第9章微生物生態(tài)

在一定的空間內(nèi)生物的成分和非生物的成分通過物質(zhì)循環(huán)和能量流動互相作用、互相依存而構(gòu)成的一個生態(tài)學(xué)功能單位。生態(tài)系統(tǒng):生態(tài)學(xué):研究生物與其周圍生物和非生物環(huán)境之間相互關(guān)系的一門科學(xué)。微生物生態(tài)學(xué):研究微生物與其周圍生物和非生物環(huán)境之間相互關(guān)系。各種環(huán)境中的微生物的種類、分布；微生物和其它生物的關(guān)系；微生物與物質(zhì)循環(huán)；第一節(jié)自然界中的微生物微生物的特點(diǎn)：個體微小,代謝營養(yǎng)類型多樣，適應(yīng)能力強(qiáng)微生物在自然界中分布廣泛微生物的分布生境的特征微生物的分布是生境各種物理、化學(xué)、生物因素對微生物的限制、選擇的結(jié)果。在某些生境中,高度專一性的微生物存在并僅限于這種生境中,并成為特定生境的標(biāo)志。無菌操作及超凈工作臺二、水體中的微生物(一)江河水1)數(shù)量和種類與接觸的土壤有密切關(guān)系；2)分布上更多的是吸附在懸浮在水中的有機(jī)物上及水底；3)多能運(yùn)動,有些具有異常的形態(tài)(例如柄細(xì)菌);4)靠近城市或城市下游水中的微生物多,且有很多對健康不利的細(xì)菌,因此不宜作為飲用水源；5)水體自身存在自我凈化作用：a)致病菌一般對營養(yǎng)要求苛刻,因此在一般的水中只能存活2-3天；b)水表微生物會受輻射等作用而被殺滅；c)原生動物等的吞噬作用；d)由固形物吸附再沉積到水底；水中的病原微生物會對水質(zhì)產(chǎn)生重要影響飲用水的微生物指標(biāo)：總菌數(shù)：

<100個/ml大腸桿菌：<3個/L嚴(yán)重污染的水會通過食物鏈的生物放大作用危害人類健康(viablebutnonculturablestate,VBNCstate)活的非可培養(yǎng)狀態(tài)細(xì)菌處于不良環(huán)境條件下時(shí)產(chǎn)生的一種特殊的生存方式或休眠狀態(tài)。在常規(guī)培養(yǎng)條件下培養(yǎng)時(shí)不能生長繁殖,但仍然是具有代謝活性的活菌。一般表現(xiàn)為細(xì)胞保持完整,胞內(nèi)酶維持活性,染色體及質(zhì)粒DNA均保持穩(wěn)定,而用顯微鏡觀察,其細(xì)胞會表現(xiàn)為縮小成球狀,細(xì)胞表面產(chǎn)生皺折等。1)在VBNC所處環(huán)境中加入營養(yǎng)物質(zhì),但營養(yǎng)過于豐富并不利于VBNC的復(fù)蘇。證明VBNC可以復(fù)蘇的手段：2)溫度的改變,在低溫下進(jìn)入VBNC的細(xì)胞在環(huán)境溫度升高后可以復(fù)蘇；3)致病菌在宿主體內(nèi)復(fù)蘇；4)通過其它可培養(yǎng)的活菌的幫助而復(fù)蘇；Micrococcusaquivivus（水活微球菌）最適生長條件:600個大氣壓。從永凍冰層分離微生物南極Vostok湖冰芯樣品中的微生物(三)水體的富營養(yǎng)化作用和“水花”、“赤潮”水資源污染日益嚴(yán)重（三）水體的富營養(yǎng)化作用和“水花”、“赤潮”水資源污染日益嚴(yán)重(三)水體的富營養(yǎng)化作用和“水花”、“赤潮”水體大量的有機(jī)物或無機(jī)物,特別是磷酸鹽和無機(jī)氮化合物。水的富營養(yǎng)化藻類等過量生長,產(chǎn)生大量的有機(jī)物，異養(yǎng)微生物氧化這些有機(jī)物,耗盡水中的氧,使厭氧菌開始大量生長和代謝，分解含硫化合物,產(chǎn)生H2S,從而導(dǎo)致水有難聞的氣味，魚和好氧微生物大量死亡,水體出現(xiàn)大量沉淀物和異常顏色。三、土壤中的微生物

土壤是固體無機(jī)物(巖石和礦物質(zhì))、有機(jī)物、水、空氣和生物組成的復(fù)合物，是微生物的合適生境。

土壤微生物種類多、數(shù)量多、代謝潛力巨大，是主要的微生物源，是微生物的大本營。1)土壤微生物的數(shù)量和分布主要受到營養(yǎng)物、含水量、氧、溫度、pH等因子的影響，并隨土壤類型的不同而有很大變化。2)土壤微生物的數(shù)量和分布受季節(jié)影響；3)微生物的數(shù)量也與于土層的深度有關(guān)，一般土壤表層微生物最多，隨著土層的加深，微生物的數(shù)量逐步減少。20世紀(jì)80年代，美國能源部-----地下科學(xué)計(jì)劃(DeepSubsurtaceProgram)地下的微生物:*在陸地可達(dá)4公里深(每下降1公里溫度上升20℃);*在海底則可深達(dá)7公里(每下降1公里溫度上升15℃)。

目前已知微生物的最高生長溫度:

113℃(海底火山口)目前的采樣深度:2.8公里微生物在各類工業(yè)產(chǎn)品上的生長所造成的產(chǎn)品的霉腐給人類造成了巨大的損失!而另一方面，有時(shí)也努力想開發(fā)并推廣使用可被微生物降解的產(chǎn)品，或利用微生物的降解特性。-----生物可降解塑料-----開發(fā)、利用纖維素(能源、飼料)-----苧麻脫膠2．食品、農(nóng)副產(chǎn)品上的微生物很多微生物在食品、農(nóng)產(chǎn)品上生長后會產(chǎn)生對人有害的毒素；肉毒毒素、黃曲霉素等不利影響:由于微生物的生長繁殖而腐爛、變質(zhì)，不能再食用或使用；病原微生物進(jìn)入人體的重要途徑，引起傳染性疾??；2．食品、農(nóng)副產(chǎn)品上的微生物利用特定的微生物制備風(fēng)味食品，如醬制品、米酒、腌酸菜等；有利影響:研究意義：(1)開發(fā)利用新的微生物資源，包括特異性的基因資源；(2)為微生物生理、遺傳和分類乃至生命科學(xué)及相關(guān)學(xué)科許多領(lǐng)域，如：功能基因組學(xué)、生物電子器材等的研究提供新的課題和材料；(3)為生物進(jìn)化、生命起源的研究提供新的材料。第二節(jié)微生物與生物環(huán)境間的相互關(guān)系自然環(huán)境中的微生物一般都不是單獨(dú)存在的。個體、種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)從低到高的組織層次。群體(population):具有相似特性和生活在一定空間內(nèi)的同種個體群,是組成群落的基本組分。群落(community):在一定區(qū)域或一定生態(tài)環(huán)境內(nèi),各種生物群體構(gòu)成的一個生態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)單位，群落中各生物群體之間存在各種相互作用。生態(tài)系統(tǒng)(ecosystems):生物群落和它們所生活的非生物環(huán)境結(jié)合起來的一個整體，是生物圈的組成單元。生物圈(biosphere):地球上所有生物及其所生活的非生命環(huán)境的總稱。個體群體群落+非生物環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)生物圈任何一個相對完整的自然整體都可以被看作為一個生態(tài)系統(tǒng),如一個池塘,一片森林,一個污水處理池,等等。微生物生態(tài)的研究特點(diǎn)：以微生物群體,即種群作為主要研究單位。生態(tài)系統(tǒng)中生物之間的相互關(guān)系：有利關(guān)系:一種生物的生長和代謝對另一種生物的生長產(chǎn)生有利的影響,或相互有利；有害關(guān)系:一種生物的生長對另一種生物的生長產(chǎn)生有害的影響,或相互有害；中性關(guān)系:二種生物生活在一起時(shí),彼此對對方的生長代謝無明顯的有利或有害影響；主要介紹微生物間及微生物與其它生物間最常見的幾種相互關(guān)系：一、互生二種可以單獨(dú)生活的生物,當(dāng)它們生活在一起時(shí),通過各自的代謝活動而有利于對方,或偏利于一方的一種生活方式?！翱煞挚珊?，合比分好”一)微生物間的互生關(guān)系一)微生物間的互生關(guān)系纖維素分解細(xì)菌固氮菌一）微生物間的互生關(guān)系金黃色葡萄球菌的生長為本來在平板上不能生長的嗜血流感菌提供生長因子,后者在其菌苔周圍形成衛(wèi)星菌落。二)人體腸道正常菌群互生關(guān)系（正常情況）寄生關(guān)系（某些特殊條件下）人腸道內(nèi)的菌群：60-400種不同的微生物,占糞便干重1/3的是細(xì)菌，其中厭氧菌占了絕大多數(shù)。正常菌群通過腸道獲取營養(yǎng)；通過排阻、抑制外來致病菌;提供許多人體所必不可少的環(huán)境條件改變或著生部位改變：正常菌群致病菌濫用抗生素；人身體虛弱抵抗力下降；吃了不潔凈的食物；腸道中的正常菌群,大腸桿菌,一旦進(jìn)入泌尿系統(tǒng),引起尿路感染。人體表面的正常菌群,一旦它們進(jìn)入傷口也會引起感染。條件致病菌:人體的正常微生物菌群一旦進(jìn)入非正常聚居部位,或生態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而引起人類疾病的微生物。可以通過口服某些活的微生物制劑來治療由于正常菌群失調(diào)而導(dǎo)致的腹瀉,例如,含蠟狀芽孢桿菌(Bcereus)的“促菌生”，含地衣芽孢桿菌的“整腸生”等,它們都是通過芽孢桿菌的生長，為腸道重新創(chuàng)造良好的厭氧環(huán)境,促使腸道內(nèi)正常的厭氧菌的生長繁殖,這類活微生物制劑又稱微生態(tài)制劑。微生態(tài)制劑一般用于恢復(fù)腸道內(nèi)的正常生態(tài)環(huán)境，若腸道功能正常，一般不需要服用！PNAS:腸道菌群與人體健康關(guān)系研究取得重要進(jìn)展

最近，由多個科研和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們組成多學(xué)科交叉研究團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過近3年的聯(lián)合攻關(guān)，在腸道菌群與人體健康關(guān)系的研究中取得了重要進(jìn)展。研究人員對一個四世同堂的中國家庭7位成員的腸道微生物組成和人體代謝特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，鑒定出腸道內(nèi)參與了人體代謝過程的一些重要的細(xì)菌。其研究成果日前發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)雜志《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。(《美國國家科學(xué)院院刊》（ProcNatlAcadSciUSA.，PNAS）2008,105(6):2117-22.)

生活在人體腸道內(nèi)數(shù)以萬億的細(xì)菌被統(tǒng)稱為腸道菌群，它們和人體有著密不可分的互利共生關(guān)系。腸道菌群的組成影響著每個人的健康。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群結(jié)構(gòu)紊亂與許多諸如糖尿病、肥胖癥等疾病有關(guān)。不同的人具有不同的腸道菌群組成結(jié)構(gòu)，飲食、藥物以及環(huán)境因素可以影響個體腸道菌群的組成。因此，科學(xué)家們認(rèn)為可以通過發(fā)明一些以腸道細(xì)菌為靶點(diǎn)的藥物，糾正紊亂的菌群結(jié)構(gòu)從而達(dá)到治療各種疾病的目的。

該項(xiàng)目的研究人員利用細(xì)菌DNA指紋圖譜和基因組標(biāo)記測序等基因組技術(shù)全面深入地刻畫了這7位中國成員腸道菌群的組成結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)他們盡管屬于同一個家庭，遺傳背景彼此相關(guān)、生活環(huán)境相似，但每一個個體仍然具有其特有的腸道菌群結(jié)構(gòu)特征。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了，中國人的腸道菌群結(jié)構(gòu)在種的水平和以往報(bào)道的5個美國人有明顯的差異，這也提示我們在比較兩個國家各種疾病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，除了考慮遺傳差異，還必須要考慮腸道菌群的差異。

同時(shí)，研究人員利用基于核磁共振的代謝組技術(shù)分析志愿者尿液中代謝物的組成，用以反映人體的整體代謝狀況。通過比較志愿者腸道菌群組成變化與他們的代謝特性變化的關(guān)系，初步發(fā)現(xiàn)了腸道內(nèi)某些特定細(xì)菌與人體尿液中的某些代謝物呈顯著的相關(guān)關(guān)系，提示這些腸道細(xì)菌對人體健康特別重要。例如，研究者發(fā)現(xiàn)人體腸道內(nèi)共有的一種“友好”細(xì)菌——屬于厚壁菌門（Firmicutes）梭菌科（Clostridiaceae）的Faecalibacteriumprausnitzii與8種人體的代謝物質(zhì)有統(tǒng)計(jì)相關(guān)性；提示這種細(xì)菌在參與宿主多種代謝過程中有著很重要的作用。二、共生二種生物共居在一起，相互分工協(xié)作、相依為命,甚至形成在生理上表現(xiàn)出一定的分工,在組織和形態(tài)上產(chǎn)生了新的結(jié)構(gòu)的特殊的共生體?；セ莨采?二者均得利偏利共生:一方得利,但另一方并不受害一)微生物間的共生關(guān)系地衣-----藻類和真菌的共生體*形成有固定形態(tài)的葉狀結(jié)構(gòu):真菌無規(guī)則地纏繞藻類細(xì)胞,或二者組成一定的層次排列。*地衣繁殖時(shí),在表面上生出球狀粉芽,粉芽中含有少量的藻類細(xì)胞和真菌菌絲,粉芽脫離母體散布到適宜的環(huán)境中,發(fā)育成新的地衣.結(jié)構(gòu)上的共生：生理上的共生：共生菌從基質(zhì)中吸收水分和無機(jī)養(yǎng)料;共生藻進(jìn)行光合作用，合成有機(jī)物；

使地衣能在十分貧瘠的環(huán)境中生存。一）微生物間的共生關(guān)系細(xì)菌與原生動物間的共生關(guān)系：細(xì)菌棲息于原生動物細(xì)胞內(nèi),獲得營養(yǎng)和保護(hù)環(huán)境,并且這些細(xì)菌在原生動物細(xì)胞外都不能生長;原生動物通過共生菌獲得生長所需要的維生素及其它生長因子.二)微生物和植物間的共生關(guān)系根瘤菌與豆科植物間的共生------形成根瘤共生體根瘤菌固定大氣中的氣態(tài)氮為植物提供氮素養(yǎng)料；豆科植物的根的分泌物能刺激根瘤菌的生長,同時(shí),還為根瘤菌提供保護(hù)和穩(wěn)定的生長條件。三)微生物與動物的共生關(guān)系1.與昆蟲的共生關(guān)系外共生:例如白蟻與其腸道內(nèi)的微生物之間的共生食木質(zhì)的白蟻?zhàn)陨聿⒉荒芊纸饫w維素,必須依賴腸道中共生的原生動物和細(xì)菌通過厭氧發(fā)酵過程來分解纖維素。內(nèi)共生:昆蟲與其細(xì)胞內(nèi)的共生性細(xì)菌這些細(xì)胞內(nèi)的共生性細(xì)菌能為宿主提供B族維生素,使昆蟲能以缺乏維生素的植物為生。2.與反芻動物的共生關(guān)系反芻動物,如牛、羊、駱駝、長頸鹿等以植物的纖維素為主要食物,它們在瘤胃中經(jīng)微生物發(fā)酵變成有機(jī)酸和菌體蛋白再供動物吸收利用。瘤胃也為里面居住的微生物提供了必要的營養(yǎng)和生長條件----食物和嚴(yán)格的厭氧環(huán)境三、寄生一種小型生物生活在另一種相對較大型生物的體內(nèi)或體表,從中取得營養(yǎng)和進(jìn)行生長繁殖,同時(shí)使后者蒙受損害甚至被殺死的現(xiàn)象。寄生物(parasite)寄主或宿主(host)一）微生物間的寄生噬菌體—細(xì)菌蛭弧菌—細(xì)菌真菌—真菌真菌、細(xì)菌—原生動物二）微生物與動植物間的寄生關(guān)系各種各樣的致病菌多是