微生物學(xué)教學(xué)課件-第八章微生物的生態(tài)

1、上節(jié)內(nèi)容回顧基因重組的定義轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)及結(jié)合的區(qū)別第八章 微生物的生態(tài)第一節(jié)微生物在自然界中的分布與菌種資源的開(kāi)發(fā)第二節(jié) 微生物與生物環(huán)境間的相互關(guān)系第三節(jié) 微生物與自然界物質(zhì)循環(huán)第四節(jié) 微生物與環(huán)境保護(hù)第一節(jié)微生物在自然界中的分布與菌種資源的開(kāi)發(fā)一 微生物在自然界中的分布二 菌種資源的開(kāi)發(fā)（一）土壤中的微生物 1土壤的生態(tài)條件：營(yíng)養(yǎng)、水分、空氣、酸堿度（大多數(shù)為5.58.5 ）、滲透壓（0.30.6Mpa）和溫度條件都適于微生物的生存,因此土壤是最豐富的“菌種資源庫(kù)”。一、微生物在自然界中的分布 2 土壤中微生物的分布情況：（數(shù)量類(lèi)遞）細(xì)菌放線菌霉菌酵母菌藻類(lèi)原生動(dòng)物107 106 10510

2、4 103102個(gè)/gProportion of different soil microorganisms in soil3 土壤中微生物的含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量直接相關(guān)，可以通過(guò)測(cè)定土壤中微生物量來(lái)反映肥力狀況。表層耕作土中微生物含量最高，耕作層厚度2030cm，地表土受陽(yáng)光直接照射，其中微生物含量較低。采集土樣時(shí)一般要刮開(kāi)表土2 3cm后采樣。我國(guó)各主要土壤的含菌量(萬(wàn)/克干土)土類(lèi)地點(diǎn)細(xì)菌放線菌真菌暗棕壤黑龍江呼瑪2,32761213棕壤遼寧沈陽(yáng)1,2843936黃棕壤江蘇南京1,4062716紅壤浙江杭州1,1031234磚紅壤廣東徐聞5073911磷質(zhì)石灰土西沙群島2,2291,10

3、515黑土黑龍江哈爾濱2,1111,02419黑鈣土黑龍江安達(dá)1,0743192棕鈣土寧夏寧武140114草甸土黑龍江亞溝7,8632923嶁土陜西武功9511,0324白漿土吉林皎河1,598553濱海鹽土江蘇連云港466410.4（二）水體中的微生物1 微生物的來(lái)源：來(lái)自水體、土壤、空氣及動(dòng)物的排泄物等。2 不同水體中微生物的種類(lèi) 自然界江河湖海等各種淡水與咸水水域中都生存著相應(yīng)的微生物。 水域中微生物的種類(lèi)和數(shù)量與水域的有機(jī)物、無(wú)機(jī)物的種類(lèi)和含量、光照、酸堿度、滲透壓、溫度、含氧量和有毒物質(zhì)的含量有密切關(guān)系。 水體微生物分為清水型水生微生物和腐敗型水生微生物；水淡水海水地下水：無(wú)色桿菌、

4、黃桿菌、革蘭氏陽(yáng)性桿菌、微球菌、諾卡氏菌地表水溪水：營(yíng)養(yǎng)少、主要是革蘭氏陰性無(wú)芽孢桿菌、生絲微菌河水：出現(xiàn)假單孢菌、芽孢、腸桿菌、弧菌、螺菌、硫細(xì)菌、微球菌、八疊球菌、諾卡氏菌、鏈球菌、螺旋體等污水生活污水：熒光、綠膿、變形、枯草、陰溝、大腸、糞鏈球菌、病毒和噬菌體生產(chǎn)污水：與所含污物有關(guān)3 飲用水的微生物學(xué)標(biāo)準(zhǔn) 細(xì)菌菌落總數(shù)（CFU）：100個(gè)以下細(xì)菌為正常，超過(guò)500個(gè)即不能飲用。可通過(guò)平板菌落法檢測(cè)飲用水細(xì)菌是否超標(biāo)。 總大腸菌群數(shù)：采用多管發(fā)酵法測(cè)定。在飲用水的微生物安全檢測(cè)中，普遍采用正常的腸道細(xì)菌作為糞便污染指標(biāo)，而不是直接測(cè)定腸道致病菌。總大腸菌群是指一群需氧及兼性厭氧的，在37

5、生長(zhǎng)時(shí)能使乳糖發(fā)酵，在24小時(shí)內(nèi)產(chǎn)酸產(chǎn)氣的革蘭氏陰性無(wú)芽孢桿菌?？偞竽c菌群含量是指每升水樣所含有的總大腸菌群的數(shù)目。水樣中總大腸菌群的含量，表明水被糞便污染的程度，而且間接表明有腸道致病菌存在的可能性。國(guó)標(biāo)值3個(gè)/L。（三） 空氣中的微生物1 空氣微生物的來(lái)源：來(lái)自土壤、水體及人和動(dòng)物體的排泄物等，以微粒、塵埃等形式飄逸到空氣中而造成的（以細(xì)菌、真菌為主）。2 空氣中的環(huán)境條件：無(wú)營(yíng)養(yǎng)和水分、紫外線直射，因此空氣只是微生物的暫存場(chǎng)所。3 存在狀態(tài)：漂浮，短暫停留，以吸附于塵埃微粒上的形式存在?？諝庵械膲m埃顆粒數(shù)與微生物數(shù)量有直接關(guān)系。4 分布：越接近地面的空氣含菌量越高，目前人類(lèi)檢測(cè)到微生物存

6、在的最高處為85km的高空。5 種類(lèi)：球菌、芽孢桿菌、產(chǎn)色素細(xì)菌、真菌孢子6空氣中微生物數(shù)量的測(cè)定：培養(yǎng)皿沉降法、液體阻留法。7 空氣中微生物的殺滅與去除：紫外線照射、甲醛熏蒸、藥物噴霧、過(guò)濾除菌等，常用的過(guò)濾介質(zhì)有棉花、紗布、石棉濾板、活性炭或超細(xì)玻璃纖維過(guò)濾紙等。（四） 工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品中微生物1 工業(yè)產(chǎn)品的霉腐霉變：指由霉菌引起的劣化；腐朽：泛指在好氧條件下，微生物酶解木質(zhì)素和纖維素等物質(zhì)使材料的力學(xué)性質(zhì)嚴(yán)重下降的現(xiàn)象；腐爛：含水量較高的產(chǎn)品經(jīng)細(xì)菌生長(zhǎng)、繁殖后所引起的變軟、發(fā)臭性的劣化；腐蝕：主要指由硫酸鹽還原細(xì)菌、鐵細(xì)菌或硫細(xì)菌引起的金屬材料的侵蝕、破壞性劣化。2 食品上的微生物，產(chǎn)生毒素影

7、響食品質(zhì)量。加入苯甲酸、山梨酸及脫氫醋酸等化學(xué)防腐劑或乳酸鏈球菌素來(lái)抑制腐敗微生物的生長(zhǎng)。食品安全主要檢測(cè)食品中細(xì)菌總數(shù)和總大腸菌群數(shù)等指標(biāo)3農(nóng)產(chǎn)品上的微生物會(huì)產(chǎn)生毒素，尤其是黃曲霉毒素影響其質(zhì)量或是致癌。（五） 極端環(huán)境下的微生物1、嗜熱菌：細(xì)胞內(nèi)酶、蛋白有較高的熱穩(wěn)定性。細(xì)胞膜上具有高熔點(diǎn)的脂肪酸。 tRNA周轉(zhuǎn)率大，GC含量高Taq酶：主要應(yīng)用于PCR技術(shù)中，來(lái)源于嗜熱微生物；多存在于草堆、廄肥、溫泉、堆肥、火山地、地?zé)釁^(qū)等200300（40以下不生長(zhǎng)，7080、7095最適合）2、嗜冷微生物（南北極 -600）細(xì)胞膜中不飽和脂肪酸含量高，世代周期長(zhǎng)3、嗜酸菌：只能在pH 4以下生存，屬

8、于化能自養(yǎng)菌，如硫細(xì)菌，被廣泛應(yīng)用于微生物冶金、生物脫硫。4、嗜堿菌：專(zhuān)性生活在pH10-11的堿性條件下，多為古老的細(xì)菌。嗜堿性微生物產(chǎn)生大量的堿性酶，包括蛋白酶、淀粉酶、果膠酶、纖維素酶等，廣泛應(yīng)用于洗滌劑和其他用途。 5、嗜鹽菌：必須生活在12-30 NaCl中的稱(chēng)為極端嗜鹽菌，細(xì)胞內(nèi)含鹽量大；濃縮鉀離子，排斥鈉離子。酶耐鹽，視紫紅質(zhì)起氫泵作用及排鹽作用 6、嗜壓菌：深海中；生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，4個(gè)月的延滯期，1個(gè)月的對(duì)數(shù)期，穩(wěn)定期一年（六）生物體內(nèi)外的正常菌群1 人體的正常微生物區(qū)系 正常菌群：生活在健康動(dòng)物各部位，數(shù)量大、種類(lèi)較穩(wěn)定且一般是有益無(wú)害的微生物，稱(chēng)為正常菌群。 正常菌群與人體的關(guān)

9、系：一般能維持平衡，菌群內(nèi)部的各種微生物之間也是相互制約而維持相對(duì)穩(wěn)定。正常菌群是相對(duì)的、可變的、有條件的： 機(jī)體防御機(jī)能減弱時(shí)，一部分正常菌群會(huì)成為病原微生物； 正常菌群在非正常部位時(shí)也可引起疾??； 由于外界因素的影響，破壞了各種微生物之間的相互制約關(guān)系，正常菌群也會(huì)引起疾病（菌群失調(diào)癥）。2 無(wú)菌動(dòng)物與悉生生物無(wú)菌動(dòng)物（germ-free animal）：體內(nèi)外檢查不到任何正常菌群的動(dòng)物悉生生物（gnotobiotics）：已經(jīng)人為接種某已知純種微生物的無(wú)菌動(dòng)物3 根際微生物與附生微生物 根際微生物（rhizosphere microorganism）：植物根系經(jīng)常向周?chē)寥婪置诟鞣N外滲物

10、質(zhì)，故根際有大量微生物活動(dòng)。種類(lèi)組成受植物的種類(lèi)和植物發(fā)育階段影響。附生微生物（epibiotic microbe）：指生活在植物體表面，主要借其外滲物質(zhì)或分泌物質(zhì)為營(yíng)養(yǎng)的微生物。葉面微生物是主要的附生微生物。二 菌種資源的開(kāi)發(fā)（一）采集菌樣：了解目標(biāo)菌分布情況、首選樣品是土壤。（二）富集培養(yǎng)：利用加富培養(yǎng)基的原理，將土樣加入到加有某些特殊營(yíng)養(yǎng)物的培養(yǎng)液中，使樣品中少量的能分解利用該營(yíng)養(yǎng)物的微生物大量繁殖，以提高其在群體中的比例，使之便于分離。（三）純種分離：利用選擇性或鑒別性培養(yǎng)基，采用稀釋分離法; （四）性能測(cè)定：采用液體培養(yǎng)，分析發(fā)酵液成分。第二節(jié) 微生物與生物環(huán)境間的相互關(guān)系互生關(guān)系共

11、生關(guān)系寄生關(guān)系拮抗關(guān)系捕食關(guān)系一 互生關(guān)系指兩種可以單獨(dú)生活的生物，當(dāng)它們生活在一起時(shí)，通過(guò)各自的代謝活動(dòng)而有利于對(duì)方或偏利于一方的一種生活方式（一）微生物間的互生關(guān)系自生固氮菌與纖維素分解細(xì)菌氧化乙酸脫硫單胞菌與一種綠硫細(xì)菌 （二）人體腸道正常菌群：（含一定寄生關(guān)系）作用：排阻，抑制外來(lái)致病菌；提供若干維生素；產(chǎn)生若干酶類(lèi)，一定程度的固氮作用（新幾內(nèi)亞人）；產(chǎn)生氣體和糞臭物質(zhì)（三）混菌培養(yǎng)與生產(chǎn)實(shí)踐 許多是純菌株所不能合成而只有混合菌株才能完成的反應(yīng)?；炀囵B(yǎng)比純菌培養(yǎng)作用更快、更有效和更簡(jiǎn)便。 如產(chǎn)甲烷桿菌與產(chǎn)乙酸菌。二 共生關(guān)系 兩種生物共居在一起，相互協(xié)作、相依為命，不能分開(kāi)的一種相互

12、關(guān)系 （一） 微生物間的共生關(guān)系： 真菌和藻類(lèi)共生形成地衣；草履蟲(chóng)與小球藻；厭氧生物處理中的S-菌株和M.O.H（布氏甲烷桿菌）。（二）微生物與植物間的共生關(guān)系 根瘤菌與豆科植物間的共生關(guān)系； 蘭科、杜鵑科與菌根菌；（三）微生物與動(dòng)物間的共生關(guān)系 蟑螂、白蟻與其消化道中的某些原生動(dòng)物； 反芻動(dòng)物與其瘤胃微生物 三 寄生關(guān)系 一種小型生物生活在另一種較大型生物的體內(nèi)或體表，從中取得營(yíng)養(yǎng)和進(jìn)行生產(chǎn)繁殖，同時(shí)使后者蒙受損害甚至被殺死的現(xiàn)象。 （一）微生物間的寄生關(guān)系：噬菌體與細(xì)菌；蛭弧菌與寄生細(xì)菌（二）微生物與動(dòng)、植物間的寄生關(guān)系 真菌中的白粉菌屬等致病菌及煙草花葉病毒等植物病毒與植物； 動(dòng)物病原微

13、生物與動(dòng)物； 四 拮抗關(guān)系 某種生物產(chǎn)生的某種代謝物可抑制他種生物的生長(zhǎng)發(fā)育甚至殺死它們的一種相互關(guān)系。 因某種微生物的生長(zhǎng)而引起的其他條件改變（如缺氧、pH改變）抑制他種生物的現(xiàn)象。 乳酸菌：改變pH，抑制不耐酸細(xì)菌的生長(zhǎng) 產(chǎn)生抗生素的微生物與其他菌株五 捕食關(guān)系一種較大型的生物直接捕捉、吞食另一種小型生物以滿足其營(yíng)養(yǎng)要求的相互關(guān)系原生動(dòng)物與細(xì)菌、真菌等上節(jié)回顧土壤微生物的種群特征及分布特征空氣微生物的檢測(cè)方法和殺滅方法正常菌群、附生微生物的定義資源微生物的篩選過(guò)程互生、共生、寄生的含義第三節(jié) 微生物與自然界物質(zhì)循環(huán) 一 微生物在物質(zhì)循環(huán)中的地位二 碳素循環(huán)三 氮素循環(huán)四 硫素循環(huán)與細(xì)菌瀝濾

14、生物進(jìn)化中，分為單極生態(tài)系統(tǒng)、雙極生態(tài)系統(tǒng)、三極生態(tài)系統(tǒng)單極生態(tài)系統(tǒng)：厭氧的異養(yǎng)生物利用海洋中的有機(jī)物，主要為分解作用。雙極生態(tài)系統(tǒng)：藍(lán)細(xì)菌放氧型光合作用；自養(yǎng)與異養(yǎng)共存；三極生態(tài)系統(tǒng)：真核植物、藍(lán)細(xì)菌生產(chǎn)者和動(dòng)物消費(fèi)者（自養(yǎng)）及細(xì)菌、真菌所構(gòu)成的分解者。一 微生物在物質(zhì)循環(huán)中的地位二 碳素循環(huán) 微生物的作用就是把有機(jī)物中的碳元素盡快礦化和釋放，從而使生物界處于一種良好的碳平衡環(huán)境。 90的二氧化碳是靠微生物的分解作用而形成的。復(fù)雜的有機(jī)化合物（纖維素、半纖維素、淀粉、果膠等）由土壤中的一些特殊的微生物來(lái)分解。 如：真菌木質(zhì)素； 真菌、放線菌、細(xì)菌及原生動(dòng)物纖維素； 真菌、放線菌半纖維素Car

15、bon cycle醇+有機(jī)酸H2+CO2碳、氫、氧元素在自然界中的循環(huán)有氧條件下無(wú)氧條件下光合作用”發(fā)酵作用呼吸作用CO2+H2OO2+ “ CH2O” CH4甲烷產(chǎn)生作用 化石燃料三 氮素循環(huán) 含氮素的化合物：銨鹽、亞硝酸鹽、硝酸鹽、有機(jī)含氮物、氮?dú)狻?1、生物固氮 2、硝化作用 定義：土壤或水體中的氨態(tài)氮經(jīng)化能自養(yǎng)菌的氧化而成為硝酸態(tài)氮的過(guò)程。過(guò)程：兩階段（1）由亞硝化細(xì)菌參與，銨亞硝酸；（2）由硝化細(xì)菌參與，亞硝酸硝酸。 微生物參與的氮素轉(zhuǎn)化有3、硝酸鹽同化作用：NO3-NH4氨基酸蛋白 4、氨化作用：有機(jī)物中的氮（蛋白質(zhì)、尿素）NH3 5、銨鹽同化作用：NH4氨基酸、蛋白及其他 6、異

16、化性硝酸鹽還原作用：NO3-作為呼吸鏈的末端受體，從而被還原為NO2-7、反硝化作用（脫氮作用） NO3-NO2-N2 （使土壤中的氮元素?fù)p失）定義：由硝酸鹽還原成NO2并進(jìn)一步還原成N2的過(guò)程（廣義）。狹義的反硝化作用僅指由亞硝酸還原成N2的過(guò)程。條件：厭氧（淹水的土壤或死水塘中）8、亞硝酸氨化作用 NO2-羥胺NH3四 硫素循環(huán)與金屬瀝濾1、同化性硫酸鹽還原作用：SO42-還原態(tài)的硫（S、H2S）蛋白質(zhì)2、脫硫作用：厭氧條件：蛋白質(zhì)或硫礦H2S好氧條件：H2SS或H2SO4 SH2SO43、異化性硫酸鹽還原作用：H2SO4H2S4、異化性硫還原作用：SH2S細(xì)菌冶金（黃銅礦） 細(xì)菌瀝濾：又

17、稱(chēng)細(xì)菌浸出或細(xì)菌冶金。 利用化能自養(yǎng)的硫化細(xì)菌對(duì)礦物中的硫或硫化物的氧化作用，讓其不斷制造和再生酸性浸礦劑，使所需的金屬不斷地從低品位的礦石中溶解出來(lái)，成為金屬硫酸鹽的溶液，再通過(guò)電動(dòng)序較低的金屬加以置換，也可用離子交換等方法以取得金屬。 第四節(jié) 微生物與環(huán)境保護(hù)一 水體的污染二 用微生物治理污染三 沼氣發(fā)酵與環(huán)境保護(hù)四 用微生物監(jiān)測(cè)環(huán)境污染環(huán)境污染：指生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、機(jī)能受到外來(lái)有害物質(zhì)的影響或破壞，無(wú)法進(jìn)行正常的物質(zhì)循環(huán)。以水污染最為明顯。一 水體污染富營(yíng)養(yǎng)化 富營(yíng)養(yǎng)化：水體中因氮、磷等元素含量過(guò)高而引起水體表層的藍(lán)細(xì)菌和藻類(lèi)過(guò)度生長(zhǎng)繁殖的現(xiàn)象。二 用微生物治理污染污水的微生物處理1 水體

18、的自凈作用： 好氧微生物把有機(jī)物分解為簡(jiǎn)單有機(jī)物和無(wú)機(jī)物，引起溶解氧下降，導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)、原生動(dòng)物等死亡；厭氧微生物大量繁殖，進(jìn)一步分解有機(jī)物，產(chǎn)生CO2、 H2O 、PO43- 、NH3 、H2S等無(wú)機(jī)物。藻類(lèi)利用無(wú)機(jī)物進(jìn)行生長(zhǎng)，釋放氧氣 有機(jī)物進(jìn)一步缺乏及其他條件影響使細(xì)菌死亡，水體恢復(fù)原有水平2 相關(guān)定義1）BOD5（Biological Oxygen demand）：生物需氧量，一種表示水中有機(jī)物含量的間接指標(biāo)。20下，1L污水中所含有機(jī)物（主要是有機(jī)碳源）在進(jìn)行微生物氧化時(shí)，5日內(nèi)所消耗的分子氧的毫克數(shù)（或ppm） 測(cè)定方法：取一定量被測(cè)水樣，用加有磷素營(yíng)養(yǎng)和經(jīng)氧飽和的水稀釋到一定濃度，然

19、后放在密封瓶中，在20恒溫培養(yǎng)5天，測(cè)定水中殘留溶解氧的量。2）COD（Chemical Oxygen demand）即化學(xué)需氧量，使用強(qiáng)氧化劑使1L污水中的有機(jī)物質(zhì)迅速進(jìn)行化學(xué)氧化時(shí)所消耗氧的毫克數(shù)。氧化劑：高錳酸鉀 重鉻酸鉀3）TOD （Total oxygen demand）總需氧量 指污水中能被氧化的物質(zhì)（主要指有機(jī)物）在高溫下燃燒變成穩(wěn)定氧化物所需的氧量。4）DO（dissolved oxygen） 溶氧量，指溶于水的分子態(tài)氧，評(píng)價(jià)水質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。天然水的DO值一般為510mg/L。5）SS（suspend solid）懸浮物含量，指污水中不溶性固態(tài)物質(zhì)的含量 3 用于污水處理的

20、特種微生物 自然界中存在能分解特定污染物的微生物。 分解氰：產(chǎn)生氰水解酶的諾卡氏菌、假單胞菌等； 分解丙烯腈：產(chǎn)生丙烯腈水解酶的珊瑚諾卡氏菌等菌種；4 污水處理的主要裝置（1）節(jié)能型污水處理裝置 氧化塘法：菌藻共生的生態(tài)系統(tǒng)。 有機(jī)物的好氧性分解和厭氧消化；光合作用藻類(lèi)和水生植物進(jìn)行；藻類(lèi)細(xì)胞的消失由各種動(dòng)物完成； 灑水濾床法 將污水通過(guò)由一層石塊及其上附著的生物膜組成的濾床，使污水中的有機(jī)物被生物膜中的各種微生物區(qū)系強(qiáng)烈地吸附，降解、吸收和氧化，從而使污水變清。（2）耗能型污水處理裝置 活性污泥法（生化曝氣法） 活性污泥： 指一種由細(xì)菌、原生動(dòng)物和其他微生物群聚積在一起組成的絮凝團(tuán)，在污水處

21、理中具有很強(qiáng)地吸附、分解和利用有機(jī)物或毒物的能力。細(xì)菌有生枝動(dòng)膠菌、浮游球衣菌等，原生動(dòng)物含有獨(dú)縮蟲(chóng)、蓋纖蟲(chóng)及鐘蟲(chóng)等。 生物膜法 生物膜是指生長(zhǎng)在潮濕、透氣的固體表面上的一層由多種微生物構(gòu)成的粘滑、褐色菌膜，能氧化、分解污水中的有機(jī)物或某些有毒物質(zhì)。生物轉(zhuǎn)盤(pán)（3）產(chǎn)能型污水處理裝置厭氣消化器 厭氧條件下，在氧化降解有機(jī)物的同時(shí)，可以利用乙酸等物質(zhì)產(chǎn)生甲烷。5 固體有機(jī)垃圾的微生物處理 1）好氧堆肥法 利用自然界中微生物及固體殘留的空氣進(jìn)行有機(jī)物降解，之后厭氧微生物進(jìn)一步降解未分解完全的有機(jī)物，最后得到堆肥。2）有機(jī)垃圾生物反應(yīng)器 利用芽孢桿菌在通氣條件下將有機(jī)垃圾中有機(jī)物降解、礦化，剩余物可以投加到農(nóng)田里。三 沼氣發(fā)酵與環(huán)境保護(hù) 沼氣（marsh gas or swamp gas）又稱(chēng)生物氣，混合