第九章微生物的生态

微生物的生态微生物与环境、其他生物之间的关系[2]Contents第一节微生物在自然界的分布与菌种资源的开发一、微生物在自然界中的分布二、菌种资源的开发第二节微生物与生物环境间的关系一、互生二、共生三、寄生四、拮抗[3]本章内容第三节污水处理中的微生物学原理一、水污染来源二、微生物处理污水的原理三、处理废水的微生物法第四节微生物与环境保护一、水体污染二、微生物治理与监测环境污染[4]几个微生物生态学的概念生态学研究生命系统与其环境条件间相互作用规律的科学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的生物和非生物环境条件相互作用关系的科学[5]生命科学的从宏观到微观的不同层次生物圈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[6]研究微生物生态学的意义和价值微生物生态学的研究内容微生物的分布规律微生物与其他种间微生物的相互关系微生物在自然界物质循环中的作用理论意义与实践价值微生物菌种资源，推定进化、分类的研究和开发微生物农药、肥料和微生态制剂生态平衡7第一节微生物在自然界中的分布与菌种资源的开发DistributionofMicroorganismsintheNature[8]一、微生物在自然界中的分布生物体内外的正常微生物区系人体微生态无菌动物与悉生生物植物微生态土壤中的微生物水中微生物空气中的微生物工农业产品上的微生物极端环境下的微生物[9]人体的正常微生物区系有大量微生物的存在部位皮肤粘膜口腔鼻腔一切与外界环境相通的腔道：胃肠道、生殖道1014，人体细胞总数的10倍人体的正常菌群[10]人体上的微生物[11]人体微生态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微生态关系正常菌群之间、正常菌群与宿主之间，正常菌群与环境因子之间的关系[12]微生态学及其发展来于小孩尿布的E.colibyT.Escherichia奥地利1885MicroecologybyVolkerRushin1977从细胞和分子水平研究微观层次的生态学规律其任务：正常菌群的本质与宿主的关系微生态平衡和失衡的机制微生态制剂的研制[13]人体的五大微生态系统消化道78.7％、呼吸道、泌尿生殖道、口腔和皮肤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人体肠道中有60－400种微生物，数百万亿、占到粪便干重的三分之一人体肠道内正常菌群中，细菌量最高，具有排阻、抑制外来致病菌、合成人体不可缺少的营养物质、产生若干酶类等作用[14]说明正常菌群的种类和数量有个体差异肠道菌群对宿主的作用有益作用有害作用某些正常菌群当条件变化会变成病原微生物，引起疾病，称之为条件致病菌OpportunistPathogen，由其引起的感染称为内源感染例如：E.coli、Bacteroidesfragilis、Candidaalbicans条件致病菌正常菌群的微生物，当机体防御性降低，生存部位改变或因数量剧增等而引起疾病者[15]菌群失调症当大量服用抗生素后，肠道内对药物敏感的菌被抑制，不敏感菌“白色念珠菌”及耐药葡萄球菌大量繁殖，从而引起病变[16]如何治疗肠道微生态失调？微生态制剂Microecologics、Microecologicalmodulator/益生菌制剂Probiotics（1994,R.B.Parker）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[17]常用的益生菌（Probiotics）Bifidobacteriumspp.两歧、长、青春、婴儿、短Lactobacillusspp.嗜酸、植物、短、干酪、保加利亚Enterococcusspp.粪肠球菌、乳酸乳球菌、嗜热链球菌[18][19]Figure3.A)LactobacillusGGcoloniesamongotherstoollactobacilliflorainanMRS-agardish.B)LactobacillusGGbacteria(lightmicroscopy,gramstaining).[20]无菌动物和悉生生物无菌动物Germ-Freeanimal体内外不存在任何正常菌群的动物悉生动物Gnotobiota人为地接种上某种或某些已知纯种微生物的无菌动物或植物[21]根际微生物和附生微生物根际微生物生活在根系临近土壤，以来根系的分泌物、外渗物和脱落细胞生长，一般对植物发挥有益作用的正常菌群实例：假单胞菌、土壤杆菌、无色杆菌和节杆菌附生微生物（Epibioticmicroorganisms，Epibiont）生活在植物地上部分表面，主要依靠植物外渗物质或分泌物质为营养的微生物，主要为叶面微生物实例：106CFU/mL新鲜叶片表面附生微生物的作用和利用泡菜、酸菜、青贮饲料和果酒[22]（二）土壤中的微生物为什么土壤是微生物生活的良好环境？土壤—微生物天然的培养基具备微生物生长的良好条件营养、水分、空气、酸碱度、渗透压和温度微生物的“大本营”人类最丰富的“菌种资源库”[23]土壤中不同微生物的种类与数量类型自养、异养菌；需养、厌养菌；腐生、寄生菌微生物在土壤中的分布表层微生物最多（离土层几~十几cm处），愈往深层愈少克土壤各类微生物含量大体上有一个十倍递减的规律细菌~108放线菌~107霉菌~106酵母菌~105土壤微生物的作用改变土壤的性质；进行物质转化；提高土壤肥力[24]针尖上的微生物[25]（三）水体微生物仅次于土壤的微生物生长的自然环境影响水体中微生物的因素有机物、无机物、氧气、毒物、光照、酸碱、温度、水压、流速、渗透压和生物群体水中微生物来源土壤、污染、水中的天然微生物类群不同水体中的微生物种类：淡水、海水水体的自净作用饮用水的微生物学标准[26]不同水体中的微生物种类淡水型水体微生物清水型水生微生物：化能自养、光能自养微生物腐败型水生微生物：肠道杆菌、芽孢杆菌、弧菌淡水生境：湖泊与水库沿岸区：蓝细菌、光合藻类和好氧微生物深水区：厌氧光合细菌湖底区：严重缺氧[27]海水型水体微生物—海洋微生物学海水的理化特征：含盐量3%海水微生物：2－4％，2.5－3.5％海水微生物比淡水微生物更耐渗透压藻类BacillusPseudomonasVibrio发光细菌海洋微生物的垂直分布：透光区；无光区；深海区[28]水体的自净作用（SelfCleaning什么是水体的自净作用？通过生物学和生物化学的作用，包括好氧菌对有机物的降解、原生动物对细菌的吞噬、噬菌体对宿主的裂解、藻类对无机元素的吸收利用、浮游动物和后生动物通过食物链对有机物的摄取和浓缩作用，水体对有机或无机污染物的自净作用水体自净作用的实质除水中天然微生物类群，其余微生物一般只生存一段时间，很快便死亡[29]饮用水的微生物学标准细菌总数≤100CFU/mL（37℃-24h）大肠菌群≤3个/L什么是大肠菌群？检测大肠菌群的意义是什么？大肠菌群测定的方法？滤膜培养法[30]（四）空气中的微生物[31]空气中的微生物空气生境的特点：无营养物；无水分；紫外线杀菌空气中微生物不能生长繁殖，但能存留空气中微生物的来源尘埃、微粒、动植物、人体；不同空气环境不同[32]空气中的微生物空气中微生物的特点：气溶胶耐干燥、耐紫外线—芽孢孢子G+球菌空气中的微生物的危害动植物病害、发酵污染、工农业产品的霉腐降低空气中微生物的措施过滤、UV照射、甲醛薰蒸、减少菌源和尘埃源[33]（五）工农业产品上的微生物工业产品的霉腐食品上的微生物农产品上的微生物[34]工业产品的霉腐造成工业产品霉腐的微生物用动植物原料、人工合成的有机物、无机物制成的工业品都可被相应微生物分解破坏，常见的为由微生物引起的霉变与腐烂霉腐微生物（BiodeteriorativeMicrobiology）材料劣化霉变腐朽：木质素和纤维素腐烂：变软发臭腐蚀：金属材料[35]防止工业产品霉腐的方法控制微生物生存的环境条件采用有效的化学抑菌剂、杀菌剂、物理杀菌剂产品加工包装过程中严防污染[36]防霉剂的筛选8种模式实验菌株黑曲霉Aspergillusniger土曲霉Aspergillusterreus出芽短梗霉Aureobasidiumpullulans宛氏拟青霉Paecilomycesvarioti绳状青霉Penicilliumfumiculosum赭绿青霉Penicilliumochrochloron短柄帚霉Scopulariopsisbrevicaulis绿色木霉Trichodermaviride[37]食品上的微生物影响食品上的微生物的因素食品本身的性质环境因素条件防腐剂：苯甲酸、山梨酸、脱氢醋酸、维生素K3、丙酸、二甲基延胡索酸、Nisin[38]食品上的微生物腐败食品中的微生物食品分类（按pH分）酸性食品pH在4.5以下的食品，包括水果、酸菜、饮料、果酱、部分蔬菜非酸性食品pH在4.5以上的食品，包括粮谷类、豆类、乳类、肉、禽、蛋、蔬菜、部分瓜类[39]食品上的微生物pH与微生物的生长pH4.5以下能生长的微生物乳酸菌类、酵母、霉菌pH4.5以上能生长的微生物所有微生物pH与食品腐败变质的关系[40]罐头制品罐头食品生产的工艺流程动植物组织→预处理→调配→装罐→真空封藏→杀菌→成品罐头的种类酸性罐头其中能生长的为不耐热微生物，只需沸水杀菌或巴氏消毒即可非酸性罐头由于一些耐热微生物可能残留生长，常常需用100℃的高压蒸汽灭菌法灭菌，以杀死其中最耐热的致病菌[41]罐头食品变质类型平盖酸败微生物生长导致食品产酸变质，从罐体外观观察与正常罐没有区别胖听变质微生物生长导致产气，使罐体或罐盖或两面向外鼓起的变质类型[42]微生物引起食品变质的基本因素食品的性质环境PH值Aw渗透压环境温度气体[43]食品的性质微生物对营养物分解的选择性碳水化合物：霉菌酵母细菌蛋白质：霉菌细菌酵母脂肪：霉菌细菌酵母（解脂假丝酵母）[44]Aw微生物对Aw的耐受性霉菌酵母细菌[45]渗透压高渗时，酵母、霉菌生长可能性大[46]环境温度适温各类微生物生长低温霉菌、部分酵母（赤酵母属、假丝酵母属、酵母属）、少数细菌（芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌、乳酸菌、某些G-杆菌）生长[47]环境pH值酸性环境（PH4.5）霉菌、酵母菌、乳酸菌生长非酸性环境（PH4.5）各类微生物生长[48]气体有氧霉菌、酵母菌、大多数细菌生长厌氧梭状芽孢杆菌、兼性厌氧的细菌和酵母菌充CO2抑制需氧性细菌和霉菌；酵母菌、乳酸菌耐CO2[49]农产品上的微生物导致粮食饲料发生霉变的微生物：巨大的损失2％AspergillusPenicillium镰孢霉属Fusarium真菌与真菌毒素黄曲霉毒素：十万只火鸡的X病广泛分布于花生、玉米和大米（红变米、黄变米）单端孢烯族霉素T2[50]真菌毒素的检测化学检测方法GC、MS、HPLC免疫学检测方法ELISA[51]极端环境下的微生物（Extremphiles自然界中的极端环境高温、低温、高酸、高碱、高盐、高毒、高渗、高压、干旱、高辐射强度嗜极菌/极端微生物Extremophiles依赖于极端环境才能生长的微生物极端微生物的特点和研究意义独特的细胞构造生理、生化和遗传种系进化[52]极端微生物的类型嗜热微生物嗜冷微生物嗜酸微生物嗜碱微生物嗜盐微生物嗜压微生物抗辐射微生物[53]嗜热微生物高温环境草堆、煤堆、温泉、火山、地热、海底火山口嗜热微生物的种类和特点耐热菌、兼性嗜热菌、专性嗜热菌、极端嗜热菌、超嗜热菌嗜热微生物的应用Extremozyme[54]PCR–PolymeraseChainReactionThermusaquatic