第八章微生物生态学

第八章 微生物生态学 第一节微生物在生态系统中的作用 第二节生态环境中的微生物 第三节人体微生物及病原微生物的传播 第四节微生物与环境保护

第一节 微生物在生态系统中的作用 微生物在生态系统中的角色 微生物与生物地球化学循环 碳循环 氮循环 硫循环 磷循环 铁循环 其它元素的微生物转化

微生物在生态系统中的角色 微生物是有机物的主要分解者 微生物是物质循环中的重要成员 微生物是生态系统中的初级生产者 微生物是物质和能量的贮存者 微生物是地球生物演化中的先行者

碳循环 碳在生物圈中的总体循环 微生物在碳循环中的作用 降解作用 呼吸作用 发酵作用 甲烷形成 光合作用

碳在生物圈中的总体循环 光合作用 发酵作用 CH4 醇有机酸 CO2+H2 CO2+H2O CO2+CH2O 化石燃料 呼吸作用

氮循环 自然界中的氮素循环 微生物在氮素循环中的作用 固氮 氨化作用 硝化作用 硝酸盐还原和反硝化作用

自然界中的氮素循环 生物体有机酸 氨化作用 同化作用 同化作用 大气 NO3- NH4+ N2 生物固氮 反硝化作用 还原作用 N2O

生物固氮：据70年代中期的统计全球生物圈每年生物固氮达1. 7108吨，其中草原3. 5 107吨，林地4. 0 108吨，海洋3 生物固氮：据70年代中期的统计全球生物圈每年生物固氮达1.7108吨，其中草原3.5 107吨，林地4.0 108吨，海洋3.6 108吨，其它土壤0.6 108吨。根瘤菌属每年可为每公顷土地固氮达250Kg。 硝化作用（nitrification） 定义：土壤或水体中的氨态氮经化能自养菌的氧化而成为硝酸态氮的过程。 过程：两阶段——（1）由亚硝化细菌参与，铵→亚硝酸；（2）由硝化细菌参与，亚硝酸→硝酸。 意义：是自然界氮素循环中不可缺少的一环，对农业无益。

氨化作用（ammonnification） 定义：含氮有机物经微生物的分解产生氨的作用。 含氮有机物的种类：蛋白质、尿素、尿酸、几丁质等。 分解蛋白质的微生物种类：Proteus vulgaris（普通变形杆菌），Bacillus megaterium（巨大芽孢杆菌），Clostridium putrificum（腐败梭菌）。 分解尿素的细菌：Sporosarcina ureae（脲芽孢八叠球菌）和Bacillus pasteurii（巴氏芽孢杆菌）。 分解几丁质的细菌：Bacterium chitinophilum（嗜几丁杆菌）等。 意义：含氮有机物必须经过微生物降解才能被植物利用。

反硝化作用 定义：由硝酸盐还原成NO2–并进一步还原成N2的过程（广义）。狭义的反硝化作用仅指由亚硝酸还原成N2的过程。 条件：厌氧（淹水的土壤或死水塘中）。 菌种：少数异养和化能自养菌。如：Pseudomonas aeruginosa（铜绿假单胞菌）、Ps. stutzeri（施氏假单胞菌）、Thiobacillus denitrificans（脱氮硫杆菌）以及Spirillum（螺菌属）和Moraxella（莫拉氏菌属）等。 意义：土壤中氮元素流失的重要原因之一。水稻田中施用化学氮肥，有效利用率只有25%左右。另外可以利用水生性反硝化细菌去除污水中的硝酸盐。

硫循环 生物体 有机硫 脱硫作用 硫酸盐还原 同化作用 SO42- H2S 异化性硫酸盐还原 硫氧化作用 硫氧化作用 原素S

微生物在硫素循环中的作用 硫的氧化 硫酸盐还原 有机硫化物的矿化（硫化氢释放）

其它元素的微生物转化 有机质的分解作用 无机离子的固定或同化作用 无机离子和化合物的氧化作用 氧化态还原态的还原作用

第二节 生态环境中的微生物 微生物群落 陆生生境的微生物 水生生境的微生物 大气生境的微生物 极端环境下的微生物 生物体内外的正常菌群 工农业产品上的微生物及生物性酶腐的控制

一、微生物群落 种群：具有相似特性和生活在一定空间内的同种个体群，种群是组成群落的基本部分。 群落：一定区域内或一定生境中各种微生物种群相互松散结合的一种结构和功能单位。 种群的相互作用 中立生活、偏利作用、偏害作用 互生 寄生 共生 捕食 竟争

互生 两种生物可以独立生活。也可以形成松散的联合，对一方有利，或双方都有利。 微生物间的互生关系 固氮 固氮菌 纤维素分解菌 碳源 微生物与高等植物之间的互生关系 微生物与人及动物间的互生关系

微生物与高等植物之间的互生关系 微生物与人及动物间的互生关系 根际微生物与高等植物：高等植物为微生物提供所需的营养物质，植物发达的根系改善了土壤结构，水分和空气条件，有利于微生物的生长。 微生物与人及动物间的互生关系 某些种类微生物在数量极少的情况下对人及动物物体是有益的。一般不会致病。

共生 微生物间的共生 微生物与植物共生体——菌根 微生物与动物共生 两种微生物紧密生活在一起，彼此依赖，相互为对方创造有利条件，有的达到了难以分离的程度。生理上相互分工，组织上形成了新的结构，彼此分离各自就不能很好地生活。 微生物间的共生 微生物与植物共生体——菌根 微生物与动物共生

微生物间的共生- 地衣 组成：真菌(子囊菌，担子菌)单细胞藻类(绿藻，蓝藻)共生组成一种植物体。 结构：有些种地衣真菌无规律地缠绕藻类细胞，另一些种地衣真菌与藻类形成一定层排列。当地衣繁殖时，表面生出珠状粉芽。其中含有少量藻细胞和真菌丝，粉芽脱离母体。 生理：地衣中的真菌和藻类已形成特殊形态的整体了，在生理上相互依存，真菌异养生活，藻类制造养料，真菌提供水分、无机盐供藻类光合作用。

微生物与植物共生体－菌根 根毛 根瘤菌 侵入线 已侵入的 根瘤菌 根瘤 根瘤的形成过程

微生物与动物共生 微生物和昆虫的共生 瘤胃共生 发光细菌和海洋鱼类共生 牛羊等反刍动物，草是主要饲料，但它们本身没有分解纤维素的能力，而是靠瘤胃微生物帮助分解，使纤维素变成能被牛羊吸收的糖类。 发光细菌和海洋鱼类共生

竟争 一种微生物生命活动中，通过产生某些代谢产物或改变环境条件，能抑制其它微生物的生长繁殖，或毒害杀死其它微生物的现象。

寄生 微生物间的寄生关系 微生物对植物的寄生 微生物对人与动物的寄生 一种生物能侵入另一种生物体内吸取自己所需要的营养物质进行生长繁殖，在一定的条件下对后者造成损害或死亡的现象叫寄生。 微生物间的寄生关系 微生物对植物的寄生 微生物对人与动物的寄生

微生物间的寄生关系 细菌间：一种细菌可以寄生在另一种细菌体内，如 食菌蛭弧菌能寄生在大肠杆菌等许多Ｇ-菌体内。 细菌间：一种细菌可以寄生在另一种细菌体内，如 食菌蛭弧菌能寄生在大肠杆菌等许多Ｇ-菌体内。 真菌间：一种真菌寄生在另一种真菌间较普遍。 寄生物先分泌毒素，引起寄主活力衰退，然后再缠绕致死。 有些寄生真菌不分泌毒素，由菌丝将寄主的菌丝紧紧地缠绕起来，再由接触部位侵入寄主菌丝内吸收营养使之死亡。 还有些寄生真菌将菌丝或吸器伸到寄主真菌丝内或寄生菌丝与寄主菌丝接触，溶解寄主细胞膜，吸取其营养物质进行生长繁殖。

微生物对植物的寄生 微生物对植物的寄生很普遍，这是植物发生病害的重要原因。 能引起植物病害的微生物称为植物病原微生物。 植物或染病微生物发病后，出现变色，组织坏死，萎蔫和畸形等症状。 能引起植物病害的有真菌、细菌、病毒等。 植物病害以真菌病害为主，占９５％。细菌性植物病害占３％。

微生物对人与动物的寄生 微生物在人体和动物体内寄生引起人与动物的传染病 常见的畜禽传染：炭疽病，口蹄疫，猪瘟，鸡瘟病等 病原微生物寄生在有益的动植物体内会给人们造成经济损失，寄生有害在动物体内，则对人类是有益的，可以加以利用。

猎食 原生动物以水体和土壤中的细菌，放线菌，真菌的孢子及单细胞藻类为食，这种关系即为猎食关系。

二、陆生生境的微生物 土壤是微生物良好的生活场所 细菌 放线菌 真菌 土壤中的微生物 藻类和原生动物 微生物在土壤中的分布的影响因素

土壤是微生物良好的生活场所 1、为微生物提供了良好的Ｃ源、Ｎ源、能源。 2、为微生物提供有机物、无机盐、微量元素。 3、满足了微生物对水分的要求。 4、土壤pＨ值范围5.5－8.5之间。 5、温度、季节与昼夜温差不大。 6、土壤颗粒空隙间充满着空气和水分。 7、适宜的渗透压。

细菌 放线菌 生物量：单位体积内活细胞的重量。 每克肥土可含２５亿个细菌。 以每亩半尺深耕作层土壤重30万计，细菌活重约100－450斤。 土壤中放线菌数量仅次于细菌 (几万-几百万)/克土壤 多分布在有机物较丰富的碱性土壤中。 由于菌体大，其生物量与细菌接近。

真菌 藻类和原生动物 真菌主要分布在接近地面的土层中，以丝状体和孢子体形式存在于土壤中，(几千－几十万个)/每克土壤。 由于菌体粗大，其生物量不低于细菌，放线菌，为0.6mg／g土壤，菌丝最长可达40米。如酵母在果园土壤里含量几十万个／g土壤。 藻类和原生动物 藻 类 （５万个／克土） 原生动物 （３万个／克土） 纤毛虫，鞭毛虫、肉足虫等为主，它们以其它微生物和有机物碎片为食，对其它几类微生物的数量起调节作用。

微生物在土壤中的分布的影响因素 土壤深度对微生物分布的影响 有机物含量对微生物分布的影响 碳源对微生物分布的影响 酸碱度影响微生物分布

土壤中微生物的数量：按种类递减 细菌—放线菌—霉菌—酵母菌—藻类—原生动物 耕作土壤中，细菌湿重约90-225kg；以土壤有机质含量为2%计算，则所含细菌干重约为土壤有机质的1%左右。 土壤微生物的代谢活动，可改变土壤的理化性质，进行物质转化，因此，土壤微生物是构成土壤肥力的重要因素。 若按生物量计算则各种微生物的生物量基本相当。

三、水生生境的微生物 水中无机盐 水中有机物 微生物的水域环境 pＨ值 温度 淡水中的微生物 光线 海水中的微生物

淡水中的微生物 我国相关法规对饮用水微生物指标的规定： 细菌总数不得超过：100个/毫升 大肠菌群指数不得超过：3个/升 饮用水消毒常用方法： 加入液态氯或次氯酸盐

海水中的微生物 平均含盐量：3.5% 、密度大、渗透压高、冰点低。 微生物组成：多数为革兰氏阴性菌、多嗜盐、河口处有耐盐菌； 形态：多有鞭毛，常见多形性、可变为球形、弧形、丝状及螺旋状，个体小； 生理：兼性厌氧，生长慢，能在低营养下生活，常产色素，分解蛋白质能力强，解糖能力低，多嗜冷，对热敏感； 分布：不均匀，与水深成反比，0-10米——少；10-50米——呈上升变化；50米以下数量减少；海底沉积物上——多； 常见菌种：假单孢菌、弧菌、螺菌、无色杆菌、黄杆菌

清水型水生微生物 洁净湖泊和水库，微生物数量少(10-103/ml)，以化能自养型和光能自养型微生物为主，部分腐生细菌，如色杆菌、无色杆菌和微球菌等；霉菌中如水霉、绵霉等的一些种；以及单细胞和丝状的藻类和一些原生动物常在水面生长，数量较少。以上微生物种类可以认为是水中的“土著”菌群。 根据微生物对水生环境中的营养要求，将其分为三类：贫营养细菌（1-15mgC/L）、兼性贫营养细菌（指一些在富营养培养基中经反复培养后也能适应并生长的贫营养细菌）、富营养细菌（10gC/L）

腐败型水生微生物 类型及环境情况：流经城市的河水、港口附近的海水、滞留的池水、阴沟水；流入了大量的人畜排泄物、生活污物和工业废水等，有机物含量大增。 微生物数量和类群：数量：大量外来的腐生细菌，使腐败型水生微生物尤其是细菌和原生动物大量繁殖，每毫升污水的微生物含量达到107~108个；类群：革兰氏阴性无芽孢杆菌，纤毛虫类、鞭毛虫类和根足虫类等原生动物，还有一些随人畜排泄物和病体污物进入水体的动植物致病菌 繁殖及后果：通常因水体环境中的营养等条件不能满足其生长繁殖的要求，加上周围其它微生物的竞争和拮抗关系，一般难以长期生存，但由于水体的流动，也会造成病原菌的传播甚至疾病的流行。

水的自净作用 污水中的微生物在污水环境中大量繁殖，逐渐把水中的有机物分解成简单的无机物，同时它们的数量随之减少，污水也就逐步净化变清。 水源的饮用价值：良好的饮用水细菌含量应在100个/ml以下，当超过500个/ml时，即不适合作为饮用水。更重要的是水中的微生物种类，一般用大肠菌群数作为是否含有病原菌的指标。 在自然水体尤其是快速流动的水中，存在着对有机或无机污染物的自净作用。其原因是多方面的，有稀释、沉降、吸附等物理作用，更重要的是各种生物学和生物化学作用，这种作用称为水的自净作用。正是流水不腐的原因。

四、大气生境的微生物 空气干燥，不利于微生物生命活动，不是微生物生长繁殖的场所但却飘浮着相当数量的微生物，来自地面、动植物、尘土。 城市街道、医院、宿舍等公共场所空气中含量高；森林、海洋、高纬度地带的空气中微生物含量很少。

微生物在空气中只能短时间停留，就要落地，大部分死亡，包括一些人体病原菌。 但结核、白喉、炭疽等杆菌和肺炎双球菌、葡萄球菌、流感病毒、脊髓灰质炎病毒抗性比较强。能传染疾病。 微生物在空气传播的距离是无限的，因而其分布是世界性的。 空气中的微生物的数量是大气污染程度的标志之一

五、极端环境下的微生物 嗜热菌 嗜冷菌 嗜酸菌 嗜碱菌 嗜盐菌 嗜压菌 抗辐射的微生物

六、生物体内外的正常菌群 人体：正常微生物区系； 植物体表：分泌物可被微生物利用； 动物体表：为动物体正常菌群。

七、工农业产品上的微生物及生物性酶腐的控制 粮油食品中的微生物 工业材料上的微生物

粮油食品中的微生物 鲜肉：假单胞杆菌、大肠杆菌、球菌、肠球菌 蛋类：环境中细菌、霉菌可进入蛋壳使蛋变臭 菜果：细菌、真菌、病毒、酵母菌 鱼 ：水体中的微生物类群 罐头食品是人仍然用来长期保存食品的一种方法，主要通过密封如热杀死微生物，即可长期保存，但有些耐热的芽孢杆菌，芽孢梭菌能形成芽孢，引起罐头变质。

防止粮食污染霉变的办法是 所贮粮食含水量低于８％ 造成低温缺氧环境（密闭） 使用防霉化学药剂

微生物引起的劣化种类： 霉变（mildew，mouldness）：由霉菌引起的劣化 腐朽（decay）泛指在好氧条件下微生物酶解有机质使其劣化的现象，常见的如由担子菌引起的木材或木制品的腐朽现象 腐烂（或腐败）主要指由细菌或酵母菌引起的使物体变软、发臭性的劣化 腐蚀（corrosion）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 变质（deterioration）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

霉腐微生物学 定义：工农业产品的劣化主要是霉变与腐烂，故研究危害各种工农业产品的微生物种类、分布、作用机理以及如何防治其危害的科学。 霉腐微生物的作用机理：通过微生物酶系分解各种工农业产品中的相应组分产生危害；在矿物油中生长，不仅因大量菌体阻塞机件，代谢产物会腐蚀金属器件；硫细菌、铁细菌和硫酸盐还原菌会对金属制品、管道和船体外壳等产生腐蚀；菌体和代谢物属于电解质，对电讯、电机器材等会危及其电学性能；有些霉菌分泌的有机酸能腐蚀玻璃以致严重降低光学仪器的性能；

工业材料上的微生物 防腐方法： 腐蚀木材：担子菌类、多孔目、多孔菌、层孔菌 腐蚀金属：铁细菌、Ｓ细菌 腐蚀纺织品：细菌、霉菌 用防菌物隔离：沥青涂管道 用杀菌剂处理材料：纸浆中加入五氯酚，有机汞 改变材料分子结构使之具抗菌性能：如把棉花纤维素分子乙酰化或氰乙基化

第三节、人体微生物及病原微生物的传播 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。 正常菌群与人体的关系：一般能维持平衡，菌群内部的各种微生物之间，也是相互制约而维持相对稳定。

变化情况：正常菌群是相对的、可变的、有条件的。 机体防御机能减弱时，一部分正常菌群会成为病原微生物； 正常菌群在非正常部位时也可引起疾病； 由于外界因素的影响，破坏了各种微生物之间的相互制约关系，正常菌群也会引起疾病（菌群失调症）。

第四节、微生物与环境保护 环境中的主要污染物 微生物对污染物的降解与转化 重金属的转化 污染物的微生物的处理－污水处理 无毒有机物 有毒有机物 环境中的主要污染物 无毒无机物 有毒无机物 微生物对污染物的降解与转化 重金属的转化 污染物的微生物的处理－污水处理

一、微生物对污染物的降解与转化 微生物对无毒有机物的降解 微生物对有毒有机物的降解 微生物对重金属的转化 生物降解（biodegradation）：是微生物对物质（特别是环境污染物）的分解作用。 微生物对无毒有机物的降解 微生物对有毒有机物的降解 微生物对重金属的转化

微生物对有毒有机物的降解 农药 Cl 大肠杆菌等 脱卤作用 农药 微生物作用 被氧化 被脱卤 被还原 被脱烃 石油 洗涤剂 多氯联苯 氰和腈

2002.11.19巴哈马籍油轮“威望号”在西班牙发生断裂沉没导致燃料油泄漏。这艘船共装有7.7万吨燃料油。

动物保护者在为鸟清洗身上的油污

二、重金属的转化 微生物不能降解重金属，微生物作用于重金属主要是改变金属在环境中的存在状态从而改变它们的毒性。 无机汞（Hg2+）的甲基化 无机汞（Hg2+）还原成HgO 甲基汞还原成HgO

三、污染物的微生物处理－污水处理 污水 污水处理中的特殊微生物 污水生物处理原理 污水生物处理类型

污水 污水处理中的特殊微生物 当进入水体的外来污染物质数量，超过了水体的自净能力，并达到破坏水体原有用途的程度，即为水污染。 针对性强 种类多 筛选难 体内有能水解污染物的酶

污水生物处理原理 一种高效率、低能耗的污水处理设施

污水生物处理类型 活性污泥法 氧化塘法 厌氧处理法 生物膜法 土壤灌溉法 国家重点建设项目浦东污水处理工程

活性污泥法 北京高碑店污水处理厂

氧化塘法 滨洲污水处理厂 8万方/日