第八章 微生物生態重點與難點剖析一生態學基本概念生物圈：地球上所有生物及其所居住的環境的總和.生物 初級生產者 非生物 無機物 消費者 有機物 分解者 氣候(大氣、太陽能、生活空間、水)生態系統：生物群落與其周圍環境相互作用的功能系統，是生物圈的組成單元。生物圈中任何一個相對完整的自然整體都是一個生態系統。一個池塘，一片森林等。種群或群體（population）：指屬于同一個種的一大群生物（同一個種的生物，不同個體的集合）。群落（community）：指一定區域中的所有種群。能量流：能量通過生態系統從一種生物傳遞給另一種生物的現象。每一營養級能量 自身代謝活動以熱的方式損耗 生物死亡后為分解者分解 未被分解，以有機物形式貯存 剩余（10-20%）為高一營養級的生物所消費熱量 自身呼吸熱量 自身呼吸熱量 自身呼吸 光能 光合生物 食草動物 食肉動物自身呼吸熱量 分解者營養庫（化學物質貯存庫）微生物可以在多個方面但主要作為分解者而在生態系統中起重要作用生態學：研究生物與其周圍生物和非生物環境之間相互關系的一門科學。微生物生態學：研究微生物與其周圍生物和非生物環境之間相互關系。t 微生物在生態系統中的作用；t 各種環境中的微生物，微生物和其它生物的關系；t 微生物與環境保護二微生物在生態系統中的作用1M在生態系統中的地位生態系統： 物質循環生物群落 所生活的非生物環境 能量流動生產者：從無機物合成有機物;消費者：利用有機物進行生活，一般不能將有機物直接分解成無機物;分解者：分解有機物成無機物（1）微生物是有機物的主要分解者: 微生物最大的價值也在于其分解功能。它們分解生物圈內存在的動物和植物殘體等復雜有機物質，并最后將其轉化成最簡單的無機物，再供初級生產者使用。（2）微生物是物質循環中的重要成員: 微生物參與所有的物質循環，大部分元素及其化合物都受到微生物的作用。在一些物質的循環中，微生物是主要的成員，起主要作用；而一些過程只有微生物才能進行，起獨特作用；而有的是循環中的關鍵過程，起關鍵作用。（3）微生物是生態系統中的初級生產者: 光能營養和化能營養微生物是生態系統的初級生產者，它們具有初級生產者所具有的二個明顯特征，即可直接利用太陽能、無機物的化學能作為能量來源，另一方面其積累下來的能量又可以在食物鏈、食物網中流動。（4）微生物是物質和能量的貯存者: 微生物和動物、植物一樣也是由物質組成和由能量維持的生命有機體。在土壤、水體中有大量的微生物生物量，貯存著大量的物質和能量。（5）微生物在地球生物演化中的作用: 微生物是最早出現的生物體，并進化成后來的動、植物。藻類的產氧作用，改變大氣圈中的化學組成，為后來動、植物出現打下基礎。2M與生物地球化學循環生物地球化學循環（Biogeochemical cycling）: 指生物圈中的各種化學元素，經生物化學作用在生物圈中的轉化和運動。這種循環是地球化學循環的重要組成部分。 循環快: 生命物質的主要組成元素（C、H、O、N、P、S），循環較慢: 少量元素（Mg、K、Na、鹵素元素）；跡量元素（Al、B、Co、Cr、Cu、Mo、Ni、Se、V、Zn） 課堂講解 碳循環、氮循環 （1）碳循環碳素是一切生命有機體的最大組分，接近有機物質干重的50%。碳循環是最重要的物質循環。 P75在好氧條件下，大生物和微生物都能分解簡單的有機物和生物多聚物；微生物是唯一在厭氧條件下進行有機物分解的 （2）氮循環6種氮化合物的氧化還原反應所組成:N2, NH3(NH4+), NO2, NO3, N2O, R-NH2 固氮 氨化（脫氨）、硝化作用（化能自養微生物：硝化細菌、亞硝化細菌） 硝酸鹽還原 同化硝酸鹽還原（硝酸鹽還原成亞硝酸鹽和氨，氨被同化成氨基酸） 異化硝酸鹽還原 發酵性硝酸鹽還原（硝酸鹽作為發酵過程的附帶受體，還原成亞硝酸鹽和氨） 呼吸性硝酸鹽還原 （硝酸鹽呼吸，最終電子受體，還原成亞硝酸鹽和氨） 反硝化作用（硝酸鹽呼吸，還原成N2O、N2）三生態環境中的微生物1M種群之間的相互作用相互作用的基本類型包括8種：P293 中立生活：沒有關系偏利作用：一個受益（必需），一個無影響。偏利：巖石表面的微生物生長，使不溶性的無機鹽溶出；降解多聚物產生有機酸，代謝有機酸生成甲烷；協同作用：互相獲利，但可以單獨生活，種群可以替換。互惠共生：互相獲利，但不可分離單獨生活，不可替換。藍細菌和真菌的共生體-地衣藍細菌：光合作用， 固氮作用；真菌：提供生長因子。寄生：內寄生：病毒，蛭弧菌；外寄生：不進入或不接觸，產生一些胞外酶，裂解宿主細胞，釋放出營養物質。如食藻細菌。 捕食： 原生動物偏害（拮抗）： 競爭：生存空間和食物2M在自然界中的分布微生物的特點：個體微小、代謝營養類型多樣，適應能力強 微生物在自然界中分布廣泛。在某些生境中，高度專一性的微生物存在并僅限于這種生境中，并成為特定生境的標志。（1）空氣中的微生物 不適合微生物的生長繁殖，無固定的微生物區系； 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，一般與其所在環境的微生物種類有關； 數量取決于塵埃數量（ 附著在灰塵上,“微生物之舟”）； 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：傳播疾病、造成食品等的污染測定方法：培養皿沉降法；液體阻留法（2）水體中的微生物淡水、海水中微生物的數量和分布不同。天然湖泊、污染水域微生物的種類和數量不同。主要影響因子：營養物水平、溫度、光照、溶解氧、鹽分等。富光層：光合藻類，好氧M；中度光照層：好氧M，兼性厭氧M；貧光層：厭氧M嚴重污染的水會通過食物鏈的生物放大作用危害人類健康靠近城市或城市下游水中的微生物多。水體的富營養化作用， “水花”、“赤潮”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 水的富營養化 藻類等過量生長，產生大量的有機物 異養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H2S，從而導致水有難聞的氣味 魚和好氧微生物大量死亡，水體出現大量沉淀物和異常顏色。（3）土壤中的微生物土壤是固體無機物(巖石和礦物質)、有機物、水、空氣和生物組成的復合物，是微生物的合適生境（大本營）。土壤微生物種類多、數量多、代謝潛力巨大，是主要的微生物源。 土壤微生物的數量和分布主要受到營養物、含水量、氧、溫度、pH等因子的影響，并隨土壤類型的不同而有很大變化。 土壤微生物的數量和分布受季節影響； 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，隨著土層的加深，微生物的數量逐步減少。（4）極端環境下的微生物嗜熱微生物;嗜冷微生物;嗜酸微生物;嗜堿微生物;嗜鹽微生物;嗜壓微生物研究意義： 開發利用新的微生物資源，包括特異性的基因資源； 為微生物生理、遺傳和分類乃至生命科學及相關學科許多領域的研究提供新的課題和材料； 為生物進化、生命起源的研究提供新的材料。（5）不可培養微生物（uncultured microorganisms）從環境中直接分離并克隆rRNA并分析其序列和在分子進化樹上的位置等方法而發現的的目前尚不能在人工條件下獲得培養的微生物。參見P372：研究意義：生物多樣性和系統發生的多樣性（Biodiversity and Phylogenetic diversity）;微生物生態學的研究提出新的要求; 尋找新的致病微生物; 從不可培養微生物中尋找新的基因、新的蛋白.據報道，美國recombianant biocatalysis Inc公司目前已從不可培養微生物中獲得了約300個與工業生產相關的新蛋白.（6）動物體中的M人體微生物:皮膚: 一個成年人的皮膚大約有2m2，約有1012細菌。優勢的細菌種群是革蘭氏陽性菌，革蘭氏陰性菌較少見,真菌有瓶形酵母屬. 皮膚表面正常棲居的微生物對外來微生物具有排斥作用，可以防止外來微生物和病原微生物的侵染，對皮膚有保護作用。口腔: 包括細菌、放線菌、酵母菌、原生動物，以細菌數量最多 胃腸道:胃， 僅有數量較低的附在胃壁上的抗酸微生物，包括酵母、鏈球菌、乳桿菌等 小腸，近胃端的低量(103CFu/ml)到近大腸端的高量(108CFu/ml)。 大腸，微生物數量巨大(1011CFu/ml)，區系組成包括：擬桿菌、真桿菌、厭氧鏈球菌、雙歧桿菌、腸球菌、腸桿菌、乳酸菌、梭菌、酵母等。 微生物合成的維生素、蛋白質，產生的能源可以為人吸收利用。 （7）植物相關M 莖、葉、果實的表面是某些M（好氧）生存的良好環境，細菌、藍細菌、酵母等；某些M能夠引起植物病害； 植物根部微生物l 根際微生物：由根面向外伸展，具有一個M梯度的區域。l 老根、腐根際，大量、多樣M; 健康幼根，選擇性M ;說明根的分泌物較植物碎片更具選擇性l 菌根：植物的根 + 真菌（子囊菌，擔子菌） 共生體.l 外生菌根，內生菌根 P300l 根瘤：根瘤菌與豆科植物的共生體，弗蘭克氏菌與非豆科植物（喬木和灌木等木本植物形成的共生體）四 微生物與環境保護 1微生物對污染物的降解與轉化（1）環境污染物的來源自然存在：重金屬，烴類，放射性物質等 經轉化及富集：由于生活或工業加工過程對自然界存在的物質富集、轉化。污水，肥料，燃料燃燒廢物，石油等。 人工合成： 農藥; 表面活性劑; 合成聚合物; 石油化工產品 . 非自然界存在物質，特殊的化學結構，化學鍵，難降解物質。當前研究的主要課題. （2）降解質粒：質粒編碼了控制某些污染物的降解 P305 2污染物的M處理（1）BOD 與 COD（biological oxygen demand）（chemical oxygen demand）BOD：水中有機污染物在需氧微生物作用下進行氧化所消耗的氧氣量。實際測定時，在一定的溫度下，5天的需氧量。 BOD5COD：水中有機污染物在強氧化劑作用下進行化學氧化所消耗的氧氣量。KMnO4：氧化率60%左右. CODMnK2Cr2O7：氧化率80-100%. CODCr（2） 污水處理 一級處理：粗大固形物 二級處理：生物，化學，物理法去除有機物 三級處理：生物，化學，物理法去除N、P及其他無機物好氧處理 活性污泥法 二級處理 生物膜法: 生物濾池, 生物轉盤, 生物接觸氧化法 厭氧處理 沼氣發酵, 光合細菌 活性污泥法活性污泥是由復雜的微生物群落與污（廢）水中的有機、無機固體物混凝交織在一起構成的絮狀物，又稱為菌膠團。活性污泥中的微生物組成一個微型的、復雜的、有密切相互關系的混合生物群體的生態系統。有細菌、真菌、原生動物、后生動物等多種微生物群體結合組成 微生物的代謝反應