第八章 微生物生態(tài)

1、陸地環(huán)境中的微生物群落微生物生態(tài)微生物生態(tài)分子水平亞細胞水平細胞水平種群水平群落水平整體水平生態(tài)系統(tǒng)生物圈生命科學研究的對象和范圍，由小到大，由微觀到宏觀，可以區(qū)分為若干層次, 其中種群水平群落水平生態(tài)系統(tǒng)生物圈屬屬生態(tài)學生態(tài)學研究范疇研究范疇生態(tài)系統(tǒng)： 在一定的空間內生物的成分和非生物的成分通過在一定的空間內生物的成分和非生物的成分通過物質循環(huán)物質循環(huán)和和 能量流動能量流動互相作用、互相依存而構成的一個生態(tài)學功能單位?；ハ嘧饔谩⒒ハ嘁来娑鴺嫵傻囊粋€生態(tài)學功能單位。微生物生態(tài)學：研究微生物與其周圍生物和非生物環(huán)境之間相互關系。研究微生物與其周圍生物和非生物環(huán)境之間相互關系。生態(tài)學：研究研究生物

2、有機體生物有機體與其棲居環(huán)境間相互關系的科學。與其棲居環(huán)境間相互關系的科學。它包括生物對環(huán)境的改變和環(huán)境對生物的影響等。它包括生物對環(huán)境的改變和環(huán)境對生物的影響等。t 各種環(huán)境中的微生物的種類、分布；各種環(huán)境中的微生物的種類、分布；t 微生物和其它生物的關系；微生物和其它生物的關系；t 微生物與物質循環(huán)；微生物與物質循環(huán)；t 微生物與環(huán)境保護微生物與環(huán)境保護1. 土壤中的微生物土壤中的微生物土壤是固體無機物土壤是固體無機物( (巖石和礦物質巖石和礦物質) )、有機物、水、有機物、水、空氣和生物組成的復合物，是微生物的合適生境?？諝夂蜕锝M成的復合物，是微生物的合適生境。土壤微生物種類多、數量多

3、、代謝潛力巨大，是土壤微生物種類多、數量多、代謝潛力巨大，是主主要的微生物源，是要的微生物源，是微生物的大本營微生物的大本營。第一節(jié)第一節(jié) 微生物在自然界中的分布與菌種資源開發(fā)微生物在自然界中的分布與菌種資源開發(fā)一、一、 微生物在自然界中的分布微生物在自然界中的分布1. 1. 土壤環(huán)境條件土壤環(huán)境條件（1）土壤是微生物的）土壤是微生物的天然培養(yǎng)基天然培養(yǎng)基（2）土壤的保水性，使微生物生長有充分的水供應）土壤的保水性，使微生物生長有充分的水供應（3）土壤顆粒間的空隙，保持了良好的通氣條件）土壤顆粒間的空隙，保持了良好的通氣條件（4）土壤的）土壤的pH為為3.510.5，是大多微生物的最適，是大多

4、微生物的最適pH（5）土壤中溫度變化不大，冬天具保溫性）土壤中溫度變化不大，冬天具保溫性2. 2. 土壤中微生物的種類與數量土壤中微生物的種類與數量細菌細菌70 902.5億億g 土土放線菌放線菌53070萬萬g 土土霉菌霉菌32040萬萬g 土土藻類藻類125萬萬g 土土原生動物原生動物0.513萬萬g 土土每克土壤的含菌量約有每克土壤的含菌量約有1010倍系列的遞減規(guī)律：倍系列的遞減規(guī)律：細菌（細菌（108）放線菌（放線菌（107 ，孢子）孢子）霉菌（霉菌（106 ，孢子）孢子）酵母菌（酵母菌（105）藻類（藻類（104）原生動物（原生動物（103）1 1）土壤微生物的數量和分布主要受到營

5、）土壤微生物的數量和分布主要受到營 養(yǎng)物、含水量、氧、溫度、養(yǎng)物、含水量、氧、溫度、pHpH等因子等因子 的影響，并隨土壤類型的不同而有很的影響，并隨土壤類型的不同而有很 大變化。大變化。2 2）土壤微生物的數量和分布受季節(jié)影響；）土壤微生物的數量和分布受季節(jié)影響；3 3）微生物的數量也與于土層的深度有關，）微生物的數量也與于土層的深度有關， 一般土壤表層微生物最多，隨著土層一般土壤表層微生物最多，隨著土層 的加深，微生物的數量逐步減少。的加深，微生物的數量逐步減少。西澳州海灘上有3.5 億年前留下的墊藻巖墊藻巖中的原核生物2020世紀世紀8080年代，美國能源部年代，美國能源部- 地下科學計

6、劃（地下科學計劃（Deep Subsurtace ProgramDeep Subsurtace Program）地下的微生物在陸地可達地下的微生物在陸地可達4 4公里深（每下降公里深（每下降1 1公里溫度上升公里溫度上升2020），在海底則可深達），在海底則可深達7 7公里（每下降公里（每下降1 1公里溫度上升公里溫度上升1515）。）。目前已知微生物的最高生長溫度：目前已知微生物的最高生長溫度： 113 113 （海底火山口）（海底火山口）目前的采樣深度：目前的采樣深度：2.82.8公里公里（二）水體中的微生物（二）水體中的微生物數量和種類與接觸的土壤有密切關系數量和種類與接觸的土壤有密切關

7、系；分布上更多的是吸附在懸浮在水中的有機物上及水底；分布上更多的是吸附在懸浮在水中的有機物上及水底；多能運動，有些具有很異常的形態(tài)多能運動，有些具有很異常的形態(tài)；靠近城市或城市下游水中的微生物多，并且有很多對健康靠近城市或城市下游水中的微生物多，并且有很多對健康不利的細菌，因此不宜作為飲用水源；不利的細菌，因此不宜作為飲用水源；水體自身存在自我凈化作用：水體自身存在自我凈化作用：致病菌致病菌一般對營養(yǎng)要求苛刻，在一般的水中只能存活一般對營養(yǎng)要求苛刻，在一般的水中只能存活2-32-3天；天；水表微生物會受輻射等作用而被殺滅；水表微生物會受輻射等作用而被殺滅；1. 1. 不同水體中的微生物種類不同

8、水體中的微生物種類（1） 淡水型水體的微生物淡水型水體的微生物（2） 海水型水體的微生物海水型水體的微生物清水型水生微生物清水型水生微生物腐敗型水生微生物腐敗型水生微生物 天然生長于水中的，主要是化能自養(yǎng)和光能天然生長于水中的，主要是化能自養(yǎng)和光能自養(yǎng)微生物。自養(yǎng)微生物。（清水型水生微生物清水型水生微生物） 來自土壤、塵埃。來自土壤、塵埃。 來自下水道的污水、廢物和排泄物。來自下水道的污水、廢物和排泄物。（腐敗型水生微生物腐敗型水生微生物）水中微生物的主要來源水中微生物的主要來源淡水型水體的微生物淡水型水體的微生物清水型水生微生物清水型水生微生物腐敗型水生微生物腐敗型水生微生物有機物含量低有機

9、物含量低含有大量外來有機物含有大量外來有機物化能自養(yǎng)微生物化能自養(yǎng)微生物光能自養(yǎng)微生物光能自養(yǎng)微生物腸道桿菌腸道桿菌芽孢桿菌芽孢桿菌弧菌弧菌螺菌螺菌原生動物等原生動物等（2 2） 海水型水體的微生物海水型水體的微生物 海洋是地球上最大的水體，咸水占海洋是地球上最大的水體，咸水占地球總水量的地球總水量的97.597.5。海水中有機質少；海水中有機質少；溫度低，一般在溫度低，一般在55以下；以下；鹽濃度高，一般含鹽量為鹽濃度高，一般含鹽量為3 3左右。左右。 海水的特點海水的特點海水中的土著微生物種類主要是藻類、海水中的土著微生物種類主要是藻類、細菌中細菌中 BacillusBacillus（芽孢

10、桿菌屬）、（芽孢桿菌屬）、 Pseudomonas Pseudomonas（假單胞菌）、（假單胞菌）、 Vibrio Vibrio（弧菌屬）、（弧菌屬）、 發(fā)光細菌等。發(fā)光細菌等。海洋微生物的分布海洋微生物的分布水平方向：水平方向：離陸地越遠，微生物種類和數量就越少。離陸地越遠，微生物種類和數量就越少。例如，港口海水中微生物數量可達例如，港口海水中微生物數量可達1010萬萬mLmL， 遠海只有遠海只有1010250250mLmL。2. 2. 水體的自凈作用（水體的自凈作用（self cleaningself cleaning） 在自然水體尤其是快速流動、氧氣充足的水體在自然水體尤其是快速流動、

11、氧氣充足的水體中，存在著對有機或無機污染物的自凈作用。中，存在著對有機或無機污染物的自凈作用。物理學物理學化學化學生物學生物學生物化學生物化學共同作用共同作用主要作用主要作用3. 3. 飲用水的微生物學標準飲用水的微生物學標準良好的飲用水，細菌含量應良好的飲用水，細菌含量應100100個個mLmL，當超過當超過500500個個mLmL時，就不宜作飲用水。時，就不宜作飲用水。 飲用水的微生物種類主要采用以飲用水的微生物種類主要采用以E.coliE.coli為為代表的代表的大腸菌群數大腸菌群數為指標。為指標。自來水中細菌總數自來水中細菌總數 100100個個mLmL；（3737，培養(yǎng)，培養(yǎng)24 h

12、24 h）我國衛(wèi)生部門規(guī)定的飲用水標準：我國衛(wèi)生部門規(guī)定的飲用水標準：大腸菌群數大腸菌群數 3 3個個L L （3737，培養(yǎng)，培養(yǎng)48 h48 h） 飲用水的微生物指標：飲用水的微生物指標：總菌數：總菌數： 100 100個個/ml/ml大腸桿菌：大腸桿菌： 3 3 個個/L/L水中的病原微生物會對水質產生重要影響水中的病原微生物會對水質產生重要影響（三）（三） 空氣中的微生物空氣中的微生物來源于土壤、水體及人類的生產、生活活動；來源于土壤、水體及人類的生產、生活活動；種類主要為真菌和細菌，一般與其所在環(huán)境的微生物種類有關；種類主要為真菌和細菌，一般與其所在環(huán)境的微生物種類有關；數量取決于塵

13、埃數量；數量取決于塵埃數量；停留時間和塵埃大小、空氣流速、濕度、光照等因素有關；停留時間和塵埃大小、空氣流速、濕度、光照等因素有關；與人類的關系：與人類的關系：傳播疾病、傳播疾病、造成食品等的污染造成食品等的污染( (三三) ) 空氣中的微生物空氣中的微生物 空氣中缺乏營養(yǎng)和水分，不適于空氣中缺乏營養(yǎng)和水分，不適于微生物的生存，但仍存在種類和數量微生物的生存，但仍存在種類和數量不固定的微生物。不固定的微生物。土壤飛起的塵埃土壤飛起的塵埃水面吹起的水珠水面吹起的水珠人和動物體表干燥的脫落物人和動物體表干燥的脫落物呼吸道排出的廢物呼吸道排出的廢物1. 1. 空氣中微生物的主要來源空氣中微生物的主要

14、來源2. 2. 影響空氣中微生物分布的因素影響空氣中微生物分布的因素 人口密度，車輛多少人口密度，車輛多少 下雨、下雪下雨、下雪 季節(jié)、氣候季節(jié)、氣候3. 3. 降低空氣中微生物數量的方法降低空氣中微生物數量的方法 減少菌源、塵埃源減少菌源、塵埃源 空氣過濾空氣過濾 滅菌（如滅菌（如UV照射，甲醛熏蒸）照射，甲醛熏蒸）（四）工農業(yè)產品上的微生物（四）工農業(yè)產品上的微生物 工業(yè)產品的霉腐工業(yè)產品的霉腐 食品上的微生物食品上的微生物 農產品上的微生物農產品上的微生物1. 1. 工業(yè)產品的霉腐工業(yè)產品的霉腐 大量工業(yè)品都是用動植物產品作原大量工業(yè)品都是用動植物產品作原料來制造的，例如各種纖維制品、木

15、制料來制造的，例如各種纖維制品、木制品、革制品、橡膠制品、油漆、卷煙和品、革制品、橡膠制品、油漆、卷煙和化妝品等，其上常常有大量的、種類各化妝品等，其上常常有大量的、種類各異的微生物分布著。異的微生物分布著。 各種材料和工農業(yè)產品因受氣候、物各種材料和工農業(yè)產品因受氣候、物理、化學或生物因素的作用而發(fā)生變質、理、化學或生物因素的作用而發(fā)生變質、破壞的現象，稱為破壞的現象，稱為材料劣化材料劣化。材料劣化材料劣化（material deteriorationmaterial deterioration）（1 1）霉變（）霉變（mildewmildew，mouldnessmouldness）（2 2

16、）腐朽（）腐朽（decaydecay）（3 3）腐爛（或腐敗，）腐爛（或腐敗，putrefactionputrefaction，rotrot）（4 4）腐蝕（）腐蝕（corrosioncorrosion）（5 5）變質（）變質（deteriorationdeterioration）材料劣化包括：材料劣化包括：2. 2. 食品上的微生物食品上的微生物很多微生物在食品上生長后會產生對人有害的毒素：很多微生物在食品上生長后會產生對人有害的毒素：肉毒毒素、黃曲霉素等肉毒毒素、黃曲霉素等不利影響：不利影響：由于微生物的生長繁殖而腐爛、變質，不能再食用或使用；由于微生物的生長繁殖而腐爛、變質，不能再食用或

17、使用；病原微生物進入人體的重要途徑，引起傳染性疾??；病原微生物進入人體的重要途徑，引起傳染性疾?。环乐故称访垢姆椒ǎ悍乐故称访垢姆椒ǎ?在加工、制造和包裝過程中注意清潔衛(wèi)生在加工、制造和包裝過程中注意清潔衛(wèi)生 ； 添加少量無害的防腐劑；添加少量無害的防腐劑； 控制保藏條件，采用低溫、干燥、密封控制保藏條件，采用低溫、干燥、密封（用除氧劑或充以（用除氧劑或充以COCO2 2、N N2 2氣體）等措施。氣體）等措施。 3. 3. 農產品上的微生物農產品上的微生物AspergillusAspergillus（曲霉屬）（曲霉屬）PenicilliumPenicillium（青霉屬）（青霉屬）Fus

18、ariumFusarium（鐮孢霉屬）（鐮孢霉屬）引發(fā)霉腐的種類引發(fā)霉腐的種類其中有些可產生致癌的真菌毒素其中有些可產生致癌的真菌毒素 （mycotoxinmycotoxin）各種糧食和飼料上的主要霉菌各種糧食和飼料上的主要霉菌 在目前已知的約在目前已知的約9萬種真菌中，有萬種真菌中，有200多多 個種可產生個種可產生100余種真菌毒素（余種真菌毒素（mycotoxin）。）。其中其中14種能致癌。種能致癌。 由由Aspergillus flavusAspergillus flavus（黃曲霉）部分菌株（黃曲霉）部分菌株 產生的黃曲霉毒素（產生的黃曲霉毒素（aflatoxinaflatoxin

19、，AFTAFT）；）； 由由FusariumFusarium spp. spp.（一些鐮孢菌）產生的（一些鐮孢菌）產生的 單端孢烯族毒素（單端孢烯族毒素（trichothecenetrichothecene）T2T2。 兩種強致癌劑：兩種強致癌劑： （五）極端環(huán)境下的微生物（五）極端環(huán)境下的微生物 在自然界中，存在著一些依賴高溫、低溫、高酸、高堿、高鹽、高壓或高輻射強度等極端環(huán)境才能正常生長繁殖的微生物，稱為嗜極菌或極端微生物。 1. 1. 嗜熱微生物（嗜熱微生物（thermophilesthermophiles）2. 2. 嗜冷微生物（嗜冷微生物（psychrophilespsychroph

20、iles）3. 3. 嗜酸微生物（嗜酸微生物（acidophilesacidophiles）4. 4. 嗜堿微生物（嗜堿微生物（basophilesbasophiles或或alkalophilesalkalophiles）5. 5. 嗜鹽微生物（嗜鹽微生物（halophileshalophiles）6. 6. 嗜壓微生物（嗜壓微生物（barophilesbarophiles）7. 7. 抗輻射微生物抗輻射微生物極端環(huán)境下的微生物：極端環(huán)境下的微生物：自自 學學（六）生物體內外的正常菌群（六）生物體內外的正常菌群人體的正常菌群人體的正常菌群無菌動物與悉生生物無菌動物與悉生生物3. 3. 根際微生

21、物和附生微生物根際微生物和附生微生物人體內外部人體內外部1 1. . 人體的正常菌群人體的正常菌群（normal floranormal flora）種類繁多種類繁多數量驚人（數量驚人（10104 4）正常菌群：生活在健康動物各部位、數正常菌群：生活在健康動物各部位、數量大、種類較穩(wěn)定、一般能發(fā)揮有益作量大、種類較穩(wěn)定、一般能發(fā)揮有益作用的微生物種群。用的微生物種群。微生態(tài)學微生態(tài)學（microecology） 旨在從細胞和分子水平上研究微觀旨在從細胞和分子水平上研究微觀層次上的生態(tài)學規(guī)律，其任務為：層次上的生態(tài)學規(guī)律，其任務為： 研究正常菌群的本質及其與宿主間研究正常菌群的本質及其與宿主間

22、的相互關系；的相互關系； 闡明微生態(tài)平衡與失調的機制；闡明微生態(tài)平衡與失調的機制； 指導微生態(tài)制劑的研制，以用于調指導微生態(tài)制劑的研制，以用于調整人體的微生態(tài)平衡。整人體的微生態(tài)平衡。人體的五大人體的五大微生態(tài)系統(tǒng)微生態(tài)系統(tǒng)腸胃道腸胃道呼吸道呼吸道泌尿生殖道泌尿生殖道口腔口腔皮膚皮膚互生關系互生關系（正常菌群）（正常菌群）寄生關系寄生關系（條件致病菌）（條件致病菌）人體腸道正常菌群與宿主間的關系：人體腸道正常菌群與宿主間的關系：微生態(tài)平衡微生態(tài)平衡相對的相對的可變的可變的有條件的有條件的互生關系互生關系（正常菌群）（正常菌群）寄生關系寄生關系（條件致病菌）（條件致病菌）人體腸道正常菌群與宿主間

23、的關系：人體腸道正常菌群與宿主間的關系：微生態(tài)平衡微生態(tài)平衡相對的相對的可變的可變的有條件的有條件的條件致病菌條件致病菌（opportunist pathogen）微生態(tài)制劑（微生態(tài)制劑（microecologics） 益生菌劑益生菌劑（probiotics）凍干菌粉凍干菌粉活菌膠囊活菌膠囊微膠囊微膠囊口服液口服液2. 2. 無菌動物與悉生生物無菌動物與悉生生物無菌動物無菌動物（germ-free animalgerm-free animal）：）： 體內外檢查不到任何正常菌群的動物。體內外檢查不到任何正常菌群的動物。悉生生物（悉生生物（gnotobiotagnotobiota）：）： 已經人

24、為接種某已知純種微生物已經人為接種某已知純種微生物 的無菌動物。的無菌動物。悉生生物學（悉生生物學（gnotobiologygnotobiology）或）或悉生學悉生學 （ gnotobiotics gnotobiotics ）：）： 研究研究悉生生物的學科。悉生生物的學科。3. 3. 根際微生物和附生微生物根際微生物和附生微生物根際微生物根際微生物（rhizosphere microorganisms）：）： 又稱根圈微生物又稱根圈微生物; ;生活在根系鄰近土壤，依賴生活在根系鄰近土壤，依賴根系的分泌物、外滲物和脫落細胞而生長，一般對根系的分泌物、外滲物和脫落細胞而生長，一般對植物發(fā)揮有益作

25、用的正常菌群。植物發(fā)揮有益作用的正常菌群。附生微生物附生微生物（epibiotic microbeepibiotic microbe）：）： 指生活在植物體表面，主要借其外滲物質指生活在植物體表面，主要借其外滲物質 或分泌物質為營養(yǎng)的微生物，主要為葉面微生物?；蚍置谖镔|為營養(yǎng)的微生物，主要為葉面微生物。二、菌種資源的開發(fā)二、菌種資源的開發(fā) 生產菌體物質生產菌體物質生產酶類生產酶類生產初生代謝產物、次生代謝產物生產初生代謝產物、次生代謝產物或生物合成產物或生物合成產物第二節(jié)第二節(jié) 微生物與生物環(huán)境間的相互作用微生物與生物環(huán)境間的相互作用表表5-1 5-1 微生物種群間相互作用的關系微生物種群間相

26、互作用的關系關系名稱關系名稱作用結果作用結果作用特點作用特點種群甲種群甲種群乙種群乙互惠共生互惠共生增加增加增加增加種群相互有利，為專性的緊密結合種群相互有利，為專性的緊密結合協同作用協同作用增加增加增加增加種群相互有利，為非專性的松散聯合種群相互有利，為非專性的松散聯合競爭關系競爭關系減少減少減少減少兩者需要相同的生長條件，進而相互損害兩者需要相同的生長條件，進而相互損害寄生關系寄生關系增加增加減少減少甲生活于乙體內，危害乙生長甲生活于乙體內，危害乙生長拮抗作用拮抗作用無影響無影響減少減少甲抑制乙生長甲抑制乙生長捕食關系捕食關系增加增加減少減少甲以乙為食甲以乙為食偏利關系偏利關系增加增加無影

27、響無影響利甲但不損乙利甲但不損乙中性關系中性關系無影響無影響無影響無影響兩者均不受影響或無緊要影響兩者均不受影響或無緊要影響微生物生態(tài)的研究特點：微生物生態(tài)的研究特點：以微生物群體，即以微生物群體，即種群種群作為主要研究單位。作為主要研究單位。第二節(jié)第二節(jié) 微生物與生物環(huán)境間的相互作用微生物與生物環(huán)境間的相互作用一、互一、互 生生兩種可單獨生活的生物，在共同生活時，通過各自的代謝活動兩種可單獨生活的生物，在共同生活時，通過各自的代謝活動而有利于雙方，或偏利于一方的生活方式，稱為互生。而有利于雙方，或偏利于一方的生活方式，稱為互生。 “ “可分可合，合比分好可分可合，合比分好” ” 的相互關系。

28、的相互關系。 纖維素分解細菌固氮菌金黃色葡萄球菌的生長為本來在平板上不能生長的嗜血流感菌金黃色葡萄球菌的生長為本來在平板上不能生長的嗜血流感菌提供生長因子，后者在其菌苔周圍形成衛(wèi)星菌落。提供生長因子，后者在其菌苔周圍形成衛(wèi)星菌落。人體腸道正常菌群人體腸道正常菌群互生關系（正常情況）寄生關系（某些特殊條件下）人腸道內的菌群：60-400種不同的微生物，占糞便干重1/3的是細菌，其中厭氧菌占了絕大多數。t 正常菌群通過腸道獲取營養(yǎng)；t 通過排阻、抑制外來致病菌；提供許多人體所必不可少的維生素、氨基酸等營養(yǎng)物對人體作出貢獻；環(huán)境條件改變或著生部位改變：正常菌群致病菌t 濫用抗生素；t 人身體虛弱抵抗

29、力下降；t 吃了不潔凈的食物；u腸道中的正常菌群，大腸桿菌，一旦進入泌尿系統(tǒng)，引起尿路感染。u人體表面的正常菌群，一旦它們進入傷口也會引起感染。條件致病菌：人體的正常微生物菌群一旦進入非正常聚居部位， 或生態(tài)結構發(fā)生改變而引起人類疾病的微生物?？梢酝ㄟ^口服某些活的微生物制劑來治療由于正常菌群失調而導致的腹瀉，例如，含蠟狀芽孢桿菌（B cereus）的“促菌生”，含地衣芽孢桿菌的“整腸生”等，它們都是通過芽孢桿菌的生長，為腸道重新創(chuàng)造良好的厭氧環(huán)境，促使腸道內正常的厭氧菌的生長繁殖，這類活微生物制劑又稱微生態(tài)制劑。微生態(tài)制劑一般用于恢復腸道內的正常生態(tài)環(huán)境，若腸道功能正常，一般不需要服用！第二節(jié)

30、第二節(jié) 微生物與生物環(huán)境間的相互作用微生物與生物環(huán)境間的相互作用二、共二、共 生生兩種或多種生物共同緊密生活在一起，形成相互依賴，互相有兩種或多種生物共同緊密生活在一起，形成相互依賴，互相有利的關系，甚至達到單獨者難以生存，這種生存方式稱為共生利的關系，甚至達到單獨者難以生存，這種生存方式稱為共生。據微生物共生對象的不同，將微生物的共生分為三種類型。據微生物共生對象的不同，將微生物的共生分為三種類型。( (一一) )微生物間的共生微生物間的共生 ( (二二) )微生物與植物間的共生微生物與植物間的共生 ( (三三) )微生物與動物間的共生微生物與動物間的共生 地衣地衣-藻類和真菌的共生體藻類和

31、真菌的共生體形成有固定形態(tài)的葉狀結構：形成有固定形態(tài)的葉狀結構：真菌無規(guī)則地纏繞藻類細胞，或二者組成一定的層次排列。真菌無規(guī)則地纏繞藻類細胞，或二者組成一定的層次排列。地衣繁殖時，在表面上生出球狀粉芽，粉芽中含有少量的藻類細胞地衣繁殖時，在表面上生出球狀粉芽，粉芽中含有少量的藻類細胞和真菌菌絲，粉芽脫離母體散布到適宜的環(huán)境中，發(fā)育成新的地衣和真菌菌絲，粉芽脫離母體散布到適宜的環(huán)境中，發(fā)育成新的地衣結構上的共生：結構上的共生：生理上的共生：生理上的共生：共生菌從基質中吸收水分和無機養(yǎng)料；共生菌從基質中吸收水分和無機養(yǎng)料；共生藻進行光合作用，合成有機物；共生藻進行光合作用，合成有機物； 使地衣能在

32、十分貧瘠的環(huán)境中生存。使地衣能在十分貧瘠的環(huán)境中生存。微生物和植物間的共生關系微生物和植物間的共生關系根瘤菌與豆科植物間的共生根瘤菌與豆科植物間的共生-形成根瘤共生體形成根瘤共生體t 根瘤菌固定大氣中的氣態(tài)氮為植物提供根瘤菌固定大氣中的氣態(tài)氮為植物提供 氮素養(yǎng)料；氮素養(yǎng)料；t 豆科植物的根的分泌物能刺激根瘤菌的豆科植物的根的分泌物能刺激根瘤菌的 生長，同時，還為根瘤菌提供保護和穩(wěn)生長，同時，還為根瘤菌提供保護和穩(wěn) 定的生長條件。定的生長條件。微生物與動物的共生關系微生物與動物的共生關系（1 1）與昆蟲的共生關系）與昆蟲的共生關系t 外共生：例如白蟻與其腸道內的微生物之間的共生外共生：例如白蟻與

33、其腸道內的微生物之間的共生食木質的白蟻自身并不能分解期望上纖維素，必須依賴腸道食木質的白蟻自身并不能分解期望上纖維素，必須依賴腸道中共生的原生動物和細菌通過厭氧發(fā)酵過程來分解纖維素。中共生的原生動物和細菌通過厭氧發(fā)酵過程來分解纖維素。t 內共生：昆蟲與其細胞內的共生性細菌內共生：昆蟲與其細胞內的共生性細菌這些細胞內的共生性細菌能為宿主提供這些細胞內的共生性細菌能為宿主提供B B族維生素，使昆蟲能族維生素，使昆蟲能以缺乏維生素的植物為生。以缺乏維生素的植物為生。2. 2. 與反芻動物的共生關系與反芻動物的共生關系t 反芻動物，如牛、羊、駱駝、長頸鹿等以植物的纖維素為主要反芻動物，如牛、羊、駱駝、

34、長頸鹿等以植物的纖維素為主要 食物，它們在瘤胃中經微生物發(fā)酵變成有機酸和菌體蛋白再供食物，它們在瘤胃中經微生物發(fā)酵變成有機酸和菌體蛋白再供 動物吸收利用。動物吸收利用。t 瘤胃也為里面居住的微生物提供了必要的營養(yǎng)和生長條件瘤胃也為里面居住的微生物提供了必要的營養(yǎng)和生長條件-食物和嚴格的厭氧環(huán)境食物和嚴格的厭氧環(huán)境第二節(jié)第二節(jié) 微生物與生物環(huán)境間的相互作用微生物與生物環(huán)境間的相互作用三、拮三、拮 抗抗一種生物在生命活動過程中，產生某種代謝產物或改變其它一種生物在生命活動過程中，產生某種代謝產物或改變其它條件，從而抑制其它生物的繁殖，甚至毒害或殺死其它生物條件，從而抑制其它生物的繁殖，甚至毒害或殺

35、死其它生物的現象，稱為拮抗關系。的現象，稱為拮抗關系。根據拮抗作用的選擇性，拮抗關系可分為非特異性拮抗關系和特異性拮根據拮抗作用的選擇性，拮抗關系可分為非特異性拮抗關系和特異性拮抗關系兩大類：抗關系兩大類： t 微生物間的微生物間的“化學戰(zhàn)術化學戰(zhàn)術”抗生菌產生能抑制其它生物生長發(fā)育的抗生素；抗生菌產生能抑制其它生物生長發(fā)育的抗生素；t 微生物間的生長抑制微生物間的生長抑制因某種微生物的生長而引起的其它條件的改變，從而因某種微生物的生長而引起的其它條件的改變，從而抑制它種生物的生長抑制它種生物的生長第二節(jié)第二節(jié) 微生物與生物環(huán)境間的相互作用微生物與生物環(huán)境間的相互作用四、寄四、寄 生生一種生物

36、生活在另一種生物體內，從中攝取營養(yǎng)物質而進行生長和繁殖，并且在一定條件下使后者受到損害或被殺死，這種關系稱為寄生關系。營寄生生活的生物稱為寄生物，被寄生的生物稱為寄主或宿主。1 1、微生物間的寄生、微生物間的寄生t 噬菌體噬菌體細菌細菌t 蛭弧菌蛭弧菌細菌細菌t 真菌真菌真菌真菌t 真菌、細菌真菌、細菌原生動物原生動物2 2、微生物與動植物間的寄生關系、微生物與動植物間的寄生關系各種各樣的致病菌多是行寄生生活各種各樣的致病菌多是行寄生生活擇生生物，或稱為悉生生物或定菌生物（Gnotobiote）：-整個個體不攜帶或只攜帶已知微生物的生物干擾因素少，操作易控制，既可進行定性分析，也可進行定量分析

37、，實驗結果準確、可靠，對于了解微生物與宿主之間復雜的關系及其機理具有十分重要的作用。t 用于科學研究：第二節(jié)第二節(jié) 微生物與生物環(huán)境間的相互作用微生物與生物環(huán)境間的相互作用五、捕五、捕 食食捕食又稱獵食，是指一種生物以其它生物為食的關系。前者稱為捕食者，捕食又稱獵食，是指一種生物以其它生物為食的關系。前者稱為捕食者，后者稱為被食者。后者稱為被食者。 捕蟲菌目在長期的自然進化中形成的特化結構，特化菌絲構成巧妙的網，可捕蟲菌目在長期的自然進化中形成的特化結構，特化菌絲構成巧妙的網，可以捕捉小型原生動物或無脊椎動物，捕獲物死后，菌絲伸入體內吸收營養(yǎng)。以捕捉小型原生動物或無脊椎動物，捕獲物死后，菌絲伸

38、入體內吸收營養(yǎng)。二、微生物與生物地球化學循環(huán)二、微生物與生物地球化學循環(huán)生物圈生物圈生物地球化學循環(huán)生物地球化學循環(huán)第三節(jié)、微生物與生物地球化學循環(huán)第三節(jié)、微生物與生物地球化學循環(huán)地球上大部分元素都以不同的循環(huán)速率參與生物地球循環(huán)。生命物質的地球上大部分元素都以不同的循環(huán)速率參與生物地球循環(huán)。生命物質的主要組成元素主要組成元素(C(C、H H、O O、N N、P P、S)S)循環(huán)很快，微量元素循環(huán)很快，微量元素(Mg(Mg、K K、NaNa、鹵、鹵族元素族元素) )和痕量元素和痕量元素(Al(Al、B B、CoCo、CrCr、CuCu、MoMo、NiNi、SeSe、V V、Zn)Zn)則循環(huán)則

39、循環(huán)較慢。屬于微量和痕量元素的較慢。屬于微量和痕量元素的FeFe、MnMn、CaCa和和SiSi例外。例外。C C、N N、P P、S S的循環(huán)受兩個主要生物過程控制。一是光合生物對無機營養(yǎng)的循環(huán)受兩個主要生物過程控制。一是光合生物對無機營養(yǎng)物的物的同化同化，二是后來進行的異養(yǎng)生物的，二是后來進行的異養(yǎng)生物的礦化礦化。微生物在有機物的礦化中起決定性作用微生物在有機物的礦化中起決定性作用，地球上，地球上9090以上有機物的礦化以上有機物的礦化都由細菌和真菌完成。都由細菌和真菌完成。1.1.碳素循環(huán)碳素循環(huán) 圖圖5-1 5-1 碳素的生物地球化學循環(huán)碳素的生物地球化學循環(huán) 1.1.碳素循環(huán)碳素循環(huán)

40、 微生物在碳素循環(huán)中的作用有以下幾個方面：微生物在碳素循環(huán)中的作用有以下幾個方面：(1)(1)同化同化COCO2 2 (2) (2)分解有機碳分解有機碳 主要依靠異養(yǎng)型微生物的作用。主要依靠異養(yǎng)型微生物的作用。2.2.氮素循環(huán)氮素循環(huán) 圖圖5-2 5-2 氮素的生物地球化學循環(huán)氮素的生物地球化學循環(huán)2.2.氮素循環(huán)氮素循環(huán) （1 1）存在形式：分為有機態(tài)氮、無機態(tài)氮和氣態(tài)氮）存在形式：分為有機態(tài)氮、無機態(tài)氮和氣態(tài)氮(N(N2 2) )。（2 2）6 6種氮化合物種氮化合物( (主要有銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、有機主要有銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、有機 氮化物、氮化物、N N2 2O O和分子態(tài)氮和分

41、子態(tài)氮) )的轉化反應組成該循環(huán)，包括固的轉化反應組成該循環(huán)，包括固 氮作用、同化作用、氨化氮作用、同化作用、氨化( (脫氨脫氨) )作用、硝化作用、反硝化作用、硝化作用、反硝化 作用和硝酸鹽還原。實際上它們大多是氧化還原反應。作用和硝酸鹽還原。實際上它們大多是氧化還原反應。 微生物在氮素循環(huán)中起著不可替代的作用。微生物在氮素循環(huán)中起著不可替代的作用。(2) (2) 硝化作用硝化作用硝化作用是在好氧條件下經硝化作用是在好氧條件下經硝化細菌硝化細菌作用將氨氧化成硝酸作用將氨氧化成硝酸鹽的過程。其中硝酸鹽又可參與反硝化作用。鹽的過程。其中硝酸鹽又可參與反硝化作用。硝化作用分兩個階段進行。硝化作用分

42、兩個階段進行。第一個階段是由亞硝化細菌將氨氧化成亞硝酸鹽；第一個階段是由亞硝化細菌將氨氧化成亞硝酸鹽；第二個階段是硝化細菌將亞硝酸鹽進一步氧化為硝酸鹽第二個階段是硝化細菌將亞硝酸鹽進一步氧化為硝酸鹽。 2.2.氮素循環(huán)氮素循環(huán) (3) (3) 氨化作用氨化作用氨化作用是指有機氮化合物氨化作用是指有機氮化合物( (蛋白質、尿素、核酸等蛋白質、尿素、核酸等) )轉化轉化成氨的過程。成氨的過程。微生物、動物和植物都具有氨化能力，可以發(fā)生在好氧和微生物、動物和植物都具有氨化能力，可以發(fā)生在好氧和厭氧環(huán)境中。厭氧環(huán)境中。將氨化能力強的微生物稱為氨化微生物。主要有多種芽孢將氨化能力強的微生物稱為氨化微生物

43、。主要有多種芽孢桿菌、熒光假單胞菌、普通變形桿菌等。桿菌、熒光假單胞菌、普通變形桿菌等。 2.2.氮素循環(huán)氮素循環(huán) (4)(4)硝酸鹽還原作用硝酸鹽還原作用包括異化硝酸鹽還原和同化硝酸鹽還原。包括異化硝酸鹽還原和同化硝酸鹽還原。同化硝酸鹽還原是硝酸鹽被還原成亞硝酸鹽和氨，氨被同化同化硝酸鹽還原是硝酸鹽被還原成亞硝酸鹽和氨，氨被同化成氨基酸的過程。在此被還原的氮化物成為微生物的氮源。成氨基酸的過程。在此被還原的氮化物成為微生物的氮源。異化硝酸鹽還原是在無氧條件下微生物進行的硝酸鹽呼吸，異化硝酸鹽還原是在無氧條件下微生物進行的硝酸鹽呼吸，即以即以NONO3 3或或NONO2 2代替代替O O2 2

44、作為電子受體進行的呼吸代謝。作為電子受體進行的呼吸代謝。具有異化硝酸鹽還原能力的微生物多數是異養(yǎng)菌，少數是自具有異化硝酸鹽還原能力的微生物多數是異養(yǎng)菌，少數是自養(yǎng)菌，它們均是兼性厭氧菌。養(yǎng)菌，它們均是兼性厭氧菌。2.2.氮素循環(huán)氮素循環(huán) (5)(5)反硝化作用（脫氨作用）反硝化作用（脫氨作用）指在厭氧條件下反硝化細菌以無機鹽作為無氧呼吸的受氫體，指在厭氧條件下反硝化細菌以無機鹽作為無氧呼吸的受氫體，將硝酸鹽還原成氣態(tài)氮化物將硝酸鹽還原成氣態(tài)氮化物(N(N2 2O O、N N2 2、NONO或或NHNH3 3) )的過程。的過程。大量的大量的N N2 2O O、N N2 2釋放到大氣中去，其中釋

45、放到大氣中去，其中N N2 2O O的釋放可破壞臭氧層。的釋放可破壞臭氧層。一些化能異養(yǎng)型微生物和化能自養(yǎng)型微生物可進行反硝化作用一些化能異養(yǎng)型微生物和化能自養(yǎng)型微生物可進行反硝化作用，如脫氮假單胞菌、脫氮硫桿菌和地衣芽孢桿菌等。反硝化作，如脫氮假單胞菌、脫氮硫桿菌和地衣芽孢桿菌等。反硝化作用的效應是造成土壤中氮的損失嚴重，從而降低氮肥效率。用的效應是造成土壤中氮的損失嚴重，從而降低氮肥效率。 2.2.氮素循環(huán)氮素循環(huán) 3.3.硫素循環(huán)硫素循環(huán) 生物圈中含有豐富的硫，以單體硫、硫化氫、硫酸鹽和有機硫的形式存在。生生物圈中含有豐富的硫，以單體硫、硫化氫、硫酸鹽和有機硫的形式存在。生物地球化學循環(huán)

46、包括還原態(tài)無機硫化物的氧化，異化硫酸鹽還原，硫化氫的釋物地球化學循環(huán)包括還原態(tài)無機硫化物的氧化，異化硫酸鹽還原，硫化氫的釋放放( (脫硫作用脫硫作用) )，同化硫酸鹽還原。硫素的生物地球化學循環(huán)如圖，同化硫酸鹽還原。硫素的生物地球化學循環(huán)如圖5-35-3所示。微所示。微生物參與硫素循環(huán)的各個過程，并在其中起重要作用。生物參與硫素循環(huán)的各個過程，并在其中起重要作用。第一節(jié)第一節(jié) 微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的作用微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的作用二、微生物與生物地球化學循環(huán)二、微生物與生物地球化學循環(huán)4.4.磷素循環(huán)磷素循環(huán) 磷的生物地球化學循環(huán)包括以下三種基本過程：磷的生物地球化學循環(huán)包括以下三種基本過程：(1)

47、(1)有機磷轉化成溶解性無機磷有機磷轉化成溶解性無機磷(2)(2)不溶性無機磷的可溶化不溶性無機磷的可溶化 (3)(3)可溶性無機磷的有機化可溶性無機磷的有機化 5 5鐵素循環(huán)鐵素循環(huán) 微生物參與的鐵循環(huán)包括氧化、還原和螯合作用。具體有三方面作用：微生物參與的鐵循環(huán)包括氧化、還原和螯合作用。具體有三方面作用：(1)(1)鐵的氧化和沉積鐵的氧化和沉積 (2)(2)鐵的還原和溶解鐵的還原和溶解 (3)(3)鐵的吸收鐵的吸收 自然水體的自然水體的自凈作用自凈作用物理性的沉淀、擴散和稀釋作用物理性的沉淀、擴散和稀釋作用化學性的氧化作用化學性的氧化作用生物學和生物化學作用生物學和生物化學作用一、水體的污

48、染一、水體的污染富營養(yǎng)化富營養(yǎng)化第四節(jié)第四節(jié) 微生物與環(huán)境保護微生物與環(huán)境保護水體的富營養(yǎng)化作用的機理水體的富營養(yǎng)化作用的機理水體大量的有機物或無機物，特別是磷酸鹽和無機氮化合物水體大量的有機物或無機物，特別是磷酸鹽和無機氮化合物使水的富營養(yǎng)化而導致藻類等過量生長，產生大量的有機物；使水的富營養(yǎng)化而導致藻類等過量生長，產生大量的有機物；異養(yǎng)微生物氧化這些有機物，耗盡水中的氧，使厭氧菌開始異養(yǎng)微生物氧化這些有機物，耗盡水中的氧，使厭氧菌開始大量生長和代謝分解含硫化合物，產生大量生長和代謝分解含硫化合物，產生H H2 2S S，從而導致水有難，從而導致水有難聞的氣味，魚和好氧微生物大量死亡，水體出

49、現大量沉淀物聞的氣味，魚和好氧微生物大量死亡，水體出現大量沉淀物和異常顏色；引起水體富營養(yǎng)化的藻類除通過消耗水中的氧和異常顏色；引起水體富營養(yǎng)化的藻類除通過消耗水中的氧氣危害養(yǎng)殖業(yè)外，很多藻類還能產生各種毒素，使動物得病氣危害養(yǎng)殖業(yè)外，很多藻類還能產生各種毒素，使動物得病或死亡，或死亡，因此富營養(yǎng)化作用致死的魚等水產品不能食用！因此富營養(yǎng)化作用致死的魚等水產品不能食用！水華水華 水華水華（water bloom）指發(fā)指發(fā)生在淡水水體（池、河、江、生在淡水水體（池、河、江、湖）中的富營養(yǎng)化現象。湖）中的富營養(yǎng)化現象。水華元兇：藍細菌和浮游藻類水華元兇：藍細菌和浮游藻類例如，例如，Microcys

50、tis spp.（微囊藍細菌）（微囊藍細菌） Anabaena spp.（魚腥藍細菌）（魚腥藍細菌） Chlamydomonas spp.（衣藻）（衣藻）水華水體表面的藻類富營養(yǎng)化的水體赤潮赤潮 赤潮赤潮（red tide）指發(fā)生在河口、指發(fā)生在河口、港灣或淺海等咸水區(qū)水體的富營港灣或淺海等咸水區(qū)水體的富營養(yǎng)化現象。養(yǎng)化現象。赤潮元兇：藍細菌、藻類和原生動物赤潮元兇：藍細菌、藻類和原生動物例如，例如，Microcystis aeruginosa （銅綠微囊藍細菌）（銅綠微囊藍細菌） Noctiluca spp.（夜光蟲）（夜光蟲） 甲藻等。甲藻等。赤潮赤潮 ( (一一) )、微生物處理污水的原

51、理微生物處理污水的原理多種微生物群體多種微生物群體O2分層分層氣體：氣體：CO2, NH3, H2S,CH4, H2, CO等等清水：含清水：含SO42- -,NO3- -,PO43- - 等無機離子等無機離子殘渣：厭氧發(fā)酵殘渣：厭氧發(fā)酵沼氣沼氣廢渣（有機肥）廢渣（有機肥）污水（高污水（高BOD）基本原理都是利用處理系統(tǒng)中的各種微生物群落的代謝基本原理都是利用處理系統(tǒng)中的各種微生物群落的代謝作用，去除污水中的污染物。作用，去除污水中的污染物。 二二. .用微生物治理污染用微生物治理污染BODBOD值值是廢水中可被生物氧化的有機物含量和氨的含量，是廢水中可被生物氧化的有機物含量和氨的含量，它反映

52、了廢水可進行生物化學處理的程度；它反映了廢水可進行生物化學處理的程度；CODCOD值值是采用化學強氧化劑與廢水中有機物和氨進行反是采用化學強氧化劑與廢水中有機物和氨進行反應的總量，表明了廢水的污染程度。應的總量，表明了廢水的污染程度。CODCOD值總是大于值總是大于BODBOD值。值。 污水處理中幾個常用的名詞污水處理中幾個常用的名詞（3 3）TOD TOD （total oxygen demand） 總需氧量總需氧量，指污水中能被氧化的物質，指污水中能被氧化的物質（主要是有機物）在高溫下燃燒變成穩(wěn)定（主要是有機物）在高溫下燃燒變成穩(wěn)定氧化物時所需的氧量。氧化物時所需的氧量。 TOD 是評價某

53、水質的綜合指標之一。是評價某水質的綜合指標之一。（4 4）DO DO （dissolved oxygen） 即溶解氧量，指溶于水體中的分子態(tài)氧，是評價水質優(yōu)劣的重要即溶解氧量，指溶于水體中的分子態(tài)氧，是評價水質優(yōu)劣的重要指標。指標。 TOD 是評價某水質的綜合指標之一。天然水的是評價某水質的綜合指標之一。天然水的DO值一般為值一般為510 mg/L，我國規(guī)定地面水質的合格標準為，我國規(guī)定地面水質的合格標準為DO4 mg/L。（5 5）SS SS （suspend solidsuspend solid） 即即懸浮物含量懸浮物含量，指污水中不溶性，指污水中不溶性固態(tài)物質的含量。固態(tài)物質的含量。（6

54、 6）TOC TOC （total organic carbontotal organic carbon） 即即總有機碳含量總有機碳含量，指水體內所，指水體內所 含有機物中的全部有機碳的量。含有機物中的全部有機碳的量。主要可歸結為三類：物理法、化學法和生物法。主要可歸結為三類：物理法、化學法和生物法。普遍采用生物法或生物法與其他方法結合。普遍采用生物法或生物法與其他方法結合。目前在城市生活污水和各種工業(yè)廢水處理中目前在城市生活污水和各種工業(yè)廢水處理中最普遍應最普遍應用的是活性污泥法用的是活性污泥法；而在特殊行業(yè)廢水處理中最常使；而在特殊行業(yè)廢水處理中最常使用的是效率較好的生物膜法。用的是效率較

55、好的生物膜法。 3. 處理污水的方法與裝置處理污水的方法與裝置活性污泥對生活污水的活性污泥對生活污水的BODBOD5 5( (指指5 5日生化需氧量，即在日生化需氧量，即在2020下下5 5晝夜的測定值晝夜的測定值) )的去除率可達的去除率可達95% 95% 左右。左右。 圖圖5-5 5-5 活性污泥法流程示意圖活性污泥法流程示意圖1 1原污水原污水 2 2初次沉淀池初次沉淀池 3 3曝氣池曝氣池 4 4二次沉淀池二次沉淀池 5 5處理后污水處理后污水 6 6回流污泥回流污泥7 7再生池再生池 8 8生污泥生污泥 9 9剩余污泥剩余污泥 1010污泥濃縮池污泥濃縮池 1111脫水設備或污泥消化池等脫水設備或污泥消化池等1. 完全混合曝氣法完全混合曝氣法活性污泥：活性污泥：是由污水中繁殖的大量微生物凝聚而成的絨絮是由污水中繁殖的大量微生物凝聚而成的絨絮狀泥粒狀泥粒( (或凝絮團或凝絮團) )，具有很強的吸附和氧化分解有機物或，具有很強的吸附和氧化分解有機物或毒物的能力。毒物的能力。 活性污泥包括許多種類的細菌活性污泥包括許多種類的細菌( (如生枝動膠菌、浮游球衣菌如生枝動膠菌、浮游球衣菌和假單胞菌等和假單胞菌等) )、酵母菌、霉菌、原生動物、酵母菌、霉菌、原生動物(