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1、微生物的生态学习心得微生物的生态学习心得微生物的生态学习心得生物工程05-2班王正明微生物生态学是生态学的一个分支，它的研究对象是微生物群体与其周围生物及非生物环境条件间相互作用的规律。研究微生物的生态规律有着重要的理论意义和实践价值。第一部分本章内容简介一微生物在自然界中的分布及微生物资源地开发1微生物在自然界中的分布土壤中的微生物：含量细菌放线菌霉菌酵母菌藻类原生动物水体中的微生物：淡水型、海水型空气中的微生物：主要来自土壤，动植物和水体。工农业产品中的微生物极端环境下的微生物嗜酸、嗜碱、嗜热、嗜冷、嗜盐、嗜压、抗辐射微生物。生物体内外的正常菌群2菌种资源的开发二微生物与生物环境的关系互生
2、：混菌培养共生：如固氮菌与豆科植物间的共生，瘤胃微生物与反刍动物间的共生寄生：如蛭弧菌与其宿主细菌间的寄生拮抗：如拮抗性放线菌能产生多种抗生素捕食三微生物与自然界物质循环碳素循环：主要通过光合作用和呼吸作用来实现。氮素循环：生物固氮硝化作用同化性硝酸盐还原作用氨化作用铵盐同化作用异化性硝酸盐还原作用反硝化作用亚硝酸氨化作用硫素循环与细菌沥滤：同化性硫酸盐还原作用脱硫作用硫化作用异化性硫酸盐还原作用异化性硫还原作用磷素循环四微生物与环境保护1微生物治理污染；2沼气发酵与环境保护；3用微生物检测环境污染。第二部分学习方法对于本章的学习，首先应该结合资料认真学习课本知识，掌握全章的结构和内容，还要注
3、意几个重要的概念，如混菌培养，BOD，COD等等。再次，应该注意科学实验，特别是借助纯培养来研究微生物的生长规律。最后，应注意实际应用。研究微生物的生态有很重要的实际意义，本章介绍了微生物生态的应用，如应用微生物治理污染，进行环境检测，沼气发酵等等。扩展阅读：微生物生态学复习总结微生物生态学复习总结一、名词解释未培养微生物、可培养微生物、微生物生态学、平板菌落计数法（CFU）、最大或然值法（MPN）、COD、BOD、TN、TP、活性污泥、生物转盘法、膜生物反应器、生物强化技术、水体富营养化、水华/赤潮、蓝藻水华、湖泛、生物被摸、群感效应（QS）、多聚体菌细胞附属物、共生、内共生、表共生、基因水
4、平转移、转导、转化、接合、整合子、泛基因组、生物放大（生物富集作用）、生物处理、生物修复（生物整治）1.未培养微生物：生理、生态功能未知，没有相应培养技术，或者生理、生态功能已知，具有培养技术，但尚未获得培养的一类微生物。2.平板菌落计数法（CFU）：将样品用无菌生理盐水进行系列稀释，取合适的稀释度，以涂布法接种于平板上，经过一定时间培养后，直接统计平平板上的菌落数，再根据相应公式计算。3.可培养微生物：可重复的在受控的条件下以一个确定的方式生长。4.微生物生态学：研究微生物之间及其与其周围生物环境与非生物环境之间的相互作用和功能的学科。5.最大或然值法（MPN）：将样品用无菌生理盐水进行系列
5、稀释，取3种或5种不同的稀释度接种于培养基中，培养一定时间后，根据各稀释度的生长管数以统计学的方法计算出样品中所含微生物的量。6.COD：1L污水中所含有机物再用强氧化剂将它氧化后，所消耗氧的毫克数。7.BOD：在1L污水中所含的一部分容易氧化的有机物，当微生物对其氧化分解时，所消耗的水中溶氧毫克数。8.TN：样品中所含全部氮素量。9.TP：样品中所含全部磷素量。10.活性污泥：一种由活细菌、原生动物及其他微生物群聚集在一起组成的凝絮团，具有很强的吸附、分解有机物和毒素的能力。11.生物转盘法：12.膜生物反应器：将膜分离技术和生物反应器的生物降解作用集于一体的生物化学反应系统。它以超滤或微滤
6、膜业件替代传统活性污泥法中的沉淀池实现泥水分离。13.生物强化技术：在生物处理系统中，通过投加具有特定功能的微生物、营养物或基质类似物，达到提高废水处理效果的手段和方法。14.水体富营养化：指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。15.水华/赤潮：由于水体富营养化，导致浮游生物大量繁殖，使水体呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等，这种现象在江河湖泊中叫水华，在海中叫赤潮。16.蓝藻水华：由于蓝藻的过度生长和繁殖导致水体颜色变蓝或者变绿的现象。17.湖泛：湖泊水体中富含
7、大量有机物，在微生物的分解作用下，大量消耗氧气，出现厌氧分解，微生物在还原条件下，促进许多“黑臭”物质的形成，进而影响水质和湖泊微生态系统的结构和功能。18.生物被摸：由胞外多聚基质包被的高度组织化、系统化的微生物膜性集合体。细菌间有信息交流来控制群体行为，胞内信号分子控制生物膜的形成和发育，有发育周期。19.群感效应（QS）：细菌通过分泌胞外小分子信号从而控制其群体行为的现象。20.多聚体菌细胞附属物：由一种或几种结构蛋白及其附属蛋白组成的细菌表面结构。它们在生物膜形成过程中，主要参与菌体与载体或寄主表面的吸附以及菌细胞间的粘附。21.共生：两种不同生物之间所形成的紧密互利关系，一方为另一方
8、提供有利于生存的帮助，同时也获得对方的帮助。22.内共生：细菌或古菌等存在于鞭毛虫细胞内23.表共生：细菌或古菌等附着于鞭毛虫细胞的表面。24.基因水平转移：是指在差异生物个体之间，或单个细胞内部细胞器之间所进行的遗传物质的交流。基因水平转移是微生物进化的重要动力，质粒是基因水平转移的重要载体25.Pan-genome泛基因组：在分子生物学中泛基因组是描述一个物种的所有基因序列的总和。它包括：双链的所有基因组核、非必须的基因组、特殊的单链的独一无二的基因26.生物放大：是指在食物链中不同层次的生物可以逐级浓缩有机污染物的作用，而使得在级别越高的生物中其浓度越高。也就是通常所说的生物富集作用。这
9、样的有机污染物必须满足以下两个条件：(1)难以生物降解，(2)亲脂性。27.生物处理：利用处理系统中的生物，主要是微生物的代谢活动以及各种特性来处理各种废弃物的过程，主要针对各种污染源和小范围的环境污染。28.生物整治（生物修复）：利用处理系统中的生物，主要是微生物的代谢活动减少污染现场污染物的浓度或使其无害化的过程，特点是可以对大面积的环境污染进行治理。二、重点问题第一讲概论1.微生物元基因组的原理2.微生物分离培养的方法。（微生物高通量培养技术）3.微生物生态学十原则：（1）作用：催化；（2）数量：每种植物至少有15种微生物；（3）微生物催化作用于数量有关；（4）微生物功能在微观上，但可以
10、在宏观上看出来；（5）代谢多样性，它几乎能参与地球上所有的反应，微生物代谢远远超过动植物；（6）微生物有营养、捕食者及对环境变化的耐受决定种群的数量级地位；（7）微生物易变化；（8）一种必须元素可以决定生境中的微生物；（9）营养（有限营养）可以限制微生物生长；（10）微生物之间的竞争。第二讲第三讲微生物生态学的研究方法1.微生物的传统培养方法。一般流程：样品采集富集培养分离纯化分类鉴定特性与功能的研究2.分子生物学的方法基本原理：根据生物所独具的特征分子，对生物的特征分子的定性与定量分析，从而分析该类群微生物在生态环境中的数量与功能的研究方法。（1）核酸分子杂交原理：根据核酸的解链和复性原则及
11、碱基配对原则，利用两条不同来源的多核苷酸之间的互补性而使它们形成杂体双链。探针技术：利用标记分子对其它分子的识别而实现对后者进行检测的一种术。菌落原位杂交、斑点杂交、Southern印迹杂交、Northern印迹杂交、荧光原位杂交（FISH）（2）PCR扩增技术注意事项：a、样品采集要有代表性，总DNA提取要完全。b、引物设计要合适，要有代表性。C、对PCR扩增条件优化，要是目的基因得到完全均衡的扩增，从模板浓度、退火温度、循环次数着手。d、PCR产物分析：构建基因文库进行多态性分析选择有代表性的克隆进行序列测定构建系统进化树。（3）变性梯度凝胶电泳（DGGE）原理：使用一对特异性引物PCR扩
12、增微生物自然群体的16SrRNA基因，产生长度相同但序列有异的DNA片段的混合物，然后用DGGE分离产物混合物。在一定温度下，在同一变性剂浓度下,序列不同的产物其部分解链程度也不同,而产物解链程度又直接影响其电泳迁移率，结果不同的产物在凝胶上就可以分离。（4）QC-PCR原理：在PCR反应体系中加入一定已知量的竞争性模板作为内标，与未知浓度的目标模板一起进行PCR扩增，通过二者产物的比值反映初始目标模板浓度。（5）高通量测序技术第四讲污水处理微生态系统1.污水处理的基本原理发挥各种微生物群落的代谢特征，以去除污水中的各种污染物。通过各种反应器与工艺，来维持高的细胞浓度，调节系统的微生物种群结构
13、，提高微生物的代谢活性。第一阶段：水解酸化阶段。有机物在水解酸化菌的作用下转化为H2，CO2，乙酸和其他有机酸以及新细胞。部分大分子有机物转化为溶于水的小分子有机物。第二阶段：有机酸的进一步降解阶段。第一阶段产生的有机酸被产氢产乙酸菌利用，转化为甲酸，H2/CO2和乙酸。第三阶段：产甲烷阶段。H2/CO2和甲酸、乙酸被产甲烷菌利用而转化为CH4、CO2和H2O。第四阶段：同型产乙酸菌阶段。该同型产乙酸菌将H2/CO2转化为乙酸而被产甲烷菌所利用。2.脱氮处理3.除磷处理聚磷菌独特的代谢活动完成了磷从液态(污水)到固态(污泥)的转化。4.污水处理的基本类型（1）悬浮细胞污水处理系统（2）生物膜污
14、水处理系统（3）活性污泥处理系统5.活性污泥法中最主要的因素在活性污泥法中的重要一点是污泥的沉降性能，严重影响处理效果。如果活性污泥沉降性能差，将导致活性污泥膨胀，主要是由于丝状细菌和真菌的过分繁殖引起的，虽然活性污泥的膨胀机理尚不完全清楚，但通常是在高的C：N、C：P比及低溶氧条件下容易产生活性污泥膨胀。第五讲湖泊富营养化与湖泊微生物生态学1.水华蓝藻的种类（1）单细胞，不固氮：微囊藻、束球藻（2）丝状，无异形胞，多不固氮：鞘丝藻、颤藻、浮游蓝丝藻（3）丝状，有异形胞，固氮：项圈藻、水华束丝藻、节球藻2.蓝藻水华的危害（1）微囊藻异常繁殖，产生大量微囊藻毒素和异味物质（甲硫醇、甲硫醚）。藻毒
15、素进入水体，影响地下水，危害人类健康。直接食用藻类导致中毒，危害食品安全。水体腥臭，功能尚失。空气质量下降。（2）蓝藻增殖后导致微食物网结构和功能发生变化，碳循环和上传的效率增加。（3）蓝藻增殖滋生一些病原菌。（4）蓝藻水华导致碳转化途径变化，如促进甲烷形成，产生温室效应。（5）蓝藻水华导致水生植物、鱼类的结构发生变化。甲壳动物生长发生变化，小型浮游动物占据优势。（6）微囊藻增殖促进水体中有机聚集体形成，磷细菌活跃，促进活性磷形成。（7）水体透明度下降。3.防治对策控制水体富营养化，建立有效的预测和预警机制，有效的灾害应急处理技术。第六讲微生物群感效应与生物膜形成1.微生物为什么形成生物被摸？
16、（1）可以让整个群体附着并停留在营养较为充足的环境中，利于群体的壮大；（2）增强微生物在自然环境中的生存能力。2.生物被摸的发育周期及影响因子。可逆吸附不可逆吸附生物形成初期生物成熟期种子散播期EPS：多糖、eDNA、蛋白质多聚体菌细胞附属物：鞭毛、菌毛、纤毛信号分子：胞内（cyclic-di-GMP）、胞外（QS）3.Cyclic-di-GMP调控生物被膜的机制。(1)通过调控生物膜形成相关的多糖或蛋白的转录与合成来影响生物膜的形成；(2)直接参与基因的转录；(3)通过GGDEF和EAL蛋白在菌体内的定位聚集影响生物被膜形成和撒播。4.QS信号分子的种类及机理1)G-菌的QS信号分子-常见：
17、高丝氨酸内酯。-其他：CAI-1；PQS；LuxS。2)G+菌的QS信号分子：Nisin（是抗菌肽，同时也是QS信号分子。通过NisK/NisR来起调控作用）3)古细菌QS信号分子：类似于G-菌。QS是细胞与细胞间的通信：1)Intraspecies(同种细菌间的信息交流）AHL是G-细菌主要的种内信号分子2)Interspecies（不同种细菌间的信息交流）VibrioAI-2已在的55种细菌中发现（包括G-和G+在内）,是被共认的种间信号分子。AI-2的种间信号功能已在肠道细菌群及口腔微生物中得到证实。1种间的信息交流有时是单方向的；2种间的信息交流不一定是互惠互利的；3细菌可以与其它微生
18、物间的交流。5.控制生物膜的手段（1）抑制菌细胞与载体表面的吸附；（2）机械方式清除生物被膜；（3）杀死生物被膜内的细菌。离子螯合剂，表面活性剂;（4）分解已形成的生物被膜。营养，氧浓度，QS，生物被膜内细胞大量死亡，D-氨基酸。（5）通过干扰QS系统从而控制生物被膜（quorumquenching,群体猝灭）。化学合成的QS类似物，天然QS抑制剂。第七讲海洋微生物生态系统1.海洋微生物的培养特性（1）难以分离培养（2）附着性和集结性（3）生长缓慢（4）特殊的培养要求（5）存在活的不可培养状态(viable-but-nonculturable，VBNC)2.海洋微生物的形态和生理生化特性（1）
19、海洋微生物细胞形态的多变性（2）生理生化反应的多变性（3）不易传代和保存（4）难以分类鉴定3.扩增性rDNA限制性酶切片段多态性分析(AmplifiedRibosomalDNARestrictionAnalysis，ARDRA)：将16SrDNA-PCR技术与RFLP技术相结合而发展起来的微生物多样性研究技术；即采用识别4个碱基的限制性内切酶对克隆获得的16SrDNA进行酶切，通过电泳分析酶切后的片段长度多态性。4.末端限制性片段长度多态性(TermanalRestrictionFragmentLengthPolymorphism，T-RFLP)：利用一定的标记引物对样品中DNA进行特异扩增，
20、然后进行限制性内切酶酶切，检测末端限制性片段的多态性。5.rDNA间隔区分析(rDNAinternalspaceranalysis，RISA)：利用16SrDNA3保守区和23SrDNA5保守区设计引物，PCR扩增环境样品中的16S-23rDNA间隔区，通过分析该扩增片段的核苷酸序列或比较其差异，进行微生物多样性研究6.DAPI染色和AO染色DAPI：4,6-二脒基-2-苯基吲哚(4,6-diamidino-2-phenylindole)，是一种能够与DNA强力结合的荧光染料。它结合到双链DNA小沟的AT碱基对处，一个DAPI分子可以占据三个碱基对的位置。结合到双链DNA上DAPI分子的荧光强
21、度提高大约20倍，常用与荧光显微镜观测。DAPI也可以和RNA结合，但产生的荧光强度只有与DNA结合的荧光强度的1/5。AO:3，6（二甲胺基）吖啶盐酸盐（AcridineOrange），是一种荧光色素，该染料具有膜通透性，能透过细胞膜，使核DNA和RNA染色。它与细胞中DNA和RNA结合量存在差别，可发出不同颜色的荧光，与DNA结合量少发绿色荧光，与RNA结合量多发桔黄色或桔红色荧光。因此，在荧光显微镜下观察，吖啶橙可透过正常细胞膜，使细胞核呈绿色或黄绿色均匀荧光。7.荧光原位杂交(FluorescenceinsituHybridization,FISH)将荧光标记的具有属种（或类群）特异性
22、的寡核苷酸探针与经固定的环境样品中的DNA或RNA进行杂交，并通过扫描共聚焦显微镜（scanningconfocallasermicroscopy，SCLM）检测杂交信号。该技术广泛应用于环境中特定微生物的种群鉴定、种群数量分析及特异微生物跟踪检测。8.元基因组/宏基因组(Metagenome)：某一特定环境中全部微生物遗传物质的总和（总DNA）元基因组学/宏基因组学(Metagenomics)：利用现代基因组技术直接研究自然状态环境中的微生物群落,而不需要经过分离、培养单一种类的微生物第八讲白蚁肠道微生物生态学1.白蚁肠道微生物的共生机理（1）H2consumption:螺旋体和甲烷菌（2）
23、固氮(nifH基因的多样性)和提供氮源:螺旋体,梭状芽孢杆菌等（3）纤维素发酵:乳酸细菌等（4）纤维素降解:纤维素降解菌（5）营养作用（提供乙酸）第九讲生物冶金的微生物生态系统第十讲微生物的耐药性及生态效应1.细菌耐药机制（1）产生一种能药物失去活性的酶。如抗青霉素的菌株可产生-内酰胺酶，从而使抗生素的核心结构中的内酰胺键断裂而丧失活性。（2）把药物作用的靶位加以修饰和改变。如抗链霉素的菌株可以通过突变使30s核糖体亚单位的p10蛋白组改变，从而使链霉素不再与这种变更的30s亚单位结合。（3）形成“救护途径”，即通过被药物阻断的代谢途径发生变异，而变成仍能合成原来产物的新途径。（4）通过改变孔蛋白，或细胞膜的通透性，使药物不能透过细胞膜或细胞壁。（5）通过主动外排泵把药物泵出细胞。第十一讲有机污染环境微生物修复第 13 页 共 13 页