第八章微生物的生态

第八章微生物的生态 本章要求掌握： 1. 了解生态学、生态系统与微生物生态学定义。 2. 了解自然界中微生物在土壤、水体、空气及其他基质中的广泛分布，掌握微生物与生物环境间的主要关系类型。 3. 了解微生物在自然界中各大类物质循环中的作用和地位，熟练掌握微生物在氮素循环中的作用和地位，理解细菌沥滤的基本原理。 4. 掌握富营养化、水华、赤潮、活性污泥、BOD、COD等重要概念，理解微生物处理污水的基本原理和几种常见方法，了解沼气发酵过程。

微生物的生态： • 指周围环境（包括生物及非生物条件）对微生物区系或正常菌群的作用以及微生物对周围环境的反作用。 • 微生物生态学： • 研究微生物群体— 微生物区系或正常菌群对其周围环境的生物和非生物条件相互作用关系的科学。 • 微生物生态学的研究内容： • 1、研究微生物的分布规律； • 2、研究微生物间及其与它种生物间的相互关系； • 3、研究微生物在自然界物质循环中的作用

研究微生物生态学的意义 1、有助于开发丰富的菌种资源； 2、有助于防止有害微生物的活动； 3、有助于发展新的微生物农药、微生物肥料； 4、有助于防止人和动植物病虫害； 5、有助于发展混菌发酵、序列发酵和生态农业； 6、有利于阐明地球进化和生物进化的原因； 7、能促进探矿、冶金、环保、提高土壤肥力以及开发生物能等各项生产事业的发展。

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 生命科学研究的层次

生态系统ecosystem ： 在一定的时间和空间内生物群落与它们的环境通过物质循环和能量流动相互作用,相互依存而构成的一个生态学功能单位。生态系统=生物群落（生产者+消费者+分解转化者） + 环境条件 • 生物群落community ：指生活在特定空间或区域的所有生物种群的集合体

种群population：指生活在特定空间或区域的同一物种的所有个体的集合体种群population：指生活在特定空间或区域的同一物种的所有个体的集合体 • 生物圈biosphere：地球上所有生物群落以及它们生存的环境的总体，统称为生物圈。 • 微生物只是生态系统中生物群落的一部分。

微生物在生态系统中的作用 • 有机物的主要分解者； • 物质循环中的重要成员； • 生态系统中的初级生产者； • 物质和能量的储存者； • 地球生物演化中的先锋种类

第一节 微生物在自然界中的分布与菌种资源的开发第二节微生物与生物环境间的关系第三节微生物在自然界物质循环中的作用第四节污水的微生物处理

第一节 微生物在自然界中的分布与菌种资源的开发一、自然环境中的微生物（一）岩土生态圈 1、生态学特征 •水分：土壤中的水分虽然变化较大，但基本上可以满足微生物的需要 •营养状态：有机物、无机盐、微量元素等。 •pH：3.5~8.5，多数在5.5~8.5。 •氧气：土壤空隙中充满着空气和水分，为好氧和厌氧微生物的生长提供了良好的环境。 •渗透压：0.3~0.6MPa，适合于微生物生长。 •温度：土壤的保温性能好，与空气相比，昼夜温差和季节温差的变化不大 •保护层：几毫米厚（微生物便可免于被阳光直射致死）

2、土壤中微生物的种类、数量及分布 (1) 种类及数量数量：108~ 109 /克肥沃土，106~ 107个/克贫瘠土细菌（~108）﹥放线菌（~107）﹥霉菌（~106）﹥酵母菌（~105）﹥藻类（~104）﹥原生动物（~103） 1) 细菌：是土壤中数量最多的微生物，包括氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌、固氮细菌以及纤维素分解菌等。从形态来看，多为杆菌和球菌；从生理类型来说，一般为中温型的好氧菌或兼性厌氧异养菌。适宜在潮湿、pH近中性土壤中生长。 2) 放线菌：数量较少，但种类多，异养型，pH 6.5-8.0 时种类数量丰富，主要存在于有机质丰富的土壤中，干旱土中较多。

3) 真菌： 生活在近地面的土层中，以菌丝体和孢子的形式存在，数量相对较少。 •异养型霉菌：严格好氧类群，在通气良好的耕作土壤中广泛分布，酸性土壤中霉菌比例增加酵母菌：几个～几千个/克，果园、养蜂场等含糖丰富土壤中较多（105个/g） 4) 藻类：光能自养型，较少，一般103 ～ 104/克，主要生活在光照和CO2供应充足的浅层土中 5) 原生动物：数量变化大， 10 ～ 105/克不等，富含有机质的土壤含量较多。

(2) 分布 • 影响因素：土壤肥力（有机物类型及含量）、湿度、pH、土壤类型、深度、植被、耕作状况、季节等。 • 1) 水平分布：取决于有机物的种类和浓度； • 2) 垂直分布：表面土数量少；5~20cm处最多；20cm以下随深度增加而减少。

（二）水生态圈 • 1、淡水生境生态特征 • 营养状况：地下水、自流井、泉水、溪流以及洁净的湖泊和水库中，有机物含量低；池塘、河流有机物含量高。 • 温度：各种水体也有较大差异，并随着季节等有较大变化。一般淡水在0-36℃之间。 • 氧分压：水体中空气供应较差。因此，氧气是水生环境里最重要的限制因子。静水湖泊更为明显，江河水域由于水的流动溶解氧能不断得以补充。 • pH值：变化范围3.7-10.5之间，大多数淡水pH值6.5-8.5，适于微生物生长。

2、淡水生境中的微生物 • 清水型水生微生物 • 生活在有机物含量低的水体中。 • 1) 自养型微生物 • 包括化能自养微生物（硫细菌、铁细菌）和光能自养微生物（蓝细菌、铁硫细菌和紫细菌）。 • 2) 贫营养细菌 • 指一些能在1-15mgC/L低含量有机质培养基中生长的细菌。 • 3) 一些霉菌； • 4) 单细胞和丝状的藻类及一些原生动物。

(2) 腐败型水生微生物 • 在含有大量外来有机物的水体中生长。 • 细菌： • 原生动物； • 动植物致病菌。

(3) 淡水生境中微生物的垂直分布规律 沿岸区：阳光充足、溶氧量大，适合蓝细菌、光合藻类和好氧微生物生长；深水区：光线微弱、溶氧量少、硫化氢含量较高，适合厌氧光合细菌生长；湖底区：严重缺氧；适合厌氧菌生长。

3、海洋生境生态特征 高渗透压、低温、高压、低有机质浓度、植物及动物区系稀少。 4、海洋微生物；一般是微嗜盐并能耐高渗透压的微生物，常见的有具有活动力的杆菌、各种弧菌以及藻类、发光细菌等。海水生境中微生物的垂直分布规律：透光区：多种海洋微生物无光区：一些微生物深海区：少量微生物超深渊海区：极少数耐压菌

5、饮用水的微生物学标准 • (1)检验饮用水质量时，选用大肠菌群数作为主要指标。 • 1)由水传播的最重要的传染病是痢疾、霍乱和伤寒，它们都是肠道传染病。肠道病原菌都是通过粪便污染水源而传播的，因此防治饮用水传染病的关键是要严防水源被粪便污染。 • 2)水中存在病原菌可能性很小，直接检测困难，因此需要选择一种指示菌作为卫生指标； • 3)作为卫生指标的指示细菌必须符合： • 生理习性与肠道病原菌类似，即在外界的生存时间基本一致；（代表性） • 在粪便中的数量比病原菌多，不会漏检；（灵敏性） • 检验技术较简单;（操作方便）

4) 比较理想的指示菌是大肠杆菌；但大肠杆菌的检测容易受一些形态和理化特性相似的细菌的干扰；选择大肠菌群（coliform)作为指示菌。 ① 大肠菌群是一群好氧和兼性厌氧的，能在37℃24h内发酵乳糖产酸产气的革兰氏阴性无芽胞杆菌的总称。一般包括大肠埃希氏杆菌、产气杆菌、柠檬酸盐杆菌和副大肠杆菌等。 ② 水中大肠菌群数量超过一定的数量，则说明水源可能被粪便污染，有存在肠道病原菌的可能性。

(2) 大肠菌群的测定方法通常采用MPN法。 (3) 我国《生活饮用水卫生标准》GB5749-85关于饮用水的卫生标准为：每ml水细菌总数不超过100个，大肠菌群数每升水不超过3个。

6、水的消毒处理方法 (1) 机械净水法（过滤法）：是通过厚的沙层机械地将细菌滤掉，繁殖于沙层上的原生动物会吃去部分细菌而使菌数大减。 (2) 化学净水法：为杀死水中的病原菌而使用杀菌剂对水进行处理的方法。 (3) 物理净水法：采用紫外线、臭氧等对水进行净化处理的方法。

（三）大气生态圈 • 1、生态学特征： • 营养物质缺乏、紫外线照射、干燥。 • ——不适合微生物生长繁殖 • 2、大气中的微生物： • (1) 空气中的微生物的来源 • 土壤尘埃； • 水面吹起的小水滴； • 人和动物体表面的干燥脱落物； • 呼吸道的微生物； • 敞口的废水处理系统。

(2) 空气中微生物的种类、数量和分布 •空气中无固定的微生物种类和数量； •影响因素：环境卫生状况、绿化程度、尘埃颗粒大小和数量、空气相对湿度、辐射的强弱、人员密度和活动情况、空气流通情况等。主要类群：芽孢杆菌、霉菌和放线菌孢子、野生酵母、原生动物孢囊等。 •分布：

不同场所空气中的细菌数

3、大气中微生物的测定方法； (1)培养皿沉降法；将含有琼脂培养基的平皿盖打开，使之暴露于空气中一定时间，以待微生物沉降于培养基表面，培养成菌落后，即可统计。 (2)液体阻留法：将一定容积的空气样品，以很细小的气泡通过液体介质，使微生物分散在介质中，然后取一定量的含菌液涂布在平皿上，经培养后测定样品中的微生物含量。

4、空气消毒法： • 过滤除菌法： • 用棉花、纱布、石棉滤板、活性炭或超细玻璃纤维过滤纸对空气进行过滤除菌。 • (2) 物理除菌法： • 用紫外线照射对室内空气进行灭菌的方法。 • (3)化学除菌法： • 用福尔马林等药物熏蒸或喷洒对空气进行消毒。

（四）极端环境中的微生物： • 依赖于高温、低温、高酸、高碱、高盐或高辐射强度等极端环境才能生活的微生物叫嗜极菌或极端微生物。 • 1、嗜热微生物： • 分布： • 广泛分布于草堆、厩肥、温泉、煤堆、火山地、地热区土壤及海底火山附近等处，包括好热的放线菌、芽孢杆菌等。 • (2)嗜热微生物的种类和特点耐热菌：最高45-55℃，最低 <30℃ 兼性嗜热菌：最高50-65℃，最低 <30℃ 嗜热菌专性嗜热菌：最高65-70℃，最低 42℃ 极端嗜热菌：最高>70℃，最适> 65℃，最低>40℃ 超嗜热菌：最高113℃，最适80-110 ℃，最低-55℃

(3) 嗜热微生物的耐热机制： • 酶和蛋白质有更强的耐热性； • 细胞膜中饱和脂肪酸含量高，更易形成疏水键，以确保在高温下膜的稳定性和正常生理功能； • 能产生多胺、热亚胺及高温精胺，以稳定核糖体等以及保护蛋白质大分子免受高温破坏； • 其核酸有热稳定性的结构； • 生长速率快，合成大分子迅速，能及时弥补高温对大分子的破坏。

(4) 特点及应用： • 生长速率高，代谢作用强； • 产物/细胞重量之比值较高； • 高温下具有竞争优势，在发酵生产中可防止杂菌污染； • 所含耐高温酶有重要的生产潜力和应用前景； • 乙醇等代谢产物容易收得； • 发酵过程不需冷却，可省去深井水消耗。

2、嗜冷微生物 (1)什么是嗜冷微生物？一类最适生长温度低于15℃、最高生长温度低于20 ℃和最低生长温度在0 ℃以下的微生物，嗜冷微生物遇到20 ℃高温即死亡。与耐冷微生物的区别：在0℃生长、最适20－40 ℃ (2)分布：广泛分布于两极地区、冰窖、高山、深海和土壤等的低温环境中。 (3) 嗜冷微生物在低温环境下能生长繁殖的原因细胞膜内含有大量的不饱和脂肪酸，且其含量会随温度的降低而增加，从而保证了膜在低温下的流动性，有利于营养物质的吸收和代谢产物的分泌，因此能在低温条件下进行生命活动。 (4)嗜冷微生物的应用：低温酶制剂；低温食品腐败

3、嗜酸微生物 (1)什么是嗜酸微生物？只能生活在低于pH4条件下，在中性pH下即死亡的微生物，少数可生活在pH<2。与耐酸微生物的区别：耐酸微生物在中性pH下能生活。 (2)类群：主要是一些真细菌和古生菌如硫细菌属、硫化叶菌属、热原体属等。 (3)分布：仅分布于酸性矿水、酸性热泉和酸性土壤等处。 (4) 嗜酸机理：细胞内pH接近中性；酶最适pH中性；壁膜排阻H+。 (5)嗜酸微生物的应用：金属的湿法冶炼；煤脱硫

4、嗜碱微生物 (1)什么是嗜碱微生物？能专性生活在pH10－11碱性条件下而不能生活在中性条件下的微生物。 (2)分布：广泛分布于碱性盐湖、碳酸盐含量高的土壤中。 (3)类群： Bacillus (4)嗜碱微生物的应用酶的开发：蛋白酶、脂肪酶和纤维素酶，洗涤剂

5、嗜盐微生物 • (1)什么是嗜盐微生物？ • 必须在高嗜盐微生物盐浓度下才能生长的微生物。 • 嗜盐菌：注意与耐盐菌的区别 • (2)种类： • 低度嗜盐菌：0.2-0.5moL/LNaCL • 中度嗜盐菌：0.5-2.5moL/LNaCL • 极度嗜盐菌：2.5-5.2moL/LNaCL • (3)分布： • 分布于晒盐场、腌制海产品、盐湖和死海。 • (4)耐盐机制： • 嗜盐菌体内含紫膜，紫膜的主要成分是一种以紫色的视黄醛为辅基的细菌视紫红质，它既起一个质子泵的作用，同时又起排盐作用，可为嗜盐菌在高盐环境下建立跨膜的Na+电化学梯度，并由此而完成一系列的生理生化功能。

6、嗜压微生物 仅分布在深海底部和深油井等少数地方，必须生活在高静水压的条件下。 7、抗辐射微生物对辐射具有较强抗性的微生物。

（五）动植物体表体内的微生物 • 1、正常菌群： • 生活在健康动物各部位、数量大、种类较稳定且一般是有益无害的微生物，称为正常菌群。 • (1)人体肠道正常菌群对机体的作用： • 排阻、抑制外来致病菌； • 提供若干维生素； • 产生若干酶类； • 一定程度的固氮作用； • 产生气体和粪臭物质。

(2) 正常菌群是相对的、可变的、有条件的 1）微生态平衡正常条件下，正常菌群与人体保持的十分和谐的平衡状态，菌群内部各微生物之间相互制约，维持稳定有序的关系。 2）正常菌群失调由于宿主防疫机能减弱、正常菌群生长部位改变或长期服用抗生素等制菌药物后导致的正常菌群成员的转移或大量繁殖，从而成为致病菌。

3）条件致病菌和内源感染 由于外界条件变化能引起疾病的正常菌群称为条件致病菌；由条件致病菌引起的感染称为内源感染。 4) 如何治疗肠道微生态失调？微生态制剂：根据微生态学理论而制成的含有有益菌的活菌制剂，功能在于改善肠道菌群、治疗急、慢性肠炎以及其他保健功能。益生菌剂：一类分离自正常菌群，以高含量活菌为主体，通过口腹或粘膜途径摄入，有助于改善宿主特定部位微生态平衡并有若干其他有益生理活性的生物制剂。

2、无菌动物和悉生生物 • 无菌动物： • 凡在其体内外检查不到任何正常菌群的动物称为无菌动物。其特点如下： • 1) 免疫系统机能低下，若干器官变小； • 营养要求特殊； • 对属非致病菌的枯草杆菌和藤黄微球菌敏感； • 不易患阿米巴痢疾。 • (2) 悉生生物： • 人为地接种上某已知纯种微生物的无菌动物或无菌植物称为悉生生物。

3、根际微生物 • 概念： • 生活在植物根际，借植物根系向周围分泌的各种外渗物为营养的微生物称为根际微生物，以无芽孢杆菌居多。 • (2) 根际微生物对植物的影响： • 1)改善植物的营养条件； • 分泌植物生长刺激物质； • 分泌抗生素类物质； • 产生一定的有害影响。 • 4、附生微生物： • 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的微生物。主要是细菌及少数的酵母菌和霉菌，放线菌极少。

（六）物品和制品上的微生物 • 1、工业材料和制品中的微生物 • 微生物引起的劣化： • 工业材料及制品因受气候、物理、化学或生物因素的作用而被破坏的现象称为材料劣化。 • 1) 霉变：主要指由霉菌引起的劣化； • 腐朽：泛指在好氧条件下微生物酶解有机物使其劣化的现象。 • 3) 腐烂（或腐败）：主要是指细菌或酵母菌引起的使物体变软、发臭性的劣化。 • 4) 腐蚀：主要指由硫酸盐还原细菌、铁细菌或硫细菌引起的金属材料的侵蚀、破坏性劣化。 • 5) 变质：指由各种生物或非生物因素引起的工农业产品质量下降的现象。

(2) 防止工业产品霉腐的方法： • 控制微生物赖以生长繁殖的外界环境条件； • 采用有效的化学抑菌剂、杀菌剂或物理杀菌剂； • 在工业产品加工、包装过程中，尽量保持环境卫生并严防杂菌的污染。

2、食品上的微生物： • 果蔬腐败微生物； • 罐藏食品腐败微生物； • 肉类腐败微生物； • 蛋品腐败微生物；

3、农产品上的微生物 • 粮食微生物主要包括霉菌、酵母菌、细菌、放线菌及病毒。 • 粮食微生物能降低粮食的营养品质，使之失去食用价值及影响其工业上的用途； • 产生有害的代谢产物—黄曲霉毒素、单端孢烯族霉素T2

二、菌种资源的开发 分离样品中的微生物，通常情况下可分四步来进行： 1、采集菌样 2、富集培养又称增殖培养，就是利用选择性培养基的原理，在所采集的土壤等含菌样品中加入某些特殊营养物，并创造一些有利于待分离对象生长的条件，使样品中少数能分解利用这类营养物的微生物乘机大量繁殖，从而有利于分离它们。 3、纯种分离 4、性能测定

第二节微生物与生物环境间的关系 • 一、微生物群体间的相互影响 • （一）互生 • 指两种可以单独生活的生物，当其生活在一起时，通过各自的代谢活动而有利于对方或偏利于一方的生活方式。 • 1、微生态制剂： • 2、混菌培养： • 利用混合菌株合成单菌株不能合成的产物； • 利用混合培养提高效率、产率等。

（二）共生 指两种生物共居在一起，相互分工协作、相依为命，甚至达到难分难解、合二为一的一种相互关系。（三）寄生指一种小型生物生活在另一种较大型生物的体内或体表，从中摄取营养进行生长繁殖，并使后者蒙受损害甚至死亡的现象。 1、噬菌体与细菌或放线菌间的寄生关系； 2、真菌与真菌间的寄生关系； 3、真菌或细菌与原生动物间的寄生关系； 4、细菌与细菌间的寄生关系。

（四）拮抗 指由某种生物所产生的某种代谢产物可抑制他种生物的生长发育甚至杀死它们的一种相互关系。（五）捕食指一种较大型的生物直接捕捉、吞食另一种小型生物以满足其营养需要的相互关系。（六）竞争指两种微生物对某种环境因子有相同的要求时所产生的争夺现象。

二、微生物与动植物间的相互关系 • （一）微生物与植物间的相互关系 • 1、寄生 • 专性寄生物 • 必须从活的植物细胞或组织中获取所需营养的微生物，称为专性寄生物。 • (2) 兼性寄生物 • 既可以从活的植物细胞或组织中获取营养，又可以生活在死的植物组织或以死的有机物所配制的培养基中的微生物，叫兼性寄生物。

2、共生 • 根瘤菌与豆科植物间的共生关系—形成根瘤； • 弗兰克氏菌与非豆科植物间的共生关系—形成根瘤； • 分枝杆菌、克氏杆菌、及色杆菌与某些热带和亚热带植物间的共生关系—形成叶瘤； • 真菌与植物间的共生关系—形成菌根。

（二）微生物与动物间的相互关系 • 1、寄生： • 微生物在人及高等动物体内的寄生： • 微生物在昆虫体内的寄生： • 1) 昆虫病原细菌（细菌杀虫剂）—苏云金杆菌： • 2) 昆虫病原真菌（真菌杀虫剂）—白僵菌： • 3) 昆虫病毒（病毒杀虫剂）：

第八章 微生物的生态