微生物與人類健康微生物的生態(tài)

1、第二章 微生物的生態(tài)(ecology)是一門研究生命系統(tǒng)與其環(huán)境系統(tǒng)間相互作用規(guī)律的科學(xué).微生物生態(tài)學(xué)是生態(tài)學(xué)的一個分支，它研究的對象是微生物群體與其周圍生物與非生物環(huán)境條件間相互作用的規(guī)律。微生物與人類健康微生物的生態(tài)第一節(jié) 微生物在自然環(huán)境中的 分布及菌種資源的開發(fā)第三章 微生物的生態(tài)微生物與人類健康北方民族大學(xué)微生物與人類健康微生物的生態(tài)一、微生物在自然界中的分布土壤中的微生物 水體中的微生物 空氣中的微生物工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品中的微生物 生物體內(nèi)外的正常菌群極端環(huán)境中的微生物第三章 微生物的生態(tài)微生物與人類健康微生物與人類健康微生物的生態(tài)（一）土壤中的微生物1. 土壤是微生物生長和棲息的良好基地

2、 在土壤中正常分布著形形色色的微生物群,這些在土壤中生活的微生物類群稱為土壤微生物.(1)水分.微生物生命活動需要大量的水.(2)pH值.土壤大多是中性偏堿，適宜于大多數(shù)微生物生長.微生物與人類健康微生物的生態(tài)(4)溫度.土壤的保溫性，為微生物的生長提供了有利的條件。(3)氧氣.(5)固形物.土壤中含有大量固有有機(jī)物和礦物元素，是微生物的營養(yǎng)庫。以上說明土壤是微生物的合適生境，是微生物的大本營，人類最豐富的“菌種資源庫”。微生物與人類健康微生物的生態(tài)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

3、的數(shù)量也與土層的深度有關(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。土壤中的微生物以細(xì)菌最多，其次位放線菌和霉菌。2.土壤中的微生物分布特點微生物與人類健康微生物的生態(tài)微生物與人類健康微生物的生態(tài) (1)參與自然界的物質(zhì)循環(huán). (2)分解動植物的尸體、排泄物及化學(xué)污染物等。 (3)固定大氣中的氮氣,促進(jìn)植物的生長. (4)土壤中有不少微生物常被用來生產(chǎn)各種抗生素等藥物.土壤中存在的大多數(shù)微生物對人類是有益的. 但是土壤中少數(shù)的病原菌,則是造成各種傳染病的病因.微生物與人類健康微生物的生態(tài)1.不同水體中微生物的種類(1)淡水中的微生物 清水型水生微生物 腐敗型水生微生物 (2

4、)海洋微生物 （二）水體中的微生物第三章 微生物的生態(tài)微生物與人類健康微生物與人類健康微生物的生態(tài)數(shù)量和種類與接觸的土壤有密切關(guān)系；分布上更多的是吸附在懸浮在水中的有機(jī)物上及水底；淡水中的微生物是可以運動的，而且某些淡水中的細(xì)菌例如柄細(xì)菌具有很異常的形態(tài)，這些異常形態(tài)使得菌體的表面積與體積之比增加，從而使這些微生物能有效地吸收有限的營養(yǎng)物；靠近城市或城市下游水中的微生物多，并且有很多對健康不利的細(xì)菌，因此不宜作為飲用水源；水體自身存在自我凈化作用2.水中微生物的分布特點：微生物與人類健康微生物的生態(tài)柄細(xì)菌微生物與人類健康微生物的生態(tài)3.飲用水的細(xì)菌學(xué)指數(shù) 細(xì)菌總菌數(shù)： 100個/ml 大腸菌群

5、數(shù)： 3 個/L 目前,我國規(guī)定的生活用水的標(biāo)準(zhǔn)是:微生物與人類健康微生物的生態(tài)4.水中的微生物與水體的自凈作用 好氧菌的降解作用 原生動物等的吞噬作用 藻類對無機(jī)物的利用指被污染的水借天然的理化因素及生物因素的綜合作用,而達(dá)到凈化的過程.微生物與人類健康微生物的生態(tài) 致病菌一般對營養(yǎng)要求苛刻，因此在一般的水中只能存活2-3天 水表微生物會受輻射等作用而被殺滅 由固形物吸附再沉積到水底 盡管自然水體具有自凈作用，但是只能凈化少量污染物。若進(jìn)入水體的污染物超過了水體的自凈能力，則會破壞水體的生態(tài)平衡，導(dǎo)致污染的發(fā)生。微生物與人類健康微生物的生態(tài)三、空氣中的微生物1、大氣是微生物的暫存空間 空氣環(huán)

6、境的特點：無營養(yǎng)物質(zhì)、無足夠的水分，這種環(huán)境不適合微生物的生長繁殖。大氣中沒有固定的微生物種類。但由于微生物能產(chǎn)生各種休眠體以適應(yīng)不良環(huán)境，有些微生物可以在大氣中存在一段相當(dāng)長的時間而不至死亡。 微生物與人類健康微生物的生態(tài)2、大氣中的微生物來源土壤、水體和其他微生物源。進(jìn)入大氣的土壤塵粒，水面吹來的小水滴，污水處理廠曝氣產(chǎn)生的氣溶膠，人和動物體表的干燥脫落物，呼吸道呼出的氣體都是大氣微生物的來源。主要種類是霉菌和細(xì)菌，霉菌常見種類是曲霉、木霉、青霉、毛霉、白地霉和色串孢(Torulasp)等。細(xì)菌有球菌、桿菌和一些病原菌。 微生物與人類健康微生物的生態(tài)3、微生物在大氣中的分布很不均勻所含數(shù)量

7、取決于所處環(huán)境和飛揚(yáng)的塵埃量 降低空氣中微生物的措施 過濾、UV照射、甲醛熏蒸、減少菌源和塵埃源微生物與人類健康微生物的生態(tài)不同地點大氣中的微生物數(shù)量 地點微生物數(shù)量/CFum -3北極(北緯800)0海洋上空l-2市區(qū)公園200城市街道5000宿舍20000畜舍100微生物與人類健康微生物的生態(tài)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 抗輻射的微生物四、極端環(huán)境下的微生物第三章 微生物的生態(tài)微生物與人類健康微生物與人類健康微生物的生態(tài)極端環(huán)境下微生物的研究有三個方面的重要意義開發(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)

8、學(xué)科許多領(lǐng)域，如功能基因組學(xué)、生物電子器材等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。 微生物與人類健康微生物的生態(tài)1.嗜熱微生物嗜熱微生物生長的生態(tài)環(huán)境：高溫環(huán)境，如熱泉(溫度高達(dá)100)，高強(qiáng)度太陽輻射的土壤，巖石表面(高達(dá)70)，各種堆肥、廄肥、干草、鋸屑及煤渣堆，此外還有家庭及工業(yè)上使用的溫度比較高的熱水及冷卻水。 細(xì)菌是嗜熱微生物中最耐熱的。第三章 微生物的生態(tài)微生物與人類健康微生物與人類健康微生物的生態(tài)兼性嗜熱菌專性嗜熱菌極端嗜熱菌耐熱菌超嗜熱菌嗜熱菌的類型：第三章 微生物的生態(tài)微生物與人類健康微生物與人類健康微生物的生態(tài)嗜熱微生物的特點嗜熱微生物生物大分子

9、蛋白質(zhì)、核酸、類脂的熱穩(wěn)定結(jié)構(gòu)以及存在的熱穩(wěn)定性因子是它們嗜熱的生理基礎(chǔ)。新的研究還表明專性嗜熱菌株的質(zhì)粒攜帶與熱抗性相關(guān)的遺傳信息。應(yīng)用：耐熱DNA聚合酶用于多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）。 微生物與人類健康微生物的生態(tài)2. 嗜冷微生物 嗜冷微生物能在較低的溫度下生長，可以分為專性和兼性兩類，前者的最高生長溫度不超過20，可以在0或低于0條件下生長；后者可在低溫下生長，但也可以在20以上生長。第三章 微生物的生態(tài)微生物與人類健康微生物與人類健康微生物的生態(tài)嗜冷微生物的主要生境：南北極地區(qū)、深海、寒冷水體、冷凍土壤、陰冷洞穴、保藏食品的低溫環(huán)境。嗜冷微生物的種類：針絲藻、粘球藻、假單胞菌等。從深海中

10、分離出來的細(xì)菌既嗜冷，也耐受高壓。 微生物與人類健康微生物的生態(tài)嗜冷微生物適應(yīng)環(huán)境的生化機(jī)理是因為細(xì)胞膜脂組成中有大量的不飽和、低熔點脂肪酸。 嗜冷微生物低溫條件下生長的特性可以使低溫保藏的食品腐敗，甚至產(chǎn)生細(xì)菌毒素。研究開發(fā)嗜冷微生物的最適反應(yīng)溫度低的酶，在工業(yè)和日常生活中都有應(yīng)用價值。如從嗜冷微生物中獲得低溫蛋白酶用于洗滌劑，不僅能節(jié)約能源，而且效果很好。微生物與人類健康微生物的生態(tài)3.嗜酸微生物 生長最適pH在3-4以下，中性條件不能生長的微生物稱為嗜酸微生物；能在高酸條件下生長，但最適pH接近中性的微生物稱為耐酸微生物 極端的酸性環(huán)境包括各種酸礦水、酸熱泉、火山湖、地?zé)崛?。第三?微

11、生物的生態(tài)微生物與人類健康微生物與人類健康微生物的生態(tài)嗜酸微生物生長的生態(tài)環(huán)境：溫和的酸性(pH3-5.5)自然環(huán)境較為普遍，如某些湖泊、泥碳土和酸性的沼澤。極端的酸性環(huán)境包括各種酸礦水、酸熱泉、火山湖、地?zé)崛取Ｊ人嵛⑸锏姆N類: 硫氧化菌、硫桿菌。嗜酸嗜熱細(xì)菌，如嗜酸熱硫化葉菌等。嗜酸微生物的胞內(nèi)pH從不超出中性大約2個pH單位，其胞內(nèi)物質(zhì)及酶大多數(shù)接近中性。微生物與人類健康微生物的生態(tài)嗜酸微生物適應(yīng)環(huán)境的生化機(jī)理: 嗜酸微生物能在酸性條件下生長繁殖，需要維持胞內(nèi)外的pH梯度，現(xiàn)在一般認(rèn)為它們的細(xì)胞壁、細(xì)胞膜具有排斥H+，對H+離子不滲透或把H+從胞內(nèi)排出的機(jī)制。而嗜酸微生物的外被要高H+

12、來維持其結(jié)構(gòu)。 嗜酸菌被廣泛用于微生物冶金、生物脫硫。 微生物與人類健康微生物的生態(tài)4.嗜堿微生物 一般把最適生長pH在9以上的微生物稱為嗜堿微生物，中性條件不能生長的為專性嗜堿微生物，中性條件甚至酸性條件都能生長的稱為耐堿微生物或堿營養(yǎng)微生物 。 第三章 微生物的生態(tài)微生物與人類健康微生物與人類健康微生物的生態(tài)嗜堿微生物生長的生態(tài)環(huán)境: 地球上堿性最強(qiáng)的自然環(huán)境是碳酸鹽湖及碳酸鹽荒漠，極端堿性湖如肯尼亞的瑪格達(dá)湖，埃及的wady natrun湖是地球上最穩(wěn)定的堿性環(huán)境，那里pH達(dá)10.5-11.0。我國的堿性環(huán)境有青海湖等。碳酸鹽是這些環(huán)境堿性的主要來源。人為堿性環(huán)境是石灰水、堿性污水。 微

13、生物與人類健康微生物的生態(tài)嗜堿微生物的種類: 嗜堿微生物有兩個主要的生理類群：鹽嗜堿微生物和非鹽嗜堿微生物。前者的生長需要堿性和高鹽度(達(dá)33%NaCl十Na2CO3)。代表性種屬有外硫紅螺菌、甲烷嗜鹽菌、嗜鹽堿桿菌、嗜鹽堿球菌等。 微生物與人類健康微生物的生態(tài) 嗜堿微生物生長最適PH在9以上，但胞內(nèi)pH都接近中性。細(xì)胞外被是胞內(nèi)中性環(huán)境和胞外堿性環(huán)境的分隔，是嗜堿微生物嗜堿性的重要基礎(chǔ)。其控制機(jī)制是具有排出OH-的功能。 嗜堿微生物產(chǎn)生大量的堿性酶，包括蛋白酶(活性pH 10.5-12)、淀粉酶(活性pH 4.5-11)、果膠酶(活性PH l0.0)、支鏈淀粉酶(活性pH 9.0)、纖維素酶

14、(活性pH 6-11)、木聚糖酶(活性pH 5.5-10)。這些堿性酶被廣泛用于洗滌劑或作其他用途。嗜堿微生物適應(yīng)環(huán)境的生化機(jī)理:微生物與人類健康微生物的生態(tài)5.嗜鹽微生物 嗜鹽微生物生長的生態(tài)環(huán)境: 含有高濃度鹽的自然環(huán)境主要是鹽湖，如青海湖(中國)、大鹽湖(美國)、死海(黎巴嫩)和里海(俄羅斯)，此外還有鹽場、鹽礦和用鹽腌制的食品。海水中含有約3.5%的氯化鈉，是一般的含鹽環(huán)境。根據(jù)對鹽的不同需要，嗜鹽微生物可以分為弱嗜鹽微生物、中度嗜鹽微生物、極端嗜鹽微生物。嗜鹽細(xì)菌具有許多生理特性，其中紫膜引人注目。 第三章 微生物的生態(tài)微生物與人類健康微生物與人類健康微生物的生態(tài)6.嗜壓微生物 需要

15、高壓才能良好生長的微生物稱為嗜壓微生物。最適生長壓力為正常壓力，但能耐受高壓的微生物被稱為耐壓微生物。 嗜壓微生物生長的生態(tài)環(huán)境:海洋深處和海底沉積物平均水壓超過4.05107Pa(400個大氣壓)。 深海底部:嗜壓菌， 油井深部約(400大氣壓):耐壓的硫酸鹽還原菌。 第三章 微生物的生態(tài)微生物與人類健康微生物與人類健康微生物的生態(tài)五、不可培養(yǎng)的微生物 對微生物的經(jīng)典研究方法，是基于對微生物的分離培養(yǎng)。但是自然環(huán)境復(fù)雜，微生物種類繁多，大多數(shù)微生物在目前的條件下不能在實驗室進(jìn)行人工培養(yǎng)。 有人認(rèn)為在土壤中生活的微生物僅有1%可用目前的方法在實驗室進(jìn)行培養(yǎng)。因此，已為人們所認(rèn)識的微生物僅占自然

16、界中存在的很小一部分，通常認(rèn)為僅10%。 那些采用常規(guī)微生物培養(yǎng)技術(shù)不能得到純培養(yǎng)的微生物，稱為不可培養(yǎng)的微生物。微生物與人類健康微生物的生態(tài)第二節(jié) 微生物在生態(tài)鏈中的作用第三章 微生物的生態(tài)微生物與人類健康在一定的空間內(nèi)，生物的成分和非生物的成分通過物質(zhì)循環(huán)和能量流動互相作用、互相依存而構(gòu)成的一個生態(tài)學(xué)功能單位。生物成分按其在生態(tài)系統(tǒng)中的作用，可劃分為三大類群：生產(chǎn)者、消費者和分解者。微生物與人類健康微生物的生態(tài)浮游動物小蝦小魚大魚消費者分解者生產(chǎn)者真菌細(xì)菌浮游植物圖3- 三級生態(tài)系統(tǒng)示意圖（水體食物鏈）微生物與人類健康微生物的生態(tài)微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的地位1.微生物是有機(jī)物的主要分解者；微生

17、物最大的價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體等復(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

18、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)。第三章 微生物的生態(tài)微生物與人類健康微生物與人類健康微生物的生態(tài)微生物在碳循環(huán)中的作用一、微生物在碳素循環(huán)中的作用第三章 微生物的生態(tài)人工合成有機(jī)物化工原料化石燃料有機(jī)物CO2產(chǎn)甲烷菌甲烷氧化菌植物、微生物微生物分解作用合成作用火山爆發(fā)燃燒CH4微生物與人類健康微生物的生態(tài)二、微生物在氮素循環(huán)中的作用

19、圖3 微生物在氮循環(huán)中的作用大氣N2生物體有機(jī)氮NH4+NO3-NO2-N2ONH2OHNH4+硝化作用硝酸鹽同化作用銨鹽同化作用生物固氮異化性硝酸鹽還原作用亞硝酸氨化作用硝化作用氨化作用 反硝化作用原核生物的專利，占85微生物與人類健康微生物的生態(tài)SSO42-H2S生物體有機(jī)硫異化性硫酸鹽還原同化性硫酸鹽還原脫硫作用硫氧化作用異化性硫還原硫氧化作用三、微生物在硫素循環(huán)中的作用圖3 微生物在硫素循環(huán)中的作用微生物與人類健康微生物的生態(tài)四、微生物在自然界中磷元素的循環(huán)作用第三章 微生物的生態(tài)生物有機(jī)磷不溶性磷酸鹽磷酸或可溶性磷酸鹽與土壤中的鹽基結(jié)合產(chǎn)酸微生物的作用或磷肥的生產(chǎn)植物與微生物的吸收同

20、化微生物的分解作用家庭和工業(yè)含磷化合物圖3 微生物在磷循環(huán)中的作用如果人類活動將含磷物質(zhì)大量排放到水環(huán)境中，可溶性磷酸鹽濃度過高會造成藍(lán)細(xì)菌及其它藻類大量增殖，即常說的富營養(yǎng)化作用，從而破壞環(huán)境的生態(tài)平衡。微生物與人類健康微生物的生態(tài)第三節(jié) 微生物與生物環(huán)境間的相互關(guān)系 不同生物間的相互關(guān)系第三章 微生物的生態(tài)微生物與人類健康微生物與人類健康微生物的生態(tài)有利關(guān)系：互生 共生：互惠共生和偏利共生 有害關(guān)系：拮抗（偏害共生） 寄生 捕食 競爭第三章 微生物的生態(tài)微生物與人類健康微生物與人類健康微生物的生態(tài)一、互生 二種可以單獨生活的生物，當(dāng)它們生活在一起時，通過各自的代謝活動而有利于對方，或偏利于

21、一方的一種生活方式，但二者不形成共生組織(生命整體)的關(guān)系。 “可分可合，合比分好” 微生物間的互生關(guān)系:纖維素分解細(xì)菌固氮菌 人體腸道正常菌群第三章 微生物的生態(tài)微生物與人類健康微生物與人類健康微生物的生態(tài)二、共生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。共生一般有二種情況：互惠共生（二者均得利）和偏利共生（一方得利，但另一方并不受害） 微生物與人類健康微生物的生態(tài)1. 微生物間的共生關(guān)系地衣藻類或藍(lán)細(xì)菌和真菌的共生體 生理上的共生：其中藍(lán)細(xì)菌和綠藻進(jìn)行光合作用，為真菌提供有機(jī)養(yǎng)料，而真菌則以其產(chǎn)生的有機(jī)酸分解巖石為藻類提供礦質(zhì)元素。 結(jié)構(gòu)上的共生：形成有固定形態(tài)的葉狀結(jié)構(gòu)。細(xì)菌與原生動物間的共生關(guān)系：細(xì)菌棲息于原生動物細(xì)胞內(nèi)，獲得營養(yǎng)和保護(hù)環(huán)境；原生動物通過共生菌獲得生長所需要的維生素及其它生長因子。 微生物與人類健康微生物的生態(tài)地衣：真菌與綠藻的共生微生物與人類健康微生物的生態(tài)2.微生物和植物間的共生關(guān)系 根瘤根瘤菌與豆科植物間的共生體。根