06 微生物生态.ppt

第1页：第七章 微生物生态

第七章 微生物生态：本章讨论微生物在自然界中的分布、与生物环境的关系及其在物质循环和环境保护中的作用。

第2页：微生物与环境的关系

微生物与环境间有着极为密切的关系：微生物的生命活动依赖于环境，同时也影响着环境。研究微生物与环境之间的关系，了解它们在自然界的分布，可为开发微生物资源提供理论依据。微生物之间、微生物与其他生物之间也存在着相互依存、相互制约的关系。

第3页：生态系统与微生物生态学

生态系统

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

生态学

研究生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系的一门科学

微生物生态学

研究微生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系的科学

• 各种环境中的微生物的种类、分布

• 微生物和其他生物的关系

• 微生物与物质循环

第4页：土壤中的微生物

微生物的特点：个体微小，代谢营养类型多样，适应能力强，在自然界中分布广泛。

土壤

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，是微生物的大本营

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。

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第6页：土壤中微生物的分布特点

• 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

• 数量和分布受季节影响

• 数量与土层的深度有关，一般土壤表层微生物最多，随土层加深数量逐步减少

• 土壤中的微生物以细菌最多，其次为放线菌和霉菌

第7页：江河水中的微生物

• 数量和种类与接触的土壤有密切关系

• 垂直分带分布

• 多是吸附在悬浮于水中的有机物上及水底

• 多能运动，有些具有很异常的形态（例如柄细菌）

• 靠近城市或城市下游水中的微生物多，并有很多对健康不利的细菌，不宜作为饮用水源

• 水体自身存在自我净化作用

第8页：海水中的微生物

• 嗜盐，真正的海洋细菌在缺少氯化钠的情况下不能生长

• 低温生长，除热带海水表面外，其它海水中发现的细菌多为嗜冷菌

• 大多数海洋细菌为G-细菌，并具有运动能力

• 耐高压，特别是生活在深海的细菌

• 更明显的垂直分层分布（透光区、无光区、深海区、超深渊海区）

德国科学家H. N. Schulz等1999年在纳米比亚海岸的海底沉积物中发现一种硫磺细菌Thiomargarita namibiensis，大小可达0.75 mm，被称为"纳米比亚硫磺珍珠"。

第9页：空气中的微生物

• 无原生的微生物区系，主要以气溶胶形式存在

• 来源于土壤、水体及人类的生产、生活活动

• 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

• 数量取决于尘埃数量

• 停留时间与尘埃大小、空气流速、湿度、光照等因素有关

• 与人类的关系：传播动、植物疾病，造成食品及发酵生产中的污染

第10页：工业产品的霉腐

微生物引起的工业产品霉腐：

• 纤维制品、木制品、革制品、橡胶制品、油漆、卷烟、化妆品等

• 塑料、建筑涂料等也有许多微生物可以分解、利用

• 光学仪器上的镜头、建筑泥浆、钢缆、地下管道、金属材料等

• 各种电讯器材、文物、书画等也可被多种特殊微生物所破坏

第11页：食品上的微生物：不利影响

• 由于微生物的生长繁殖而腐烂、变质，不能再食用或使用

• 病原微生物进入人体的重要途径，引起传染性疾病

• 很多微生物在食品、农产品上生长后会产生对人有害的毒素，如肉毒毒素、黄曲霉素等

第12页：防止食品被微生物破坏

可采用低温、干燥、高渗、酸度调节、加热灭菌与添加防腐剂等多种方法防止微生物对食品等的破坏。

第13页：食品上的微生物：有利影响

有利影响：利用特定的微生物制备风味食品。

• 酱制品

• 米酒

• 腌酸菜

第14页：嗜热微生物

嗜热微生物

一类生活在高温环境中的微生物，如火山口及其周围区域、温泉、工厂高温废水排放区等

• 耐热菌

• 兼性嗜热菌

• 专性嗜热菌

• 极端嗜热菌

• 超嗜热菌

第15页：嗜热微生物的代表种类

• 隐蔽热网菌（Pyrodictium occultum）

• 嗜酸热硫化叶菌（Sulfolobus acidocaldarius）

• 水生嗜热杆菌（Thermus aquaticus）

第16页：其他极端环境微生物

嗜冷菌

最适生长温度低于15℃的微生物，主要分布于极地、深海、高山、冰窖和冷藏库

耐冷微生物

最适生长温度为20-40℃的微生物

嗜酸微生物

只能生活在低pH（小于4）条件下的微生物；耐酸微生物也可在中性环境中生长

嗜碱微生物

专性生活在pH 10-11碱性条件下的微生物

嗜盐微生物

在高盐浓度下才能生长的微生物

嗜压微生物

在高静水压环境中生长的微生物

• 抗辐射微生物

注：源文件本页在「嗜碱微生物」条目后重复出现「最适生长温度低于15℃」一句，与嗜冷菌条目重复，属原文错置，此处按内容去重，未改动任何数值。

第17页：极端环境微生物的研究意义

• 开发利用新的微生物资源，包括特异性的基因资源

• 为微生物生理、遗传和分类乃至生命科学及相关领域（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

• 为生物进化、生命起源的研究提供新的材料

第18页：人体的正常菌群

正常菌群

在正常人体皮肤、粘膜及外界相通的各种腔道（口腔、鼻咽腔、肠道和泌尿道）等部位存在着对人体无害的微生物群，包括细菌、真菌、螺旋体、支原体等

在长期进化过程中，微生物群的内部及其与宿主之间互相依存、互相制约，形成一个能进行物质、能量交流的动态平衡的微生态系统。

第19页：人体各部位的常见正常菌群

人体各部位常见的正常菌群如下表。

第20页：正常菌群的生理作用

• 生物拮抗作用：通过粘附和繁殖形成自然菌膜，抵抗致病微生物的侵袭及定植，并可产生抗生素、细菌素等

• 刺激免疫应答：释放的内毒素等物质可刺激机体免疫系统保持活跃状态

• 合成维生素：如核黄素、生物素、叶酸、吡哆醇及维生素K等供人体吸收利用

• 降解食物残渣：肠道中正常菌群互相配合，降解未被人体消化的食物残渣

第21页：条件致病菌

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

• 由于机体的防卫功能减弱，引起自身感染，如皮肤粘膜受伤、大面积烧伤、身体受凉、过度疲劳、长期消耗性疾病等

• 由于正常菌群寄居部位改变发生定位转移，如大肠杆菌进入腹腔或泌尿道，引起腹膜炎、泌尿道感染

第22页：菌群失调

菌群失调

如果生态平衡失调，以致机体某一部位的正常菌群中各细菌的比例关系发生数量和质量上的变化

常见诱因：主要是使用抗生素、同位素、激素；患有慢性消耗性疾病时肠道、呼吸道、泌尿生殖道的功能失常也是重要原因。去除诱因后一般可使菌群复常，也有长期失调难于逆转的情况。

第23页：菌群失调症与微生态制剂

• 耐药性葡萄球菌繁殖成优势菌而发生腹泻，偶尔发生致死性葡萄球菌脓毒血症

• 变形杆菌和假单胞菌生长旺盛并侵入组织，发生肾炎或膀胱炎

• 白色念珠菌大量繁殖，引起肠道、肛门或阴道感染，也可发展成全身感染

• 艰难梭菌在结肠内大量繁殖并产生肠毒素及细菌毒素，导致假膜性肠炎

微生态制剂

含蜡状芽孢杆菌的"促菌生"、含地衣芽孢杆菌的"整肠生"等活微生物制剂，可促使肠道内正常厌氧菌生长繁殖，恢复肠道正常生态环境

第24页：无菌动物与悉生生物

按对微生物携带情况的明确程度，实验动物可分为四类，其饲养方法与说明如下表。

第25页：根际微生物与附生微生物

根际微生物

生活在植物根系周围土壤中的微生物，为正常菌群，多为G-细菌

附生微生物

生活在植物地上部分表面的微生物

第26页：微生物与生物环境的关系类型

微生物与生物环境之间的关系主要有以下类型。

• 互利共栖

• 初级合作

• 偏利共栖

• 捕食作用

• 寄生

• 偏害共栖

• 竞争

第27页：互生：微生物之间

互生

两种生物可以独立生活，也可以形成相互的联合，对一方有利，或双方都有利

固氮菌和纤维素分解菌的互生关系较为典型：固氮菌可利用纤维素分解菌产生的有机酸作为碳源和能源而大量繁殖并进行固氮；纤维素分解菌避免了自身代谢产物积累过多而中毒，同时可利用固氮菌提供的氮素营养物质，生长更加旺盛，增强了分解纤维素的能力，提高了土壤肥力。

第28页：互生：微生物与动植物

• 微生物与人及动物间的互生关系：人及动物与其正常菌群即是互生关系

• 微生物与高等植物之间的互生关系：根际微生物与高等植物间也为互生关系，植物根系分泌有机物并提供脱落物，改善土壤结构与水气条件，有利于微生物生长

第29页：共生的定义

共生

两种微生物紧密地生活在一起，彼此依赖，相互为对方创造有利的生存条件

• 特点：在生理上相互分工，互换代谢活动的产物

• 特点：在组织上形成了新的结构，一旦彼此分离，各自就不能很好地生活

第30页：微生物间的共生：地衣

微生物间共生的典型例子是地衣。

• 地衣组成：真菌（子囊菌、担子菌）、单细胞藻类（绿藻、蓝藻）

• 地衣的结构：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

• 地衣的代谢：真菌营异养生活，藻类制造养料，真菌提供水分、无机盐供藻类光合作用

第31页：微生物与植物的共生体

• 根瘤：豆科植物与固氮菌共生、非豆科植物与放线菌共生

菌根

有些真菌能够在一些植物的根上发育，菌丝体着生根的表面或侵入根内，形成的两种生物的共生体；能与植物共生形成菌根的真菌称为菌根菌

菌根菌包括藻状菌、子囊菌和半知菌，以担子菌为最多；能与真菌共生的植物约有2000种。

第32页：菌根的作用与种类

• 菌根作用：帮助植物吸收水分和养料；调节植物代谢；增强植物抗病能力

• 外生菌根：主要分布于木本的乔、灌木，可形成菌套或哈蒂氏网

• 内生菌根：菌丝体存在于根皮层薄壁细胞之间并进入细胞内部，最常见和最重要的是泡囊-丛枝状菌根

第33页：微生物与昆虫的共生

• 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，必须依赖肠道内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

第34页：瘤胃微生物

反刍动物有四个胃，前两个胃叫瘤胃和网胃，后两个胃叫瓣胃和皱胃。瘤胃和网胃是草料暂时贮存、分解、加工的场所，pH 5.8-6.8之间，适宜微生物生长，有大量的纤维素、淀粉、脂肪分解菌。纤维素菌将纤维素分解为纤维二糖、葡萄糖，被其他微生物吸收利用转化，产生乳酸、丁酸、脂肪酸等有机酸和CO2、CH4等气体；前两个胃未消化完的草料进入后两胃，由其分泌蛋白酶消化分解产生氨基酸、维生素等，被动物体吸收利用。

第35页：寄生的定义与类型

寄生

一种生物侵入另一种生物体内吸取自己所需要的营养物质进行生长繁殖，在一定的条件下对后者造成损害或死亡的现象

• 专性寄生（寄生物离开寄主不能生活）

• 兼性寄生（寄生物可离开寄主营腐生生活）

• 细胞内寄生、细胞外寄生

第36页：微生物间的寄生

• 噬菌细菌：一种细菌可以寄生在另一种细菌体内，如食菌蛭弧菌能寄生在大肠杆菌等许多G-菌体内

• 真菌间的寄生方式：寄生物先分泌毒素，引起寄主活力衰退，然后再缠绕致死

• 有些寄生真菌不分泌毒素，由菌丝将寄主的菌丝紧紧缠绕起来，由接触部位侵入寄主菌丝内吸收营养使之死亡

• 还有些寄生真菌将菌丝或吸器伸到寄主真菌丝内，溶解寄主细胞膜，吸取其营养物质进行生长繁殖

第37页：微生物对植物的寄生

微生物对植物的寄生很普遍，这是植物发生病害的重要原因，能引起植物病害的微生物称为植物病原微生物。

• 植物发病后出现变色、组织坏死、萎蔫和畸形等症状

• 能引起植物病害的有真菌、细菌、病毒等

第38页：微生物对人与动物的寄生

微生物在人体和动物体内寄生引起人与动物的传染病，这些微生物称为动物病原微生物。

目前利用微生物消灭农业害虫已成为微生物防治的一个重要方面，现被人们利用的微生物有苏云金杆菌等细菌、白僵菌等真菌及昆虫病毒等。

第39页：拮抗

拮抗

一种微生物生命活动中，通过产生某些代谢产物或改变环境条件，能抑制其它微生物的生长繁殖，或毒害杀死其它微生物的现象

第40页：捕食

捕食

一种大型的生物直接捕捉、吞食其他小型生物来满足生存需要的现象

• 原生动物：捕食水体和土壤中的细菌、放线菌、真菌的孢子及单细胞藻类为食

• 捕食性真菌：捕食线虫

第41页：微生物与自然界物质循环

• 无机物经光合作用合成有机物

• 有机物经分解作用回到无机物

• 生产者：从无机物合成有机物，如植物、微生物

• 消费者：利用有机物进行生活，如动物

• 分解者：分解有机物成无机物，如微生物

第42页：微生物在生态系统中的地位

• 微生物是有机物的主要分解者，最大的价值在于其分解功能，把动植物残体转化为简单无机物供初级生产者使用

• 微生物是物质循环中的重要成员，参与所有物质循环，有些过程只有微生物才能进行

• 微生物是生态系统中的初级生产者，光能和化能营养微生物可直接利用太阳能、无机物化学能

• 微生物是物质和能量的贮存者，土壤和水体中有大量微生物生物量

• 微生物在地球生物演化中作用重大，是最早出现的生物体，藻类的产氧作用改变了大气圈的化学组成

第43页：微生物与物质循环的类型

微生物参与的自然界物质循环主要包括以下四类。

• 碳素循环

• 氮素循环

• 硫素循环

• 磷素循环

第44页：微生物与环境保护

第四节 微生物与环境保护：本节讨论水体富营养化、污水处理的微生物学原理与方法。

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第46页：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

第47页：水华

富营养化发生在淡水水体时即为水华。

水华

淡水水体中的富营养化现象

第48页：

第49页：微生物处理污水

微生物处理污水的内容分为原理与方法两部分。

• 微生物处理污水的原理

• 主要方法

第50页：BOD、COD与TOD

BOD（生化需氧量）

在1 L污水或待测水样中所含的一部分易氧化的有机物，当微生物对其氧化、分解时所消耗的水中溶解氧毫克数（单位mg/L）

COD（化学需氧量）

1 L污水所含的有机物在用强氧化剂氧化后所消耗氧的毫克数（单位mg/L），常用氧化剂有K2Cr2O7或KMnO4

TOD（总需氧量）

污水中能被氧化的物质（主要是有机物）在高温下燃烧变成稳定氧化物时所需的氧量

第51页：曝气池曝气法

曝气池曝气法：本页图示向曝气池中持续通入空气，利用好氧微生物絮体（活性污泥）吸附并氧化分解污水中的有机物。

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第53页：生物转盘法

生物转盘法：本页图示盘片表面生长的生物膜交替接触污水与空气，借此吸附和氧化分解有机污染物。

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第55页：水体的自净作用

• 好氧菌的降解作用

• 原生动物等的吞噬作用

• 水体食物链的富集作用

• 致病菌一般对营养要求苛刻，因此在一般的水中只能存活2-3天

• 水表微生物会受辐射等作用而被杀灭

• 由固形物吸附再沉积到水底

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第57页：生物放大作用

严重污染的水会通过食物链的生物放大作用，使有害物质在高级消费者体内富集，最终危害人类健康。

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第59页：饮用水的微生物指标

生活饮用水的微生物学指标主要有以下两项。

• 总菌数：小于100个/ml

• 大肠杆菌：小于3个/L

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第66页：微生物在碳素循环中的作用

碳素是生物体最重要的一种元素，它的主要来源是大气中的CO2。只有通过生物所推动的碳素循环，特别是微生物的分解作用，使不同形态的碳素相互转化，大气中的CO2才不会被耗竭，生命才能维持。

第67页：自然界中的碳素循环

• CO2的固定：绿色植物和微生物通过光合作用固定自然界中的CO2，合成有机碳化物

• CO2的再生：动物、植物和微生物进行呼吸作用获得能量，同时释放CO2

• 动、植物和微生物尸体等有机碳化物被微生物分解时，产生大量CO2

第68页：微生物在碳循环中的双重作用

• 光合作用：参与光合作用的微生物主要是藻类、蓝细菌和光合细菌；大多数水生环境中主要的光合生物是微生物，有氧区域以蓝细菌和藻类占优势，无氧区域以光合细菌占优势

• 分解作用：自然界有机碳化物的分解主要是微生物的作用；有氧条件下经好氧微生物彻底氧化为CO2，无氧条件下经厌氧微生物不完全氧化成有机酸、甲烷、氢和CO2；能分解有机碳化物的微生物主要有细菌、真菌和放线菌

第69页：微生物在氮素循环中的作用

氮素是生物体合成蛋白质的主要成分。大气体积中约有79%是分子态氮，但所有植物、动物和大多数微生物都不能直接利用。初级生产者需要的氨盐、硝酸盐等无机氮化物在自然界为数不多，常常限制了植物体的发展，只有将分子氮进行转化和循环，才能满足植物体对氮素营养的需要。

第70页：固氮作用

氮素循环包括固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用，微生物参与氮素循环的所有过程并在每一过程中起主要作用。

固氮作用

分子态氮被还原成氨和其他氮化物的过程

• 非生物固氮：通过闪电高温放电等固氮，形成的氮化物很少

• 生物固氮：通过微生物的作用固氮，大气中90%以上的分子态氮都是靠微生物的活性而固定成氮化物

第71页：氨化作用

氨化作用

微生物分解有机氮化物产生氨的过程

很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮衍生物；氨化作用产生的氨，一部分供微生物、植物同化，一部分被转变成硝酸盐。

第72页：硝化作用与反硝化作用

硝化作用

微生物将NH3氧化成硝酸盐的过程；第一阶段NH3被氧化为亚硝酸盐（亚硝酸细菌），第二阶段亚硝酸盐被氧化为硝酸盐（硝酸盐细菌）

反硝化作用

微生物还原硝酸盐，释放出分子态氮和NO的过程，参与这一作用的细菌称为反硝化作用细菌

硝化作用形成的硝酸盐在有氧环境中被植物、微生物同化，在缺氧环境中则被还原成分子态氮而从环境中消失。

第73页：硫素循环

硫是生物的重要营养元素，是一些必需氨基酸、某些维生素、辅酶等的成分。在自然界，硫素以元素S、H2S、硫酸盐和有机态硫的形式存在，而植物一般只能以无机盐类作为养料。

• 分解作用

• 同化作用

• 无机硫的氧化作用

• 无机硫的还原作用

第74页：硫素循环的分解与同化作用

分解作用

动、植物和微生物尸体中的有机硫化物被微生物降解成无机物（硫酸盐、H2S等）的过程

同化作用

微生物利用硫酸盐和H2S组成本身细胞物质的过程；细菌、放线菌、真菌中都有能利用硫酸盐作为硫源的种类，仅少数微生物同化H2S

第75页：无机硫的氧化与还原作用

无机硫的氧化作用

微生物氧化硫化氢、元素S或FeS等生成硫酸盐的过程，主要是硫细菌

无机硫的还原作用

在厌氧条件下微生物将硫酸盐还原成H2S的过程，参与此过程的微生物是硫酸盐还原细菌（脱硫弧菌属、脱硫肠状菌属）

第76页：磷素循环

磷素循环主要包括以下三个环节。

• 无机磷的溶解

• 无机磷的同化

• 有机磷的矿化

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