第十一章微生物的生态

第11章微生物生态

在一定的空间内生物的成分和非生物的成分通过物质循环和能量流动互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位。生态系统:生态学:研究生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系的一门科学。微生物生态学:研究微生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系。各种环境中的微生物的种类、分布；微生物和其它生物的关系；微生物与物质循环；第一节自然界中的微生物微生物的特点：个体微小,代谢营养类型多样，适应能力强微生物在自然界中分布广泛微生物的分布生境的特征微生物的分布是生境各种物理、化学、生物因素对微生物的限制、选择的结果。在某些生境中,高度专一性的微生物存在并仅限于这种生境中,并成为特定生境的标志。一、空气中的微生物1)无原生的微生物区系；2)来源于土壤、水体及人类的生产、生活活动；3)种类主要为真菌和细菌,一般与其所在环境的微生物种类有关；4)数量取决于尘埃数量；5)停留时间和尘埃大小、空气流速、湿度、光照等因素有关；6)与人类的关系:传播疾病、造成食品等的污染微生物学的基本技术:无菌操作技术制备微生物气溶胶实现群体免疫无菌操作及超净工作台二、水体中的微生物(一)江河水1)数量和种类与接触的土壤有密切关系；2)分布上更多的是吸附在悬浮在水中的有机物上及水底；3)多能运动,有些具有异常的形态(例如柄细菌);4)靠近城市或城市下游水中的微生物多,且有很多对健康不利的细菌,因此不宜作为饮用水源；5)水体自身存在自我净化作用：a)致病菌一般对营养要求苛刻,因此在一般的水中只能存活2-3天；b)水表微生物会受辐射等作用而被杀灭；c)原生动物等的吞噬作用；d)由固形物吸附再沉积到水底；水中的病原微生物会对水质产生重要影响饮用水的微生物指标：总菌数：

<100个/ml大肠杆菌：<3个/L严重污染的水会通过食物链的生物放大作用危害人类健康(viablebutnonculturablestate,VBNCstate)活的非可培养状态细菌处于不良环境条件下时产生的一种特殊的生存方式或休眠状态。在常规培养条件下培养时不能生长繁殖,但仍然是具有代谢活性的活菌。一般表现为细胞保持完整,胞内酶维持活性,染色体及质粒DNA均保持稳定,而用显微镜观察,其细胞会表现为缩小成球状,细胞表面产生皱折等。(viablebutnonculturablestate,VBNCstate)活的非可培养状态VBNC现象是我国青岛海洋研究所的徐怀恕和美国UniversityofMaryland的RRColwell等于1982年通过对霍乱弧菌和大肠杆菌在海洋与河口环境中的存活规律进行研究后首次提出的,已成为微生物学研究的一个热点。1)在VBNC所处环境中加入营养物质,但营养过于丰富并不利于VBNC的复苏。证明VBNC可以复苏的手段：2)温度的改变,在低温下进入VBNC的细胞在环境温度升高后可以复苏；3)致病菌在宿主体内复苏；4)通过其它可培养的活菌的帮助而复苏；（二）海水1)嗜盐,真正的海洋细菌在缺少氯化钠的情况下是不能生长的。2)低温生长,除了在热带海水表面外,在其它海水中发现的细菌多为嗜冷菌。4)耐高压(特别是生活在深海的细菌).3)大多数海洋细菌为G—细菌,并具有运动能力。Micrococcusaquivivus（水活微球菌）最适生长条件:600个大气压。“科学家们下海去！”德国科学家H.N.Schulz等1999年在纳米比亚海岸的海底沉积物中发现的一种硫磺细菌(sulfurbacterium),其大小可达0.75mm，Thiomargaritanamibiensis,-------“纳米比亚硫磺珍珠”(三)水体的富营养化作用和“水花”、“赤潮”水资源污染日益严重（三）水体的富营养化作用和“水花”、“赤潮”水资源污染日益严重(三)水体的富营养化作用和“水花”、“赤潮”水体大量的有机物或无机物,特别是磷酸盐和无机氮化合物。水的富营养化藻类等过量生长,产生大量的有机物，异养微生物氧化这些有机物,耗尽水中的氧,使厌氧菌开始大量生长和代谢，分解含硫化合物,产生H2S,从而导致水有难闻的气味，鱼和好氧微生物大量死亡,水体出现大量沉淀物和异常颜色。

上述过程又称富营养化作用,它是水体受到污染并使水体自身的正常生态失去平衡的结果。“水花”或“水华”(waterbloom):藻类(主要是微藻)的大量繁殖使水体出现颜色,并变得浑浊,许多藻类团块漂浮在水面上形成。赤潮或红潮(redtides):

在海洋中,某些甲藻类大量繁殖也可也可以形成水花,从而使海水出现红色或褐色。

引起水体富营养化的藻类除通过消耗水中的氧气危害养殖业外,很多藻类还能产生各种毒素,使动物得病或死亡,因此由于富营养化作用致死的鱼等水产品不能食用.三、土壤中的微生物

土壤是固体无机物(岩石和矿物质)、有机物、水、空气和生物组成的复合物，是微生物的合适生境。

土壤微生物种类多、数量多、代谢潜力巨大，是主要的微生物源，是微生物的大本营。1)土壤微生物的数量和分布主要受到营养物、含水量、氧、温度、pH等因子的影响，并随土壤类型的不同而有很大变化。2)土壤微生物的数量和分布受季节影响；3)微生物的数量也与于土层的深度有关，一般土壤表层微生物最多，随着土层的加深，微生物的数量逐步减少。20世纪80年代，美国能源部-----地下科学计划(DeepSubsurtaceProgram)地下的微生物:*在陆地可达4公里深(每下降1公里温度上升20℃);*在海底则可深达7公里(每下降1公里温度上升15℃)。

目前已知微生物的最高生长温度:

113℃(海底火山口)目前的采样深度:2.8公里四、工农业产品上的微生物1．微生物引起的工业产品的霉腐

大量工业制品都是用用动植物产品作原料来制造的。纤维制品、木制品、革制品、橡胶制品、油漆、卷烟、化妆品等有些工业产品如塑料、建筑涂料等也有很多微生物可以分解、利用：光学仪器上的镜头,建筑泥浆、钢缆、地下管道、金属材料等,各种电讯器材、文物、书画等也可被多种特殊微生物所破坏。微生物在各类工业产品上的生长所造成的产品的霉腐给人类造成了巨大的损失!而另一方面，有时也努力想开发并推广使用可被微生物降解的产品，或利用微生物的降解特性。-----生物可降解塑料-----开发、利用纤维素(能源、饲料)-----苎麻脱胶塑料在环境中难以自然降解，而聚苯乙烯又是其中之最，由于高分子量和高稳定性，普遍认为微生物无法降解聚苯乙烯类塑料。2015年北京航空航天大学杨军教授研究组、深圳华大基因公司赵姣博士等在环境学科领域的权威期刊《EnvironmentalScience&Technology》上合作发表了两篇姊妹研究论文，证明了黄粉虫（面包虫）的幼虫可降解聚苯乙烯这类最难降解的塑料.每年全世界有4000万吨的废弃塑料在环境中积累,中国每年约有200万吨废弃塑料丢在环境里科学家此前使用几种土壤无脊椎动物实验，如蚯蚓、千足虫、蛞蝓、蜗牛等看看其能否吃掉塑料。在饲喂14C标记的塑料如聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP），结果显示无法降解。杨军认为，生物降解塑料的思路要开拓，不能只局限于微生物,可以考虑鳞翅目昆虫、白蚁等,海洋中的蛀船虫和钻孔蚌能侵蚀聚乙烯和海底电缆，也可考虑从这些生物中分离并克隆能产生活性基团的关键酶及其基因。实验还进一步在幼虫肠道中成功分离出可以利用聚苯乙烯为唯一碳源进行生长的聚苯乙烯降解细菌——微小杆菌YT2（Exiguobacteriumsp.YT2）。研究团队给出了黄粉幼虫啮食降解聚苯乙烯机理：第一步，泡沫塑料首先被黄粉幼虫嚼噬成细小碎片并摄入肠道中；第二步，嚼噬作用增加了聚苯乙烯泡沫与微生物和胞外酶的接触面积，所摄食的碎片在肠道微生物所分泌的胞外酶作用下，进一步解聚成小分子产物；第三步，这些小分子产物在多种酶菌和黄粉幼虫自身酶的作用下，进一步降解并同化形成幼虫自身组织；第四步残留的泡沫碎片与部分降解中间产物，混合部分肠道微生物，以虫粪的形态排泄出体内，在虫粪中泡沫塑料可能还会进一步继续降解。2．食品、农副产品上的微生物很多微生物在食品、农产品上生长后会产生对人有害的毒素；肉毒毒素、黄曲霉素等不利影响:由于微生物的生长繁殖而腐烂、变质，不能再食用或使用；病原微生物进入人体的重要途径，引起传染性疾病；采用多种方法防止微生物对食品等的破坏2．食品、农副产品上的微生物利用特定的微生物制备风味食品，如酱制品、米酒、腌酸菜等；有利影响:五、极端环境下的微生物1、嗜热微生物2、嗜冷微生物3、嗜酸微生物4、嗜碱微生物5、嗜盐微生物6、嗜压微生物研究意义：(1)开发利用新的微生物资源，包括特异性的基因资源；(2)为微生物生理、遗传和分类乃至生命科学及相关学科许多领域，如：功能基因组学、生物电子器材等的研究提供新的课题和材料；(3)为生物进化、生命起源的研究提供新的材料。第二节微生物与生物环境间的相互关系自然环境中的微生物一般都不是单独存在的。个体、种群、群落和生态系统从低到高的组织层次。群体(population):具有相似特性和生活在一定空间内的同种个体群,是组成群落的基本组分。群落(community):在一定区域或一定生态环境内,各种生物群体构成的一个生态学结构单位，群落中各生物群体之间存在各种相互作用。生态系统(ecosystems):生物群落和它们所生活的非生物环境结合起来的一个整体，是生物圈的组成单元。生物圈(biosphere):地球上所有生物及其所生活的非生命环境的总称。个体群体群落+非生物环境生态系统生物圈任何一个相对完整的自然整体都可以被看作为一个生态系统,如一个池塘,一片森林,一个污水处理池,等等。微生物生态的研究特点：以微生物群体,即种群作为主要研究单位。生态系统中生物之间的相互关系：有利关系:一种生物的生长和代谢对另一种生物的生长产生有利的影响,或相互有利；有害关系:一种生物的生长对另一种生物的生长产生有害的影响,或相互有害；中性关系:二种生物生活在一起时,彼此对对方的生长代谢无明显的有利或有害影响；主要介绍微生物间及微生物与其它生物间最常见的几种相互关系：一、互生二种可以单独生活的生物,当它们生活在一起时,通过各自的代谢活动而有利于对方,或偏利于一方的一种生活方式。“可分可合，合比分好”一)微生物间的互生关系一)微生物间的互生关系纤维素分解细菌固氮菌一）微生物间的互生关系金黄色葡萄球菌的生长为本来在平板上不能生长的嗜血流感菌提供生长因子,后者在其菌苔周围形成卫星菌落。一）微生物间的互生关系本来不能在含青霉素的平板上生长的受体菌在转化子(含有Ampr质粒)周围形成卫星菌落(b-内酰胺酶分泌到胞外所致)二)人体肠道正常菌群互生关系（正常情况）寄生关系（某些特殊条件下）人肠道内的菌群：60-400种不同的微生物,占粪便干重1/3的是细菌，其中厌氧菌占了绝大多数。正常菌群通过肠道获取营养；通过排阻、抑制外来致病菌;提供许多人体所必不可少的环境条件改变或着生部位改变：正常菌群致病菌滥用抗生素；人身体虚弱抵抗力下降；吃了不洁净的食物；肠道中的正常菌群,大肠杆菌,一旦进入泌尿系统,引起尿路感染。人体表面的正常菌群,一旦它们进入伤口也会引起感染。条件致病菌:人体的正常微生物菌群一旦进入非正常聚居部位,或生态结构发生改变而引起人类疾病的微生物。可以通过口服某些活的微生物制剂来治疗由于正常菌群失调而导致的腹泻,例如,含蜡状芽孢杆菌(Bcereus)的“促菌生”，含地衣芽孢杆菌的“整肠生”等,它们都是通过芽孢杆菌的生长，为肠道重新创造良好的厌氧环境,促使肠道内正常的厌氧菌的生长繁殖,这类活微生物制剂又称微生态制剂。微生态制剂一般用于恢复肠道内的正常生态环境，若肠道功能正常，一般不需要服用！二、共生二种生物共居在一起，相互分工协作、相依为命,甚至形成在生理上表现出一定的分工,在组织和形态上产生了新的结构的特殊的共生体。互惠共生:二者均得利偏利共生:一方得利,但另一方并不受害一)微生物间的共生关系地衣-----藻类和真菌的共生体*形成有固定形态的叶状结构:真菌无规则地缠绕藻类细胞,或二者组成一定的层次排列。*地衣繁殖时,在表面上生出球状粉芽,粉芽中含有少量的藻类细胞和真菌菌丝,粉芽脱离母体散布到适宜的环境中,发育成新的地衣.结构上的共生：生理上的共生：共生菌从基质中吸收水分和无机养料;共生藻进行光合作用，合成有机物；

使地衣能在十分贫瘠的环境中生存。一）微生物间的共生关系细菌与原生动物间的共生关系：细菌栖息于原生动物细胞内,获得营养和保护环境,并且这些细菌在原生动物细胞外都不能生长;原生动物通过共生菌获得生长所需要的维生素及其它生长因子.二)微生物和植物间的共生关系根瘤菌与豆科植物间的共生------形成根瘤共生体根瘤菌固定大气中的气态氮为植物提供氮素养料；豆科植物的根的分泌物能刺激根瘤菌的生长,同时,还为根瘤菌提供保护和稳定的生长条件。三)微生物与动物的共生关系1.与昆虫的共生关系外共生:例如白蚁与其肠道内的微生物之间的共生食木质的白蚁自身并不能分解期望上纤维素,必须依赖肠道中共生的原生动物和细菌通过厌氧发酵过程来分解纤维素。内共生:昆虫与其细胞内的共生性细菌这些细胞内的共生性细菌能为宿主提供B族维生素,使昆虫能以缺乏维生素的植物为生。2.与反刍动物的共生关系反刍动物,如牛、羊、骆驼、长颈鹿等以植物的纤维素为主要食物,它们在瘤胃中经微生物发酵变成有机酸和菌体蛋白再供动物吸收利用。瘤胃也为里面居住的微生物提供了必要的营养和生长条件----食物和严格的厌氧环境3、深海火山口细菌与蠕虫的共生关系3、深海火山口细菌与蠕虫的共生关系3、深海火山口细菌与蠕虫的共生关系三、寄生一种小型生物生活在另一种相对较大型生物的体内或体表,从中取得营养和进行生长繁殖,同时使后者蒙受损害甚至被杀死的现象。寄生物(parasite)寄主或宿主(host)一）微生物间的寄生噬菌体—细菌蛭弧菌—细菌真菌—真菌真菌、细菌—原生动物二）微生物与动植物间的寄生关系各种各样的致病菌多是行寄生生活择生生物,或称为悉生生物或定菌生物(Gnotobiote):整个个体不携带或只携带已知微生物的生物。干扰因素少，操作易控制,既可进行定性分析，也可进行定量分析,实验结果准确、可靠,对于了解微生物与宿主之间复杂的关系及其机理具有十分重要的作用。用于科学研究：四、拮抗某种生物产生的代谢产物可抑制它种生物的生长发育甚至将后者杀死。微生物间的“化学战术”抗生菌产生能抑制其它生物生长发育的抗生素；微生物间的生长抑制因某种微生物的生长而引起的其它条件的改变，从而抑制它种生物的生长。五、竞争两个种群因需要相同的生长基质或其它环境因子,致使增长率和种群密度受到限制时发生的相互作用,其结果对两种种群都是不利的。六、捕食一种种群被另一种种群完全吞食,捕食者种群从被食者种群得到营养,而对被食者种群产生不利影响。微生物间的捕食现象：原生动物吞食细菌和藻类；粘细菌吞食细菌和其它微生物；

真菌捕食线虫和其它原生动物；捕虫菌目(Zoopagales)在长期的自然进化中形成的特化结构，特化菌丝构成巧妙的网,可以捕捉小型原生动物或无脊椎动物,捕获物死后,菌丝伸入体内吸收营养。第三节微生物在生态系统中