第四章 第一节微生物的生态系统

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,兰州大学资源环境学院 环境科学与工程系,*,第四章 微生物的生态学原理,第一节 微生物的生态系统,一、生态系统,1生态系统Ecosystem：在一定时间和空间范围内由生物包括动物、植物和微生物的个体、种群、群落与它们的生境包括广、水、土壤、空气及其他生物因子通过能量流动和物质循环所组成的一个自然体。,生态系统=生物群落+环境条件,2.生态系统的组成：,生物环境：生物种群内和种群间,能源：太阳辐射,环境条件 生物代谢产物：二氧化碳、氧气、,生 水、无机盐,态 非生命环境 媒介：土壤、水、空气,系 基质：砂、岩石泥土,统 其他环境条件：温度、pH 等,生产者：植物群落、藻类、光合细菌及化能自养菌,生物群落 消费者：动物群落,分解者或转化者：异氧微生物、原生动物及,微型后生动物,3.生态系统结构：,具有明显的三维空间结构，由于各处光照、温度及其它环境条件的差异，使各种生物群落在空间上有明显的垂直分布和水平分布。,4.生态系统的功能：,生物群落与及其生存环境之间通过不断的物质循环、能量流动、信息传递等相互作用，从而使生物与环境联结成一个相对稳定的生态系统。,生物生产：是生态系统的根本功能之一，生产者利用太阳辐射，将水、二氧化碳及无机物合成糖类、脂肪和蛋白质，构成植物体。,能量传递：太阳能通过光合作用转化为化学能贮存在植物体内，再通过食物链有一种生物转移到另一种生物体内，从而在不同生物之间形成能量流动。,能量流的特点：,A从低营养级流向高营养级，单向传递。,B能量贮存逐渐减少，构成能量金字塔。,C.在流动中不断消耗，并由太阳不断地补充和更新。,物质循环：生态系统中生物群落所需的各种营养物在环境、生产者、消费者和分解者之间传递，处于不断循环之中形成物质流。如二氧化碳、水及无机盐植物吸收进入食物链草食动物肉食动物微生物分解转化进入环境被植物利用。物质流主要表现为生物元素的循环，物质流是双向流。,信息传递：生态系统中的信息传递多种多样，如物理信息声、光、色等、化学信息酶、维生素、生长素等、行为信息发现敌情报警。,5.生态平衡：,定义：,生态系统是开放系统，当能量和物质的输入大于输出时，生物量增加，反之，生物量减少。如果输入和输出在较长时间趋于相等，生态系统的组成、结构和功能将长期处于稳定状态，即使有外来干扰，生态系统能通过自行调解的能力恢复到原来的稳定状态，称为生态平衡。,生态平衡失调：生态系统的自行调节能力是有限度的，超越了生态阈限，自行调节能力的降低或丧失就会导致一系列的连锁反响：各生物群落的种类和数量减少，各生物群落间的数量比例失调，能量流动和物质循环发生障碍，整个生态系统的平衡失调。,生态阈值：生态系统对来自自然界或人类施加干扰的最大限度的调节能力。,成熟生态系统的特征：,具有稳定的理化条件：物质循环和能量流动根本平衡；,生物群落的组成和功能稳定，多样性强；,抵抗外来干扰的能力强；,受到外来干扰后，具有较强的恢复能力，恢复快。,二、微生物生态,1.概念：,微生物生态学：,研究环境中的微生物与微生物之间、微生物与其它生物之间的相互关系以及微生物同物理和化学等环境因子的相互作用。,微生物生态系：,在某种特定的生态环境条件下微生物的种类、数量和分布特征，以及参与整个生态系中能量流动和生物地球化学循环的过程和强度的体系。,自然界中的微生物生态：,在一定在生态体系中，发育着不同特征性的微生物类群和数量，并在物质转化和能量转化中，呈现出各自不同的活动过程和活动强度。这种强度受环境因子直接或间接的影响，也受微生物本身具有的适应性的影响。,2.微生物生态学的研究内容：,研究各类生态系统中微生物的分布，微生物种间的相互关系和微生物与其环境中物理化学因子之间的相互作用规律。,研究微生物与高等生物之间的相互关系。,研究微生物在生态系统中的功能。,研究环境污染对微生物的影响，以及微生物对污染物的净化作用。,研究环境的微生物监测和评价的原理和技术。,研究污染控制的微生物学方法。,3.微生物生态系统的特点：,微小生境：,微生物个体微小，能在微小环境中生存，并执行其特定的功能。,土壤中可能因为植物根毛的脱落，根的分泌物使贫瘠土壤中形成富营养的微小环境；,在肥沃的土壤表层可具有有机营养缺乏的微小环境而使化能自养菌生存；,在清洁的水体中即可因固体物质外表吸附形成富营养的微小环境，也可因植物残体的进入形成富营养的微小环境；,在废水活性污泥法生物处理中，微氧的微小环境存在常可引起浮游球衣细菌造成的活性污泥膨胀。,微生物生态系统的多样性：,在不同环境条件下的微生物生态系统其组成分、数量、活动强度和转化过程等，都很不一样。,每一个特定的生态环境，都有一个与之相适宜而区别于其它生态环境的微生物生态系统。,A陆地环境中与水域环境中的微生物生态系统不会相同。,B即使同是水域，由于海水环境和淡水环境中的理化因素和基质成分不一样，造成了对微生物的选择性不一样，结果组成的微生物生态系统有着各方面的差异。,在同一个生态环境中，由于其中某一因素的变化，也可能会引起微生物生态系统中组成分或代谢强度、最终产物的改变。,例如，环境受每日、每季、每年周期性变化的影响，微生物生态系统中的优势群体往往会随温度变化而产生周期性演替。,微生物生态系中的种群多样性：,种间多样性：,在一个微生物生态群落中，不占优势的种在很大程度上决定着在这个生态系统的营养水平和整个群落的种间多样性。一个群落的成熟度同时反映了种间多样性和生产性。成熟的生态系复合体，高量种数即高度多样性可形成许多种间关系。,种群的遗传多样性：,在一个群落中，在一个群落内的种间多样性反映了一个种群的遗传多样性。,A种的丰度和种在群落中的比例称为种的多样性指数。,种的多样性指数与种的总数量和个体种数的相对重要性相关。,B一个微生物群落的遗传多样性指数可用整个微生物群落的DNA的异源性表示，,从样品中获得整个微生物群落的总DNA，代表了这个群落的总基因库，DNA重退火的速率即是DNA异源性的一种衡量标志。,举例：,A.受物理化学因素控制：由于微生物对于明显的物理化学因素胁迫的适应具有高度的选择性，因此物理化学的胁迫导致了大量具有较大适应性的种群的富集和联合。在这种情况下，种群就减少，对于群落来说那么只有少数种群占优势即种间多样性变小。,B.受生物学性控制：受生物学性控制环境中种间多样性相对较高，即种群之间相互作用的重要性要超过非生物性胁迫，许多生境如土壤中的微生物多样性一般比较高，但在受到胁迫或干扰的条件下，如受病原菌感染的植物或动物组织，多样性就会明显降低。,微生物生态系统的稳定性：在一个特定环境中的微生物生态系统，如果无环境因子的强烈冲击和影响，一般总保持大体的稳定，即具有稳定性。,常表现在以下几个方面：,在一定的短时间内，微生物生态系统面临外界环境改变压力时能保持自身生存的能力和保持整个生态系统集体性状完整性的能力，防止被打乱和打破。,对外界环境压力具有抵抗性和修补能力：环境压力没有超出一定范围时，微生物生态系统能够抵抗这种压力而使整个系统仍然稳定。一旦环境压力超出其可抵抗的范围，整个完整的微生物生态系统可能由于局部微生物类群的死亡或失去活性造成丧失局部系统。此时整个系统的剩留局部又可与改变环境压力之后新出现的类群组成一个完整的生态系统，即进行修补。,外界环境因子出现周期性循环时，微生物生态系统的特性也会出现周期性表现：如某一环境受四季气温的变化循环和营养物质利用和补充循环的影响，其中的微生物生态系统也受这两个循环的影响而呈现周期性循环。,微生物生态系统的适应与演替性：由于微生物本身结构比较简单，改变环境的能力较弱，面对环境和营养物质的不断改变，微生物生态系统往往不能抗拒，而通过改变自己的群体结构来适应新的环境，形成新的生态系统。,这种适应性表现在：,原有的微生物类群在新的环境或新的营养源下诱导生成新的酶或酶系以适应新的环境或新的营养源；,原有的不适应新环境或新营养源的微生物类群衰亡的同时，发育出新的能适应新环境或新营养源的微生物类群，即使原来数量很少和竞争力相当弱的类群发育为新环境下的优势种群。这就是自然界中普遍的微生物种群演替现象。,举例：,不同优势种群的出现常有明显的顺序性。环境条件改变时也会发生微生物种群的演替。,例如在,甜酒酿制作,过程中，,前阶段,糖化真菌利用容器中的空气旺盛生长把米饭中的淀粉转化为糖类，酵母菌也在有氧的条件迅速生长繁殖，这样消耗了氧气，糖化菌是前阶段的优势菌群。由于氧气的消耗，需氧的糖化真菌衰落而为可不需氧的酵母菌把糖类发酵生成乙醇的生命活动创造了条件，因而在,后阶段,糖化菌衰落而酵母菌成为优势菌。,微生物群落中的遗传交流：,当某种适应性特征被导入基因库时，由于微生物的高速繁殖而使得导入的基因在微生物种群中迅速而广泛地分布即称为,微生物遗传基因的水平漂移。,在一个群落中决定某种群存在的关键因素是它的遗传物质。一个或多个基因决定了种群的演替产生。一个群落的稳定性依赖于各个种群的基因总体性状。,基因变异、重组、接合等所形成的遗传变异与自然选择的结果不一样：,细菌的遗传物质通过接合、转导和转化等方式转移和重组导致了基因的新组合。在医院废水、污泥、污泥流出液、淡水、海水、动物废弃物土壤中都已观察到某些细菌通过接合而进行质粒转移。,微生物生态系统中的物质流和能量流：,进入自然界的大分子复合物逐级分解的过程，必须由多种微生物相互分工协同作用来完成，这就组成了一个,微生物生物链,。如纤维素、半纤维素、果胶、蛋白质、淀粉、核酸等大分子复合物，这些复合物的分解只能是一步一步逐级分解的过程。在好氧条件下把这些复合物彻底分解氧化为CO,2,和水，在厌氧条件下全部转化为CH,4,、CO,2,和NH,4,等物质。,在微生物生态系统内，能量总是以化能的方式贮藏在食物中。因此能量流和食物链中物质的质和量的转化，是物质由于微生物的作用而发生的本质和形式上的变化。,4.微生态学：,定义：20年前，微生态学(microecology)首先被德国的沃克罗西(Voeker Rusch)博士所提出。1985年提出的定义为“微生态学是细胞水平或分子水平的生态学。康白教授提出应为“研究正常微生物与其宿主相互关系的生命科学分支，或“研究正常微生物结构和功能，以及与宿主相互关系的学科。,关于微生态学：,微生态学无疑是属于生态学(,ecology,)范畴，是生态学的微观层次。微生态学也可根据不同角度，分为不同的分支学科。微生态学除了具有普通微生物生态学的理论和特点外，还具有自己本身的一些特点。,本节完,同学们辛苦了,