课程名称：微生物学 班级：生物工程1101 (第二十五讲) 章节标题：第八章微生物的生态 第一节微生物在自然养的分布及菌种资源的开发 目的要求：1.了解微生物在自然界的分布 2.了解菌种资源开发的必要性 教学重点：微生物在自然界的分布 教学难点：微生物在自然界的分布 教学方法：多媒体讲授及讨论法 内容提要及课时分配： 1.微生物在自然界的分布 50分钟 2.南种资源开发 45分钟 3.小结 5分钟 主讲教师：赵萌萌 授课日期：2013年5月21日 兰州交通大学化学与生物工程学院
第八章微生物生态学 微生物生态学：是研究微生物群体与其周围生物和非生物环境条件间相互作 用的规律。 微生物与环境间的关系十分密切。一方面，微生物的生命活动依赖于环境 在不同环境影响下能形成不同的微生物区系。另一方面，微生物的生命活动有影 响着环境。微生物对生态系统乃至整个生物圈的能量流动、物质循环具有独特的 作用。 近几十年来与科学技术、社会经济迅速发展相伴而来的是环境问题-环境污 染和生态破坏。微生物降解污染物的巨大潜力在控制污染，修复污染环境中发挥 重要作用。微生物对植物生长的促进和其他有益作用，有助于缓解生态破坏，恢 复受损生态系统 生态系统：是指在一定的空间内生物的成分和非生物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位。生物成分按其在生态 系统中的作用，可划分为生产者、消费者和分解者。微生物可以在多个方面但主 要作为分解者在生态系统中起重要作用。 1、微生物是有机物的主要分解者 微生物的最大的价值在于其分解功能。他们分解生物圈内存在的动物、植物 和微生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 产者利用。 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。 3、微生物是生态系统中的初级生产者 光能营养和化能营养微生物是生态系统的初级生产者，他们具有初级生产者 所具有的两个明显特征，即可直接利用太阳能、无机物的化学能作为能量来源： 另一个方面起积紫下来的能量又可以在食物链、食物网中流动。 4、微生物是能量物质的储行者 微生物和动、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，储存着大量的物质和能量 5、微生物是地球生物演化中的先锋种类 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，为后来的动植物出现打下基础。 下面根据对微生物角色的介绍，来详细学习他的重要作用和功能。 第一节微生物在自然界中的分布与菌种资源的开发 一、微生物在自然界中的分布 (一)土壤中的微生物 1、土壤是微生物的天然培养基 土壤能提供微生物需要的全部营养物质和环境条件，因而它是微生物最适宜 的生活环境或“大本营”。岩石在风化过程中释放出的大量矿质元素和微量元素 适合于多数自养型微生物生长的需要。土壤中生长的动、植物和微生物残体及其 分解产物，又为异养型微生物提供了良好的碳源、氮源和能源。 2、土壤中的微生物分布 土壞是固体无机物（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。 土壤微生物种类多、数量多、代谢潜力巨大，是主要的微生物来源，是微生 物的大本营。 (1)自养菌：碳化菌、硝化菌、硫化菌、铁细菌 (2)异养菌：腐生菌、固氨菌、氨化菌 (3)致病（芽孢）菌： (4)放线菌：抗生素的重要来源 (5)真菌：以菌丝体和孢子的形式存在 (6)藻类：硅藻、绿藻 (7)病毒：肠道病毒为主，还有噬菌体 影响土壤微生物的数量和分布的因素：1)主要受营养物、含水量、氧、温 度、叫等因子的影响，并随土壤类型的不同而有很大变化：2)受季节影响：3) 与土层的深度有关，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。在个体数量上，土壤微生物一殷以细菌为最多，放线菌和真菌次之
藻类和原生动物较少。但如以生物量计算（菌体总重量），则以真菌最多。 (二)水体中的微生物 1、淡水微生物 1)数量和种类与接触的土壤有密切关系： 2)分布上更多的是吸附在悬浮在水中的有机物上及水底： 3)多能运动，有些具有很异常的形态（例如柄细菌）： 4)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：水中的病原微生物会对水质产生重要影响。 5)评价指标 ①大肠菌群数：是微生物污染的指标 埃希杆菌属、柠檬酸杆菌属、肠杆菌属、克雷伯杆菌屈一需氧或兼性厌氧 的、革兰阴性无芽孢杆茵。 在动物粪便中普遍存在且数量甚多：在水中的存活时间长但不繁殖：对外界的抓 抗力与致病菌相似：检测方法比较简便。饮用水中，大肠菌群数≤3/升水：饮 用水中不得检出类链球菌数：另细南总数<100/毫升水 ②粪链球菌数：是人及温血动物肠道内的正常菌群，是粪便污染的指标 影响水中微生物分布的因素： 在各种水体中，对微生物的生长起重要作用的因素是 ①营养物质含量。 ②温度-一温度对水体中微生物区系有明显影响。低温水域的微生物数量比 中温水域少。 ③水的深度-一般在水下数米至十几米深处细菌数量最多，菌数随深度的 增加而减少，到底部的沉积物表层又有所增加。 ④日光与水体的溶解氧量-一日光直接影响光合型微生物在水体中的生长 和分布。在日光可达的水中，光合型微生物占优势。水体中溶解的氧量影响 好氧菌和厌氧菌的分布。 3、海水微生物 海水中的微生物，由于受海洋特定条件的影响，与淡水有很大的差别。海水 的特点是含盐量高、渗透压大、水温低、有机质少、深水处静压力大。陆地上常
见的肠道细菌由于不适应海水的特定环境很快死亡。海洋中的微生物在不同的区 域有较大的变化，从每毫升几个到几T万个。近海岸淤泥以细菌最多，如1g海 泥中含有几亿个细菌，而海口、港湾的海水中每毫升约含10万个细菌，远洋的 海水每毫升只有10-250个细菌。海洋中生长的细菌总体来说有下面4个特点 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（一细菌，并具有运动能力 4)耐高压（特别是生活在深海的细菌）。 (三)空气中的微生物 大气中没有可为微生物直接利用的营养物质和足够的水分，这种环境不适合 微生物的生长繁殖。所以，大气中没有固定的微生物种类。但由于微生物能产生 各种休眠体以适应不良环境，有些微生物可以在大气中存在一段相当长的时间而 不致死亡。 大气中微生物的米源主要是土壤、水体和其他微生物源。进入大气的土壤尘 粒，水面吹来的小水滴、污水处理厂曝气产生的气溶胶、人和动物体表的干燥脱 落物、还有呼吸道呼出的气体都是大气微生物的米源。主要种类是细菌和霉菌。 细菌主要有枯草杆菌、微球菌以及八叠球菌，还有结核分枝杆菌、白喉杆菌等病 原菌。病毒主要有流感病毒、麻疹病毒等。一般是陆地上空>海洋，城市上空> 农村，近地面空气>高空空气。农村的畜既、城市的街道、医院和宿舍区的空 气所含的微生物数量和种类较多。 空气中的微生物种类和数量是大气污染程度的标志之一。常用的检测方法有 定时沉降计数法（主要是利用空气中的微生物自然沉降与牛肉膏蛋白陈培养基表 面，经培养后计数其上生长的菌落)、粘性玻片撞击法、定量吸收管法和滤膜定 量过滤法（将一定体积的空气通过过滤装置，然后在培养基上培养滤膜上的微生 物，计算其菌落数)等。 大气中微生物对我们的危害可以说是有百害而无一利： (1)引起呼吸道传染病，流行性感冒都是通过大气这一介质传播的。 (2)污染食品，使其发霉、腐败变质、产生毒素
(3)引起过敏反应 (4)引起真菌病注意无菌操作 微生物在空气中的传播方式： (1)尘埃(ust):固体，使空气中微生物的“飞行器”，由于重力作用要 自然沉降或遇雨沉降。因此，越接近地面的空气含菌量越高。 (2)飞沫(droplet):液体，来源于咳嗽、喷嚏，尤其是后者 (3)飞沫核(droplet nuclei):飞沫蒸发后，大多直径1-2μm, 微生物气溶胶(aerosol)的概念 以周体或液体微小颗粒（分散相）分散于空气（分散介质）中的分散体系。 分凝集性气溶胶和分散性气溶胶，直径<10μm，可利用此特性，植被微生物 气溶胶实现群体免疫。 (四)工农业产品中的微生物 1、农产品上的微生物 粮食在收获、加工和贮存过程中从土壤、器具、空气中污染的其它微生物， 它们在温度适宜、空气湿度大于70%时会迅速生长繁殖并使粮食变质，降低了 粮食的营养价值，失去食用性以及影响工业上的用途。最常见的污染微生物有曲 看、青需、假单胞菌和黄单胞南等，其中黄曲霉常在受潮的谷物、豆类和油料作 物籽粒上生长，因能产生有致癌作用的黄曲霉毒素而成为重要的检查对象 “毒大米”的真内一黄曲看毒素 日前，一些媒体在显著版面报道，我国广东、广西、江西、湖南等地市场上 查出“毒大米“数百吨，引起了公众的广泛关注。根据部分省公布的“毒大米”样 本检验结果，所抽检样本的黄曲霉毒素B1的含量均严重超标。黄曲霉毒素具有 很强的毒性，是强致癌物质，对此人们决不可掉以轻心。 酷暑季节，空气湿热。大米、花生、大豆等粮食，弄不好常常要长霉。在得 菌中有一种菌，叫黄曲霉菌，这种菌会分泌出一种致癌毒素一黄曲毒素素。 经过研究和鉴定，黄曲霉毒素是一类结构类似的微生物毒素混合物。目前已 分离出的黄曲霉毒素有20多种。在紫外线照射下产生蓝紫色荧光的为黄曲毒毒 素B1和黄曲霉毒素B2,产生黄绿色荧光的为黄曲霉毒素G1和黄曲得毒素G2等。 其中以黄曲毒毒素B1最常见、毒性最大，致癌性最强
黄曲霉毒素能在潮湿和8~46℃的温度范围内繁殖，最适宜的温度是30~ 38℃，相对湿度是80%~85%。黄曲霉毒素主要污染粮油及其制品，在发霉花 生、玉米、谷类、豆类等中的含量最高。黄曲霉毒素在水中溶解度低，耐高温， 在一般的烹调条件下不易被完全破坏，花生炒制后可使黄曲霉毒素的量减少40 %~60%。当加热到280℃以上时，黄曲霉毒素的毒性才能被破坏。在Na0H碱 性溶液中黄曲霉毒素易于被降解。 黄曲霉毒素的毒性被列为极毒。其毒性为人们熟知的剧毒药KC八的10倍。 为砒霜的68倍。黄曲霉毒素也是目前发现的化学致癌物中最强的物质之一，国 际癌症研究所将黄曲霉毒素确定为一级人类致癌物。黄曲霉毒素的毒性主要是对 肝脏的损害，导致肝癌。调查发现在粮油、食品受黄曲霉毒索污染严重的地区， 人类肝癌发病率也较高。我国江苏启东县和广西扶绥县是肝癌的高发地区，其原 因就是那里的玉米、花生等容易霉变产生黄曲霉毒素所造成的。黄曲霉毒素还可 以诱发骨癌、肾癌、直肠癌、乳腺癌、卵巢癌等。 黄曲得毒素对食品原料和成品的污染是一个广泛存在的问题。一般说来。热 带和亚热带地区食品污染较为普遍，其中以花生和玉米的污染最为严重。目前 有60多个国家制订了食品和饲料中黄曲霉毒素限量标准和法规。我国对食品中 黄曲霉毒素B1的最高允许量有严格规定（见下表）。 中国规定食品中黄曲得得素B1最高允许量 食品最高允许量/μg·kg-1 玉米、花生及其制品20 大米、食用油类（花生油除外）10 其他粮食、豆类、发酵食品5 婴儿食品 不得检出 食品的卫生直接关系到人体的健康，限制各种食品中黄曲霉毒素，使之达到 尽可能低的水平，可以保障人类的健康。日常生活中，具有一些黄曲毒毒素的知 识，特别是对于气候比较潮湿温暖的我国南方居民来说，是非常重要的。最根本 的措施是以预防为主，注意粮食、油料、食品等应储存在低温、干燥、通风的地 方，防止需变。其次，绝对不能食用霉变的花生和大米。霉变大米色洋发黄、表 面粗糙、易碎，霉变严重者呈褐黑色，有异味。如果黄曲毒毒素已混入大米和花
生中，吃前应把发了霉、变了色的挑出来，然后还应该仔细用水搓洗多次，可使 其中的黄曲霉毒索大大减少。对于混入食用油中的黄曲霉毒素，可在炒菜前先把 油加热到有微烟产生，再把盐加到油里，加热半分钟后再炒菜，这样去毒的效果 可达95%以上。再次，要严禁生产、加工、销售有毒霉变大米，一旦发现立即 销毁。 2、食品上的微生物 肉类上常见的细菌有芽孢杆菌、梭菌、无芽孢杆菌和球菌等类群：真菌多为 曲霉、毛霉等：致病微生物除对人畜都有致病作用的结核杆菌、炭疽杆菌、沙 门氏菌、布氏杆菌等外：乳如被致病微生物污染，还可能以乳为媒介而引起食物 中毒或其他传染病的传播。 不利影响：由于微生物的生长繁殖而腐烂、变质，不能再食用或使用：它是 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，如肉类能头中，肉毒梭菌能产生毒性极高的外 毒素—肉毒毒素，误食少量亦可造成死亡。 有利影响：利用特定的微生物制备风味食品，如酱制品、米酒、腌酸荥等： 3、引起工业产品得变的微生物 玻璃因微生物的活动而产生腐蚀与变质，降低显微镜、望远镜等光学仪器的 性能：霉菌产生纤维素破坏棉、麻、竹、木等材料：蛋白酶分解革、毛、丝、 裘等产品：一些氧化剂可破坏涂料、塑料、橡胶等合成材料。微生物在各类工业 产品上的生长所造成的产品的霉腐给人类造成了巨大的损失（硫细菌、铁细菌和 硫酸还原细菌都会腐蚀金属制品、地下管道、船舰外壳等：霉腐微生物还会腐蚀 机电设备、电讯器材、光学仪器等)。工业上防止微生物引起的霉变可以从以下 几个方面进行防治：①控制微生物生长繁殖的条件，如温度、湿度、氧气和养料： ②采用高效的化学杀菌剂和防腐剂，杀灭或去除物品上的微生物，并防止杂菌的 再污染③可在工业产品上涂上一层抗微生物腐蚀的材料或涂上含有抗菌杀菌物 质的薄膜，保护他们不受损害。 而另一方血，有时也努力想开发并推广使用可被微生物降解的产品，或利用 微生物的降解特性。如生物可降解塑料：开发、利用纤维素（能源、饲料）：些 麻脱胶等
(五)极端环境下的微生物 极端环境微生物我们在前面曾经多次提到，因为它在微生物的研究中具有非 常重要的意义：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，如基因组学、生物电子 器材等的研究提供新的课题和材料。③微生物进化、生命起源的研究提供新的材 料。 1、嗜热微生物 细菌是嗜热微生物中最耐热的，按照他们的耐热程度的不同又可以被分成5 种类型：耐热菌、兼性嗜热菌、专性嗜热菌、极端嗜热菌和超嗜热菌。大部分超 嗜热菌是古生菌，前四种都是真细菌。热泉是嗜热微生物的重要生境，大部分的 暗热菌都是从热泉中分离的，嗜热微生物生物大分子蛋白质、核酸、类脂的热稳 定结构以及存在的热稳定性因子是他们嗜热的生理基础。新的研究表明，专性嗜 热菌株的质粒携带者与热抗性相关的遗传信息。 从对于嗜热微生物的研究我们不难看出：P252的特点，这些都是基于嗜热 微生物与一般常温菌细胞结构的不同。 嗜热微生物有远大的应用前景，高温发酵可以避免污染和提高发酵效率，其 产生的酶在高温时有更高的催化效率，高温微生物也易于保藏。嗜热微生物还可 用于污水处理。嗜热微生物的耐高温D八M多聚酶使D体外扩增技术得到突破， 为PCR技术的广泛应用提供基础，这是嗜热微生物应用的突出例子。 2、嗜冷微生物 能在较低温度下生长，可以分为专性和碱性两类。前者的最高生长温度不超 过20℃，后者可在低温下生长也可在20℃以上生长。 对于暗冷微生物的研究远远没有嗜热微生物那样透彻。目前我们只知道生冷 微生物适应环境的生化机理是因为细胞膜的组成中有大量的不饱和、低熔点脂肪 酸。那么保存在冰箱中的食物时间长了还是会腐败，就是因为这种喑冷微生物在 作怪。 同时我们也可以利用嗜冷微生物当中的特殊的在较低温度下仍有较高活性 的碑，为工业和日常生活所用。 3、酸微生物
生长在3-4以下。这种温和的酸性在自然环境中较为普遍，如某些湖泊泥 炭土和酸性沼泽。极端的酸性环境包括各种酸水、酸热泉、火山湖、地热泉等。 嗜酸微生物一般都是从这种环境中分离出来的。 在电镜下，这类嗜酸菌细胞与一般苹兰氏阴性细菌无明显差别，但他们能 在高酸性环境下维特菌体内的近中性环境。现在一般认为他们的细胞壁、细胞膜 具有排斥+的作用或将+从胞内排出的机制。 4、嗜碱微生物 地球上碱性最强的自然环境是碳酸盐湖及碳酸盐荒漠，极端碱性湖如肯尼亚 的玛格达湖是地球上最稳定的碱性环境。我国的碱性环境有青海湖等。碳酸盐是 这些环境的主要来源。 与嗜酸性菌一样，是碱性均的细胞膜具有排出0H-的功能，在它所处的外界 环境中值达到11-12时，仍可以维持细胞内近中性的pH值，它所产生的胞外 酶也具有耐碱性，比如可以产生淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等最适州均在碱性范 围内。 5、盐微生物 含有高浓度盐的自然环境主要是盐湖，如青海湖、美国的大盐湖、黎巴嫩的 死海还有俄罗斯的里海，此外还有盐场、盐矿旷和用盐腌制的食品。海水中含有约 3.5%的NaC1,是一般的含盐环境。根据对盐的不同要求，嗜盐微生物可以分为 弱嗜盐微生物、中度嗒盐微生物和极端略盐微生物。 6、嗜压微生物 需要高压才能良好生长的微生物。分布在深海底部和深油井等处。嗜压南的 耐压性机制目前还不清楚。有人在西太平洋海底分离到一种既可在高压下生长也 能在常压下生长的革兰氏阴性细菌，它在高压下生长时能长生独特的外壁蛋白， 它的含量在高压下为常压下的70倍。可能耐压性与这种蛋白的产生有关。 7、抗辐射的微生物 是指对辐射有一定的抗性或耐受性的微生物，他在有没有辐射的环境中都能 够生存。比如一种耐辐射奇异球菌在受到一定剂量的射线照射后，虽已发生相当 数量的D八A链断裂，但都可以准确的修复，行活率可达10O%,而且几乎不发生 突变
