席宇《環(huán)境微生物學(xué)》13環(huán)境微生物學(xué)講義

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1、環(huán)境微生物學(xué),鄭州大學(xué)生物工程系 席 宇,Environmental Microbiology,第二章 微生物生態(tài)學(xué),Chapter outline,一、概 論,二、自然生態(tài)系統(tǒng)中微生物的分布,三、微生物之間的相互作用,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(dòng)互相作用、互相依存而構(gòu)成的一個(gè)生態(tài)學(xué)功能單位。,生態(tài)系統(tǒng)(ecosystem)：,生態(tài)學(xué)(ecology)：,研究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(xué)。,第一節(jié) 概 論,一、基本概念,生命科學(xué)研究中，一般可分成十個(gè)水平，依次為：,生物圈(biosphere),生態(tài)系統(tǒng)(ecosystem),群

2、落(community),種群(population),個(gè)體(individual),器官(organ),組織(tissue),細(xì)胞(cell),細(xì)胞器(organelle),分子(molecule),,生態(tài)學(xué)范疇,the study of microbial relationship with other organisms and also with nonliving environments.,These relationships, based on interactive uses of resources, have effects extending to the global

3、 scale.,Microbial ecology,Methods used to study microbial interaction and microbial ecology provide information on environmental characteristics; microbial biomass.,Numbers, types and activity, and community structure.,Microscopic, chemical, enzymatic and molecular techniques are used in these studi

4、es.,微生物生態(tài)學(xué)(microbial ecology)：,研究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)；,Microbial ecology,Environmental microbiology,,?,The term microbial ecology is now used in a general way to describe the presence and distributions of microorganisms.,Microbial ecology is the the study of

5、the behavior and activities of microorganisms in their natural environments.,Microbial ecology,Environmental microbiology,It is not concerned with the particular micro-environment where the microorganisms actually are functioning, but with the broader-scale effects of microbial presence and activiti

6、es.,Environmental microbiology is relates primarily to all over microbial processes that occur in a soil, water or food, as examples,二、自然環(huán)境中微生物的生態(tài)學(xué)特點(diǎn),1.微環(huán)境（微生境 microhabitat）,微生物個(gè)體微小，所處的環(huán)境也微小，肉眼見不到，一般稱為微環(huán)境(microenvironments)。,在一個(gè)土壤團(tuán)塊內(nèi)或一條植物根的表面，可能存在著許多環(huán)境因素不同的微環(huán)境。每一微環(huán)境中只適宜于某種或某些微生物生長(zhǎng)繁殖，從而形成復(fù)雜的微生物區(qū)系(mic

7、roflora)。,2.表面環(huán)境*與附生,環(huán)境中的營養(yǎng)物常吸附于物體表面，所以表面營養(yǎng)水平高，菌數(shù)多。天然水濾去顆粒物，近99的細(xì)菌亦被除去。,微生物在物體表面形成生物膜（biofilm,BF），過程如下；,(1).有機(jī)質(zhì)附著在物體表面上。,(2).附著于表面上的有機(jī)物的化學(xué)信息，誘導(dǎo)微生物向它定向移動(dòng)進(jìn)而以其一端附著在表面上。,(3).吸附在表面上的微生物分泌出胞外聚合物，菌體與物體表面粘著在一起，形成牢固吸附層。,表面吸附的微生物數(shù)往往比水體中高幾十倍到幾百倍。,3.寡營養(yǎng),自然界營養(yǎng)水平往往只有1mgCL-10mgCL或更低，與培養(yǎng)基中的有機(jī)物水平約1gCL-10gCL相比是很低的。所以

8、在自然狀態(tài)下生活的微生物常處于營養(yǎng)貧乏的狀況,無毒的有機(jī)污染物進(jìn)入土壤或水體，可引起微生物數(shù)量劇增,能在1mgCL-15mgCL低含量有機(jī)質(zhì)培養(yǎng)基中生長(zhǎng)的細(xì)菌,謂寡(或貧)營養(yǎng)細(xì)菌(oligotrophic bacteria)，它們?cè)谌コ哿坑袡C(jī)污染物方面具有應(yīng)用潛力。,4.生長(zhǎng)緩慢,在自然界中微生物很少有對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，生長(zhǎng)很緩慢。如E.coli在肉湯中的代時(shí)為20min左右，在人腸道中為12h；而牧場(chǎng)土壤中的細(xì)菌，代時(shí)可長(zhǎng)達(dá)1200h。,在實(shí)驗(yàn)室里研究天然微生物生態(tài)系統(tǒng)的適宜模型是恒化器(chemostat)*。,自然環(huán)境中的微生物一般都不是單獨(dú)存在的,個(gè)體、種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)從低到高的組織

9、層次,,種群（population）：具有相似特性和生活在一定空間內(nèi)的同種個(gè) 體群，是組成群落的基本組分。,群落（community）：在一定區(qū)域或一定生態(tài)環(huán)境內(nèi)，各種生物 群體構(gòu)成的一個(gè)生態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)單位，群落中 各生物群體之間存在各種相互作用。,第二節(jié) 自然生態(tài)系統(tǒng)中微生物的分布,生物圈（biosphere）：地球上所有生物及其所生活的非生命環(huán)境 的總稱。,個(gè)體,,群體,,群落+非生物環(huán)境,,生態(tài)系統(tǒng),,生物圈,任何一個(gè)相對(duì)完整的自然整體都可以被看作為一個(gè)生態(tài) 系統(tǒng)，如一個(gè)池塘，一片森林，一個(gè)污水處理池，等等。,Pop

10、ulations Guilds Communities Ecosystem,Microorganisms and Microenvironment,Metabolically related populations constitute groupings called guilds.,Sets of guilds conducting complementary physiological processes interact to form microbial communities.,In a microbial ecosystem individual cells grow to fo

11、rm populations.,,,Community 3,,Microbial communities then interact with communities of microorganisms to define the entire ecosystem.,Ecosystem,A Simple Ecosystem,An alga,which releases photosynthetically generated oxygen and organic matter to its enviroment ,is surrounded by chemoheterotrophs that

12、are using these products of primary production.,Microorganisms in Nature,Distribution of microorganisms In: Soil Water Air Food With plants and animals,Terrestrial Environments,The distribution of microorganisms in nature ecosystem depends on the resources (nutrients) available and on the growth con

13、ditions.,Temperature, pH, water availability, light, oxygen of a habitat define the niche for each particular microorganism.,Soil particles are not homogeneous in terms of their oxygen content. The outer zones of a small soil particle may be fully oxic, whereas the center, only a very short distance

14、 away, can remain completely anoxic.,A soil aggregate composed of mineral and organic components, showing that localization of soil microbes.,Very few microorganisms are found free in the soil solution; most of them occur as microcolonies attached to the soil particles.,Proportion of different soil

15、microorganisms in soil,Microbial number and biomass in cultivated field soil（15 cm）,Main types of soil microorganisms,The rhizosphere is the soil region in close contact with plant roots.,Rhizosphere Effect ( R/S ratio ),根 圈 效 應(yīng) （根土比）,Within the rhizosphere, the plant roots exert a direct influence

16、 on the soil bacteria. This influence is known as the rhizosphere effect.,In the rhizosphere, microbial populations reach much higher densities in the rhizosphere than in the free soil.,Microbial populations in the rhizosphere may benefit the plant by:,increasing solubilization of mineral nutrients

17、needed by the plant for growth,synthesizing vitamins, amino acids, auxins, gibberellins that stimulate plant growth,antagonizing potential plant pathogens through competition and the production of antibiotics,removing hydrogen sulfide, which is toxic to the plant roots,Freshwater Environments,Typica

18、l aquatic environments are the oceans, estuaries, salt marshes, lakes, ponds, rivers, and springs.,Aquatic environments differ considerably in chemical and physical properties, and their microbial species compositions also differ.,Marine Environments,Much of the primary productivity occur in the ope

19、n oceans,Inshore ocean areas are typically more nutritionally fertile and therefore support more dense populations of phytoplankton,In the oceans primary productivity is rather low,第三節(jié) 微生物與生物環(huán)境間的關(guān)系,生態(tài)系統(tǒng)中生物之間的相互關(guān)系：,有利關(guān)系：一種生物的生長(zhǎng)和代謝對(duì)另一種生物的生長(zhǎng)產(chǎn)生,有利的影響，或相互有利；,有害關(guān)系：一種生物的生長(zhǎng)對(duì)另一種生物的生長(zhǎng)產(chǎn)生有害的,影響，或相互有害；,中性關(guān)系：二種生物

20、生活在一起時(shí)，彼此對(duì)對(duì)方的生長(zhǎng)代謝,無明顯的有利或有害影響；,動(dòng)物間的關(guān)系,植物間的關(guān)系,動(dòng)植物間的關(guān)系,狼狽為奸,日本人的生意經(jīng),相生相克,情花之毒與斷腸草,花和蜘蛛合作吃人,微生物生態(tài)的研究特點(diǎn)：,以微生物群體，即種群作為主要研究單位。,,Commensalism（偏利） Synergism（互生） Mutualism（共生） Competition（競(jìng)爭(zhēng)） Antagonism（拮抗） Parasitism（寄生） Predation（捕食）,Microbial population interactions,Neutralism(中立) there is no any physio

21、logical effect between the populations.,Commensalism（偏利） Commensalism is a unidirectional relationship betwen populations in which one population benefits and the other one is unaffected.,Synergism（互生） Synergism indicates that both populations benefit from the relationship but the association is

22、not obligatory. Both populations are capable of surviving independently.,Mutualism Symbiosis（互利共生） Mutualism Symbiosis is an obligatory inter- relationship between two populations that benefits both of them. Lichens is composed of a fungus and an alga.,Competition（競(jìng)爭(zhēng)） Competition occurs when two

23、populations are striving for the same resource of nutrients or the habitat.,Antagonism（拮抗） Antagonism occurs when one population produces a substrate inhibitory to another population.,,Parasitism（寄生） the parasite population is benefited and the host population is harmed.,Predation is a widespread

24、 phenomenon where the predator engulfs or attacks the prey. The predator can be larger or smaller than the prey, and this normal results in the death of the prey.,Predation（捕食）,Classification of population interaction,0:No effect; +: positive effect; -: negative effect.,EFFECT OF INTERACTION,微生物間及與其

25、它生物間相互關(guān)系：,一、互生(syntrophism; protocooperation),二種可以單獨(dú)生活的生物，當(dāng)它們生活在一起時(shí)，通過各自的代謝活動(dòng)而有利于對(duì)方，或偏利于一方的一種生活方式,又稱原始的共生關(guān)系。,“可分可合，合比分好”,一）微生物間的互生關(guān)系,纖維素分解細(xì)菌,,固氮菌,金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)為本來在平板上不能生長(zhǎng)的嗜血流感菌 提供生長(zhǎng)因子，后者在其菌苔周圍形成衛(wèi)星菌落。,本來不能在含青霉素的平板上生長(zhǎng)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）,二）人體腸道正常菌群,互生關(guān)系（正常情況）,寄生關(guān)系（某些特殊條件下）,,人腸道內(nèi)的菌群：

26、,60-400種不同的微生物，占糞便干重的1/3是細(xì)菌，其中厭氧菌占了絕大多數(shù)。,正常菌群通過腸道獲取營養(yǎng)；,通過排阻、抑制外來致病菌；提供許多人,一定程度的固氮作用,體所必不可少的維生素、氨基 酸等營養(yǎng)物對(duì)人體作出貢獻(xiàn)；,環(huán)境條件改變或著生部位改變：,,正常菌群,致病菌,濫用抗生素；,人身體虛弱抵抗力下降；,吃了不潔凈的食物；,腸道中的正常菌群，大腸桿菌，一旦進(jìn)入泌尿系統(tǒng)，引起尿路感染。,人體表面的正常菌群，一旦它們進(jìn)入傷口也會(huì)引起感染。,條件致病菌：人體的正常微生物菌群一旦進(jìn)入非正常聚居部位， 或生態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而引起人類疾病的微生物。,可以通過口服某些活的微生物制劑來治療由于

27、正常菌群失調(diào)而導(dǎo)致的腹瀉。,含蠟狀芽孢桿菌（B cereus）的“促菌生”，含地衣芽孢桿菌的“整腸生”等，它們都是通過芽孢桿菌的生長(zhǎng)，為腸道重新創(chuàng)造良好的厭氧環(huán)境，促使腸道內(nèi)正常的厭氧菌的生長(zhǎng)繁殖，這類活微生物制劑又稱微生態(tài)制劑。,二、共生（symbiosis）,二種生物共居在一起，相互分工協(xié)作、相依為命，甚至 形成在生理上表現(xiàn)出一定的分工，在組織和形態(tài)上產(chǎn)生 了新的結(jié)構(gòu)的特殊的共生體。,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）微生物間的共生關(guān)系,地衣-----藻類和真菌的共生體,形成有固定形態(tài)的葉狀結(jié)構(gòu)： 真菌無規(guī)則地纏繞藻類細(xì)胞，或二者組成一定的層次排列。 地衣繁

28、殖時(shí)，在表面上生出球狀粉芽，粉芽中含有少量的藻類細(xì)胞 和真菌菌絲，粉芽脫離母體散布到適宜的環(huán)境中，發(fā)育成新的地衣,結(jié)構(gòu)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(jī)養(yǎng)料； 共生藻進(jìn)行光合作用，合成有機(jī)物；,使地衣能在十分貧瘠的環(huán)境中生存。,,二）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,------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(zhǎng)，同時(shí)，還為根瘤菌提供保護(hù)和穩(wěn)定 的生長(zhǎng)條件。,反芻動(dòng)物，如牛、羊、駱駝、長(zhǎng)頸鹿等以植物的纖維素為主要 食物，它們?cè)诹鑫钢薪?jīng)微生物發(fā)酵變成有機(jī)酸和菌體蛋白再供 動(dòng)物吸

29、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(zhǎng)條件,----食物和嚴(yán)格的厭氧環(huán)境,所以從更科學(xué)的角度來講：反芻動(dòng)物不僅是食草動(dòng)物，更應(yīng)該是食菌動(dòng)物。,三）微生物與動(dòng)物的共生關(guān)系,三、寄生(parasitism),一種小型生物生活在另一種相對(duì)較大型生物的體內(nèi)或 體表，從中取得營養(yǎng)和進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖，同時(shí)使后者蒙 受損害甚至被殺死的現(xiàn)象。,寄生物（parasite）,寄主或宿主（host）,,一）微生物間的寄生,噬菌體細(xì)菌,蛭弧菌細(xì)菌,真菌真菌,真菌、細(xì)菌原生動(dòng)物,二）微生物與動(dòng)植物間的寄生關(guān)系,各種各樣的致病菌和病毒多是行寄生生活,這些病原微生物給人們的生活和生產(chǎn)帶來了極大的危害,當(dāng)然，人

30、們只要控制合適，還可以化害為利，服務(wù)人類,四、拮抗(antagonism),某種生物產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物可抑制它種生物的生長(zhǎng)發(fā)育 甚至將后者殺死。,微生物間的“化學(xué)戰(zhàn)術(shù)”,抗生菌產(chǎn)生能抑制其它生物生長(zhǎng)發(fā)育的抗生素；,微生物間的生長(zhǎng)抑制,因某種微生物的生長(zhǎng)而引起的其它條件的改變， 從而抑制它種生物的生長(zhǎng),五、競(jìng)爭(zhēng)(competition),兩個(gè)種群因需要相同的生長(zhǎng)基質(zhì)或其它環(huán)境因子，致使增長(zhǎng)率和種群密度受到限制時(shí)發(fā)生的相互作用，其結(jié)果對(duì)兩種種群都是不利的。,當(dāng)兩種以上微生物共同生活于同一環(huán)境中，如果它們所需要的營養(yǎng)是一樣的，而共同營養(yǎng)物又是有限的，則方或雙方生長(zhǎng)受影響，這種現(xiàn)象叫作營養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)(compe

31、tition for nutrients),如在一個(gè)有限的生境中，雖然營養(yǎng)能夠充分滿足，但由于微生物數(shù)量劇增，空間就顯得太小就會(huì)發(fā)生空間競(jìng)爭(zhēng)(competition for space)。,六、捕食(predation),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(duì)被食者種群產(chǎn)生不利影響。,微生物間的捕食現(xiàn)象：,原生動(dòng)物吞食細(xì)菌和藻類；,粘細(xì)菌吞食細(xì)菌和其它微生物；,真菌捕食線蟲和其它原生動(dòng)物；,捕蟲菌目（Zoopagales）在長(zhǎng)期的自然進(jìn)化中形成的特化結(jié)構(gòu)， 特化菌絲構(gòu)成巧妙的網(wǎng)，可以捕捉小型原生動(dòng)物或無脊椎動(dòng)物， 捕獲物死后，菌絲伸入體內(nèi)吸收營養(yǎng)。,,思考題 ： 1）試用一些典型例子說明微生物與生物環(huán)境之間的相互關(guān)系 2）微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的地位怎樣？,Thanks for your presence and advice！,