模块四微生物的生态4学时.ppt

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1、模块四 微生物的生态（4学时）,项目一 微生物在自然界中的分布（2学时）项目二 微生物在物质循环中的作用（2学时）,项目一 微生物在自然界中的分布,一、微生物生态系统的特点二、微生物在环境中的分布三、微生物间的相互关系,学习目标,知识目标 了解微生物生态学的基本知识以及在自然环境的分布规律 掌握微生物与生物环境间的相互关系能力目标 使学生对微生物的生态系统有进一步的认识，能利用微生物之间的相互关系进行生产。,一、微生物生态系统的特点,（一）微生物生态系统的概念（二）微生物在生态系统的作用（三）微生物生态系统的特点,（一）微生物生态系统的概念,生物圈：地球上有生命活动的范围，是地球上全部生活有机

2、体与其环境相互作用的统一整体，是所有生态系统的总和生态系统：生物群落与其生存环境组成的整体系统微生物生态系统：许多不同的微生物群落与周围的生物及非生物共同构成的整体系统微生物群落：许多不同种的微生物种群生活在一起构成的群落微生物种群：指具有相似性和生活在一定空间内的同种微生物个体群,一、微生物生态系统的特点,（一）微生物生态系统的概念（二）微生物在生态系统的作用（三）微生物生态系统的特点,（二）微生物在生态系统的作用,微生物是有机物质的主要分解者微生物是物质循环中的重要成员微生物是生态系统中的初级生产者微生物是物质和能量的贮存者微生物是地球上生物演化中的先锋种类,一、微生物生态系统的特点,（一

3、）微生物生态系统的概念（二）微生物在生态系统的作用（三）微生物生态系统的特点,（三）微生物生态系统的特点,微环境性：是指紧密围绕微生物细胞的环境稳定性：微生物的微环境中微生物种群种类多样、组成稳定的特性适应性：微生物的微环境发生剧烈变化时，微生物群落的结构会发生相应变化的特性,二、微生物在环境中的分布,（一）微生物在土壤中的分布（二）微生物在水体中的分布（三）微生物在空气中的分布（四）微生物在食品上的分布（五）极端环境中的微生物,（一）微生物在土壤中的分布,土壤是微生物良好的生活环境：土壤中含有大量的有机物和矿物质；土壤中含有一定的水分；土壤中具有孔隙性；土壤具有保温性；土壤的pH值接近中性，

4、缓冲性较强土壤的自净作用：污水、污物进入土壤后，可被土壤吸附和过滤，接着被微生物及其他生物降解，使土壤逐渐恢复到原来状态,表面土壤层,淋溶层,淀积层,疏松母质,耕作土壤层,1、土壤中微生物的垂直分布,表面土壤层：微生物数量少；因为这里缺水，受紫外线照射微生物易死亡1030cm耕作层：微生物数量最多，种类多样；若是植物根系附近，微生物数量更多30cm以下土壤层：微生物数量随土层深度增加而减少，至lm深处减少约20倍，至2m深处，因缺乏营养和氧气每克土中仅有几个,2、土壤微生物的种类,种类：以细菌为最多（106-109/g土），放线菌（105-108/g土）和真菌（103-105/g土）次之，藻类

5、和原生动物较少土壤习居微生物：以G-的无芽胞杆菌和放线菌为主；它们以土壤腐殖质为营养，生长慢、数量较稳定、作用持久土壤暂居微生物：以芽胞杆菌、青霉、曲霉、镰刀菌和毛霉等为主；它们以动植物的分泌物、排泄物和残体为营养，一旦离开生物残体后不能生活较长时间,典型花园土壤不同深度每克土壤的微生物菌落数/CFU,3、根圈效应,根圈(rhizosphere)：也称根际，指植物根系表面至其外围几毫米的土壤区域，是植物根系直接影响的土壤范围根圈效应：同根圈外的微生物群落相比，根圈中的微生物在数量、种类和活性上表现出一定特异性根土比（RS）：即根际微生物数量与非根际土壤微生物数量的比值；R/S值一般为520，有

6、时可高达100以上,二、微生物在环境中的分布,（一）微生物在土壤中的分布（二）微生物在水体中的分布（三）微生物在空气中的分布（四）微生物在食品上的分布（五）极端环境中的微生物,（二）微生物在水体中的分布,淡水生境：以土著性的光能或化能自养微生物为主；江、河微生物种群受流经区域的影响；水体较深的湖泊微生物有明显的垂直分布带海水生境：特点是耐盐（2-4%）、耐低温和耐压；以藻类、G-需氧性或兼性厌氧细菌为主水体的自净作用：污染物进入水体后，可被水体吸附和沉降，接着被微生物及其他生物降解，使水体逐渐恢复到原来状态,二、微生物在环境中的分布,（一）微生物在土壤中的分布（二）微生物在水体中的分布（三）微

7、生物在空气中的分布（四）微生物在食品上的分布（五）极端环境中的微生物,（三）微生物在空气中的分布,大气圈微生物：大气圈含有微生物，但因营养物质和水分的缺乏、紫外线辐射等影响并非微生物生长繁育的良好场所；多数以孢子和休眠体形态吸附在尘埃上，通过气流进行传播分布：空气中微生物的数量与温湿度、尘埃颗粒数等有关系；越接近地面的空气含菌量越高种类：以球菌、芽孢杆菌、产色素细菌、真菌孢子为主,不同地点大气中的微生物数量,二、微生物在环境中的分布,（一）微生物在土壤中的分布（二）微生物在水体中的分布（三）微生物在空气中的分布（四）微生物在食品上的分布（五）极端环境中的微生物,（四）微生物在食品上的分布,食品

8、中的微生物：食品含有丰富的营养物质，通常在食品原料生长、采收、运输、加工和包装等过程中被微生物附生或污染一旦水分、温度、通气等环境条件适宜，霉菌和细菌等就会迅速繁殖起来,1、微生物对食品的影响,引起食物腐败：降低风味产生有毒物质：误食后引起食物中毒如肉毒毒素；有些毒素甚至能致癌如黄曲霉素少数对人类有益：可被用于食品加工，如豆腐乳、酸奶等,2、食品常见的污染微生物,粮食：最常见的有曲霉、青霉、假单胞菌和黄单胞菌等肉类：芽胞杆菌、梭菌、无芽胞杆菌、球菌、曲霉、毛霉和青霉等鱼类：微球菌、变形杆菌、黄杆菌、副溶血弧菌等乳制品：荧光假单胞菌、变形杆菌、大肠杆菌、粪链球菌、青霉、酵母菌等,一、微生物在环境

9、中的分布,（一）微生物在土壤中的分布（二）微生物在水体中的分布（三）微生物在空气中的分布（四）微生物在食品上的分布（五）极端环境中的微生物,（五）极端环境中的微生物,极端微生物：是指能在一般生物不能生存的高温、高压、高盐、强酸、强碱、低温、缺氧等特殊环境条件下存活的微生物；多数属于古细菌在冶金、采矿、石油化工、酶制剂生产、环保等领域有重要的意义,、嗜热微生物,嗜热微生物：最适生长温度高于6570，最高生长温度可达110 生态环境：热泉(温度高达100)，高强度太阳辐射的土壤，岩石表面(高达70)，各种堆肥、厩肥等嗜热的生化机制：蛋白质、核酸、类脂具有热稳定性，存在热稳定性因子应用：可用于高温发

10、酵、污水处理；嗜热细菌的耐高温DNA多聚酶使DNA体外扩增的技术（PCR）技术得到突破,、嗜冷微生物,嗜冷微生物：能在较低的温度下生长，最高生长温度不超过20，可以在0或低于0条件下生长生态环境：极地、深海、寒冷水体、冷冻土壤、阴冷洞穴、保藏食品的低温环境嗜冷的生化机制：细胞膜脂组成中有大量的不饱和、低熔点脂肪酸应用：研究开发最适反应温度低的酶，如从嗜冷微生物中获得低温蛋白酶用于洗涤剂，不仅能节约能源，而且效果很好,、嗜酸微生物,嗜酸微生物：生长最适pH在3-4以下，中性条件不能生长的微生物生态环境：各种酸矿水、酸热泉、火山湖、地热泉等，其优势菌是无机化能营养的硫氧化菌、硫杆菌嗜酸的生化机制：

11、细胞壁、细胞膜具有排斥H+，对H+不渗透或把H+从胞内排出的机制应用：微生物冶金、生物脱硫,、嗜碱微生物,嗜碱微生物：一般把最适生长pH在9以上的微生物生态环境：碳酸盐是碱性环境的主要来源；肯尼亚的玛格达湖，我国的青海湖应用：碱性酶包括蛋白酶(活性pH 10.5-12)、淀粉酶(活性pH 4.5-11)、果胶酶(活性PH l0.0)、支链淀粉酶(活性pH 9.0)、纤维素酶(活性pH 6-11)，它们被广泛用于洗涤剂或作其他用途,5、嗜盐微生物,嗜盐微生物：最适生长盐浓度为，从许多含盐量较高的环境中都可以分离到这个类群的微生物嗜盐的生化机制：细胞具有排出Na+和吸收高浓缩K+的能力，以此维持胞

12、内外同样的水活度应用：紫膜是在细胞膜上形成的一种特殊的紫色物质，吸收的光能以质子梯度的形式部分储存起来，并用于合成ATP，许多科学家进行研究探索其作为电子器件和生物芯片的可能性,6、嗜压微生物,嗜压微生物：需要高压才能良好生长的微生物；耐压微生物最适生长压力为正常压力，但能耐受高压的微生物生态环境：从深海底部1.0ll08Pa(1000大气压)处，分离到嗜压菌Pseudomonas bathycetes；从油井深部约4.05107Pa(400大气压)处，分离到耐压的硫酸盐还原菌应用：用于油井下增压，降低原油黏度，以提高采油率,三、微生物间的相互关系,（一）中立关系（二）互生关系（三）对抗关系,

13、（一）中立关系,中立关系：两个微生物种群之间在一起彼此没有影响的关系；一般发生在种群之间代谢能力差异极大或微生物总量很小而且代谢活力极低的生态环境中如土壤中的固氮细菌和硝化细菌,混合发酵,将Aspergillus niger（黑曲霉）和Zymomonas mobilis（运动发酵单胞菌）包埋在海藻酸钠小球中，可以直接将淀粉浆转化为乙醇Trichoderma viride（绿色木霉）408.2和Aspergillus oryzae（米曲霉）3.042混合曲可以提高酱油产率,三、微生物间的相互关系,（一）中立关系（二）互生关系（三）对抗关系,（二）互生关系,互生关系：两个微生物种群之间在一起，双方

14、都有利或一方对另一方有利的关系，包括以下几种：偏利作用：一种种群因另一种群的存在或生命活动而得利，而后者没有从前者受益或受害协同作用：相互作用的两种种群相互有利，二者之间是一种非专性的松散联合互惠共生：相互作用的两种种群相互有利，二者之间是一种专性的和紧密的联合，并且形成一个共生体,偏利作用：贝氏硫细菌氧化H2S可解除对H2S敏感细菌的毒性,H2S,硫酸盐,硫酸盐还原菌,绿硫细菌,协同作用：硫酸盐还原细菌与绿色光合细菌,互惠共生：囊衣属(pgtsucia)地衣的纵切面藻类和真菌形成的共生体,互惠共生：根瘤菌和豆科植物,三、微生物间的相互关系,（一）中立关系（二）互生关系（三）对抗关系,（三）对

15、抗关系,对抗关系：两个微生物种群之间在一起，一方对另一方有害或对双方都有害的关系，包括以下几种：竞争：两种微生物争夺养料或双方均需要的其它生活条件寄生：一种微生物在另一种微生物体内或体表生活，并从中夺取养料，引起病害或死亡捕食：一种微生物直接吞食另一种微生物的现象拮抗：一种微生物通过产生特殊的代谢物质或改变环境来抑制或杀死另一种微生物的现象,寄生：噬菌体侵入细菌的电镜照片,捕食：食线虫真菌捕食线虫的实物照片,拮抗：放线菌菌丝块对黄瓜枯萎病菌的拮抗作用,项目二 微生物在物质循环中的作用,一、碳素生物循环 二、氮素生物循环三、其它化学元素的生物循环,学习目标,知识目标 掌握微生物在生态系统各种物质

16、循环中所发挥的重要作用能力目标 使学生对各种物质循环有进一步的认识，能有效地应用到生产中,物质循环,物质循环：即生物地球化学循环(biogeochemical cycle)，它是物质在生物与非生物之间反复交换和运转的过程物质循环包括化学元素的有机质化，即生物合成作用和有机物质的无机质化，即矿化作用,一、碳素生物循环,（一）碳素生物循环的概念（二）微生物分解有机质的一般途径（三）微生物对天然有机质的分解,（一）碳素生物循环的概念,碳素的主要存在形式：碳是构成生物体的主要元素，占生物量的25%；CO2；碳酸盐类；各种天然有机物碳素生物循环（carbon cycle）：自然界最基本的物质循环；以上三

17、种形态的碳素物质，在自然界各生物的作用下，不断地相互转化,一、碳素生物循环,（一）碳素生物循环的概念（二）微生物分解有机质的一般途径（三）微生物对天然有机质的分解,（二）微生物分解有机质的一般途径,复杂有机物分解为简单有机物：微生物通过其分泌于细胞外的胞外酶类使基质分解成简单的可溶性有机物，而后吸入体内加以利用简单有机物的有氧分解：简单有机物在有氧呼吸过程中，通过一系列氧化反应（磷酸化、水解、脱氢、氧化、脱羧等），被彻底氧化成CO2和H2O简单有机物的无氧分解：在缺氧环境中，简单有机物通过酒精发酵、乳酸发酵、丁酸发酵等发酵作用，生成不完全氧化和还原态的产物，包括有机酸类、醇类、醛类、酮类等,一

18、、碳素生物循环,（一）碳素生物循环的概念（二）微生物分解有机质的一般途径（三）微生物对天然有机质的分解,（三）微生物对天然有机质的分解,天然有机质：纤维素、半纤维素、果胶、淀粉、脂质、木质素、芳香族物质、烃类等微生物对天然有机质的分解：天然有机质都能被微生物分解利用，只是发生作用的菌种不同，条件各异，其中包括一系列复杂生化反应，有多种酶类参加,1、微生物分解纤维素,纤维素（cellulose）：植物细胞壁的主要成分；是自然界中最丰富、分布最广的天然碳水化合物，占地球总生物量的40%；棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水及城市垃圾等，其中均含有大量纤维素，是数量最大的一类环境污染物纤维素酶：降解

19、纤维素-1，4-葡萄糖苷键的酶总称；是一种诱导酶纤维素降解微生物：能产生纤维素酶，将纤维素逐步降解成可利用物质的微生物总称,（1）纤维素的分子结构,结构：是葡萄糖的高分子缩聚物，分子量介于50000400000之间；含有3002500个葡萄糖分子，以-1,4-糖苷键结合形成的线形长链分子性质：不溶于水，在环境中比较稳定；只有在产生纤维素酶的微生物作用下，才被分解成简单的糖类,（2）纤维素酶的类群,C1酶：水解未经降解的天然纤维素，对部分降解的多糖或寡糖很少作用或没有作用-1,4-葡聚糖酶：又称Cx酶，它不能水解天然纤维素，只能切割部分降解的多糖；包括内切酶和外切酶；前者任意切割葡萄糖单位，一般

20、产生纤维二糖，不同大小的寡糖，有时也产生葡萄糖；后者从一端开始切割，每次切下两个葡萄糖单位，一般产物为纤维二糖-葡萄糖苷酶：水解纤维二糖、纤维三糖及低相对分子质量的寡糖成为葡萄糖,E1：C1酶E2：-1,4-葡聚糖酶E3：-葡萄糖苷酶,（3）纤维素降解微生物的种类,好氧细菌：嗜纤维菌、纤维弧菌、纤维单胞菌等厌氧细菌：梭状芽孢杆菌等放线菌：诺卡氏菌、小单胞菌、链霉菌等真菌：青霉、曲霉、镰刀霉、木霉、毛霉等,2、微生物分解半纤维素,半纤维素（hemicellulose）：在植物组织中的含量很高，仅次于纤维素，约占 25%40%；细菌和真菌的胞壁中也含；大量半纤维素进入土壤与水体，是环境微生物的重要

21、能源和碳源半纤维素酶：降解半纤维素葡萄糖苷键的酶总称；聚糖酶既有结构酶，也有诱导酶；它们对底物有一定的专一性，并常以其底物命名半纤维素降解微生物：能产生半纤维素酶，将半纤维素逐步降解成可利用物质的微生物总称,（1）半纤维素的分子结构,结构：各种五碳糖、六碳糖及糖醛酸组成的大分子聚合物；可分为同聚糖（仅含一种单糖如木聚糖、半乳聚糖、甘露聚糖等）和异聚糖（有多种单糖或糖醛酸同时存在）两类；许多半纤维素的结构至今尚未探明性质：微生物对半纤维素的分解速度比纤维素的快,（2）半纤维素酶的类群,内切酶：能任意切割半纤维素基本结构单元之间的联结键，将大分子破碎成不同大小的片段外切酶：能从半纤维素的一端开始，

22、依次切下一个单糖或二糖，经内切酶水解后，半纤维素可出现很多末端，有利于外切酶的进一步作用糖苷酶：它的作用是水解寡糖或二糖，产生单糖或糖醛酸,（3）半纤维素降解微生物的种类,细菌：芽孢杆菌属的一些种能够分解甘露聚糖、半乳聚糖和木聚糖放线菌：链孢霉属的一些种能够利用甘露聚糖、木聚糖真菌：木霉、镰孢霉、曲霉、青霉、交链孢霉等属的一些种可分解阿拉伯木聚糖和阿拉伯胶等,3、微生物分解果胶质,果胶质（pectin）：是植物毗邻细胞之间的胞间层组分，占植物体干重的 15%30%果胶质酶：降解连接果胶质-1，4-糖苷键的酶总称果胶质降解微生物：能产生果胶质酶，将果胶质逐步降解成可利用物质的微生物总称,（1）果

23、胶质的分子结构,结构：由 D-半乳糖醛酸通过-1，4-糖苷键连接的直链构成高分子聚合物；链上的羧基可部分或全部被甲醇酯化，也可部分或全部与阳离子结合不含甲基酯的果胶质称为果胶酸，含甲基酯的果胶质称果胶酯；后者可进一步与钙离子结合成不溶于水的原果胶，植物体内的原果胶常与多缩戊糖结合,（2）果胶质酶的类群,果胶质酯酶：水解甲基酯键，使果胶酯转化为果胶酸和甲醇；这一反应虽不能使果胶质彻底分解，但为随后的分解创造了条件 果胶质水解酶：能水解-1，4-糖苷键，可分为两种；聚甲基酯半乳糖醛酶，产物是D-甲基酯半乳糖醛单元及其寡聚体；聚半乳糖醛酸酶，产物则是 D-半乳糖醛酸单元及其寡聚体果胶质裂解酶：将果胶

24、质裂解为变态的半乳糖醛酸单元，也可分为两种；果胶酯裂解酶；果胶酸裂解酶,（3）果胶质降解微生物的种类,细菌：好氧性细菌以芽孢杆菌居多，如枯草芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌、浸软芽孢杆菌；厌氧性细菌主要有蚀果胶梭菌 和费氏梭菌真菌：青霉、曲霉、木霉、枝孢霉、根霉、毛霉等属的一些种,4、其他有机质的分解,淀粉降解微生物：能产生水解淀粉糖苷键的酶；包括枯草杆菌、链霉菌、曲霉、根霉和毛霉等脂质降解微生物：能产生水解脂质各种酯键的酶；包括假单胞菌、色杆菌、链霉菌、曲霉和青霉等木质素降解微生物：能产生水解木质素醚键和碳碳键的酶；包括假单胞菌、节杆菌、各种担子菌如多孔菌等烃类降解微生物：能降解各种烃类，如烷烃、烯烃

25、、脂肪烃等；包括棒状杆菌、分枝杆菌、假丝酵母、小克银汉霉、镰刀霉等,二、氮素生物循环,（一）氮素生物循环的概念（二）微生物转化氮素物质的途径,（一）氮素生物循环的概念,氮素的主要存在形式：是核酸和蛋白质的主要成分，是构成生物体的必需元素；分子态氮（N2）无机态氮（NH4+，NO3-等）有机态氮（核酸、蛋白质等）氮素循环（nitrogen cycle）：自然界的氮素循环是各种元素循环的中心；以上三种形态的氮素物质，在自然界各生物的作用下，不断地相互转化,二、氮素生物循环,（一）氮素生物循环的概念（二）微生物转化氮素物质的途径,（二）微生物转化氮素物质的途径,N2,NH4+,NO3-,NO2-,有

26、机氮,氨化作用,硝酸盐同化作用,铵盐同化作用,亚硝化作用,硝化作用,生物固氮,反硝化作用,1、氨化作用,氨化作用（amonification）：是指含氮有机物经微生物分解产生氨的过程，又可称为有机氮的矿化作用 生态意义：动植物残体的蛋白质、核酸等含氮有机物，均可通过氨化作用而释放氨，进入土壤，供植物和微生物吸收利用,2、硝化作用,硝化作用（nitrification）：氨态氮经微生物的氧化作用而成为硝态氮的过程两个阶段：氨被亚硝化细菌氧化成亚硝酸；亚硝酸被硝化细菌氧化为硝酸生态意义：是自然界氮素循环中不可缺少的一环；但是硝化作用的产物迁移性较强，对植物和微生物有较大的毒性，淋洗渗入地下水，可污

27、染地下水源,3、反硝化作用,反硝化作用（denitrification）：在厌氧微生物的作用下，由硝酸盐还原成NO2并进一步还原成N2的过程生态意义：土壤中氮元素流失的重要原因之一，如水稻田中施用化学氮肥，有效利用率只有25%左右，施用硝化抑制剂可收到良好的效果；另外，可以利用水生性反硝化细菌去除污水中的硝酸盐,4、生物固氮,生物固氮（biological nitrogen fixation）：少数微生物种类可以将氮气逐步还原为氨而作为氮源的过程固氮菌：能进行固氮作用的微生物固氮作用的三种类型：共生固氮、联合固氮和自生固氮,（1）固氮菌的种类,（2）固氮酶,固氮酶：从各种不同生理类型的固氮微生

28、物中，都可以抽提到结构相同的固氮酶；它含有两种成分组分（P1）和组分（P2）组分：是真正的“固氮酶”，又称钼铁蛋白或钼铁氧还蛋白组分：实质上是一种“固氮酶还原酶”，又称铁蛋白或固氮铁氧还蛋白,三、其它化学元素的生物循环,1、无机元素生物循环的一般途径2、硫素生物循环3、磷素生物循环,1、无机元素生物循环的一般途径,无机物的有机质化：微生物在碳素和氮素循环的同时，吸收利用其他无机质如硫、磷、铁、钾等，从而合成含该无机元素的有机物含无机元素有机物的分解：含无机元素的有机物经微生物代谢分解为无机态，回归自然环境中无机物的氧化与还原：在特定微生物作用下，无机物可由还原态转化为氧化态，或由氧化态转化为还

29、原态无机物的溶解与沉淀：产酸细菌生成的HNO3、H2SO4等强酸可使环境中矿物质溶解；有的微生物生成H2S，可使无机物转化为硫化物在环境中沉淀,2、硫素生物循环,3、磷素生物循环,【小结】,名词解释：微生物生态系统、根圈效应、根土比（R/S）、土壤团聚体、微生物种群、生物地球化学循环、生物固氮为什么说土壤是微生物的天然培养基？为什么说根圈是微生物的特殊生态环境？根圈微生物有何特点？简述极端微生物的类群及特点？举例说明微生物之间的相互关系？,【小结】,简述碳素生物循环的基本过程及微生物分解有机物的一般过程？简述纤维素、淀粉、木质素、烃类等有机物的微生物分解方式?试述氮素生物循环的基本图式？简述硝化作用和反硝化作用对农业和生态的影响？什么叫生物固氮？有哪几种类型？概述无机元素循环与转化的一般途径？,