第八章微生物生态

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1、Chap.8 Chap.8 微生物的生态微生物的生态微生物生态学微生物生态学研究微生物群体与研究微生物群体与周围生物及非生物周围生物及非生物环境间相互关系的环境间相互关系的科学。科学。微生物在生态系统中的作用微生物在生态系统中的作用微生物微生物: :生产者生产者分解者分解者.1 .1 微生物在自然界中的分布与菌种资源微生物在自然界中的分布与菌种资源的开发的开发一、微生物在自然界中的分布一、微生物在自然界中的分布( (一一) ) 微生物的多样性微生物的多样性( (可培养）可培养） 现现有有 估计估计细细 菌菌 4,700 4,700 130,000 130,000 真真 菌菌 69,000 69

2、,000 1,500,000 1,500,000 病病 毒毒 5,000 5,000 130,000130,000藻藻 类类 3,000 3,000 100,000100,000线线 虫虫 15,000 15,000 500,000500,000合合 计计 96 96 ,700 ,700 2,363,0002,363,000 1. 1. 在生物体上的微生物在生物体上的微生物 人人体体肠肠道道的的 微微生生物物分分布布 微生态学：研究动植物界面微生物与微生态学：研究动植物界面微生物与 宿主相互关系的科学。宿主相互关系的科学。正常菌群正常菌群: :健康动物身体各部位稳定的健康动物身体各部位稳定的

3、微生物类群。微生物类群。 条件致病菌：宿主防御能力下降后，条件致病菌：宿主防御能力下降后， 某些正常菌群成为致病菌，称之某些正常菌群成为致病菌，称之 。 益生菌益生菌剂：用于改善特定位置微生物剂：用于改善特定位置微生物 生态平衡的微生物活体制剂。生态平衡的微生物活体制剂。2 2土壤中的微生物土壤中的微生物1 1）植植物物体体上上微微生生物物 叶瘤菌叶瘤菌; ; 病原菌病原菌; ; 木腐菌木腐菌; ; 植物内生真菌植物内生真菌 植物表生真菌植物表生真菌 根际微生物根际微生物: :植物根围植物根围1.01.0cmcm范围内微生物。范围内微生物。 菌根：菌根：真菌与植物根部形成的共生体，包括外真菌与

4、植物根部形成的共生体，包括外生菌生菌 根和内生菌根。根和内生菌根。内生菌根：内生菌根：VAVA菌菌 根；根； 外生菌根：哈蒂网外生菌根：哈蒂网豆科植物豆科植物 非豆科非豆科植物植物 Rhizobium Rhizobium FrankiaFrankia根瘤：根瘤：豆科植物与根瘤菌、非豆科植物与豆科植物与根瘤菌、非豆科植物与FrankiaFrankia放线放线 菌形成的共生体。菌形成的共生体。当代土壤微生物研究重大课题：当代土壤微生物研究重大课题：1 1）土壤微生物参与的地球化学过程）土壤微生物参与的地球化学过程2 2）根际植物促生细菌（）根际植物促生细菌（PGPRPGPR）3 3）土壤有害物质的

5、降解土壤有害物质的降解4 4）土壤微生物的共生体系）土壤微生物的共生体系建议读物建议读物3 3水体中微生物水体中微生物海洋微生物海洋微生物海岸带海岸带: :浅海带浅海带: : 藻类藻类; ; 光合光合 微生物微生物; ;化能异养菌化能异养菌; ; 化能自养菌化能自养菌; ;深海带深海带：200-6000200-6000M M 深深 渊渊 带带 : : 6000-6000-1100011000M M 嗜特异生境嗜特异生境 微生物微生物贫营养细菌贫营养细菌 也称寡营养菌，也称寡营养菌，可在可溶性有可在可溶性有机机碳碳1-151-15mg/Lmg/L的条件下生长的细菌。的条件下生长的细菌。饮用水微生

6、物饮用水微生物 大肠菌群大肠菌群: :发酵乳糖产酸产气的无芽孢发酵乳糖产酸产气的无芽孢 革革兰兰氏氏阴阴性性菌菌，包包括括大大肠杆菌肠杆菌 等一些肠道细菌。等一些肠道细菌。 计数计数: : 滤膜培养法滤膜培养法; ; 多管发酵法多管发酵法4.4.空气中的微生物空气中的微生物 微生物种类和数量：微生物种类和数量： 微生物的采样和计数：微生物的采样和计数： 培养皿沉降法、空气采培养皿沉降法、空气采样器样器 5 5、极端环境微生物（嗜极菌）、极端环境微生物（嗜极菌）-嗜热菌嗜热菌: :最适生长（最适生长（T Toptopt）温度约温度约4545C C 极端嗜热菌极端嗜热菌T Toptopt：7010

7、5C70105C 超嗜热菌超嗜热菌T Toptopt：80110C80110C 耐热菌耐热菌Tmax 45CTmax 45C，室温可生长室温可生长-嗜冷菌：嗜冷菌：020020 C C， T Toptopt 20C 20C-耐冷菌：在耐冷菌：在00C C可生长，可生长，T Toptopt20C20C以上以上嗜温菌：嗜温菌： T Toptopt202045C45C嗜冷微生物雪地藻类嗜冷微生物雪地藻类极端嗜热细菌（来自黄石公园热泉）极端嗜热细菌（来自黄石公园热泉）深海热泉嗜极端环境微生物深海热泉嗜极端环境微生物深海热泉附近存在的深海热泉附近存在的管形蠕虫管形蠕虫细菌的共生体细菌的共生体( (线状物

8、为自养细菌线状物为自养细菌: :在丙酮酸存在时以硫化物为电子受体在丙酮酸存在时以硫化物为电子受体) )嗜酸菌嗜酸菌; ;嗜碱菌：嗜碱菌：pH4pH9 pH 9；pH 7pH 7不生长不生长耐酸菌耐酸菌; ;耐碱菌：耐碱菌：pH 7pH 7可生长可生长嗜极酶嗜极酶 - -嗜盐菌嗜盐菌微生物与盐份的关系微生物与盐份的关系类型类型 最适最适NaCl NaCl 代表代表非嗜盐菌非嗜盐菌 0.20.2M M 多数陆生微生物多数陆生微生物低度嗜盐菌低度嗜盐菌 0.20.5 0.20.5M M 海洋微生物海洋微生物中度嗜盐菌中度嗜盐菌 0.52.5 0.52.5M M 副副溶血性弧菌溶血性弧菌极端嗜盐菌极端

9、嗜盐菌 2.55.2 2.55.2M M 古细菌古细菌极端嗜盐菌引起的生态景观极端嗜盐菌引起的生态景观 - -嗜压菌嗜压菌 嗜压：嗜压：P POPTOPT 1atm1atm 耐压：耐压： P POPTOPT =1atm=1atm， 1atm1atm可可生长生长 - -抗辐射微生物抗辐射微生物.2 .2 微生物与生物环境间的相互关系微生物与生物环境间的相互关系一、互生：互利或偏利一、互生：互利或偏利固氮微生物固氮微生物-纤维素分解菌纤维素分解菌 混菌发酵混菌发酵 二、共生：共居、相互依存二、共生：共居、相互依存1 1微生物间的共生关系：微生物间的共生关系：地衣地衣 : :子囊菌子囊菌-藻类藻类

10、2 2微生物与植物间的共生关系微生物与植物间的共生关系外生菌根外生菌根: :哈蒂网哈蒂网 内生菌根内生菌根: : 泡囊泡囊( (vesicle)vesicle) 丛枝状丛枝状( (arbuscule)arbuscule) （VAVA菌根）菌根）植物菌根形态（外生菌根）植物菌根形态（外生菌根）3 3微生物与动物间的共生微生物与动物间的共生瘤胃微生物与牛的共生关系瘤胃微生物与牛的共生关系三、寄生三、寄生 1 1微生物间的寄生关系微生物间的寄生关系 (蛭弧菌蛭弧菌) 2 2微生物与植物间的寄生关系微生物与植物间的寄生关系 专专性性寄寄生生：白白粉粉菌菌、锈锈菌菌、植植物物病病毒毒- -植植物物宿宿主

11、主 （活（活 的组织的组织/ /细胞）细胞） 兼性寄生：以腐生为主兼性寄生：以腐生为主, ,也可营寄生生活。也可营寄生生活。 3 3微生物与动物间的寄生关系微生物与动物间的寄生关系 病原菌、昆虫寄生病原菌、昆虫寄生M M（苏云金杆菌、白僵菌、苏云金杆菌、白僵菌、 病毒杀虫剂）、冬虫夏草（真菌）病毒杀虫剂）、冬虫夏草（真菌）蛭弧菌蛭弧菌虫虫草草四、拮抗四、拮抗 某种生物某种生物 产生的代谢产物抑制或杀灭它种产生的代谢产物抑制或杀灭它种 生物的相互关系。生物的相互关系。拮抗试验拮抗试验: : 拮抗菌拮抗菌, , 敏感菌敏感菌五、捕食五、捕食 真菌捕食线虫和其它原生动物真菌捕食线虫和其它原生动物 -

12、菌网、菌环菌网、菌环微生物的抗菌测定方法微生物的抗菌测定方法.3 .3 微生物在自然界物质循环中的作用微生物在自然界物质循环中的作用生物地球化学循环：生物参与的自然界生物地球化学循环：生物参与的自然界 的物质转化过程。的物质转化过程。细菌、真菌：分解者细菌、真菌：分解者 - -参与参与地球化学循环地球化学循环 - -应用微生物生态学应用微生物生态学一、碳素循环一、碳素循环1 1）光合细菌）光合细菌2 2）无氧下的发酵）无氧下的发酵3 3）沼气发酵）沼气发酵4 4）有氧降解）有氧降解二、氮素循环二、氮素循环1)1)生物固氮生物固氮2 2）硝化作用硝化作用（亚硝化细菌、（亚硝化细菌、硝化细菌）硝化

13、细菌）3 3）硝酸盐同化作用）硝酸盐同化作用4 4）氨化作用）氨化作用（蛋白的水解和（蛋白的水解和脱氨）脱氨）5 5）氨盐同化作用）氨盐同化作用6 6）硝酸的异化还原）硝酸的异化还原7 7）反硝化作用）反硝化作用（硝酸盐还原（硝酸盐还原为氮气）为氮气） Dissimilatory nitrate reduction:Dissimilatory nitrate reduction:The process in which some bacteria use nitrate as electron acceptor at the end of their electron transport ch

14、ina to produce ATP.The nitrate is reduced to nitrite or nitrogen gas.Denitrification:Denitrification:The reduction of nitrate to gasProducts,primarily nitrogen gas, during anaeriobic respiration.三、硫素循环与金属的细菌冶金三、硫素循环与金属的细菌冶金1 1自然界中的硫素循环自然界中的硫素循环1）硫酸盐的同化还原）硫酸盐的同化还原2）脱硫作用（含硫蛋）脱硫作用（含硫蛋白的分解）白的分解）3）硫化作用（）

15、硫化作用（H2S或或S氧化为氧化为S或硫酸）或硫酸）4）硫酸盐的异化还原）硫酸盐的异化还原（无氧呼吸）无氧呼吸）5）硫的异化还原硫的异化还原（无氧呼吸）（无氧呼吸）2 2 细菌冶金（细菌沥滤）：利用细菌从矿砂中细菌冶金（细菌沥滤）：利用细菌从矿砂中 回收金属的技术。包括溶矿、置换和浸回收金属的技术。包括溶矿、置换和浸矿剂矿剂 FeFe2 2(SO(SO4 4) )3 3 , H , H2 2SOSO4 4 再生过程。再生过程。1）溶矿（氧化还）溶矿（氧化还原作用）原作用）2）置换）置换3 3）浸矿剂再生）浸矿剂再生: :微生物氧化硫化微生物氧化硫化物产生物产生H H2 2SOSO4 4和和Fe

16、Fe（SOSO4 4) )3 3的过程的过程细菌治矿工地（铜矿生物冶炼）细菌治矿工地（铜矿生物冶炼）.4 .4 微生物与环境保护微生物与环境保护 一一. .水体的污染水体的污染 富营养化：富营养化：水体中水体中N N、P P含量过高而引起水体含量过高而引起水体表表 面藻类过度生长的面藻类过度生长的现象。现象。1) 1) 有机、无机物的大量排入有机、无机物的大量排入 2) 2) 异养微生物的大量繁殖异养微生物的大量繁殖 3) 3) 藻类过度生长藻类过度生长 4) 4) 溶解氧降低，水生生物死亡溶解氧降低，水生生物死亡 5) 5) 湖泊沼泽化湖泊沼泽化二、用微生物处理污水二、用微生物处理污水 BO

17、DBOD（生化需氧量）：生化需氧量）： 在一定条件下，微生物分解水中有机物生化过程所需溶解氧在一定条件下，微生物分解水中有机物生化过程所需溶解氧 的量，以的量，以mg/Lmg/L表示。表示。 CODCOD（化学需氧量）：化学需氧量）： 用用K K2 2CrCr2 2O O7 7和和KMnOKMnO4 4强氧化剂使水中有机物氧化所需溶强氧化剂使水中有机物氧化所需溶 解氧的量，以解氧的量，以mg/Lmg/L表示。表示。污水污染指标及三级处理污水污染指标及三级处理 微生物处理污水（好氧）的基本过程微生物处理污水（好氧）的基本过程： 高高BODBOD5 5污水污水M区系区系充分供充分供O O2 2 分

18、层分层 废气（废气（COCO2 2、NHNH3 3、H H2 2S S、CHCH4 4 H H2 2、COCO）废渣（活性污泥、生物膜等）废渣（活性污泥、生物膜等）厌氧处理厌氧处理沼气沼气废渣（有机肥料）废渣（有机肥料）清水（清水（SOSO4 42-2-、NONO3 3- - 、POPO4 43-3-）污水的生化处理方法活性污泥法污水的生化处理方法活性污泥法 活性污泥：微生物与悬浮物、胶体等组成的活性污泥：微生物与悬浮物、胶体等组成的 絮絮状物。状物。生物转盘法生物转盘法生物膜生物膜污水处理厂污水处理厂 微生物处理污水的原理微生物处理污水的原理充分利用活性污泥（生物膜）特点充分利用活性污泥（生

19、物膜）特点: :- -高的吸附能力高的吸附能力-强的氧化分解能强的氧化分解能力力-良好的食物链关良好的食物链关系系-良好的沉淀性能良好的沉淀性能活性污泥活性污泥 Xenobiotic Xenobiotic( (异生素）异生素） A synthetic product not formed A synthetic product not formed by natural biosynthetic; a foreign by natural biosynthetic; a foreign substance or poison.substance or poison.CometabolismCo

20、metabolism（共代谢）共代谢） 原本不能被代谢的物质在外界提供碳原本不能被代谢的物质在外界提供碳源和能源的情况下被代谢的现象，包括对源和能源的情况下被代谢的现象，包括对二级基质的共同氧化和微生物协同作用等二级基质的共同氧化和微生物协同作用等类型。类型。Pseudomonas sp.Using cometabolism to grow on cyclohexane建议读物.5 .5 沼气发酵与环境保护沼气发酵与环境保护沼气发酵：产甲烷菌在厌氧的条件下利用沼气发酵：产甲烷菌在厌氧的条件下利用H H2 2还原还原COCO2 2等碳源形成甲烷的过程。等碳源形成甲烷的过程。 -意义：意义：一、沼

21、气发酵的三个阶段一、沼气发酵的三个阶段 沼沼气气：混混合合可可燃燃气气体体甲甲烷烷、H H2 2、N N2 2、COCO2 2水解水解产酸产酸产气产气1 1第一阶段：水解第一阶段：水解 专性厌氧、兼性厌氧专性厌氧、兼性厌氧 产产COCO2 2、H H2 2、低级有机酸低级有机酸 2 2第二阶段：产酸第二阶段：产酸 严格严格厌氧菌：产氢产乙酸细菌群（奥厌氧菌：产氢产乙酸细菌群（奥氏甲烷杆菌：由氏甲烷杆菌：由S S菌和菌和MOHMOH菌组成的共生体）菌组成的共生体） 产乙酸、产乙酸、 COCO2 2、H H2 2 3 3第三阶段：第三阶段： 产气产气 严格严格厌氧菌产甲烷细菌群厌氧菌产甲烷细菌群

22、利用一、二碳化合物、利用一、二碳化合物、 H H2 2合成甲烷合成甲烷产产甲烷细菌：甲烷细菌： 一类必须生活在厌氧环境下并伴有甲烷一类必须生活在厌氧环境下并伴有甲烷产产 生的古细菌。生的古细菌。 ( (甲烷杆菌属甲烷杆菌属 、甲烷球菌属、甲烷短杆菌、甲烷球菌属、甲烷短杆菌属、甲烷八叠球菌属属、甲烷八叠球菌属)利用底物利用底物: :COCO2 2类类: : COCO2 2,CO, CHOOH,CO, CHOOH甲基类甲基类: :甲醇、甲基胺、二甲基甲醇、甲基胺、二甲基乙酸类：乙酸乙酸类：乙酸二、甲烷形成的生化机制二、甲烷形成的生化机制 独特生理类型（属古细菌）独特生理类型（属古细菌）辅酶辅酶M M（CoMCoM）即：磺酸基硫基乙酸即：磺酸基硫基乙酸F F420420，属于黄素单核苷酸（属于黄素单核苷酸（FMNFMN）的衍生物。的衍生物。其它辅酶：辅酶其它辅酶：辅酶B B，F F430430（镍四吡咯）镍四吡咯）四氢甲烷蝶呤（四氢甲烷蝶呤（F F342342） 多种独特辅酶参与多种独特辅酶参与 甲烷呋喃（甲烷呋喃（COCO2 2还原因子）还原因子）城市垃圾无害化处理（好氧发酵）城市垃圾无害化处理（好氧发酵）城市垃圾无害化处理城市垃圾无害化处理-沼气发酵（能源）沼气发酵（能源）