10、微生物生态学.ppt
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1、第十章 微生物生态学microbial ecology,第一节 微生物在自然界中的分布第二节 微生物与环境间的关系第三节 微生物与自然物质循环第四节 微生物与环境保护,生态学:是一门研究生物系统与其环境条件间相互作用规律性的科学。微生物生态学则是研究微生物与周围生物和非生物环境之间的相互关系及其在自然环境中的作用和环境因素对微生物的影响。,研究内容:微生物群体微生物区系(microflora)或正常菌群(normal flora)对其周围生物和非生物环境条件相互作用关系。生态学研究范围:生物圈(biosphere):地球上的所有生物。生态系统(ecosystem):生物群落与其无机环境相结合、
2、相作用、相调控而成的动态系统。群落(community):同一环境中两个以上种群由于生活繁殖上的连锁而构成相依赖、相制约的生物集团。种群(population):生活在同一环境中的同种个体组成的能繁殖集团。与同种别地的种群有隔离、有界限。,研究微生物的分布规律发掘丰富的菌种资源,推动进化、分类的研究和开发应用;研究微生物与其它种生物的关系开发新的微生物农药、微生物肥料和微生物制剂,发展生态农业,为防治人和动、植物病虫害提供理论依据;研究微生物在自然界物质循环中的作用为探矿、冶金、提高土壤肥力、治理环境污染、开发生物能源和促进大自然生态平衡提供科学的基础。,研究意义:,一、土壤中的微生物二、水圈
3、中的微生物三、大气中的微生物四、极端环境微生物五、动物体内的微生物六、植物体中的微生物,第一节 微生物在自然界的分布,微生物种类繁多。它们在自然界的分布非常广泛,土壤、水、空气、动植物体中均有它们的踪影,在一些极端环境中也发现有大量微生物生存。,一、土壤中的微生物,(一)土壤环境条件营养、水分、空气、酸碱度、渗透压和温度条件都适于微生物的生活,是微生物的大本营、也是人类最丰富的“菌种资源库”。,土壤为微生物生长提供有利条件:土壤是微生物的天然培养基 土壤的保水性,使微生物生长 有充分的水供应 土壤颗粒间的空隙,保持了良好的通气条件 土壤的pH约5.58.5,是大多数微生物的最适pH 土壤具有保
4、温性,使土壤中温度变化不大,(二)土壤中微生物的分布,聚集在表土层和耕作层,以微菌落的形式分布在土壤颗粒和有机质表面以及植物根际。,同一土体由于微环境的通气、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,细菌:特点:是土壤微生物中数量最大、种类最多、功能多样的类群。生物量可超过全部土壤微生物总量的1/4。土壤细菌以异养型为主和无芽孢细菌占优势
5、。土壤中常见的细菌属:不动杆菌(Acinetobacter)、土壤杆菌(Agrobacterium)、产碱杆菌(Alcaligenes)、节杆菌(Arthrobacter)、芽孢杆菌(Bacillus)、短 杆菌(Brevibacterium)、梭状芽孢杆菌(Clostridium)、棒杆菌(Corynebacterium)、黄杆菌(Flavobacterium)、微球菌(Micrococcus)、分枝杆菌(Mycobacterium)、假单胞菌(Pseudomonas)、葡萄球菌(Staphylcoccus)黄单胞菌(Xanthomonas),柄杆菌(Caulobacter)、纤维单胞菌(C
6、ellulomonas)等,(三)土壤中微生物的群落,放线菌:占土壤细菌群体的1033%。链霉菌属(Streptomyces)和诺卡氏菌属(Nocardia)在土壤放线菌中所占的比例最大;其次是小单胞菌属(Micromonospora)和放线菌属(Actinomyces)等。,放线菌对干燥条件抗性比较大,并能在沙漠土壤中生存,它们比较适合在碱性或中性条件下生长,对酸性条件较敏感。放线菌的生长使土壤带有特殊的土腥气味。,真菌:数量约为103105个/克土,但其生物量却是最大的,尤其是在通气良好的酸性土壤中。真菌在土壤物质循环中起着重要作用,它们中的许多类群能分解纤维素、木质素等难分解的有机物质。
7、土壤真菌可以游离的状态存在或与植物形成共生关系,丝状真菌主要存在于表土层的枯枝落叶中。在土壤中常见的真菌主要是半知菌,如:曲霉属、青霉属和木霉属等,但也可以找到大量的子囊菌和担子菌。各种酵母菌,如假丝酵母、红酵母和隐球酵母等也能从土壤中分离到。,澡类和原生动物:光能自养的蓝细菌主要分布在表土层中,酸性土壤中较少,中性到微碱性土壤中较多。蓝细菌中,有些如念珠藻在自然生境中既能固定氮气,又能通过光合作用合成有机物。土壤中还生活有大量的藻类。原生动物多存在于有机质和微生物丰富的表层土壤中,它们是土壤细菌和藻类的捕食者,对土壤微生物尤其是细菌的数量和种类起着重要的平衡和调控作用。,细菌病毒 在土壤中分
8、布广泛,但数量不是很多,如果其宿主细菌数目增加,那么相应的病毒数目也增加。,(四)土壤微生物的作用,(1)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。(2)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。(3)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、水圈中的微生物,水也具备微生物生长繁殖的条件,成为微生物广泛分布的第二个理想环境。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。种类:水中存在的
9、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。病原:通过水体传播的病原微生物主要有沙门氏菌属(伤寒)、志贺氏菌属(细菌性痢疾)、霍乱弧菌等。因此,做好水的卫生学检查至关重要。,多数是嗜盐菌,(1)有机物含量(水清洁度判断)洁净的水体:少,以自养型为主清水型微生物 污染的水体:多,以异养型为主腐败型微生物(2)温度:中温水体低温水体(3)溶解氧 表层水好氧微生物较多 中层水兼性微生物较多,微需氧菌,光合细菌等 深层水厌氧微生物较多(4)PH: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。,影响水体微生物
10、分布的因素,浅水区:光合及好氧微生物居多。深水区:厌氧微生物占多数。湖底区:只有厌氧微生物。,(一)淡水中的微生物,微生物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。,(二)海水中的微生物,以耐盐或嗜盐菌为主,兼性厌氧,生长慢,能在低营养下生活,常产色素,分解蛋白质能力强,解糖能力低,多嗜冷,对热敏感;,平均含盐量:3.5%,密度大、渗透压高、冰点低,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,水体的富营养化作用(水华现象)是湖泊分类和演化学的一个概念,它指的是当湖泊水中的N、P等植物营养物(如氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、尿素、磷酸盐)的浓度
11、超过一定数值时引起的湖泊生态系统的一种恶性循环。,水体大量的有机物或无机物,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。,赤潮或红潮(red tides):,海洋中藻类(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。在海洋中,某些甲藻类大量繁殖也可也可以形成水花,从而使海水出现红色或褐色。赤潮发生后,除海水变成红色外,同时海水的pH值也会升高,粘稠度增加,非赤潮藻类的浮游生物会死亡、衰
12、减;赤潮藻也因爆发性增殖、过度聚集而大量死亡。,三、大气中的微生物,1、大气的特点:无营养、干燥、流动性强、光照强,故无固定微生物2、微生物的存在状态:吸附于尘埃、水滴、脱落物上,但孢子无须吸附,3、空气中微生物的来源:土壤、水、动植物体上的微生物随气流运动被携带至空气中。4、空气是微生物传播的重要介质:传播距离与风力成正比,与空气湿度成反比。,陆地海洋 城市农村 近地高空,5、空气微生物的种类和数量:(1)尘埃越多的空气,微生物数量就越多。(2)空气的温度、湿度影响微生物的种类和数量。(3)空气中微生物可随气流传播到很远处,太空中也有微生物存在。,种群组成特点 是一些抗逆性较强的微生物。细菌
13、:产芽孢菌、产色素细菌,各类球菌 放线菌、真菌:孢子 一些酵母菌,6、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、极端环境微生物,极端环境,高温低温高酸高碱高盐高毒高渗透压高压干旱高辐射强度,五、工农业产品上的微生物,1、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、革裘制品、橡胶制品、卷烟、化妆品、中成药等。有些工业产品如塑料、建筑涂料等很多微生物可以分解、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
14、种特殊微生物所破坏。,霉腐微生物的作用机理:通过微生物酶系分解工农业产品中的相应组分产生危害。在矿物油中生长,不仅因大量菌体阻塞机件,代谢产物会腐蚀金属器件硫细菌、铁细菌和硫酸盐还原菌会对金属制品、管道和船体外壳等产生腐蚀菌体和代谢物属于电解质,对电讯、电机器材等会危及其电学性能有些霉菌分泌的有机酸能腐蚀玻璃以致严重降低光学仪器的性能,2、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,防止霉腐的方法:(1)在加工、制造、包装过程中必须特别注意清洁卫生(2)
15、控制保藏条件采用低温、干燥、密封等措施(3)添加少量无毒的化学防腐剂如苯甲酸、山梨酸、脱氢醋酸、维生素K、丙酸等,3.农产品上的微生物,主要菌种:主要是一些霉菌(曲霉属、镰孢霉属),许多能产毒素。真菌毒素:黄曲霉毒素 单端孢烯族毒素T2 玉米赤霉烯酮凡是被霉菌严重污染的 粮食一般都含有多种真菌毒素,因此,“防癌必先防霉”。,玉米上的Aspergillus flavus,玉米上的Fusarium,微生物与任何一种生物之间的关系:种间共处:两种微生物相互无影响的生活在一起,不表现出明显的有利或有害关系。如乳杆菌和链球菌。互生;共生;寄生;竞争;拮抗;捕食,第二节 微生物与环境间的关系,一、互生(c
16、ooperation),定义: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,或偏利于一方的生活方式。即互利互生和偏利互生。特点:可分可合,合比分好。“和睦相处”,(一)微生物间的互生:例:好氧性自生固氮菌(N源)与纤维素分解菌(有机酸),(二)人体肠道中正常菌群与人的互生:人体肠道有60-400种微生物可以排阻、抑制外来的肠道致病菌、提供维生素、酶、微量的氮素、产生气体和粪臭物。,(三)微生物-植物的互生(四)互生现象与发酵工业的混菌培养“二步发酵法生产维生素C”需要弱氧化醋酸杆菌(Acetobacter suboxydans)和生黑葡糖酸杆菌(Gluconoba
17、cter melanogenes)。将Aspergillus niger(黑曲霉)和Zymomonas mobilis(运动发酵单胞菌)包埋在海藻酸钠小球中,可以直接将淀粉浆转化为乙醇。,(三)微生物-植物的互生,一)根际微生物,也称根圈,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。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)植物粘液(4)粘质(5)溶胞产物,1、根际效应,根际与根际外土壤中的微生物群落相比,生活在植物根际中的微生物,在数量、种类和活性上有明显不
18、同,表现出特异性,这种现象称为根际效应。根际内的细菌最多,但种类较少;植物生长后期,真菌数量渐增。,2、根土比(R/S)-反应根圈效应的重要指标,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。,(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。,二)附生微生物,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。,分泌物、脱落物
19、作为营养和能量来源;根分泌的酶促进物质转化;根呼吸放出的CO2H2CO3,促进难溶物的溶解;根的穿插改善通气、水分状况;根际温度略高;微生物区系受到选择。,三)根系对微生物的作用,有益方面:(1)改善植物的营养状况;(2)微生物分泌的生长调节物质和生长因子;(3)产生拮抗物质抑制病原微生物生长;(4)产生铁载体,抑制不产铁载体的有害微生物 生长。有害方面:(1)争夺营养;(2)加富病原菌;(3)分泌有毒物质。,四)根际微生物对植物的影响,定义:两种生物共居在一起,相互协作分工,相依为命,以至达到难分难解、合二为一的一种关系。特点:难分难解,合二为一。“相依为命”1、微生物间的共生关系:地衣:藻
20、类与真菌产氢产乙酸菌株(S菌株)与产甲烷细菌(MOH菌株),二、共生(symbiosis),可用坐标系表示两种生物的共生关系如下:,生物数量,时间,2、微生物与植物间的共生关系:根瘤菌与豆科植物间的共生根瘤菌与豆科植物;放线菌与一些非豆科植物之间的根瘤菌根,特别多见于兰科、杜鹃科及其它森林树种;,根瘤菌固定大气中的气态氮为植物提供氮素养料;豆科植物的根的分泌物能刺激根瘤菌的生长,同时,还为根瘤菌提供保护和稳定的生长条件。,真菌的菌丝在根表面交织成鞘套状结构(菌套),内层菌丝将外皮层细胞包起来形成哈蒂氏网。哈蒂氏网构成了真菌和寄主间巨大的接触面,有利双方物质交换。,真菌的菌丝体主要存在于根的皮层
21、细胞间和细胞内,共生的植物仍保留有根毛。常称为泡囊-丛枝菌根(VA),因常形成泡囊,故统称为丛枝菌根(AM)。,菌根菌与植物的共生关系,菌根:真菌与植物形成的共生体。,VA菌根,哈蒂氏网,外生菌根,黑松的菌根,根及外生菌根横切图,菌丝体,植物缺乏菌根时生长不良,外生菌根与植物的相互作用,外生菌根菌植物:提供植物营养及生长刺激物质,如吲哚乙酸;防御林木根部病害。植物菌根菌:提供良好的生态环境和有机养料。,真菌菌丝侵入植物根部细胞內,成网状分布并形成吸盘直接于植物细胞交换物质。95微管束植物有內生菌根。,泡囊,丛枝,内生菌根-VA菌根(泡囊-丛枝菌根),根毛,VA菌根对植物的主要作用:增加根圈的范
22、围,扩大吸收营养的范围;提高植物从低磷土壤中吸收磷等矿质元素的能力;增加植物吸收水分,提高植物抗旱能力。,3、微生物与动物之间的共生关系:微生物与昆虫的共生 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。,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”。,瘤胃微生物与反刍动物的共生关系,牛、羊、骆驼、长颈鹿等反刍动物,草是主要饲料,但它们本身没有分解纤维素的能力,而是靠瘤胃微生物帮助分解,使纤维素变成能被牛羊吸收的糖类和提供大量的菌体蛋白。瘤胃也为里面居住的微
23、生物提供了必要的营养和生长条件。,瘤胃中生活有大量专性厌氧的细菌和以纤毛虫为主的原生动物。,三、寄生(parasitism),定义:一般指一种生物生活在另一种生物的体内或体表,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。特点:“损人利己”1、微生物间的寄生噬菌体与其宿主之间的关系-苏云金芽孢杆菌和其噬菌体细菌或真菌寄生于原生动物细菌寄生于细菌-蛭弧菌寄生于栖菜豆假单胞菌2、微生物与植物之间的寄生关系 植物病原体-专性寄生物和兼性寄生物3、微生物与动物之间的寄生关系各种病原微生物-蛔虫、血吸虫等寄生在其它动物的体内;昆虫病原菌生物农药冬虫夏草,四、竞争(competition
24、),定义:是指不同的微生物种群在同一环境中对食物等营养、溶解氧、空间和其他共同要求的物质互相竞争、互相受到不利影响。竞争结果:这种竞争现象普遍存在,结果造成了强者生存,弱者淘汰。同时环境条件的改变,会导致竞争结果的改变。特点:“明争暗斗”,生物A,生物B,如果用坐标系来表示两种生物的竞争关系,则可表示为,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。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。,Gause(1934)用绿脓芽孢杆菌喂养双小核草履虫和大草履虫,五、拮抗(antogonism),定义:由某种生物所产生的某种代谢产物可抑制他种生物
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