第二章微生物生态学ppt课件

第二章微生物生态学(Microbialecology)山西医科大学公共卫生学院周芩王金桃\n基本概念与研究范畴微生物生态学的基本规律微生物在自然界的分布及其主要类群微生物生态学的应用及研究前景内容概要\n第一节基本概念与研究范畴\n生态学——研究生命系统与环境系统间相互作用规律的科学。生物圈生态系统群落种群个体器官组织细胞细胞器分子一、基本概念\n生态系统(ecosystem)在一定的空间内存在的各种生物体所组成的生物群落与非生物的环境因子之间相互依存、相互制约，具有一定功能和独立性的动态复合体系。生物圈(biosphere)地球表面全部生物以及与之相关的自然环境的总称水生物圈(hydrosphere)地上岩石生物圈(lithosphere)大气生物圈(atmosphere)\n生态系统的研究内容天文地质过程所形成的物理因子及其变化参加物质环境的无机物的丰度及其变化规律连结非生命物质和生命物质的有机物丰度及其变化规律初级生产者、消费者和分解者之间的相互作用和功能\n微生物生态学(microbialecology)非生物环境生物环境环境其他生物的作用和影响除生物以外的环境（生物生存的场所）定义：生态学的一个分支学科，是研究微生物与其生存环境、微生物群体之间相互关系、相互作用的科学。\n生境(habitat)是指微生物能够在其中生存，并执行其特定功能的微小环境，又称为微环境(microenvironment)或微小生境(microhabitat)。龛（niche）不但包含了生物生存的空间概念，还蕴涵着功能作用以及在不同温度、湿度等环境变化中的位置，也称为生态位。\n种群（population）具有相似特性和生活在一定空间内的同种个体群称之为种群。是组成群落的基本部分。群落(cormnunity)一定区域内或一定生境中各种微生物种群相互松散结合的一种结构和功能单位称之为群落。\n了解环境对微生物的种群、数量分布、增殖速度及活力的影响了解微生物群体结构的稳定性及可修饰性以及微生物群体对环境的功能了解微生物与其生存环境之间、微生物与其他各种生物之间的相互关系、作用和演变规律等微生物生态研究的目的二、研究范畴\n研究内容微生物种类、分布及其随环境条件变化的规律微生物之间、微生物与动植物之间的相互关系，及其与自然界/环境因素之间的相互影响微生物代谢活动与自然界/环境的相互影响极端自然环境中的微生物种类、作用和生命机制环境污染对微生物的影响与微生物对污染物的净化研究所用的传统和现代分子生物学方法微生物的正常生态规律、生态平衡、生态失调核心内容\n微生物与环境相互作用的基本规律微生物生态演化的自然选择与适应微生物与生物环境间相互作用的生态规律第二节微生物生态学的基本规律\n一、微生物与环境相互作用的基本规律限制因子定律耐受性定律综合作用定律\n限制因子定律（lawofrestrictionfactor）也叫最小因子定律（lawofthemininum）、利比希定律(Lisbiglaw)基本核心：任何生物的总产量或生物量决定于所存在环境中该生物生长所需的数量最少或浓度最低营养因子。\n限制因子：微生物需要各种生态因子（营养物质），但这些生态因子并非同等重要，有的因子对微生物生态起决定性作用，当其中某物质可利用的量最接近于所需的临界最小量时，这种物质就成为限制因子。\n耐受性定律(lawoftolerance)生物存活和繁殖只能对环境中生态因子耐受一定范围。耐受限度（limitsoftolerance）：生物对生态因子所能耐受的最大值和最小值之间的范围。在耐受限度内有一个最适范围，在此范围内生物生长最好。\n综合作用定律(combinedlaw)Odum结合耐受性定律与限制因子定律提出，核心是一个生物或一群生物的生存和繁殖取决于综合环境。\n环境中各种生态因子并非孤立存在，他们之间相互密切有机地联系着。在生态因子综合作用中，两个或两个以上因子同时作用时可有增效、减效、补偿结果发生。增效——增加另外一个因子对生物的生态效果。减效——降低或减弱了另一个因子的作用效果。补偿——某一生态因子的减弱对生物生长不利，但可由另一生态因子的增加而得到补偿的生态效果\n二、微生物生态演化的自然选择与适应适应性变异性选择性\n1.适应性（adaptability）指生物能适应在一定时间内的环境波动或剧变以保证其本身生活和生存的能力。是微生物进化中最重要的因素是生物的基因型与环境因子共同作用的结果分为遗传适应性和表型适应性\n遗传适应性(进化适应性)：个体通过改变自己的基因型获得适应新环境条件的生理特性，并通过生长繁殖形成新的种群。表型适应性（生理学适应）：微生物对环境条件变化的暂时反应，在这种适应中，微生物的基因型不发生变化，只是由于环境条件的变化使微生物的某个或某些基因表达异常，或使原来未能表达的基因得到表达。\n生物与其所处环境之间的相互作用关系每种生物的基因型都是由特定环境条件塑造的，即生物长期适应某种环境的结果。生物的生命活动又随时改变着其周围的环境条件。\n2.变异性(variability)是指同种生物世代之间或同代生物不同个体之间在形态特征、生理特征等方面所表现的差异。遗传保守性：后代总与亲代相似，保持亲代的类型，因而得以保持生物物种的稳定性。遗传变异性：后代个体在形态、生态或生理性状方面不同于亲代相互作用，相互联系，使生物适应演化，长期生存\n3.选择性（selectivity）达尔文提出生物进化的自然选择(naturalselection)。在长期的自然选择过程中，生物逐渐发生变异以适应其环境，即生物的适应性；环境对生物的生存也具有选择性，即自然选择。人工选择（artificialselection）：按照人类的意愿使生物发生某些对人类有益的变异，并将这种变异保留、遗传给后代。是人为的，也称其为驯化（domestication）。\n自然选择由自然环境条件决定过程缓慢变异对生物本身有利人工选择以人的意志为主决定过程较快变异只对人类有利自然选择和人工选择的主要区别\n三、微生物与生物环境间相互作用的生态规律互生竞争拮抗捕食寄生共生\n生态关系作用结果关系特点种群甲种群乙偏利互生＋○对甲有利，对乙无利也无害互利互生＋＋彼此互相有利，专性互惠互生＋＋彼此互相有利，非专性竞争－－彼此相互抑制拮抗－○对甲有害，对乙无利也无害捕食＋－甲捕杀或吞食乙中一些个体寄生＋－甲寄生于乙，并有害于乙共生○○两物种彼此互不影响微生物种群之间相互作用类型注：＋表示有利；－表示有害；○表示无利也无害\n1.互生（alternation）指两种可以单独生活的生物在一起时，通过各自的代谢活动而有利于对方，或偏利于一方的生活方式。\n偏利互生（commensalism）——其中一个获益，另一个不受影响互利互生（mutualism）——互换产物，相互依赖，共同有利，在生理上形成一个整体互惠互生（synergism）——可以互相受益，但不是一种固定的关系，解除关系后双方都能独立存在\n2.寄生（parasitism）指一种生物侵入到另一种生物体，从宿主体内获得自己所需要的营养物质并生长繁殖，使后者蒙受损害甚至被杀死的一种相互关系。3.拮抗（amensalism）也叫偏害共栖，指两个种群共同生长，由某种生物所产生的特定代谢产物可干扰他种生物的代谢活动，抑制其生长和繁殖甚至杀死它们的一种相互关系。\n4.捕食（predation）指一种大型的生物直接捕捉、吞食另一种小型生物以满足其营养需要的相互关系。5.竞争（competition）指两个种群共同生活于同一环境中，因需要相同的生长因子或其他环境条件而发生的争夺现象。6.共生（symbiosis）也叫种间共处（neutralism），指两种微生物生活在一起，但两者互无伤害，互无补益，各自互无影响的关系。\n四、微生物生态的平衡与失调自然环境中微生物的生态平衡与失调人体环境中微生物的生态平衡与失调\n生态平衡（ecologicalbalance）：指生态系统各组成部分的内部或相互之间，在长期的发展演化过程中，通过相互制约、转化、补偿、交换及适应而建立起来的一种相互协调的动态平衡关系。（一）自然环境中微生物的生态平衡与失调生态平衡是生物维持正常生长发育、生殖繁衍的根本条件，也是人类生存的基本条件。\n演替（succession）：在特定的生态系统中，不同生物群落相继更替的过程。生态失调(ecologicaldisturbance)：微生物生长代谢的产物影响着环境，改变了的环境反过来也影响存在的微生物，即打破微生物原来的生态平衡，发生生态失调。外环境中微生物种群演替现象是经常发生的，而其本质即是不断发生平衡失调和建立新的生态平衡的过程。\n生态平衡正常微生物刺激机体产生免疫物质促进机体免疫系统的成熟形成体内微生态平衡对机体抗感染有重要作用生态失调机体防御功能减弱正常菌群生长部位改变微生物间相互制约关系被破坏疾病发生（二）人体环境中微生物的生态平衡与失调\n菌群失调（dysbacteriosis）指在原生态环境内正常微生物群发生种类、总菌数和各种群落成员的活菌数的异常变化。诱发因素：1）射线照射2）使用抗生素3）外科手术4）其他因素等\n第三节微生物在自然界的分布及其主要类群\n一、微生物在自然界的分布土壤中的微生物水体中的微生物空气中的微生物工农业产中的微生物正常人体及动物体中的微生物极端环境中的微生物\n（一）土壤中的微生物微生物生存与繁殖的理想场所，最稳定的生境互惠、互害和无利害微生物种类多，数量大主要种类：细菌（70%～90%）、放线菌、真菌、藻类和原生动物等\n（二）水体中的微生物生境复杂，有漂游生物生境、浮游生物生境、水底生物生境、外生生物生境、肠-粪浮游生物生境等。种类：革兰阴性菌（90%，弧菌、假单胞菌、黄杆菌等），鞘细菌及有柄附生细菌通过水体传播的病原微生物：沙门菌属、志贺菌属、霍乱弧菌等。\n（三）空气中的微生物分布不均，随环境条件及微生物的抵抗力不同而不同主要来源：带有微生物菌体及孢子的灰尘，人和动物呼吸道排出物传播形式：飞沫、飞沫核导致疾病：呼吸系统疾病、动植物病害、发酵工业的污染及工农业产品的发霉腐败变质等\n（四）工农业产品中的微生物农产品：粮食中最为突出曲霉属、青霉属和镰孢(霉)属为主曲霉危害最大，青霉次之食品：食品加工、包装、运输和贮藏等过程细菌、霉菌、酵母菌等工业产品：生霉、腐烂、腐蚀、老化、变形与破坏\n（五）正常人体及动物体中的微生物正常菌群：指生活在健康人体和动物体各部位，数量大、种类较稳定且一般有益无害的微生物种群。\n（六）极端环境中的微生物高温环境低温环境高酸环境高碱环境高盐环境高辐射强度环境分布于特殊环境中，具有特殊的生物学特性和功能\n二、环境中微生物的主要类群细胞型微生物非细胞型微生物原核细胞型微生物真核细胞型微生物病原微生物条件致病微生物非致病性微生物按细胞结构分类\n（一）原核细胞型微生物细菌放线菌鞘细菌蓝细菌滑动细菌\n1.细菌（becteria）性状最具代表性、数量最多的一群单细胞微生物，具典型原核细胞结构。环境中常见致病菌与条件致病菌其他常见环境细菌典型原核细胞构造\n种属分布危害葡萄球菌属（Staphylococcus）医院内、空气、水、土壤、化妆品、物品和食品医院内感染、食物中毒、空气污染、化脓性感染及医药品化妆品污染链球菌属（Streptococcus）自然界、水、乳、尘埃（空气）化脓性感染、食物中毒、超敏反应性疾病、水与空气污染埃希菌属（Escherichia）、沙门菌属（Salmonella）广泛，土壤、水、腐物、医药品、化妆品、食品和粪便腹泻、肠道内感染、食物中毒、食品变败、水和医药品化妆品污染志贺菌属（Shigella）粪便、水、土壤、食品细菌性痢疾霍乱弧菌（V.cholera）水源、食物霍乱副溶血性弧菌（V.parahemolyticus）水、海产品腹泻、食物中毒和食品变败破伤风梭菌（Cl.tetani）土壤、粪便破伤风肉毒梭菌（Cl.botulinum）土壤、海洋沉淀物和动物性食品肉毒中毒白喉杆菌（C.diphtheriae）空气、飞沫白喉结核分枝杆菌（M.tuberculosis）空气、物体表面结核病耶尔森菌属（Yersinia）动物及其污染物、排泄物鼠疫、腹泻和食物中毒布鲁杆菌属（Brucella）动物粪便、尿、乳汁和空气布氏病炭疽芽孢杆菌（B.anthracis）土壤、空气皮肤、肠及肺炭疽环境中常见致病菌与条件致病菌（1）\n环境中常见致病菌与条件致病菌（2）种属分布危害嗜肺军团菌（L.pneumophila）土壤、污水和空气军团病铜绿假单胞菌（P.ueruginosu）各种外环境：土壤、空气、水、食品、医药品、化妆品、医院内和人体院内感染、食品变败、医药品化妆品污染及水污染柠檬酸杆菌属（Citrobacter）人与动物的粪便、土壤、水、污水、食物环境污染、食品变败及机会感染克雷伯菌属（Klebsiella）广泛分布于自然界，土壤、水、谷类、粪便和临床用品院内感染、环境感染及食品变败肠杆菌属（Enterbacter）水、污水、土壤、蔬菜、食品和化妆品食品变败、环境污染欧文菌属（Erwina）植物、水果和蔬菜植物致病、水果蔬菜腐烂沙雷菌属（Serratia）土壤、水、植物表面、食品、鱼类、啮齿动物消化道食品变败、院内感染及植物病害迟钝爱德华菌（Edwardsiella）鱼类、水生动物和动物肠道鳝鱼“红病”、鲶鱼“肺气肿腐败病”、人伤口感染及腹泻变形杆菌属（Proteus）土壤、污水、动物性食品、人与动物的肠道人类腐败性感染、食物中毒及腹泻\n具有丝状分枝细胞和无性孢子的原核微生物，菌落呈放射状分布广泛，尤其土壤中可分解多种有机物能产生多种抗生素少数菌种对人类有致病作用代表属：链霉菌属、诺卡菌属、小单孢菌属2.放线菌(Actinomycetes)\n链霉菌属（Streptomyces）最高等的放线菌具有各种形态的孢子丝着生方式有互生、轮生和丛生近千种，大多生活在土壤中能分解多种有机质，是产生抗生素菌株的主要来源\n多为需氧性腐生菌，少数厌氧寄生部分可对人致病，在我国主要是星形诺卡菌,可经外环境侵入伤口或吸入肺部，引起有特殊症状的化脓性感染在自然环境中可将有机质转化，如烃类的降解、氰类的转化，在污水处理中起重要作用诺卡菌属（Nocardia）A.菌丝B.菌丝断裂为孢子C.部分菌丝放大,示菌丝产隔断裂情况\n小单孢菌属（Micromonospora）不形成气生菌丝，孢子梗顶端着生一个分生孢子多分布于土壤及污泥中具有分解有机质及产生抗生素能力可产生多种抗生素\n3.鞘细菌（sheathedbacteria）单细胞连成的丝状体细菌丝状体外包围一层由有机物或无机物组成的鞘套丝状体不分枝或形成假分枝，靠游动孢子或分生孢子行无性繁殖常生存于淡水或海水中代表属：球衣菌属、铁细胞菌属\n球衣菌（Sphaerotilus）细胞串成丝状，丝状体外包有鞘套多具有假分枝较强的分解有机物能力常生存于流动的、有机物污染的淡水中活性污泥曝气池中常见菌种数量过多时会引起污泥膨胀\n带鞘的丝状菌，但丝状体多不分枝能将低铁氧化为高铁广泛存在于自然界，在铁素循环中占重要位置铁质水管腐蚀与堵塞常因环境中铁细菌活动引起铁细菌属（Crenothrix）\n4.蓝细菌（cyanobacteria）过去归入藻类，近年根据其细胞结构仅有原始的核而归入原核细胞型微生物单细胞生物，呈球形或杆状光合型微生物喜中温，对冷、热，干旱有较强耐受性广泛分布，水生态系统食物链中的重要一环过量增殖形成“水华”或“赤潮”代表属：微囊藻属、鱼腥藻属、颤藻属\n微囊藻属（Microcystis）：球形，个体小，许多细胞常密集在一个胶团中。鱼腥藻属（Anabaena）：多丝状体，呈直形、弯曲状，螺旋状、外有胶鞘。颤藻属（Oscillatoria）：为多圆柱状丝状体，直形或弯曲形、不分枝。铜绿微囊藻曲鱼腥藻巨颤藻\n不借鞭毛而靠菌体蠕动进行滑动常见的代表菌贝氏硫菌属：菌体为丝状体，没有鞭毛能滑动，菌丝不固着在物体上，分布于淡水或海水中，能氧化H2S为硫，对自然界硫素循环起着重要作用噬纤维菌属：呈杆状，两端略尖，细胞柔软，可以滑行，分解纤维素能力很强5.滑动细菌\n（二）真核细胞型微生物真菌藻类原生动物\n1.真菌（fungus）单细胞：酵母菌、类酵母菌；多细胞：霉菌分布广泛，多腐生，少数为寄生常引起食品的变质和衣物、器具的霉烂少数能引起动植物病害和人类疾患在发酵、制药、食品、制革、纺织工业和农业等领域有较广泛的应用\n酵母菌的代表属酵母菌属假丝酵母属红酵母属球拟酵母属毕赤酵母属\n酵母菌属（Saccharomyces）种类多，分布广；大多数腐生，少数寄生；用于酿酒和面包发酵；使果酱等糖制品和蜂蜜变质假丝酵母属（Candina）不产色素，有酒精发酵能力；食用酵母和饲料酵母的重要菌种红酵母属（Rhodotorula）污染食品或物品后，形成红色斑点\n球拟酵母属（Torulopsis）对多种糖有分解能力耐受高浓度的糖和盐环境毕赤酵母属（Pichia）分解糖能力弱不产生酒精，耐受高浓度酒精并使之氧化使酒类和酱油变质形成白色干燥浮膜\n霉菌的代表属曲霉属青霉属镰刀菌属交链孢霉属芽枝霉属根霉属毛霉属木霉属\n曲霉属（Aspergillus）广泛分布于谷物、空气、土壤和各类物品上，分解有机质能力极强；可造成霉变。青霉属（Penicillium）存在于水果、食品上引起变败，亦有些产生真菌毒素镰刀菌属（Fusarium）寄生或腐生于植物上，有些种可产生真菌毒素\n交链孢霉属（Alternaria）用于栽培植物、产生蛋白酶、甾族化合物转化等芽枝霉属（Cladosporium）引起食品霉变，污染谷物、纺织品、皮革和橡胶等根霉属（Rhizopus）分解有机质能力极强，在酿造、生物制品领域应用\n毛霉属（Mucor）分解淀粉及蛋白能力极强，用于发酵工业木霉属（Trichoderma）可生产纤维素酶、合成核黄素、产生抗生素等，有些能转化甾体化合物\n2.藻类（algae）广泛浮游于淡水及海洋水的上层。自然界水生生态系统中重要的初级生产者，水生食物链的关键环节。与水体生产力和物质转化及能量流关系密切，使水体保持自然生态平衡。\n常见藻类绿藻：藻体中含叶绿素及少量胡萝卜素、叶黄素，细胞呈草绿色硅藻：藻瓣中含大量硅质和果胶质，死亡后藻壳遗留于海中，形成硅藻土，可作滤剂、绝缘剂甲藻：水中主要浮游藻类，喜酸性环境，大量增殖引起“赤潮”，毒素可累积于贝体小球藻栅藻衣藻\n3.原生动物（protozoa）单细胞低等动物水中重要的浮游生物在净化污水中起一定作用常见的原生动物：鞭毛纲、肉足纲、纤毛纲和孢子纲\n运动细胞器是鞭毛多生活在含有机质较多的污水中常见的有绿眼虫、波豆虫、滴虫等鞭毛纲（Mastigophora）\n运动器官是伪足，也是摄食细胞器生活在富有藻类、含氧量较高的水塘或沟渠中，或潮湿土壤的表层。最常见的代表有变形虫（amoeba）肉足纲（Sarcodina）\n运动细胞器是纤毛，亦为摄食细胞器结构较复杂分游泳型（如草履虫）和固着型（如钟虫类）纤毛纲（Ciliata）\n无运动细胞器，有些种类在某一时期有鞭毛或伪足有复杂的生活史原虫为寄生，环境中少见孢子虫纲（Sporozoa）间日疟原虫\n是由蛋白质外壳包裹一种核酸（RNA或DNA）形成的颗粒，不具细胞结构体积小、结构简单、专性寄生、抵抗力特殊主要为病毒（virus）空气、土壤、水和食品等各种外环境均可为其生境并成为传播疾病的媒介（三）非细胞型微生物\n空气中：室内：来自人体，如流感病毒、鼻病毒、腮腺炎病毒、麻疹病毒、天花病毒、水痘病毒、风疹病毒和腺病毒等；室外：来自污水喷灌，以肠道病毒为主水中：来自人、畜粪便及污水等，多为肠道内病毒土壤中：可吸附于颗粒内而延长存活时间食品中：主要引发甲型病毒性肝炎和胃肠炎等食源性疾病环境中的病毒\n是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒。分布极广宿主特异性，只寄居在易感宿主菌体内，可利用其进行细菌的鉴定与分型结构简单、基因数少，是分子生物学与基因工程的良好实验工具噬菌体（bacteriophage）噬菌体结构模式图\n第四节微生物生态学的应用及研究前景\n一、微生物生态学的应用在病因研究中的作用在认识疾病本质中的作用在疾病防治中的作用在环境污染与控制中的作用\n在病因研究中的作用将疾病的发生归结于病原-宿主-环境的生态失调以及影响这一生态平衡的因素，如社会、心理等因素的作用可以解释为什么许多病原微生物的感染率较高，但并非所有感染者均发病的现象在引起疾病发生的诸多因素中，应该找出主要原因\n在认识疾病本质中的作用引起疾病的本质——微生态失衡或失调任何原因打破了微生物与微生物之间以及微生物与其所处的环境之间相互适应、相互依赖、相互制约的生态关系，从而发生相互斗争即可引起疾病的发生。\n在疾病防治中的作用治疗疾病的重点不仅要抑杀病原菌，更应强调补充或促进正常菌群的大量繁殖，使机体内微生物群体由失调恢复到平衡。针对微生物生态失调原理，进行微生态调整是防治微生物性疾病以及微生物感染及其相关问题的一个重要方向。\n在环境污染研究中的作用环境污染(environmentalpollution)：生态系统的结构和机能受到外来有害物质的影响或破坏，超过了生态系统的自净（self-purification）能力，打破了正常的生态平衡，给人类造成严重危害的状况。\n研究微生物对污染物降解与转化的规律，为生态平衡的修复和环境改善服务。研究污染环境与微生物种群之间的相互关系，以利用生物在生存环境改变时所发生的相应变化，进行环境监测和环境质量评价。\n具体内容：微生物对有机物的降解（degradation）微生物对金属的转化微生物对污染物的降解与转化污染环境的生物修复（biologicalrecovery）微生物监测（microbialmonitoring）\n二、微生物生态学研究的前景定性研究趋向定量研究静态描述趋向动态分析单层面分析逐渐向多层次的综合研究发展与其他某些学科的交叉研究日益显著发展趋势\n基础研究方面深入到分子、原子水平，基本原理和相关规律、机制的认识不断丰富人体解剖和功能角度细化到消化、呼吸、泌尿生殖系统、免疫缺陷等疾病病因、发生机制和治疗层面医学微生态学动力学理论研究方面对微生物的演替、峰顶、转换和转移等现象的认识正逐步加深\nThanks