微生物生態(tài)學(xué)

關(guān)于微生物生態(tài)學(xué)第1頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一、微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的作用1.微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的角色：（1）生態(tài)系統(tǒng)（ecosystem）：在一定的空間內(nèi)生物的成分和非生物的成分通過(guò)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)互相作用、互相依存而構(gòu)成的一個(gè)生態(tài)學(xué)功能單位（2）生態(tài)平衡：（3）生態(tài)系統(tǒng)中生物的作用：

a.生產(chǎn)者（productor）——植物為主體，從無(wú)機(jī)物合成有機(jī)物

b.消費(fèi)者（consumer）——?jiǎng)游餅橹黧w，利用有機(jī)物進(jìn)行生活，一般不能將有機(jī)物直接分解成有機(jī)物

c.分解者（decomposer）——微生物為主體，分解有機(jī)物成無(wú)機(jī)物第2頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四微生物可以在多個(gè)方面但主要作為分解者而在生態(tài)系統(tǒng)中起重要作用第3頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（4）微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的作用：

a.微生物是有機(jī)物的主要分解者

b.微生物是物質(zhì)循環(huán)中的重要成員

c.微生物是生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)者——光能、化能

d.微生物是物質(zhì)和能量的儲(chǔ)存者

e.微生物是地球生物演化中的先鋒種類(lèi)第4頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.微生物與自然界物質(zhì)循環(huán)生物地球化學(xué)循環(huán)（biogeochemicalcycle）

生物圈中的各種化學(xué)元素，經(jīng)生物化學(xué)作用在生物圈中的轉(zhuǎn)化和運(yùn)動(dòng)。是生物圈的元素來(lái)源生物圈的能量來(lái)源是太陽(yáng)（1）碳循環(huán)（carboncycle）：最重要

無(wú)機(jī)碳植物、動(dòng)物有機(jī)碳

———微生物———

微生物分解的特點(diǎn)：可不需氧；但太多可致溫室效應(yīng)第5頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（2）氮循環(huán)（nitrogencycle）a.生物固氮（biologicalnitrogenfixation）：分自生固氮菌（如海洋中的固氮菌）、共生固氮菌（如根瘤菌）、聯(lián)合固氮菌（如動(dòng)物腸道中的克雷伯菌）b.硝化作用（nitrification）：氨態(tài)氮經(jīng)硝化菌的氧化，轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛釕B(tài)氮的過(guò)程c.同化性硝酸鹽還原作用（assimilatorynitratereduction）：硝酸鹽被生物體還原成銨鹽并進(jìn)一步合成各種含氮有機(jī)物的過(guò)程d.氨化作用（ammonification）：含氮有機(jī)物經(jīng)微生物的分解而產(chǎn)生氨的作用e.銨鹽同化作用（assimilationofammonium）：以銨鹽作營(yíng)養(yǎng)，合成有機(jī)含氮物的作用f.異化性硝酸鹽還原作用（dissimilatorynitratereduction）：硝酸離子充作呼吸鏈（電子傳遞鏈）末端的電子受體而被還原為亞硝酸和銨鹽的作用g.反硝化作用（脫氮作用）（denitrification）：硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮化物的作用，又稱(chēng)呼吸性硝酸鹽還原h(huán).亞硝酸氨化作用：亞硝酸通過(guò)異化性還原經(jīng)羥氨轉(zhuǎn)變成氨的作用。一些氣單胞菌、芽孢桿菌、腸桿菌第6頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（3）硫循環(huán)（sulfurcycle）a.同化性硫酸鹽還原作用：硫酸鹽經(jīng)還原后，最終以巰基形式固定在蛋白質(zhì)等成分中b.脫硫作用（desulfuration）：在無(wú)氧條件下，通過(guò)一些腐敗微生物的作用，把生物體中蛋白質(zhì)等含硫有機(jī)物中的硫分解成硫化氫等含硫氣體的作用c.硫化作用（sulfuroxidation）：即硫的氧化作用。硫化氫等無(wú)機(jī)硫化物被氧化成硫或硫酸的作用。硫桿菌屬、光合厭氧菌d.異化性硫酸鹽還原作用（反硫化作用）：硫酸作為厭氧菌呼吸鏈（電子傳遞鏈）的末端電子受體而被還原為亞硫酸或硫化氫的作用。e.異化性硫還原作用：硫還原成硫化氫的作用。脫硫單胞菌屬第7頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（4）磷循環(huán)（phosphoruscycle）a.不溶性無(wú)機(jī)磷的可溶化b.可溶性無(wú)機(jī)磷的有機(jī)化c.有機(jī)磷的礦化第8頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（5）鐵循環(huán)a.鐵的氧化和沉淀：形成Fe3+b.鐵的還原和溶解：形成Fe2+c.鐵的螯合（6）其它元素的循環(huán)

錳、鈣、硅第9頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、生物之間的相互關(guān)系1.偏利共生（commensalism）：二種生物存在于同一環(huán)境中，對(duì)一種生物的生長(zhǎng)有利，而對(duì)另一種的生長(zhǎng)無(wú)影響。2.互利共生（mutualism）：二種生物在同一環(huán)境中彼此能促進(jìn)生長(zhǎng)。如根瘤菌與豆科植物，瘤胃微生物與反芻動(dòng)物3.拮抗（antagonism）：一種生物影響另一種生物生長(zhǎng)的現(xiàn)象。霉菌抑制細(xì)菌生長(zhǎng)；好氧菌與厭氧菌共同生長(zhǎng)時(shí)4.競(jìng)爭(zhēng)（competition）：兩種以上的生物生活在同一環(huán)境中，由于它們需要攝取共同營(yíng)養(yǎng)，使一方或雙方的生長(zhǎng)受到限制。優(yōu)勢(shì)菌5.寄生（parasitism）：一種生物生活在另一種生物的體內(nèi)或體表，分專(zhuān)性寄生和兼性寄生?？芍虏』蛴糜谏锓乐?.捕食（predation）：一種生物被另一種生物完全吞食第10頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)為本來(lái)在平板上不能生長(zhǎng)的嗜血流感菌提供生長(zhǎng)因子，后者在其菌苔周?chē)纬尚l(wèi)星菌落。第11頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四本來(lái)不能在含青霉素的平板上生長(zhǎng)的受體菌在轉(zhuǎn)化子（含有Ampr質(zhì)粒）周?chē)纬尚l(wèi)星菌落（b-內(nèi)酰胺酶分泌到胞外所致）第12頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四根瘤菌與豆科植物間的共生------形成根瘤共生體根瘤菌固定大氣中的氣態(tài)氮為植物提供氮素養(yǎng)料豆科植物的根的分泌物能刺激根瘤菌的生長(zhǎng)，同時(shí)，還為根瘤菌提供保護(hù)和穩(wěn)定的生長(zhǎng)條件。第13頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三、水中的微生物1.來(lái)源（1）土壤：主要（2）空氣：經(jīng)雨雪（3）水生生物：2.種類(lèi)需氧菌、噬鹽菌（海洋）、厭氧菌（底部）、腸道病毒、藻類(lèi)第14頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.影響存活的因素（1）pH（2）無(wú)機(jī)鹽濃度：滲透壓（3）有機(jī)物：水的富營(yíng)養(yǎng)化（4）濁度（5）氧氣（6）溫度第15頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.評(píng)價(jià)指標(biāo)（1）大腸菌群數(shù)：是微生物污染的指標(biāo)

埃希桿菌屬、檸檬酸桿菌屬、腸桿菌屬、克雷伯桿菌屬——需氧或兼性厭氧的、革蘭陰性無(wú)芽孢桿菌在動(dòng)物糞便中普遍存在且數(shù)量甚多；在水中的存活時(shí)間長(zhǎng)但不繁殖；對(duì)外界的抵抗力與致病菌相似；檢測(cè)方法比較簡(jiǎn)便飲用水中，大腸菌群數(shù)≤3/升水（2）糞鏈球菌數(shù)：是人及溫血?jiǎng)游锬c道內(nèi)的正常菌群，是糞便污染的指標(biāo)

飲用水中不得檢出另：細(xì)菌總數(shù)<100/毫升水第16頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四四、土壤中的微生物1.種類(lèi)極其豐富（1）自養(yǎng)菌：碳化菌、硝化菌、硫化菌、鐵細(xì)菌（2）異養(yǎng)菌：腐生菌、固氮菌、氨化菌（3）致?。ㄑ挎撸┚海?）放線(xiàn)菌：抗生素的重要來(lái)源（5）真菌：以菌絲體和孢子的形式存在（6）藻類(lèi)：硅藻、綠藻（7）病毒：腸道病毒為主，還有噬菌體2.作用：作為分解者參與物質(zhì)循環(huán)第17頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.

來(lái)源（1）動(dòng)物排泄物及尸體（2）污水：灌溉、滲入（3）固體廢棄物4.分布特點(diǎn)（1）土壤微生物的數(shù)量和分布主要受到營(yíng)養(yǎng)物、含水量、氧、溫度、pH等因子的影響，并隨土壤類(lèi)型的不同而有很大變化（2）土壤微生物的數(shù)量和分布受季節(jié)影響（3）微生物的數(shù)量也與土層的深度有關(guān)，一般土壤表層微生物最多，隨著土層的加深，微生物的數(shù)量逐步減少。第18頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四五、空氣中的微生物1.種類(lèi)：細(xì)菌、真菌孢子、呼吸道病毒、支原體、衣原體、立克次體、塵螨等，均非原生2.來(lái)源：主要是動(dòng)物的活動(dòng)，真菌孢子可直接釋放，水、土壤也可3.存活：和塵埃大小、空氣流速、濕度、光照等因素有關(guān)4.危害：可以說(shuō)是有百害而無(wú)一利（1）引起呼吸道傳染?。?）污染食品，使其發(fā)霉、腐敗變質(zhì)、產(chǎn)生毒素（3）引起過(guò)敏反應(yīng)（4）引起真菌病注意無(wú)菌操作第19頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.

微生物在空氣中的傳播方式（1）塵埃（dust）：固體（2）飛沫（droplet）：液體，來(lái)源于咳嗽、噴嚏，尤其是后者（3）飛沫核（dropletnuclei）：飛沫蒸發(fā)后，大多直徑1~2μm，

存活時(shí)間與抵抗力有關(guān)第20頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四噴嚏和咳嗽所產(chǎn)生的飛沫大小顆粒的直徑（μm）

顆粒的噴嚏數(shù)量咳嗽<1800000660001~686000213002~10100028004~160007008~15160038總數(shù)160460090838第21頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四不同大小的飛沫在空氣中的沉降速度飛沫直徑（μm）沉降速度（英尺/小時(shí)）10.3621.44591036509001003600第22頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四5.微生物氣溶膠（aerosol）的概念以固體或液體微小顆粒（分散相）分散于空氣（分散介質(zhì)）中的分散體系。分凝集性氣溶膠和分散性氣溶膠，直徑<10μm

可利用此特性，制備微生物氣溶膠實(shí)現(xiàn)群體免疫第23頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四不同直徑氣溶膠到達(dá)呼吸道部位氣溶膠直徑（μm）到達(dá)部位>5鼻腔4~5支氣管1~4肺泡<1隨呼吸自由進(jìn)出肺泡第24頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四六、極端環(huán)境下的微生物從一般噬到極端噬不等1.噬熱微生物（thermophiles）：如PCR用Taq酶2.噬冷微生物（psychrophiles）：可引起冰箱冷藏食品變質(zhì)3.噬酸微生物（acidophiles）：常同時(shí)噬熱，多用于微生物冶煉4.噬堿微生物（alkalinophiles）：可用于洗滌劑5.噬鹽微生物（halophiles）：海洋、鹽湖6.噬壓微生物（barophiles）：洋底、地心，均為厭氧菌第25頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四七、微生物與環(huán)境保護(hù)1.微生物對(duì)污染物的降解與轉(zhuǎn)化（1）生物降解（biodegradation）（2）降解性質(zhì)粒（catabolicplasmid）（3）降解反應(yīng)和生物降解性

降解反應(yīng)包括氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、水解反應(yīng)、聚合反應(yīng)生物降解性的大小與污染物的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)2.重金屬的轉(zhuǎn)化

微生物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)化可降低也可增強(qiáng)其毒性第26頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.水的富營(yíng)養(yǎng)化（eutrophication）問(wèn)題（1）定義：水體中因氮、磷等元素的含量過(guò)高引起水體表面的藍(lán)細(xì)菌和藻類(lèi)過(guò)度生長(zhǎng)繁殖的現(xiàn)象（2）內(nèi)容：

a.水華（waterbloom）：發(fā)生在淡水水體（江、河、湖、池等）中的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象

b.赤潮（redtide）：發(fā)生在河口、港灣、淺海等咸水水體的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象第27頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第28頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.

環(huán)境污染物的微生物處理（1）污水的微生物處理

a.好氧處理：活性污泥法（activatedsludge）：由活細(xì)菌、原生動(dòng)物和其它微生物群聚集在一起組成的凝聚團(tuán)，在污水中有很強(qiáng)的吸附、分解有機(jī)物和毒物的能力生物膜法（biofilm）：生長(zhǎng)在潮濕、通氣的固體表面上的一層由多種活微生物構(gòu)成的黏滑、暗色菌膜，能氧化、分解污水中的有機(jī)物及某些有毒物質(zhì)。包括生物濾池法、生物轉(zhuǎn)盤(pán)法

b.厭氧處理：沼氣池

c.生態(tài)工程處理：氧化塘第29頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（2）固體廢棄物的微生物處理

a.好氧堆肥

b.沼氣（marshgas）發(fā)酵：又稱(chēng)甲烷形成（methanogenesis）過(guò)程：先將有機(jī)物水解成各種有機(jī)酸，再進(jìn)一步分解為乙酸、H2、CO2，產(chǎn)甲烷菌在厭氧條件下利用H2、CO2形成甲烷分解產(chǎn)酸產(chǎn)氣（三步）第30頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四八、環(huán)境污染的微生物監(jiān)測(cè)1.水污染：大腸菌群數(shù)、糞鏈（腸）球菌數(shù)、細(xì)菌總數(shù)2.土壤污染：細(xì)菌總數(shù)、大腸菌群數(shù)、產(chǎn)氣莢膜桿菌值3.空氣污染：細(xì)菌總數(shù)、綠色和溶血性鏈球菌數(shù)4.環(huán)境致突變物：Ames試驗(yàn)（鼠傷寒沙門(mén)菌組氨酸營(yíng)養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變）第31頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四微生態(tài)學(xué)

（Microecology）

研究生物體微環(huán)境內(nèi)正常微生物群的分布及其與宿主相互關(guān)系的科學(xué)

1977年德國(guó)VolkerRush

首先提出第32頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一、正常菌群（normalflora）1.正常菌群的概念：生活在健康生物（主要為動(dòng)物）各部位大量的、種類(lèi)較穩(wěn)定的、一般對(duì)宿主無(wú)害甚至有益的微生物種群2.正常菌群的分布：消化道、口腔、皮膚、呼吸道、泌尿生殖道3.正常菌群的建立：出生后接觸外界環(huán)境即可獲得第33頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.正常菌群的影響因素（1）宿主的因素

a.年齡：老年少于青少年

b.免疫反應(yīng)：正常菌群免疫耐受

c.pH：

d.腸蠕動(dòng)：能防止微生物在小腸中上部的群集

e.代謝：小腸結(jié)合型膽酸可抑制許多非土著菌，大腸游離型膽酸可抑制絕大多數(shù)菌

f.酶：唾液中含溶菌酶

g.疾病：改變?cè)姓＞?，改變微生態(tài)平衡第34頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（2）飲食和環(huán)境的因素

a.飲食：促進(jìn)正常菌群生長(zhǎng)的成分

b.地理環(huán)境：與飲食、氣候有關(guān)

c.氣候：溫度、濕度的影響

d.氣壓：

e.藥物和其它治療：濫用抗生素導(dǎo)致菌群失調(diào)

f.菌群間的相互影響：共棲、共生、抑制、競(jìng)爭(zhēng)、寄生、捕食如：“衛(wèi)星現(xiàn)象”；需氧菌與厭氧菌；細(xì)菌素第35頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四5.正常菌群的意義和作用（1）維持宿主組織、器官的正常結(jié)構(gòu)和功能：是宿主內(nèi)環(huán)境的重要組成部分（2）自然菌膜：是非特異性的局部保護(hù)膜（3）非特異性免疫作用：抑制致病菌的生長(zhǎng)（4）合成維生素：動(dòng)物腸道菌能合成維生素K、B2，生物素，葉酸等（5）拮抗外襲菌群的作用：通過(guò)降低pH，降低氧化還原電勢(shì)，競(jìng)爭(zhēng)養(yǎng)料和空間位置及產(chǎn)生抗菌物質(zhì)第36頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（6）對(duì)宿主新陳代謝的影響：

a.干擾腸內(nèi)糖的吸收

b.分解膽酸

c.把膽固醇轉(zhuǎn)換為甾醇

d.分解產(chǎn)氨和胺

e.轉(zhuǎn)變膽紅素為尿膽素和糞膽素

f.改變宿主消化酶的活性

g.影響維生素的吸收第37頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、菌群失調(diào)1.菌群失調(diào)的概念：在外界因素的作用下，某些微生物過(guò)量繁殖，使生物體內(nèi)原有的菌群平衡被破壞（1）群集：原存在于體內(nèi)的條件致病菌或進(jìn)入機(jī)體的外來(lái)微生物在常住正常菌群中出現(xiàn)并增殖（2）二重感染：在抗生素治療原有感染性疾病的過(guò)程中產(chǎn)生一種從微生物學(xué)及臨床上證實(shí)的新感染（3）重復(fù)感染：從微生物學(xué)及臨床上證實(shí)的與抗生素治療無(wú)關(guān)的體內(nèi)新感染，是在原有感染性疾病基礎(chǔ)上并發(fā)的感染二重感染與重復(fù)感染的先決條件是有條件致病菌的群集第38頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.

抗生素與菌群失調(diào)（1）抗生素導(dǎo)致菌群失調(diào)：抗生素是引起菌群失調(diào)的重要誘因，而耐藥菌的群集又促進(jìn)菌群的失調(diào)（2）群集菌落的來(lái)源

a.原有存在于宿主體內(nèi)的少量微生物，正常情況下被其它細(xì)菌抑制

b.體內(nèi)原對(duì)藥物敏感的菌株獲得了耐藥性變異

c.由外部進(jìn)入體內(nèi)的微生物：正常情況下為一過(guò)性第39頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（3）抗生素導(dǎo)致菌群失調(diào)的機(jī)理

a.抗生素選擇性地消除正常菌群中的抑制菌

b.抗生素直接促進(jìn)條件致病菌的增殖

c.抗生素增強(qiáng)條件致病菌的毒力（4）群集與二重感染的常見(jiàn)微生物

耐藥性金葡菌、綠膿桿菌、厭氧菌（如類(lèi)桿菌）、深部真菌3.原有疾病與菌群失調(diào)菌群失調(diào)機(jī)體抵抗力低下二重感染較易發(fā)生在原有感染病灶的組織器官，也可發(fā)生在與原有感染不同甚至原屬無(wú)菌的組織器官

第40頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.菌群失調(diào)的防治原則（1）不濫用抗生素（2）微生態(tài)制劑治療第41頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三、條件致病菌（opportunistic