资源的开发第二节 微生物与生物环境间的相互关系第三节 微生物与自然界物质循环第四节 微生物与环境保护,第一节微生物在自然界中的分布与菌种资源的开发,一 微生物在自然界中的分布二 菌种资源的开发,（一）土壤中的微生物 1土壤的生态条件：营养、水分、空气、酸碱度（大多数为5.58.5）、渗透压（0.30.6Mpa）和温度条件都适于微生物的生存,因此土壤是最丰富的“菌种资源库”。,一、微生物在自然界中的分布,2 土壤中微生物的分布情况：（数量类递）细菌放线菌霉菌酵母菌藻类原生动物107 106

2、 105104 103102个/g,Proportion of different soil microorganisms in soil,3 土壤中微生物的含量与土壤有机质含量直接相关，可以通过测定土壤中微生物量来反映肥力状况。表层耕作土中微生物含量最高，耕作层厚度2030cm，地表土受阳光直接照射，其中微生物含量较低。采集土样时一般要刮开表土2 3cm后采样。,我国各主要土壤的含菌量(万/克干土),土类地点细菌放线菌真菌暗棕壤黑龙江呼玛2,32761213棕壤辽宁沈阳1,2843936黄棕壤江苏南京1,4062716红壤浙江杭州1,1031234砖红壤广东徐闻5073911磷质石灰土西沙群

3、岛2,2291,10515黑土黑龙江哈尔滨2,1111,02419黑钙土黑龙江安达1,0743192棕钙土宁夏宁武140114草甸土黑龙江亚沟7,8632923嵝土陕西武功9511,0324白浆土吉林皎河1,598553滨海盐土江苏连云港466410.4,（二）水体中的微生物1 微生物的来源：来自水体、土壤、空气及动物的排泄物等。,2 不同水体中微生物的种类 自然界江河湖海等各种淡水与咸水水域中都生存着相应的微生物。水域中微生物的种类和数量与水域的有机物、无机物的种类和含量、光照、酸碱度、渗透压、温度、含氧量和有毒物质的含量有密切关系。水体微生物分为清水型水生微生物和腐败型水生微生物；,3 饮

4、用水的微生物学标准 细菌菌落总数（CFU）：100个以下细菌为正常，超过500个即不能饮用。可通过平板菌落法检测饮用水细菌是否超标。总大肠菌群数：采用多管发酵法测定。,在饮用水的微生物安全检测中，普遍采用正常的肠道细菌作为粪便污染指标，而不是直接测定肠道致病菌。总大肠菌群是指一群需氧及兼性厌氧的，在37生长时能使乳糖发酵，在24小时内产酸产气的革兰氏阴性无芽孢杆菌。总大肠菌群含量是指每升水样所含有的总大肠菌群的数目。水样中总大肠菌群的含量，表明水被粪便污染的程度，而且间接表明有肠道致病菌存在的可能性。国标值3个/L。,（三）空气中的微生物1 空气微生物的来源：来自土壤、水体及人和动物体的排泄物

5、等，以微粒、尘埃等形式飘逸到空气中而造成的（以细菌、真菌为主）。,2 空气中的环境条件：无营养和水分、紫外线直射，因此空气只是微生物的暂存场所。3 存在状态：漂浮，短暂停留，以吸附于尘埃微粒上的形式存在。空气中的尘埃颗粒数与微生物数量有直接关系。,4 分布：越接近地面的空气含菌量越高，目前人类检测到微生物存在的最高处为85km的高空。5 种类：球菌、芽孢杆菌、产色素细菌、真菌孢子,6空气中微生物数量的测定：培养皿沉降法、液体阻留法。7 空气中微生物的杀灭与去除：紫外线照射、甲醛熏蒸、药物喷雾、过滤除菌等，常用的过滤介质有棉花、纱布、石棉滤板、活性炭或超细玻璃纤维过滤纸等。,（四）工农业产品中微

6、生物1 工业产品的霉腐霉变：指由霉菌引起的劣化；腐朽：泛指在好氧条件下，微生物酶解木质素和纤维素等物质使材料的力学性质严重下降的现象；腐烂：含水量较高的产品经细菌生长、繁殖后所引起的变软、发臭性的劣化；腐蚀：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。,2 食品上的微生物，产生毒素影响食品质量。加入苯甲酸、山梨酸及脱氢醋酸等化学防腐剂或乳酸链球菌素来抑制腐败微生物的生长。食品安全主要检测食品中细菌总数和总大肠菌群数等指标3农产品上的微生物会产生毒素，尤其是黄曲霉毒素影响其质量或是致癌。,（五）极端环境下的微生物1、嗜热菌：细胞内酶、蛋白有较高的热稳定性。细胞膜上具有

7、高熔点的脂肪酸。tRNA周转率大，GC含量高Taq酶：主要应用于PCR技术中，来源于嗜热微生物；多存在于草堆、厩肥、温泉、堆肥、火山地、地热区等200300（40以下不生长，7080、7095最适合）,2、嗜冷微生物（南北极-600）细胞膜中不饱和脂肪酸含量高，世代周期长3、嗜酸菌：只能在pH 4以下生存，属于化能自养菌，如硫细菌，被广泛应用于微生物冶金、生物脱硫。4、嗜碱菌：专性生活在pH10-11的碱性条件下，多为古老的细菌。嗜碱性微生物产生大量的碱性酶，包括蛋白酶、淀粉酶、果胶酶、纤维素酶等，广泛应用于洗涤剂和其他用途。,5、嗜盐菌：必须生活在12-30 NaCl中的称为极端嗜盐菌，细胞

8、内含盐量大；浓缩钾离子，排斥钠离子。酶耐盐，视紫红质起氢泵作用及排盐作用 6、嗜压菌：深海中；生长周期长，4个月的延滞期，1个月的对数期，稳定期一年,（六）生物体内外的正常菌群1 人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，称为正常菌群。正常菌群与人体的关系：一般能维持平衡，菌群内部的各种微生物之间也是相互制约而维持相对稳定。,正常菌群是相对的、可变的、有条件的：机体防御机能减弱时，一部分正常菌群会成为病原微生物；正常菌群在非正常部位时也可引起疾病；由于外界因素的影响，破坏了各种微生物之间的相互制约关系，正常菌群也会引起疾病（菌群失调症）。

9、,2 无菌动物与悉生生物无菌动物（germ-free animal）：体内外检查不到任何正常菌群的动物悉生生物（gnotobiotics）：已经人为接种某已知纯种微生物的无菌动物,3 根际微生物与附生微生物,根际微生物（rhizosphere microorganism）：植物根系经常向周围土壤分泌各种外渗物质，故根际有大量微生物活动。种类组成受植物的种类和植物发育阶段影响。,附生微生物（epibiotic microbe）：指生活在植物体表面，主要借其外渗物质或分泌物质为营养的微生物。叶面微生物是主要的附生微生物。,二 菌种资源的开发（一）采集菌样：了解目标菌分布情况、首选样品是土壤。（二）

10、富集培养：利用加富培养基的原理，将土样加入到加有某些特殊营养物的培养液中，使样品中少量的能分解利用该营养物的微生物大量繁殖，以提高其在群体中的比例，使之便于分离。,（三）纯种分离：利用选择性或鉴别性培养基，采用稀释分离法;（四）性能测定：采用液体培养，分析发酵液成分。,第二节 微生物与生物环境间的相互关系,互生关系共生关系寄生关系拮抗关系捕食关系,一 互生关系,指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（一）微生物间的互生关系自生固氮菌与纤维素分解细菌氧化乙酸脱硫单胞菌与一种绿硫细菌,（二）人体肠道正常菌群：（含一定寄生关系）作用：排

11、阻，抑制外来致病菌；提供若干维生素；产生若干酶类，一定程度的固氮作用（新几内亚人）；产生气体和粪臭物质,（三）混菌培养与生产实践 许多是纯菌株所不能合成而只有混合菌株才能完成的反应。混菌培养比纯菌培养作用更快、更有效和更简便。如产甲烷杆菌与产乙酸菌。,二 共生关系,两种生物共居在一起，相互协作、相依为命，不能分开的一种相互关系（一）微生物间的共生关系：真菌和藻类共生形成地衣；草履虫与小球藻；厌氧生物处理中的S-菌株和（布氏甲烷杆菌）。,（二）微生物与植物间的共生关系 根瘤菌与豆科植物间的共生关系；兰科、杜鹃科与菌根菌；,（三）微生物与动物间的共生关系 蟑螂、白蚁与其消化道中的某些原生动物；反刍

12、动物与其瘤胃微生物,三 寄生关系,一种小型生物生活在另一种较大型生物的体内或体表，从中取得营养和进行生产繁殖，同时使后者蒙受损害甚至被杀死的现象。（一）微生物间的寄生关系：噬菌体与细菌；蛭弧菌与寄生细菌,（二）微生物与动、植物间的寄生关系 真菌中的白粉菌属等致病菌及烟草花叶病毒等植物病毒与植物；动物病原微生物与动物；,四 拮抗关系,某种生物产生的某种代谢物可抑制他种生物的生长发育甚至杀死它们的一种相互关系。因某种微生物的生长而引起的其他条件改变（如缺氧、pH改变）抑制他种生物的现象。乳酸菌：改变pH，抑制不耐酸细菌的生长 产生抗生素的微生物与其他菌株,五 捕食关系一种较大型的生物直接捕捉、吞食

13、另一种小型生物以满足其营养要求的相互关系原生动物与细菌、真菌等,上节回顾,土壤微生物的种群特征及分布特征空气微生物的检测方法和杀灭方法正常菌群、附生微生物的定义资源微生物的筛选过程互生、共生、寄生的含义,第三节 微生物与自然界物质循环,一 微生物在物质循环中的地位二 碳素循环三 氮素循环四 硫素循环与细菌沥滤,生物进化中，分为单极生态系统、双极生态系统、三极生态系统单极生态系统：厌氧的异养生物利用海洋中的有机物，主要为分解作用。双极生态系统：蓝细菌放氧型光合作用；自养与异养共存；三极生态系统：真核植物、蓝细菌生产者和动物消费者（自养）及细菌、真菌所构成的分解者。,一 微生物在物质循环中的地位,

14、二 碳素循环,微生物的作用就是把有机物中的碳元素尽快矿化和释放，从而使生物界处于一种良好的碳平衡环境。90的二氧化碳是靠微生物的分解作用而形成的。复杂的有机化合物（纤维素、半纤维素、淀粉、果胶等）由土壤中的一些特殊的微生物来分解。如：真菌木质素；真菌、放线菌、细菌及原生动物纤维素；真菌、放线菌半纤维素,Carbon cycle,醇+有机酸H2+CO2,碳、氢、氧元素在自然界中的循环,有氧条件下无氧条件下光合作用”发酵作用呼吸作用,CO2+H2OO2+“CH2O”,CH4甲烷产生作用 化石燃料,三 氮素循环,含氮素的化合物：铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐、有机含氮物、氮气。,1、生物固氮 2、硝化作用

15、定义：土壤或水体中的氨态氮经化能自养菌的氧化而成为硝酸态氮的过程。过程：两阶段（1）由亚硝化细菌参与，铵亚硝酸；（2）由硝化细菌参与，亚硝酸硝酸。,微生物参与的氮素转化有,3、硝酸盐同化作用：NO3-NH4氨基酸蛋白 4、氨化作用：有机物中的氮（蛋白质、尿素）NH3 5、铵盐同化作用：NH4氨基酸、蛋白及其他 6、异化性硝酸盐还原作用：NO3-作为呼吸链的末端受体，从而被还原为NO2-,7、反硝化作用（脱氮作用）NO3-NO2-N2（使土壤中的氮元素损失）定义：由硝酸盐还原成NO2并进一步还原成N2的过程（广义）。狭义的反硝化作用仅指由亚硝酸还原成N2的过程。条件：厌氧（淹水的土壤或死水塘中）

16、8、亚硝酸氨化作用 NO2-羟胺NH3,四 硫素循环与金属沥滤,1、同化性硫酸盐还原作用：SO42-还原态的硫（S、H2S）蛋白质2、脱硫作用：厌氧条件：蛋白质或硫矿H2S好氧条件：H2SS或H2SO4 SH2SO43、异化性硫酸盐还原作用：H2SO4H2S4、异化性硫还原作用：SH2S,细菌冶金（黄铜矿）,细菌沥滤：又称细菌浸出或细菌冶金。利用化能自养的硫化细菌对矿物中的硫或硫化物的氧化作用，让其不断制造和再生酸性浸矿剂，使所需的金属不断地从低品位的矿石中溶解出来，成为金属硫酸盐的溶液，再通过电动序较低的金属加以置换，也可用离子交换等方法以取得金属。,第四节 微生物与环境保护,一 水体的污染

17、二 用微生物治理污染三 沼气发酵与环境保护四 用微生物监测环境污染,环境污染：指生态系统的结构、机能受到外来有害物质的影响或破坏，无法进行正常的物质循环。以水污染最为明显。,一 水体污染富营养化,富营养化：水体中因氮、磷等元素含量过高而引起水体表层的蓝细菌和藻类过度生长繁殖的现象。,二 用微生物治理污染,污水的微生物处理,1 水体的自净作用：好氧微生物把有机物分解为简单有机物和无机物，引起溶解氧下降，导致鱼类、原生动物等死亡；厌氧微生物大量繁殖，进一步分解有机物，产生CO2、H2O、PO43-、NH3、H2S等无机物。藻类利用无机物进行生长，释放氧气 有机物进一步缺乏及其他条件影响使细菌死亡，

18、水体恢复原有水平,2 相关定义1）BOD5（Biological Oxygen demand）：生物需氧量，一种表示水中有机物含量的间接指标。20下，1L污水中所含有机物（主要是有机碳源）在进行微生物氧化时，5日内所消耗的分子氧的毫克数（或ppm）,测定方法：取一定量被测水样，用加有磷素营养和经氧饱和的水稀释到一定浓度，然后放在密封瓶中，在20恒温培养5天，测定水中残留溶解氧的量。,2）COD（Chemical Oxygen demand）即化学需氧量，使用强氧化剂使1L污水中的有机物质迅速进行化学氧化时所消耗氧的毫克数。氧化剂：高锰酸钾 重铬酸钾3）TOD（Total oxygen dema

19、nd）总需氧量 指污水中能被氧化的物质（主要指有机物）在高温下燃烧变成稳定氧化物所需的氧量。,4）DO（dissolved oxygen）溶氧量，指溶于水的分子态氧，评价水质优劣的重要指标。天然水的DO值一般为510mg/L。5）SS（suspend solid）悬浮物含量，指污水中不溶性固态物质的含量,3 用于污水处理的特种微生物,自然界中存在能分解特定污染物的微生物。分解氰：产生氰水解酶的诺卡氏菌、假单胞菌等；分解丙烯腈：产生丙烯腈水解酶的珊瑚诺卡氏菌等菌种；,4 污水处理的主要装置,（1）节能型污水处理装置 氧化塘法：菌藻共生的生态系统。有机物的好氧性分解和厌氧消化；光合作用藻类和水生植

20、物进行；藻类细胞的消失由各种动物完成；,洒水滤床法 将污水通过由一层石块及其上附着的生物膜组成的滤床，使污水中的有机物被生物膜中的各种微生物区系强烈地吸附，降解、吸收和氧化，从而使污水变清。,（2）耗能型污水处理装置 活性污泥法（生化曝气法）活性污泥：指一种由细菌、原生动物和其他微生物群聚积在一起组成的絮凝团，在污水处理中具有很强地吸附、分解和利用有机物或毒物的能力。细菌有生枝动胶菌、浮游球衣菌等，原生动物含有独缩虫、盖纤虫及钟虫等。,生物膜法 生物膜是指生长在潮湿、透气的固体表面上的一层由多种微生物构成的粘滑、褐色菌膜，能氧化、分解污水中的有机物或某些有毒物质。,生物转盘,（3）产能型污水处

21、理装置厌气消化器 厌氧条件下，在氧化降解有机物的同时，可以利用乙酸等物质产生甲烷。,5 固体有机垃圾的微生物处理,1）好氧堆肥法 利用自然界中微生物及固体残留的空气进行有机物降解，之后厌氧微生物进一步降解未分解完全的有机物，最后得到堆肥。,2）有机垃圾生物反应器 利用芽孢杆菌在通气条件下将有机垃圾中有机物降解、矿化，剩余物可以投加到农田里。,三 沼气发酵与环境保护 沼气（marsh gas or swamp gas）又称生物气，混合可燃气体，其中除含主要成分甲烷外，还含有少量氢气、氮气等。,1 沼气发酵的三个阶段 第一阶段：由厌氧和兼性厌氧的水解性细菌或发酵性细菌将纤维素、淀粉等糖类水解成单糖

22、，并进而形成丙酮酸。蛋白质氨基酸有机酸、氨气 第二阶段：由产氢产乙酸的细菌群利用第一阶段产生的各种有机酸，分解成乙酸、氢气和二氧化碳。第三阶段：由严格厌氧的产甲烷菌群来完成，利用一碳化合物（二氧化碳、甲醇、甲酸、甲基胺、一氧化碳等）合成甲烷。,2 甲烷生成的生化机制,产甲烷菌：一类必须生活在厌氧条件下的古生菌，其形态和生理、生化特性呈现明显的多样性。,甲,四 用微生物监测环境污染,由于微生物细胞与环境接触的直接性以及微生物对其反应的多样性和敏感性，使微生物成为环境污染监测的指示生物。,1肠道菌群作为水质的指标：总大肠菌群是最基本的粪便污染指示菌，最常见的水质指标之一。检测水体中总大肠菌群的方法

23、主要是MPN（most probable number）试验法和膜滤试验法。2营养缺陷型微生物可以检测致癌物：Ames试验3发光微生物可以检测环境,发光细菌：G-，长有极生鞭毛的杆菌或弧菌，兼性厌氧，在有氧条件下发出475505nm的荧光，多为海生，多属于发光杆菌属或弧菌属。发光细菌含两种特殊成分虫荧光素酶和长链脂肪族醛。发光过程包括电子的传递和能量转移，电子供体为NADH2。电子传递给FMN和虫荧光素酶，使虫荧光素酶激活。被激活的虫荧光素酶在长链脂肪族醛存在下，通入氧气会引起一阵明亮的闪光，随即返回基态。因此，发光细菌在有氧条件下就会发光。,细菌发光的强度受环境中氧浓度、毒物种类及其含量等的影响，因此采用海水型发光细菌作为试验菌种可以监测环境。,