第八章微生物生態

（4課時）第一節微生物在環境中分布（2課時）第二節微生物在物質循環中作用（2課時）第1頁第一節微生物在環境中分布一、微生物生態系統特點二、微生物在環境中分布三、微生物間相互關系第2頁一、微生物生態系統特點（一）微生物生態系統概念（二）微生物在生態系統作用（三）微生物生態系統特點第3頁（一）微生物生態系統概念生物圈：地球上有生命活動范圍，是地球上全部生活有機體與其環境相互作用統一整體，是全部生態系統總和生態系統：生物群落與其生存環境組成整體系統微生物生態系統：許多不一樣微生物群落與周圍生物及非生物共同組成整體系統微生物群落：許多不一樣種微生物種群生活在一起組成群落微生物種群：指含有相同性和生活在一定空間內同種微生物個體群第4頁第5頁一、微生物生態系統特點（一）微生物生態系統概念（二）微生物在生態系統作用（三）微生物生態系統特點第6頁（二）微生物在生態系統作用微生物是有機物質主要分解者微生物是物質循環中主要組員微生物是生態系統中初級生產者微生物是物質和能量貯存者微生物是地球上生物演化中先鋒種類第7頁一、微生物生態系統特點（一）微生物生態系統概念（二）微生物在生態系統作用（三）微生物生態系統特點第8頁（三）微生物生態系統特點微環境性：是指緊密圍繞微生物細胞環境穩定性：微生物微環境中微生物種群種類多樣、組成穩定特征適應性：微生物微環境發生猛烈改變時，微生物群落結構會發生對應改變特征第9頁二、微生物在環境中分布（一）微生物在土壤中分布（二）微生物在水體中分布（三）微生物在空氣中分布（四）微生物在食品上分布（五）極端環境中微生物第10頁（一）微生物在土壤中分布土壤是微生物良好生活環境：土壤中含有大量有機物和礦物質；土壤中含有一定水分；土壤中含有孔隙性；土壤含有保溫性；土壤pH值靠近中性，緩沖性較強土壤自凈作用：污水、污物進入土壤后，可被土壤吸附和過濾，接著被微生物及其它生物降解，使土壤逐步恢復到原來狀態第11頁第12頁表面土壤層淋溶層淀積層疏松母質耕作土壤層第13頁1、土壤中微生物垂直分布表面土壤層：微生物數量少；因為這里缺水，受紫外線照射微生物易死亡10~30cm耕作層：微生物數量最多，種類多樣；若是植物根系附近，微生物數量更多30cm以下土壤層：微生物數量隨土層深度增加而降低，至lm深處降低約20倍，至2m深處，因缺乏營養和氧氣每克土中僅有幾個第14頁2、土壤微生物種類種類：以細菌為最多（106-109/g土），放線菌（105-108/g土）和真菌（103-105/g土）次之，藻類和原生動物較少土壤習居微生物：以G-無芽胞桿菌和放線菌為主；它們以土壤腐殖質為營養，生長慢、數量較穩定、作用持久土壤暫居微生物：以芽胞桿菌、青霉、曲霉、鐮刀菌和毛霉等為主；它們以動植物分泌物、排泄物和殘體為營養，一旦離開生物殘體后不能生活較長時間第15頁經典花園土壤不一樣深度每克土壤微生物菌落數/CFU深度/cm細菌放線菌真菌藻類3-8975000020800001190002500020-25217900024500050000500035-40570000490001400050065-751100050006000100135-1451400——3000——第16頁3、根圈效應根圈(rhizosphere)：也稱根際，指植物根系表面至其外圍幾毫米土壤區域，是植物根系直接影響土壤范圍根圈效應：同根圈外微生物群落相比，根圈中微生物在數量、種類和活性上表現出一定特異性根土比（R／S）：即根際微生物數量與非根際土壤微生物數量比值；R/S值普通為5～20，有時可高達100以上第17頁二、微生物在環境中分布（一）微生物在土壤中分布（二）微生物在水體中分布（三）微生物在空氣中分布（四）微生物在食品上分布（五）極端環境中微生物第18頁（二）微生物在水體中分布淡水生境：以土著性光能或化能自養微生物為主；江、河微生物種群受流經區域影響；水體較深湖泊微生物有顯著垂直分布帶海水生境：特點是耐鹽（2-4%）、耐低溫和耐壓；以藻類、G-需氧性或兼性厭氧細菌為主水體自凈作用：污染物進入水體后，可被水體吸附和沉降，接著被微生物及其它生物降解，使水體逐步恢復到原來狀態第19頁第20頁二、微生物在環境中分布（一）微生物在土壤中分布（二）微生物在水體中分布（三）微生物在空氣中分布（四）微生物在食品上分布（五）極端環境中微生物第21頁（三）微生物在空氣中分布大氣圈微生物：大氣圈含有微生物，但因營養物質和水分缺乏、紫外線輻射等影響并非微生物生長繁育良好場所；多數以孢子和休眠體形態吸附在塵埃上，經過氣流進行傳輸分布：空氣中微生物數量與溫濕度、塵埃顆粒數等相關系；越靠近地面空氣含菌量越高種類：以球菌、芽孢桿菌、產色素細菌、真菌孢子為主第22頁第23頁

地點微生物數量/CFU·m-3北極(北緯800)0海洋上空l~2市區公園200城市街道5,000宿舍2×104畜舍106~2×107不一樣地點大氣中微生物數量第24頁二、微生物在環境中分布（一）微生物在土壤中分布（二）微生物在水體中分布（三）微生物在空氣中分布（四）微生物在食品上分布（五）極端環境中微生物第25頁（四）微生物在食品上分布食品中微生物：食品含有豐富營養物質，通常在食品原料生長、采收、運輸、加工和包裝等過程中被微生物附生或污染一旦水分、溫度、通氣等環境條件適宜，霉菌和細菌等就會快速繁殖起來第26頁1、微生物對食品影響引發食物腐敗：降低風味產生有毒物質：誤食后引發食物中毒如肉毒毒素；有些毒素甚至能致癌如黃曲霉素少數對人類有益：可被用于食品加工，如豆腐乳、酸奶等第27頁2、食品常見污染微生物糧食：最常見有曲霉、青霉、假單胞菌和黃單胞菌等肉類：芽胞桿菌、梭菌、無芽胞桿菌、球菌、曲霉、毛霉和青霉等魚類：微球菌、變形桿菌、黃桿菌、副溶血弧菌等乳制品：熒光假單胞菌、變形桿菌、大腸桿菌、糞鏈球菌、青霉、酵母菌等第28頁一、微生物在環境中分布（一）微生物在土壤中分布（二）微生物在水體中分布（三）微生物在空氣中分布（四）微生物在食品上分布（五）極端環境中微生物第29頁（五）極端環境中微生物極端微生物：是指能在普通生物不能生存高溫、高壓、高鹽、強酸、強堿、低溫、缺氧等特殊環境條件下存活微生物；多數屬于古細菌在冶金、采礦、石油化工、酶制劑生產、環境保護等領域有主要意義第30頁１、嗜熱微生物嗜熱微生物：最適生長溫度高于65~70℃，最高生長溫度可達110℃生態環境：熱泉(溫度高達100℃)，高強度太陽輻射土壤，巖石表面(高達70℃)，各種堆肥、廄肥等嗜熱生化機制：蛋白質、核酸、類脂含有熱穩定性，存在熱穩定性因子應用：可用于高溫發酵、污水處理；嗜熱細菌耐高溫DNA多聚酶使DNA體外擴增技術（PCR）技術得到突破第31頁第32頁２、嗜冷微生物嗜冷微生物：能在較低溫度下生長，最高生長溫度不超出20℃，能夠在0℃或低于0℃條件下生長生態環境：極地、深海、嚴寒水體、冷凍土壤、陰冷洞穴、保藏食品低溫環境嗜冷生化機制：細胞膜脂組成中有大量不飽和、低熔點脂肪酸應用：研究開發最適反應溫度低酶，如從嗜冷微生物中取得低溫蛋白酶用于洗滌劑，不但能節約能源，而且效果很好第33頁第34頁３、嗜酸微生物嗜酸微生物：生長最適pH在3-4以下，中性條件不能生長微生物生態環境：各種酸礦水、酸熱泉、火山湖、地熱泉等，其優勢菌是無機化能營養硫氧化菌、硫桿菌嗜酸生化機制：細胞壁、細胞膜含有排斥H+，對H+不滲透或把H+從胞內排出機制應用：微生物冶金、生物脫硫第35頁第36頁４、嗜堿微生物嗜堿微生物：普通把最適生長pH在9以上微生物生態環境：碳酸鹽是堿性環境主要起源；肯尼亞瑪格達湖，我國青海湖應用：堿性酶包含蛋白酶(活性pH10.5-12)、淀粉酶(活性pH4.5-11)、果膠酶(活性PHl0.0)、支鏈淀粉酶(活性pH9.0)、纖維素酶(活性pH6-11)，它們被廣泛用于洗滌劑或作其它用途第37頁5、嗜鹽微生物嗜鹽微生物：最適生長鹽濃度為0.5-2.5mol/L，從許多含鹽量較高環境中都能夠分離到這個類群微生物嗜鹽生化機制：細胞含有排出Na+和吸收高濃縮K+能力，以此維持胞內外一樣水活度應用：紫膜是在細胞膜上形成一個特殊紫色物質，吸收光能以質子梯度形式部分儲存起來，并用于合成ATP，許多科學家進行研究探索其作為電子器件和生物芯片可能性第38頁第39頁6、嗜壓微生物嗜壓微生物：需要高壓才能良好生長微生物；耐壓微生物最適生長壓力為正常壓力，但能耐受高壓微生物生態環境：從深海底部1.0l×l08Pa(1000大氣壓)處，分離到嗜壓菌Pseudomonasbathycetes；從油井深部約4.05×107Pa(400大氣壓)處，分離到耐壓硫酸鹽還原菌應用：用于油井下增壓，降低原油黏度，以提升采油率第40頁三、微生物間相互關系（一）中立關系（二）互生關系（三）反抗關系第41頁（一）中立關系中立關系：兩個微生物種群之間在一起彼此沒有影響關系；普通發生在種群之間代謝能力差異極大或微生物總量很小而且代謝活力極低生態環境中如土壤中固氮細菌和硝化細菌第42頁混合發酵將Aspergillusniger（黑曲霉）和Zymomonasmobilis（運動發酵單胞菌）包埋在海藻酸鈉小球中，能夠直接將淀粉漿轉化為乙醇Trichodermaviride（綠色木霉）408.2和Aspergillusoryzae（米曲霉）3.042混合曲能夠提升醬油產率第43頁三、微生物間相互關系（一）中立關系（二）互生關系（三）反抗關系第44頁（二）互生關系互生關系：兩個微生物種群之間在一起，雙方都有利或一方對另一方有利關系，包含以下幾個：偏利作用：一個種群因另一個群存在或生命活動而得利，而后者沒有從前者受益或受害協同作用：相互作用兩種種群相互有利，二者之間是一個非專性渙散聯合互惠共生：相互作用兩種種群相互有利，二者之間是一個專性和緊密聯合，而且形成一個共生體第45頁偏利作用：貝氏硫細菌氧化H2S可解除對H2S敏感細菌毒性H2S硫酸鹽硫酸鹽還原菌綠硫細菌第46頁乙酸光照硫酸鹽還原細菌細胞底物光合細菌細胞底物SH2SCO2CO2協同作用：硫酸鹽還原細菌與綠色光合細菌第47頁互惠共生：囊衣屬(pgtsucia)地衣縱切面—藻類和真菌形成共生體第48頁互惠共生：根瘤菌和豆科植物第49頁三、微生物間相互關系（一）中立關系（二）互生關系（三）反抗關系第50頁（三）反抗關系反抗關系：兩個微生物種群之間在一起，一方對另一方有害或對雙方都有害關系，包含以下幾個：競爭：兩種微生物爭奪養料或雙方均需要其它生活條件寄生：一個微生物在另一個微生物體內或體表生活，并從中奪取養料，引發病害或死亡捕食：一個微生物直接吞食另一個微生物現象拮抗：一個微生物經過產生特殊代謝物質或改變環境來抑制或殺死另一個微生物現象第51頁寄生：噬菌體侵入細菌電鏡照片第52頁捕食：食線蟲真菌捕食線蟲實物照片第53頁拮抗：放線菌菌絲塊對黃瓜枯萎病菌拮抗作用第54頁第八章微生物生態

（4課時）第一節微生物在環境中分布（2課時）第二節微生物在物質循環中作用（2課時）第55頁第二節微生物在物質循環中作用一、碳素生物循環二、氮素生物循環三、其它化學元素生物循環第56頁物質循環物質循環：即生物地球化學循環(biogeochemicalcycle)，它是物質在生物與非生物之間重復交換和運轉過程物質循環包含化學元素有機質化，即生物合成作用和有機物質無機質化，即礦化作用第57頁一、碳素生物循環（一）碳素生物循環概念（二）微生物分解有機質普通路徑（三）微生物對天然有機質分解第58頁（一）碳素生物循環概念碳素主要存在形式：碳是組成生物體主要元素，占生物量25%；①CO2；②碳酸鹽類；③各種天然有機物碳素生物循環（carboncycle）

：自然界最基本物質循環；以上三種形態碳素物質，在自然界各生物作用下，不停地相互轉化第59頁第60頁一、碳素生物循環（一）碳素生物循環概念（二）微生物分解有機質普通路徑（三）微生物對天然有機質分解第61頁（二）微生物分解有機質普通路徑復雜有機物分解為簡單有機物：微生物經過其分泌于細胞外胞外酶類使基質分解成簡單可溶性有機物，而后吸入體內加以利用簡單有機物有氧分解：簡單有機物在有氧呼吸過程中，經過一系列氧化反應（磷酸化、水解、脫氫、氧化、脫羧等），被徹底氧化成CO2和H2O簡單有機物無氧分解：在缺氧環境中，簡單有機物經過酒精發酵、乳酸發酵、丁酸發酵等發酵作用，生成不完全氧化和還原態產物，包含有機酸類、醇類、醛類、酮類等第62頁第63頁一、碳素生物循環（一）碳素生物循環概念（二）微生物分解有機質普通路徑（三）微生物對天然有機質分解第64頁（三）微生物對天然有機質分解天然有機質：纖維素、半纖維素、果膠、淀粉、脂質、木質素、芳香族物質、烴類等微生物對天然有機質分解：天然有機質都能被微生物分解利用，只是發生作用菌種不一樣，條件各異，其中包含一系列復雜生化反應，有各種酶類參加第65頁1、微生物分解纖維素纖維素（cellulose）：植物細胞壁主要成份；是自然界中最豐富、分布最廣天然碳水化合物，占地球總生物量40%；棉紡印染廢水、造紙廢水、人造纖維廢水及城市垃圾等，其中均含有大量纖維素，是數量最大一類環境污染物纖維素酶：降解纖維素β-1，4-葡萄糖苷鍵酶總稱；是一個誘導酶纖維素降解微生物：能產生纖維素酶，將纖維素逐步降解成可利用物質微生物總稱第66頁（1）纖維素分子結構結構：是葡萄糖高分子縮聚物，分子量介于50000~400000之間；含有300~2500個葡萄糖分子，以β-1,4-糖苷鍵結合形成線形長鏈分子性質：不溶于水，在環境中比較穩定；只有在產生纖維素酶微生物作用下，才被分解成簡單糖類第67頁（2）纖維素酶類群C1酶：水解未經降解天然纖維素，對部分降解多糖或寡糖極少作用或沒有作用β-1,4-葡聚糖酶：又稱Cx酶，它不能水解天然纖維素，只能切割部分降解多糖；包含內切酶和外切酶；前者任意切割葡萄糖單位，普通產生纖維二糖，不一樣大小寡糖，有時也產生葡萄糖；后者從一端開始切割，每次切下兩個葡萄糖單位，普通產物為纖維二糖β-葡萄糖苷酶：水解纖維二糖、纖維三糖及低相對分子質量寡糖成為葡萄糖第68頁E1：C1酶E2：β-1,4-葡聚糖酶E3：

β-葡萄糖苷酶第69頁（3）纖維素降解微生物種類好氧細菌：嗜纖維菌、纖維弧菌、纖維單胞菌等厭氧細菌：梭狀芽孢桿菌等放線菌：諾卡氏菌、小單胞菌、鏈霉菌等真菌：青霉、曲霉、鐮刀霉、木霉、毛霉等第70頁2、微生物分解半纖維素半纖維素（hemicellulose）：在植物組織中含量很高，僅次于纖維素，約占25%~40%；細菌和真菌胞壁中也含；大量半纖維素進入土壤與水體，是環境微生物主要能源和碳源半纖維素酶：降解半纖維素葡萄糖苷鍵酶總稱；聚糖酶現有結構酶，也有誘導酶；它們對底物有一定專一性，并常以其底物命名半纖維素降解微生物：能產生半纖維素酶，將半纖維素逐步降解成可利用物質微生物總稱第71頁（1）半纖維素分子結構結構：各種五碳糖、六碳糖及糖醛酸組成大分子聚合物；可分為同聚糖（僅含一個單糖如木聚糖、半乳聚糖、甘露聚糖等）和異聚糖（有各種單糖或糖醛酸同時存在）兩類；許多半纖維素結構至今還未探明性質：微生物對半纖維素分解速度比纖維素快第72頁（2）半纖維素酶類群內切酶：能任意切割半纖維素基本結構單元之間聯結鍵，將大分子破碎成不一樣大小片段外切酶：能從半纖維素一端開始，依次切下一個單糖或二糖，經內切酶水解后，半纖維素可出現很多末端，有利于外切酶深入作用糖苷酶：它作用是水解寡糖或二糖，產生單糖或糖醛酸第73頁（3）半纖維素降解微生物種類細菌：芽孢桿菌屬一些種能夠分解甘露聚糖、半乳聚糖和木聚糖放線菌：鏈孢霉屬一些種能夠利用甘露聚糖、木聚糖真菌：木霉、鐮孢霉、曲霉、青霉、交鏈孢霉等屬一些種可分解阿拉伯木聚糖和阿拉伯膠等第74頁3、微生物分解果膠質果膠質（pectin）：是植物毗鄰細胞之間胞間層組分，占植物體干重15%~30%果膠質酶：降解連接果膠質α-1，4-糖苷鍵酶總稱果膠質降解微生物：能產生果膠質酶，將果膠質逐步降解成可利用物質微生物總稱第75頁（1）果膠質分子結構結構：由D-半乳糖醛酸經過α-1，4-糖苷鍵連接直鏈組成高分子聚合物；鏈上羧基可部分或全部被甲醇酯化，也可部分或全部與陽離子結合不含甲基酯果膠質稱為果膠酸，含甲基酯果膠質稱果膠酯；后者可深入與鈣離子結合成不溶于水原果膠，植物體內原果膠常與多縮戊糖結合第76頁（2）果膠質酶類群果膠質酯酶：水解甲基酯鍵，使果膠酯轉化為果膠酸和甲醇；這一反應雖不能使果膠質徹底分解，但為隨即分解創造了條件果膠質水解酶：能水解α-1，4-糖苷鍵，可分為兩種；①聚甲基酯半乳糖醛酶，產物是D-甲基酯半乳糖醛單元及其寡聚體；②聚半乳糖醛酸酶，產物則是D-半乳糖醛酸單元及其寡聚體果膠質裂解酶：將果膠質裂解為變態半乳糖醛酸單元，也可分為兩種；①果膠酯裂解酶；②果膠酸裂解酶第77頁（3）果膠質降解微生物種類細菌：好氧性細菌以芽孢桿菌居多，如枯草芽孢桿菌、多粘芽孢桿菌、浸軟芽孢桿菌；厭氧性細菌主要有蝕果膠梭菌和費氏梭菌真菌：青霉、曲霉、木霉、枝孢霉、根霉、毛霉等屬一些種第78頁4、其它有機質分解淀粉降解微生物：能產生水解淀粉糖苷鍵酶；包含枯草桿菌、鏈霉菌、曲霉、根霉和毛霉等脂質降解微生物：能產生水解脂質各種酯鍵酶；包含假單胞菌、色桿菌、鏈霉菌、曲霉和青霉等木質素降解微生物：能產生水解木質素醚鍵和碳碳鍵酶；包含假單胞菌、節桿菌、各種擔子菌如多孔菌等烴類降解微生物：能降解各種烴類，如烷烴、烯烴、脂肪烴等；包含棒狀桿菌、分枝桿菌、假絲酵母、小克銀漢霉、鐮刀霉等第79頁二、氮素生物循環（一）氮素生物循環概念（二）微生物轉化氮素物質路徑第80頁（一）氮素生物循環概念氮素主要存在形式：是核酸和蛋白質主要成份，是組成生物體必需元素；①分子態氮（N2）②無機態氮（NH4+，NO3-等）③有機態氮（核酸、蛋白質等）氮素循環（nitrogencycle）：自然界氮素循環是各種元素循環中心；以上三種形態氮素物質，在自然界各生物作用下，不停地相互轉化第81頁第82頁二、氮素生物循環（一）氮素生物循環概念（二）微生物轉化氮素物質路徑第83頁（二）微生物轉化氮素物質路徑N2NH4+NO3-NO2-有機氮氨化作用硝酸鹽同化作用銨鹽同化作用亞硝化作用硝化作用生物固氮反硝化作用第84頁1、氨化作用氨化作用（amonification）：是指含氮有機物經微生物分解產生氨過程，又可稱為有機氮礦化作用生態意義：動植物殘體蛋白質、核酸等含氮有機物，均可經過氨化作用而釋放氨，進入土壤，供植物和微生物吸收利用第85頁2、硝化作用硝化作用（nitrification）：氨態氮經微生物氧化作用而成為硝態氮過程兩個階段：①氨被亞硝化細菌氧化成亞硝酸；②亞硝酸被硝化細菌氧化為硝酸生態意義：是自然界氮素循環中不可缺乏一環；不過硝化作用產物遷移性較強，對植物和微生物有較大毒性，淋洗滲透地下水，可污染地下水源第86頁3、反硝化作用反硝化作用（denitrif