微生物的生态与分类

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章 微生物生态,1,生态学：,研究生物系统与其所处环境条件之间的相互作用规律性的科学。,微生物生态学：,微生物群体与其周围生物和非生物环境条件的相互作用关系。,2,研究意义,实践：,开发菌种资源、新的微生物农药、菌肥、医药、混菌发酵、生态农业，促进探矿、冶金、环保、提高土壤肥力以及开发生物能，防治有害微生物等,理论：,地球进化和生物进化原因,3,种群（,population,）：,生活在同一环境中的同种个 体组成的能繁殖集团。,群落（,community,）：,同一环境中两个以上种群由于生活繁殖上的连锁而构成相互依赖和制约的生物集团。,生态系统（,ecosystem,）：生物群落,与其,生存环境,相结合、相作用、相调控而成的整体系统。,生物圈（,biosphere,）：,生物在地球各处进行生命活动的圈层。,4,第一节 微生物在自然界中的分布,土壤中的微生物,水体中的微生物,空气中的微生物,极端环境中的微生物,自然环境中的微生物,工农业产品上的微生物,紫硫细菌,真菌,生物体内外的正常菌群,5,一、,土壤中的微生物,矿质元素,水分,通气条件,pH,值,温度,动植物和微生物残体,微生物生长繁殖的 良好基地 土壤,6,1,）,土壤微生物的数量和分布主要受营养物、含水量、氧、温度、,pH,等因子的影响，并随土壤类型的不同而有很大变化。,2,）土壤微生物的数量和分布受季节影响。,3,）微生物的数量也与土层深度有关，一般土壤表层微生物最多，随着土层的加深，微生物的数量逐步减少。,7,耕作层,(15cm),土壤中的微生物数量和生物量,微生物类群,菌数,(cfu/g),生物量,(g/ m,3,）,细菌,10,8,160,放线菌,10,5,- 10,6,160,真菌,10,5,藻类,10,4,- 10,5,32,原生动物,10,4,38,200,8,土壤中的微生物,放线菌,细菌,真菌,藻类,原生动物,大多为异养型，少数为自养型。按生理分,:,固氮细菌、氨化细菌，纤维分解细菌、硝化细菌、反硝化细菌、硫酸盐还原细菌、产甲烷细菌,主要是链霉菌,(,Streptomyces,),有藻状菌、子囊菌、担子菌和半知菌类，以半知菌类最多。,硅藻、绿藻,、裸藻、,金藻和黄藻，水网藻和水绵等丝状绿藻，衣藻、原球藻、小球藻、丝藻、绿球藻等。,有纤毛虫、鞭毛虫和根足虫等,。无性繁殖,。,9,微生物以微菌落（,microcolony,）的形式存在于,土壤团聚体,中。,10,二、,大气中的微生物,空气中的微生物主要是：, 芽孢细菌的芽孢和一些,G,菌；, 真菌的孢子。,空气中的微生物主要来自：,土壤扬起的灰尘；,水面吹起的水沫；,动、植物体表。,空气中的环境条件：无营养和水分、紫外线直射,存在状态：漂浮，短暂停留，以吸附于尘埃微粒上的形式存在。空气中的尘埃颗粒数与微生物数量有直接关系。,分布：越接近地面的空气含菌量越高，目前人类检测到微生物存在的最高处为,85km,的高空。,11,三、,水体中的微生物,地球表面,71%,为海洋,占地球总量的,97%,冰川和两极,2%,湖泊,0.009%,河流,0.00009%,地下水,少量,水体微生物主要来自土壤、空气、动植物残体及分泌排泄物、工业生产废物、废水及市政生活污水等,12,自然水域具有微生物的生活条件：,水中有营养物质、溶解氧、渗透压和温度适合不同微生物生长。,淡水水域中的微生物,细菌 、真菌 、藻类 、原生动物。,特点：,运动性（随水流动）；,在低营养浓度下生存。,海水中的微生物,藻类、,G-,需氧细菌 、兼性厌氧菌。,特点：,嗜盐、嗜冷、嗜压。,13,江河水中的微生物,1,）,数量和种类与接触的土壤密切相关；,2,）主要,吸附在悬浮于水中的有机物及水底；,3,）多能,运动，有些具有异常形态（如柄细菌）；,4,）,靠近城市或城市下游水中的微生物多，并且,有很多对健康不利的细菌，不宜作饮用水源。,水中的病原微生物会对水质产生重要影响,饮用水的微生物指标：,总菌数：, 100,个,/ml,大肠杆菌：, 3,个,/L,14,水体的自净作用,(self cleaning),自然水体尤其是,快速流动、溶氧量高,的水体，对投入其中的有机或无机污染物有明显的自净作用，其原因除了包含物理性的沉淀,、扩散、稀释作用和化学性的,氧化作用外，关键是,微生物的作用,。,好氧性细菌对有机物的降解作用,原生动物对细菌的吞噬作用,噬菌体对细菌的裂解作用,细菌糖被（荚膜物质）对污染物的吸附沉降作用,藻类的光合作用等,15,饮用水的微生物学标准,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。,一般用以大肠杆菌为代表的,大肠菌群数,作为是否含有病原菌的指标。用其作指标可灵敏地推断该水源是否曾与动物粪便接触以及污染的程度如何。,大肠菌群,：指任何可发酵乳糖产酸产气的革兰氏阴性、杆状、无芽孢、兼性厌氧的肠道细菌。典型代表是大肠杆菌，也包括产气肠杆菌、柠檬酸梭菌属、肺炎克氏杆菌等。,我国卫生部门规定的饮用水的微生物学标准,：,1ml,自来水中的细菌总数不可超过,100,个（,37,，,24h,），而,1000 ml,自来水中的大肠菌群数则不能超过,3,个（,37,，,48h,）,16,富营养化作用,（,eutrophication,）,：,指水体中因,N,、,P,等元素含量过高而引起水体表层的蓝细菌和藻类过度生长繁殖的现象。这时，下层水体不但因缺光而少氧，很多藻类还能产生各种毒素，造成了厌氧和有毒的环境。,“,水花”或“水华”（,water bloom,）,藻类（主要是微藻）的大量繁殖使水体出现颜色并变得浑浊，许多藻类团块漂浮在水面上形成。,发生在淡水水体中的富营养化现象。,赤潮或红潮（,red tides,）,在海洋中，某些甲藻类大量繁殖也可以形成水花，从而使海水出现红色或褐色。,17,赤潮和水华,18,四、工农业产品上的微生物,工业品的霉腐：,-,各种材料的工业产品如钢缆、地下管道、电讯器材以及文物、标本等都可被微生物所损害；,微生物引起的破坏包括：,霉变,(midew,),霉菌引起的劣化,腐朽（,decay,）,主要是担子菌类产生的酶将纤维素和 木质素分解，引起木材或木制品的腐朽,腐烂（腐败，,rot,）,含水量较高的产品由细菌生长繁 殖引起,腐蚀（,corrosion,）,由硫酸盐还原菌、铁细菌或硫细菌,19,食品上的微生物：,农产品上的微生物：黄曲霉毒素,20,五、 极端环境,中的微生物,极端环境,高温环境,低温环境,高压环境,高碱环境,高酸环境,高盐环境,厌氧环境,高辐射环境,极端微生物（,extremophiles,）或嗜极菌,：凡依赖于诸,如高温、低温、高压、高渗、高酸、高碱、干旱、高辐,射强度等极端环境才能正常生长繁殖的微生物，称,嗜极菌或极端微生物。,21,研究价值：,了解极端环境下微生物的物种、遗传特性及适应机制，不仅可为生物进化、微生物分类积累资料，提供新的线索，还可直接利用它的特殊基因、特殊机能，培育更有用的新种。,22,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,极端微生物,23,六、 生物体内外的正常菌群,1.,人体的正常菌群,1,）正常菌群,生活在健康动物各部位、数量大、种类较稳定、一般是有益无害的微生物，称为正常菌群。,正常情况下人体与正常菌群之间处于微生态平衡状态,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）。,作用：排阻、抑制；提供营养；产消化酶；分解有毒物；固氮、产有机酸，降低肠道,pH,和促进其蠕动等,24,2,）正常菌群的失调,失调的原因,宿主的防御功能减弱,正常菌群生长部位改变,长期服用抗生素,失调的结果,正常菌群的某些菌趁机转移或大量繁殖,致病菌,这类特殊的致病菌叫,条件致病菌,由它们引起的感染叫,内源感染,25,3,）正常菌群的恢复,微生态制剂,益生菌剂,微生态制剂,是依据微生态学理论而制成的含有有益,菌的活菌制剂，其功能在于维持宿主的微生态平衡、,调整宿主的微生态失调或兼有其他保健功效。,益生菌剂,指一类分离自正常菌群，以高含量活菌为主，一般以口服或粘膜途径投入，有助于改善宿主特定部位微生态平衡并兼有若干其他有益生理活性的生物制剂。,益生菌的种类：,双歧杆菌类、乳杆菌类和肠球菌类,26,2.,无菌动物与悉生动物,无菌动物,凡在其体内外不存在任何正常菌群的动物,免疫功能十分低下,悉生生物,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,3.,根际微生物和附生微生物,根际微生物,植物根系经常向周围土壤分泌各种外渗物质，故根际有大量微生物活动。种类组成受植物的种类和植物发育阶段影响。作用是改善植物营养、分泌生长刺激素及抗生素等；有时也有害，与植物争夺,N,、,P,等营养、分泌毒素等。,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。叶面微生物是主要的附生微生物。,27,第二节 微生物与生物环境间的关系,两种生物间的关系：,1.,双方受益（,+ +,）,共生,、,互利共栖、互养共栖和协同共栖等,2.,一方受益而另一方无损（,+ 0,）,互生,、,偏利共栖和卫星状共栖等,3.,一方受益而另一方受损（,+ -,）,寄生、捕食,和,拮抗,等,4.,一方无损而另一方受损（,0 -,）,偏害共栖,5.,双方互不影响（,0 0,）,无关共栖,6.,双方受损（,- -,）,竞争共栖,28,一、互生,定义,两种单独生活的生物，当它们在一起时，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。,是一种“可分可合，合比分好”的松散关系,举例,好氧性自生固氮菌与纤维素分解菌,人体肠道中的正常菌群与人,发酵工业中的混菌培养,29,二、共生,定义,指两种生物共居在一起，相互分工合作、相依为命，甚至达到难分难解、合二为一的极其紧密的相互关系,举例,真菌与绿藻共生,真菌与蓝细菌共生,根瘤菌与豆科植物,非豆科植物与放线菌的共生,白蚁与其肠液中的细菌和原生动物,反刍动物（牛、羊、鹿和骆驼等）与瘤胃中的微生物,30,三、寄生,定义,指一种小型生物生活在另一种较大型生物的体内或体表，从中夺取营养并进行生长繁殖，同时使后者蒙受损害甚至被杀死的一种相互关系,举例,噬菌体与其宿主菌,蛭弧菌与大肠杆菌,真菌和病毒与植物,病原微生物与人体,苏云金杆菌与昆虫,细菌杀虫剂,球孢白僵菌与昆虫,真菌杀虫剂,病毒与昆虫,病毒杀虫剂,冬虫夏草菌（中华虫真菌）与蝙蝠蛾,名贵中药,31,冬虫夏草,蝙蝠蛾产卵于土中,幼虫 冬虫夏草菌侵入幼虫体内 不断繁殖 天气转暖 幼虫头部长出子座 膨大成椭圆形,；,32,四、拮抗,定义,指由某种生物所产生的特定代谢产物可抑制它种生物的生长发育甚至杀死它们的一种相互关系,举例,好氧菌和兼性厌氧菌与乳酸菌,食品泡菜,放线菌与细菌,抗生素,33,五、捕食,定义,指一种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关系,举例,原生动物与细菌和藻类,真菌套捕线虫,34,第八章 微生物的分类,35,36,37,38,第一节 微生物的分类单元和命名,39,一,.,微生物的多层次分类单元（,taxon,）,域（,domain,）,门（,phyllum,）,纲（,class,）,目（,order,）,科（,family,）,属（,genus,）,种（,species,）,每一分类单位之后可有亚门、亚纲、亚目、亚科,.,40,以,啤酒酵母,为例，它在分类学上的地位是：,界,(Kindom),：真菌界,门,(Phyllum),：真菌门,纲,(Class),：子囊菌纲,目,(Order),：内孢霉目,科,(Family),：内孢霉科,属,(Genus),：酵母属,种,(Species),：啤酒酵母,41,亚种,(,subspecies,）或变种,(variety),：,为种内的再分类。,当某一个种内的不同菌株存在少数明显而稳定的变异,特征或遗传形状，而又不足以区分成新种时，可以将这些菌株细分成两个或更多的小的分类单元,亚种。,变种是亚种的同义词，因“变种”一词易引起词义上的混淆，从,1976,年后，不在使用变种一词。通常把实验室中所获得的变异型菌株，称之为亚种。,如：,E.coli k12,（野生型）是不需要特殊,aa,的，而实验室变异后，可从,k12,获得某,aa,的缺陷型，此即称为,E.coli k12,的亚种。,型,(,form),:,常指亚种以下的细分。当同种或同亚种内不同菌株之间的性状差异不足以分为新的亚种时，可以细分为不同的型。,例如,：,按抗原特征的差异分为不同的,血清型,；,种（,species,）：,是一个基本分类单位；是一大群,表型,特征高度相似、亲缘关系极其接近，与同属内其他种有明显差别的菌株的总称。,42,43,细菌分类和伯杰氏手册,70,年代以后，对细菌进行全面分类的、影响最大的是,伯杰氏手册,。所以该书目前已成为对细菌进行分类鉴定的主要参考书。,44,命名：,菌种的科学名称。菌种的学名是按照,国际细菌命名法规,命名的国际学术界公认，并通用的名称。,命名原则：,学名,=,属名,+,种的加词,+,（首次定名人）,+,现名定名人和鲜明定名年份,规定与常识：,属名应大写首字母、单数、可以组合外而成。种的加词代表一个种的次要特征，首字小写,二,.,微生物分类单元的命名,45,微生物的名字有,俗名,和,学名,两种。如：,红色面包霉,粗糙脉孢霉,绿脓杆菌,铜绿假单胞菌,学名,是微生物的科学名称，它是按照有关微生物分类国际委员会拟定的法则命名的。学名由拉丁词、或拉丁化的外来词组成。学名的命名有双名法和三名法两种。,双名法：,学名,=,属名,+,种名,+,（首次定名人）,+,现定名人,+,定名年份,必要，用斜体表示,可省略，用正体字,属名：,拉丁文的名词或用作名词的形容词，单数，首字母大写，表示微生物的主要特征，由微生物构造，形状或由科学家命名。,种名：,拉丁文形容词，字首小写，为微生物次要特征， 如微生物色素、形状、来源或科学家姓名等。,46,例：大肠埃希氏杆菌,Escherichia coli,（Migula）Castellani et Chalmers 1919,金黄色葡萄球菌,Staphylococcus aureus Rosenbach 1884,当泛指某一属微生物，而不特指该属中某一种（或未定种名）时，可在属名后加,sp.,或,ssp.,（分别代表,species,缩写的单数和复数形式）,例如：,Saccharomyces sp.,表示酵母菌属中的一个种。,47,菌株名称,在种名后面自行加上数字、地名或符号等，如：,Bacillus subtilis,AS1.389 AS=Academia Sinica,Bacillus subtilis,BF7658 BF=,北纺,Clostridium acetobutylicum,ATCC824,丙酮丁醇梭菌,ATCC,American Type Culture Collection,美国模式菌种保藏中心,当文章中前面已出现,过某,学名时，后面,的,可将其属名缩写成,13,个字母。,如,：,Escherichia coli,可缩写成,E. coli,Staphylococcus aureus,可缩写成,S. aureus,三名法,：,用于对,亚种的命名，这时,在属和种名后加写一个,subsp.,，然后再附上亚种名称（斜排体）。,如：,Bacillus thuringiensis,subsp.,galleria,苏云金芽孢杆菌腊螟亚种,48,第二节 细菌分类鉴定方法,49,多相分类（,polyphasic taxonomy,）,一,.,传统分类法,二,.,数值分类法,三,.,化学分类法,四,.,遗传学分类法,50,一,.,传统分类法,一）形态结构特征,1.,个体形态,：大小、形态和排列,特殊结构,2.,群体形态,：培养特征,51,二）生理生化特征,1.,能量代谢,2.,对氧气的要求,3.,营养和代谢特征,碳源,氮源,特殊的营养需要,特种酶,52,三）生态因子,温度、酸碱、盐度、压力,与其他生物的关系,四）对噬菌体和药物的敏感性,五）血清学反应,表面抗原等,可溶性抗原,-,酶,53,二,.,数值分类法,收集菌株：,60,150,株，,50,100,个性状,性状编码：,1,，,0,相似性计算，列出矩阵,Ssm, Sj,系统聚类分析,矩阵图 树状图,a+d,a+b+c+d,a,a+b+c,54,相似性矩阵,矩阵图,55,56,三,.,化学分类法,一）细胞壁组成,肽聚糖、脂多糖、蛋白质,二）类脂组成,脂肪酸指纹,三）异戊二烯苯醌组分,四）蛋白质,57,四,.,遗传学分类法,1. DNA,碱基组成的测定,2.,核酸的分子杂交,3. 16S rRNA,或,18SrRNA,核苷酸序列分析,58,DNA,碱基组成的测定,（每个生物体的（,G+C,）,mol,是稳定的）,（细菌的范围大：,20,80,）,热变性法,（,G+C,）,mol, ,2.44,（,Tm-53.9,）,HPLC,法,59,使用原则：,G+C,含量的比较主要用于分类鉴定中的,否定,每一种生物都有一定的碱基组成，亲缘关系近的生物，,它们应该具有相似的,G+C,含量，若不同生物之间,G+C,含,量差别大表明它们关系远。,但具有相似,G+C,含量的生物并不一定表明它们之间具有近的亲缘关系。,60,(,1) DNADNA,杂交,亲缘关系相对近的微生物之间的亲缘比较,(2) DNA,RNA,杂交,亲缘关系相对远的微生物之间的亲缘比较,(3),核酸探针,利用特异性的探针，用于细菌等的快速鉴定,核酸的分子杂交,61,16SrRNA,或,18SrRNA,的核酸序列分析,16SrRNA,被普遍公认为是一把好的谱系分析的,“,分子尺,”,：,16SrRNA,的序列高度保守，可精确指示细菌之间的亲缘关系,16SrRNA,的大小为,1500bp,左右，所含信息能反映生物界进化关系，易操作，适用于各级分类单元,目前常用的是建立在,PCR,技术基础上的,16SrRNA,基因的直接测序法，方便快捷。,62,