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1、第七章 微生物生态,了解微生物在自然界分布的特点 掌握微生物与其它生物之间的相互关系 微生物在自然界物质循环中的重要作用,重点： 微生物与植物之间的相互关系 互生、共生、寄生 2.微生物在C、N、S、P循环中的作 用及其相关微生物,第一节 生态系统,一、生物圈和生态系统 二、生态系统中的能量流和物质流 三、微生物生态系统 特点 作用 构成,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 微生物生态学（Microbial Ecology）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,生物圈（biosphere）、生态系统（ecosystem）、
2、群落（community）、种群（population）、个体（individual）、器官（organ）、组织（tissue）、细胞（cell）、细胞器（organelle）、分子（molecule）,生 物 圈(biosphere)：地球表面进行生命活动的有机圈层 生态系统(ecosystem)：生物群落与其生存环境组成的整体系统。它是生物圈的基本组成单元，也是功能单元,一、生物圈和生态系统,二、生态系统中的能量流和物质流,能量流：能量通过生态系统从一种生物传递给另一种生物的现象叫做能量流 物质流：生态系统内通过生产者、消费者和分解者的作用进行的物质循环 食物链：由生产者产生的有机物，以食
3、物的形式从一系列食用和被食用的步骤通过生态系统，形成一种食物链索关系,微环境：紧密围绕微生物细胞的环境，它与微生物的关系比大环境更为密切 稳定性：群落中的优势种作为主导者使群落稳定 适应性：通过改变群体的结构适应新环境 基因流: 微生物生态系统中基因的平行转移,三、微生物生态系统,特点,微生物在生态系统中的主要作用,初级生产者的重要成员：光能自养、化能自养微生物 最主要的分解者：化能异养微生物参与有机物质的矿化 在生物地球化学循环中参与物质转变 代谢产物对动植物和其它微生物的促进或抑制作用,微生物生态系统构成,种群(Populations) 共位群(Guilds) 群落(Communities
4、) 生态系统(Ecosystem),种群（population): 生活在同一环境中的同种个体细胞生长组成 In a microbial ecosystem individual cells grow to form populations,共位群 (guild): 在代谢作用上相关的种群 Metabolically related populations constitute groupings called guilds,群落（community): 同一环境中两个以上共位群由于生活繁殖与代谢上的连锁而构成相互依赖、制约的生物群体 Sets of guilds conducting com
5、plementary physiological processes interact to form microbial communities,生态系统(Ecosystem): 微生物群落与大生物群落和环境相互作用则构成一个完整的生态系统 Microbial communities then interact with communities of macroorganisms and environment to define the entire ecosystem,生物膜(Biofilm): 微生物细胞与基质表面形成的有组织 的微生物系统 微生物垫(Microbial mat): 在
6、特定环境发展的巨大生物膜,单一细胞层,复杂多层细胞,更为成熟的生物膜 细胞团 间隙和导管,A Simple Ecosystem,藻类： O2，有机质 化能异养细菌,Community 1 Photic zone cyanobacteria and algae 6CO2 + 6H2O C6H6O6 + 6O2,Community 2 Oxic zone Chemoorganotrophic bacteria C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O,Anoxic zone,Community 3 Guild 1: methanogenic bacteria (CO2 CH4 ) hom
7、oacetogenic bacteria (CO2 acetate ) Guild 2: sulfate reducing bacteria (SO42- H2S ) sufur-reducing bacteria (S0 H2S ) Guild 3: denitrifying bacteria (NO3- N2 ) ferric iron-reducing bacteria (Fe3+ Fe2+ ) Guild 4: fermentative bacteria (fermenting sugar, et al),Individual,Population,lake ecosystem,第二节
8、 自然界中的微生物,微生物无处不在 ！,第二节 自然界中的微生物,一、 土壤中的微生物 二、自然水域中的微生物 三、 空气中的微生物 四、极端环境下的微生物 五、未培养微生物,一、土壤中的微生物,（一）土壤是适合微生物生活的 “天然培养基”,由于土壤具备了各种微生物生长发育所需要的营养、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。,动植物残体、有机肥料 矿物质成分 团粒结构调节了空气和水分的含量 渗透压在3-6之间 pH范围多数在5.5-8.5之间 土壤的保温性 阻挡紫外线杀伤,Very few：free in the soil solution
9、 Most as： microcolonies attached to soil particles,原位杂交法得到的微生物在土壤颗粒上的微菌落形态,Soil particles are not homogeneous in terms of their oxygen content,Visualization of microorganisms on the surface of soil particles by use of SEM,Left: Rod-shape bacteria Center: Actinomycete spores（放线菌孢子） Right: Fungus hyph
10、ae（真菌菌丝）,细菌：细菌最多，占土壤微生物总量的70-90% 放线菌：数量次于细菌，约占5-30% 真菌：数量次于细菌和放线菌，但生物量最高。 藻类：单细胞硅藻或丝状绿藻等，约占1% 原生动物：主要包括纤毛虫、鞭毛虫等。它们数量不多，但对土壤有机质的分解起着重要的作用。 病毒：主要以噬菌体的形态存在，其生物量甚微。,（二）土壤中的微生物及生物量,Proportion of different soil microorganisms,耕作层(15cm)土壤中的微生物数量和生物量,From L. Hawker: Microorganisms,20世纪80年代，美国能源部- 地下科学计划（Dee
11、p Subsurface Program）,地下的微生物在陆地可达4公里处！,九十年代初期从地下数公里发现的超微型细菌，用代谢产生的CO2作指标，计算出其代谢速率仅为地上正常细菌的10-15，认为它们需要100年才能分裂一次。,1）作为地质标记 2）分离特殊的蛋白（基因）,在特定土壤中存在的具有特征性的微生物类群，称为土壤微生物区系。采用多种培养基和培养方法，培养土壤中微生物区系的各个组分，从而认识特定土壤的微生物区系在数量和类群上的特点，称为土壤微生物区系分析,（三）土壤微生物区系,1、土壤微生物区系分析法,测定细菌、放线菌和真菌数量：分别采用牛肉膏蛋白胨、高氏一号、马铃薯蔗糖培养基 选择培
12、养基: 测定土壤中特定生理功能群的数量，如固氮菌、硝化细菌，反硝化细菌、硫化细菌、纤维素分解细菌，厌气菌等,2、土壤微生物区系的特点,类群、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 土壤类型的不同而有很大变化 季节影响,微生物的数量也与于土层的深度有关，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,Profile of a mature soil,土著性区系是以土壤腐殖质为主要有机养料，生长慢，数量稳定，作用持久。主要以G无芽胞杆菌和放线菌等为主 发酵性区系是以在新鲜动植物分泌物、排泄物和残体为主要有机养料，其代谢活性和数量表现为大起大落的间歇性。主要包括假
13、单胞菌属、芽胞杆菌属的细菌、青霉、曲霉和毛霉属的真菌等,3、土著性区系与发酵性区系,二、自然水域中的微生物,(一) 自然水域具有微生物的良好生活条件 营养物质 溶解氧 渗透压 温度,1、水是良好的溶剂，有较丰富的营养物质 固有生物死亡、排泄和分泌产生 陆地上的污染物 2、天然水体的温度 淡水水体的温度在0-36之间 海洋水温100米以下在5以下，表层超过35 温泉水温在70以上，甚至超过100 3、天然水体的pH值 大多数湖泊，江河及池塘在6.5-8.5；海水pH在8-8.3 4、水中溶解氧的存在 适合于好气性M生长，流动江河静止水域，淡水海水,（二）淡水水域中的微生物,类群：细菌 、真菌 、
14、藻类 、原生动物等 特点：运动性（随水流动)、在低营养浓度下生存。,江河水中的微生物,数量、种类与接触的土壤有密切关系 吸附悬浮有机物及水底 多能运动，有些具有异常形态（如柄细菌） 靠近城市或城市下游水中的微生物多，并且有很多危害健康的细菌，不宜饮用,水中的病原微生物会对水质产生重要影响,饮用水的微生物指标： 总菌数： 100个/ml 大肠杆菌： 3 个/L,占地球表面面积的71% 海洋生境 有机营养物含量低 含盐量高 低温(表层35以下,100米以下0-5) pH值 8.3-8.5,（三）海水中的微生物,环境,类群：包括细菌、放线菌、真菌、藻类、原生动物和噬菌体等各类群。 特点：嗜盐、嗜冷、
15、耐压、低营养。 嗜盐菌 如 Halobacterium halobuim，在12%饱和盐水中生长。 嗜压菌 如 Pseudomoas xanthocrus，在400-500个大气压下生长。,（三）海水中的微生物,富营养化作用-水体受到污染并使水体自身的正常生态失去平衡的结果,“水华”（water bloom）,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,红潮（red tides）,在海洋中，某些甲藻类大量繁殖也可形成水花，使 海水出现红色或褐色,引起水体富营养化的藻类除通过消耗水中的氧气危害养殖业外，很多藻类还能产生各种毒素，使动物得病或死亡，因此由于
16、富营养化作用致死的鱼等水产品不能食用。,空气不具有微生物生活的良好条件 主要来自： 1、土壤扬起的灰尘 2、水面吹起的水沫 3、动、植物体表 主要包括： 抗逆性强的芽胞，G+球菌，霉菌和放线菌的孢子,三、 空气中的微生物,农村 城市 海洋上空 陆地上空 街道、医院、宿舍区微生物密度大 高山、海洋、森林、旷原微生物少,空气中的微生物密度,空气中的微生物种类和数量是大气污染程度的指标之一 ！,不同地域上空空气中的细菌数,四、 极端环境中的微生物,极端环境：不利于生物生长的特殊、局部环境。包括极端温度、盐度、酸碱等 结构和功能均发生了改变的特殊微生物类群: 蛋白质、核酸、脂肪等分子结构、细胞膜结构与功能代谢途径等都有特点,（一）高温环境 （热泉、岩石表面） 嗜热微生物(thermophile)：65-70 极端嗜热菌 Pyrodictium broii 最适生长温度为105，最高可达110 （二）低温环境(深海、极地） 嗜冷微生物(psychro
