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1、第 八 章微 生 物 生 态,第八章 微生物生态,通过本章的学习,了解微生物在自然界分布的特点及其与人类生活的密切关系,掌握微生物与其生活在一起的其它生物之间的相互关系以及微生物在自然界物质循环中的重要作用。,前 言,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。微生物生态学内容:微生物群体对其周围生物和非生物环境条件的相互作用关系。,几个概念,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)生物群落与其无机环境相结合、相
2、作用、相调控而成的动态系统。生物圈(biosphere)地球上的所有生物。,研究意义,理论:地球进化和生物进化原因实践: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,第三节 微生物在生态系统中的作用,第一节 微生物在自然界中的分布,第二节 微生物与生物环境间的相互关系,了解不同环境中微生物分布的基本特点及与其人类生活的关系,掌握生物之间相互关系的特点(一些典型例子的原理),基本概念,第一节 微生物在自然界中的分布Distribution of Microorganisms in the nature,一、土壤中
3、的微生物二、自然水域中的微生物1、江河水;2、海水;3、水体的富营养化作用和“水华”、“赤潮”三、空气中的微生物四、食品中的微生物五、极端环境下的微生物六、未培养的微生物,一.土壤中的微生物土壤具有微生物生存的环境条件土壤中有养分、空气、水,土壤覆盖阻挡了紫外线对微生物的杀伤,土壤 pH 及渗透压都适合微生物生长。土壤中的微生物:细菌、放线菌、真菌、藻类、原生动物、病毒 微生物的作用:改变土壤性质进行物质转化提高土壤肥力,第一节 微生物在自然界中的分布Distribution of Microorganisms in the nature,耕作层(15cm)土壤中的微生物数量和生物量,From
4、 L.Hawker:Microorganisms,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。,微生物以微菌落(microcolony)的形式存在于土壤团粒结构中。,二、自然水域中的微生物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、
5、兼性厌氧菌。特点:嗜盐、嗜冷、嗜压。,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,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
6、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,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。,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。,三、空气中的微生物 空气不具有微生物生
7、活的条件:无营养物、紫外线杀菌、空气中微生物只能存留,不能进行生长繁殖 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。空气中的微生物密度 农村 城市 高空 低空 海洋上空 陆地上空 畜厩、街道、医院、宿舍区微生物密度大 高山、海洋、森林、旷原微生物少,四、食品中的微生物,微生物可以从土壤、作物收割、食品加工、储藏、销售等各个环节进入食品,食品中有益的微生物:,乳酸菌双歧杆菌酵母菌霉 菌,食品中有害的微生物:,导致食品腐败、变质,产生有害物质,危害人类健康!,1998年发展中国家约180万儿童死于微生物性腹泻全世
8、界每年约有220万人因患食源性疾病而丧生发达国家每年约有三分之一的人受食源性疾病危害(WHO,2002),食品安全全球关注的问题,1988年 上海,贝类,甲肝1989年 新疆,戊肝1996年 欧洲,牛肉,疯牛病1996年 日本,奶制品,O157 1997年 中国香港,禽流感2000年 法国,熟制肉类,李斯特菌2000年 日本,乳品,金黄色葡萄球菌2000年 英国、法国,口蹄疫2004年 南亚、东南亚、中国,禽流感,微生物是食品安全的主要危害因子,根据食品卫生的要求,从微生物学的角度,对不同食品所提出的与食品有关的具体指标要求。,食品微生物检验的指标:,1、菌落总数2、大肠菌群3、致病菌,五、极
9、端环境中的微生物,可在绝大多数微生物所不能生长的高温、低温、高酸、高碱、高盐、高压或高辐射强度等极端环境下生活的微生物。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。,高温环境极端嗜热菌 Pyrodictium broii 最适生长温度为 105,最高可达110。低温环境嗜冷菌中的某些固 氮 微生物在 1 下还可以固氮。强酸环境嗜酸菌;氧化硫硫杆菌在 pH 0.9-4 中生长,最适 pH 2.5左右强碱环境嗜碱菌 Bacillus rotans pH 11 高盐环境极端嗜盐菌,
10、最适生长盐浓度为摩尔/L.高压环境深海中的极端嗜压菌 Pseudomonas bathycete 能在1.01108 Pa3 下生长。,六、未培养的微生物,未培养微生物(uncultured microorganisms)利用分子生物学技术能够检测到,但目前采用微生物纯培养分离、培养方法还未获得纯培养的微生物。包括可获得纯培养,但在环境因子的胁迫下不能生长、处于休眠状态下的微生物。,Staley和Konopka(1985)创造的名言:“伟大的平板,计的数太偏”,是对环境中微生物实际数量同平板菌落计数之间巨大差异的最好描述。,1-10%of observable bacteria grow on
11、 standard culture media,The great plate count anomaly-Does culturing reflect natural conditions?,纯培养技术微生物多样性研究的限制性瓶颈,使用标准微生物学培养技术对不同生境微生物可培养性的测定结果:海水中可培养性约为0.001 0.100淡水约0.25土壤约0.3活性污泥为115,未培养的微生物,研究意义:,生物多样性和系统发生的多样性(Biodiversity and Phylogenetic diversity),微生物生态学的研究提出新的要求,寻找新的致病微生物,从未培养微生物中寻找新的基因、
12、新的蛋白,美国recombianant biocatalysis Inc公司目前已从未培养微生物中获得了约300个与工业生产相关的新蛋白,(viable but nonculturable state,VBNC state),活的非可培养状态,我国青岛海洋研究所的徐怀恕和美国University of Maryland的Colwell等于1982年研究霍乱弧菌和大肠杆菌在海洋与河口环境中的存活规律,发现霍乱弧菌在其生活史中,处于低温、低盐、低营养物等不良生活条件下,会变成活动但不可培养状态。首次提出了活的不同培养状态(viable but nonculturable state,VBNC st
13、ate)现象。近年来已成为微生物学研究的一个热点。,Vibrio cholerae 霍乱弧菌 Escherichia coliCampylobacter jejuni 空肠弯曲杆菌 Legionella pneumophila 嗜肺军团杆菌 Shigella sonnei 索氏志贺菌,Pathogenicity opportunismMetabolic functions,VBNC,至少有16个属的30种细菌被报道有此现象发生,它被认为是微生物暴露于胁迫环境的一种生存反应。,VBNC是细菌处于不良环境条件下产生的一种特殊的生存方式和休眠状态。VBNC细菌不能在常规培养条件下生长繁殖,但仍然具有
14、代谢活性,但如果给予合适条件又能够恢复生长繁殖。细胞保持完整、胞内酶维持活性、染色体和质粒DNA均保持稳定;用显微镜观察,其细胞会表现为缩小成球状,细胞表面产生皱折等。,VBNC 细菌特点:,宏基因组(Metagenome)“the Genomes of the Total Microbiota Found in Nature”,即指任何特定环境样品中全部微生物遗传物质的总和。基本方法:分析微生物在环境中的基因组集合,直接分离未培养土壤微生物基因组DNA,克隆到可培养微生物中,最后筛选所需的结果克隆。宏基因组文库包含了可培养和未可培养的微生物基因组,避开了微生物的实验室分离培养,因而能更有效研
15、究和挖掘环境微生物的多样性。,分子生物学手段研究未培养微生物,绕过“纯培养”技术宏基因组学,宏基因组研究充分扩展了微生物基因资源的利用空间,显著增加了筛选与分离新型生物活性分子及其编码基因的机会。目前已采用土壤、海水、湖泊、浮游生物、生物膜、动物和昆虫消化道、排泄物等环境样品成功构建出宏基因组文库,并筛选到多种在工农业、医药等行业具有应用前景的酶、色素、抗肿瘤活性物质、抗生素等及其编码基因(簇),包括脂酶/酯酶、蛋白酶、淀粉酶、氧化酶、几丁质酶、核酸酶、膜蛋白、4-羟基丁酸代谢酶系、生物素合成酶系、色素、抗菌/肿瘤活性分子及抗生素抗性基因等。,第二节 微生物与生物环境间的相互关系,在生态系统中
16、生物间相互间关系的概念及典型例子重点:微生物与其它生物环境(包括微生物、动植物)的互生和共生关系。,一、微生物与动物的关系互生,共生,寄生二、微生物与植物的关系 互生,共生,寄生三、微生物种群之间的相互关系中性关系 neutralism 偏利关系 commensalism协同关系 synergism互惠关系 mutualism竞争关系 competition 拮抗关系 antagonism 寄生关系 parasitism 捕食关系 predation,第二节 微生物与生物环境间的相互关系,1.互生关系 metabiosis 两种可以独立生活的生物生活在一起时,都从对方获得利益,相互提供营养或生
17、态位。举例:人体肠道正常菌群与宿主的关系,肠道为微生物提供生存环境,肠道微生物进行多种代谢,为人体提供有益物质如维生素。,一、微生物与动物的关系,人体不同部位的正常菌群,部位 主要微生物皮肤 葡萄球菌属、八叠球菌、JK群棒状杆菌、绿脓杆菌、痤 疮丙酸杆菌、厌氧革兰阳性球菌、青霉菌属等口腔 表皮葡萄球菌、型溶血或不溶血链球菌、肺炎球菌、肠球菌屑、奈瑟球菌属、他莫拉菌、大肠杆菌、嗜血杆 菌属、乳杆菌、类白喉杆菌、真杆菌属、梭杆菌属、类 杆菌属、厌氧革兰阳性和阴性球菌、白念珠菌等。眼结膜 表皮葡萄球菌、JK群棒状杆菌、丙酸杆菌屑等鼻咽腔 葡萄球菌属、型和型溶血链球菌、肺炎球菌、奈瑟 球菌属、嗜血杆菌
18、属、大肠杆菌属、变形杆菌属、厌氧 球菌、白念珠菌等。肠道 大肠杆菌、产气杆菌、变形杆菌属、绿脓杆菌、葡萄球 菌属、八叠球菌、肠球菌属、产气荚膜杆菌、类杆菌 属、双岐杆菌、真杆菌属、梭杆菌属、消化球菌、消化 链球菌、白念珠菌、艾柯病毒、腺病毒等。,2.共生关系 symbiosis 两种生物生活在一起,相互依赖,形成特殊的共生结构。白蚁、蟑螂等昆虫的肠道内含有大量的细菌和原生动物与其共生。A、反刍动物与瘤胃微生物的共生关系:牛、羊、骆驼等反刍动物以草为食,可是它们本身缺乏消化纤维素和木质素的酶。主要靠瘤胃中定居的特定微生物群落来分解纤维素、木质素为纤维二糖和葡萄糖,为动物提供能量来源。同时反刍动物
19、吃进的草料又为这些微生物提供了营养。,牛与瘤胃微生物共生关系示意图,反刍动物瘤胃中的微生物:纤维分解菌、淀粉分解菌果胶分解菌、甲烷产生菌乳酸分解菌等。,3.寄生关系 parasitism 利用寄生关系开展生物防治是生态农业发展方向。白僵菌寄生于昆虫引起病害导致昆虫死亡;核多角体病毒寄生于棉铃虫引起病毒病导致昆虫死亡。,二、微生物与植物的相互关系,(一)互生关系 植物根际(Rhizosphere)微生物也称根圈微生物与植物的关系是典型的互生关系。植物为根际微生物提供分泌物和根冠脱落物作为营养。微生物产生的代谢产物如生长刺激素或抗生素,对植物生长有利。,根圈:指植物根系直接影响的土壤范围,包括根系
20、表面至几毫米(2 mm)的土壤区域。,根圈效应:生活在根圈中的微生物,在数量、种类和活性上都有明显不同,表现出一定的特异性(即植物根圈对微生物数量和种类的影响)。根土比(R/S)根圈中的微生物数量同相应无根系影响的土壤中微生物数量之比,一般在5-20之间。根圈微生物特点:数量大 活性强 组成简单种类:细菌:G-无芽孢杆菌占绝对优势 真菌:主要是尖镰孢、粘帚霉、青霉、柱孢属、丝 核菌、被孢霉、曲霉、腐霉、木霉等 原生动物:波多虫、尾滴虫、肾形虫、小变形虫,根圈微生物对植物的影响:1.提供有机营养和生长素。2.提高土壤矿质营养的有效性。3.消除H2S对植物的毒害。4.产生抗生素抑制植物病原菌。5.
21、过度生长时竞争矿质营养使植物出现营养不良。6.产生有毒物质抑制后茬作物种子萌发和幼苗生长。,(二)共生关系1.真菌与植物共生 有些真菌在一些植物根上发育,菌丝体包围在根表面或侵入根内组织共同发育,形成特殊的共生体,叫菌根。能与植物形成菌根的真菌叫菌根真菌。已知有2000多种植物与真菌形成菌根。形成菌根的真菌有担子菌、子囊菌和藻状菌,其中以担子菌最多。,根据菌根形态结构可分:1)外生菌根:真菌菌丝在植物根的表面形成稠密菌套,同时在根的皮层细胞间隙形成哈蒂氏网,真菌不侵入细胞内部。菌丝有隔。外生菌根多为林木菌根2)内生菌根:内生菌根在根的表面没有菌套,菌丝多半侵入根的皮层组织内部。在皮层组织的细胞
22、间隙有纵向的胞间菌丝,但不形成哈蒂氏网。而且菌丝能穿入皮层细胞内部形成各种不同形状的吸器。泡囊丛枝菌根(vesicular-arbuscular mycorrhiza,VA 菌根):菌丝无隔,侵入皮层细胞内的菌丝呈泡囊状和丛枝状故称泡囊丛枝菌根,简称VA菌根。形成VA菌根的植物主要是草本植物。形成VA菌根的植物占形成菌根植物的90%。,菌根对植物的有益功能:1、增大植物根系的吸收面积2、增加对P素和其它矿质元素的吸收3、产生生长刺激素4、产生抗生素5、增加植物的抗逆性6、VA菌根促进根瘤菌的生长发育,加强固氮作用7、兰科植物种子的萌发靠菌根真菌提供营养物质,二)微生物和植物间的共生关系,根瘤菌
23、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。,共生固氮微生物 根瘤菌属:主要有Rhizobium leguminosarum、R.trifolii、R.melitoti、R.japonicum、R.Astragali等。弗兰克氏菌属:Frankia与非豆科植物共生形成根瘤共生体。能结瘤的非豆科植物主要是木本植物,如杨梅属、桤木属、美洲茶)、水牛果和沙棘属等13个属和138种。蓝细菌:主要有满江红鱼腥藻(Anabaena azollae)与水生蕨类植物满江红(红萍)共生;念珠藻或
24、鱼腥藻与裸子植物苏铁共生形成苏铁共生体等。,(三)寄生关系 植物病原真菌和植物真菌病害植物真菌病害是植物病害最主要的一类,约占95%。病症:腐烂、猝倒、叶斑、溃疡、根腐、萎蔫、过度生长等。如半知菌可引起棉花炭疽病、立枯病和黄萎病、水稻稻瘟病和纹枯病等。植物病原细菌和植物细菌病害植物细菌病害约占植物病害的3%。植物病原细菌:假单孢菌属、黄单胞菌属、土壤杆菌属、棒杆菌属和欧文氏菌属中的一些种类。植物细菌病害症状:植物发生斑点、顶死、萎蔫、软腐和组织亢进(根癌)等病症。,植物病毒和植物病毒病害引起植物病害的病毒约300多种,通过植物伤口侵入。可通过嫁接、种子、汁液、昆虫等感染其他健康植株。病毒病害的
25、病症:花叶型;黄化型;病症为卷叶、缩叶、萎缩、丛枝、癌肿、矮化以及其他各种畸形。,微生物在高等植物中寄生,引起植物发病,是一个极其复杂的过程,受病原微生物、寄主植物和环境条件三者的影响。植物病害的防治:1)选育抗病品种或提高植物的抗病能力;2)防止病原微生物的传播和侵染;3)改进栽培技术和环境条件,以利寄主植株的生长发育,而不利于病原微生物的繁殖和侵染。,三、微生物种群之间的相互关系,微生物种群之间存在下面八种相互关系:中性关系 neutralism 偏利关系 commensalism协同关系 synergism互惠关系 mutualism竞争关系 competition 拮抗关系 antag
26、onism 寄生关系 parasitism 捕食关系 predation,Negative 竞争关系 competition,拮抗关系 amensalismPositive互惠关系 mutualism,协同关系 synergism,偏利关系 commensalism Positive for one,Negative for the other 寄生关系 parasitism,捕食关系 predationNeither negative or positive 中性关系 neutralism,Classes of Interactions,互惠关系Mutualism-both organism
27、s benefit,interaction is obligatory特点:在生理上相互分工,互换代谢活动的产物;在组织上形成了特殊的结构。,地衣-藻类和真菌的共生体,生理上的共生:,共生菌从基质中吸收水分和无机养料;共生藻进行光合作用,合成有机物;使地衣能在十分贫瘠的环境中生存。,结构上的共生:,形成有固定形态的叶状结构。,协同关系synergism,两个微生物种群之间相互受益并保持它们各自独立性的松散关系。例:土壤中的纤维素分解菌分解纤维素为葡萄糖,为固N菌提供C源;而固N菌固定大气N,又能改善纤维分解菌的N素营养。,Commensalism 偏利关系-one organism benef
28、its,the other is unaffected,捕食关系Predation大型微生物直接捕捉、吞食其他小型微生物来满足生存需要的现象,例如:原生动物以细菌为食。,Parasitism-one organism benefits,the other is harmed.,寄生关系一种生物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,Whats the difference between predation and parasitism?,issue of scale-predators normally larger than the
29、ir prey vs.parasites normally smaller than their hosts,issue of time-predation is usually a short interaction vs.parasitism there is usually a longer period of coexistence,5.捕食关系6.寄生关系,拮抗关系 antagonism-one organism has a negative effect on another.,非特异性拮抗作用例 1)乳酸菌产酸抑制其它微生物生长。2)酒精发酵时酵母菌产乙醇抑制其它微生物生长。特异
30、性拮抗作用 如产黄青霉产生的青霉素可以抑制G+菌。,Competition竞争关系-2 organisms try to acquire same resource,例:在同一生长环境中如果限制磷的数量,两种藻类星杆藻和小环藻在此环境中生活时,则小环藻被星杆藻取代。,小结:1、中性关系:两个微生物种群之间没影响或仅存在无关紧要的相互作用。如空气中的微生物,海洋和低营养湖中的微生物;休眠的芽孢、厚垣孢子等。2、偏利关系:一个微生物种群因另一种群的存在或生命活动而单方面获利3、协同关系:两个微生物种群之间相互受益并保持它们各自独立性的松散关系。4、互惠关系(共生关系)两种微生物形成了特殊的结构,紧
31、密地生活在一起,彼此依赖,相互为对方创造有利的生存条件。,5、寄生关系 一种微生物侵入另一种微生物体内吸取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6、捕食关系 大型微生物直接捕捉、吞食其他小型微生物来满足生存需要7、竞争关系 两个或多个群体共同依赖于同一生长基质或者环境因素,结果一方或两方的群体大小或生长率受到限制的现象。竞争结果强者生存,弱者淘汰。8、拮抗关系 一种微生物的群体产生某种物质使另一个微生物群体生长受到抑制而本身不受影响。,自然界的物质处于由无机物转化成有机物,再由有机物转化成无机物的往复循环之中。,无机物,有机物,光合作用,分解作用,生产者:从无机物合成有机物,
32、如植物、微生物消费者:利用有机物进行生活,如动物分解者:分解有机物成无机物,如微生物,第三节 微生物在生态系统中的作用,微生物在生态系统中的地位:,1、微生物是有机物的主要分解者;,分解生物圈内存在的动物和植物残体等复杂有机物质,并最后将其转化成最简单的无机物,再供初级生产者使用。,2、微生物是物质循环中的重要成员;,微生物参与所有的物质循环,大部分元素及其化合物都受到微生物的作用。,微生物也是由物质和能量维持的生命有机体。在土壤、水体中有大量的微生物生物量,贮存着大量的物质和能量。,5、微生物在地球生物演化中的作用;,微生物是最早出现的生物体,并进化成后来的动、植物。,4、微生物是物质和能量
33、的贮存者;,3、微生物是生态系统中的初级生产者;,光能营养和化能营养微生物可直接利用太阳能、无机物的化学能作为能量来源,其积累的能量又可以在食物链、食物网中流动。,大气中的CO2的蓄积化石燃料的燃烧;微生物对动植物残体的分解;陆地和海洋中动植物的呼吸作用;碳酸盐和珊湖礁的分解。大气中 CO2的利用 植物的光合作用;溶入水中转变为碳酸盐。,一、碳素循环,微生物在碳素循环中作用:1)将二氧化碳合成有机物;2)将含碳有机物分解为二氧化碳。,二、氮素循环,1、固氮作用 分子态氮被还原成氨和其他氮化物的过程称为固氮作用。生物固氮,即通过微生物的作用固氮,大气中以上的分子态氮都是经微生物的活动而固定成氮化
34、物。,2、氨化作用 微生物分解有机氮化物产生氨的过程称为氨化作用。氨化作用产生的氨,一部分供微生物和植物同化,一部分被转变成硝酸盐。,3、硝化作用 微生物将氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用,、反硝化作用 微生物还原硝酸盐,释放出分子态氮和的过程称为反硝化作用,参与这一作用的细菌称为反硝化作用细菌。,固氮作用 N2 NH3氨化作用:蛋白质 M分解 NH3硝化作用:NH3 亚硝化菌 NO2 硝化菌 NO3反硝化作用:NO3 反硝化细菌 NO2,NO,N2O,N2,三、磷素循环,微生物在P素循环中的作用:1)分解含P有机物释放出 PO43-2)同化磷酸盐为含P有机物 3)产生有机酸、HNO3、H2CO
35、3,溶解土壤中难溶性P为可溶性P,供植物吸收,四、硫素循环,第四节 微生物与环境保护,微生物与环境保护,关系极为密切,在环保工作中,利用微生物处理环境污染物和监测环境,已取得很大成就,今后还会被利用于更多方面。,一、微生物对有毒污染物的降解,对烃的降解能降解石油的微生物已报道的约有70余属200多种。土壤真菌和细菌以及海洋细菌,丝状真菌等都是石油的重要降解者,其中以灰绿青霉(Penicillium glaucum)、产朊假丝酵母(Candida utilis)等真菌,和假单胞菌属、诺卡氏菌属、分枝杆菌属中的一些种类,降解能力最强。由于石油是多种烃类的混合物,一般是由多种微生物共同作用而使其降解
36、。,微生物对烃类物质的分解,表面活性剂表面活性剂主要是合成脂肪酸衍生物、烷基磺酸盐、烷基苯磺酸盐、烷基硫酸盐等有机化合物。由于其组成分子具有亲水性和疏水性两重性质,故它们倾向于聚集在空气-水界面和水界面上,能降低表面张力,促进乳化作用。环境中表面活性剂的消失,几乎完全是微生物的作用。例如,新一代合成表面活性剂中使用得最广的烷基苯磺酸盐类,能被芽孢杆菌和恶臭假单胞菌降解:经过脱磺基和-氧化两步来降解此类化合物。,含苯化合物这类化合物耐酸、耐碱、耐腐蚀,具有稳定性、绝缘性、不燃性、耐热性等特点,而被作为绝缘油、载热体、软化剂、涂料、添加剂等广泛用于工业。因此,在其生产与使用过程中造成环境污染,可引
37、起人和动物中毒。能降解多氯联苯的微生物:腊状芽孢杆菌、邻单胞菌(Plesiomonas sp.)、产碱菌和不动杆菌、无色细菌;通过解脂假丝酵母、小球诺卡氏菌、红色诺卡菌和酿酒酵母等混合菌的共代谢,能使多氯联苯完全降解。,微生物对苯的分解,微生物对甲基环己烷的分解,氰和腈由于石油化工工业和人造纤维工业的发展,含有机腈化物(如丙烯腈)和无机氰成分的废水日益增多,它们均为剧毒物。能分解氰和腈化物的微生物:诺卡氏菌、腐皮镰孢霉、木霉、假单胞菌、无色杆菌和产碱菌等14个属,共计49个种。,农药农药是除草剂、杀虫剂、杀菌剂等化学药剂的总称。由于农药对粮食生产的重要,目前全世界农药的总产量已达200多万吨,
38、品种约有500余种,常用的也有100种。农药多是有机氯制剂、有机磷制剂和有机汞制剂。这些有毒化合物累积于自然环境中,对人和动物具有严重的危害。环境中有机农药的消失,主要是由于微生物的降解作用。并已从土壤、水体、污泥、污水中分离到能降解农药的细菌、放线菌、真菌等微生物。由此,可利用微生物降解有机污染物。,微生物对重金属的转化 自然界中存在多种重金属,其中以汞、砷、铅、镉、铬等的生物毒性最为显著。重金属对人类的毒害常与它的存在状态有密切关系。如有机汞和有机铅化合物引起的环境危害超过它们的无机化合物;六价铬比三价铬更具毒性。因此,研究重金属在自然环境中的转化,对防止重金属对环境的污染具有重要的意义。
39、微生物不能降解重金属,只能使它们发生形态间的相互转化及分散和富集过程。另外,微生物代谢活动的结果,形成大量各种产物,能对金属离子起增溶、沉淀、螯合等作用。,In situ approach for metal immobilisation in soil using designed bacteria1)sterile Cd polluted peat soil;2)incubated withR.Metallidurans CH34(抗重金属富养罗尔斯通氏菌);3)incubated with R.Metallidurans CH34 expressing mouse MT(细胞表面装载金属
40、硫蛋白的抗重金属富养罗尔斯通氏菌),Valls and de Lorenzo,2002,Nat.Biotechnol.,二、污水处理,污水处理的方法有:氧化塘法好氧法厌氧法,污水处理的氧化塘法,污水厌氧消化处理法,一级处理又称预处理,主要是通过滤筛网及沉淀等物理化学方法除去污水中的粘土、淤泥及其他碎屑等污染物。二级处理又称生物处理,主要是利用微生物的作用分解污水中的有机污染物。二级处理后的出水中含有氮、磷等无机盐类,当它们随水排入水体后,能促成水体富营养化,造成二次污染。三级处理主要是除去排放水中的无机盐类及其他悬浮污染物,常使用沉淀法去磷、利用微生物的反硝化作用脱氮,并且借繁殖藻类以去氮、磷,同时收获藻体。,微生物参与生物修复1、参与生物修复的微生物类型:(1)、土著微生物:(2)、外来微生物:(3)、基因工程菌:2、影响微生物修复的因素:(1)、微生物营养盐。(2)、电子受体:(3)、共代谢基质:(4)、污染现场和土壤的特性:(5)、有毒有害有机污染物的理化性质:,微生物与环境监测1、用大肠菌群作为粪便污染指示菌;2、致突变物的微生物检测:;3、发光细菌的检测;4、硝化细菌相对代谢率试验。,第8章思考题:1)试论微生物与水体富营养化作用,你认为对此类污染该如何进 行防治?2)试用一些典型例子说明微生物与生物环境之间的相互关系。3)微生物在生态系统中的地位怎样?,