第九章.微生物的生態

生態學（ecology）是一門研究生命系統與其環境系統間作用規律的科學。

微生物生態學的研究對象是微生物群體與其周圍環境（生物和非生物）條件間相互作用的規律。

第一節、微生物在自然界中的分布

與菌種資源的開發一、微生物在自然界中的分布（一）土壤中的微生物

由于土壤具備了各種微生物生長發育所需要的營養、水分、空氣、酸堿度、滲透壓和溫度等條件，所以成了微生物生活的良好環境。可以說，土壤是微生物的“天然培養基”，也是它們的“大本營”，對人類來說，則是最豐富的“菌種資源庫”。一般來說，在每克耕作層土壤中，各種微生物含量之比大體有一個10倍系列的遞減規律。細菌（～108）＞放線菌（～107）＞霉菌（～106）＞酵母菌（～105）＞藻類（～104）＞原生動物（～103）（二）水體中的微生物1、不同水體中的微生物種類1）淡水型水體的微生物

①清水型：化能、光能自養微生物為主，10-103/ml；

②腐敗型：腸道桿菌、芽孢桿菌、弧菌、螺菌等，107-108/ml。2）海水型水體的微生物：

多為嗜鹽菌，分布于海洋邊、底部。分透光、無光、深海、超深淵海四區。3)深海微生物

1000m以下，主要為化能營養型微生物。①嗜冷微生物最適生長溫度：15℃或更低，最高：20℃，最低：0℃或更低。②耐壓細菌和嗜壓細菌耐壓細菌，壓強在0.1-40.5MPa生長正常，50.7MPa時失去生長繁殖能力；嗜壓細菌，最適生長壓強為40.5MPa，但壓強為0.1MPa時，也有一定生長能力；極端嗜壓菌，最適生長壓強為70.9-81.1MPa，壓強為104.9MPa時，仍然能繼續生長；耐壓細菌、嗜壓細菌和極端嗜壓菌在低壓時，短時間內不會死亡，但隨著時間的延長，生長能力會逐漸消失。4)熱水流火山口微生物

礦物質含量很高的溫泉—熱水流火山口分為溫（6-23℃）、熱（270-380℃）火山口。海底熱水流火山口含有大量無機物，生長著以這些無機物為能源的厭氧的化能無機營養細菌。5)水體的富營養化：指水體中氮、磷元素等營養物的大量增加，遠遠超過通常的含量，結果導致原有生態系統的破壞，使藻類和某些細菌的數量激增，其他生物種類減少。

2、飲用水的微生物學標準1）細菌總數：

100個/mL（37℃，培養24小時）2）大腸菌群數：3個/L（37℃，培養48小時）因霍亂、痢疾等腸道傳染病病原體少，用其同源的大腸菌群作指標，間接反映。水體的自凈作用（selfcleaning）“流水不腐”：氧氣充足，利于好氧菌等對有機物的降解。

空氣不是良好的微生物生存場所，但空氣中卻漂浮著許多微生物。不同條件下1M3空氣的含菌量:

條件 數量畜舍 1-2×106宿舍 20000城市街道5000市區公園200海洋上空1-2北極（北緯80°）0

重要性：與動植物病害的傳播，發酵工業的污染以及工農業產品的霉病變質有很大關系。（三）空氣中的微生物（四）工農業產品上的微生物1.工業產品的霉腐：1）范圍；2）種類；3）機理；4）防治。2.食品的微生物污染：1）微生物種類；2）原因；3）條件；4）防止。3.農產品上的微生物：1）糧食霉變；2）真菌毒素（黃曲霉毒素）。（五）極端環境下的微生物

凡依賴于這些極端環境才能正常生長繁殖的微生物，稱為嗜極菌或極端微生物（extremophiles）。1、嗜熱微生物：：1）發酵工業；2）PCR技術:Taq→Pfu2、嗜冷微生物：南極，-60—0℃。（-253℃）3、嗜酸微生物：氧化硫硫桿菌，最適2.5，存活0.5。4、嗜堿微生物：pH：11—125、嗜鹽微生物：飽和鹽水（32%）6、嗜壓微生物：1140大氣壓，萬米深海。7、抗輻射微生物：脊椎動物的數千倍。（六）生物體內外的正常菌群1、人體的正常菌群正常菌群：生活在健康動物各部位，數量大、種類穩定且一般只有益無害的微生物種群。部位：口鼻腔、消化道、泌尿生殖道、皮膚、粘膜。數量：1014個，約為人體總細胞數的10倍。2、無菌動物與悉生生物

無菌動物：凡在其體內外不存在任何正常菌群的動物。悉生生物：凡已人為地接種上某種或某些已知純種微生物的無菌動物或植物。3、根際微生物和附生微生物二、菌種資源的開發

“自然界豐富，但理想菌株不易得。”在自然環境中篩選菌種的一般步驟：1、采集菌樣：1）有機物含量；2）深度；3）植被情況；4）季節；5）方法。2、富集培養：選擇培養基加特殊營養物，在合適條件下，使所需菌大量繁殖。3、純種分離4、性能測定第二節微生物與生物環境間的關系生物間相互關系：9種類型一、互生(metabiosis)：是指兩種可單獨生活的生物，當它們在一起時，通過各自的代謝活動而有利對方，或偏利于一方的生活方式。（0+單方有利、++雙方有利）

“可分可合，合比分好。”二、共生(symbiosis)是指兩種生物共居在一起，相互分工合作、相依為命，甚至達到難分難解、合二為一的極其緊密相互關系。（++）

1.微生物間(地衣)；2.微生物與植物間(根瘤)；3.微生物與動物間：相對共生關系(反芻動物與瘤胃微生物)；絕對共生關系(白蟻與原生動物)。

共生關系：地衣（Lichens

）藍細菌（或藻類）與真菌共生地衣的繁殖：在表面上生出球狀粉芽（有少量的藻類細胞和真菌菌絲）

→→

粉芽散布到適宜的環境中，發育成新的地衣。生態學意義：共生菌從基質中吸收水分和無機養料；共生藻進行光合作用，合成有機物。使地衣能在十分貧瘠的環境中生存。奶牛的瘤胃微生物代謝關系示意圖唾液纖維質飼料自然菌源瘤胃內微生物大量繁殖CO2，CH4，H2等大量菌體在皺胃中消化排泄物牛奶，牛肉有機酸，乙醇瘤胃吸收從口中嘔氣

三、寄生(parasitism)一般指一種小型生物生活在另一種較大型生物的體內或體表，從中奪取營養并進行生長繁殖，同進使后者蒙受損害甚至被殺死的一種相互關系。（+-）細胞內寄生和細胞外寄生；專性和兼性寄生四、拮抗(antagonism)指由某種生物所產生的特定代謝產物可抑制他種生物的生長發育甚至殺死它們的一種相互關系。五、捕食(predatism,predation)一般指一種較大型的生物直接捕捉、吞食另一種小型生物以滿足其營養需要的相互關系。Bdellovibrio

食線蟲真菌撲食線蟲的實物照片（引自張克勤等編著的食線蟲菌物生物學2001）

微生物之間的拮抗現象圖A是一種芽孢桿菌產生的細菌素對茄子黃萎病菌的拮抗作用；圖B是五株放線菌的菌絲瓊脂塊對黃瓜枯萎病菌的拮抗作用.第三節、微生物與自然界物質循環重要性：C、N等元素如不能降解，循環難以繼續，生物界將無生機。微生物的降解作用

１.理論上能氧化的物質，總有微生物在合適條件下氧化它們

２.難降解物質：塑料、殺蟲劑、除垢劑、木質素等３.以上物質在土壤內終將消失．煤、石油不再分解生態系統的進化：一、碳素循環（carboncycle）

大氣含0.032%CO2

，如不補充，按現行光合速度不到20年將耗盡。碳素的封存：無機沉積物－碳酸鈣有機沉積物－煤、石油

光合作用（動物）主途徑：CO2

植物、自養微生物

分解作用有機殘余物CO2醇+有機酸H2+CO2碳、氫、氧元素在自然界中的循環有氧條件下 無氧條件下光合作用 發酵作用呼吸作用CO2+H2O O2+“CH2O”

CH4甲烷產生作用

化石燃料地球化學作用微生物微生物為主微生物或微生物為主植物、微生物CO2+H2O化石燃料呼吸作用O2+“CH2O”醇，有機酸，H2+CO2CH4光合作用發酵作用有氧環境無氧環境

碳、氫、氧元素在自然界中的循環二、氮素循環(nitrogencycle)三、硫素循環與細菌瀝濾1.硫素循環(sulfurcycle)

2.細菌瀝濾(bacterialleaching)利用化能自養細菌對礦物中的硫或硫化物的氧化作用，不斷產（再）生酸性浸礦劑，使銅等金屬從礦石（低品位）中溶解出來，再置換、離交，取得銅等金屬。又稱細菌浸出或細菌冶金。四、磷素循環（phosphoruscycle）富營養化（eutrophication）是指水體中因氮、磷等元素含量過高而引起水體表層的藍細菌和藻類過度生長繁殖的現象(水華、赤潮)。這時，下層水體不但缺光而少氧，而且大量死藻因細菌的分解而進一步造成了厭氧和有毒的環境。

1.不溶性無機磷的可溶化：微生物代謝產酸溶解；2.可溶性無機磷的有機化：各類生物的磷同化；3、有機磷的礦化：有機磷可溶性無機磷。20世紀90年代以后，以前盛產的水產品逐年減少，蝦和高價值的魚類已經滅絕，只剩下了少數幾種劣質魚類。今天，滇池幾乎成了臭水塘。

云南滇池一角的水華生物有機磷不溶性磷酸鹽磷酸或可溶性磷酸鹽與土壤中的鹽基結合產酸微生物的作用或磷肥的生產植物與微生物的吸收同化微生物的分解作用

微生物在自然界中磷元素的循環作用五、鐵的循環好氧環境厭氧環境鐵元素在自然界中的循環Fe2+Fe3+Fe3O4Fe3O4厭氧的湖沼高鐵桿菌、還原金屬地桿菌、還原鐵地弧菌、乙酸氧化脫硫單胞菌、甲醇暗桿菌厭氧紫色光養細菌趨磁水螺菌未知的化學因素好氧的氧化亞鐵硫桿菌、嗜熱的流化葉菌屬等第四節、微生物與環境保護

環境污染：主要指生態系統的結構、功能受到外來有害因素的影響或破壞而失去平衡，導致物質流、能量流無法正常運轉的現象。微生物引起的環境污染（一）大氣微生物污染（二）水體微生物污染（三）土壤微生物污染（四）水體富營養化（五）微生物的代謝產物的污染

通過空氣傳播的主要病原菌及其引起的疾病病

原

微

生

物疾

病

名

稱細菌

結核分枝桿菌（Mycobacteriumtuberculosis）

肺炎鏈球菌（Streptococcuspneumoniae）

葡萄球菌（Staphylococcussp）

釀膿鏈球菌（Streptococcuspyogenes）

腦膜炎奈瑟球菌（Neisseria

meningitidis）

白喉棒桿菌（Corynebacterium

diphtheriae）

百日咳博德特氏菌（Bordetella

pertussis）

鼠疫耶爾森氏菌（Yersinia

pestis）

炭疽芽孢桿菌（Bacillusanthracis）

嗜肺軍團菌（Legionella

pneumophila）細菌性疾病

肺結核

肺炎鏈球菌肺炎

葡萄球菌呼吸道感染

鏈球菌呼吸道感染

流行性腦脊髓膜炎白喉百日咳鼠疫肺炭疽軍團病病毒流感病毒（甲流H1N1病毒）鼻病毒等腮腺炎病毒麻疹病毒天花病毒水痘病毒風疹病毒腺病毒

SARS病毒病毒性疾病流行性感冒（H1N1甲流）普通感冒流行性腮腺炎麻疹天花水痘風疹急性咽炎、病毒性肺炎“非典型肺炎”其它病原微生物伯氏考克斯氏體（Coxiella

burnetii）肺炎支原體(Mycoplasma

pneumoniae)星狀馬杜拉放線菌(Actinomadura

asteroides)莢膜組織胞漿菌(Histoplasma

capsulatum)新型隱球菌(Cryptococcusneoformans)干草小多孢菌(Micropolyspora

faeni)其它疾病Q熱原發性非典型肺炎奴卡氏菌病組織胞漿病隱球菌病農民肺通過糞便、污水進入水體的病原微生物（病原體）細

菌病

毒其

它沙門氏菌屬致賀氏菌屬致病性大腸桿菌變性桿菌屬克雷伯氏菌屬土拉熱弗朗西絲氏菌假單胞菌屬沙雷氏菌屬小腸結腸炎耶爾森氏菌空腸彎曲桿菌霍亂弧菌ElTor弧菌分枝桿菌屬芽孢桿菌屬梭狀芽孢桿菌屬鏈球菌屬鉤端螺旋體屬脊髓灰質炎病毒考克賽基病毒腸細胞病變人孤兒病毒呼腸孤病毒腺病毒輪狀病毒肝炎病毒胃腸炎病毒溶組織內阿米巴人等孢子球蟲蘭伯氏賈弟蟲日本吸血蟲鉤蟲蛔蟲蟯蟲牛肉滌蟲豬肉滌蟲幾種病原微生物在土壤中存活時間病原微生物存活時間糞鏈球菌沙門氏菌志賀氏菌結核桿菌霍亂弧菌鉤端螺旋體炭疽桿菌溶組織內阿米巴腸道病毒26~77天15~280天，>280天1~3個月>180天8~60天15~43天15~60年6~8天8~170天

主要真菌毒素及其產生菌毒素種類毒素名稱主要的產生菌肝臟毒黃曲霉毒素雜色曲霉素島青霉素、黃天精、環氯素紅青霉毒素棕曲霉毒素黃曲霉、寄生曲霉雜色曲霉、構巢曲霉島青霉紅青霉棕曲霉腎臟毒桔霉素曲酸桔青霉米曲霉神經毒棒曲霉素黃綠青霉素麥芽米曲霉素蕁麻青霉、棒形青霉黃綠青霉米曲霉小孢變種造血組織毒擬枝孢鐮孢霉毒素雪腐鐮孢霉烯醇葡萄穗霉毒素擬枝孢鐮孢霉雪腐鐮孢霉葡萄穗霉光過敏性皮炎菌核病核盤霉毒素菌核病核盤霉一、水體的污染—富營養化

水源的污染是危害最廣、最大的污染。微生物處理法是最常用、最有效、最關鍵的處理方法。項目富營養湖泊貧營養湖泊數

量品

種分

布晝夜間的遷移水華現象主要藻類豐富較少主要生長在水體表層有限經常發生藍藻綱(Cyanophyceae)色球藻科(Chroococcaceae)微囊藻屬(Microcystis)銅綠微囊藻(Microcystis

aerugrinosa)水華微囊藻(Microcystis

flosaquae)具緣微囊藻(Microcystis

marginata)念珠藻科(Nostocaceae)魚腥藻屬(Anabaena)螺旋魚腥藻(Anabaenaspiroides)束絲藻屬(Aphanizomenon)顫藻科(Oscillatoriaceae)顫藻屬(Oscillatoria)等片硅藻科(Deatomaceae)直鏈藻屬(Melosira)脆桿藻屬(Fragilaria)冠盤藻屬(Stephanodescus)星桿藻屬(Astericoolla)稀少很多可生長至深層頻繁很少出現綠藻科(Chlorophyceae)角星鼓藻屬(Staurastrum)片硅藻科(Diatomaceae)平板藻屬(Tabellaria)小環藻屬(Cyclotella)金藻科(Chrysophyceae)錐囊藻屬(Dinobryon)富營養與貧營養湖泊中微生物的比較二、用微生物治理污染1、微生物處理污水的原理（一）污水的微生物處理活性污泥中菌膠團細菌和

絲狀細菌的復合體顯微照片污水處理中幾個常用名詞1）BOD：生化耗氧量，單位：mg/L；BOD5：20℃5晝夜，一級水，1mg/L二、三級水，3、4mg/L2）COD：化學需氧量3）TOD：總需氧量4）DO：溶解氧量5）SS：懸浮物含量6）TOC：總有機碳含量3、污水處理的方法和裝置2、用于污水處理的特種微生物能分解氰、多氯聯苯、蒽、菲、TNT、磺酸鹽等難降解物的菌株。污水凈化中三級處理的主要步驟處理步驟 過程一級處理 通過沉淀、篩分、加明礬和其他凝絮劑以及其他物理方法去除水中不溶的顆粒二級處理 生物方法去除水中的可溶性有機物