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1、第九章 微生物生态学,山东教育学院生物科学与技术系微生物学课程组,2023/8/7,2,微生物与环境间有着极为密切的关系，微生物的生命活动依赖于环境，同时也影响着环境，研究微生物与环境之间的关系，了解它们在自然界的分布，可为人们开发微生物资源提供理论依据，以使人们利用微生物在自然界中的作用来改造自然，保护自然。微生物之间，微生物与其他生物之间，也存在着相互依存，相互制约的关系，研究它们之间的关系，使人类更好地利用微生物，为防治人和动植物疾病，为工农业生产服务。,2023/8/7,3,生态系统：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
2、位。生态学：研究生物与其周围生物和非生物环境之间相 互关系的一门科学。微生物生态学：研究微生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系。各种环境中的微生物的种类、分布；微生物和其它生物的关系；微生物与物质循环；微生物与环境保护,2023/8/7,4,第一节 微生物在自然界中的分布,微生物的特点：个体微小，代谢营养类型多样，适应能力强,微生物在自然界中分布广泛,一、土壤中的微生物(一)土壤是微生物的天然培养基 土壤是固体无机物(岩石和矿物质)、有机物、水、空气和生物组成的复合物，是微生物的合适生境。是微生物天然培养基。土壤微生物种类多、数量多、代谢潜力巨大，是自然界最丰富的微生物资源库。,2023/
3、8/7,5,1.营养丰富2.水分满足3.酸碱度,渗透压4.氧气5.温度,土壤微生物通过其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.,2023/8/7,6,1）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）微生物的数量也与于土层的深度有关，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。4）土壤中的微生物以细菌最多，其次位放线菌和霉菌。,(二)土壤中微生物分布特点,2023/8/7,7,二、水中的微生物,（一）淡水微生物,1.来源：土壤、
4、空气、污水或动植物尸体等。2.分布特点：1）数量和种类与接触的土壤有密切关系；2）垂直分带分布3）多是吸附在悬浮在水中的有机物上及水底；4）多能运动，有些具有很异常的形态（例如柄细菌）；5）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，因此不宜作为饮用水源；,2023/8/7,8,（二）海水微生物1）嗜盐，真正的海洋细菌在缺少氯化钠的情况下是不能生长的。2）低温生长，除了在热带海水表面外，在其它海水中发现的细菌多为嗜冷菌。3）大多数海洋细菌为G细菌，并具有运动能力。4）耐高压（特别是生活在深海的细菌）。5）更明显的垂直分层分布（透光区、无光区、深海区、超深渊海区）,2023/8
5、/7,9,三、空气中的微生物,1）无原生的微生物区系，主要以气溶胶形式存在；2）来源于土壤、水体及人类的生产、生活活动；3）种类主要为真菌和细菌，一般与其所在环境的微生物种类有关；4）数量取决于尘埃数量；5）停留时间和尘埃大小、空气流速、湿度、光照等因素有关；6）与人类的关系：传播动、植物疾病，造成食品及发酵生产中的污染,2023/8/7,10,四、工农业产品上的微生物,1微生物引起的工业产品的霉腐,大量工业制品都是用用动植物产品作原料来制造的 纤维制品、木制品、革制品、橡胶制品、油漆、卷烟、化妆品等 有些工业产品如塑料、建筑涂料等也有很多微生物可以分解、利用 光学仪器上的镜头，建筑泥浆、钢缆
6、、地下管道、金属材料等，各种电讯器材、文物、书画等也可被多种特殊微生物所破坏。,2023/8/7,11,2食品、农副产品上的微生物,不利方面：,由于微生物的生长繁殖而腐烂、变质，不能再食用或使用；病原微生物进入人体的重要途径，引起传染性疾病；很多微生物在食品、农产品上生长后会产生对人有害的毒素；肉毒毒素、黄曲霉素等,有利方面：利用特定的微生物制备风味食品，如酱制品、米酒、腌酸菜等；,2023/8/7,12,可采用多种方法防止微生物对食品等的破坏,2023/8/7,13,（五）极端环境下的微生物,1、嗜热微生物嗜热微生物是一类生活在高温环境中的微生物，如火山口及其周围区域、温泉、工厂高温废水排放
7、区等。,兼性嗜热菌,专性嗜热菌,极端嗜热菌,耐热菌,超嗜热菌,嗜热菌的类型：,2023/8/7,14,隐蔽热网菌（Pyrodictium occultum）,嗜酸热硫化叶菌（Sulfolobus acidocaldarius）,水生嗜热杆菌(Thermus aquaticus),2023/8/7,15,2、嗜冷微生物：嗜冷菌：最适生长温度低于15耐冷微生物：最适生长温度为20-40主要分布于极地、深海、高山、冰窖和冷藏库3、嗜酸微生物：只能上生活在低pH（4）的条件下耐酸微生物：也可在中性环境中生长最适生长温度低于154、嗜碱微生物：专性生活在pH10-11的碱性条件下5、嗜盐微生物：在高盐浓
8、度下才能生长6、嗜压微生物：在高静水压环境中生长7、抗辐射微生物：对辐射具有抗性或耐受性。,2023/8/7,16,研究意义：(1)开发利用新的微生物资源，包括特异性的基因资源；(2)为微生物生理、遗传和分类乃至生命科学及相关学科许多领域，如：功能基因组学、生物电子器材等的研究提供新的课题和材料；(3)为生物进化、生命起源的研究提供新的材料。,2023/8/7,17,(六）生物体内外的正常菌群1、人体的正常菌群 在正常人体皮肤、粘膜及外界相通的各种腔道（如口腔、鼻咽腔、肠道和泌尿道）等部位，存在着对人体无害的微生物群，包括细菌、真菌、螺旋体、支原体等。在长期进化过程中，微生物群的内部及其与宿主
9、之间互相依存、互相制约，形成一个能进行物质、能量等交流的动态平衡的微生态系统，常称之为正常菌群,2023/8/7,18,人体各部位常见的正常菌群皮肤：表皮葡萄球菌、类白喉杆菌、绿脓杆菌、耻垢杆菌等口腔：链球菌（甲型或乙型）、乳酸杆菌、螺旋体、梭形杆菌、白色念球菌、（真菌）表皮葡萄球菌、肺炎球菌、奈瑟氏球菌、类白喉杆菌等胃：正常一般无菌肠道：类杆菌、双歧杆菌、大肠杆菌、厌氧性链球菌、粪链球菌、葡萄球菌、白色念球菌、乳酸杆菌、变形杆菌、破伤风杆菌、产气荚膜杆菌等鼻咽腔：甲型链球菌、奈氏球菌、肺炎球菌、流感杆菌、乙型链球菌、葡萄球菌、绿脓杆菌、大肠杆菌、变形杆菌等眼结膜：皮表葡萄球菌、结膜干燥杆菌、
10、类白喉杆菌等阴道：乳酸杆菌、白色念球菌、类白喉杆菌、大肠杆菌等尿道：表皮葡萄球菌、类白喉杆菌、耻垢杆菌等,2023/8/7,19,眼睛:1g鼻腔:10g口腔:20g皮肤:200g肺:20g肠道:1000g生殖道:20 g 总量:1271g,正常人体微生物的数量,2023/8/7,20,正常菌群对人体的作用营养作用:正常菌群的营养来自宿主组织细胞的分泌液、脱落细胞，以及某些腔道中的食物碎屑和残渣等。菌群的代谢产物除供给细菌自身利用外，一部分可以被宿主吸收利用。例如，过去外科医生不太重视肠道正常菌群中的大肠埃希氏菌能合成B族维生素和维生素K的功能，所以在肠道手术后为避免发生感染，常用抗生素作预防性
11、治疗，结果是手术后感染是防止了，病人却出现了厌食和贫血等维生素B和K的缺乏症，因为大肠杆菌也被抗生素杀死了。所以现在遇到这类需施行肠道手术的患者，在给予广谱抗生素预防术后感染的同时，必须补充足量的微生素B和维生素K。,2023/8/7,21,免疫作用正常菌群的细胞中，有许多成分可以促进宿主免疫器官的发育成熟。有学者曾经做过实验，他们把刚孵化出来的小鸡分成两组，一组放在没有细菌的环境中生活，成为无菌鸡；另一组让它们正常生活，即带菌鸡。结果发现无菌鸡的小肠和回肓部的淋巴结都要比普通带菌鸡的少80%左右。如果将这些无菌鸡暴露在普通有菌的环境中饲养，使之建立正常菌群，则经2周后，它们的免疫器官的发育和
12、功能就可与普通鸡相近。此外，有些正常菌群的细胞组分与病原菌的相同，因此，它们能刺激宿主免疫系统产生像抗体一类的免疫物质，这些免疫物质也能对抗相应病原菌的侵袭。,2023/8/7,22,生物拮抗作用将活的鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typymuriumi）喂给小鼠，如果要使小鼠发病死亡，需要10万个细菌；如果先给小鼠口服链霉素，把小鼠肠道中的正常菌群都杀死，则只要10个活菌就可置试验鼠于死地。两者菌量竟相差1万倍，表明正常菌群有拮抗病原菌作用。这种现象在人类中也可以见到，例如大肠埃希氏菌、变形杆菌、肠球菌等正常菌，可以抵抗引起痢疾和伤寒的志贺菌和伤寒沙门菌等病原菌。我们把这种现象称为生
13、物拮抗。,2023/8/7,23,生物拮抗的方式有多种。乳杆菌、大肠埃希氏菌等能产生细菌素，可以抑制一些肠道病原菌的生长；某些真菌、放线菌能产生抗生素，抑制或杀死不同种的敏感病原菌；口腔中的血链球菌、阴道的乳杆菌能产生具有杀伤作用的过氧化氢；肠道正常菌群中，99%以上是厌氧菌，它们依靠其数量上的绝对优势，在营养竞争方面压倒处于劣势的需用氧性病原菌。还有一种方式称为占位性保护。现在已经知道，病原菌侵入宿主机体后，首先要以其特殊结构（配体）和机体的粘膜上皮细胞表面的特异性受体相结合。也就是说，病原菌和宿主细胞粘附在一起是引起感染的第一步。如果这些细胞受体早已被正常菌群的配体结合而“占位”，那么后来
14、的病原菌就无“位”可结合，当然不可能形成感染了。,2023/8/7,24,抗衰老作用现在一般认为，衰老是由于体内积累了过多的有毒的化学物质自由基。双歧杆菌、乳杆菌、肠球菌等肠道正常菌群产生的超氧化物歧化酶（SOD），可以催化宿主体内自由基的歧化反应，消除自由基毒性，保护细胞免受活性氧的损伤，因此具有一定的抗衰老作用。其它作用肠道正常菌群有一定的抗肿瘤作用。其原因是这些正常菌群能产生多种酶，降解肠道内致癌物或可以转变成致癌物的物质成为无害物质；它们还可以激发免疫功能，调动处于待命状态的巨噬细胞等人体卫士围歼病原菌。,2023/8/7,25,条件致病菌 人体的正常微生物菌群一旦进入非正常聚居部位，
15、或生态结构发生改变而引起人类疾病的微生物。在一定条件下，正常菌群中的细菌也能使人患病：（1）由于机体的防卫功能减弱,引起自身感染。例如皮肤粘膜受伤（特别是大面积烧伤）、身体受凉、过度疲劳、长期消耗性疾病等，可导致正常菌群的自身感染；（2）由于正常菌群寄居部位的改变，发生了定位转移，也可引起疾病。例如大肠杆菌进入腹腔或泌尿道，可引起腹膜炎、泌尿道感染。人体表面的正常菌群，一旦它们进入伤口也会引起感染。,2023/8/7,26,菌群失调 在正常情况下，人体和正常菌群之间以及正常菌群中各细菌之间，保持一定的生态平衡。如果生态平衡失调，以至机体某一部位的正常菌群中各细菌的比例关系发生数量和质量上的变化
16、，称为菌群失调。菌群失调的常见诱因：主要是使用抗生素、同位素、激素、患有慢性消耗性疾病时肠道、呼吸道、泌尿生殖道的功能失常也是重要原因。去除诱因后一般可使菌群复常，也有长期失调难于逆转的情况。,2023/8/7,27,常见的菌群失调症有：（1）耐药性葡萄球菌繁殖成优势菌而发生腹泻，偶尔发生致死性葡萄球菌脓毒血症；（2）变形杆菌和假单胞菌生长旺盛并侵入组织发生肾炎或膀胱炎；（3）白色念珠菌大量繁殖，引起肠道、肛门或阴道感染，也可发展成全身感染；（4）艰难梭菌在结肠内大量繁殖，并产生一种肠毒素及细菌毒素，导致假膜性肠炎。可以通过口服某些活的微生物制剂来治疗由于正常菌群失调而导致的腹泻，例如，含蜡状
17、芽孢杆菌（B cereus）的“促菌生”，含地衣芽孢杆菌的“整肠生”等，它们都是通过芽孢杆菌的生长，为肠道重新创造良好的厌氧环境，促使肠道内正常的厌氧菌的生长繁殖，这类活微生物制剂又称微生态制剂。微生态制剂一般用于恢复肠道内的正常生态环境，若肠道功能正常，一般不需要服用。,2023/8/7,28,2、无菌动物和悉生生物无菌动物：是指不能检出任何活的微生物和寄生虫的动物悉生生物：指整个个体不携带或只携带已知微生物的生物,2023/8/7,29,3、根际微生物和附生微生物根际微生物：生活在植物根系周围土壤中的微生物，为正常菌群，多为G-细菌附生微生物：生活在植物地上部分表面的微生物,2023/8/
18、7,30,第二节 微生物与生物环境之间的关系,在自然界中，各种微生物极少单独存在，总是较多地聚在一起，也常常与其他生物出现在一个限定的空间内，它们之间可能发生相互作用，并由此构成微生物以及微生物与其他生物间非常复杂而多样化的关系。一、互生定义：两种生物可以独立生活。也可以形成相互的联合，对一方有利，或双方都有利。,2023/8/7,31,（一）微生物间的互生关系 固氮菌和纤维素分解菌，两者互生关系较为典型，固氮菌可利用纤维素分解菌产生的有机酸作为碳源和能源而大量繁殖，并进行固氮；使纤维素分解菌也避免因为自身代谢产物积累过多而中毒；同时可利用固氮菌前提的氮素营养物质，生长更加旺盛。增强了分解纤维
19、素的能力。由于它们的互生关系，提高了土壤的肥力。,2023/8/7,32,（二）微生物与人及动物间的互生关系 人及动物与其正常菌群即是互生关系。在人体肠道中，正常菌群可以完成多种代谢反应，对人体生长发育有重要意义，而人体的肠道则为微生物提供了良好的生态环境。（三）微生物与高等植物之间的互生关系 根际微生物与高等植物间也为互生关系。植物根在生长过程中，向周围土壤中分泌各种有机物质，并有些脱落物，都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。,2023/8/7,33,二、共生定义：两种微生物紧密地生活在一起，彼此依赖，相互为对方创造有利的生存条件。
20、特点：在生理上相互分工，互换代谢活动的产物；在组织上形成了新的结构，一旦彼此分离，各自就不能很好地生活。,2023/8/7,34,（一）微生物间的共生典型的例子是地衣。地衣组成：真菌（子囊菌，担子菌）、单细胞藻类（绿藻，蓝藻）。地衣的结构：形成有固定形态的叶状结构，真菌无规则地缠绕藻类细胞，或二者组成一定的层次排列。地衣的代谢：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，真菌营异养生活，藻类制造养料，真菌提供水分、无机盐供藻类光合作用。,2023/8/7,35,叶状地衣（南极石耳）,壳状地衣（南极中国长城站海边崖岩上的地衣群落）,壳状地衣（南极丽石黄衣，红色和赤星衣，米黄色）,
21、壳状地衣（南极的瘿茶渍衣）,2023/8/7,36,（二）微生物与植物间的共生体1、根瘤：豆科植物与固氮菌共生、非豆科植物与放线 菌共生。根瘤菌固定大气中的氮气，为植物提供氮素养料，而豆科植物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。,2023/8/7,37,2、菌根菌和植物 菌根：有些真菌能够在一些植物的根上发育，菌丝体着生根的表面或侵入根内，形成两种生物的共生体菌根。能够与植物共生形成菌根的真菌，称为菌根菌。菌根菌包括藻状菌，子囊菌和半知菌。以担子菌为最多。能与真菌共生的植物有种。例如兰科植物的种子若无菌根菌的共生就无法发育，杜鹃科植物的幼苗若无菌根菌的共生就
22、不能存活。,2023/8/7,38,菌根作用：帮助植物吸收水分和养料；调节植物代谢；增强植物抗病能力菌根的种类：（1）外生菌根：主要分布于木本的乔、灌木；可形成菌套；或哈蒂氏网（2）内生菌根：菌丝体存在于根皮层薄壁细胞之间，并且进入细胞内部，而在根系较少，因此具内生菌根的植物，一般都保留着根毛。最常见和最重要的是泡囊-丛枝状菌根,2023/8/7,39,（三）微生物与动物共生 1、微生物与昆虫的共生：外共生：例如白蚁与其肠道内的微生物之间的共生食木质的白蚁自身并不能分解纤维素，必须依赖肠道内共生的原生动物和细菌通过厌氧发酵过程来分解纤维素。,内共生：昆虫与其细胞内的共生性细菌这些细胞内的共生性
23、细菌能为宿主提供B族维生素，使昆虫能以缺乏维生素的植物为生。,2023/8/7,40,2、瘤胃微生物 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。反刍动物有四个胃，前两个胃叫瘤胃和网胃，后两个胃叫瓣胃和皱胃，瘤胃和网胃是草料暂时贮存，分解，加工的场所，5.86.8之间，适宜微生物生长，有大量的纤维素、淀粉、脂肪分解菌。当草料到达瘤胃和网胃时，首先是纤维素菌将纤维素分解为纤维二糖、葡萄糖被其他微生物吸收利用转化，产生乳酸，丁酸、脂肪酸等有机酸和；等气体，前两个胃没有消化完的草料进入后两胃，由其分泌蛋白酶消化分解产生氨基酸
24、、维生素等。被动物体吸收利用。,2023/8/7,41,三、寄生定义：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。类型：专性寄生（寄生物离开寄主不能生活）兼性寄生（寄生物可离开寄主营腐生生活）或细胞内寄生、细胞外寄生,2023/8/7,42,（一）微生物间的寄生关系1、噬菌细菌：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-菌体内。2、真菌间：一种真菌寄生在另一种真菌间较普遍，其方式：（1）寄生物先分泌毒素，引起寄主活力衰退，然后再缠绕致死（2）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，由接触
25、部位侵入寄主菌丝内，吸收营养使之死亡。（3）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。,2023/8/7,43,寄生型的放线菌照片,真菌寄生于其它真菌中的照片,A.木霉寄生于马铃薯丝核菌的菌丝内B.盘菌寄生于毛霉菌丝上,2023/8/7,44,（二）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。,2023/8/7,45,1、植物病害中以真菌病害为主，占担子菌
26、纲病原菌能引起小麦铁锈病，和黑穗病。半知菌类可引起棉花炭疽病，立枯病，黄萎病，水稻稻瘟病等。藻菌纲可引起马铃薯与蕃茄晚疫病。子囊菌纲可引起大麦和苹果白粉病等。2、菌性植物病害占。大多为无芽孢，具鞭毛菌。如假单胞杆菌属，黄杆菌属，土壤杆菌属，棒杆菌属和欧文氏菌属等，这些病原菌主要从植物气孔等自然孔口和伤口侵入植物体内，寄生在组织细胞间或导管中，引起传染病害。,2023/8/7,46,（三）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，这些微生物称为动物病原微生物。常见的畜禽传染病有炭疽病，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
27、有害在动物体内，则对人类是有益的，可以加以利用。如微生物寄生在有害昆虫体内，引起害虫致病死亡，对农产品发展是有利的，昆虫病原菌包括细菌真菌病毒等几类。目前利用微生物消灭农业害虫已成为微生物防治的一个重要方面。现被人们利用的微生物有苏云金杆菌等细菌、白僵菌等真菌及昆虫病毒等。,2023/8/7,47,2023/8/7,48,四、拮抗定义：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。类型：1、非特异拮抗关系如乳酸菌能产生乳酸，能抑制腐败菌的生长，酸菜泡菜不易烂就因如此。这种抑制作用没有特定专一性，对不耐酸的菌都有抑制作用。2、特
28、异拮抗关系一种微生物在生命活动中，能产生某种或某类特殊代谢产物，具有选择性地抑制或杀死其它种微生物前种菌称为抗生菌，后者称为敏感菌，拮抗性物质称抗生素。如青霉素产生与病原菌之间关系。,2023/8/7,49,五、捕食定义：一种大型的生物直接捕捉、吞食其他小型生物来满足生存需要的现象。类型：1、原生动物：捕食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。2、捕食性真菌：捕食线虫。,2023/8/7,50,第三节 微生物与自然界物质循环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，如植物、微生
29、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,2023/8/7,51,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；,微生物最大的价值也在于其分解功能。它们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。在一些物质的循环中，微生物是主要的成员，起主要作用；而一些过程只有微生物才能进行，起独特作用；而有的是循环中的关键过程，起关键作用。,2023/8/7,52,3、微生物是生态系统中的初级生产者；,光能
30、营养和化能营养微生物是生态系统的初级生产者，它们具有初级生产者所具有的二个明显特征，即可直接利用太阳能、无机物的化学能作为能量来源，另一方面其积累下来的能量又可以在食物链、食物网中流动。,4、微生物是物质和能量的贮存者；,微生物和动物、植物一样也是由物质组成和由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。藻类的产氧作用，改变大气圈中的化学组成，为后来动、植物出现打下基础。,2023/8/7,53,一、微生物在碳素循环中的作用,微生物在碳素循环中具有非常重要的作用，它们既
31、参与固定CO光合作用，又参与再生CO的分解作用。1、光合作用：参与光合作用的微生物主要是藻类，蓝细菌和光合细菌，它们通过光合作用，将大气中和水体中的合成为有机碳化物。特别是在大多数水生环境中，主要的光合生物是微生物，在有氧区域以蓝细菌和藻类占优势；而在无氧区域则以光合细菌占优势。2、分解作用：自然界有机碳化物的分解，主要是微生物的作用。陆地和水域在有氧条件中，通过好氧微生物分解被彻底氧化为CO；无氧条件通过厌氧微生物发酵被不完全氧化成有机酸、甲烷、氢和CO。能分解有机碳化物的微生物很多，主要有细菌、真菌和放线菌。,2023/8/7,54,碳素循环包括CO的固定:绿色植物和微生物通过光合作用固定
32、自然界中的CO，合成有机物碳化物。,CO的再生:动物、植物和微生物进行呼吸作用获得能量，同时放了CO。动、植物和微生物尸体等有机碳化物被微生物分解时，产生大量CO,2023/8/7,55,参照图P213图9-3,2023/8/7,56,二、微生物在氮素循环中的作用,氮素是构成生物体的另一种必需元素，自然界中的氮素循环包括许多转化作用。空气中的氮气被固氮微生物及植物与微生物的共生体固定成氨态氮，经过硝化微生物的作用转化成硝态氮，后者被植物或微生物同化成有机氮化物。动物食用含氮的植物，又转变成动物体内的蛋白质。动物、植物、微生物的尸体及排泄物被微生物分解后，又以氨的形式释放出来，这种过程叫做氨化作
33、用。由硝化菌产生的硝酸盐在无氧条件下被一些微生物还原成为氮气，重新回到大气中，开始新的氮素循环。,2023/8/7,57,大气体积中约有是分子态氮，但所有植物、动物和大多数微生物都不能直接利用。初级生产者植物体需要的氨盐、硝酸盐等无机氮化物、在自然界为数不多，常常限制了植物体发展，只有将分子氮进行转化和循环，才能满足植物体对氮素营养的需要。因此氮素物质的相互转化和不断地循环，在自然界十分重要。微生物在氮素循环中的几种作用归纳为：固氮作用、硝化作用、同化作用、氨化作用和反硝化作用。,2023/8/7,58,1、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。自然界氮的固定，有两种方式，
34、一是非生物固氮，即通过闪电高温放电等固氮，这样形成的氮化物很少；二是生物固氮，即通过微生物的作用固氮，大气中以上的分子态氮都是微生物的活性而固定成氮化物。,2023/8/7,59,2、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。很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮衍生物，氨化作用产生的氨，一部分供微生物，植物同化，一部分被转变成硝酸盐。,2023/8/7,60,、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。,3、硝化作用微生物将氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用；整个过程由两类细菌分两个阶段进行。第一阶段是被氧化为亚硝酸
35、盐，靠亚硝酸细菌完成，第二阶段是亚硝酸盐被氧化为硝酸盐，靠硝酸盐细菌完成。硝化作用形成的硝酸盐，在有氧环境中，被植物微生物同化，但缺氧环境中，则被还原成分子态氮，从环境中消失。,2023/8/7,61,参照P213图9-4,2023/8/7,62,三、微生物在硫素循环中的作用 在自然界，硫素以元素，硫酸盐和有机态硫的形式存在，而植物一般只能以无机盐类作为养料。因此，S素各种形式的循环转化，对植物营养非常重要.微生物在硫素循环中的作用：硫酸盐还原，脱硫作用，硫氧化作用，同化作用，异化性硫酸盐还原。微生物参与素循环的全过程，并起很重要作用。,2023/8/7,63,有机硫化物,硫酸盐,元素,分解作
36、用,分解作用,同化作用,同化作用,无机硫的氧化作用,无机硫的氧化作用,无机硫的还原作用,1、分解作用：动、植物和微生物尸体中的有机硫化物，被微生物降解成无机物（硫酸盐、等）的过程称为分解作用。2、同化作用微生物利用硫酸盐和，组成本身细胞物质的过程称为同化作用，细菌、放线菌、真菌中都有能利用硫酸盐作为硫源的种类。仅少数微生物同化。,2023/8/7,64,3、无机硫的氧化作用 无机硫的氧化作用是微生物氧化硫化氢、元素或e等生成硫酸盐的过程。主要是硫细菌。4、无机硫的还原作用无机硫化物的还原作用是在厌氧条件下微生物将硫酸盐还原成的过程。参与此过程的微生物是硫酸盐还原细菌。（脱硫弧菌属、脱硫肠状菌属
37、）,有机硫化物,硫酸盐,元素,分解作用,分解作用,同化作用,同化作用,无机硫的氧化作用,无机硫的氧化作用,无机硫的还原作用,2023/8/7,65,参照P215图9-5,2023/8/7,66,四、微生物在磷素循环中的作用磷素循环主要包括无机磷的溶解、无机磷的同化、有机磷的矿化。,2023/8/7,67,第四节 微生物与环境保护 生物圈内的各种物质，都是处于不断地合成，分解和转化的动态平衡状态之中。由此组成一个自我调节，自我维持的一个协调整体，从而保证了地球上生命的延续。当人们违背了自然界的生态平衡规律，将粪便垃圾，污水等生活废弃物和工业生产所形成的“三废”及农业生产中的使用的农药残留物等，大
38、量排入环境中，这些物质超过了生态系统的自净能力，打破坏了自然界正常的生态平衡，其结果造成环境污染。环境污染不仅危及国民经济，而且对人类健康有严重危胁，甚至影响到子孙后代的繁衍昌盛。因此保护环境已成为人们日益关心的重大问题。环境保护除保护自然环境外，就是防治污染和其他公害等。微生物不但可以处理污染物，还可用于环境检测，所以微生物在环境保护方面起重要作用。,2023/8/7,68,水资源污染日益严重,2023/8/7,69,富营养化；水体中氮、磷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。,2023/8/7,70,水华：淡水水体中的富营养化,2023/8/7,71,赤潮：咸水水体中的富
39、营养化,2023/8/7,72,2023/8/7,73,一、微生物与污水处理,生物法,化学法,物理法,主要方法,投资大、成本高、易造成二次污染。,效率高、费用低、简单方便。,污水处理分级,一级处理：（预处理）目的：通过格栅等过滤器去除固体物、油脂、泥沙、中和pH值。,二级处理：利用微生物的代谢活动去除污水中可溶性有机物，经过一级处理的污水可以排入生物反应池中，其中的污染物经过微生物的氧化产生CO2、H2O和生物量。,三级处理：除去微生物无法降解的污染物和无机营养物。如含氮和含磷的无机盐及生物量。如果二级处理的污水直接排入水体，则会产生富营养化。,2023/8/7,74,（一）好氧微生物处理,1
40、.活性污泥法,活性污泥都是由各种微生物、有机物和无机物胶体、悬浮物构成的结构复杂的肉眼可见的绒絮状微生物共生体。这样的共生体有很强的吸附能力和降解能力，可以吸附和降解很多的污染物，可以达到处理和净化污水的目的。,2023/8/7,75,2023/8/7,76,2023/8/7,77,曝气池,2023/8/7,78,2.生物膜法,生物膜（Biofilm）是通过附着而固定于特定载体上的结构复杂的微生物共生体。相对于活性污泥来说，在单位体积生物膜中所含的微生物数量更高、比表面积更大。生物膜比活性污泥具有更强的吸附能力和降解能力，可以吸附和降解污水中的各种污染物，具有速度快、效率高的特点。在使用生物膜
41、法处理污水时，要求在处理系统的构筑物中装填一定数量的填料，这些填料一方面可以扩大处理系统的比表面积，另一方面为微生物提供附着固定的载体。生物膜处理系统的性能、效率取决于其中微生物活性的高低和所装填料的多少及其比表面积。一般来说，生物膜法较多应用于特殊行业的废水处理中，如印染废水等。,2023/8/7,79,生物转盘法：所用机械设备简单并节省人力，不存在污泥回流、污泥膨胀等问题，卫生条件好。此法处理含丙烯腈废水、含酚废水、啤酒厂废水和医院污水等效果好。,根据介质与水的接触方式不同，生物膜法分为生物转盘法、塔式生物滤池法。,塔式生物滤池法：占地面积小，易设计、造价低、通风效果好。由于生物膜与污水接
42、触时间较普通生物滤池长，另外塔内不同高度存在不同的生物相，有利于各类微生物和微型动物充分发挥作用，塔式生物滤池法污水处理效果要好于生物转盘法。,2023/8/7,80,3.氧化塘,是利用自然生态系统净化污水的一处大面积、敝开式的污水处理池塘。氧化塘是利用细菌和藻类的共生关系来分解有机污染物的一种废水处理法。细菌利用藻类光合作用产生的氧和空气溶解在水中的溶解氧氧化分解塘内的有机污染物；藻类利用细菌氧化分解产生的无机物和小分子有机物作为营养源繁殖自身。如此不断循环，使有机物逐渐减少，污水得以净化。过多的细菌和藻体易被微型动物捕食。此外，流入污水中沉淀下来的固体及衰亡的细胞沉入塘底，这些有机物被兼性
43、厌氧菌分解产生有机酸、醇等简单有机物，其中一部分被上层好氧菌或兼性厌氧菌继续分解，另一部分波污泥中的产甲烷细菌分解成 CH 4。只要上述各个环节保持良好的平衡，氧化塘这个生态系统就能相对稳定，污水得以不断净化。效果好的氧化塘，能使污水中 BOD 去除率达到 80 一 95，磷减少 90，氮去除率 80 以上。由于供氧量低，处理同量污水同暖气池、生物转盘相比，氧化塘需面积大、时间长，但氧化塘构筑简单，投资少，操作容易。此法适宜处理生活污水以及、制革、造纸、石油化工、乙烯、焦化和农药等部门的工业废水，还可养藻、养鱼、养鸭、鹅等。,2023/8/7,81,（二）厌氧生物处理,厌氧生物处理是在缺氧条件
44、下，利用厌氧性微生物(包括兼性厌氧微生物)分解污水中有机污染物的方法。因为发酵产物产生甲烷，又称甲烷发酵。此法既能消除环境污染，又能开发生物能源，所以倍受人们重视。污水厌氧发酵是一个极为复杂的生态系统，它涉及多种交替作用的菌群，各要求不同的基质和条件，形成复杂的生态体系，甲烷发酸包括 3 个阶段：1 液化阶段 由厌氧或兼性厌氧的细菌将复杂有机物如纤维素、蛋白质、脂肪等分解为有机酸、醇等。2 产氢产乙酸阶段 由产氢产乙酸细菌群利用液化阶段产生的各种脂肪酸、醇等进一步转化为乙酸、H 2 和 CO 2。,2023/8/7,82,3 产甲烷阶段 产甲烷菌利用乙酸、甲酸、甲醇、CO 2、H 2 等、形成
45、甲烷。产甲烷菌属于古细菌，严格厌氧，主要包括甲烷杆菌属、甲烷八叠球菌属和甲烷球菌属等。产甲烷菌是严格厌氧菌，故污水的厌氧处理必须在厌氧消化池中进行。发酵后的污水和污泥分别从池的上部和底部排出，所产生的沼气则由顶部排出，可作为能源加以利用。发酵池中也可产生如 H 2 S、CO 等一些有毒的气体，故不能冒然进入。此法主要用于处理农业和生活废弃物或污水厂的剩余污泥，也可用工业废水处理。,2023/8/7,83,（三）氮、磷去除技术,氮磷是造成水体富营养化的主要元素。1.氮去除：废水中的氮化物在厌氧池和好氧池中发生氨化作用，在好氧池中发生硝化作用。回流混合液把大量硝酸盐带回厌氧池进行反硝化作用，氨化物
46、被转化成N2O和N2，从而挥发到空气中，达到脱氮的目的。2.磷去除：细菌在厌氧条件下吸收低分子的有机物，同时将细胞原生质中聚合磷酸盐异染颗粒中的磷释放。在好氧条件下，所吸收的有机物被氧化并提供能量，同时从废水中吸收超过其生长所需的磷，并以聚磷酸盐的形式贮存起来，通过排放污泥达到去磷的目的。,2023/8/7,84,二、微生物对污染物的降解与转化,由于微生物代谢类型多样，所以自然界所有的有机物几乎都能被微生物降解与转化。随着工业发展，许多人工合成的新的化合物，掺入到自然环境中，引起环境污染。微生物以其个体小、繁侠、适应性强、易变异等特点，可随环境变化，产生新的自发突变株，也可能通过形成诱导酶、生
47、新的酶系，具备新的代谢功能以适应新的环境，从而降解和转化那些“陌生”的化合物。大事实证明微生物有着降解、转化物质的巨大潜力。,2023/8/7,85,（一)环境中的主要污染物 所谓污染物，是指人类在生产生活中，排人大气、水体或土壤内的能引起环境污染，并对人环境有不利影响的物质的总称。这些物质主要有农药、污泥、烃类、合成聚合物、重金属、放射性核素等。总体可归为无毒和有毒污染物 2 大类，前者如纤维素、淀粉等有机物和酸、碱等无机物，后者如苯酚、多氯联苯等有机毒物和氰化物、各种重金属等无机毒物。污染物对人类的危害是极其复杂的，有些污染物在短期内通过空气、水、食物链等多种媒介侵入人体，造成急性危。也有
48、些污染物通过小剂量持续不断地侵人人体，经过相当长时间，才显露出对人体的慢性危害或远期危害，甚至影响到子孙后代的健康。,2023/8/7,86,严重污染的水会通过食物链的生物放大作用危害人类健康,2023/8/7,87,（二)微生物对农药等有毒污染物的降解 我国每年使用 50 多万吨农药，利用率只“10。绝大部分残留在土壤中，有的被土壤吸附，有的经空气、江河传播扩散，引起大范围污染。目前的农药多是有机氯、有机磷、有机氮、有机硫农药，其中有机氯农药危害性最大。这些有毒化合物在自然界存留时间长、对人畜危害严重。实验证明，环境中农药的清除主要靠细菌、放线菌、真菌等微生物的作用，微生物降解农药的方式有
49、2 种，一种是以农药作为唯一碳源和能源，或作为唯一的氮源物质，此类农药能很快被微生物降解，如氟乐灵，这是一种新型除草剂，它可作为曲霉属的唯一碳源，所以很易被分解；另一种是通过共代谢作用，共代谢是指一些很难降解的有机物，虽不能作为微生物唯一碳源或能源被降解，但可通过微生物利用其他有机物作为碳源或能源的同时被降解的现象，如直肠梭菌降解 666 时需要有蛋白胨之类物质提供能量才能降解。微生物降解农药主要是通过脱卤作用、脱烃作用，对酰胺及脂的水解、氧化作用、还原作用及环裂解、缩合等方式把农药分子的一些化学基本结构改变而达到的。,2023/8/7,88,（三）微生物对重金属的转化 环境污染中所说的重金属
50、一般指汞、锅、铬、铅、砷、银、硒、锡等。微生物特别是细菌、真菌在重金属的生物转化中起重要作用。微生物可以改变重金属在环境中的存在状态，会使化学物毒性增强，引起严重环境问题，还可以浓缩重金属，并通过食物链积累。另一方面微生物直接和间接的作用也可以去除环境中的重金属，有助于改善环境。汞所造成的环境污染最早受到关注。汞的微生物转化包括三个方面无机汞的甲基化；有机汞还原成汞；甲基汞和其他有机汞化合物裂解并还原成汞。包括梭茵、脉胞菌、假单胞菌等和许多真菌在内的微生物具有甲基化汞的能力。能使无机汞和有机汞转化为单质汞的微生物也被称为抗汞微生物，包括铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、大肠埃希氏菌等。微生物的抗汞
