微生物生態(tài)學(xué)

關(guān)于微生物生態(tài)學(xué)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物質(zhì)循環(huán)和能量流動互相作用、互相依存而構(gòu)成的一個生態(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，從無機(jī)物合成有機(jī)物

b.消費(fèi)者（consumer）——動物為主體，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)物成無機(jī)物第2頁,共46頁，2024年2月25日，星期天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)中起重要作用第3頁,共46頁，2024年2月25日，星期天（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)中的初級生產(chǎn)者——光能、化能

d.微生物是物質(zhì)和能量的儲存者

e.微生物是地球生物演化中的先鋒種類第4頁,共46頁，2024年2月25日，星期天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。是生物圈的元素來源生物圈的能量來源是太陽（1）碳循環(huán)（carboncycle）：最重要

無機(jī)碳植物、動物有機(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,共46頁，2024年2月25日，星期天（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，又稱呼吸性硝酸鹽還原h(huán).亞硝酸氨化作用：亞硝酸通過異化性還原經(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,共46頁，2024年2月25日，星期天（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）：在無氧條件下，通過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,共46頁，2024年2月25日，星期天（4）磷循環(huán)（phosphoruscycle）a.不溶性無機(jī)磷的可溶化b.可溶性無機(jī)磷的有機(jī)化c.有機(jī)磷的礦化第8頁,共46頁，2024年2月25日，星期天（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,共46頁，2024年2月25日，星期天二、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，對一種生物的生長有利，而對另一種的生長無影響。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。如根瘤菌與豆科植物，瘤胃微生物與反芻動物3.拮抗（antagonism）：一種生物影響另一種生物生長的現(xiàn)象。霉菌抑制細(xì)菌生長；好氧菌與厭氧菌共同生長時4.競爭（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養(yǎng)，使一方或雙方的生長受到限制。優(yōu)勢菌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,共46頁，2024年2月25日，星期天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，后者在其菌苔周圍形成衛(wèi)星菌落。第11頁,共46頁，2024年2月25日，星期天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)粒）周圍形成衛(wèi)星菌落（b-內(nèi)酰胺酶分泌到胞外所致）第12頁,共46頁，2024年2月25日，星期天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，同時，還為根瘤菌提供保護(hù)和穩(wěn)定的生長條件。第13頁,共46頁，2024年2月25日，星期天三、水中的微生物1.來源（1）土壤：主要（2）空氣：經(jīng)雨雪（3）水生生物：2.種類需氧菌、噬鹽菌（海洋）、厭氧菌（底部）、腸道病毒、藻類第14頁,共46頁，2024年2月25日，星期天3.影響存活的因素（1）pH（2）無機(jī)鹽濃度：滲透壓（3）有機(jī)物：水的富營養(yǎng)化（4）濁度（5）氧氣（6）溫度第15頁,共46頁，2024年2月25日，星期天4.評價指標(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、革蘭陰性無芽孢桿菌在動物糞便中普遍存在且數(shù)量甚多；在水中的存活時間長但不繁殖；對外界的抵抗力與致病菌相似；檢測方法比較簡便飲用水中，大腸菌群數(shù)≤3/升水（2）糞鏈球菌數(shù)：是人及溫血動物腸道內(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,共46頁，2024年2月25日，星期天四、土壤中的微生物1.種類極其豐富（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?）放線菌：抗生素的重要來源（5）真菌：以菌絲體和孢子的形式存在（6）藻類：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,共46頁，2024年2月25日，星期天3.

來源（1）動物排泄物及尸體（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養(yǎng)物、含水量、氧、溫度、pH等因子的影響，并隨土壤類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,共46頁，2024年2月25日，星期天五、空氣中的微生物1.種類：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.來源：主要是動物的活動，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：可以說是有百害而無一利（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）引起過敏反應(yīng)（4）引起真菌病注意無菌操作第19頁,共46頁，2024年2月25日，星期天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，

存活時間與抵抗力有關(guān)第20頁,共46頁，2024年2月25日，星期天噴嚏和咳嗽所產(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,共46頁，2024年2月25日，星期天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）10.3621.44591036509001003600第22頁,共46頁，2024年2月25日，星期天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,共46頁，2024年2月25日，星期天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,共46頁，2024年2月25日，星期天六、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,共46頁，2024年2月25日，星期天七、微生物與環(huán)境保護(hù)1.微生物對污染物的降解與轉(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

微生物對重金屬的轉(zhuǎn)化可降低也可增強(qiáng)其毒性第26頁,共46頁，2024年2月25日，星期天3.水的富營養(yǎng)化（eutrophication）問題（1）定義：水體中因氮、磷等元素的含量過高引起水體表面的藍(lán)細(xì)菌和藻類過度生長繁殖的現(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養(yǎng)化現(xiàn)象第27頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第28頁,共46頁，2024年2月25日，星期天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)盤法

b.厭氧處理：沼氣池

c.生態(tài)工程處理：氧化塘第29頁,共46頁，2024年2月25日，星期天（2）固體廢棄物的微生物處理

a.好氧堆肥

b.沼氣（marshgas）發(fā)酵：又稱甲烷形成（methanogenesis）過程：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,共46頁，2024年2月25日，星期天八、環(huán)境污染的微生物監(jiān)測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)（鼠傷寒沙門菌組氨酸營養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變）第31頁,共46頁，2024年2月25日，星期天微生態(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VolkerRush

首先提出第32頁,共46頁，2024年2月25日，星期天一、正常菌群（normalflora）1.正常菌群的概念：生活在健康生物（主要為動物）各部位大量的、種類較穩(wěn)定的、一般對宿主無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,共46頁，2024年2月25日，星期天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：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?。焊淖冊姓＞海淖兾⑸鷳B(tài)平衡第34頁,共46頁，2024年2月25日，星期天（2）飲食和環(huán)境的因素

a.飲食：促進(jìn)正常菌群生長的成分

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、競爭、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,共46頁，2024年2月25日，星期天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（4）合成維生素：動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：通過降低pH，降低氧化還原電勢，競爭養(yǎng)料和空間位置及產(chǎn)生抗菌物質(zhì)第36頁,共46頁，2024年2月25日，星期天（6）對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,共46頁，2024年2月25日，星期天二、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,共46頁，2024年2月25日，星期天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：正常情況下為一過性第39頁,共46頁，2024年2月25日，星期天（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微生物

耐藥性金葡菌、綠膿桿菌、厭氧菌（如類桿菌）、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菌的組織器官

第40頁,共46頁，2024年2月25日，星期天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,共46頁，2024年2月25日，星期天三、條件致病菌（opportunisticpathogen）