微生物生态学

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,8,章 微生物生态学,（,Microbiol Ecology,）,微生物生态学：,研究微生物群体与其周围生物和非生物环境条件间相互作用的规律，是生态学的一个分支,1,一、微生物在生态系统中的作用,1.,微生物在生态系统中的角色：,（,1,）生态系统（,ecosystem,）：,在一定的空间内,生物的成分,和,非生物的成分,通过,物质循环,和,能量流动,互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位,（,2,）生态平衡：,（,3,）生态系统中生物的作用：,a.,生产者（,productor,）,植物为主体，从无机物合成有机物,b.,消费者（,consumer,）,动物为主体，利用有机物进行生活，一般不能将有机物直接分解成有机物,c.,分解者（,decomposer,）,微生物为主体，分解有机物成无机物,2,微生物可以在多个方面但主要作为,分解者,而在生态系统中起重要作用,3,（,4,）微生物在生态系统中的作用：,a.,微生物是有机物的主要分解者,b.,微生物是物质循环中的重要成员,c.,微生物是生态系统中的初级生产者,光能、化能,d.,微生物是物质和能量的储存者,e.,微生物是地球,生物演化中的先锋种类,4,2.,微生物与自然界物质循环,生物地球化学循环,（,biogeochemical cycle,）,生物圈中的各种化学元素，经生物化学作用在生物圈中的转化和运动。是生物圈的元素来源,生物圈的能量来源是太阳,（,1,）碳循环（,carbon cycle,）,：,最重要,无机碳,植物、动物,有机碳,微生物,微生物分解的特点：可不需氧；但太多可致温室效应,5,（,2,）氮循环（,nitrogen cycle,）,a.,生物固氮（,biological nitrogen fixation,）：,分自生固氮菌（如海洋中的固氮菌）、共生固氮菌（如根瘤菌）、联合固氮菌（如动物肠道中的克雷伯菌）,b.,硝化作用（,nitrification,）：氨态氮经硝化菌的氧化，转变为硝酸态氮的过程,c.,同化性硝酸盐还原作用（,assimilatory nitrate reduction,）：,硝酸盐被生物体还原成铵盐并进一步合成各种含氮有机物的过程,d.,氨化作用（,ammonification,）：含氮有机物经微生物的分解而产生氨的作用,e.,铵盐同化作用（,assimilation of ammonium,）：,以铵盐作营养，合成有机含氮物的作用,f.,异化性硝酸盐还原作用（,dissimilatory nitrate reduction,）：,硝酸离子充作呼吸链（电子传递链）末端的电子受体而被还原为亚硝酸和铵盐的作用,g.,反硝化作用（脱氮作用）（,denitrification,）：硝酸盐转化为气态氮化物的作用，又称呼吸性硝酸盐还原,h.,亚硝酸氨化作用：亚硝酸通过异化性还原经羟氨转变成氨的作用。一些气单胞菌、芽孢杆菌、肠杆菌,6,（,3,）硫循环（,sulfur cycle,）,a.,同化性硫酸盐还原作用：,硫酸盐经还原后，最终以巯基形式固定在蛋白质等成分中,b.,脱硫作用（,desulfuration,）：,在无氧条件下，通过一些腐败微生物的作用，把生物体中蛋白质等含硫有机物中的硫分解成硫化氢等含硫气体的作用,c.,硫化作用（,sulfur oxidation,）：,即硫的氧化作用。硫化氢等无机硫化物被氧化成硫或硫酸的作用。硫杆菌属、光合厌氧菌,d.,异化性硫酸盐还原作用（反硫化作用）：,硫酸作为厌氧菌呼吸链（电子传递链）的末端电子受体而被还原为亚硫酸或硫化氢的作用。,e.,异化,性硫还原作用：,硫还原成硫化氢的作用。脱硫单胞菌属,7,（,4,）磷循环（,phosphorus cycle,）,a.,不溶性无机磷的可溶化,b.,可溶性无机磷的有机化,c.,有机磷的矿化,8,（,5,）铁循环,a.,铁的氧化和沉淀：形成,Fe,3+,b.,铁的还原和溶解：形成,Fe,2+,c.,铁的螯合,（,6,）其它元素的循环,锰、钙、硅,9,二、生物之间的相互关系,1.,偏利共生（,commensalism,）：,二种生物存在于同一环境中，对一种生物的生长有利，而对另一种的生长无影响。,2.,互利共生（,mutualism,）：,二种生物在同一环境中彼此能促进生长。如根瘤菌与豆科植物，瘤胃微生物与反刍动物,3.,拮抗（,antagonism,）：,一种生物影响另一种生物生长的现象。霉菌抑制细菌生长；好氧菌与厌氧菌共同生长时,4.,竞争（,competition,）：,两种以上的生物生活在同一环境中，由于它们需要摄取共同营养，使一方或双方的生长受到限制。优势菌,5.,寄生（,parasitism,）：,一种生物生活在另一种生物的体内或体表，分专性寄生和兼性寄生。可致病或用于生物防治,6.,捕食（,predation,）：,一种生物被另一种生物完全吞食,10,金黄色葡萄球菌的生长为本来在平板上不能生长的嗜血流感菌,提供生长因子，后者在其菌苔周围形成卫星菌落。,11,本来不能在含青霉素的平板上生长的受体菌在转化子（,含有,Amp,r,质粒,）周围形成卫星菌落（,b,-,内酰胺酶分泌到胞外所致,）,12,根瘤菌与豆科植物间的共生,-,形成根瘤共生体,根瘤菌固定大气中的气态氮为植物提供氮素养料,豆科植物的根的分泌物能刺激根瘤菌的生长，同时，还为根瘤菌提供保护和稳定,的生长条件。,13,三、水中的微生物,1.,来源,（,1,）土壤：主要,（,2,）空气：经雨雪,（,3,）水生生物：,2.,种类,需氧菌、噬盐菌（海洋）、厌氧菌（底部）、肠道病毒、藻类,14,3.,影响存活的因素,（,1,）,pH,（,2,）无机盐浓度：渗透压,（,3,）有机物：水的富营养化,（,4,）浊度,（,5,）氧气,（,6,）温度,15,4.,评价指标,（,1,）大肠菌群数：,是微生物污染的指标,埃希杆菌属、柠檬酸杆菌属、肠杆菌属、克雷伯杆菌属,需氧或兼性厌氧的、革兰阴性无芽孢杆菌,在动物粪便中普遍存在且数量甚多；在水中的存活时间长但不繁殖；对外界的抵抗力与致病菌相似；检测方法比较简便,饮用水中，大肠菌群数,3/,升水,（,2,）粪链球菌数：,是人及温血动物肠道内的正常菌群，是粪便污染的指标,饮用水中不得检出,另：细菌总数,100,/,毫升水,16,四、土壤中的微生物,1.,种类,极其丰富,（,1,）自养菌：,碳化菌、硝化菌、硫化菌、铁细菌,（,2,）异养菌：,腐生菌、固氮菌、氨化菌,（,3,）致病（芽孢）菌：,（,4,）放线菌：,抗生素的重要来源,（,5,）真菌：,以菌丝体和孢子的形式存在,（,6,）藻类：,硅藻、绿藻,（,7,）病毒：,肠道病毒为主，还有噬菌体,2.,作用：,作为分解者参与物质循环,17,3.,来源,（,1,）动物排泄物及尸体,（,2,）污水：灌溉、渗入,（,3,）,固体废弃物,4.,分布特点,（,1,）土壤微生物的数量和分布主要受到营养物、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的深度有关，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。,18,五、空气中的微生物,1.,种类：,细菌、真菌孢子、呼吸道病毒、支原体、衣原体、立克次体、尘螨等，均非原生,2.,来源：,主要是动物的活动，真菌孢子可直接释放，水、土壤也可,3.,存活：,和尘埃大小、空气流速、湿度、光照等因素有关,4.,危害：,可以说是有百害而无一利,（,1,）引起呼吸道传染病,（,2,）污染食品，使其发霉、腐败变质、产生毒素,（,3,）引起过敏反应,（,4,）,引起真菌病,注意无菌操作,19,4.,微生物在空气中的传播方式,（,1,）尘埃（,dust,）：,固体,（,2,）飞沫（,droplet,）：,液体，来源于咳嗽、喷嚏，尤其是后者,（,3,）飞沫核（,droplet nuclei,）：,飞沫蒸发后，大多直径,12,m,，,存活时间与抵抗力有关,20,喷嚏和咳嗽所产生的飞沫大小,21,不同大小的飞沫在空气中的沉降速度,飞沫直径（,m,）,沉降速度（英尺,/,小时）,1,0.36,2,1.44,5,9,10,36,50,900,100,3600,22,5.,微生物气溶胶（,aerosol,）的概念,以固体或液体微小颗粒（分散相）分散于空气（分散介质）中的分散体系。分凝集性气溶胶和分散性气溶胶，直径,5,鼻腔,45,支气管,14,肺泡,1,随呼吸自由进出肺泡,24,六、极端环境下的微生物,从一般噬到极端噬不等,1.,噬热微生物（,thermophiles,）：,如,PCR,用,Taq,酶,2.,噬冷微生物（,psychrophiles,）：,可引起冰箱冷藏食品变质,3.,噬酸微生物（,acidophiles,）：,常同时噬热，多用于微生物冶炼,4.,噬碱微生物（,alkalinophiles,）：,可用于洗涤剂,5.,噬盐微生物（,halophiles,）：,海洋、盐湖,6.,噬压微生物（,barophiles,）：,洋底、地心，均为厌氧菌,25,七、微生物与环境保护,1.,微生物对污染物的降解与转化,（,1,）生物降解（,biodegradation,）,（,2,）降解性质粒（,catabolic plasmid,）,（,3,）降解反应和生物降解性,降解反应包括氧化反应、还原反应、水解反应、聚合反应,生物降解性的大小与污染物的化学结构有关,2.,重金属的转化,微生物对重金属的转化可降低也可增强其毒性,26,3.,水的富营养化（,eutrophication,）问题,（,1,）定义：,水体中因氮、磷等元素的含量过高引起水体表面的蓝细菌和藻类过度生长繁殖的现象,（,2,）内容：,a.,水华（,water bloom,）：,发生在淡水水体（江、河、湖、池等）中的富营养化现象,b.,赤潮（,red tide,）,：,发生在河口、港湾、浅海等咸水水体的富营养化现象,27,28,4.,环境污染物的微生物处理,（,1,）污水的微生物处理,a.,好氧处理：,活性污泥法（,activated sludge,）：,由活细菌、原生动物和其它微生物群聚集在一起组成的凝聚团，在污水中有很强的吸附、分解有机物和毒物的能力,生物膜法（,biofilm,）：,生长在潮湿、通气的固体表面上的一层由多种活微生物构成的黏滑、暗色菌膜，能氧化、分解污水中的有机物及某些有毒物质。包括生物滤池法、生物转盘法,b.,厌氧处理：,沼气池,c.,生态工程处理：,氧化塘,29,（,2,）固体废弃物的微生物处理,a.,好氧堆肥,b.,沼气（,marsh gas,）发酵：又称甲烷形成（,methanogenesis,）,过程：,先将有机物水解成各种有机酸，再进一步分解为乙酸、,H,2,、,CO,2,，产甲烷菌在厌氧条件下利用,H,2,、,CO,2,形成甲烷,分解,产酸,产气 （三步）,30,八、环境污染的微生物监测,1.,水污染：,大肠菌群数、粪链（肠）球菌数、细菌总数,2.,土壤污染：,细菌总数、大肠菌群数、产气荚膜杆菌值,3.,空气污染：,细菌总数、绿色和溶血性链球菌数,4.,环境致突变物：,Ames,试验（鼠伤寒沙门菌组氨酸营养缺陷型回复突变）,31,微生态学,（,Microecology,）,研究生物体微环境内正常微生物群的分布及其与宿主相互关系的科学,1977,年德国,Volker Rush,首先提出,32,一、正常菌群（,normal flora,）,1.,正常菌群的概念：,生活在健康生物（主要为动物）各部位大量的、种类较稳定的、一般对宿主无害甚至有益的微生物种群,2.,正常菌群的分布：,消化道、口腔、皮肤、呼吸道、泌尿生殖道,3.,正常菌群的建立：,出生后接触外界环境即可获得,33,4,.,正常菌群的影响因素,（,1,）宿主的因素,a.,年龄：,老年少于青少年,b.,免疫反应：,正常菌群免疫耐受,c.,pH,：,d.,肠蠕动：,能防止微生物在小肠中上部的群集,e.,代谢：,小肠结合型胆酸可抑制许多非土著菌，大肠游离型胆酸可抑制绝大多数菌,f.,酶：,唾液中含溶菌酶,g.,疾病：,改变原有正常菌群，改变微生态平衡,34,（,2,）饮食和环境的因素,a.,饮食：,促进正常菌群生长的成分,b.,地理环境,：,与饮食、气候有关,c.,气候：,温度、湿度的影响,d.,气压：,e.,药物和其它治疗：,滥用抗生素导致菌群失调,f.,菌,群间的相互影响：,共栖、共生、抑制、竞争、寄生、捕食,如：“卫星现象”；需氧菌与厌氧菌；细菌素,35,5.,正常菌群的意义和作用,（,1,）维持宿主组织、器官的正常结构和功能：,是宿主内环境的重要组成部分,（,2,）自然菌膜：,是非特异性的局部保护膜,（,3,）非特异性免疫作用：,抑制致病菌的生长,（,4,）合成维生素：,动物肠道菌能合成维生素,K,、,B,2,，生物素，叶酸等,（,5,）拮抗外袭菌群的作用：,通过降低,pH,，降低氧化还原电势，竞争养料和空间位置及产生抗菌物质,36,（,6,）对宿主新陈代谢的影响：,a.,干扰肠内糖的吸收,b.,分解胆酸,c.,把胆固醇转换为甾醇,d.,分解产氨和胺,e.,转变胆红素为尿胆素和粪胆素,f.,改变宿主消化酶的活性,g.,影响维生素的吸收,37,二、菌群失调,1.,菌群失调的概念：,在外界因素的作用下，某些微生物过量繁殖，使生物体内原有的菌群平衡被破坏,（,1,）群集：,原存在于体内的条件致病菌或进入机体的外来微生物在常住正常菌群中出现并增殖,（,2,）二重感染：,在抗生素治疗原有感染性疾病的过程中产生一种从微生物学及临床上证实的新感染,（,3,）,重复感染：,从微生物学及临床上证实的与抗生素治疗无关的体内新感染,，,是在原有感染性疾病基础上并发的感染,二重感染与重复感染的先决条件是有条件致病菌的群集,38,2.,抗生素与菌群失调,（,1,）抗生素导致菌群失调：,抗生素是引起菌群失调的重要诱因，而耐药菌的群集又促进菌群的失调,（,2,）群集菌落的来源,a.,原有存在于宿主体内的少量微生物，正常情况下被其它细菌抑制,b.,体内原对药物敏感的菌株获得了耐药性变异,c.,由,外部进入体内的微生物：,正常情况下为一过性,39,（,3,）抗生素导致菌群失调的机理,a.,抗生素选择性地消除正常菌群中的抑制菌,b.,抗生素直接促进条件致病菌的增殖,c.,抗生素增强条件致病菌的毒力,（,4,）群集与二重感染的常见微生物,耐药性金葡菌、绿脓杆菌、厌氧菌（如类杆菌）、深部真菌,3.,原有,疾病与菌群失调,菌群失调,机体抵抗力低下,二重感染较易发生在原有感染病灶的组织器官，也可发生在与原有感染不同甚至原属无菌的组织器官,40,4.,菌群失调的防治原则,（,1,）不滥用抗生素,（,2,）,微生态制剂治疗,41,三、条件致病菌（,opportunistic pathogen,）,1.,条件致病菌的概念：,在正常宿主一定部位，于一般情况下不表现致病作用的菌群,2.,致病的机会与条件,（,1,）细菌黏附至宿主细胞：,条件致病菌在宿主黏膜表面黏附与群集是发挥致病作用的先决条件,（,2,）寄居部位改变：,由常居部位进入宿主的其它部位或无菌器官,（,3,）,宿主免疫力缺陷：,42,（,4,）抗生素治疗：很重要,（,5,）医院环境及器械治疗：,医院内感染,3.,细菌致病性的变迁,引起感染的菌种、菌株的变迁,43,四、微生态制剂,1.,概念：,含有益菌及其代谢产物和有益菌生长促进物质的制剂,2.,分类：,（,1,）按宿主分：,人用,（数量最多、种类最丰富、研究最深）,、动物用（猪用）、植物用,（生物肥料）,（,2,）按用途分 ：,食品,（如酸奶）,、保健食品、药品,（如培菲康）,（,3,）按成分分：,a.,益生剂：,含有活菌和,/,或死菌，包括菌体成分及代谢产物的制剂,b.,益生元：,能选择性地促进肠内有益菌的生长繁殖的，不被宿主消化的食物成分。主要成分是寡聚糖（,oligosaccharide,），又称双歧因子,c.,合生素：,益生剂和益生元联合使用,44,（,4,）按剂型分,a.,液体剂型：,口服液、饮料、酸奶（半固体）,b.,固体剂型：,片剂、胶囊、粉剂。,c.,气体剂型：,气溶胶，较少见,3.,微生态制剂的功效,（,1,）调整人体各系统微生态平衡的作用：,双向调节,（,2,）营养作用，帮助消化及吸收营养：,维生素、蛋白质,（,3,）抑制或分解对人体有害的物质：,防癌抗衰老,（,4,）,促进免疫系统活力：,非特异性免疫，吞噬作用,45,4.,微生态制剂的发展方向,（,1,）多品种：,肠道,呼吸道、口腔,（,2,）合生素,+,酶复合制剂,（,3,）新剂型：,肠溶剂型是今后的发展方向！,（,4,）,基因工程制剂：,将外源性有益基因引入益生菌，构建多功能的微生态益生菌,46,