第七章微生物的生態(tài)

第七章微生物的生態(tài)在一定的空間內(nèi)生物的成分和非生物的成分經(jīng)過物質(zhì)循環(huán)和能量流動相互作用、相互依存而構(gòu)成的一個生態(tài)學功能單位。生態(tài)系統(tǒng)：生態(tài)學：研討生物與其周圍生物和非生物環(huán)境之間相互關(guān)系的一門科學。微生物生態(tài)學：研討微生物與其周圍生物和非生物環(huán)境之間相互關(guān)系。各種環(huán)境中的微生物的種類、分布；微生物和其它生物的關(guān)系；微生物與物質(zhì)循環(huán)；生態(tài)學研討范圍：生物圈〔biosphere〕、生態(tài)系統(tǒng)〔ecosystem〕、群落〔community〕、種群〔population〕。研討意義：實際：地球進化和生物進化緣由實際：開發(fā)菌種資源、防治有害微生物、新的微生物農(nóng)藥、菌肥、醫(yī)藥、混菌發(fā)酵、生態(tài)農(nóng)業(yè)，促進探礦、冶金、環(huán)保、提高土壤肥力以及開發(fā)生物能等幾個概念生物圈：地球上的一切生物。生態(tài)系統(tǒng)：生物群落與其無機環(huán)境相結(jié)合、相作用、相調(diào)控而成的動態(tài)系統(tǒng)。群落：同一環(huán)境中兩個以上種群由于生活繁衍上的連鎖而構(gòu)成相依賴、相制約的生物集團。種群：生活在同一環(huán)境中的同種個體組成的能繁衍集團。與同種別地的種群有隔離、有界限。微生物的特點：個體微小、代謝營養(yǎng)類型多樣，順應(yīng)才干強微生物在自然界中分布廣泛微生物的分布生境的特征微生物的分布是生境各種物理、化學、生物要素對微生物的限制、選擇的結(jié)果。在某些生境中，高度專注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.微生物在自然界中的分布與菌種資源土壤中的微生物土壤中的環(huán)境條件：營養(yǎng)、水分、空氣、酸堿度、浸透壓和溫度條件都適于微生物的生活，是微生物的大本營、也是人類最豐富的“菌種資源庫〞。土壤中微生物的數(shù)量：按種類遞減細菌——放線菌——霉菌——酵母菌——藻類——原生動物~108 ~107 ~106 ~105 ~104 ~103個/g耕作土壤中，細菌濕重約90~225kg；以土壤有機質(zhì)含量為2%計算，那么所含細菌干重約為土壤有機質(zhì)的1%左右。土壤微生物的代謝活動，可改動土壤的理化性質(zhì)，進展物質(zhì)轉(zhuǎn)化，因此，土壤微生物是構(gòu)成土壤肥力的重要要素。假設(shè)按生物量計算那么各種微生物的生物量根本相當。1.1微生物在自然界中的分布土壤中微生物的含量土壤中微生物的含量與土壤有機質(zhì)含量有直接關(guān)系。表層耕作土中含量最高，耕作層厚度20-30cm，地表土受陽光直接照射，其中微生物含量較低。采取土樣時普通要刮開表土2~3cm后采樣。水中的微生物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和數(shù)量與水域的有機物、無機物的種類和含量，光照、酸堿度、浸透壓、溫度、含氧量和有毒物質(zhì)的含量有親密關(guān)系。各種水系：水淡水海水地下水：無色桿菌、黃桿菌、革蘭氏陽性桿菌、微球菌、諾卡氏菌地表水溪水：營養(yǎng)少、主要是革蘭氏陰性無芽孢桿菌、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、病毒和噬菌體消費污水：與所含污物有關(guān)海水平均含鹽量：3.5%，密度大、浸透壓高、冰點低微生物組成：多數(shù)為革蘭氏陰性菌、多嗜鹽、河口處有耐鹽菌，嗜鹽菌：低嗜鹽菌，適于生活在鹽濃度2-5%； 中等嗜鹽菌，適于生活在鹽濃度5-20%； 高嗜鹽菌：適于生活在鹽濃度20~30%形態(tài)：多有鞭毛，常見多形性、可變?yōu)榍蛐巍⒒⌒?、絲狀及螺旋狀，個體?。簧恚杭嫘詤捬?，生長慢，能在低營養(yǎng)下生活，常產(chǎn)色素，分解蛋白質(zhì)才干強，解糖才干低，多嗜冷，對熱敏感；分布：不均勻，與水深成反比， 0-10米——少 10-50米——呈上升變化 50米以下數(shù)量減少 海底堆積物上——多常見菌種：假單孢菌、弧菌、螺菌、無色桿菌、黃桿菌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(yǎng)化藻類等過量生長，產(chǎn)生大量的有機物異養(yǎng)微生物氧化這些有機物，耗盡水中的氧，使厭氧菌開場大量生長和代謝分解含硫化合物，產(chǎn)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(xiàn)大量沉淀物和異常顏色☆水體的富營養(yǎng)化作用和“水花〞、“赤潮〞上述過程又稱富營養(yǎng)化作用，它是水體遭到污染并使水體本身的正常生態(tài)失去平衡的結(jié)果?！八è暬颉八A〞〔waterbloom〕：藻類〔主要是微藻〕的大量繁衍使水體出現(xiàn)顏色，并變得渾濁，許多藻類團塊漂浮在水面上構(gòu)成。赤潮或紅潮〔redtides〕：在海洋中，某些甲藻類大量繁衍也可也可以構(gòu)成水花，從而使海水出現(xiàn)紅色或褐色。引起水體富營養(yǎng)化的藻類除經(jīng)過耗費水中的氧氣危害養(yǎng)殖業(yè)外，很多藻類還能產(chǎn)生各種毒素，使動物得病或死亡，因此由于富營養(yǎng)化作用致死的魚等水產(chǎn)品不能食用空氣中的微生物空氣中的環(huán)境條件：無營養(yǎng)和水分、紫外線直射存在形狀：漂浮，短暫停留，以吸附于塵埃微粒上的方式存在?？諝庵械膲m埃顆粒數(shù)與微生物數(shù)量有直接關(guān)系。分布：越接近地面的空氣含菌量越高，目前人類檢測到微生物存在的最高處為85km的高空。種類：球菌、芽孢桿菌、產(chǎn)色素細菌、真菌孢子空氣中微生物數(shù)量的測定：培育皿沉降法、液體阻留法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、過濾除菌等，常用的過濾介質(zhì)有棉花、紗布、石棉濾板、活性炭或超細玻璃纖維過濾紙等。工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品上的微生物◆微生物引起的工業(yè)產(chǎn)品的霉腐大量工業(yè)制品都是用用動植物產(chǎn)品作原料來制造的纖維制品、木制品、革制品、橡膠制品、油漆、卷煙、化裝品等有些工業(yè)產(chǎn)品如塑料、建筑涂料等也有很多微生物可以分解、利用光學儀器上的鏡頭，建筑泥漿、鋼纜、地下管道、金屬材料等，各種電訊器材、文物、書畫等也可被多種特殊微生物所破壞。微生物在各類工業(yè)產(chǎn)品上的生長所呵斥的產(chǎn)品的霉腐給人類呵斥了宏大的損失!而另一方面，有時也努力想開發(fā)并推行運用可被微生物降解的產(chǎn)品，或利用微生物的降解特性。---------生物可降解塑料---------開發(fā)、利用纖維素〔能源、飼料〕---------苧麻脫膠◆食品、農(nóng)副產(chǎn)品上的微生物很多微生物在食品、農(nóng)產(chǎn)品上生長后會產(chǎn)生對人有害的毒素；肉毒毒素、黃曲霉素等不利影響：由于微生物的生長繁衍而腐爛、蛻變，不能再食用或運用；病原微生物進入人體的重要途徑，引起傳染性疾?。焕锰囟ǖ奈⑸镏苽滹L味食品，如醬制品、米酒、腌酸菜等；有利影響：極端環(huán)境下的微生物1、嗜熱微生物2、嗜冷微生物3、嗜酸微生物4、嗜堿微生物5、嗜鹽微生物6、嗜壓微生物極端環(huán)境下的微生物研討意義：(1)開發(fā)利用新的微生物資源，包括特異性的基因資源；(2)為微生物生理、遺傳和分類乃至生命科學及相關(guān)學科許多領(lǐng)域，如：功能基因組學、生物電子器材等的研討提供新的課題和資料；(3)為生物進化、生命來源的研討提供新的資料。不可培育的微生物從環(huán)境中直接分別并克隆rRNA并分析其序列和在分子進化樹上的位置等方法而發(fā)現(xiàn)的的目前尚不能在人工條件下獲得培育的微生物。不可培育微生物〔unculturedmicroorganisms〕利用特異性rRNA探針進展熒光原位雜交〔Fluorescenceinsituhybridization,FISH〕，或進展原位PCR〔InSituPCR〕后再進展熒光原位雜交的技術(shù)對環(huán)境中的這些不可培育微生物進展定位、計數(shù)和進展形狀察看。不可培育的微生物研討意義：生物多樣性和系統(tǒng)發(fā)生的多樣性〔BiodiversityandPhylogeneticdiversity〕微生物生態(tài)學的研討提出新的要求尋覓新的致病微生物從不可培育微生物中尋覓新的基因、新的蛋白據(jù)報道，美國recombianantbiocatalysisInc公司目前已從不可培育微生物中獲得了約300個與工業(yè)消費相關(guān)的新蛋白1.2菌種資源的開發(fā)工業(yè)發(fā)酵產(chǎn)物的性質(zhì)：菌體物質(zhì)消費分解酶類消費主流代謝產(chǎn)物、次生代謝產(chǎn)物或生物合成產(chǎn)物菌種挑選的普通原那么和根本步驟：采集菌樣：了解目的菌分布情況、首選樣品是土壤富集培育：利用選擇性培育基的原理，向所采土樣中參與某些特殊營養(yǎng)物，并發(fā)明一些有利于待分別對象生長的條件，使樣品中少量的能分解利用該營養(yǎng)物的微生物大量繁衍，以提高其在群體中的比例，使之便于分別。純種分別性能測定采取土壤樣品要思索的幾個問題土質(zhì)肥，微生物含量高，特別肥沃的土壤中細菌多，放線菌少；在植物殘體枯枝落葉下的土壤中較多含有拮抗性真菌。離地面5-20cm處的土壤通氣良好、不受陽光直射，喊菌量最高。采土季節(jié)以春秋兩季最好。采土方法：選擇適當?shù)攸c、根除表土、取土樣數(shù)十克，盛入事先預備的無菌防水紙袋中，其上記錄采土時間、地點、植被情況等。多點采土、混合分別，可以代表每一地塊上的微生物分布平均情況土樣的富集培育含有目的菌較多的土樣不需求富集培育假設(shè)原有樣品中目的菌含量低，可以人為地添加相應(yīng)的基質(zhì)，培育使之以較其它微生物更快的速度生長繁衍，從而提高它們在樣品中的比例，便于分別。富集培育的普通方法：采用有利于目的菌種而不利于無關(guān)微生物的營養(yǎng)和培育條件，以到達使目的菌種在群體中比例上升的目的。一些有特定物質(zhì)產(chǎn)生才干的菌種，不容易富集，只需經(jīng)過大量艱苦的任務(wù)挑選獲得。2、微生物與生物環(huán)境之間的相互關(guān)系微生物與任何一種生物之間的關(guān)系：雙方獲益：共生、互利共棲、協(xié)同共棲、互養(yǎng)共棲〔++〕一方獲益，對方受害：寄生、捕食、拮抗〔+–〕，〔–+〕一方獲益，對方無害：偏利共棲、衛(wèi)星狀共棲、互生〔代謝共棲〕〔+0〕互不相擾：無關(guān)共棲〔00〕一方受害，對方無益無損：偏害共棲〔0–〕雙方受損：競爭共棲〔––〕2.1共棲：兩種生物同時棲生于一個環(huán)境中，雙方的生命活動相互作用而構(gòu)成各種利害關(guān)系。共棲同伴彼此分開，各自都有獨立生活才干。2.2共生定義：兩種生物共居在一同，相互協(xié)作分工，相依為命，以致到達難分難解、合二為一的一種關(guān)系。微生物間的共生關(guān)系：地衣產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌株〔S菌株〕與產(chǎn)甲烷細菌〔MOH菌株〕微生物與植物間的共生關(guān)系：根瘤菌與豆科植物放線菌、藻狀菌、藍細菌、分枝桿菌和克雷伯氏菌與一些非豆科植物之間的根瘤微生物與動物之間的共生關(guān)系：白蟻、蟑螂與其消化道中的原生動物及其它微生物〔外共生生物〕反芻動物與其瘤胃微生物微生物間的互生關(guān)系金黃色葡萄球菌的生長為本來在平板上不能生長的嗜血流感菌提供生長因子，后者在其菌苔周圍構(gòu)成衛(wèi)星菌落。微生物間的互生關(guān)系本來不能在含青霉素的平板上生長的受體菌在轉(zhuǎn)化子〔含有Ampr質(zhì)?！持車鷺?gòu)成衛(wèi)星菌落〔b-內(nèi)酰胺酶分泌到胞外所致〕地衣-----藻類和真菌的共生體構(gòu)成有固定形狀的葉狀構(gòu)造：真菌無規(guī)那么地纏繞藻類細胞，或二者組成一定的層次陳列。地衣繁衍時，在外表上生出球狀粉芽，粉芽中含有少量的藻類細胞和真菌菌絲，粉芽脫離母體分布到適宜的環(huán)境中，發(fā)育成新的地衣構(gòu)造上的共生：生理上的共生：共生菌從基質(zhì)中吸收水分和無機養(yǎng)料；共生藻進展光協(xié)作用，合成有機物；使地衣能在非常貧瘠的環(huán)境中生存。微生物和植物間的共生關(guān)系根瘤菌與豆科植物間的共生------構(gòu)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，同時，還為根瘤菌提供維護和穩(wěn)定的生長條件。與動物的共生關(guān)系反芻動物，如牛、羊、駱駝、長頸鹿等以植物的纖維素為主要食物，它們在瘤胃中經(jīng)微生物發(fā)酵變成有機酸和菌體蛋白再供動物吸收利用。瘤胃也為里面居住的微生物提供了必要的營養(yǎng)和生長條件----食物和嚴厲的厭氧環(huán)境2.3寄生定義：普通指一種小型生物生活在另一種較大型生物的體內(nèi)或體表，從中獲得營養(yǎng)和進展生長繁衍，同時使后者蒙受損害甚至被殺死的景象。微生物間的寄生：噬菌體與其宿主之間的關(guān)系真菌對真菌的寄生細菌或真菌寄生于原生動物細菌寄生于細菌：蛭弧菌寄生于Pseudomonasphaseolicola〔棲菜豆假單胞菌〕微生物與植物之間的寄生關(guān)系：植物病原體專性寄生物和兼性寄生物微生物與動物之間的寄生關(guān)系：各種病原微生物昆蟲病原菌——生物農(nóng)藥冬蟲夏草2.4拮抗某種生物產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物可抑制它種生物的生長發(fā)育甚至將后者殺死。微生物間的“化學戰(zhàn)術(shù)〞抗生菌產(chǎn)生能抑制其它生物生長發(fā)育的抗生素；微生物間的生長抑制因某種微生物的生長而引起的其它條件的改動，從而抑制它種生物的生長2.5競爭兩個種群因需求一樣的生長基質(zhì)或其它環(huán)境因子，致使增長率和種群密度遭到限制時發(fā)生的相互作用，其結(jié)果對兩種種群都是不利的。2.6捕食一種種群被另一種種群完全吞食，捕食者種群從被食者種群得到營養(yǎng)，而對被食者種群產(chǎn)生不利影響。微生物間的捕食景象：原生動物吞食細菌和藻類；粘細菌吞食細菌和其它微生物；真菌捕食線蟲和其它原生動物；3、微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的作用微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的位置生態(tài)系統(tǒng)：生物群落所生活的非生物環(huán)境物質(zhì)循環(huán)能量流動消費者：從無機物合成有機物消費者：利用有機物進展生活，普通不能將有機物直接分解成有機物分解者：分解有機物成無機物微生物可以在多個方面但主要作為分解者而在生態(tài)系統(tǒng)中起重要作用〔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(nèi)存在的動物和植物殘體等復雜有機物質(zhì)，并最后將其轉(zhuǎn)化成最簡單的無機物，再供初級消費者運用?！?〕微生物是物質(zhì)循環(huán)中的重要成員；微生物參與一切的物質(zhì)循環(huán)，大部分元素及其化合物都遭到微生物的作用。在一些物質(zhì)的循環(huán)中，微生物是主要的成員，起主要作用；而一些過程只需微生物才干進展，起獨特作用；而有的是循環(huán)中的關(guān)鍵過程，起關(guān)鍵作用?！?〕微生物是生態(tài)系統(tǒng)中的初級消費者；光能營養(yǎng)和化能營養(yǎng)微生物是生態(tài)系統(tǒng)的初級消費者，它們具有初級消費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(wǎng)中流動?！?〕微生物是物質(zhì)和能量的儲存者；微生物和動物、植物一樣也是由物質(zhì)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，儲存著大量的物質(zhì)和能量?！?〕微生物在地球生物演化中的作用；微生物是最早出現(xiàn)的生物體，并進化成后來的動、植物。藻類的產(chǎn)氧作用，改動大氣圈中的化學組成，為后來動、植物出現(xiàn)打下根底。4、微生物與自然界中的物質(zhì)循環(huán)4.1微生物在碳素循環(huán)中的作用4.2微生物在氮素循環(huán)中的作用4.3微生物在硫素循環(huán)中的作用◆脫硫作用動植物和微生物尸體中的含硫有機物被微生物降解成H2S的過程稱為脫硫作用。◆硫化作用硫化作用，即硫的氧化作用，是指硫化氫、元素硫或硫化亞鐵等在微生物的作用下被氧化生成硫酸的過程。自然界能氧化無機硫化物的微生物主要是硫細菌?！敉饔猛饔糜芍参锖臀⑸镆?，可把硫酸鹽轉(zhuǎn)變成復原態(tài)的硫化物，然后再固定到蛋白質(zhì)等成分中。◆反硫化作用硫酸鹽在厭氧條件下被微生物復原成H2S的過程稱為反硫化作用。5、 污水處置的微生物學原理環(huán)境污染：生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)造、機能遭到外來有害物質(zhì)的影響或破壞，無法進展正常的物質(zhì)循環(huán)。水體污染的表現(xiàn)：無法進展水的自凈作用污水的種類：生活污水、工業(yè)有機污水〔如屠宰、造紙、 淀粉和發(fā)酵工業(yè)〕、工業(yè)有毒污水〔如農(nóng) 藥、炸藥、石油化工、電鍍、印染、制革 等行業(yè)〕和其它污水〔如醫(yī)院〕。有害物質(zhì)的種類：農(nóng)藥、炸藥、多氯聯(lián)苯〔PCB〕多環(huán)芳 烴〔致癌〕酚、氰和丙烯腈等污水處置方法中，最關(guān)鍵、最有效和最常用的是微生物處置法。5.1污水處置中的特殊微生物自然界中微生物的分解才干：分解氰 諾卡氏菌屬等14屬49種分解多氯聯(lián)苯 少數(shù)紅酵母、假單胞菌 無色桿菌屬等分解多環(huán)芳烴 產(chǎn)堿桿菌、假單胞菌、 棒桿菌、諾卡氏菌分解硝基炸藥 檸檬酸桿菌屬、腸桿菌屬 克雷伯氏菌屬、埃希氏菌屬 假單胞菌屬等假設(shè)干菌種降解高分子物質(zhì) 惡臭假單胞菌、芽孢桿菌5.2微生物處置污水的原理污水處置安裝是一個小型生態(tài)系統(tǒng)，在其中利用各種生理生化性能的微生物類群間的相互配合而進展的一種物質(zhì)循環(huán)過程。高BOD5的污水進入處置安裝后，其中的自然微生物區(qū)系在好氧條件下，根據(jù)其中營養(yǎng)物質(zhì)或有毒物質(zhì)的情況，在可觀上呵斥了一個選擇性的培育條件，并隨著時間的推移，發(fā)生了微生物區(qū)系的有規(guī)律的更迭，從而使水中的有機物或毒物不斷被降解、氧化、分解、轉(zhuǎn)化或吸附沉降，進而到達去除污染物和沉降、分層的效果。其廢渣經(jīng)過厭氧發(fā)酵消費沼氣和有機肥。BOD5〔biologicaloxygendemand〕：五日生化需氧量。表示水中有機物含量的間接目的。普通指在20℃下，1L污水中所含的有機物〔主要是有機碳源〕，在進展微生物氧化時，5日內(nèi)所耗費的分子氧的毫克數(shù)〔或ppm數(shù)〕。測定方法：取一定量被測水樣，用加有磷素營養(yǎng)和經(jīng)氧飽和的稀釋用水稀釋到一定