第五章環(huán)境微生物生態(tài)學(xué)

第五章環(huán)境微生物生態(tài)學(xué)

李永峰教授謝靜怡研究生環(huán)境微生物生態(tài)學(xué)微生物生態(tài)學(xué)的定義和研究內(nèi)容1微生物之間與動物之間的關(guān)系2環(huán)境微生物的進(jìn)化規(guī)律3環(huán)境微生物的生物技術(shù)4環(huán)境微生物學(xué)新技術(shù)5環(huán)境微生物生態(tài)學(xué)定義微生物生態(tài)學(xué)的定義以及研究對象微生物生態(tài)學(xué)就是研究微生物群體與其周圍環(huán)境條件之間相互作用關(guān)系的科學(xué)。微生物生態(tài)學(xué)的研究對象為可培養(yǎng)的、難培養(yǎng)的以及至今尚不可培養(yǎng)的微生物。環(huán)境微生物生態(tài)學(xué)研究內(nèi)容微生物在自然界中的分布規(guī)律、微生物種群內(nèi)和種群間的組成、數(shù)量和生理生化特性微生物種群內(nèi)和種群間的關(guān)系和結(jié)構(gòu)功能利用微生物生態(tài)規(guī)律造福人類的途徑微生物生態(tài)學(xué)主要研究內(nèi)容環(huán)境微生物生態(tài)學(xué)研究內(nèi)容研究微生物生態(tài)學(xué)具有重要的理論意義和實踐價值促進(jìn)生產(chǎn)生活事業(yè)發(fā)展闡明進(jìn)化原因發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)開發(fā)菌種環(huán)境微生物對生態(tài)系統(tǒng)的重要影響1在生態(tài)系統(tǒng)中，可作為初級生產(chǎn)者，并作為食物鏈中其他生物的基本食物，包括藻類、藍(lán)細(xì)菌和光合細(xì)菌等；2作為分解者，生態(tài)系統(tǒng)存在大量生物殘體，是通過異樣微生物的礦化作用加以分解的，最后無機(jī)化放出能量，完成能量流動的最后階段；3作為生物地球化學(xué)循環(huán)中一個不可缺少的成員，如N、S、Fe、P的轉(zhuǎn)化；4在煤和石油、硫磺等重要礦藏的形成過程中，可能起十分重要的作用。微生物之間與動物之間的關(guān)系濕地是位于水生生態(tài)系統(tǒng)和陸生生態(tài)系統(tǒng)之間的過渡性地帶，分為水濕地、淡水濕地和人工濕地。濕地的生態(tài)功能主要表現(xiàn)為調(diào)蓄徑流洪水，補(bǔ)充水源供應(yīng)；保護(hù)生物多樣性，豐富物種資源；固定二氧化碳，調(diào)節(jié)區(qū)域氣候；降解污染，凈化水質(zhì)；防浪固岸，穩(wěn)定海岸線等。濕地典型微生物之間的關(guān)系微生物水生植物土壤微生物凈化微生物資源為濕地污水處理系統(tǒng)提供了足夠的分解者?？焖偕L的微生物是濕地介質(zhì)中的優(yōu)勢菌屬，其體內(nèi)的可降解質(zhì)粒是凈化的關(guān)鍵。微生物種類繁多，主要包括細(xì)菌、放線菌、真菌等。水生植物對微生物的影響水生植物組織為微生物提供了附著場所；根區(qū)內(nèi)的有氧區(qū)為好養(yǎng)細(xì)菌提供優(yōu)越生存環(huán)境，而區(qū)外則適宜兼氧、厭氧微生物進(jìn)行反硝化、有機(jī)物降解反應(yīng)；濕地中的氨氮是可被植物吸收，合成根系分泌物為微生物提供氮源等營養(yǎng)；植物種類影響微生物的數(shù)量和種類凈化作用三要素Text土壤對微生物的影響土壤性狀的改變影響著生物的生長發(fā)育，土壤中各種元素的循環(huán)與轉(zhuǎn)化都與微生物作用密切相關(guān)微生物與微生物之間的關(guān)系微生物群內(nèi)個體之間的關(guān)系

存在協(xié)同和競爭的關(guān)系，且都與種群密度相關(guān)。種群密度小時，協(xié)同作用占優(yōu)勢，相反，競爭關(guān)系占優(yōu)勢。微生物與微生物之間的關(guān)系不同種群之間的關(guān)系存在中立、協(xié)作、偏利共生、互利共生、競爭、偏害、捕食、寄生等關(guān)系。微生物群內(nèi)個體之間的關(guān)系獨立個體的分泌物可作為其他個體的營養(yǎng)物質(zhì)大量的菌落可分泌有機(jī)物質(zhì)溶解無機(jī)元素供個體使用微生物種群可產(chǎn)生胞外酶溶解不溶性底物供個體使用協(xié)同作用在微生物個體間的表現(xiàn)微生物相關(guān)遺傳物質(zhì)的可傳遞性微生物種群抵御外界不良環(huán)境的能力隨種群密度的增加而增強(qiáng)競爭作用在微生物個體間的表現(xiàn)對食物的競爭對空間的競爭微生物間信號的傳遞這種競爭的現(xiàn)象可分為“爭奪性”和“分?jǐn)傂浴备偁幉煌⑸锓N群之間的關(guān)系根據(jù)兩個相互作用的群體受到的影響程度的不同，可以把種群之間的相互作用分為8種，如下表所示.微生物與植物之間的關(guān)系微生物與植物根之間的相互作用植物內(nèi)生微生物微生物與植物其他部分之間的相互作用微生物與植物之間的關(guān)系可分為中立、協(xié)作、偏利共生、互利共生、拮抗和競爭關(guān)系菌根分為兩大類，即外生菌根（如松柏類）和內(nèi)生菌根（玉米、大豆）菌根真菌與寄生植物組織相通，與植物互利共生。在根際中，植物對土壤中的微生物有直接的影響，同樣，根際微生物對植物的生長也有重要的影響。植物的根部為根瘤菌提供良好居住環(huán)境、碳源和能源，而根瘤菌則將空氣中的氮轉(zhuǎn)化為植物可吸收的含氮物質(zhì)，如根瘤菌中的弗蘭克氏菌與非豆科植物形成的共生系統(tǒng)。微生物與植物根之間的相互作用根際與根際微生物菌根與菌根真菌根瘤與根瘤菌微生物與植物其他部分之間的相互作用微生物與植物其他部分之間的作用某些生物群體可以生長在植物的莖、葉、花、果實表面，這些微生物成為附生生物，如藍(lán)細(xì)菌、酵母菌等。這些浮生生物暴露在外界環(huán)境中，受氣候的影響很大競爭關(guān)系藍(lán)細(xì)菌與單細(xì)胞藻類互利共生蕨類植物與魚腥藻微生物與人和動物之間的關(guān)系微生物與人和動物之間存在著正和負(fù)的相互關(guān)系微生物可以作為某些動物的食物微生物對于動物消化食物和和獲取營養(yǎng)所起的作用微生物在動物體外幫助消化食物微生物在動物體內(nèi)幫助消化食物病原微生物與動物之間的關(guān)系微生物與人體的相互作用微生物與人體的相互關(guān)系皮膚表面的微生物與人體的關(guān)系口腔中微生物與人體的關(guān)系腸道中微生物與人體的關(guān)系人體的皮膚、粘膜表面或管腔內(nèi)存在大量微生物，這些菌群對寄主是有益的，但某種情況下，也可能給人體帶來負(fù)擔(dān)。環(huán)境微生物的進(jìn)化規(guī)律微生物遺傳學(xué)研究創(chuàng)始于40年代，經(jīng)過50,60年代的發(fā)展，又衍生出分子遺傳學(xué)，之后又在高等真核生物中發(fā)展起來，既然高等真核生物與細(xì)菌在一些基本的生物功能上有共同之處，那么為什么不能用細(xì)菌來進(jìn)行研究呢？認(rèn)識生物界，最直觀最具體的對象是生物個體，包括單細(xì)胞和多細(xì)胞個體，小進(jìn)化的分析表明個體不是進(jìn)化的基本單位，無論是有性生殖或是無性生殖的生物其個體都不是進(jìn)化的基本單位，無性生殖的生物的進(jìn)化單位是無性繁殖系，而有性生殖是的進(jìn)化單位是種群。突變、選擇、遷移和偶然因素影響著進(jìn)化。環(huán)境微生物的進(jìn)化規(guī)律基因水平轉(zhuǎn)移在細(xì)菌的多樣性和基因組的進(jìn)化過程當(dāng)中起了非常重要的作用蛋白質(zhì)和DNA序列為分子系統(tǒng)發(fā)育分析提供了最詳細(xì)和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)根據(jù)特征或距離數(shù)據(jù)確定其基因、起源物種和發(fā)生關(guān)系的方法基因組的生物多樣性DNA和蛋白質(zhì)的進(jìn)化分子系統(tǒng)發(fā)育分析分子系統(tǒng)發(fā)育分析末端物種頂端中間節(jié)點中間枝條末端分支葉子節(jié)點系統(tǒng)樹系統(tǒng)樹的分類archaeaarchaeaarchaeaeukaryoteeukaryoteeukaryoteeukaryote無根樹bacteriaoutgrouprooteukaryoteeukaryoteeukaryoteeukaryotearchaeaarchaeaarchaeaMonophyleticgroup單源群有根樹外圍群Monophyleticgroup分子系統(tǒng)發(fā)育分析距離法最大簡約法極大似然法多種方法聯(lián)合分子序列的分析系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建結(jié)果的檢驗系統(tǒng)發(fā)育分析步驟系統(tǒng)發(fā)育分析方法系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建后的評價標(biāo)準(zhǔn)分為以下3點：有效性穩(wěn)定性一致性在研究生物進(jìn)化和系統(tǒng)發(fā)育的過程中，常用一種樹狀分支圖來概括各種生物之間的親緣關(guān)系，這種表征物種或序列進(jìn)化關(guān)系的樹狀分支圖成為系統(tǒng)發(fā)育樹，簡稱系統(tǒng)樹或進(jìn)化樹。DNA和蛋白質(zhì)的進(jìn)化DNA的進(jìn)化序列相似性搜索和聯(lián)配→當(dāng)序列擁有同一祖先序列時，往往在序列結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能上具有相似性。系統(tǒng)發(fā)育信息→為比較個體間的遺傳關(guān)系，一些有用的基因片段用于遺傳片段和系統(tǒng)發(fā)育的研究，如rRNA、16SrRNA、9yrB。16-23SrDNA間隔區(qū)序列分析在分子分類中的應(yīng)用→進(jìn)化速率大，可擴(kuò)增ITS序列蛋白質(zhì)的進(jìn)化

結(jié)構(gòu)和功能的約束→進(jìn)化改變了核苷酸序列，編碼蛋白質(zhì)序列受到約束，蛋白編碼基因的變化速率受到為維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性的約束。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的進(jìn)化與保留→蛋白質(zhì)序列相似度的閾值取決于序列的長度，較短的序列需要較高的相似度。蛋白質(zhì)功能的進(jìn)化→蛋白質(zhì)功能的進(jìn)化使明顯同源的蛋白質(zhì)有時也會有不同的功能?；蚪M的生物多樣性基因水平轉(zhuǎn)移基因水平轉(zhuǎn)移，又稱基因橫向轉(zhuǎn)，是指在差異生物個體之間或單個細(xì)胞內(nèi)部細(xì)胞器之間所進(jìn)行的遺傳物質(zhì)的交流?；蛩睫D(zhuǎn)移在細(xì)菌的多樣性和基因組的進(jìn)化過程中起了非常重要的角色。→大腸桿菌可以將遺傳信息傳遞給某些鼠傷寒沙門氏菌突變菌株；→寄生開花植物同其他宿主之間的基因水平轉(zhuǎn)移?；蛩睫D(zhuǎn)移的方式和特點環(huán)境微生物生物技術(shù)環(huán)境微生物的基因工程1環(huán)境微生物的蛋白質(zhì)工程2環(huán)境微生物的細(xì)胞工程3環(huán)境微生物的代謝工程4環(huán)境微生物的基因工程基因工程工具酶基因工程中常用工具酶環(huán)境微生物的基因工程環(huán)境微生物核酸的提取

基因工程中常用載體質(zhì)粒的提取方法環(huán)境微生物的基因工程環(huán)境微生物功能基因的克隆與表達(dá)

如何構(gòu)建基因的克隆分子克隆具體步驟目的基因的表達(dá)首先用限制性內(nèi)切酶消化目的基因和載體，然后用DNA連接酶將他們連接起來，轉(zhuǎn)化宿主菌，構(gòu)建基因克隆。★分離符合要求DNA片段★將帶有目的基因的DNA片段連接到載體上，形成重組DNA分子★將重組分子導(dǎo)入受體細(xì)胞，擴(kuò)增重組體細(xì)胞★重組體的篩選使用聚合酶鏈反應(yīng)技術(shù)，通過PCR擴(kuò)增目的基因，得到目的基因片段。用同一種限制性內(nèi)切酶切割含有目的基因的外源和載體DNA，在DNA連接酶作用下，重組DNA分子，再將其導(dǎo)入受體細(xì)胞完成表達(dá)。環(huán)境微生物的蛋白質(zhì)工程什么是蛋白質(zhì)工程

指在基因工程的基礎(chǔ)上，結(jié)合蛋白質(zhì)結(jié)晶學(xué)，計算機(jī)輔助設(shè)計和蛋白質(zhì)化學(xué)等多學(xué)科的基礎(chǔ)知識通過對基因的人工定向改造等手段，對蛋白質(zhì)進(jìn)行修飾，改造和拼接以生產(chǎn)出能滿足人類需要的新型蛋白質(zhì)的技術(shù)。

環(huán)境微生物的細(xì)胞工程什么是細(xì)胞工程

是指應(yīng)用現(xiàn)代細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的理論與方法，按照人們的需要和設(shè)計，在細(xì)胞水平上的遺傳操作，重組細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和內(nèi)含物，以改變生物的結(jié)構(gòu)和功能，即通過細(xì)胞融合、核質(zhì)移植、染色體或基因移植以及組織和細(xì)胞培養(yǎng)等方法，快速繁殖和培養(yǎng)出人們所需要的新物種的生物工程技術(shù)。

固定化微生物在環(huán)境治理中的應(yīng)用共價結(jié)合法吸附法包埋法介質(zhì)截留法無載體固定化微生物固定化方法應(yīng)用化學(xué)、物理方法將游離微生物限制在某一特定范圍內(nèi)，保留其固有催化活性，且能夠被重復(fù)和連續(xù)使用環(huán)境微生物的代謝工程什么是代謝工程

又稱途徑工程，利用基因工程技術(shù)，有目的的對細(xì)胞代謝途徑進(jìn)行精確的修飾、改造或擴(kuò)展，以改變微生物原有的代謝特性，并與微生物基因調(diào)控、代謝調(diào)控及生化工程相結(jié)合，提高代謝產(chǎn)物活性產(chǎn)量即合成新的代謝產(chǎn)物的工程技術(shù)科學(xué)。

環(huán)境微生物學(xué)新技術(shù)環(huán)境微生物學(xué)新技術(shù)基因芯片技術(shù)流程

芯片的制作靶分子