微生物生态1.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,9,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,(viable but nonculturable state,VBNC state),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,University of Maryland,的,R R Colwell,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,近年来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。,Micrococcus aquivivus,（,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,(sulfur bacterium),其大小可达0.75,mm，,Thiomargarita namibiensis,-,“纳米比亚硫磺珍珠”,从永冻冰层分离微生物,南极,Vostok,湖冰芯样品中的微生物,(,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,H,2,S,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”,(water bloom):,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,(red tides):,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,(Deep Subsurtace Program),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,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；,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。,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,(,B cereus,),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！,PNAS:,肠道菌群与人体健康关系研究取得重要进展,最近，由多个科研和医疗机构的科学家们组成多学科交叉研究团队，经过近,3,年的联合攻关，在肠道菌群与人体健康关系的研究中取得了重要进展。研究人员对一个四世同堂的中国家庭,7,位成员的肠道微生物组成和人体代谢特征进行了详细分析，鉴定出肠道内参与了人体代谢过程的一些重要的细菌。其研究成果日前发表在国际权威学术杂志,美国国家科学院院刊,（,PNAS,）上。,(,美国国家科学院院刊,（,Proc Natl Acad Sci U S A.,，,PNAS,）,2008,105(6):2117-22.),生活在人体肠道内数以万亿的细菌被统称为肠道菌群，它们和人体有着密不可分的互利共生关系。肠道菌群的组成影响着每个人的健康。经研究发现，肠道菌群结构紊乱与许多诸如糖尿病、肥胖症等疾病有关。不同的人具有不同的肠道菌群组成结构，饮食、药物以及环境因素可以影响个体肠道菌群的组成。因此，科学家们认为可以通过发明一些以肠道细菌为靶点的药物，纠正紊乱的菌群结构从而达到治疗各种疾病的目的。,该项目的研究人员利用细菌,DNA,指纹图谱和基因组标记测序等基因组技术全面深入地刻画了这,7,位中国成员肠道菌群的组成结构，发现他们尽管属于同一个家庭，遗传背景彼此相关、生活环境相似，但每一个个体仍然具有其特有的肠道菌群结构特征。同时也发现了，中国人的肠道菌群结构在种的水平和以往报道的,5,个美国人有明显的差异，这也提示我们在比较两个国家各种疾病发生的风险时，除了考虑遗传差异，还必须要考虑肠道菌群的差异。,同时，研究人员利用基于核磁共振的代谢组技术分析志愿者尿液中代谢物的组成，用以反映人体的整体代谢状况。通过比较志愿者肠道菌群组成变化与他们的代谢特性变化的关系，初步发现了肠道内某些特定细菌与人体尿液中的某些代谢物呈显著的相关关系，提示这些肠道细菌对人体健康特别重要。例如，研究者发现人体肠道内共有的一种“友好”细菌,属于厚壁菌门（,Firmicutes,）梭菌科（,Clostridiaceae,）的,Faecalibacterium prausnitzii,与,8,种人体的代谢物质有统计相关性；提示这种细菌在参与宿主多种代谢过程中有着很重要的作用。,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,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。,图95 微生物之间的拮抗现象（图,A,是一种芽孢杆菌产生的细菌素对茄子黄萎病菌的拮抗作用；图,B,是五株放线菌的菌丝琼脂块对黄瓜枯萎病菌的拮抗作用）,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。,