微生物生态专题知识讲座.pptx

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,微生物生态专题知识讲座,微生物生态专题知识讲座,第1页,前 言,生态学：硕士物系统与其所处环境条件之间相互作用规律性科学。,研究内容：微生物群体,微生物区系（,microflora,）或正常菌群（,normal flora,）对其周围生物和非生物环境条件相互作用关系。,生态学研究范围：生物圈（,biosphere,）、生态系统（,ecosystem,）、群落（,community,）、种群（,population,）。,研究意义：,理论：地球进化和生物进化原因,实践：开发菌种资源、防治有害微生物、新微生物农药、菌肥、医药、混菌发酵、生态农业，促进探矿、冶金、环境保护、提升土壤肥力以及开发生物能等,微生物生态专题知识讲座,第2页,几个概念,生物圈：地球上全部生物。,生态系统：生物群落与其无机环境相结合、相作用、相调控而成动态系统。,群落：同一环境中两个以上种群因为生活繁殖上连锁而组成相依赖、相制约生物集团。,种群：生活在同一环境中同种个体组成能繁殖集团。与同种别地种群有隔离、有界限。,微生物生态专题知识讲座,第3页,第一节微生物在自然界中分布与菌种资源,本节内容：,一、微生物在自然界分布,二、菌种资源开发,微生物生态专题知识讲座,第4页,一、微生物在自然界中分布,生物体内外正常菌群,人体正常微生物区系,正常菌群,：生活在健康动物各部位，数量大、种类较稳定且普通是有益无害微生物，称为正常菌群。,正常菌群与人体关系：普通能维持平衡，菌群内部各种微生物之间，也是相互制约而维持相对稳定。,改变情况：正常菌群是相正确、可变、有条件。,机体防御机能减弱时，一个别正常菌群会成为病原微生物；,正常菌群在非正常部位时也可引发疾病；,因为外界原因影响，破坏了各种微生物之间相互制约关系，正常菌群也会引发疾病（菌群失调症）。,微生物生态专题知识讲座,第5页,其它生物体,无菌动物,（,germ-free animal,）：体内外检验不到任何正常菌群动物,悉生生物,（,gnotobiotics,）：已经人为接种某已知纯种微生物无菌动物,根际微生物,（,rhizosphere microorganism,）：植物根系经常向周围土壤分泌各种外渗物质，故根际有大量微生物活动。种类组成受植物种类和植物发育阶段影响。作用是改进植物营养、分泌生长刺激素及抗生素等；有时也有害，与植物争夺,N,、,P,等营养、分泌毒素等。,附生微生物,（,epibiotic microbe,）：指生活在植物体表面，主要借其外渗物质或分泌物质为营养微生物。叶面微生物是主要附生微生物。,微生物生态专题知识讲座,第6页,土壤中微生物,土壤中环境条件：营养、水分、空气、酸碱度、渗透压和温度条件都适于微生物生活，是微生物大本营、也是人类最丰富“菌种资源库”。,土壤中微生物数量：按种类递减,细菌,放线菌,霉菌,酵母菌,藻类,原生动物,10,8,10,7,10,6,10,5,10,4,10,3,个,/g,耕作土壤中，细菌湿重约,90 225kg,；以土壤有机质含量为,2%,计算，则所含细菌干重约为土壤有机质,1%,左右。,土壤微生物代谢活动，可改变土壤理化性质，进行物质转化，所以，土壤微生物是组成土壤肥力主要原因。,若按生物量计算则各种微生物生物量基础相当。,微生物生态专题知识讲座,第7页,土壤中微生物含量,土壤中微生物含量与土壤有机质含量有直接关系。,表层耕作土中含量最高，耕作层厚度,2030cm,，地表土受阳光直接照射，其中微生物含量较低。,采取土样时普通要刮开表土,23cm,后采样。,微生物生态专题知识讲座,第8页,我国各主要土壤含菌量,(,万,/,克干土,),土类地点细菌放线菌真菌,暗棕壤黑龙江呼玛,2,32761213,棕壤辽宁沈阳,1,2843936,黄棕壤江苏南京,1,4062716,红壤浙江杭州,1,1031234,砖红壤广东徐闻,5073911,磷质石灰土西沙群岛,2,2291,10515,黑土黑龙江哈尔滨,2,1111,02419,黑钙土黑龙江安达,1,0743192,棕钙土宁夏宁武,140114,草甸土黑龙江亚沟,7,8632923,嵝土陕西武功,9511,0324,白浆土吉林皎河,1,598553,滨海盐土江苏连云港,466410.4,微生物生态专题知识讲座,第9页,水中微生物,自然界江河湖海等各种淡水与咸水水域中都生存着对应微生物。,水域中微生物种类和数量与水域有机物、无机物种类和含量，光照、酸碱度、渗透压、温度、含氧量和有毒物质含量有亲密关系。,各种水系：,水,淡水,海水,地下水：无色杆菌、黄杆菌、革兰氏阳性杆菌、微球菌、诺卡氏菌,地表水,溪水：营养少、主要是革兰氏阴性无芽孢杆菌、生丝微菌,河水：出现假单孢菌、芽孢、肠杆菌、弧菌、螺菌、硫细菌、微球菌、八叠球菌、诺卡氏菌、链球菌、螺旋体等,污水,生活污水：荧光、绿脓、变形、枯草、阴沟、大肠、粪链球菌、病毒和噬菌体,生产污水：与所含污物相关,微生物生态专题知识讲座,第10页,海水：,平均含盐量：,3.5%,，密度大、渗透压高、冰点低,微生物组成：多数为革兰氏阴性菌、多嗜盐、河口处有耐盐菌，,嗜盐菌：低嗜盐菌，适于生活在盐浓度,25%,；,中等嗜盐菌，适于生活在盐浓度,520%,；,高嗜盐菌：适于生活在盐浓度,2030%,形 态：多有鞭毛，常见多形性、可变为球形、弧形、丝状及螺旋状，个体小；,生 理：兼性厌氧，生长慢，能在低营养下生活，常产色素，分解蛋白质能力强，解糖能力低，多嗜冷，对热敏感；,分 布：不均匀，与水深成反比，,010,米,少,1050,米,呈上升改变,50,米以下数量降低,海底沉积物上,多,常见菌种：假单孢菌、弧菌、螺菌、无色杆菌、黄杆菌,微生物生态专题知识讲座,第11页,清水型水生微生物,洁净湖泊和水库，微生物数量少（,1010,3,/ml,），以化能自养型和光能自养型微生物为主，个别腐生细菌，如色杆菌、无色杆菌和微球菌等；霉菌中如水霉、绵霉等一些种；以及单细胞和丝状藻类和一些原生动物常在水面生长，数量较少。以上微生物种类能够认为是水中“土著”菌群。,依据微生物对水生环境中营养要求，将其分为三类：贫营养细菌（,115mgC/L,）、兼性贫营养细菌（指一些在富营养培养基中经重复培养后也能适应并生长贫营养细菌）、富营养细菌（,10gC/L,）,贫营养指数（,O.I,）：某水样中贫营养细菌占总菌数百分比,微生物生态专题知识讲座,第12页,类型：流经城市河水、港口附近海水、滞留池水、阴沟水,环境情况：流入了大量人畜排泄物、生活污物和工业废水等，有机物含量大增,微生物数量和类群：,数量：大量外来腐生细菌，使腐败型水生微生物尤其是细菌和原生动物大量繁殖，每毫升污水微生物含量到达,10,7,10,8,个。,类群：,革兰氏阴性无芽孢杆菌，如,Proteus,、,E.coli,、,Enterobacter aerogenes,和,Alcaligenes,等，,各种,Bacillus,、,Vibrio,和,Spirillum,等一些种,纤毛虫类、鞭毛虫类和根足虫类等原生动物,还有一些随人畜排泄物和病体污物进入水体动植物致病菌,繁殖及后果：通常因水体环境中营养等条件不能满足其生长繁殖要求，加上周围其它微生物竞争和拮抗关系，普通难以长久生存，但因为水体流动，也会造成病原菌传输甚至疾病流行。,腐败型水生微生物,微生物生态专题知识讲座,第13页,水自净作用,污水中微生物在污水环境中大量繁殖，逐步把水中有机物分解成简单无机物，同时它们数量随之降低，污水也就逐步净化变清。,水源饮用价值：良好饮用水细菌含量应在,100,个,/ml,以下，当超出,500,个,/ml,时，即不适合作为饮用水。更主要是水中微生物种类，普通用大肠菌群数作为是否含有病原菌指标。,在自然水体尤其是快速流动水中，存在着对有机或无机污染物自净作用。其原因是多方面，有稀释、沉降、吸附等物理作用，更主要是各种生物学和生物化学作用，如好氧菌对有机物分解作用、原生动物对细菌等吞噬作用，噬菌体对宿主裂解作用，以及微生物产生凝胶物质对污染物吸附、沉降作用等使水中有机物含量降低，这种作用称为水自净作用。是流水不腐原因。,微生物生态专题知识讲座,第14页,空气中微生物,空气中环境条件：无营养和水分、紫外线直射,存在状态：漂浮，短暂停留，以吸附于尘埃微粒上形式存在。空气中尘埃颗粒数与微生物数量有直接关系。,分布：越靠近地面空气含菌量越高，当前人类检测到微生物存在最高处为,85km,高空。,种类：球菌、芽孢杆菌、产色素细菌、真菌孢子,空气中微生物数量测定：培养皿沉降法、液体阻留法,空气中微生物杀灭与去除：紫外线照射、甲醛熏蒸、药品喷雾、过滤除菌等，常见过滤介质有棉花、纱布、石棉滤板、活性炭或超细玻璃纤维过滤纸等。,微生物生态专题知识讲座,第15页,工农业产品上微生物,工业品：,食品：,农产品：,极端环境中微生物（自学）,微生物生态专题知识讲座,第16页,微生物引发工业产品霉腐,工业品类型：纤维制品、革制品、橡胶制品、油漆、卷烟、化装品等，塑料、水性涂料等，光学镜头、棱镜、建筑泥浆、钢缆、地下管道、金属材料等，电讯器材、感光和录音录象材料、文物、书画等,材料劣化：工农业产品因受气候、物理、化学或生物原因作用而被破坏现象,微生物引发劣化种类：,霉变（,mildew,，,mouldness,）：由霉菌引发劣化,腐朽（,decay,）泛指在好氧条件下微生物酶解有机质使其劣化现象，常见如由担子菌引发木材或木制品腐朽现象,腐烂（或腐败，,Putrefection,，,rot,）主要指由细菌或酵母菌引发使物体变软、发臭性劣化,腐蚀（,corrosion,）主要指由硫酸盐还原细菌、铁细菌或硫细菌引发金属材料侵蚀、破坏性劣化,变质（,deterioration,）指由各种生物或非生物原因引发工农业产品质量下降现象,微生物生态专题知识讲座,第17页,霉腐微生物学,定义：工农业产品劣化主要是霉变与腐烂，故研究危害各种工农业产品微生物种类、分布、作用机理以及怎样防治其危害科学。,霉腐微生物作用机理：,经过微生物酶系分解各种工农业产品中对应组分产生危害。,在矿物油中生长，不但因大量菌体阻塞机件，代谢产物会腐蚀金属器件,硫细菌、铁细菌和硫酸盐还原菌会对金属制品、管道和船体外壳等产生腐蚀,菌体和代谢物属于电解质，对电讯、电机器材等会危及其电学性能,有些霉菌分泌有机酸能腐蚀玻璃以致严重降低光学仪器性能,烟叶、中药材、化装品建材、图书、文物、档案、艺术品、生物标本,微生物生态专题知识讲座,第18页,霉腐微生物控制,控制其温度、湿度、氧气和养料,采取有效化学抑菌剂、杀菌剂或物理杀菌剂,在工业产品加工、包装过程中，尽可能保持环境卫生并严防杂菌污染,工业防霉剂筛选试验菌种及其特征,菌 名 破 坏 性 能,Aspergillus niger,（黑曲霉）在许多材料上广泛生长，抗铜盐,Asp.terreus,（土曲霉）侵蚀各种材料,Aureobacidium pullulans,（出芽短梗霉）侵蚀涂漆与喷漆,Paecilomyces varioti,（宛氏拟青霉）侵蚀塑料和皮革,Penicillium funiculosum,（绳状青霉）侵蚀织物及各种材料,P.ochro-chloron,（赭绿青霉）侵蚀塑料与织物，抗铜盐,Scopularriopsis brevicaulis,（短柄帚霉）侵蚀橡胶,Tricoderma viride,（绿色木霉）侵蚀纤维织物与塑料,微生物生态专题知识讲座,第19页,食品上微生物,食品基质条件：含有丰富营养物质和适宜环境,食品上微生物起源：食品原料采收、运输、加工和包装过程中被微生物污染，食品原料在土壤中生长所正常带有微生物,污染食品微生物种类：,Aspergillus,、,Penicillium,、,Fusarium,、,Alternaria,、,Paecilomyces,、,Rhizopus,、,Mucor,、,Trichoderma,、,Phoma,、,Escherichia coli,、,Staphylococcus aureus,、,Bacillus subtilis,、,B.megaterium,、,Salmonella,、,Proteus vulgaris,、,Pseudomonas aeroginosa,、,Lactobacillus,、,Streptococcus lactis,、,Clostridium,、,Sacchromyces cerevisiae,等。,微生物污染危害：除引发食品变质外，还可能含有各种致病菌和毒素等有害代谢产物，会引发人类各种严重疾病,微生物生态专题知识讲座,第20页,预防霉腐方法：,在加工、制造、包装过程中必须尤其注意清洁卫生,控制保藏条件,采取低温、干燥、密封等办法,添加少许无毒化学防腐剂,如苯甲酸、山梨酸、脱氢醋酸、维生素,K,、丙酸、二甲基延胡索酸等,主要食品中常见防腐剂应用情况,食品名硝酸盐,SO,2,环六甲甲酸乙酸丙酸山梨酸苯甲酸 对羟基联苯烟熏,亚硝酸盐 基胺 苯甲酸酯,干酪（,+,）,（,+,）,+,（,+,）（,+,）,+,肉制品,+,（,+,）,+,（,+,）,+,水产品,+,+,+,+,+,蔬菜食品,+,+,+,（,+,）,果品,+,+,+,（,+,）,（,+,）,软饮料,+,+,+,（,+,）,葡萄酒,+,+,面包,+,糖果糕点,+,（,+,）,+,微生物生态专题知识讲座,第21页,罐头食品变质与微生物,罐头食品种类：,酸性食品罐头,：属于普通酸性食品（,pH3.74.5,）者，如番茄、梨、无花果、菠萝和其它水果罐头；属于高酸食品（,pH5,食品称低酸食品，如多数肉类、海产品、牛奶、玉米和豌豆等；,pH,为,4.55,食品则称中酸食品，如肉菜混合物、汤料和沙司等。,需要用较高灭菌温度，尤其是肉类罐头。,变质时，可检出,Bacillus stearothermophilus,（嗜热脂肪芽孢杆菌）和,B.coagulans,（凝结芽孢杆菌）等“平酸菌”，还可分离到,Clostridium thermosaccharolyticum,（嗜热解糖梭菌）等成算产气菌以及分解蛋白质,C.sporogenes,（生孢梭菌）、,C.histolyticum,（溶组织梭菌）和,C.botulinun,（肉毒梭菌）等厌氧梭状芽孢杆菌。除平酸菌外在生长过程中都会产生大量,CO,2,和,H,2,，从而引发罐头膨胀（“胖听”）。其中,C.botulinum,还会产生对人畜有剧毒细菌外毒素,肉毒毒素。,微生物生态专题知识讲座,第22页,农产品上微生物,粮食和饲料上微生物,主要菌种：以青霉属、曲霉属、镰孢霉属（,Fusarium,）等一些种为主。,真菌毒素：当前已知五万各种真菌中，最少有两百多个种能产生一百各种真菌毒素，其中有,14,种致癌，两种是剧毒致癌剂，其一为黄曲霉毒素（,aflatoxin,），另一个是由一些镰孢菌产生单端孢烯族毒素,T2,。凡是被霉菌严重污染粮食普通都含有各种真菌毒素，所以，“,防癌必先防霉,”。一份“黄变米”试样中,70%,米粒污染有产毒真菌，并都含有真菌毒素；北京空气中飘浮真菌中,11.5,是产毒真菌。,主要真菌毒素：黄曲霉毒素、赭曲霉素、杂色曲霉素、岛青霉素、黄天精、环氯素、展青霉素、桔青霉素、皱褶青霉素、黄绿青霉素、青霉酸、圆弧青霉素、偶氮酸、单端孢烯族毒素、二氢雪腐镰刀菌烯酮和,T2,毒素等。,微生物生态专题知识讲座,第23页,二、菌种资源开发,工业发酵产物性质：,菌体物质,生产分解酶类,生产主流代谢产物、次生代谢产物或生物合成产物,菌种筛选普通标准和基础步骤：,采集菌样：了解目标菌分布情况、首选样品是土壤,富集培养：利用选择性培养基原理，向所采土样中加入一些特殊营养物，并创造一些有利于待分离对象生长条件，使样品中少许能分解利用该营养物微生物大量繁殖，以提升其在群体中百分比，使之便于分离。,纯种分离：见第八章第五节“菌种衰退、复壮与保藏”。,性能测定：见第八章第五节“菌种衰退、复壮与保藏”。,微生物生态专题知识讲座,第24页,采取土壤样品要考虑几个问题,土质肥，微生物含量高，尤其肥沃土壤中细菌多，放线菌少；在植物残体枯枝落叶下土壤中较多含有拮抗性真菌。,离地面,520cm,处土壤通气良好、不受阳光直射，喊菌量最高。,采土季节以春秋两季最好。,采土方法：选择适当地点、铲除表土、取土样数十克，盛入事先准备无菌防水纸袋中，其上统计采土时间、地点、植被情况等。,多点采土、混合分离，能够代表每一地块上微生物分布平均情况,微生物生态专题知识讲座,第25页,土样富集培养,含有目标菌较多土样不需要富集培养,假如原有样品中目标菌含量低，能够人为地添加对应基质，培养使之以较其它微生物更加快速度生长繁殖，从而提升它们在样品中百分比，便于分离。,富集培养普通方法：采取有利于目标菌种而不利于无关微生物营养和培养条件，以到达使目标菌种在群体中百分比上升目标。,一些有特定物质产生能力菌种，不轻易富集，只有经过大量艰辛工作筛选取得。,微生物生态专题知识讲座,第26页,一些细菌富集条件,富集对象 接种菌样添加营养物,(g),特殊培养条件,好氧氨基酸氧化菌土壤,好氧,，,pH7.0,好氧性芽孢杆菌土壤，巴氏消毒,好氧,，,pH7.0,氨基酸发酵性梭菌土壤，巴氏消毒,厌氧,，,pH7.0,耐碱解尿素芽孢菌土壤，巴氏消毒 尿素,50,好氧,，,pH8.6,厌氧八叠球菌土壤 葡萄糖,20,厌氧,，,pH23,乳酸菌植物体或牛奶 葡萄糖,20,厌氧,，,pH6.5,肠道细菌土壤或污水葡萄糖,20,，,CaCO,3,20,好氧或厌氧，,pH7.0,丙酸菌干酪 乳酸钠,20,厌氧,，,pH7.0,醋酸菌果实或生啤酒 乙醇,40,好氧,，,pH6.0,注：培养基成份为酵母膏,10g,，,KH,2,PO,4,或,K,2,HPO,4,1.0g,，,MgSO,4,7H,2,O 0.2g,，,加水,1000ml,。普通培养在,30,下。,微生物生态专题知识讲座,第27页,第二节微生物与生物环境之间相互关系,微生物与任何一个生物之间关系：,双方获益：共生、互利共栖、协同共栖、互养共栖（,+,）,单方获益，对方受害：寄生、捕食、拮抗（,+,），（,+,）,单方获益，对方无害：偏利共栖、卫星状共栖、互生（代谢共栖）（,+0,）,互不相扰：无关共栖（,00,）,一方受害，对方无益无损：偏害共栖（,0,）,双方受损：竞争共栖（,）,共栖：两种生物同时栖生于一个环境中，双方生命活动相互作用而形成各种利害关系。共栖搭档彼此离开，各自都有独立生活能力。,微生物生态专题知识讲座,第28页,一、互生,定义：两种能够单独生活生物，当它们生活在一起时，经过各自代谢活动而有利于对方，或偏利于一方生活方式。,微生物间互生关系,：,好氧性自生固氮菌与纤维分解菌,氧化乙酸脱硫单胞菌与一个绿硫细菌，卫星状共栖，脱氢与光合,拉曼毛霉与一个红酵母，都是,VB,1,需求者，都是只能合成硫胺素分子二分之一结构；二者共栖时，相互吸收对方分泌物而能够不需要,VB,1,，此为代谢共栖。,人体肠道正常菌群,：,排阻、抑制外来致病菌,提供若干种维生素：如,VB,1,、,B,2,、,B,6,、,B,12,、,VK,、烟酸、泛酸、生物素、叶酸等,产生若干种酶类,一定程度固氮作用,产气体和粪臭素,混菌培养与生产实践,天然混菌培养,纯种混菌培养（人为自觉混合培养或混合发酵技术,生态工程）,微生物生态专题知识讲座,第29页,混合发酵举例,Arthrobacter simplex,（简单节杆菌）和,Streptomyces roseochromogenes,（玫瑰产色链霉菌）混合培养进行甾体转化,Propionibacterium shermanii,（谢氏丙酸杆菌）和,Bacillus mesentericus,（马铃薯芽孢杆菌）或,E.coli,混合培养可生产颉氨酸,Corynebacterium glutamicum,（谷氨酸棒杆菌）和,E.coli,混合培养可生产组氨酸,Cellulomonas flavigena,（产黄纤维单胞菌）和,Pseudomonas putida,（恶臭假单胞菌）混合培养可分解,9798%,预处理稻草粉，以生产单细胞蛋白,Trichoderma viride,（绿色木霉）,408.2,和,Aspergillus oryzae,（米曲霉）,3.042,混合曲能够提升酱油产率,将,Aspergillus niger,（黑曲霉）和,Zymomonas mobilis,（运动发酵单胞菌）包埋在海藻酸钠小球中，能够直接将淀粉浆转化为乙醇,混菌发酵分为同时合作进行与序列发酵两种，是依据时间上先后是否划分。,微生物生态专题知识讲座,第30页,二、共生,定义：两种生物共居在一起，相互协作分工，相依为命，以至到达难分难解、合二为一一个关系。,微生物间共生关系,：,地衣,产氢产乙酸菌株（,S,菌株）与产甲烷细菌（,MOH,菌株）,微生物与植物间共生关系,：,根瘤菌与豆科植物,放线菌、藻状菌、蓝细菌、分枝杆菌和克雷伯氏菌与一些非豆科植物之间根瘤,菌根，尤其多见于兰科、杜鹃科及其它森林树种,微生物与动物之间共生关系,：,白蚁、蟑螂与其消化道中原生动物及其它微生物（外共生生物）,反刍动物与其瘤胃微生物,微生物生态专题知识讲座,第31页,牛与瘤胃微生物共生关系示意图,CO,2,，,CH,4,，,H,2,等,大量菌体,有机酸、乙醇,从口中呕气,排泄物,牛肉、牛奶,在皱胃,中消化,瘤胃,吸收,瘤胃,微生物大量繁殖,唾液,纤维质饲料,自然,菌源,微生物生态专题知识讲座,第32页,三、寄生,定义：普通指一个小型生物生活在另一个较大型生物体内或体表，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现象。,微生物间寄生,：,噬菌体与其宿主之间关系,真菌对真菌寄生,细菌或真菌寄生于原生动物,细菌寄生于细菌：蛭弧菌寄生于,Pseudomonas phaseolicola,（栖菜豆假单胞菌）,微生物与植物之间寄生关系,：,植物病原体,专性寄生物,和,兼性寄生物,微生物与动物之间寄生关系,：,各种病原微生物,昆虫病原菌,生物农药,冬虫夏草,微生物生态专题知识讲座,第33页,四、拮抗,定义：由某种生物所产生某种代谢产物可抑制他种生物生长发育甚至杀死它们关系。,普通多用来指代微生物之间“化学战术”,有时也将因某微生物生长而引发其它条件改变抑制他种生物现象称为拮抗，如缺氧、,pH,值改变等,拮抗关系利用：为筛选抗生素、食品保藏、医疗保健、动植物病害防治等提供有效伎俩。,五、捕食,定义：一个较大型生物直接捕捉、吞食另一个小型生物以满足其营养需要相互关系。,微生物间捕食关系,原生动物吞食细菌和藻类现象。,真菌捕食线虫和其它原生动物现象,捕食现象利用,生物防治,微生物生态专题知识讲座,第34页,第三节微生物在自然界物质循环中作用,生物圈繁荣发展，能量起源主要依赖于太阳，而元素起源主要依赖于由微生物推进物质循环。,地球进化可分为：化学进化和生物学进化两个阶段。生物学进化分为：单极生态系统、双极生态系统、三极生态系统等三阶段。,原始地球大气组成氢化物气体：水、氨、甲烷、硫化氢等。,原始海洋聚集了地壳表面大量可溶性化合物，成为诞生原始生命摇篮,微生物生态专题知识讲座,第35页,地球进化,化学进化：,由无机小分子生成有机小分子物质,由有机小分子物质形成生物大分子物质,由生物大分子组成团聚体或微球体形式多分子体系，并深入演变为原始生命,生物进化,单极生态系统：只存在单一营养类型（异养分解者）生态系统。原始汤中生物为异养、厌氧、发酵代谢,双极生态系统：生态系统中具备了自养与异养（即合成和分解）两个步骤。自养者是蓝细菌。,三极生态系统：因为不一样类型原核生物间发生内共生作用，出现了真核动物细胞和真核植物细胞，形成了三极生态系统。即出现了食物链。,微生物生态专题知识讲座,第36页,水体食物链（一个三极生态系统）,消费者,分解者,生产者,大鱼,小鱼,虾类,浮游动物,真菌细菌,真菌细菌,微生物生态专题知识讲座,第37页,一、碳素循环,大气中,CO,2,（,0.032%,）周转利用最快。大气中,CO,2,只够绿色植物约,20,年使用。,微生物在碳素循环中作用：把有机物中碳元素尽快矿化和释放，从而使生物解处于一个良好碳平衡循环中。地球上约,90%,CO,2,是由微生物分解作用形成,微生物分解作用：光合作用固定,CO,2,中大个别以聚糖形式积累于木本和草本植物躯干中，木材占,60%,，其中,75%,是纤维素、约,20%,是木质素和木聚糖、蛋白质仅占,1%,左右。在草本植物中多糖含量更高。分解纤维素任务就是由土壤中一些特殊微生物来完成。,微生物生态专题知识讲座,第38页,醇,+,有机酸,H,2,+CO,2,碳、氢、氧元素在自然界中循环,有氧条件下无氧条件下,光合作用”发酵作用,呼吸作用,CO,2,+H,2,OO,2,+,“,CH,2,O”,CH,4,甲烷产生作用,化石燃料,微生物生态专题知识讲座,第39页,分解纤维素微生物,分解纤维素微生物主要是担子菌亚门非褶菌目标真菌、其它如一些放线菌、细菌和原生动物等也含有这种能力。真菌分解纤维素能力最强，包含一些子囊菌、半知菌和担子菌。,分解半纤维素微生物：真菌在分解半纤维素开始阶段较为活跃，后期主要靠放线菌。能分解半纤维素真菌很多，大大超出能分解纤维素真菌。,半纤维素分解产物有己糖、戊糖，糖醛酸等。,微生物生态专题知识讲座,第40页,二、氮素循环,自然界氮素循环是各种元素循环中心，而微生物是整个氮素循环中心。,氮元素自然形态：,（,1,）,铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐、（,2,）有机含氮物、（,3,）氮气。,（一）生物固氮,据,70,年代中期统计全球生物圈每年生物固氮达,1.7,10,8,吨，其中草原,3.5 10,7,吨，林地,4.0 10,8,吨，海洋,3.6 10,8,吨，其它土壤,0.6 10,8,吨。,根瘤菌属每年可为每公顷土地固氮达,250Kg,。,微生物生态专题知识讲座,第41页,生物固氮与化学固氮比较,生物固氮化学固氮,生产条件温和（中温、常压）高温（,500,）高压（,200500atm,）,产量根瘤菌属,250Kg/,公顷,非豆科植物共生固氮菌,22Kg/,公顷,自生固氮菌,0.52.5Kg/,公顷,共计：,1.7,10,8,吨,/,年,5.0 10,7,吨,/,年,其中：草原,3.5 10,7,吨,林地,4.0 10,8,吨,海洋,3.6 10,8,吨,其它土壤,0.6 10,8,吨,微生物生态专题知识讲座,第42页,（二）硝化作用（,nitrification,）,定义：土壤或水体中氨态氮经化能自养菌氧化而成为硝酸态氮过程。,过程：两阶段,（,1,）由亚硝化细菌参加，铵亚硝酸；（,2,）由硝化细菌参加，亚硝酸硝酸。,意义：是自然界氮素循环中不可缺乏一环，对农业无益。,（三）硝酸盐同化作用（,assimilatory,nitrate reduction,）,定义：绿色植物和微生物在利用硝酸盐过程中，硝酸盐被重新还原成,NH,4,+,后再被利用于合成各种含氮有机物，这就是硝酸盐同化作用。,微生物生态专题知识讲座,第43页,（四）氨化作用（,ammonnification,）,定义：含氮有机物竟微生物分解产生氨作用。,含氮有机物种类：蛋白质、尿素、尿酸、几丁质等,分解蛋白质微生物种类：,Pseudomonas fluorescens,（荧光假单胞菌），,Proteus vulgaris,（普通变形杆菌），,Bacillus megaterium,（巨大芽孢杆菌），,B.subtilis,和,B.mycoides,（蕈状芽孢杆菌），,Clostridium putrificum,（腐败梭菌）。,分解尿素细菌如,Sporosarcina ureae,（脲芽孢八叠球菌）和,Bacillus pasteurii,（巴氏芽孢杆菌）。,分解几丁质细菌如,Bacterium chitinophilum,（嗜几丁杆菌）和,Chromobacterium chitinochroma,（几丁色色杆菌）等。,意义：含氮有机物必须经过微生物降解才能被植物利用。,微生物生态专题知识讲座,第44页,（五）铵盐同化作用（,assimilation of ammonium,）,全部绿色植物和微生物进行以铵盐作为营养，合成氨基酸、蛋白质、核酸和其它含氮有机物作用。,（六）异化性硝酸盐还原作用（,dissimilatory,nitrate reduction,）,定义：硝酸粒子作为呼吸链末端电子受体被还原为亚硝酸反应。有时亚硝酸可深入经过亚硝酸铵化作用（,nitrite ammonification,）而产生氨或深入经过反硝化作用（,denitrification,）产生氮气、,NO,或,N,2,O,。,菌种：兼性厌氧菌，行无氧呼吸菌种。,微生物生态专题知识讲座,第45页,（七）反硝化作用,定义：由硝酸盐还原成,NO,2,并深入还原成,N,2,过程（广义）。狭义反硝化作用仅指由亚硝酸还原成,N,2,过程。,条件：厌氧（淹水土壤或死水塘中）,菌种：少数异养和化能自养菌。如：,Bacillus lichenoformis,（地衣芽孢杆菌）、,Paracoccus denitrificans,（脱氮副球菌）、,Pseudomonas aeruginosa,（铜绿假单胞菌）、,Ps.stutzeri,（施氏假单胞菌）、,Thiobacillus denitrificans,（脱氮硫杆菌）以及,Spirillum,（螺菌属）和,Moraxella,（莫拉氏菌属）等。,意义：土壤中氮元素流失主要原因之一。水稻田中施用化学氮肥，有效利用率只有,25%,左右。另外能够利用水生性反硝化细菌去除污水中硝酸盐。,微生物生态专题知识讲座,第46页,（八）亚硝酸氨化作用,定义：亚硝酸经过异化性还原能够经羟胺而转变成氨，叫做亚硝酸氨化作用。,菌种：,Aeromonas,（气单胞菌属）、,Bacillus,（芽孢杆菌属）、,Enterobacter,（肠杆菌属）、,Flavobacterium,（黄杆菌属）、,Nocardia,（诺卡氏菌属）、,Vibrio,（弧菌属）和,Staphylococcus,（葡萄球菌属）等。,微生物生态专题知识讲座,第47页,三、硫素循环与细菌金属滤沥,生物体对硫需要量约为氮,1/10,。,硫循环与氮循环相同，各步骤都有对应微生物参加。,菌种：,1.,植物和微生物,2.,腐败微生物,3.,好氧：贝日阿托氏菌属、发硫菌属、硫杆菌属,厌氧：绿菌属、着色菌属,4.,脱硫弧菌属、脱硫肠状菌属,5.,脱硫单胞菌属,生物体有机硫,S,5.,异化性硫酸盐还原,SO,4,2,H,2,S,1.,同化性硫酸盐还原,2.,脱硫,作用,4.,硫氧,化作用,（,2,）,3.,硫氧化作用（,1,）,6.,异化性硫还原,细菌滤沥也称细菌冶金，主要有三步：,1.,溶矿：硫酸铜溶出,2.,置换：用铁屑置换铜,3.,再生浸矿剂：,Fe,2+,Fe,3+,微生物生态专题知识讲座,第48页,四、磷循环,能溶解土壤中磷酸钙或磷灰石微生物较多。靠产酸作用促进磷酸钙溶解。如硝化细菌和硫化细菌。,植素、核酸和磷脂等，能分解这些物质微生物更多蜡状、蕈状、多粘芽孢杆菌、解磷巨大芽孢杆菌等。,水体中可溶性磷酸盐浓度过大造成水体富营养化，进而严重污染水源。,生物体,有机磷,磷酸或可溶性磷酸盐,不溶性磷酸盐,产酸微生物作用或磷肥生产,与土壤中盐基结合,植被与微生物吸收同化,微生物分解作用,微生物生态专题知识讲座,第49页,五、铁循环,铁循环主要在无机物或有机物中,Fe,2+,与,Fe,3+,之间氧化还原反应。,菌种：化能自养铁细菌，如 纤发菌属、泉发菌属和嘉利翁氏菌属；化能自养硫细菌，如氧化亚铁硫杆菌。,微生物生态专题知识讲座,第50页,第四节污水处理微生物学原理,环境污染：生态系统结构、机能受到外来有害物质 影响或破坏，无法进行正常物质循环。,水体污染表现：无法进行水自净作用,污水种类：生活污水、工业有机污水（如屠宰、造纸、淀粉和发酵工业）、工业有毒污水（如农药、炸药、石油化工、电镀、印染、制革等行业）和其它污水（如医院）。,有害物质种类：农药、炸药、多氯联苯（,PCB,）多环芳烃（致癌）酚、氰和丙烯腈等,污水处理方法中，最关键、最有效和最常见是微生物处理法。,微生物生态专题知识讲座,第51页,一、污水处理中特殊微生物,自然界中微生物分解能力：,分解氰诺卡氏菌属等,14,属,49,种,分解多氯联苯少数红酵母、假单胞菌,无色杆菌属等,分解多环芳烃产碱杆菌、假单胞菌、,棒杆菌、诺卡氏菌,分解硝基炸药柠檬酸杆菌属、肠杆菌属,克雷伯氏菌属、埃希氏菌属,假单胞菌属等若干菌种,降解高分子物质恶臭假单胞菌、芽孢杆菌,微生物生态专题知识讲座,第52页,二、微生物处理污水原理,污水处理装置是一个小型生态系统，在其中利用各种生理生化性能微生物类群间相互配合而进行一个物质循环过程。,高,BOD,5,污水进入处理装置后，其中自然微生物区系在好氧条件下，依据其中营养物质或有毒物质情况，在可观上造成了一个选择性培养条件，并伴随时间推移，发生了微生物区系有规律更迭，从而使水中有机物或毒物不停被降解、氧化、分解、转化或吸附沉降，进而到达去除污染物和沉降、分层效果。其废渣经过厌氧发酵生产沼气和有机肥。,微生物生态专题知识讲座,第53页,污水处理相关名词,BOD,5,（,biological oxygen demand,）：五日生化需氧量。表示水中有机物含量间接指标。普通指在,20,下，,1L,污水中所含有机物（主要是有机碳源），在进行微生物氧化时，,5,日内所消耗分子氧毫克数（或,ppm,数）。,测定方法：取一定量被测水样，用加有磷素营养和经氧饱和稀释用水稀释到一定浓度，然后放在密封瓶中，在,20,恒温培养,5,天，测定水中残留溶解氧量。,COD,（,chemical oxygen demand,）：即化学需氧量。使用强氧化剂使,1L,污水中有机物质快速进行化学氧化时所消耗氧毫克数。实际上许多无机物也能被氧化而影响,COD,值。,COD,能在短时间内测得，有利于指导现场操作。常见氧化剂是,K,2,Cr,2,O,7,，测得为,COD,Cr,。,微生物生态专题知识讲座,第54页,三、污水处理主要装置,污水处理装置,节能型,耗能型,产能型：,氧化塘法,洒水滤床法,活性污泥法,生物膜法,厌氧消化法（即沼气发酵）,推流式曝气法,完全混合曝气法,生物转盘法,塔式滤池法,微生物生态专题知识讲座,第55页,第五节沼气发酵与环境保护,沼气（,marsh gas,或,swamp gas,）：又称生物气（,biogas,），是一个混合可燃气体，其中主要成份为甲烷、还含有少许,H,2,、,N,2,、,CO,2,等。,沼气发酵：其生化本质是一个由产甲烷细菌进行甲烷形成（,methanogenesis,）过程。,甲烷形成阶段理论：,1906,年，,Omeliansky,提出，由纤维素等复杂有机物经甲烷菌分解直接产生,CH,4,和,CO,2,；,1930,年代有些人将其分为产酸和产气两阶段；,1979,年,Bryant,提出三阶段理论。即：,大分子降解产酸，厌氧和兼性厌氧菌，产物为有机酸、氨、,H,2,、,CO,2,；,产氢产乙酸细菌，产物为乙酸和,H,2,；,产甲烷菌群，严格厌氧产物为甲烷。,微生物生态专题知识讲座,第56页,