微生物的生态

有关基本概念：

生态系统：  在一定的空间内生物的成分和非生物的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。

生态学：研究生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系

微生物生态学：研究微生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系

 

第一节  自然界中的微生物

一、空气中的微生物

分布特点：

1．无原生的微生物区系 

2．来源于土壤、水体及人类的生产、生活活动， 

3．种类主要为真菌和细菌，一般与其所在环境的微生物种类有关 

4．数量取决于尘埃数量 

5．在空气中的停留时间和尘埃大小、空气流速、湿度、光照等因素有关 

6．与人类生活关系密切

二、 水体中的微生物

一）  江河水  特点： 

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) 淡水中的微生物是可以运动的，而且某些淡水中的细菌例如柄细菌具有很异常的形态，这些异常形态使得菌体的表面积与体积之比增加，从而使这些微生物能有效地吸收有限的营养物；

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；

5）水体自身存在自我净化作用：

二）海水 

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 ）耐高压（特别是生活在深海的细菌） ，少数微生物甚至可在 600个大气压下生长， 

4） 大多数海洋细菌为 G—细菌，并具有运动能力；

三）水体的富营养化作用和“水花”、“赤潮” 

当水体接受了大量的有机物或无机物，特别是磷酸盐和无机氮化合物，引起水的富营养化。由于水中含有过多的含氮、磷等的营养物质，引起藻类过量生长，产生大量的有机物（藻类）异养微生物氧化这些有机物，耗尽水中的氧，使厌氧菌开始大量生长和代谢，并分解含硫化合物，产生  H2S，从而导致水有难闻的气味，并由于缺氧引起鱼和好氧微生物的死亡，最终引起水出现大量沉淀物和水体颜色异常。上述过程又称富营养化作用，它是水体受到污染并使水体自身的正常生态失去平衡的结果。在水体的富营养化作用中，藻类、蓝细菌等的大量繁殖使水体出现颜色，并变得浑浊，许多藻类团块漂浮在水面上，从而形成所谓的“水花”或“水华”（water  bloom）在海洋中，某些甲藻类大量繁殖也可也可以形成水花，从而使海水出现红色或褐色，即所谓的赤潮或红潮（red tides） 。

三、土壤中的微生物 

1）土壤微生物的数量和分布主要受到营养物、含水量、氧、温度、pH等因子的影响，并随土壤类型的不同而有很大变化。

2）土壤微生物的数量和分布受季节影响； 

3）微生物的数量也与于土层的深度有关，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。

四、工农业产品上的微生物 

1．微生物引起的工业产品的霉腐 

2．食品、农副产品上的微生物

五、极端环境下的微生物

极端环境下微生物的研究有三个方面的重要意义：

(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：功能基因组学、生物电子器材等的研究提供新的课题和材料；

(3)为生物进化、生命起源的研究提供新的材料。 

极端环境下的微生物 ：1、嗜热微生物 2、嗜冷微生物 3、嗜酸微生物 4、嗜碱微生物 5、嗜盐微生物 6、嗜压微生物

六、不可培养的微生物

在自然界中存在的微生物中，已为人们所认识的仅占很小一部分（通常认为仅 10%，有人认为在土壤中生活的微生物仅有 1%可用目前的方法在实验室进行培养） ，其中的原因就在于在在自然界中存在的大多数微生物在目前的条件下不能在实验室进行人工培养，不可能得到其纯培养并对其进行形态及生理、遗传等特性进行研究。CARL WOESE在 1977就提出的用 rRNA（原核的16s 和真核的 18s）揭示生物的系统发育的方法为我们研究并开发不可培养微生物提供了可能。  其方法通常是用各种特定的引物（例如所有真细菌（eubacteria）的保守 16s  rRNA 区段或某种微生物的特异 DNA 或 16s rRNA保守序列等）进行 PCR从各种生态环境中克隆 16s rRNA，并对其进行序列分析和同源性分析，发现和开发不可培养微生物。

 

 

第二节  微生物与生物环境间的相互关系

自然环境中的微生物一般都不是单独存在的，存在个体、种群、群落和生态系统从低到高的组织层次。

群体（population） ：具有相似特性和生活在一定空间内的同种个体群，是组成群落的基本组分。

群落（community） ：在一定区域或一定生态环境内，各种生物群体构成的一个生态学结构单位，群落中各生物群体之间存在各种相互作用。

生态系统（ecosystems） ：生物群落和它们所生活的非生物环境结合起来的一个整体。

生态系统是生物圈的组成单元，  生物圈内的任何一个相对完整的自然整体都可以被看作为生态系统，如一个池塘，一片森林，一个污水处理池，等等。

生物圈（biosphere） ：地球上所有生物及其所生活的非生命环境的总称。

一般来说，在生态系统中生物之间的相互关系归纳起来有如下三种： 

1．  有利关系：一种生物的生长和代谢对另一种生物的生长产生有利的影响，或相互有利； 

2．  有害关系：一种生物的生长对另一种生物的生长产生有害的影响，或相互有害； 

3．  中性关系：二种生物生活在一起时，彼此对对方的生长代谢无明显的有利或有害影响。

 

微生物间及微生物与其它生物间最常见的几种相互关系

 

一、互生

二种可以单独生活的生物，当它们生活在一起时，通过各自的代谢活动而有利于对方，或偏利于一方的一种生活方式。因此，这是一种“可分可合，合比分好”的相互关系

（一）  微生物间的互生关系  在自然界中，微生物间的互生关系非常普遍，也很重要。

（二）  人体肠道正常菌群  人体肠道正常菌群与宿主间的关系，主要是互生关系，但在某些特殊条件下，也会转化为寄生关系。

 

二、  共生

二种生物共居在一起，相互分工协作、相依为命，甚至形成在生理上表现出一定的分工，在组织和形态上产生了新的结构的特殊的共生体。

共生一般有二种情况：互惠共生（二者均得利）和偏利共生（一方得利，但另一方并不受害）

（一）  微生物间的共生关系

例如地衣  地衣是微生物间典型的互惠共生形式，它是藻类和真菌的共生体，

结构上的共生：生理上的共生：这种共生关系具有重要的生态学意义，对土壤形成具有重要作用。

（二）  微生物和植物间的共生关系

根瘤菌与豆科植物间的共生关系就是典型的例子­­­­­­形成根瘤共生体。根瘤菌固定大气中的气态氮为植物提供氮素养料，而豆科植物的根的分泌物能刺激根瘤菌的生长，同时，还为根瘤菌提供保护和稳定的生长条件。

（三）  微生物与动物的共生关系 

1． 与昆虫的共生关系

 1）外共生：

2）内共生： 

2．与反刍动物的共生关系

反刍动物，如牛、羊、骆驼、长颈鹿等以植物的纤维素为主要食物，它们在瘤胃中经微生物发酵变成有机酸和菌体蛋白再供动物吸收利用。与此同时，瘤胃也为里面居住的微生物提供了必要的营养和生长条件

 

三、 寄生  所谓寄生，一般指一种小型生物生活在另一种相对较大型生物的体内或体表，从中取得营养和进行生长繁殖，同时使后者蒙受损害甚至被杀死的现象。  前者称为寄生物（parasite） ，后者称为寄主或宿主（host）

（一）  微生物间的寄生 

1．噬菌体—细菌； 

2．蛭弧菌—细菌； 

3．真菌— 真菌； 

4．真菌、细菌—原生动物；

（二） 微生物与动植物

各种各样的致病菌多是行寄生生活。

择生生物，现一般称为悉生生物或定菌生物（Gnotobiote）指整个个体不携带或只携带已知微生物的生物。与通常携带众多种类微生物且数量很多的普通生物相比，用它做实验研究有很多优点：干扰因素少，操作易控制，既可进行定性分析，也可进行定量分析，实验结果准确、可靠，对于了解微生物与宿主之间复杂的关系及其机理具有十分重要的作用。

 

四、拮抗  所谓拮抗，系指某种生物产生的代谢产物可抑制它种生物的生长发育甚至将后者杀死。

在一般情况下，拮抗多是指微生物间的“化学战术”，最典型的就是抗生菌所产生的能抑制其它生物生长发育的抗生素；

此外，有时因某种微生物的生长而引起的其它条件的改变（例如缺氧、pH改变等） ，从而抑制它种生物的现象也称拮抗。

 

五、竞争  竞争：两个种群因需要相同的生长基质或其它环境因子，致使增长率和种群密度受到限制时发生的相互作用，其结果对两种种群都是不利的。

 

六、捕食  捕食：一种种群被另一种种群完全吞食，捕食者种群从被食者种群得到营养，而对被食者种群产生不利影响。

 

对微生物来说，一般有如下几种情况： 

1．  原生动物吞食细菌和藻类； 

2．  粘细菌吞食细菌和其它微生物； 

3．  真菌捕食线虫和其它原生动物；

 

 

第三节  微生物在生态系统中的作用

生态系统是生物群落和它们所生活的非生物环境结合起来的一个整体

特点：  在一定的空间内，  生物的成分和非生物的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，  可划分为三大类群：  生产者  （从无机物合成有机物，例如植物、某些微生物） 、消费者（利用有机物进行生活，一般不能将有机物直接分解成有机物，例如动物、某些微生物）和分解者（分解有机物成无机物，形成完整的物质循环） 。微生物可以在多个方面但主要作为分解者而在生态系统中起重要作用。