《（新编）微生物的生态与微生物生态工程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《（新编）微生物的生态与微生物生态工程（159页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 微生物的生态与微生物生态工程第一节 生态学基本概念一、微生物生态学与生态系统（一）、微生物生态学微生物生态（微生态）(Microbial ecology)就是研究微生物与环境条件的关系及其在自然界中的分布和作用。通过对微生物生态的研究，了解微生物的分布和活动规律，可为人类开发利用微生物资源提供依据，更好地发挥微生物对人类的有益作用。 （二）生态系统生态系统(ecosystem)是指在一定区域内生活的生物与其非生物环境之间相互紧密结合而形成的系统。在这个系统中，物质、能量在生物与生物、生物与环境之间不断循环流动，形成一个能够自己维持下去的、相对稳定的，并具有一定的独立性的统一整体。 生物圈(B
2、iosphere)水生物圈(hydrosphere)、地上岩石生物圈(lithosphere)大气生物圈(atmosphere)。 二、种群和群落1、种群：种群(population)即是在一定时间里生活在同一生境的同一体细胞生长形成的生物群体，2、群落：在自然界中，一个种群的细胞很少是单独存在的，它们总是与其他种群细胞相联系，构成一个在生理上相互弥补的种群复合体，称之为群落(Community)。三、微生物的微环境微生物的个体很小，所以它生活的环境也就十分微小，甚至肉眼看不见，因此，微生物生态学家称之为微环境（microenvironment）。由于时间和空间的不同，微环境的物理化学条件也会
3、发生很快的改变。因此说，微环境本身也是非均质的，而且在一个给定的微环境中，其条件变化很快。地球上存在无数的微生物微环境。正是因为如此，我们今天才看到微生物种的多样性。 四、环境梯度和耐受限度1、环境梯度：在植物生态学上，环境梯度（environmental gradients）表示生物种或生物群落沿着经度和纬度或是从海平面到山顶的分布。对于食品来说，不同种群的微生物适应的环境不同。2、耐受限度：生物对环境中的各种物理化学因素所能耐受的最大量和最小量之间 的范围称之为耐受限度（limits of tolerance）一般来讲，一种微生物对某一因子的耐受范围较宽，而对另一种因子的耐受范围就可能较窄
4、。但是，如果某一微生物对多种生态因子均有耐受性。那么，这一微生物常会分布很广。 第二节 自然界中的微生物分布一、土壤 土壤环境适合微生物的生长：pH，渗透压，通气，动植物 尸体，矿质元素 来源：天然的土壤自养菌，腐生物上的寄生菌， 动物排泄物及动物尸体所带的菌等。 种类：细菌放线菌真菌藻类原生动物 细菌多为异养类型；藻类为光能自养 作用：在物质循环中起重要作用，降解土壤有机物。分布：主要分布在10-20cm深的土层中。 二、水来源：土壤、尘埃、污水、人畜排泄物及垃圾。 水环境：地球的70%左右由水覆盖，其中溶解和悬浮有机、无机物，流动水有氧渗入可供微生物生长。 微生物种类：水中有机物含量多少决
5、定微生物种类。水中的病菌主要有伤寒杆菌、痢疾杆菌、霍乱弧菌、钩端螺旋体等。 作用：在水生环境的食物链中起关键作用。 三、空气来源：人畜呼吸道的飞沫和地面飘扬起来的尘埃。 环境：不利于微生物生长，所以无固定种类，种类分布：主要是真菌和细菌，在医院，公共场所致病菌的数量多。室内空气中常见的病原菌有脑膜炎奈瑟氏菌、结核杆菌、溶血性球菌、白喉杆菌、百日咳杆菌等。 科赫沉降法：打开皿盖5分钟进行培养，一般 认为皿内100cm 2上微生物的数量等于10m 3空气中微生物的数量。 作用：可迅速全球传播，对地球上生物繁衍有一定意义，可能导致食品卫生问题。 第三节 食品作为特殊的微生物生态系一、 不均一性食品是
6、一个不均一 的体系。这种不均一性是由于食品组织结构和组成上的固有特性以及外部环境变化和微生物活动的结果。如一块五花肉，肥瘦区域分明，形成不同性质的微环境。肥肉区允许脂肪分解菌生长，而瘦肉区支持蛋白质分解菌生长。由此可见，不均一性直接影响着微生物种群的分布。 二、生物膜1、表面环境表面作为微生物环境来说十分重要。因为环境中的养料可以吸附到它的表面上，这样一个表面的微环境的营养水平要比溶液中的营养水平高许多。这种情况势必会影响微生物的代谢速度。由于吸附效应，表面的微生物数量和活动强度通常比在自由水中还要大的许多。 2、生物膜在液态发酵过程中，表面环境是一个不可忽视的因素。因为微生物的营养都通常被吸
7、附在表面上，表面微生物利用营养进行生长繁殖，逐步形成表面生物膜（Biofilm）可大致分为三个阶段：第一阶段是有机质附着在表面，凡是与水接触的物体表面都能很快地形成这一层。第二阶段，开始有细菌膜初步吸附在表面上，起先是醪液中正常游离的细菌群体，因物理和化学作用而暂时附着于表面，运动着的细菌也可以因营养物质的引诱而朝着它作定向运动，进而附着在表面上。这时细菌只是以一端附着，使菌体与表面呈直角。第三阶段，当初步吸附在表面的细菌分泌出胞外聚合物时，就使细菌和表面黏在一起，形成较为牢固的吸附层，此即为微生物表面膜。 三、营养物的供给状况由于食品中含有丰富的微生物所需的营养，卫生为在食品环境中生长，使食
8、品的营养浓度和环境状况发生了改变，结果反过来也会影响微生物本身，导致食品中异源微生物种群生长起伏。这种变化往往比微生物在空气中、水中更为激烈和迅速，这是食品生态系统的特点之一。 四、生物量和生长速度1、生物量生物量的计算方法常以细胞数量为基础。如在实验室培养物中测得单个细菌细胞湿重为1.510 -12g。如果某种干曲中每克含10 9个细菌细胞来计算，那么每克干曲料中细胞湿重为1.510 -3g。由此推算，每吨干曲料中细菌生物量约为15Kg（湿重），折合干重为300g，即细菌生物量约占曲料重量的万分之三。 2、生长速度实验室微生物纯培养中细胞指数生长的情形在自然界是极为罕见的，自然界微生物生长通
9、常只出现在很短时间内，与营养的可利用性紧密相连。食品环境中的微生物生长也是如此。因为食品中的营养物质和物理化学条件也不可能同时适合所有微生物的生长和繁殖。微生物在自然环境中（包括食品）的生长速度一般都低于实验室中测得的最大生长速度，两者可以相差几十倍，甚至上百倍。在特殊的情况下，自然界中微生物还必须对付其他微生物的竞争，而这些情况在实验室纯培养情况下将不会存在。 五、种群关系和群落演替 1、协同关系两种单独分开生活的种群共同生活时，可互为对方创造良好的生活条件，或一种种群生命活动（代谢产物）改善另一种群的生活条件。如酸奶发酵中的保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌。甲酸 氨基酸酪蛋白 嗜热链球菌 保加利
10、亚乳杆菌 2、互惠共生（互生关系的发展） 两种类型的种群共同生活时互相依赖彼此获取一定利 益，一种类型脱离另一种类型就不能独立生活。如：地衣是藻类和真菌共生体根瘤菌与豆科植物也是共生关系。 反刍动物和瘤胃微生物 3、寄生关系一种微生物从另一种微生物中获得养料，藉以生长和繁殖，而本身又不给另一种生物任何好处的现象。前者为寄生物，后者为寄主。4、拮抗关系两种微生物生活在一起时，一种微生物产生某种特殊的代谢产物或改变环境条件从而抑制或杀死另一种微生物的现象。 5、捕食关系6、竞争关系两种微生物生活在一起时，一种微生物产生某种特殊的代谢产物或改变环境条件从而抑制或杀死另一种微生物的现象。 7、中间关系
11、：两种群生长无影响或无紧要影响。 8、偏利关系：对种群A生长有利，对种群B生长无影响。 2、群落演替在一个生态区域中，原有的微生物群落经过一段的发展时期后，由于某种内外环境因素的改变，原有的微生物群落被另一种新 的生物群落所取代，这种现象称之为群落演替（community succession）或生态演替（icological succession）。群落中优势种群演替是逐渐进行的，而且通常是按一定的方向和一定的顺序变化。因此其发展趋势往往是可以预知的，有时是可以控制的。在发展过程中，环境条件可以影响演替，但演替过程是微生物本身的行为特性造成的。 第四节、食品环境中的极端微生物在地球上某些地区
12、，对绝大多数生物不适宜，不能生存的环境称为极端环境。如高温、高压、高盐、高碱、高酸、高干旱、低温、低酸等。但有少数微生物可在极端条件下生长，如嗜热菌、嗜冷菌、嗜酸菌、嗜碱菌、嗜盐菌、嗜盐菌和耐辐射菌等，它们称为极端条件下的微生物或极端微生物。极端微生物有特殊的基因类型、特殊的结构和生理功能。在工业、农业、医药、卫生等方面有很高应用价值。 一、嗜盐微生物嗜盐菌和耐盐菌在概念上是有所不同的。耐盐菌是指能耐受一定浓度的盐溶液，但在无盐存在条件生长得最好的菌类，如金黄色葡萄球菌。嗜盐菌专指那些一定浓度的盐为菌体生长所必需，且只有在一定浓度的盐溶液中后才生长最好的菌类。根据嗜盐浓度不同，可分为轻度嗜盐菌
13、（0.2-0.5mol/L），中度嗜盐菌(0.5-2.0mol/L)和极端嗜盐菌(3.0mol/L)。 嗜盐菌的嗜盐机理仍在不断研究探索之中。盐生盐杆菌是这一类群研究最为透彻的种。一般认为，嗜盐杆菌细胞壁是靠钠离子来稳定的，在低钠环境中细胞壁会破坏并使细胞破裂。这是因为嗜盐杆菌的细胞壁不含有一般细菌所含的肽聚糖，而是以糖蛋白替代肽聚糖。这种糖蛋白含有许多酸性氨基酸（负电荷），如天门冬氨酸和谷氨酸等。细胞壁糖蛋白中这些氨基酸提供的负电荷就要用Na +屏蔽。否则，当Na+浓度低时，蛋白质的负电荷部分将互相排斥，导致细胞裂解。 嗜盐杆菌的细胞质也是高酸性的，但研究表明，保持细胞内活性必需的离子是K+
14、，而不是Na + ，要保持嗜盐杆菌核糖体稳定也需要高浓度的K +。由此可见，为了稳定结构，嗜盐杆菌暴露在外环境的细胞壁成分需要高浓度Na +的，而细胞内成分则需要高浓度K +。嗜盐菌具有许多独特的生理特性，其应用前景十分广阔，如紫膜用来制造计算机芯片，某些嗜盐菌体内含有丰富的胡萝卜素，-亚油酸等成分，可望用于保健食品，另外嗜盐菌中的酶将是工业上耐盐酶的重要来源，还可用于降解生物材料以及污水处理等方面。 二、嗜热微生物嗜热微生物生长的环境有热泉、草堆、积肥、煤堆、地热区土壤及海底火山附近等处。在食品加工环境中，嗜热微生物可存在于排放冷却水中，也可残存于经过高温灭菌牛乳或其他食品中。食品加工中最重
15、要的嗜热菌归属芽孢杆菌属和梭状芽孢杆菌属。 嗜热微生物对高温的适应机制主要表现在细胞膜上脂肪酸的成分、耐高温酶和生物大分子的热稳定性上。这些微生物的酶和其他蛋白质具有耐热性，并且这些大分子只有在高温下才能起到最佳作用。另外，嗜热菌细胞膜的稳定性也与耐热机制有关。它的细胞膜上长链饱和脂肪酸的比例随着温度的提高而增多，相应的不饱和脂肪酸则减少，而饱和脂肪酸比不饱和脂肪酸能生成更强的疏水链，这些疏水链更有利于膜对高温的稳定性，此外，嗜热菌的tRNA中的G.C含量高，可提供较多的氢键，故具有独特的热稳定性。 嗜热菌在工业生产中的应用潜力1、在基因工程中，它可为基因工程菌的建立提供特异性基因。2、在发酵
16、工业中，可以利用其耐高温特性，提高反应温度，增大反应速度，减少中温杂菌污染机会，而且发酵过程不需冷却，减少能耗。3、嗜热菌对某些矿物有特殊的侵溶能力，对某些金属具有较强的耐受能力。利用这类微生物，为矿产资源开发提供了有希望的前景。 三、嗜冷微生物冷适应微生物可根据其生长温度特性分为两类，一类是必须生活在低温条件下且最高生长温度不超过20，最适生长温度在15，在0可生长繁殖的微生物称之为嗜冷菌(psychrophiles)；另一类其最高生长温度高于20，最适温度高于15，在0-5可生长繁殖的微生物称之为耐冷菌(psychrotrophs)。嗜冷菌分布于极地、冰窖、高山、深海、冷冻土壤等区域，主要嗜冷微生物有针丝藻和微单细胞菌等。耐冷菌分布范围更加广泛，是造成低温保藏食品腐败的主要根源。 四、耐辐射微生物耐辐射微生物只是对高辐射环境更具耐受性(tolerane)而不是对辐射有特别的嗜好。总的来说，革兰氏阳性
