微生物生态学

关于微生物生态学一、微生物在生态系统中的作用1.微生物在生态系统中的角色：（1）生态系统（ecosystem）：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（2）生态平衡：（3）生态系统中生物的作用：

a.生产者（productor）——植物为主体，从无机物合成有机物

b.消费者（consumer）——动物为主体，利用有机物进行生活，一般不能将有机物直接分解成有机物

c.分解者（decomposer）——微生物为主体，分解有机物成无机物第2页,共46页，2024年2月25日，星期天微生物可以在多个方面但主要作为分解者而在生态系统中起重要作用第3页,共46页，2024年2月25日，星期天（4）微生物在生态系统中的作用：

a.微生物是有机物的主要分解者

b.微生物是物质循环中的重要成员

c.微生物是生态系统中的初级生产者——光能、化能

d.微生物是物质和能量的储存者

e.微生物是地球生物演化中的先锋种类第4页,共46页，2024年2月25日，星期天2.微生物与自然界物质循环生物地球化学循环（biogeochemicalcycle）

生物圈中的各种化学元素，经生物化学作用在生物圈中的转化和运动。是生物圈的元素来源生物圈的能量来源是太阳（1）碳循环（carboncycle）：最重要

无机碳植物、动物有机碳

———微生物———

微生物分解的特点：可不需氧；但太多可致温室效应第5页,共46页，2024年2月25日，星期天（2）氮循环（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）、联合固氮菌（如动物肠道中的克雷伯菌）b.硝化作用（nitrification）：氨态氮经硝化菌的氧化，转变为硝酸态氮的过程c.同化性硝酸盐还原作用（assimilatorynitratereduction）：硝酸盐被生物体还原成铵盐并进一步合成各种含氮有机物的过程d.氨化作用（ammonification）：含氮有机物经微生物的分解而产生氨的作用e.铵盐同化作用（assimilationofammonium）：以铵盐作营养，合成有机含氮物的作用f.异化性硝酸盐还原作用（dissimilatorynitratereduction）：硝酸离子充作呼吸链（电子传递链）末端的电子受体而被还原为亚硝酸和铵盐的作用g.反硝化作用（脱氮作用）（denitrification）：硝酸盐转化为气态氮化物的作用，又称呼吸性硝酸盐还原h.亚硝酸氨化作用：亚硝酸通过异化性还原经羟氨转变成氨的作用。一些气单胞菌、芽孢杆菌、肠杆菌第6页,共46页，2024年2月25日，星期天（3）硫循环（sulfurcycle）a.同化性硫酸盐还原作用：硫酸盐经还原后，最终以巯基形式固定在蛋白质等成分中b.脱硫作用（desulfuration）：在无氧条件下，通过一些腐败微生物的作用，把生物体中蛋白质等含硫有机物中的硫分解成硫化氢等含硫气体的作用c.硫化作用（sulfuroxidation）：即硫的氧化作用。硫化氢等无机硫化物被氧化成硫或硫酸的作用。硫杆菌属、光合厌氧菌d.异化性硫酸盐还原作用（反硫化作用）：硫酸作为厌氧菌呼吸链（电子传递链）的末端电子受体而被还原为亚硫酸或硫化氢的作用。e.异化性硫还原作用：硫还原成硫化氢的作用。脱硫单胞菌属第7页,共46页，2024年2月25日，星期天（4）磷循环（phosphoruscycle）a.不溶性无机磷的可溶化b.可溶性无机磷的有机化c.有机磷的矿化第8页,共46页，2024年2月25日，星期天（5）铁循环a.铁的氧化和沉淀：形成Fe3+b.铁的还原和溶解：形成Fe2+c.铁的螯合（6）其它元素的循环

锰、钙、硅第9页,共46页，2024年2月25日，星期天二、生物之间的相互关系1.偏利共生（commensalism）：二种生物存在于同一环境中，对一种生物的生长有利，而对另一种的生长无影响。2.互利共生（mutualism）：二种生物在同一环境中彼此能促进生长。如根瘤菌与豆科植物，瘤胃微生物与反刍动物3.拮抗（antagonism）：一种生物影响另一种生物生长的现象。霉菌抑制细菌生长；好氧菌与厌氧菌共同生长时4.竞争（competition）：两种以上的生物生活在同一环境中，由于它们需要摄取共同营养，使一方或双方的生长受到限制。优势菌5.寄生（parasitism）：一种生物生活在另一种生物的体内或体表，分专性寄生和兼性寄生。可致病或用于生物防治6.捕食（predation）：一种生物被另一种生物完全吞食第10页,共46页，2024年2月25日，星期天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。第11页,共46页，2024年2月25日，星期天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）第12页,共46页，2024年2月25日，星期天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。第13页,共46页，2024年2月25日，星期天三、水中的微生物1.来源（1）土壤：主要（2）空气：经雨雪（3）水生生物：2.种类需氧菌、噬盐菌（海洋）、厌氧菌（底部）、肠道病毒、藻类第14页,共46页，2024年2月25日，星期天3.影响存活的因素（1）pH（2）无机盐浓度：渗透压（3）有机物：水的富营养化（4）浊度（5）氧气（6）温度第15页,共46页，2024年2月25日，星期天4.评价指标（1）大肠菌群数：是微生物污染的指标

埃希杆菌属、柠檬酸杆菌属、肠杆菌属、克雷伯杆菌属——需氧或兼性厌氧的、革兰阴性无芽孢杆菌在动物粪便中普遍存在且数量甚多；在水中的存活时间长但不繁殖；对外界的抵抗力与致病菌相似；检测方法比较简便饮用水中，大肠菌群数≤3/升水（2）粪链球菌数：是人及温血动物肠道内的正常菌群，是粪便污染的指标

饮用水中不得检出另：细菌总数<100/毫升水第16页,共46页，2024年2月25日，星期天四、土壤中的微生物1.种类极其丰富（1）自养菌：碳化菌、硝化菌、硫化菌、铁细菌（2）异养菌：腐生菌、固氮菌、氨化菌（3）致病（芽孢）菌：（4）放线菌：抗生素的重要来源（5）真菌：以菌丝体和孢子的形式存在（6）藻类：硅藻、绿藻（7）病毒：肠道病毒为主，还有噬菌体2.作用：作为分解者参与物质循环第17页,共46页，2024年2月25日，星期天3.

来源（1）动物排泄物及尸体（2）污水：灌溉、渗入（3）固体废弃物4.分布特点（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。第18页,共46页，2024年2月25日，星期天五、空气中的微生物1.种类：细菌、真菌孢子、呼吸道病毒、支原体、衣原体、立克次体、尘螨等，均非原生2.来源：主要是动物的活动，真菌孢子可直接释放，水、土壤也可3.存活：和尘埃大小、空气流速、湿度、光照等因素有关4.危害：可以说是有百害而无一利（1）引起呼吸道传染病（2）污染食品，使其发霉、腐败变质、产生毒素（3）引起过敏反应（4）引起真菌病注意无菌操作第19页,共46页，2024年2月25日，星期天4.

微生物在空气中的传播方式（1）尘埃（dust）：固体（2）飞沫（droplet）：液体，来源于咳嗽、喷嚏，尤其是后者（3）飞沫核（dropletnuclei）：飞沫蒸发后，大多直径1~2μm，

存活时间与抵抗力有关第20页,共46页，2024年2月25日，星期天喷嚏和咳嗽所产生的飞沫大小颗粒的直径（μm）

颗粒的喷嚏数量咳嗽<1800000660001~686000213002~10100028004~160007008~15160038总数160460090838第21页,共46页，2024年2月25日，星期天不同大小的飞沫在空气中的沉降速度飞沫直径（μm）沉降速度（英尺/小时）10.3621.44591036509001003600第22页,共46页，2024年2月25日，星期天5.微生物气溶胶（aerosol）的概念以固体或液体微小颗粒（分散相）分散于空气（分散介质）中的分散体系。分凝集性气溶胶和分散性气溶胶，直径<10μm

可利用此特性，制备微生物气溶胶实现群体免疫第23页,共46页，2024年2月25日，星期天不同直径气溶胶到达呼吸道部位气溶胶直径（μm）到达部位>5鼻腔4~5支气管1~4肺泡<1随呼吸自由进出肺泡第24页,共46页，2024年2月25日，星期天六、极端环境下的微生物从一般噬到极端噬不等1.噬热微生物（thermophiles）：如PCR用Taq酶2.噬冷微生物（psychrophiles）：可引起冰箱冷藏食品变质3.噬酸微生物（acidophiles）：常同时噬热，多用于微生物冶炼4.噬碱微生物（alkalinophiles）：可用于洗涤剂5.噬盐微生物（halophiles）：海洋、盐湖6.噬压微生物（barophiles）：洋底、地心，均为厌氧菌第25页,共46页，2024年2月25日，星期天七、微生物与环境保护1.微生物对污染物的降解与转化（1）生物降解（biodegradation）（2）降解性质粒（catabolicplasmid）（3）降解反应和生物降解性

降解反应包括氧化反应、还原反应、水解反应、聚合反应生物降解性的大小与污染物的化学结构有关2.重金属的转化

微生物对重金属的转化可降低也可增强其毒性第26页,共46页，2024年2月25日，星期天3.水的富营养化（eutrophication）问题（1）定义：水体中因氮、磷等元素的含量过高引起水体表面的蓝细菌和藻类过度生长繁殖的现象（2）内容：

a.水华（waterbloom）：发生在淡水水体（江、河、湖、池等）中的富营养化现象

b.赤潮（redtide）：发生在河口、港湾、浅海等咸水水体的富营养化现象第27页,共46页，2024年2月25日，星期天第28页,共46页，2024年2月25日，星期天4.

环境污染物的微生物处理（1）污水的微生物处理

a.好氧处理：活性污泥法（activatedsludge）：由活细菌、原生动物和其它微生物群聚集在一起组成的凝聚团，在污水中有很强的吸附、分解有机物和毒物的能力生物膜法（biofilm）：生长在潮湿、通气的固体表面上的一层由多种活微生物构成的黏滑、暗色菌膜，能氧化、分解污水中的有机物及某些有毒物质。包括生物滤池法、生物转盘法

b.厌氧处理：沼气池

c.生态工程处理：氧化塘第29页,共46页，2024年2月25日，星期天（2）固体废弃物的微生物处理

a.好氧堆肥

b.沼气（marshgas）发酵：又称甲烷形成（methanogenesis）过程：先将有机物水解成各种有机酸，再进一步分解为乙酸、H2、CO2，产甲烷菌在厌氧条件下利用H2、CO2形成甲烷分解

产酸

产气（三步）第30页,共46页，2024年2月25日，星期天八、环境污染的微生物监测1.水污染：大肠菌群数、粪链（肠）球菌数、细菌总数2.土壤污染：细菌总数、大肠菌群数、产气荚膜杆菌值3.空气污染：细菌总数、绿色和溶血性链球菌数4.环境致突变物：Ames试验（鼠伤寒沙门菌组氨酸营养缺陷型回复突变）第31页,共46页，2024年2月25日，星期天微生态学

（Microecology）

研究生物体微环境内正常微生物群的分布及其与宿主相互关系的科学

1977年德国VolkerRush

首先提出第32页,共46页，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（主要为动物）各部位大量的、种类较稳定的、一般对宿主无害甚至有益的微生物种群2.正常菌群的分布：消化道、口腔、皮肤、呼吸道、泌尿生殖道3.正常菌群的建立：出生后接触外界环境即可获得第33页,共46页，2024年2月25日，星期天4.正常菌群的影响因素（1）宿主的因素

a.年龄：老年少于青少年

b.免疫反应：正常菌群免疫耐受

c.pH：

d.肠蠕动：能防止微生物在小肠中上部的群集

e.代谢：小肠结合型胆酸可抑制许多非土著菌，大肠游离型胆酸可抑制绝大多数菌

f.酶：唾液中含溶菌酶

g.疾病：改变原有正常菌群，改变微生态平衡第34页,共46页，2024年2月25日，星期天（2）饮食和环境的因素

a.饮食：促进正常菌群生长的成分

b.地理环境：与饮食、气候有关

c.气候：温度、湿度的影响

d.气压：

e.药物和其它治疗：滥用抗生素导致菌群失调

f.菌群间的相互影响：共栖、共生、抑制、竞争、寄生、捕食如：“卫星现象”；需氧菌与厌氧菌；细菌素第35页,共46页，2024年2月25日，星期天5.正常菌群的意义和作用（1）维持宿主组织、器官的正常结构和功能：是宿主内环境的重要组成部分（2）自然菌膜：是非特异性的局部保护膜（3）非特异性免疫作用：抑制致病菌的生长（4）合成维生素：动物肠道菌能合成维生素K、B2，生物素，叶酸等（5）拮抗外袭菌群的作用：通过降低pH，降低氧化还原电势，竞争养料和空间位置及产生抗菌物质第36页,共46页，2024年2月25日，星期天（6）对宿主新陈代谢的影响：

a.干扰肠内糖的吸收

b.分解胆酸

c.把胆固醇转换为甾醇

d.分解产氨和胺

e.转变胆红素为尿胆素和粪胆素

f.改变宿主消化酶的活性

g.影响维生素的吸收第37页,共46页，2024年2月25日，星期天二、菌群失调1.菌群失调的概念：在外界因素的作用下，某些微生物过量繁殖，使生物体内原有的菌群平衡被破坏（1）群集：原存在于体内的条件致病菌或进入机体的外来微生物在常住正常菌群中出现并增殖（2）二重感染：在抗生素治疗原有感染性疾病的过程中产生一种从微生物学及临床上证实的新感染（3）重复感染：从微生物学及临床上证实的与抗生素治疗无关的体内新感染，是在原有感染性疾病基础上并发的感染二重感染与重复感染的先决条件是有条件致病菌的群集第38页,共46页，2024年2月25日，星期天2.

抗生素与菌群失调（1）抗生素导致菌群失调：抗生素是引起菌群失调的重要诱因，而耐药菌的群集又促进菌群的失调（2）群集菌落的来源

a.原有存在于宿主体内的少量微生物，正常情况下被其它细菌抑制

b.体内原对药物敏感的菌株获得了耐药性变异

c.由外部进入体内的微生物：正常情况下为一过性第39页,共46页，2024年2月25日，星期天（3）抗生素导致菌群失调的机理

a.抗生素选择性地消除正常菌群中的抑制菌

b.抗生素直接促进条件致病菌的增殖

c.抗生素增强条件致病菌的毒力（4）群集与二重感染的常见微生物

耐药性金葡菌、绿脓杆菌、厌氧菌（如类杆菌）、深部真菌3.原有疾病与菌群失调菌群失调

机体抵抗力低下二重感染较易发生在原有感染病灶的组织器官，也可发生在与原有感染不同甚至原属无菌的组织器官

第40页,共46页，2024年2月25日，星期天4.菌群失调的防治原则（1）不滥用抗生素（2）微生态制剂治疗第41页,共46页，2024年2月25日，星期天三、条件致病菌（opportunisticpathogen）