微生物第八章

第八章 微生物生態(tài)重點(diǎn)與難點(diǎn)剖析一生態(tài)學(xué)基本概念生物圈：地球上所有生物及其所居住的環(huán)境的總和.生物 初級生產(chǎn)者 非生物 無機(jī)物 消費(fèi)者 有機(jī)物 分解者 氣候(大氣、太陽能、生活空間、水)生態(tài)系統(tǒng)：生物群落與其周圍環(huán)境相互作用的功能系統(tǒng)，是生物圈的組成單元。生物圈中任何一個(gè)相對完整的自然整體都是一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。一個(gè)池塘，一片森林等。種群或群體（population）：指屬于同一個(gè)種的一大群生物（同一個(gè)種的生物，不同個(gè)體的集合）。群落（community）：指一定區(qū)域中的所有種群。能量流：能量通過生態(tài)系統(tǒng)從一種生物傳遞給另一種生物的現(xiàn)象。每一營養(yǎng)級能量 自身代謝活動以熱的方式損耗 生物死亡后為分解者分解 未被分解，以有機(jī)物形式貯存 剩余（10-20%）為高一營養(yǎng)級的生物所消費(fèi)熱量 自身呼吸熱量 自身呼吸熱量 自身呼吸 光能 光合生物 食草動物 食肉動物自身呼吸熱量 分解者營養(yǎng)庫（化學(xué)物質(zhì)貯存庫）微生物可以在多個(gè)方面但主要作為分解者而在生態(tài)系統(tǒng)中起重要作用生態(tài)學(xué)：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)。微生物生態(tài)學(xué)：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。t 微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的作用；t 各種環(huán)境中的微生物，微生物和其它生物的關(guān)系；t 微生物與環(huán)境保護(hù)二微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的作用1M在生態(tài)系統(tǒng)中的地位生態(tài)系統(tǒng)： 物質(zhì)循環(huán)生物群落 所生活的非生物環(huán)境 能量流動生產(chǎn)者：從無機(jī)物合成有機(jī)物;消費(fèi)者：利用有機(jī)物進(jìn)行生活，一般不能將有機(jī)物直接分解成無機(jī)物;分解者：分解有機(jī)物成無機(jī)物（1）微生物是有機(jī)物的主要分解者: 微生物最大的價(jià)值也在于其分解功能。它們分解生物圈內(nèi)存在的動物和植物殘?bào)w等復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)，并最后將其轉(zhuǎn)化成最簡單的無機(jī)物，再供初級生產(chǎn)者使用。（2）微生物是物質(zhì)循環(huán)中的重要成員: 微生物參與所有的物質(zhì)循環(huán)，大部分元素及其化合物都受到微生物的作用。在一些物質(zhì)的循環(huán)中，微生物是主要的成員，起主要作用；而一些過程只有微生物才能進(jìn)行，起獨(dú)特作用；而有的是循環(huán)中的關(guān)鍵過程，起關(guān)鍵作用。（3）微生物是生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者: 光能營養(yǎng)和化能營養(yǎng)微生物是生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者，它們具有初級生產(chǎn)者所具有的二個(gè)明顯特征，即可直接利用太陽能、無機(jī)物的化學(xué)能作為能量來源，另一方面其積累下來的能量又可以在食物鏈、食物網(wǎng)中流動。（4）微生物是物質(zhì)和能量的貯存者: 微生物和動物、植物一樣也是由物質(zhì)組成和由能量維持的生命有機(jī)體。在土壤、水體中有大量的微生物生物量，貯存著大量的物質(zhì)和能量。（5）微生物在地球生物演化中的作用: 微生物是最早出現(xiàn)的生物體，并進(jìn)化成后來的動、植物。藻類的產(chǎn)氧作用，改變大氣圈中的化學(xué)組成，為后來動、植物出現(xiàn)打下基礎(chǔ)。2M與生物地球化學(xué)循環(huán)生物地球化學(xué)循環(huán)（Biogeochemical cycling）: 指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。這種循環(huán)是地球化學(xué)循環(huán)的重要組成部分。 循環(huán)快: 生命物質(zhì)的主要組成元素（C、H、O、N、P、S），循環(huán)較慢: 少量元素（Mg、K、Na、鹵素元素）；跡量元素（Al、B、Co、Cr、Cu、Mo、Ni、Se、V、Zn） 課堂講解 碳循環(huán)、氮循環(huán) （1）碳循環(huán)碳素是一切生命有機(jī)體的最大組分，接近有機(jī)物質(zhì)干重的50%。碳循環(huán)是最重要的物質(zhì)循環(huán)。 P75在好氧條件下，大生物和微生物都能分解簡單的有機(jī)物和生物多聚物；微生物是唯一在厭氧條件下進(jìn)行有機(jī)物分解的 （2）氮循環(huán)6種氮化合物的氧化還原反應(yīng)所組成:N2, NH3(NH4+), NO2, NO3, N2O, R-NH2 固氮 氨化（脫氨）、硝化作用（化能自養(yǎng)微生物：硝化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌） 硝酸鹽還原 同化硝酸鹽還原（硝酸鹽還原成亞硝酸鹽和氨，氨被同化成氨基酸） 異化硝酸鹽還原 發(fā)酵性硝酸鹽還原（硝酸鹽作為發(fā)酵過程的附帶受體，還原成亞硝酸鹽和氨） 呼吸性硝酸鹽還原 （硝酸鹽呼吸，最終電子受體，還原成亞硝酸鹽和氨） 反硝化作用（硝酸鹽呼吸，還原成N2O、N2）三生態(tài)環(huán)境中的微生物1M種群之間的相互作用相互作用的基本類型包括8種：P293 中立生活：沒有關(guān)系偏利作用：一個(gè)受益（必需），一個(gè)無影響。偏利：巖石表面的微生物生長，使不溶性的無機(jī)鹽溶出；降解多聚物產(chǎn)生有機(jī)酸，代謝有機(jī)酸生成甲烷；協(xié)同作用：互相獲利，但可以單獨(dú)生活，種群可以替換?；セ莨采夯ハ喃@利，但不可分離單獨(dú)生活，不可替換。藍(lán)細(xì)菌和真菌的共生體-地衣藍(lán)細(xì)菌：光合作用， 固氮作用；真菌：提供生長因子。寄生：內(nèi)寄生：病毒，蛭弧菌；外寄生：不進(jìn)入或不接觸，產(chǎn)生一些胞外酶，裂解宿主細(xì)胞，釋放出營養(yǎng)物質(zhì)。如食藻細(xì)菌。 捕食： 原生動物偏害（拮抗）： 競爭：生存空間和食物2M在自然界中的分布微生物的特點(diǎn)：個(gè)體微小、代謝營養(yǎng)類型多樣，適應(yīng)能力強(qiáng) 微生物在自然界中分布廣泛。在某些生境中，高度專一性的微生物存在并僅限于這種生境中，并成為特定生境的標(biāo)志。（1）空氣中的微生物 不適合微生物的生長繁殖，無固定的微生物區(qū)系； 來源于土壤、水體及人類的生產(chǎn)、生活活動； 種類主要為真菌和細(xì)菌，一般與其所在環(huán)境的微生物種類有關(guān)； 數(shù)量取決于塵埃數(shù)量（ 附著在灰塵上,“微生物之舟”）； 停留時(shí)間和塵埃大小、空氣流速、濕度、光照等因素有關(guān)； 停留時(shí)間和塵埃大小、空氣流速、濕度、光照等因素有關(guān)； 與人類的關(guān)系：傳播疾病、造成食品等的污染測定方法：培養(yǎng)皿沉降法；液體阻留法（2）水體中的微生物淡水、海水中微生物的數(shù)量和分布不同。天然湖泊、污染水域微生物的種類和數(shù)量不同。主要影響因子：營養(yǎng)物水平、溫度、光照、溶解氧、鹽分等。富光層：光合藻類，好氧M；中度光照層：好氧M，兼性厭氧M；貧光層：厭氧M嚴(yán)重污染的水會通過食物鏈的生物放大作用危害人類健康靠近城市或城市下游水中的微生物多。水體的富營養(yǎng)化作用， “水花”、“赤潮”水體大量的有機(jī)物或無機(jī)物，特別是磷酸鹽和無機(jī)氮化合物 水的富營養(yǎng)化 藻類等過量生長，產(chǎn)生大量的有機(jī)物 異養(yǎng)微生物氧化這些有機(jī)物，耗盡水中的氧，使厭氧菌開始大量生長和代謝 分解含硫化合物，產(chǎn)生H2S，從而導(dǎo)致水有難聞的氣味 魚和好氧微生物大量死亡，水體出現(xiàn)大量沉淀物和異常顏色。（3）土壤中的微生物土壤是固體無機(jī)物(巖石和礦物質(zhì))、有機(jī)物、水、空氣和生物組成的復(fù)合物，是微生物的合適生境（大本營）。土壤微生物種類多、數(shù)量多、代謝潛力巨大，是主要的微生物源。 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。 土壤微生物的數(shù)量和分布受季節(jié)影響； 微生物的數(shù)量也與于土層的深度有關(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。（4）極端環(huán)境下的微生物嗜熱微生物;嗜冷微生物;嗜酸微生物;嗜堿微生物;嗜鹽微生物;嗜壓微生物研究意義： 開發(fā)利用新的微生物資源，包括特異性的基因資源； 為微生物生理、遺傳和分類乃至生命科學(xué)及相關(guān)學(xué)科許多領(lǐng)域的研究提供新的課題和材料； 為生物進(jìn)化、生命起源的研究提供新的材料。（5）不可培養(yǎng)微生物（uncultured microorganisms）從環(huán)境中直接分離并克隆rRNA并分析其序列和在分子進(jìn)化樹上的位置等方法而發(fā)現(xiàn)的的目前尚不能在人工條件下獲得培養(yǎng)的微生物。參見P372：研究意義：生物多樣性和系統(tǒng)發(fā)生的多樣性（Biodiversity and Phylogenetic diversity）;微生物生態(tài)學(xué)的研究提出新的要求; 尋找新的致病微生物; 從不可培養(yǎng)微生物中尋找新的基因、新的蛋白.據(jù)報(bào)道，美國recombianant biocatalysis Inc公司目前已從不可培養(yǎng)微生物中獲得了約300個(gè)與工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的新蛋白.（6）動物體中的M人體微生物:皮膚: 一個(gè)成年人的皮膚大約有2m2，約有1012細(xì)菌。優(yōu)勢的細(xì)菌種群是革蘭氏陽性菌，革蘭氏陰性菌較少見,真菌有瓶形酵母屬. 皮膚表面正常棲居的微生物對外來微生物具有排斥作用，可以防止外來微生物和病原微生物的侵染，對皮膚有保護(hù)作用?？谇? 包括細(xì)菌、放線菌、酵母菌、原生動物，以細(xì)菌數(shù)量最多 胃腸道:胃， 僅有數(shù)量較低的附在胃壁上的抗酸微生物，包括酵母、鏈球菌、乳桿菌等 小腸，近胃端的低量(103CFu/ml)到近大腸端的高量(108CFu/ml)。 大腸，微生物數(shù)量巨大(1011CFu/ml)，區(qū)系組成包括：擬桿菌、真桿菌、厭氧鏈球菌、雙歧桿菌、腸球菌、腸桿菌、乳酸菌、梭菌、酵母等。 微生物合成的維生素、蛋白質(zhì)，產(chǎn)生的能源可以為人吸收利用。 （7）植物相關(guān)M 莖、葉、果實(shí)的表面是某些M（好氧）生存的良好環(huán)境，細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌、酵母等；某些M能夠引起植物病害； 植物根部微生物l 根際微生物：由根面向外伸展，具有一個(gè)M梯度的區(qū)域。l 老根、腐根際，大量、多樣M; 健康幼根，選擇性M ;說明根的分泌物較植物碎片更具選擇性l 菌根：植物的根 + 真菌（子囊菌，擔(dān)子菌） 共生體.l 外生菌根，內(nèi)生菌根 P300l 根瘤：根瘤菌與豆科植物的共生體，弗蘭克氏菌與非豆科植物（喬木和灌木等木本植物形成的共生體）四 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）環(huán)境污染物的來源自然存在：重金屬，烴類，放射性物質(zhì)等 經(jīng)轉(zhuǎn)化及富集：由于生活或工業(yè)加工過程對自然界存在的物質(zhì)富集、轉(zhuǎn)化。污水，肥料，燃料燃燒廢物，石油等。 人工合成： 農(nóng)藥; 表面活性劑; 合成聚合物; 石油化工產(chǎn)品 . 非自然界存在物質(zhì)，特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)，化學(xué)鍵，難降解物質(zhì)。當(dāng)前研究的主要課題. （2）降解質(zhì)粒：質(zhì)粒編碼了控制某些污染物的降解 P305 2污染物的M處理（1）BOD 與 COD（biological oxygen demand）（chemical oxygen demand）BOD：水中有機(jī)污染物在需氧微生物作用下進(jìn)行氧化所消耗的氧氣量。實(shí)際測定時(shí)，在一定的溫度下，5天的需氧量。 BOD5COD：水中有機(jī)污染物在強(qiáng)氧化劑作用下進(jìn)行化學(xué)氧化所消耗的氧氣量。KMnO4：氧化率60%左右. CODMnK2Cr2O7：氧化率80-100%. CODCr（2） 污水處理 一級處理：粗大固形物 二級處理：生物，化學(xué)，物理法去除有機(jī)物 三級處理：生物，化學(xué)，物理法去除N、P及其他無機(jī)物好氧處理 活性污泥法 二級處理 生物膜法: 生物濾池, 生物轉(zhuǎn)盤, 生物接觸氧化法 厭氧處理 沼氣發(fā)酵, 光合細(xì)菌 活性污泥法活性污泥是由復(fù)雜的微生物群落與污（廢）水中的有機(jī)、無機(jī)固體物混凝交織在一起構(gòu)成的絮狀物，又稱為菌膠團(tuán)?；钚晕勰嘀械奈⑸锝M成一個(gè)微型的、復(fù)雜的、有密切相互關(guān)系的混合生物群體的生態(tài)系統(tǒng)。有細(xì)菌、真菌、原生動物、后生動物等多種微生物群體結(jié)合組成 微生物的代謝反應(yīng)