天津大學(xué)微生物

8.1微生物生態(tài)學(xué)研究?jī)?nèi)容生態(tài)學(xué)（ecology）主要研究：生物群體在自然棲息環(huán)境中種類、數(shù)量、分布特點(diǎn)和改變規(guī)律；生物之間、生物與環(huán)境之間相互關(guān)系，以及生態(tài)功效；生態(tài)學(xué)應(yīng)用：解釋各種生態(tài)現(xiàn)象；開(kāi)發(fā)環(huán)境保護(hù)技術(shù)，維持生態(tài)平衡；保護(hù)物種多樣性，開(kāi)發(fā)利用生物物種資源；本章僅介紹一些基本微生物生態(tài)學(xué)理論和應(yīng)用；天津大學(xué)微生物第1頁(yè)生態(tài)學(xué)基本概念生態(tài)系統(tǒng)（ecosystems）：生物與它們生活環(huán)境所組成一個(gè)生態(tài)學(xué)功效單位；種群（population）：同一生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，含有相同生物學(xué)特征同種個(gè)體群；群落（community）：同一生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，由兩個(gè)以上種群組成一個(gè)生態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)單位；微生物群落也稱為微生物區(qū)系（microflora）；生態(tài)環(huán)境（ecologicalenvironment）：一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中與生物生存親密相關(guān)各種環(huán)境原因（生境）；天津大學(xué)微生物第2頁(yè)微生物生態(tài)學(xué)研究側(cè)重點(diǎn)研究普通生態(tài)環(huán)境下微生物分布規(guī)律，以及特殊生態(tài)環(huán)境下微生物區(qū)系組成，發(fā)覺(jué)新微生物菌種資源；研究微生物與其它生物之間關(guān)系，發(fā)覺(jué)新代謝方式，指導(dǎo)有害微生物防治，利用有益微生物；研究微生物區(qū)系在生態(tài)系統(tǒng)中功效和地位，開(kāi)發(fā)各種基于微生物代謝環(huán)境修復(fù)技術(shù)（環(huán)境保護(hù)技術(shù)）；利用生態(tài)學(xué)理論，解釋各種微生物生態(tài)現(xiàn)象；天津大學(xué)微生物第3頁(yè)8.2微生物與生境關(guān)系生境所含有環(huán)境原因：化學(xué)物質(zhì)種類和含量、溫度、pH值、氧分壓、滲透壓、光照等，與微生物代謝方式、營(yíng)養(yǎng)要求和生長(zhǎng)條件要求相適應(yīng)，才能組成生態(tài)系統(tǒng)；微生物生長(zhǎng)會(huì)改變一些環(huán)境原因，改變環(huán)境原因，反饋影響微生物區(qū)系組成結(jié)構(gòu)；相互循環(huán)影響，一直處于動(dòng)態(tài)平衡；不一樣生境微生物種類數(shù)量不一樣；天津大學(xué)微生物第4頁(yè)空氣中微生物空氣中沒(méi)有營(yíng)養(yǎng)，受紫外線直射，而沒(méi)有原生微生物；不過(guò)空氣中漂浮塵埃上，吸附著起源于周圍環(huán)境微生物芽孢、孢子和細(xì)菌；空氣中微生物種類、數(shù)量與空氣中塵埃顆粒數(shù)和周圍環(huán)境有親密關(guān)系；宿舍空氣微生物含量：2萬(wàn)cfu/m3；畜舍空氣微生物含量：200萬(wàn)cfu/m3發(fā)酵車間和潔凈生產(chǎn)車間普通在數(shù)十米高空取氣；天津大學(xué)微生物第5頁(yè)水體中微生物水體中微生物區(qū)系，受水體中化學(xué)物質(zhì)（有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、有毒物質(zhì)）含量和種類影響，還受酸堿度、溫度、溶氧、滲透壓和光照影響；天津大學(xué)微生物第6頁(yè)清水型生境與水生微生物在遠(yuǎn)離人類活動(dòng)地域潔凈溪流、湖泊水體中，缺乏有機(jī)物，而含氧量高；原生微生物主要為化能自養(yǎng)和光能自養(yǎng)型，數(shù)量普通為10~103cfu/mL；異養(yǎng)菌含量隨水體有機(jī)物含量改變而改變；天津大學(xué)微生物第7頁(yè)水體自凈作用溶氧充分（流水），有機(jī)或無(wú)機(jī)物含量較低水體，含有自凈作用，即水體中污染物可自動(dòng)消除；水體自凈作用包含物理、化學(xué)和基于微生物代謝生物化學(xué)作用；好氧菌利用水體中有機(jī)物和無(wú)機(jī)物作為營(yíng)養(yǎng)，經(jīng)代謝而轉(zhuǎn)化為菌體和氣體；一些菌體還有吸附化學(xué)物質(zhì)作用；菌體可經(jīng)過(guò)物理沉降、吸附或被吞食而從水體中被去除；天津大學(xué)微生物第8頁(yè)水體富營(yíng)養(yǎng)化作用水體富營(yíng)養(yǎng)化：天然水體中因?yàn)檫^(guò)量污染物存在，而引發(fā)各種水生生物和微生物大量生長(zhǎng)，造成水質(zhì)降低現(xiàn)象；水體富營(yíng)養(yǎng)化早期過(guò)程：過(guò)量無(wú)機(jī)含氮、磷化合物排入水體，引發(fā)光能自養(yǎng)型微生物（藍(lán)細(xì)菌）大量生長(zhǎng)；其死亡細(xì)胞，使水體中有機(jī)物含量提升；或者大量生活污水（物）或工業(yè)廢水直接排入水體，使水體有機(jī)物含量超出水體自凈能力；天津大學(xué)微生物第9頁(yè)水體富營(yíng)養(yǎng)化后期過(guò)程有機(jī)物豐富水體，使好氧異養(yǎng)菌大量生長(zhǎng)，耗盡水中溶氧；無(wú)氧環(huán)境使厭氧異養(yǎng)菌大量生長(zhǎng)，產(chǎn)生大量有機(jī)酸、H2S等代謝產(chǎn)物；缺氧和有毒物積累使魚(yú)類和好氧菌大量死亡，水體渾濁、變色、發(fā)臭；污水菌含量可到達(dá)107~108cfu/mL天津大學(xué)微生物第10頁(yè)土壤中微生物土壤富含無(wú)機(jī)物、有機(jī)物、水和空氣，酸堿度、滲透壓和溫度等環(huán)境原因都適于大多數(shù)微生物生長(zhǎng)，土壤是微生物大本營(yíng)；土壤微生物種類、數(shù)量與土壤類型、季節(jié)和深度相關(guān)；地表受紫外線直射，含量較低；微生物生長(zhǎng)對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)和肥力有主要影響；天津大學(xué)微生物第11頁(yè)普通土壤微生物數(shù)量隨深度改變普通土壤菌含量（104cfu/g干土壤）：細(xì)菌：1000~；放線菌：100~；真核微生物：10~20；天津大學(xué)微生物第12頁(yè)極端環(huán)境微生物分布在高溫、低溫、高堿、高滲、高壓、高輻射等極端環(huán)境中微生物，稱為極端環(huán)境微生物；嗜熱微生物、嗜冷微生物、嗜酸微生物、嗜堿微生物、嗜鹽微生物和嗜壓微生物等；極端環(huán)境微生物在細(xì)胞結(jié)構(gòu)組成、代謝方式和遺傳結(jié)構(gòu)上普通都有特殊性；研究它們含有重大理論意義和應(yīng)用價(jià)值，是當(dāng)前研究熱點(diǎn)；天津大學(xué)微生物第13頁(yè)8.3微生物與其它生物之間關(guān)系同一個(gè)微生物區(qū)系中各個(gè)微生物種群之間關(guān)系，依據(jù)相互依賴和影響程度，可區(qū)分為；種間共處、互生、共棲、競(jìng)爭(zhēng)、拮抗等；微生物與其它大型生物（宿主）關(guān)系，依據(jù)相互依賴和影響程度，可區(qū)分為：共棲、共生、捕食；寄生：微生物生活在宿主上，有害宿主，如病毒和病原微生物與宿主關(guān)系；天津大學(xué)微生物第14頁(yè)微生物之間互生（mutualism）互生：兩種能夠單獨(dú)生活微生物，當(dāng)它們生活在一起時(shí)，形成相互有利，或偏利于一方關(guān)系；混菌發(fā)酵技術(shù)：依據(jù)兩（多）種微生物互生關(guān)系，進(jìn)行兩（多）種微生物共同培養(yǎng)工業(yè)發(fā)酵技術(shù)；天津大學(xué)微生物第15頁(yè)氧化乙酸脫硫單胞菌與綠硫菌互生互生本質(zhì)是兩種菌代謝和營(yíng)養(yǎng)方式能夠互補(bǔ)；氧化乙酸脫硫單胞菌氧化乙酸產(chǎn)生CO2，進(jìn)行硫呼吸產(chǎn)生H2S；綠硫菌以CO2為碳源，以H2S作為供氫體，進(jìn)行光合作用，積累硫；天津大學(xué)微生物第16頁(yè)共棲：一個(gè)微生物生長(zhǎng)在一定條件下依賴于另一個(gè)微生物，二者組成共棲關(guān)系；流感嗜血桿菌（Haemophilusinfluenzae

）在普通培養(yǎng)基上不能單獨(dú)生長(zhǎng)（缺某種維生素合成能力），能夠與金黃色葡萄球菌共棲生長(zhǎng)；微生物之間共棲（commensalism）衛(wèi)星菌落金黃色葡萄球菌代謝產(chǎn)物為流感嗜血桿菌提供了生長(zhǎng)所必需生長(zhǎng)因子；天津大學(xué)微生物第17頁(yè)微生物之間拮抗（antagonism）拮抗：一個(gè)微生物生長(zhǎng)所產(chǎn)生代謝產(chǎn)物，抑制另一個(gè)微生物生長(zhǎng)，組成拮抗；乳酸細(xì)菌生長(zhǎng)分泌乳酸，降低環(huán)境pH值，而抑制周圍其它細(xì)菌種群生長(zhǎng)；平板上青霉菌落分泌次級(jí)代謝產(chǎn)物-青霉素，在其擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)，細(xì)菌生長(zhǎng)被抑制，形成抑菌圈；天津大學(xué)微生物第18頁(yè)微生物主要生命周期，都棲息在其它生物（宿主）上，形成共棲體，但微生物在代謝上不直接依賴宿主，稱為共棲；微生物主要生命周期，都棲息在宿主上，并與宿主之間存在親密代謝關(guān)系，稱為共生（symbiosis）；微生物與宿主通常形成形態(tài)共同體——共生體；共棲普通都是偏利關(guān)系，對(duì)微生物有利，對(duì)宿主既無(wú)利也無(wú)害；共生都是互利關(guān)系；微生物與宿主共棲或共生天津大學(xué)微生物第19頁(yè)腸道菌群與人體腸道共棲人體腸道正常微生物區(qū)系包含60-400種不一樣微生物，占糞便干重1/3，其中厭氧菌占了絕大多數(shù)；腸道為腸道菌群提供豐富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和良好生長(zhǎng)環(huán)境條件：溫度（37℃）、pH值（中性）、無(wú)氧；腸道正常菌群抑制外來(lái)病原菌在腸道中生長(zhǎng)，維持腸道正常功效；并為人體提供各種維生素、氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；產(chǎn)氣體和糞臭素；人體腸道與腸道菌群形成了互利共棲關(guān)系；天津大學(xué)微生物第20頁(yè)共生體——地衣地衣（lichen

）：絲狀真菌無(wú)規(guī)則地纏繞藻類，形成含有一定排列層次殼狀、葉狀或灌木狀共生體；共生藻類屬于光能自養(yǎng)型，利用光能、CO2和無(wú)機(jī)元素合成有機(jī)物；絲狀真菌從藻類取得有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物，利用藻類光合作用釋放O2進(jìn)行呼吸；真菌代謝產(chǎn)酸，溶解礦物質(zhì)，為藻類生長(zhǎng)提供水和無(wú)機(jī)元素，并提供保護(hù)；天津大學(xué)微生物第21頁(yè)共生體——根瘤根瘤（rootnodule）：根瘤菌屬（Rhizobium

）與豆科植物根部組織形成共生體；根瘤菌進(jìn)行生物固氮，為豆科植物提供氮源；植物為根瘤菌提供除氮源以外全部營(yíng)養(yǎng)要素，而且為根瘤菌提供生物固氮所需要厭氧環(huán)境；天津大學(xué)微生物第22頁(yè)根瘤形成過(guò)程根瘤菌經(jīng)過(guò)共生固氮，為豌豆提供氮源天津大學(xué)微生物第23頁(yè)共生體—外生菌根（ectomycorrhiza）外生菌根：絲狀真菌與植物根部皮層組織形成共生體，并在根表面形成菌套；共生真菌代替根毛為宿主吸收營(yíng)養(yǎng)，并分泌代謝產(chǎn)物調(diào)整宿主代謝；宿主為共生真菌提供促進(jìn)生長(zhǎng)生長(zhǎng)因子；天津大學(xué)微生物第24頁(yè)共生體—內(nèi)生菌根（endotrophicmycorrhiza）內(nèi)生菌根：由真菌生長(zhǎng)在植物根部皮層組織細(xì)胞間隙，形成共生體；共生真菌菌絲多分支，并形成叢枝狀或泡囊，也稱叢枝狀菌根（arbuscularmycorrhiza，AM）；共生真菌也稱AM真菌；植物為AM真菌提供生長(zhǎng)因子，AM真菌幫助植物從土壤中吸收營(yíng)養(yǎng)；約80％陸生植物含有內(nèi)生菌根；天津大學(xué)微生物第25頁(yè)叢枝狀菌根（AM）真菌系統(tǒng)分類地位球囊菌門（Glomeromycota）球囊菌綱（Glomeromycetes）原囊霉目（Archaeosporales）多孢囊霉目（Diversisporales）球囊霉目（Glomerales）類球囊霉目（Paraglomerales）天津大學(xué)微生物第26頁(yè)共生體——牛瘤胃牛是反芻動(dòng)物，有四個(gè)胃：瘤胃、網(wǎng)胃、瓣胃和皺胃；位于最上部瘤胃是胃與微生物組成共生體；組成瘤胃微生物區(qū)系，稱為瘤胃微生物（rumenmicroorganisims），其中包含細(xì)菌（1010cfu/mL），真菌孢子（103-105個(gè)/克），噬菌體（106-107pfu/mL），原生動(dòng)物（4×106個(gè)/mL）；瘤胃微生物代謝和營(yíng)養(yǎng)類型：厭氧、兼性厭氧纖維素、半纖維素分解菌、固氮菌、產(chǎn)甲烷菌、各種發(fā)酵和無(wú)氧呼吸產(chǎn)能細(xì)菌；天津大學(xué)微生物第27頁(yè)瘤胃共生關(guān)系牛食進(jìn)草類，為瘤胃微生物提供碳源和無(wú)機(jī)鹽；提供38~41℃，pH值5.5~7.3無(wú)氧生長(zhǎng)環(huán)境；瘤胃微生物分解草料中糖、淀粉、果膠、纖維素、半纖維素等，進(jìn)行生物固氮，產(chǎn)生小分子脂肪酸、CO2、H2和甲烷等代謝產(chǎn)物，以及大量菌體；脂肪酸被吸收作為反芻動(dòng)物能源；CO2、H2和甲烷經(jīng)過(guò)噯氣被釋放；瘤胃微生物進(jìn)入下面胃，作為營(yíng)養(yǎng)被消化，為牛提供糖類、氨基酸、維生素等營(yíng)養(yǎng)物；天津大學(xué)微生物第28頁(yè)8.4微生物在生態(tài)系統(tǒng)中地位維系生態(tài)系統(tǒng)中各種群之間，群落和生境之間關(guān)系主要紐帶就是它們之間物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，稱為生物地球化學(xué)循環(huán)（biogeochemicalcycle）；各個(gè)生物種群因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)需要，也因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)類型和代謝方式差異，相互之間結(jié)成群落，進(jìn)而與生境組成生態(tài)系統(tǒng)；微生物是生態(tài)系統(tǒng)中主要分解者，也是生產(chǎn)者，貯存者和消費(fèi)者，占有主要地位；天津大學(xué)微生物第29頁(yè)生物在生態(tài)系統(tǒng)中作用生產(chǎn)者（productor）：光能營(yíng)養(yǎng)型、化能無(wú)機(jī)自養(yǎng)型大型植物和微生物，將無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并儲(chǔ)存；消費(fèi)者（consumer）：化能異養(yǎng)型（有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型）大型動(dòng)物和微生物，主要儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化有機(jī)物，消耗和儲(chǔ)存化學(xué)能；分解者（decomposer）：化能異養(yǎng)型（有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型）微生物，儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)化、徹底分解有機(jī)物產(chǎn)生無(wú)機(jī)物，消耗和儲(chǔ)存化學(xué)能；天津大學(xué)微生物第30頁(yè)微生物在碳循環(huán)中作用CO2→碳水化合物→其它含碳有機(jī)物→甲烷→CO2；自養(yǎng)菌CO2同化、異養(yǎng)菌碳分解代謝（糖酵解、TCA循環(huán)、呼吸和發(fā)酵；產(chǎn)甲烷菌發(fā)酵；天津大學(xué)微生物第31頁(yè)微生物在氮循環(huán)中作用氮循環(huán)：N2→NH3→P-NH3

→NO2-

→

NO3-

→N2生物固氮（各種固氮菌）；氨基化作用、氨化作用（異養(yǎng)菌、硝酸鹽呼吸菌）、氨同化作用（assimilationofammonium）；硝化作用（自養(yǎng)菌）；同化型硝酸鹽還原反應(yīng)（利用硝基氮為氮源微生物）、異化型硝酸鹽還原反應(yīng)（脫氮作用、反硝化作用）（硝酸鹽呼吸菌）；天津大學(xué)微生物第32頁(yè)微生物在氮循環(huán)中作用天津大學(xué)微生物第33頁(yè)微生物在硫循環(huán)中作用硫循環(huán)：SO42-

→P-SH→H2S→S→SO342-→SO42-天津大學(xué)微生物第34頁(yè)環(huán)境中不溶性磷酸鹽經(jīng)微生物作用轉(zhuǎn)化為可溶性磷酸鹽；無(wú)機(jī)磷經(jīng)微生物同化為有機(jī)含磷化合物；有機(jī)含磷化合物經(jīng)微生物分解代謝轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷；微生物在磷循環(huán)中作用天津大學(xué)微生物第35頁(yè)8.5微生物與污水處理污水處理技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用最普遍，包括微生物環(huán)境修復(fù)技術(shù)；污水處理技術(shù)：綜合利用物理、化學(xué)和生物化學(xué)方法降低污水BOD5或COD，分解或除去有毒物質(zhì)，而到達(dá)水排放標(biāo)準(zhǔn)；其中利用混合菌群（生物膜、活性污泥）代謝作用，將有機(jī)物和有毒物質(zhì)分解、轉(zhuǎn)化為菌體、各種氣體（CO2

、H2、CH4

、H2S、NH3

）生化反應(yīng)過(guò)程是污水處理技術(shù)主要組成部分；天津大學(xué)微生物第36頁(yè)污水有機(jī)物含量間接指標(biāo)污水有機(jī)物含量指標(biāo)污水就是含有較高濃度有機(jī)或無(wú)機(jī)污染物，或有毒物質(zhì)，而失去自凈能力水；五日生化需氧量（biologicaloxygendemand，BOD5

）：在20℃下，1L污水被微生物氧化，在5日內(nèi)所消耗氧毫克數(shù)，是污水有機(jī)物含量指標(biāo)；化學(xué)需氧量（chemicaloxygendemand，COD）：用強(qiáng)氧化劑（K2Cr2O7）處理1L污水，使有機(jī)物質(zhì)快速氧化，所消耗氧毫克數(shù)，較BOD5測(cè)量快速簡(jiǎn)便，也是慣用污水有機(jī)物含量指標(biāo)；天津大學(xué)微生物第37頁(yè)活性污泥和生物膜活性污泥（activatedsludge）：由各種微生物、原生動(dòng)物組成一個(gè)群落，以微小絮凝團(tuán)形式存在；能夠吸附污、氧化、分解、轉(zhuǎn)化水中有機(jī)物和毒物，用作污水處理微生物催化劑；生物膜（biofilm）：由各種微生物、原生動(dòng)物、藻類組成一個(gè)群落，吸附在固體表面，以一層粘滑菌膜形式存在；生物膜群落組成比活性污泥愈加復(fù)雜