《細(xì)菌的生態(tài)特性》課件

細(xì)菌的生態(tài)特性微小生命無(wú)限影響課程目標(biāo)了解細(xì)菌的生態(tài)學(xué)重要性認(rèn)識(shí)細(xì)菌在自然界的基本作用掌握細(xì)菌的主要生態(tài)特征理解細(xì)菌的適應(yīng)性與生存策略認(rèn)識(shí)細(xì)菌在生態(tài)系統(tǒng)中的作用細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)歷史1列文虎克的貢獻(xiàn)1676年首次觀察到微生物2巴斯德的開(kāi)創(chuàng)性工作證明微生物存在并研究其作用3科赫的純培養(yǎng)技術(shù)建立微生物研究方法論基礎(chǔ)細(xì)菌的基本特征大小和形態(tài)通常為0.5-5微米球形、桿形、螺旋形等多種形態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)無(wú)細(xì)胞核的原核生物具有細(xì)胞壁和細(xì)胞膜部分具有莢膜和鞭毛細(xì)菌的多樣性10K+已知種類(lèi)已正式命名和描述的細(xì)菌種類(lèi)1T+總體估計(jì)地球上可能存在的細(xì)菌種類(lèi)總數(shù)99%未發(fā)現(xiàn)比例尚未被人類(lèi)發(fā)現(xiàn)和研究的細(xì)菌細(xì)菌的生存環(huán)境土壤每克土壤含數(shù)十億細(xì)菌分解有機(jī)質(zhì)、固氮、改善土壤結(jié)構(gòu)水體淡水和海洋中大量存在參與水質(zhì)凈化和食物鏈循環(huán)空氣以氣溶膠形式存在通過(guò)空氣傳播擴(kuò)散極端環(huán)境熱泉、深海、鹽湖、冰川展現(xiàn)驚人適應(yīng)能力細(xì)菌的生態(tài)適應(yīng)性溫度適應(yīng)從冰點(diǎn)以下到100℃以上都有細(xì)菌生存pH值適應(yīng)從強(qiáng)酸性到強(qiáng)堿性環(huán)境均有細(xì)菌分布鹽度適應(yīng)從淡水到飽和鹽水都存在適應(yīng)的細(xì)菌壓力適應(yīng)從常壓到深海高壓環(huán)境均有細(xì)菌生存細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)方式自養(yǎng)細(xì)菌能利用無(wú)機(jī)物合成有機(jī)物通過(guò)光能或化學(xué)能固定CO?是生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)者異養(yǎng)細(xì)菌依賴(lài)外源有機(jī)物質(zhì)獲取營(yíng)養(yǎng)分解有機(jī)物獲取能量和碳源在物質(zhì)循環(huán)中起分解者作用自養(yǎng)細(xì)菌的生態(tài)作用光合自養(yǎng)細(xì)菌藍(lán)細(xì)菌、紫色細(xì)菌等利用光能合成有機(jī)物產(chǎn)生氧氣，貢獻(xiàn)全球約30%的光合作用化能自養(yǎng)細(xì)菌硝化細(xì)菌、硫細(xì)菌等利用無(wú)機(jī)化合物氧化釋放能量參與氮、硫等元素的生物地球化學(xué)循環(huán)異養(yǎng)細(xì)菌的生態(tài)作用腐生細(xì)菌分解死亡有機(jī)物釋放養(yǎng)分回到生態(tài)系統(tǒng)寄生細(xì)菌在宿主體內(nèi)生活并獲取營(yíng)養(yǎng)可能引起疾病共生細(xì)菌與宿主互利共生如根瘤菌、腸道菌群細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線1延滯期細(xì)菌適應(yīng)環(huán)境，準(zhǔn)備分裂2對(duì)數(shù)期細(xì)菌快速分裂，數(shù)量指數(shù)增長(zhǎng)3穩(wěn)定期新生細(xì)胞與死亡細(xì)胞數(shù)量平衡4衰亡期養(yǎng)分耗盡，代謝產(chǎn)物積累，死亡率增加影響細(xì)菌生長(zhǎng)的環(huán)境因素溫度影響酶活性和代謝速率每種細(xì)菌有最適生長(zhǎng)溫度范圍pH值影響細(xì)胞膜功能和酶活性多數(shù)細(xì)菌喜好中性pH環(huán)境氧氣決定呼吸方式好氧、厭氧、兼性厭氧菌營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)碳源、氮源、磷源等生長(zhǎng)必需的物質(zhì)基礎(chǔ)細(xì)菌的繁殖方式二分裂最常見(jiàn)的無(wú)性繁殖方式細(xì)胞DNA復(fù)制后分裂為兩個(gè)子細(xì)胞理想條件下20分鐘可完成一次分裂芽殖少數(shù)細(xì)菌的繁殖方式母細(xì)胞表面形成小芽，發(fā)育成新細(xì)胞孢子形成抵抗不良環(huán)境的生存策略形成耐熱、耐干燥、耐輻射的休眠體細(xì)菌的群體行為群體感應(yīng)通過(guò)釋放信號(hào)分子感知種群密度協(xié)調(diào)群體行為如生物發(fā)光調(diào)控基因表達(dá)生物膜形成細(xì)菌附著于表面形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生胞外多糖物質(zhì)增強(qiáng)抗逆性和抵抗性自然界和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛存在細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)能力趨化性向有利環(huán)境移動(dòng)，遠(yuǎn)離有害環(huán)境鞭毛運(yùn)動(dòng)利用鞭毛旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推進(jìn)力滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)分泌黏液或利用特殊結(jié)構(gòu)滑行細(xì)菌與其他微生物的相互作用競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系爭(zhēng)奪共同資源和生態(tài)位分泌抗生素抑制競(jìng)爭(zhēng)者協(xié)同關(guān)系代謝產(chǎn)物互相利用形成互利共生群落捕食關(guān)系原生動(dòng)物捕食細(xì)菌細(xì)菌被噬菌體感染細(xì)菌與植物的相互作用根際微生物促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高養(yǎng)分吸收植物病原菌引起植物疾病，導(dǎo)致作物減產(chǎn)固氮菌與豆科植物共生，將大氣氮轉(zhuǎn)化為氨植物保護(hù)菌產(chǎn)生抗菌物質(zhì)，抵抗病原體細(xì)菌與動(dòng)物的相互作用腸道微生物群提供營(yíng)養(yǎng)和免疫保護(hù)病原菌可引起感染性疾病共生細(xì)菌助消化和防御病原體細(xì)菌在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的作用有機(jī)質(zhì)分解將復(fù)雜有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單化合物養(yǎng)分循環(huán)參與碳、氮、磷等元素的轉(zhuǎn)化土壤結(jié)構(gòu)改善分泌胞外物質(zhì)增強(qiáng)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)生物防控抑制土傳病原體，保護(hù)植物健康細(xì)菌在水生生態(tài)系統(tǒng)中的作用水質(zhì)凈化分解有機(jī)污染物，降解毒素食物鏈基礎(chǔ)作為微型食物網(wǎng)的重要組成部分生物地球化學(xué)循環(huán)驅(qū)動(dòng)水體中元素轉(zhuǎn)化與能量流動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)水生環(huán)境中的生物群落結(jié)構(gòu)細(xì)菌在大氣中的作用大氣成分調(diào)節(jié)影響溫室氣體濃度參與大氣化學(xué)反應(yīng)云凝結(jié)核促進(jìn)云滴形成影響降水過(guò)程大氣污染物降解分解有機(jī)揮發(fā)物凈化大氣環(huán)境細(xì)菌在碳循環(huán)中的作用細(xì)菌在氮循環(huán)中的作用氮的固定將大氣中N?轉(zhuǎn)化為氨硝化作用將氨氧化為硝酸鹽反硝化作用將硝酸鹽還原為N?氨化作用有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為銨細(xì)菌在硫循環(huán)中的作用硫的氧化硫化物→硫→硫酸鹽如硫桿菌屬硫的還原硫酸鹽→硫化氫如硫酸鹽還原菌有機(jī)硫轉(zhuǎn)化有機(jī)硫化合物的合成與分解硫代謝的多樣化途徑細(xì)菌在磷循環(huán)中的作用1有機(jī)磷的礦化將有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷酸鹽2磷的可溶化釋放土壤中不溶性磷酸鹽3磷的固定將可溶性磷轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞組分4磷的再循環(huán)細(xì)菌死亡分解釋放體內(nèi)磷細(xì)菌在極端環(huán)境中的適應(yīng)嗜熱菌生長(zhǎng)適溫50-80℃以上熱穩(wěn)定酶系統(tǒng)嗜冷菌能在0℃以下生長(zhǎng)膜脂肪酸不飽和度高嗜鹽菌適應(yīng)高鹽環(huán)境滲透調(diào)節(jié)能力強(qiáng)嗜酸菌和嗜堿菌分別適應(yīng)極酸極堿環(huán)境pH平衡調(diào)節(jié)機(jī)制細(xì)菌的抗逆性機(jī)制芽胞形成產(chǎn)生高度抗逆的休眠結(jié)構(gòu)休眠狀態(tài)代謝活動(dòng)降至最低維持生存應(yīng)激反應(yīng)感知環(huán)境脅迫并迅速調(diào)整代謝基因表達(dá)調(diào)控激活抗逆相關(guān)基因應(yīng)對(duì)環(huán)境變化細(xì)菌的基因水平轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化作用吸收環(huán)境中的外源DNA1接合作用通過(guò)直接接觸傳遞質(zhì)粒轉(zhuǎn)導(dǎo)作用噬菌體介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移細(xì)菌的進(jìn)化與適應(yīng)突變DNA序列隨機(jī)變化提供遺傳變異基礎(chǔ)自然選擇適應(yīng)環(huán)境的基因型被保留適應(yīng)性進(jìn)化的核心機(jī)制水平基因轉(zhuǎn)移跨物種的基因交流加速進(jìn)化和適應(yīng)過(guò)程細(xì)菌在生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用生態(tài)平衡維持調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定能量流動(dòng)能量在生態(tài)系統(tǒng)中的傳遞和轉(zhuǎn)化元素轉(zhuǎn)化C、N、P、S等元素的氧化還原與轉(zhuǎn)移細(xì)菌與氣候變化溫室氣體的產(chǎn)生與消耗甲烷、二氧化碳、氧化亞氮產(chǎn)甲烷菌與甲烷氧化菌平衡碳匯作用微生物固碳減緩大氣CO?增加土壤和海洋中的細(xì)菌固碳作用氣候反饋機(jī)制氣候變化影響細(xì)菌活性細(xì)菌活性變化反過(guò)來(lái)影響氣候細(xì)菌在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用生物修復(fù)利用細(xì)菌降解污染物石油泄漏、重金屬污染廢水處理活性污泥法中微生物作用降解有機(jī)污染物有機(jī)污染物降解分解農(nóng)藥、塑料、持久性有機(jī)物轉(zhuǎn)化有毒物質(zhì)為無(wú)害產(chǎn)物細(xì)菌在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用生物肥料固氮菌、解磷菌增加養(yǎng)分有效性生物農(nóng)藥蘇云金芽孢桿菌防治害蟲(chóng)土壤改良改善土壤結(jié)構(gòu)和健康作物保護(hù)誘導(dǎo)植物抗病性細(xì)菌在工業(yè)中的應(yīng)用發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)酒精、乳酸、氨基酸等生物能源生產(chǎn)生物燃料、沼氣、氫氣生物塑料制造可降解塑料替代品工業(yè)酶制品洗滌劑、紡織品、造紙用酶細(xì)菌在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用抗生素生產(chǎn)鏈霉素、四環(huán)素等疫苗開(kāi)發(fā)滅活菌苗、減毒活菌苗益生菌制品雙歧桿菌、乳酸菌制劑基因治療載體工程細(xì)菌傳遞治療基因細(xì)菌與人類(lèi)健康人體微生物組人體攜帶約39萬(wàn)億個(gè)微生物細(xì)胞超過(guò)人體細(xì)胞數(shù)量基因數(shù)量是人類(lèi)基因組的100倍以上益生菌作用維持腸道菌群平衡增強(qiáng)免疫功能輔助營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收合成維生素K和部分B族維生素病原菌防控預(yù)防感染性疾病傳播食品安全監(jiān)測(cè)抗菌藥物合理使用細(xì)菌耐藥性問(wèn)題應(yīng)對(duì)策略抗生素管理和新藥研發(fā)耐藥性傳播通過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移迅速擴(kuò)散耐藥機(jī)制酶降解、外排系統(tǒng)、靶點(diǎn)變異新興病原菌發(fā)現(xiàn)與鑒定分子生物學(xué)和基因組學(xué)技術(shù)新病原體快速檢測(cè)方法傳播途徑跨物種傳播環(huán)境變化促進(jìn)新病原體出現(xiàn)防控措施全球監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)快速響應(yīng)和疫苗開(kāi)發(fā)細(xì)菌在食品安全中的角色食品腐敗分解食品營(yíng)養(yǎng)成分產(chǎn)生異味和毒素食源性病原菌沙門(mén)氏菌、李斯特菌引起食物中毒發(fā)酵食品生產(chǎn)奶酪、酸奶、泡菜提高食品風(fēng)味和保存性細(xì)菌生態(tài)學(xué)研究方法培養(yǎng)法傳統(tǒng)分離純培養(yǎng)技術(shù)2分子生物學(xué)方法PCR、DGGE、FISH等技術(shù)宏基因組學(xué)方法直接測(cè)序環(huán)境樣本全部DNA單細(xì)胞技術(shù)研究個(gè)體細(xì)胞基因組和功能細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析變形菌門(mén)厚壁菌門(mén)擬桿菌門(mén)放線菌門(mén)其他多樣性指數(shù)評(píng)估群落結(jié)構(gòu)種群動(dòng)態(tài)反映環(huán)境變化功能基因分析揭示生態(tài)過(guò)程細(xì)菌生態(tài)位理論生態(tài)位概念細(xì)菌在生態(tài)系統(tǒng)中的功能角色資源利用和環(huán)境適應(yīng)范圍生態(tài)位分化不同細(xì)菌種類(lèi)發(fā)展特殊功能減少競(jìng)爭(zhēng)提高共存可能性生態(tài)位重疊多種細(xì)菌共同利用相似資源競(jìng)爭(zhēng)或協(xié)同關(guān)系形成細(xì)菌種群動(dòng)態(tài)種群增長(zhǎng)模型預(yù)測(cè)細(xì)菌數(shù)量變化密度依賴(lài)性限制無(wú)限增長(zhǎng)種間競(jìng)爭(zhēng)塑造群落結(jié)構(gòu)細(xì)菌群落演替1原始演替在全新環(huán)境中建立群落如新形成的火山巖上2次生演替擾動(dòng)后群落的恢復(fù)過(guò)程如土壤污染后的恢復(fù)3演替機(jī)制先鋒物種改變環(huán)境促進(jìn)后續(xù)物種定植4穩(wěn)定群落最終形成相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)多樣性和功能最優(yōu)化細(xì)菌在生物修復(fù)中的應(yīng)用石油污染修復(fù)降解烴類(lèi)化合物重金屬污染修復(fù)吸附、轉(zhuǎn)化有毒重金屬有機(jī)污染物降解分解農(nóng)藥、染料、塑料放射性物質(zhì)處理微生物固定放射性元素細(xì)菌與生物控制害蟲(chóng)生物防治蘇云金芽孢桿菌產(chǎn)生的晶體蛋白對(duì)鱗翅目昆蟲(chóng)有選擇性毒性環(huán)境友好型害蟲(chóng)控制方法植物病害防控拮抗細(xì)菌抑制病原微生物生長(zhǎng)誘導(dǎo)植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性減少化學(xué)農(nóng)藥使用生態(tài)平衡維持保持有益微生物群落多樣性通過(guò)微生物調(diào)控防止病蟲(chóng)害爆發(fā)細(xì)菌與生物地理學(xué)分布格局全球范圍內(nèi)的細(xì)菌分布規(guī)律擴(kuò)散機(jī)制風(fēng)力、水流、生物載體傳播地理隔離效應(yīng)獨(dú)特環(huán)境促進(jìn)細(xì)菌特化細(xì)菌與生態(tài)系統(tǒng)功能能量流動(dòng)維持生態(tài)系統(tǒng)能量傳遞有機(jī)質(zhì)分解將復(fù)雜有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單物質(zhì)初級(jí)生產(chǎn)力光合細(xì)菌固定碳源細(xì)菌與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性3X穩(wěn)定性提升高多樣性系統(tǒng)比低多樣性更穩(wěn)定40%功能冗余度多種細(xì)菌可執(zhí)行相同生態(tài)功能2X恢復(fù)能力多樣化細(xì)菌群落更快從干擾中恢復(fù)細(xì)菌與生態(tài)工程人工濕地利用微生物凈化污水去除氮磷和有機(jī)污染物生物濾池微生物膜處理廢氣降解揮發(fā)性有機(jī)物生態(tài)堤壩微生物群落穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)防止水土流失細(xì)菌與全球變化碳循環(huán)反饋溫度上升影響土壤微生物呼吸加速或減緩氣候變化海洋酸化影響改變海洋微生物群落結(jié)構(gòu)影響海洋碳泵功能土壤微生物組變化影響植物生長(zhǎng)和養(yǎng)分循環(huán)改變生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力細(xì)菌與生物多樣性保護(hù)微生物多樣性評(píng)估基因組測(cè)序與環(huán)境監(jiān)測(cè)確定保護(hù)優(yōu)先級(jí)保護(hù)策略原位保護(hù)自然環(huán)境中的微生物群落關(guān)注特殊生態(tài)系統(tǒng)微生物生物資源庫(kù)建設(shè)收集保存重要細(xì)菌資源建立基因和菌種資源中心細(xì)菌在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用1生物指示劑敏感菌群反映環(huán)境變化2生態(tài)毒理學(xué)評(píng)價(jià)細(xì)菌測(cè)試評(píng)估污染物毒性3環(huán)境質(zhì)量評(píng)估群落結(jié)構(gòu)變化指示環(huán)境健康4預(yù)警系統(tǒng)細(xì)菌傳感器監(jiān)測(cè)水質(zhì)變化細(xì)菌與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)調(diào)節(jié)服務(wù)氣候調(diào)節(jié)、水質(zhì)凈化、土壤形成供給服務(wù)食品生產(chǎn)、藥物來(lái)源、生物材料文化服務(wù)科研教育、生態(tài)旅游資源細(xì)菌與生態(tài)系統(tǒng)管理微生物資源利用可持續(xù)開(kāi)發(fā)細(xì)菌資源生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估細(xì)菌群落作為健康指標(biāo)可持續(xù)管理策略基于生態(tài)原理的微生物調(diào)控生態(tài)平衡維持促進(jìn)有益菌群平衡發(fā)展細(xì)菌生態(tài)學(xué)前沿研究單細(xì)胞技術(shù)揭示個(gè)體差異合成生物學(xué)構(gòu)建人工生態(tài)系統(tǒng)微生物組學(xué)研究整體功能細(xì)菌生態(tài)學(xué)面臨的挑戰(zhàn)1未可培養(yǎng)微生物研究99%環(huán)境細(xì)菌難以實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)功能預(yù)測(cè)與驗(yàn)證基因存在不等于功能表達(dá)生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜性無(wú)數(shù)生物間相互作用網(wǎng)絡(luò)難以模擬細(xì)菌生態(tài)學(xué)的未來(lái)展望跨學(xué)科研究生態(tài)學(xué)、分子生物學(xué)、生物信息學(xué)結(jié)合全方位理解微