微生物生态医学宣教.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,*,资料仅供参考,不当之处，请联系改正。,重点：,微生物与植物之间的相互关系,互生、共生、寄生,2.,微生物,在,C,、,N,、,S,、,P,循环中的作 用及其相关微生物,第一节 生态系统,一、生物圈和生态系统,二、生态系统中的能量流和物质流,三、微生物生态系统,特点,作用,构成,生态学是一门研究生命系统与环境系统间相互作用规律的科学,微生物生态学（Microbial Ecology）是生态学的一个分支，它的研究对象是微生物群体与其周围生物和非生物环境条件间相互作用的规律,生物圈（biosphere）、生态系统（ecosystem）、群落（community）、种群（population）、个体（individual）、器官（organ）、组织（tissue）、细胞（cell）、细胞器（organelle）、分子（molecule）,生 物 圈,(biosphere)：地球表面进行生命活动的有机圈层,生态系统,(ecosystem)：生物群落与其生存环境组成的整体系统。它是生物圈的基本组成单元，也是功能单元,一、生物圈和生态系统,二、生态系统中的能量流和物质流,能量流：,能量通过生态系统从一种生物传递给另一种生物的现象叫做能量流,物质流：,生态系统内通过生产者、消费者和分解者的作用进行的物质循环,食物链：,由生产者产生的有机物，以食物的形式从一系列食用和被食用的步骤通过生态系统，形成一种食物链索关系,微环境：,紧密围绕微生物细胞的环境，它与微生物的关系比大环境更为密切,稳定性：,群落中的优势种作为主导者使群落稳定,适应性：,通过改变群体的结构适应新环境,基因流,:,微生物生态系统中基因的平行转移,三、微生物生态系统,特点,微生物在生态系统中的主要作用,初级生产者的重要成员：光能自养、化能自养微生物,最主要的分解者：化能异养微生物参与有机物质的矿化,在生物地球化学循环中参与物质转变,代谢产物对动植物和其它微生物的促进或抑制作用,微生物生态系统构成,种群,(,Populations,),共位群,(,Guilds),群落,(,Communities),生态系统,(Ecosystem),种群,（population):,生活在同一环境中的同种个体细胞生长组成,In a microbial ecosystem individual cells grow to form,populations,共位群,(guild):,在代谢作用上相关的种群,Metabolically related populations constitute groupings called,guilds,群落,（community):,同一环境中两个以上共位群由于生活繁殖与代谢上的连锁而构成相互依赖、制约的生物群体,Sets of guilds conducting complementary physiological processes interact to form microbial,communities,生态系统,(Ecosystem):,微生物群落与大生物群落和环境相互作用则构成一个完整的生态系统,Microbial communities then interact with communities of macroorganisms and environment to define the entire,ecosystem,生物膜,(,Biofilm,):,微生物细胞与基质表面形成的有组织 的微生物系统,微生物垫,(Microbial mat):,在特定环境发展的巨大生物膜,单一细胞层,复杂多层细胞,更为成熟的生物膜,细胞团,间隙和导管,A Simple Ecosystem,藻类：,O,2,，有机质,化能异养细菌,Community 1,Photic zone cyanobacteria and algae,6CO,2,+6H,2,O C,6,H,6,O,6,+6O,2,Community 2,Oxic zone Chemoorganotrophic bacteria,C,6,H,12,O,6,+6O,2,6CO,2,+6H,2,O,Anoxic zone,Community 3,Guild 1:,methanogenic bacteria,(CO,2,CH,4,),homoacetogenic bacteria,(CO,2,acetate),Guild 2:,sulfate reducing bacteria,(SO,4,2-,H,2,S),sufur-reducing bacteria,(S,0,H,2,S),Guild 3:,denitrifying bacteria,(NO,3,-,N,2,),ferric iron-reducing bacteria,(Fe,3+,Fe,2+,),Guild 4:,fermentative bacteria(fermenting sugar,et al),Individual,Population,lake,ecosystem,第二节 自然界中的微生物,微生物无处不在！,第二节 自然界中的微生物,一、,土壤中的微生物,二、自然水域中的微生物,三、,空气中的微生物,四、极端环境下的微生物,五、未培养微生物,一、土壤中的微生物,（一）土壤是适合微生物生活的“天然培养基”,由于土壤具备了各种微生物生长发育所需要的营养、空气、酸碱度、渗透压和温度等条件，所以土壤中微生物的种类和数量是其他任何生态系统无法比拟的。,动植物残体、有机肥料,矿物质成分,团粒结构调节了空气和水分的含量,渗透压在,3-6,之间,pH,范围多数在,5.5-8.5,之间,土壤的保温性,阻挡紫外线杀伤,Very few：free in the soil solution,Most as：microcolonies attached to soil particles,原位杂交法得到的微生物在土壤颗粒上的微菌落形态,Soil particles are not homogeneous in terms of their oxygen content,Visualization of microorganisms on the surface of soil particles by use of SEM,Left:Rod-shape bacteria,Center:Actinomycete spores（放线菌孢子）,Right:Fungus hyphae（真菌菌丝）,细菌：,细菌最多，占土壤微生物总量的70-90%,放线菌：,数量次于细菌，约占5-30%,真菌：,数量次于细菌和放线菌，但生物量最高。,藻类：,单细胞硅藻或丝状绿藻等，约占1%,原生动物：,主要包括纤毛虫、鞭毛虫等。它们数量不多，但对土壤有机质的分解起着重要的作用。,病毒：,主要以噬菌体的形态存在，其生物量甚微。,（二）土壤中的微生物及生物量,Proportion of different soil microorganisms,耕作层(15cm)土壤中的微生物数量和生物量,类群,菌数,(cfu/g),生物量,(g/m,2,）,细菌,10,8,160,真菌,10,5,200,放线菌,10,5,-10,6,160,藻类,10,4,-10,5,32,原生动物,10,4,38,From L.Hawker:Microorganisms,20世纪80年代，美国能源部-,地下科学计划（Deep Subsurface Program）,地下的微生物在陆地可达4公里处！,九十年代初期从地下数公里发现的超微型细菌，用代谢产生的CO,2,作指标，计算出其代谢速率仅为地上正常细菌的10,-15,，认为它们需要100年才能分裂一次。,1）作为地质标记,2）分离特殊的蛋白（基因）,在特定土壤中存在的具有特征性的微生物类群，称为土壤微生物区系。采用多种培养基和培养方法，培养土壤中微生物区系的各个组分，从而认识特定土壤的微生物区系在数量和类群上的特点，称为土壤微生物区系分析,（三）土壤微生物区系,1、土壤微生物区系分析法,测定细菌、放线菌和真菌数量：分别采用牛肉膏蛋白胨、高氏一号、马铃薯蔗糖培养基,选择培养基,:,测定土壤中特定生理功能群的数量，如固氮菌、硝化细菌，反硝化细菌、硫化细菌、纤维素分解细菌，厌气菌等,2、土壤微生物区系的特点,类群、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,土壤类型的不同而有很大变化,季节影响,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,Profile of a mature soil,土著性区系,是以土壤腐殖质为主要有机养料，生长慢，数量稳定，作用持久。主要以G,无芽胞杆菌和放线菌等为主,发酵性区系,是以在新鲜动植物分泌物、排泄物和残体为主要有机养料，其代谢活性和数量表现为大起大落的间歇性。主要包括假单胞菌属、芽胞杆菌属的细菌、青霉、曲霉和毛霉属的真菌等,3、,土著性区系与发酵性区系,二、自然水域中的微生物,(一)自然水域具有微生物的良好生活条件,营养物质,溶解氧,渗透压,温度,1、,水是良好的溶剂，有较丰富的营养物质,固有生物死亡、排泄和分泌产生,陆地上的污染物,2、,天然水体的温度,淡水水体的温度在0-36之间,海洋水温100米以下在5以下，表层超过35,温泉水温在70以上，甚至超过100,3、,天然水体的pH值,大多数湖泊，江河及池塘在6.5-8.5；海水pH在8-8.3,4、,水中溶解氧的存在,适合于好气性M生长，流动江河静止水域，淡水海水,（二）淡水水域中的微生物,类群：,细菌、真菌、藻类、原生动物等,特点：,运动性（随水流动)、在低营养浓度下生存。,江河水中的微生物,数量、种类与接触的土壤有密切关系,吸附悬浮有机物及水底,多能,运动，有些具有异常形态（如,柄细菌,）,靠近城市或城市下游水中的微生物多，并且有很多危害健康的细菌，不宜饮用,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,占,地球表面面积的,71%,海洋生境,有机营养物含量低,含盐量高,低温,(,表层,35,以下,100,米以下,0-5),pH,值,8.3-8.5,（三）海水中的微生物,环境,类群：,包括细菌、放线菌、真菌、藻类、原生动物和噬菌体等各类群。,特点：,嗜盐、嗜冷、耐压、低营养。,嗜盐菌 如,Halobacterium,halobuim,，在,12%,饱和盐水中生长。,嗜压菌 如,Pseudomoas,xanthocrus,，在,400-500,个大气压下生长。,（三）海水中的微生物,富营养化作用-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,红潮,（red tides）,在海洋中，某些甲藻类大量繁殖也可形成水花，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。,空气不具有微生物生活的良好条件,主要来自：,1,、土壤扬起的灰尘,2,、水面吹起的水沫,3,、动、植物体表,主要包括：,抗逆性强的芽胞，,G,+,球菌，霉菌和放线菌的孢子,三、空气中的微生物,农村 城市,海洋上空 9(胞内中性),嗜碱菌(alkaliphiles),Bacillus rotans,能在pH11下生长,（五）高盐环境,极端嗜盐菌(halophiles)，最适生长盐浓度为3.5-4.5摩尔/L,（六）高压环境(海底、油井),深海中的极端嗜压菌(barophiles),Pseudomonas bathycete,能在 1.0110,8,Pa,3 生长,Wang,et al,.(2004)Journal of Bacteriology 186:3187-3194,Halobacterium,sp,.,NRC-1,是一个能够在饱和盐水环境下生长的极端嗜盐古菌,Haloarcula,sp.D1,嗜盐菌抗盐机制:,紫膜光能质子泵作用将光能转化为,ATP,Na,+,在细胞壁外表面对维持细胞膜、细胞壁构造和功能的重要作用,采用细胞内积累高浓度,+,来对抗胞外的高渗环境,细胞内积累相容性物质来抵抗细胞外的高渗透压,五、尚未培养的微生物,（uncultivated microorganisms）,基于对rRNA（16s和18s）基因序列的分析、同源性比较和系统进化树的建立，发现了大量的尚未在人工条件下获得培养的微生物类群。,已为人们所认识的仅占很小一部分（通常认为仅为1-10%),Phylogenetic analysis of microbial community,重要意义,生物多样性和系统发生多样性,（Biodiversity and Phylogenetic Diversity）,从未培养微生物中分离筛选新型基因和天然产物(Novel genes and natural products),美国recombinant biocatalysts Inc公司已从未培养微生物中获得了约300个与工业生产相关的新蛋白,宏基因组,（Metagenome）,作为一个新名词最初由美国科学家,Handelsman,及其研究组于1998年提出，定义为,“the Genomes of the Total Microbiota Found in Nature”，,即指任何特定环境样品中全部微生物遗传物质的总和,环境样品,抽提DNA 克隆(多种载体)转化宿主细菌(如大肠杆菌,),宏基因组文库,Metagenomic Library,通过 PCR 或杂交筛选特定序列,随机序列分析Random Sequencing,通过功能活性筛选特定表型的阳性克隆,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,一、微生物与植物间的关系,二、微生物与动物间的关系,三、微生物与微生物间的关系,一、微生物与植物间的关系,（一）互生关系,（二）共生关系,（三）寄生关系,互生关系：根际微生物,附生微生物,共生关系：根瘤，菌根,寄生：病原微生物,一、微生物与植物间的关系,互生关系：,两种可以独立生活的生物生活在一起时，都从对方受益，相互提供营养或生态位,“可分可合，合比分好”松散关系,1、植物根际与根际微生物,（一）互生关系,根圈,:,植物根系直接影响的土壤范围，包括根系表面至几毫米土壤区域,根圈是根系分泌作用旺盛的部位，根圈的营养成分、氧气、水分等与根外土壤差别较大，形成了一个有利于微生物生长的特殊生态环境,根圈效应,（,Rhizosphere,Effect):,植物,根圈对微生物数量和种类的影响,生活在根圈中的微生物，在数量、种类和活性上都有明显不同，表现出一定的特异性,根土比（,R/S):,根圈微生物数量同相应无根系影响的土壤中微生物数量之比称,(,一般在,5 20,之间,),根际微生物对植物的作用,有利作用：,提供有机养料和生长素类物质,提高土壤矿质养料的有效性,消除,H,2,S,等对植物的毒害作用，如水田,产生拮抗类物质抑制病原菌生长,不利作用：,过快生长的根圈微生物与植物竞争营养,某些根圈微生物产生有毒物质,根际微生物对植物的作用,2、附生微生物,植物茎、叶、果实表面的微生物,以植物外渗物质和分泌物为营养。每克新鲜植物叶子表面附生着,100,万,个微生物,Yeasts;,Pseudomonas;Lactobacillus;Staphylococcus,等,（二）微生物与植物的共生,根瘤菌与豆科植物：根瘤,弗兰克氏菌与非豆科植物,真菌与植物：菌根,蓝细菌与蕨类植物：红萍,两种生物生活在一起，相互依赖，相互得益，形成特殊的共生结构,共生关系,共生（1）,根瘤菌与豆科植物,（细菌与植物共生）,形成根瘤共生体,根瘤菌吸附于根毛,根瘤菌：生物固氮为植物提供氮素养料,植物根的分泌物促进根瘤菌的生长和定殖，根瘤结构为固氮作用提供厌氧环境，光合产物为其提供碳源和能源,根瘤菌属（,Rhizobium,）,中慢生根瘤菌属（,Mesorhizobium,）,中华根瘤菌属（,Sinorhizobium,）,固氮根瘤菌属（,Azorhizobium,）,慢生根瘤菌属（,Bradyrhizobium,）,Allorhizobium,形成根瘤的根瘤菌有6个属,根瘤菌的“三性”,结瘤性,固氮性,专一性,类菌体,CH,2,NH,O,O,O,HO,O,O,NH,CO,CH,3,CH,2,OH,HO,O,O,CH,2,O,NH,CO,CH,3,O,OH,O,O,O,OH,HO,OH,OH,Chromosome,pSym,D,J I C BA D F E,Nod Proteins,类黄酮,结瘤因子,根瘤菌 豆科植物,根瘤菌与豆科植物之间的分子对话,共生(2)弗兰克氏菌与非豆科植物（放线菌与植物共生）,有 190 种以上宿主植物，如:,Alnus,（桤木）,Casuarina,（木麻黄）,Myrica,（杨梅）,Coriaria,（马桑）等,弗兰克氏菌形成的根瘤,弗兰克氏菌与非豆科植物共生的生态学意义,先锋植物：具有很强的适应性和抗逆能力，改善生态环境。,固氮作用,共生（3）：菌根,（Mycorrhiza）,（真菌与植物共生）,菌根真菌：担子菌、子囊菌、藻状菌等,外生菌根,(,Ecotomycorrhiza,),：,取代根毛，吸收面积大。,内生菌根,(,Endomycorrhiza,),丛枝菌根,(VA,菌根,vesicular-,arbuscular,mycorrhiza,),：,无隔真菌,非丛枝菌根：有隔真菌,有花植物，具有,外生菌根,约占,3%,，绝大部分都是乔灌木树种,具有,丛枝菌根,的植物占,90%,，,多为草本植物，少数为木本植物其它内生菌根的植物占,4%,没有发现菌根的植物占,3%,自然界中大多数植物根本没有单纯的根系，,菌根存在的普遍性!,外生菌根真菌(plant and hyphae),外生菌根的结构特点,其共生真菌一般为有隔菌丝，主要有担子菌、子囊菌和半知菌等,根外形成,菌套,；在根内菌丝可侵入植物皮层细胞间隙，形成特殊的网状结构（,哈蒂氏网,，,Hartig,net,）,菌套,哈蒂氏网,四种不同外生菌根横切剖面图,地上,地下,外生菌根真菌生活史,成熟子实体,幼子实体,次生菌丝体（2N）,初生菌丝体（N）,担子和担孢子,质配,水分、矿物质,光合产物,外生菌根的作用,促进植物生长：增强植物对水分、,P,、,K,N,和,Ca,等矿质养料的吸收；提供生长素、抗生素、维生素等,提高植物抗逆性：抗病、干旱、酸碱等,维护植被的稳定性,Effect of mycorrhiza on plant growth,The plants are six-month-old seedling of Monterey Pine growing in praire soil,内生菌根的种类,丛枝菌根（,VA,菌根，,vesicular-,arbuscular,mycorrhiza,）：,存在于,80%,以上维管植物中；,无隔真菌，近,200,个种，在植物皮层内形成泡囊和,丛枝。尚未获得纯培养！,非丛枝菌根：有隔真菌，担子菌；兰科和杜鹃花科植物。（略）,泡囊,丛枝,丛枝菌根（,AM,真菌）,泡囊丛枝菌根,（,VA菌根）,真菌与植物细胞的共生结构-泡囊和丛枝,菌根（内有泡囊和丛枝）,孢子,根外菌丝,丛枝菌根真菌的主要作用,促进植物对,磷素,等的吸收，促进植物生长，提高产量和品质,改善土壤结构及理化性质,提高植物抗逆性：抗旱、抗病、抗盐碱、耐酸、抗污染、抗重金属等,生态意义重大：影响植物多样性，生态系统功能和稳定性,丛枝菌根真菌对植物生长的促进作用,菌根真菌形成的,菌丝桥,Mycelial bridge,Mycorrhizal network,地下同种或不同植物之间均能形成菌丝桥,同位素示踪证明：菌丝桥可进行磷、碳和氮素养分的双向传递,共生（4）：蓝细菌与蕨类植物,蕨类植物满江红属（,Azolla,）：有6个种,鱼腥蓝细菌（,Anabaena azollae,）,红萍,（三）寄生关系：植物病原微生物,病毒类,细菌类：植物病害的,3%,真菌类：植物病害的,95%,植物病原微生物（1）：病毒类,种类：约有,300,多种,侵染途径：,通过植物伤口侵入植物的活细胞和活组织中。,在薄壁组织中繁殖和扩散，最后通过输导组织扩散到整个植株，引起全株感染。,植物病毒的专性不强，一般引起三类症状：,叶绿体受到破坏，形成花叶、黄化、红化等,矮化、丛簇、畸形等,枯斑、坏死等,TMV 引起花叶（枯斑）,病毒类病害,小麦丛矮病,小麦黄矮病,小麦红矮病,植物病原微生物（2）：细菌类,植物细菌病害约占植物病害的,3%,。,主要是假单胞菌属、黄单胞菌属、土壤杆菌属、棒杆菌属和欧文氏菌属（,Pseudomonas,Xanthomonas,Agrobacterium,Corynebacterium,Erwinia,）,中的一些种类。,引起的症状有：枯萎、腐败、疫病和菌瘿等,Agrobacterium tumefaciens,in biotech,农杆菌导致的冠瘿瘤,根癌土壤杆菌,(,Agrobacterium tumefaciens,),植物病原微生物（3）：真菌类,真菌是主要的植物病原微生物，,约占植物病害的,95%,子囊菌：白粉病,担子菌：锈病、黑粉病,半知菌：稻瘟病、立枯病、纹枯病；,棉花炭疽病、立枯病和黄萎病,侵染：真菌大多以孢子萌发后形成的芽管或菌丝通过植物的伤口、自然孔口角质层直接侵入,植物病症：腐烂、猝倒、叶斑、溃疡、根腐、萎蔫、过度生长等,真菌类病害,黄萎病,棉花炭疽病,棉苗黑斑病,真菌类病害,水稻纹枯病,小麦秆锈病,小麦条锈病,真菌类病害,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,一、微生物与植物间的关系,二、微生物与动物间的关系,三、微生物与微生物间的关系,二、微生物与人和动物之间的关系,互生关系,共生关系,寄生关系,（一）互生关系,如人体肠道正常菌群与宿主的关系主要是互生关系，肠道为微生物提供生存环境，肠道微生物进行多种代谢，为人体提供有益物质如维生素,人体内的正常菌群,人体各部位存在大量微生物，这些微生物(主要是细菌)在宿主细胞上定居、生长和繁殖，为人体正常菌群,正常菌群对宿主新陈代谢、营养物质转化和消化吸收都具有重要作用，是保持人体生态平衡和内环境稳定的重要因素,人体不同部位的正常菌群,部位,主要微生物,皮 肤,葡萄球菌属、八叠球菌、JK群棒状杆菌、绿脓杆菌、痤疮丙酸杆菌、厌氧革兰阳性球菌、青霉菌属等。,口 腔,表皮葡萄球菌、型溶血或不溶血链球菌、肺炎球菌、肠球菌屑、奈瑟球菌属、他莫拉菌、大肠杆菌、嗜血杆菌属、乳杆菌、类白喉杆菌、真杆菌属、梭杆菌属、类杆菌属、厌氧革兰氏阳性和阴性球菌白念珠菌等。,部位,主要微生物,眼结膜,表皮葡萄球菌、JK群棒状杆菌、丙酸杆菌屑等。,鼻咽腔,葡萄球菌属、型和型溶血链球菌、肺炎球菌、奈瑟球菌属、嗜血杆菌属、大肠杆菌属、变形杆菌属、厌氧球菌、白念珠菌等。,肠 道,大肠杆菌、产气杆菌、变形杆菌属、绿脓杆菌、葡萄球菌属、八叠球菌、肠球菌属、产气荚膜杆菌、类杆菌属、双岐杆菌、真杆菌属、梭杆菌属、消化球菌、消化链球菌、白念珠菌、艾柯病毒、腺病毒等。,（二）共生关系,反刍动物瘤胃与微生物的共生关系：前者为后者提供生存环境；后者分解纤维素为纤维二糖和葡萄糖，为动物提供能量来源,瘤胃,蜂巢胃,重瓣胃,皱胃,共生：反刍动物的瘤胃,瘤胃环境,：厌氧、中温、,pH5.5-7.0,微生物,：纤维分解菌、淀粉分解菌、果胶分解菌、甲烷产生菌、乳酸分解菌和原生动物等，超过,100,种,产发酵物,：甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、乳酸、琥珀酸、甲烷等,（三）寄生关系 parasitism,专性寄生和兼性寄生（机会致病菌）,人和动物具有较完备的天然屏障和防御系统,第三节 微生物与生物环境间的相互关系,一、微生物与植物间的关系,二、微生物与动物间的关系,三、微生物与微生物间的关系,三、微生物种群之间的相互关系,中性关系,Neutralism,偏利关系,Commensalism,协同关系,Synergism,共生关系,Mutualism,竞争关系,Competition,拮抗关系,Amensalism,寄生关系,Parasitism,捕食关系,Predation,中性关系,互生关系,共生关系,对抗关系,总体而言，主要有四大类,互生关系,共生关系,对抗关系,偏利关系,协同作用,竞争,拮抗,寄生,捕食,中性关系,互生关系,互生：,两种可单独生活的生物，当它们在一起时，通过各自的代谢活动而有利于双方，或偏利于一方的生活方式,“可分可合，合比分好”的松散关系,Negative,：,竞争关系、拮抗关系,Positive,：,共生,关系、协同关系、偏利关系,Positive for one,Negative for the other,：,寄生关系、捕食关系,Neither negative or positive,：,中性关系,（一）中性关系（neutralism）,两个微生物种群之间没有影响或存在无关紧要的相互作用,例子：,（二）偏利关系（,commensalism,）,两种微生物可独立生活；当生活在一起时，一个微生物种群因另一种群的存在而单方面获利,例子：,（三）协同作用（synergism）,两种微生物可独立生活，当生活在一起时，相互受益,1.脱硫弧菌与着色菌,（硫素与碳素）,2.自生固氮菌与纤维素分解菌（氮素与碳素）,（四）共生关系,（,symbiosis or mutualism,）,两种微生物生活在一起，分工合作、相互依赖，甚至形成一种整体结构,共生关系：地衣（,Lichens,）,蓝细菌（或藻类）与真菌共生,生态学意义：共生真菌从基质中吸收水分和无机养料；共生蓝细菌（或藻类）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,（五）竞争（competition）,在自然界中很普遍，如争夺养料或双方均需要的其它生活条件,竞争关系举例,大小两种草履虫争夺营养,(六)拮抗（antagonism）,也称偏害作用,(,amensalism,),某种微生物所产生的特定代谢产物可抑制或杀死其它微生物,特异性拮抗,（如抗生素）,非特异性拮抗,（如淹制泡菜）,特异性拮抗关系举例,青霉菌对G,+,细菌的抑制作用,(七)寄生关系（parasitism）,一种微生物生活在另一种微生物的体内或体表,例子,:,噬菌体,与细菌,;,蛭弧菌,（,Bdellovibrio,）,与肠杆菌和假单胞菌,噬菌体与细菌,蛭弧菌,Bdellovibrio,(八)捕食（predation）,一种微生物直接吞食另一种微生物,捕食者和被捕食者之间的数量往往呈周期性波动,4.1 the carbon cycle,4.2 the nitrogen cycle,4.3 the phosphate cycle,4.4 the sulfur cycle,第四节 微生物在生态系统中的作用,化学物质在生物与非生物之间反复交换和转运的结果,两个对立过程：,化学元素有机质化,(生物合成作用,),有机物质无机质化,(,分解作用,),生物地球化学循环（Biogeochemistry cycle）,4.1 碳素循环,在二氧化碳和组成生物体的各种有机物质之间进行循环,碳素约为生物体干重的一半；陆地植物和海洋生物每年从地球表面吸收的二氧化碳约为空气总含量的,1/20,大气中的,CO,2,的蓄积,化石燃料的燃烧,微生物对动植物残体的分解,动植物的呼吸作用,碳酸盐和珊湖礁的分解,大气中,CO2,的利用,植物的光合作用,溶入水中转变为碳酸盐,微生物在碳素循环中作用,将二氧化碳合成有机物,将含碳有机物分解为二氧化碳,光合细菌,(CH,2,O),n,有机物,(CH,2,O),n,有机物,有氧呼吸,植物动物,微生物,CH,4,(CO,2,),光合作用,植物、藻类、,蓝细菌,化能无机,营养细菌,甲烷氧化细菌,沉积 作用,厌氧发酵,厌氧微生物，包括光合细菌,Oxic,Anoxic,甲烷菌,4.2 氮素循环,氮素是生命物质的重要组成部分，在氮素循环多数环节只能由微生物来完成,自然界的氮素包括分子氮（,N,2,）、,无机态铵盐和硝酸盐、有机态的蛋白质和核酸等,Oxic,Anoxic,Nitrification,NO,2,-,N,2,NO,3,-,NH,2,groups,of protein,同化作用,氨化作用,N,2,fixation,NO,N,2,O,Denitrification,NH,3，,NH,4,+,氨化作用,NH,2,groups,of protein,NO,2,-,同化作用,固氮微生物,亚硝酸细菌,硝化作用,硝酸细菌,硝化作用,反硝化作用,反硝化细菌,生物固氮作用（biological nitrogen fixation）,复习,生物固氮作用,自生固氮,联合固氮,共生固氮,详见微生物代谢,4.3 磷素循环,与其它元素循环相比，磷素无化合价态的变化，循环比较简单,不溶性无机磷的可溶化；可溶性无机磷的有机化；有机磷的矿化,磷肥,土壤中的,不溶性磷酸盐,进入土壤中,的有机磷,植物及微生物体中的有机磷,动物排泄物,中的含磷物质,微生物的作用,PO,4,3-,动物体中,的有机磷,4.4 硫素循环,自然界硫素多，硫是构成生命物质的必须元素，生物体内，,C:N:S,比率约为,100:10:1,硫素有多种氧化还原形态，有机与无机态，每个转化的环节都有微生物的参与,硫的氧化：化能自养细菌,同化性,硫酸盐的还原,脱硫作用,SH groups,of protein,异化性硫酸盐的还原,SO,4,2-,H,2,S,S,0,S,0,SH groups,of protein,同化性,硫酸盐的还原,脱硫作用,Oxic,Anoxic,还原作用,无色硫细菌,化能自养细菌,化能自养细菌,脱硫弧菌,厌氧光合细菌,厌氧光合细菌,有的化能自养细菌,硫的氧化,环境保护,生态平衡,环境污染废气、废液、废渣）治理,微生物与环境保护，关系极为密切，利用微生物处理环境污染物和监测环境，已取得很大成就。并在不断发展,第五节 微生物与环境保护,微生物与环境保护,处理污水,固体有机垃圾的分解,沼气发酵,降低重金属毒害,环境监测,生防以减少化学农药的使用,5.1,有毒污染物的降解,(1),对石油中烃类物质的降解,能降解石油的微生物很多，已报道的约有70余属200多种。包括土壤和海洋中的真菌和细菌，其中以灰绿青霉(,Penicillium glaucum,)、产朊假丝酵母(,Candida utilis,)等真菌，和假单胞菌属、诺卡氏菌属、分枝杆菌属中的一些种类，降解能力最强,由于石油是多种烃类的混合物，一般由多种微生物共同作用而使其降解,微生物对烃类物质的,降解,途径,(2)表面活性剂的降解,表面活性剂主要是合成脂肪酸衍生物、烷基磺酸盐、烷基苯磺酸盐、烷基硫酸盐等有机化合物。具有亲水性和疏水性两重性质，故它们倾向于聚集在“空气,-,水”界面和水界面上，降低表面张力，促进乳化作用,环境中表面活性剂的消失，几乎完全是微生物的作用,例如，广泛使用的烷基苯磺酸盐类，能被芽孢杆菌和恶臭假单胞菌降解：经过脱磺基和,-,氧化两步来降解,(3)含苯化合物的降解,含苯化合物耐酸碱、耐腐蚀，具有稳定性、绝缘性、不燃性、耐热性等特点，广泛用于工业,(,绝缘油、载热体、软化剂、涂料、添加剂等,),但也造成环境污染，引起人和动物中毒,降解多氯联苯的微生物：蜡状芽孢杆菌、邻单胞菌,、,产碱菌和不动杆菌、无色细菌；并通过解脂假丝酵母、小球诺卡氏菌、红色诺卡菌和酿酒酵母等混合菌的共代谢，能使多氯联苯完全降解,微生物对苯的,降解,途径,(4)甲基环己烷的,降解,(5)微生物对,除草剂、杀虫剂、杀菌剂等化学农药的降解,目前全世界农药的总产量已达,200,多万吨，品种约有,500,余种，常用的也有,100,种,农药多是有机氯制剂、有机磷制剂和有机汞制剂。它们在自然环境中累积，对人和动物具有严重的危害,环境中有机农药的消失，主要是由于微生物的降解作用。可从土壤、污泥、污水中分离到降解农药的细菌、放线菌和真菌,(7)微生物对重金属的转化,自然界中的重金属以汞、砷、铅、镉、铬等的生物毒性最为显著,重金属毒害常与其存在状态密切相关。如汞和铅的有机化合物引起的危害超过其无机化合物；六价铬比三价铬更具毒性,微生物不能降解重金属，只能使它们发生形态间的相互转化及分散和富集过程,另外，微生物各种大量的代谢产物，能对金属离子起增溶、沉淀、螯合等作用,5.2 污水处理,测定水污染程度的指标,生化需氧量（biochemical oxygen demand，BOD）：微生物氧化1升污水中的有机物所消耗的水中溶解氧的毫克数,化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）：强氧化剂氧化,总需氧量（total oxygen demand，TOD）,污水处理,的流程,一级处理：通过滤筛网及沉淀等物理化学方法除去污水中的粘土，淤泥及其它碎屑等污染物,二级处理：生物处理，主要是利用微生物的作用分解污水中的有机污染物。二级处理后的出水中，含有氮、磷等无机盐类，当它们随水排入水体后，能促成水体富营养化，造成二次污染,三级处理：除去排放水中的无机盐类及悬浮污染物，常使用沉淀法去磷、利用微生物的反硝化作用脱氮、借繁殖藻类以去氮、磷，并收获藻体,污水处理,的方法,氧化塘法,好氧法,厌氧法,不是孤立的，常混合使用,氧,化,塘,法,污水处理厂鸟瞰,污水处理厂示意图,污水处理厂结构图,Aerobic sewage treatment,(a),Aerobic sewage treatment,(b),厌氧消化法,High efficiency anaerobic bioreactors used for sludge digestion and methane production,5.3 微生物与环境监测,微生物在环境中的监测包括：,大肠菌群作为粪便污染指示菌,致突变物的微生物检测,发光细菌的检测,硝化细菌相对代谢率试验,5.4 微生物参与生物修复,参与生物修复的微生物类型:,土著微生物,外来微生物,基因工程菌,影响微生物修复的因素:,微生物营养,电子受体,共代谢基质,污染现场和土壤的特性,有毒有害有机污染物的理化性质,第七章 微生物生态学习思考题,一、解释名词,根际(根圈)、根土比、VA菌根、共生关系、拮抗关系、生物固氮、共生固氮、联合固氮、硝化作用、硫化作用、反硫化作用、氨化作用、反硝化作用,二、问答题,为什么说土壤具有微生物生活的条件？,微生物与动物，微生物与植物,微生物与微生物之间存在那几种关系，各举一个例子说明。,微生物种群之间有那些关系？各举一个例子说明。,试述微生物在自然界物质循环中的作用。,