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1、第八章 微生物生态生态学生态学：研究生物系统与其环境条件间相互作用规：研究生物系统与其环境条件间相互作用规律性的科学。律性的科学。微生物生态学微生物生态学：研究微生物群体（微生物区系或正：研究微生物群体（微生物区系或正常菌群）与其周围的生物和非生物环境条件相互作常菌群）与其周围的生物和非生物环境条件相互作用关系的科学。用关系的科学。 各种环境中的微生物的种类、分布；各种环境中的微生物的种类、分布； 微生物和其它生物的关系；微生物和其它生物的关系； 微生物与物质循环；微生物与物质循环；生物圈生物圈（biosphere）生态系统（生态系统（ecosystem）群落（群落（community）种群（
2、种群（population）个体（个体（individual）器官器官（organ）组织组织（tissue）细胞细胞（cell）细胞器细胞器（organelle）分子分子（molecule）生生态态学学研研究究的的范范围围宏观宏观微观微观自然环境中的微生物一般都不是单独存在的自然环境中的微生物一般都不是单独存在的个体、种群、群落和生态系统从低到高的组织层次个体、种群、群落和生态系统从低到高的组织层次群体（群体（populationpopulation）：）：具有相似特性和生活在一定空间内的同种个具有相似特性和生活在一定空间内的同种个 体群，是组成群落的基本组分。体群，是组成群落的基本组分。群落
3、（群落（communitycommunity）：）：在一定区域或一定生态环境内，各种生物在一定区域或一定生态环境内，各种生物 群体构成的一个生态学结构单位，群落中群体构成的一个生态学结构单位，群落中 各生物群体之间存在各种相互作用。各生物群体之间存在各种相互作用。现代生态学的研究领域现代生态学的研究领域n生态系统中种群规模的调控生态系统中种群规模的调控n生物生产力的利用和保护生物生产力的利用和保护n研究人工生物群落的稳定性和提高生产力研究人工生物群落的稳定性和提高生产力n环境污染防治环境污染防治n城市生态系统生态学和人类生态学的研究和建设城市生态系统生态学和人类生态学的研究和建设现代生态学要研
4、究与解决的主要问题现代生态学要研究与解决的主要问题n能源短缺问题能源短缺问题n环境污染问题环境污染问题n防止自然生态系统的萎缩、保护森林，防止沙漠化等防止自然生态系统的萎缩、保护森林，防止沙漠化等n城市有机废弃物的处理及综合利用的生态工程城市有机废弃物的处理及综合利用的生态工程n建立高产高效、持续发展的生态农业和企业化生态工厂。如：建立高产高效、持续发展的生态农业和企业化生态工厂。如：白色农业白色农业n生命活动密切相关元素、化合物及生态效应与人体健康关系。生命活动密切相关元素、化合物及生态效应与人体健康关系。n海洋资源的生态调查、开发利用、保护的研究海洋资源的生态调查、开发利用、保护的研究微生
5、物生态系统多样性微生物生态系统多样性u陆生微生物生态系统陆生微生物生态系统u水生微生物生态系统水生微生物生态系统u大气微生物生态系统大气微生物生态系统u根系微生物生态系统根系微生物生态系统u肠道肠道( (消化道消化道) )微生物生态系统微生物生态系统u极端环境微生物生态系统极端环境微生物生态系统u活性污泥微生物生态系统活性污泥微生物生态系统u“生物膜生物膜”微生物生态系统微生物生态系统微生物生态学：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。研究微生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系。t 各种环境中微生物的种类、分布；各种环境中微生物的种类、分布；t 微生物和其它生物的关
6、系；微生物和其它生物的关系；t 微生物与物质循环；微生物与物质循环；微生物生态学研究中的传统方法微生物生态学研究中的传统方法样品的采集样品的采集 微生物菌量计数微生物菌量计数 富集培养和菌种富集培养和菌种分离分离最大或然值法最大或然值法 活菌计数法活菌计数法微生物生态学研究中的分子生物学方法微生物生态学研究中的分子生物学方法u核酸探针杂交技术核酸探针杂交技术uPCRPCR特异性扩增技术特异性扩增技术urRNArRNA基因同源性分析方法基因同源性分析方法研究微生物的生态学有着重要的理论意义和实践价值。研究微生物的生态学有着重要的理论意义和实践价值。1 1、微生物的、微生物的分布规律分布规律挖掘丰
7、富的菌种资源，推动进化、分类的研究和开发应用挖掘丰富的菌种资源，推动进化、分类的研究和开发应用2 2、微生物与他种生物间的、微生物与他种生物间的相互关系相互关系发展新的微生物农药、微生物肥料和微生态制剂，并为发展混菌发发展新的微生物农药、微生物肥料和微生态制剂，并为发展混菌发酵、生态农业以及积极防治人和动、植物病虫害提供理论依据酵、生态农业以及积极防治人和动、植物病虫害提供理论依据3 3、微生物、微生物在自然界物质循环中的作用在自然界物质循环中的作用阐明地质演变和生物进化中的许多机制，也可为探矿、冶金、提高阐明地质演变和生物进化中的许多机制，也可为探矿、冶金、提高土壤肥力、治理环境污染、开发生
8、物能源和促进大自然生态平衡等土壤肥力、治理环境污染、开发生物能源和促进大自然生态平衡等提供科学的基础。提供科学的基础。第一节第一节 微生物在自然界的分微生物在自然界的分布布微生物的特点：微生物的特点： 个体微小个体微小、 代谢营养类型多样代谢营养类型多样， 适应能力强适应能力强微生物在自然界中分布广泛微生物在自然界中分布广泛微生物的分布是生境各种物理、化学、微生物的分布是生境各种物理、化学、生物因素对微生物的限制、选择的结果。生物因素对微生物的限制、选择的结果。在某些生境中，高度专一性的微生物存在在某些生境中，高度专一性的微生物存在并仅限于这种生境中，并成为特定生境的并仅限于这种生境中，并成为
9、特定生境的标志。标志。微生物的分布微生物的分布生境的特征生境的特征土壤土壤土壤土壤 水体（淡水、海水）水体（淡水、海水）水体（淡水、海水）水体（淡水、海水）空气空气空气空气食品食品食品食品极端环境（高温、低温、高压、高盐、强酸、强极端环境（高温、低温、高压、高盐、强酸、强极端环境（高温、低温、高压、高盐、强酸、强极端环境（高温、低温、高压、高盐、强酸、强碱等）碱等）碱等）碱等）生物体内外生物体内外生物体内外生物体内外主要讨论：微生物在一下环境中的分布主要讨论：微生物在一下环境中的分布1. 1. 土壤环境条件土壤环境条件（1 1）土壤是微生物的）土壤是微生物的天然培养基，天然培养基，（2 2）土
10、壤的保水性，使微生物生长有充分的）土壤的保水性，使微生物生长有充分的水供应，水供应，（3 3）土壤颗粒间的空隙，保持了良好的通气）土壤颗粒间的空隙，保持了良好的通气条件，条件，（4 4）土壤的）土壤的pHpH约约3.53.510.510.5，是大多微生物，是大多微生物的最适的最适pHpH，（5 5）土壤中温度变化不大，冬天具保温性。土壤中温度变化不大，冬天具保温性。有机质层有机质层淀积层淀积层碳酸盐积累碳酸盐积累疏松母质疏松母质淋溶层淋溶层土土体体层层一、土壤中的微生物一、土壤中的微生物土壤是微生物的大本营土壤是微生物的大本营1. 土壤中动、植物和微生物残体及其分解物为异养微生物土壤中动、植物
11、和微生物残体及其分解物为异养微生物提供碳、氮及能源提供碳、氮及能源;2. 岩石风化释放的无机元素和微量元素岩石风化释放的无机元素和微量元素,满足自养菌的需满足自养菌的需要要;3. 土壤温度及土壤温度及pH 条件可满足各类微生物的需求条件可满足各类微生物的需求;4. 土壤团粒结构内部保水土壤团粒结构内部保水, 外部通气外部通气, 适于好氧或厌氧菌适于好氧或厌氧菌群群;5. 土壤可保护微生物不受强光的伤害。土壤可保护微生物不受强光的伤害。2. 2. 土壤中微生物的种类与数量土壤中微生物的种类与数量细菌细菌70902.5亿每克土亿每克土放线菌放线菌53070万每克土万每克土霉菌霉菌32040万每克土
12、万每克土藻类藻类125万每克土万每克土原生动物原生动物0.513万每克土万每克土1 1）土壤微生物的数量和分布主要受到营养物、含水量、氧、温）土壤微生物的数量和分布主要受到营养物、含水量、氧、温度、度、pHpH等因子的影响，并随土壤类型的不同而有很大变化。等因子的影响，并随土壤类型的不同而有很大变化。2 2）土壤微生物的数量和分布受季节影响；）土壤微生物的数量和分布受季节影响；3 3）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）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。最多，随着土层的加深，微生物的数量逐步减少。4 4）土壤中的微
13、生物以细菌最多，其次位放线菌和霉菌。）土壤中的微生物以细菌最多，其次位放线菌和霉菌。3 3、土壤中的微生物分布特点、土壤中的微生物分布特点4. 4. 影响土壤中微生物分布与种类的因素影响土壤中微生物分布与种类的因素（1）土壤的类别土壤的类别细菌细菌一般在中性、潮湿的土壤中偏多；一般在中性、潮湿的土壤中偏多；放线菌放线菌在干旱、中性偏碱的土壤中偏多；在干旱、中性偏碱的土壤中偏多；真菌真菌需通气好的土壤；需通气好的土壤；藻类藻类则在湿度适当、见光的环境中生长。则在湿度适当、见光的环境中生长。（2）土壤的肥沃情况）土壤的肥沃情况耕作地、施肥区，微生物较多；耕作地、施肥区，微生物较多；荒地、沙漠，微生
14、物就少。荒地、沙漠，微生物就少。（3）土壤的深度）土壤的深度一般微生物在一般微生物在520cm处分布最多，处分布最多，土壤表层和土壤表层和50100cm处微生物数量明显减少。处微生物数量明显减少。（4）气候变化的影响气候变化的影响季节的变化对微生物的生存也有较大的影响季节的变化对微生物的生存也有较大的影响 （5）根际微生物的情况则受植物生长发育的情况而变化）根际微生物的情况则受植物生长发育的情况而变化 根际微生物根际微生物（rhizosphererhizosphere microorganism microorganism）又称又称根圈微生物根圈微生物，是指生活在在根系附近土壤，依赖，是指生活
15、在在根系附近土壤，依赖根系的分泌物、外渗物和脱落细胞而生长，一般对植根系的分泌物、外渗物和脱落细胞而生长，一般对植物发挥有益作用的正常菌群。物发挥有益作用的正常菌群。根际细菌根际细菌：假单胞菌、黄杆菌、产碱杆菌。多为：假单胞菌、黄杆菌、产碱杆菌。多为G-细菌。细菌。 根际真菌根际真菌：镰孢霉属、黏帚霉属、青霉属：镰孢霉属、黏帚霉属、青霉属 根际原生动物根际原生动物：二、水体中的微生物二、水体中的微生物1、淡水、淡水(河流、湖泊、地下水河流、湖泊、地下水)： 营养较丰富，溶氧不等，温度随气温变化，营养较丰富，溶氧不等，温度随气温变化，pH近中性近中性,适合多数微生物生长。适合多数微生物生长。2、
16、海水：、海水： 有机质含量低，温度低，含盐量高，碱性，有机质含量低，温度低，含盐量高，碱性，海洋微生物海洋微生物具有耐压、嗜冷和低营养要求等特点。具有耐压、嗜冷和低营养要求等特点。3、水的细菌学检查、水的细菌学检查饮用水中微生物指标饮用水中微生物指标项目单位限值说明总大肠菌群MPN/100mL或CFU/100mL不得检出一般性污染耐热大肠菌群MPN/100mL或CFU/100mL不得检出指示粪便污染大肠埃希氏菌MPN/100mL或CFU/100mL不得检出指示粪便污染菌落总数CFU/mL100一般性污染贾第鞭毛虫个/10 L1肠道原虫隐孢子虫个/10 L海洋，城市上空海洋，城市上空农村，农村，
17、 近地面空气近地面空气高空高空四、食品中的微生物四、食品中的微生物 食品含丰富营养，是微生物生长繁食品含丰富营养，是微生物生长繁殖的天然营养基质，可造成食品腐败殖的天然营养基质，可造成食品腐败变质。变质。 例如：例如：粮食霉变粮食霉变（镰刀菌，曲霉，假单胞菌等）（镰刀菌，曲霉，假单胞菌等）肉类腐败肉类腐败（青霉，芽孢杆菌，（青霉，芽孢杆菌， 肉毒梭菌等）肉毒梭菌等）果实腐烂果实腐烂（青霉、毛霉、酵母菌等）（青霉、毛霉、酵母菌等）乳品变质乳品变质（念珠霉，（念珠霉， 产气杆菌，粪链球菌等）产气杆菌，粪链球菌等）五、极端环境中的微生物五、极端环境中的微生物极端环境极端环境 (extreme env
18、ironment):(extreme environment): 指高等动、植物不能生长，大多数微生物不能指高等动、植物不能生长，大多数微生物不能生活的高温、低温、强酸、强碱、高盐、高压、生活的高温、低温、强酸、强碱、高盐、高压、高热酸、高辐射及缺氧等特殊环境。高热酸、高辐射及缺氧等特殊环境。 生活在极端环境中的微生物多分属于古菌和细菌生活在极端环境中的微生物多分属于古菌和细菌。1. 1. 高温环境中的微生物高温环境中的微生物n布氏热网菌布氏热网菌（Pyrodictum brockii）: 分离自深海热泉喷口，最适生长温度分离自深海热泉喷口，最适生长温度105，最，最高可达高可达110 n热酸
19、硫化叶菌（热酸硫化叶菌（Sulfolobus acidocaldarius） 最适温度范围最适温度范围70-90 ， 能在能在pH1-4 的含硫的含硫热泉中生长热泉中生长嗜热微生物是一类生活在高温环境中的微嗜热微生物是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、工生物，如火山口及其周围区域、温泉、工厂高温废水排放区等。厂高温废水排放区等。兼性嗜热菌兼性嗜热菌专性嗜热菌专性嗜热菌极端嗜热菌极端嗜热菌耐热菌耐热菌超嗜热菌超嗜热菌 嗜热菌的类型：嗜热菌的类型：隐蔽热网菌隐蔽热网菌（PyrodictiumPyrodictium occultumoccultum）嗜酸热硫化叶菌嗜酸热硫化叶
20、菌（SulfolobusSulfolobus acidocaldariusacidocaldarius）水生嗜热杆菌水生嗜热杆菌( (ThermusThermus aquaticusaquaticus) )Thermus aquaticus（水生栖热菌，（水生栖热菌，8080下生存）分离下生存）分离Taq酶；酶；Pyrococcus furiosus( (激烈火球菌，激烈火球菌，100 100 下生存）分离下生存）分离Pfu酶；用于酶；用于PCR技术。技术。2. 2. 高盐环境中的微生物高盐环境中的微生物 (1) 微生物对盐的需求微生物对盐的需求 微生物微生物 生长最适盐生长最适盐(NaCl)
21、浓度浓度 非嗜盐菌非嗜盐菌(nonhalophilic) 100100个大气压以上。个大气压以上。 Pseudomonas Pseudomonas bathycetesbathycetes 生长在深海淤泥生长在深海淤泥（低温，黑暗、有机营养贫乏），（低温，黑暗、有机营养贫乏）， 生长缓慢，代时为生长缓慢，代时为3333天。天。 高压会抑制常压微生物细胞蛋白合成高压会抑制常压微生物细胞蛋白合成, , 膜膜上物质和能量的传递及酶的代谢活性。上物质和能量的传递及酶的代谢活性。 多数嗜压微生多数嗜压微生物属于耐压菌。物属于耐压菌。(1)(1)开发利用新的微生物资源，包括特异性的基因资源；开发利用新的微
22、生物资源，包括特异性的基因资源；(2)(2)为微生物生理、遗传和分类乃至生命科学及相关学科为微生物生理、遗传和分类乃至生命科学及相关学科许多领域，如：功能基因组学、生物电子器材等的研究提许多领域，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；供新的课题和材料；(3)(3)为生物进化、生命起源的研究提供新的材料。为生物进化、生命起源的研究提供新的材料。极端环境微生物研究意义极端环境微生物研究意义1 1、人体的正常菌群、人体的正常菌群 在正常人体皮肤、粘膜及外界相通的各种腔道（如口腔、在正常人体皮肤、粘膜及外界相通的各种腔道（如口腔、鼻咽腔、肠道和泌尿道）等部位，存在着对人体无害的微生
23、物群，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，包括包括细菌、真菌、螺旋体、支原体细菌、真菌、螺旋体、支原体等。等。 在长期进化过程中，微生物群的内部及其与宿主之间互在长期进化过程中，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、能量等交流的动态平相依存、互相制约，形成一个能进行物质、能量等交流的动态平衡的微生态系统，常称之为正常菌群衡的微生态系统，常称之为正常菌群( (六）生物体内外的正常菌群六）生物体内外的正常菌群 人体各部位常见的正常菌群人体各部位常见的正常菌群皮肤：皮肤：表皮葡萄球菌、类白喉杆菌、绿脓杆菌、耻垢杆菌等表皮葡萄球菌、类白喉杆菌、绿脓杆
24、菌、耻垢杆菌等口腔：口腔：链球菌（甲型或乙型）、乳酸杆菌、螺旋体、梭形杆菌、链球菌（甲型或乙型）、乳酸杆菌、螺旋体、梭形杆菌、白色念球菌、（真菌）表皮葡萄球菌、肺炎球菌、奈瑟氏球菌、白色念球菌、（真菌）表皮葡萄球菌、肺炎球菌、奈瑟氏球菌、类白喉杆菌等类白喉杆菌等胃：胃：正常一般无菌正常一般无菌正常菌群的生理作用正常菌群的生理作用（1 1）生物拮抗作用。）生物拮抗作用。正常菌群通过粘附和繁殖能形成一层自然菌膜，这是正常菌群通过粘附和繁殖能形成一层自然菌膜，这是一种非特异性的保护膜一种非特异性的保护膜, ,可促机体抵抗致病微生物的侵袭及定植可促机体抵抗致病微生物的侵袭及定植, ,从而对宿主从而对宿
25、主起到一定程度的保护作用。正常菌群除与病原菌争夺营养物质和空间位置外，起到一定程度的保护作用。正常菌群除与病原菌争夺营养物质和空间位置外，还可以通过其代谢产物以及产生抗生素、细菌素等起作用。可以说正常菌群还可以通过其代谢产物以及产生抗生素、细菌素等起作用。可以说正常菌群是人体防止外袭菌侵入的生物屏障。是人体防止外袭菌侵入的生物屏障。（2 2）刺激免疫应答。）刺激免疫应答。正常菌群释放的内毒素等物质可刺激机体免疫系统保正常菌群释放的内毒素等物质可刺激机体免疫系统保持活跃状态，是非特异免疫功能的一个不可缺少的组成部分。持活跃状态，是非特异免疫功能的一个不可缺少的组成部分。（3 3）合成维生素。）合
26、成维生素。有些微生物能合成维生素，如核黄素、生物素、叶酸、有些微生物能合成维生素，如核黄素、生物素、叶酸、吡哆醇及维生素吡哆醇及维生素K K等，供人体吸收利用。等，供人体吸收利用。（4 4）降解食物残渣。）降解食物残渣。肠道中正常菌群可互相配合，降解末被人体消化食物肠道中正常菌群可互相配合，降解末被人体消化食物残渣，便于机体进一步吸收。残渣，便于机体进一步吸收。条件致病菌条件致病菌 在一定条件下，正常菌群中的细菌也能使人患病：在一定条件下，正常菌群中的细菌也能使人患病：（1 1）由于机体的防卫功能减弱）由于机体的防卫功能减弱, ,引起自身感染。引起自身感染。例如皮肤粘膜受伤（特别是大面积烧伤）
27、、身体受凉、过度疲劳、例如皮肤粘膜受伤（特别是大面积烧伤）、身体受凉、过度疲劳、长期消耗性疾病等，可导致正常菌群的自身感染；长期消耗性疾病等，可导致正常菌群的自身感染；（2 2）由于正常菌群寄居部位的改变，发生了定位转移，也可引起）由于正常菌群寄居部位的改变，发生了定位转移，也可引起疾病。疾病。例如大肠杆菌进入腹腔或泌尿道，可引起腹膜炎、泌尿道感染。例如大肠杆菌进入腹腔或泌尿道，可引起腹膜炎、泌尿道感染。人体表面的正常菌群，一旦它们进入伤口也会引起感染。人体表面的正常菌群，一旦它们进入伤口也会引起感染。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，条件致病菌：人体的正常微生物菌群一旦
28、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。或生态结构发生改变而引起人类疾病的微生物。菌群失调菌群失调 在正常情况下，人体和正常菌群之间以及正常菌群中各细菌在正常情况下，人体和正常菌群之间以及正常菌群中各细菌之间，保持一定的生态平衡。之间，保持一定的生态平衡。 如果生态平衡失调，以至机体某一部位的正常菌群中各细如果生态平衡失调，以至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，称为菌群失调。菌的比例关系发生数量和质量上的变化，称为菌群失调。菌群失调的常见诱因：菌群失调的常见诱因： 主要是使用抗生素、同位素、激素、患有慢性消耗性疾病主要是使用抗生素、同位素、激
29、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。诱因后一般可使菌群复常，也有长期失调难于逆转的情况。2、无菌动物和悉生生物、无菌动物和悉生生物无菌动物：无菌动物：是指不能检出任何活的微生物和寄生虫的动物是指不能检出任何活的微生物和寄生虫的动物悉生生物悉生生物：指整个个体不携带或只携带已知微生物的生物：指整个个体不携带或只携带已知微生物的生物种种 类类饲养方法饲养方法说明说明附附 记记无菌动物无菌动物系统隔离系统隔离以封闭的无菌技术取得，用现有方法不能检出以封闭的
30、无菌技术取得，用现有方法不能检出任何微生物和寄生虫的动物。任何微生物和寄生虫的动物。悉生动物悉生动物隔离系统隔离系统确知所带的微生物丛（植物的和动物的）经特确知所带的微生物丛（植物的和动物的）经特殊饲养的动物。殊饲养的动物。确知所带有的微生物确知所带有的微生物无特定病无特定病原体动物原体动物屏障系统屏障系统没有指定的致病性微生物和寄生虫的动物。没有指定的致病性微生物和寄生虫的动物。确知不带有的微生物确知不带有的微生物通常动物通常动物开放系统开放系统不明确所带的微生物、寄生虫的动物，称普通不明确所带的微生物、寄生虫的动物，称普通动物，但不得带有人畜共患的传染病病原体动物，但不得带有人畜共患的传染病病原体。对微生物带有情况不明对微生物带有情况不明确确
