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1、微生物生态和农业微生物应用技术第一页，讲稿共三十页哦本章主要内容本章主要内容 1 1、环境与生态、环境与生态 2 2、环境中的微生物、环境中的微生物 3 3、微生物与生物地球化学循环、微生物与生物地球化学循环 4 4、生物间的相互关系、生物间的相互关系 5 5、应用微生物技术、应用微生物技术 6 6、资源微生物开发的理论和实践、资源微生物开发的理论和实践第二页，讲稿共三十页哦环境与生态环境与生态l环境：环境：生物体外的空间；生物体外的空间；l环境因素：环境因素：化学因素、生物因素、物理因素化学因素、生物因素、物理因素l生态学：生态学：研究生态系统内物理、化学、生物因素相互作用的学科。研究生态系
2、统内物理、化学、生物因素相互作用的学科。l生态与生态系统：生态与生态系统：n生态：生态：区域内生物因素、化学因素和物理因素的协调统一。区域内生物因素、化学因素和物理因素的协调统一。n生态系统：生态系统：一定空间内生物因子和非生物因子通过物质循环和能一定空间内生物因子和非生物因子通过物质循环和能量流动形成的相互作用、相互依存而构成的一个系统。包括量流动形成的相互作用、相互依存而构成的一个系统。包括 宏宏观生态系统和微生态系统观生态系统和微生态系统n生态平衡：生态平衡：一定生态系统内三因素协调的动态稳定一定生态系统内三因素协调的动态稳定n生物因素：生物因素：生产者、消费者、分解者生产者、消费者、分
3、解者第三页，讲稿共三十页哦 生产者 消费者 （主要自养生物）（各种动物）分解者（化能有机营养型微生物，分解死亡的生物体）食物链 生态系统中的生物生态系统中的生物第四页，讲稿共三十页哦生态系统内生物之间的相互关系 植物 动物 微生物食物链协助种群扩大协助种群扩大促进植物生长促进植物生长协助种群扩大协助种群扩大促进微生物生长（动物体内、体外）促进微生物生长（动物体内、体外）促进生长、传染病促进生长、传染病促进生长、植物病害促进生长、植物病害促进生长和繁殖促进生长和繁殖环境中的微生物环境中的微生物第五页，讲稿共三十页哦 微生物种群研究，也就是微生物区系分析，微生物区系分析方法包括：微生物种群研究，也
4、就是微生物区系分析，微生物区系分析方法包括：传统的基于可培养技术的方法。工作步骤：传统的基于可培养技术的方法。工作步骤：采样采样数量测定、纯种分离数量测定、纯种分离分类鉴定分类鉴定生物学特性研究（包括表形性状研究和生物学特性研究（包括表形性状研究和遗传也行研究）；遗传也行研究）；基于非培养技术的方法。包括基于非培养技术的方法。包括（1 1）TGGETGGE技术，技术，DGGEDGGE技术，工作步骤：技术，工作步骤：样品总样品总DNADNA提取提取设计引物设计引物PCRPCR扩增保守区段（原核生物为扩增保守区段（原核生物为16S rDNA,16S rDNA,真核真核生物是生物是18S rDNA1
5、8S rDNA）TGGETGGE或或DGGEDGGE电泳技术分离保守区段的扩增混合物电泳技术分离保守区段的扩增混合物回收回收保守区段保守区段质粒或噬菌体载体连接质粒或噬菌体载体连接克隆到受体细胞克隆到受体细胞测序公司对保守区段测测序公司对保守区段测序序序列提交序列提交GenBank GenBank 构建系统发育树。构建系统发育树。第六页，讲稿共三十页哦（2 2）RNARNA探针技术。工作步骤：探针技术。工作步骤：样品总样品总DNADNA提取提取根据保守区段设计合成根据保守区段设计合成RNARNA探针探针探针探针标记（荧光标记、放射性同位素标记、生物素标记）标记（荧光标记、放射性同位素标记、生物
6、素标记）探探针和总针和总DNADNA杂交杂交杂交识别杂交识别第七页，讲稿共三十页哦环境中的微生物环境中的微生物l土壤中的微生物：土壤中的微生物：n不同类型土壤和理化性质不同土壤，微生物的种群和数量是不不同类型土壤和理化性质不同土壤，微生物的种群和数量是不相同的，微生物种群和数量上的变化，直接反映出不同土壤理相同的，微生物种群和数量上的变化，直接反映出不同土壤理化性质的不同和变化。化性质的不同和变化。土壤中的微生物，从数量看，细菌土壤中的微生物，从数量看，细菌 放线菌放线菌 真菌真菌(霉菌）霉菌）真菌真菌（酵母菌）（酵母菌）藻类藻类 原生动物。以重量计，真菌原生动物。以重量计，真菌 细菌细菌 原
7、生动物原生动物 藻藻类类 酵母菌。酵母菌。n特殊的微生物类群可指示土壤类型和土壤优劣的作用特殊的微生物类群可指示土壤类型和土壤优劣的作用.第八页，讲稿共三十页哦具体应用：具体应用：（1)土宜：什么土壤种植什么植物；土宜：什么土壤种植什么植物；（2）土壤改良的生物指标；土壤改良的生物指标；根据土壤中微生物种群组成和数根据土壤中微生物种群组成和数量上的变化（土壤微生物区系分析），作为土壤改良的生物指量上的变化（土壤微生物区系分析），作为土壤改良的生物指标。标。（3）设计种植制度、耕作制度和施肥措施设计种植制度、耕作制度和施肥措施 （4）有机污染的微生物修复；有机污染的微生物修复；第九页，讲稿共三十
8、页哦环境中的微生物环境中的微生物l水体中的微生物水体中的微生物 水体的自净化作用：污染的水体在快速流动和氧气充足时，水体水体的自净化作用：污染的水体在快速流动和氧气充足时，水体会自我净化。会自我净化。l空气中的微生物：空气中的微生物：空气消毒和过滤是防止病源（或医源）微生物的重要措施，通常空气消毒和过滤是防止病源（或医源）微生物的重要措施，通常的空气消毒方法是紫外灯消毒和化学药剂熏蒸。的空气消毒方法是紫外灯消毒和化学药剂熏蒸。l工业产品上的微生物：工业产品上的微生物：l农业产品上的微生物：农业产品上的微生物：在实际应用中主要是防止腐败和农产品的微在实际应用中主要是防止腐败和农产品的微生物加工。
9、生物加工。第十页，讲稿共三十页哦环境中的微生物环境中的微生物l极端环境下的微生物：极端环境下的微生物：极端微生物：生长在极端环境如高温、高压、低温、高酸、高碱、高毒、极端微生物：生长在极端环境如高温、高压、低温、高酸、高碱、高毒、高渗、干旱、强辐射的微生物。高渗、干旱、强辐射的微生物。极端微生物极端微生物的细胞结构、生理、代谢、遗的细胞结构、生理、代谢、遗传都和普通微生物不同传都和普通微生物不同。主要包括以下几种类型：主要包括以下几种类型：嗜热微生物嗜热微生物 耐热菌：耐热菌：3030生长温度生长温度45-5545-55 兼性嗜热菌兼性嗜热菌：3030生长温度生长温度50-6550-65 专性
10、嗜热菌专性嗜热菌：4242生长温度生长温度65-7065-70 极端嗜热菌极端嗜热菌：最低最低42427070 超嗜热菌超嗜热菌：最高最高113113，最适，最适80-11080-110，最低，最低5555。分布分布：草堆、厩肥、堆肥、煤堆、温泉、火山地、地热区域土壤、海底草堆、厩肥、堆肥、煤堆、温泉、火山地、地热区域土壤、海底火山口附近。火山口附近。应用：应用：高温堆肥；耐热酶。高温堆肥；耐热酶。第十一页，讲稿共三十页哦环境中的微生物环境中的微生物嗜冷微生物嗜冷微生物：指一类最适生长温度低于指一类最适生长温度低于15,最高生长温度低于最高生长温度低于20以及一些最低生长温度在以及一些最低生长
11、温度在0以下的微生物。以下的微生物。分布：分布：冰箱；冷库；寒冷地带。冰箱；冷库；寒冷地带。嗜酸微生物嗜酸微生物：只能生活在：只能生活在PH4的环境中的微生物。的环境中的微生物。嗜碱微生物嗜碱微生物：指专性生活在指专性生活在pH1011强强碱性下的微生物碱性下的微生物。分布分布：碱性盐湖、碳酸盐含量高的土壤中碱性盐湖、碳酸盐含量高的土壤中。类群：类群：多数是芽孢杆菌属（多数是芽孢杆菌属（Bacillus)的细菌，少数是古细菌的细菌，少数是古细菌。应用：应用：开发一些特殊的蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶，用于洗涤剂开发一些特殊的蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶，用于洗涤剂中。中。第十二页，讲稿共三十页哦环境中
12、的微生物环境中的微生物嗜盐微生物：嗜盐微生物：必须在一定的盐度下才能生存的微生物，有些种必须在一定的盐度下才能生存的微生物，有些种类必须生活在含盐高达类必须生活在含盐高达12-30%的环境中，称为极端嗜盐菌，嗜盐的环境中，称为极端嗜盐菌，嗜盐微生物在盐碱地的改良中具有独特的指示作用。微生物在盐碱地的改良中具有独特的指示作用。嗜压微生物：嗜压微生物：必须生活在很深的水中和一些油井中，这些地方压力必须生活在很深的水中和一些油井中，这些地方压力很大。很大。抗辐射微生物：抗辐射微生物：这类微生物只是抗辐射能力强。在辐射生物学，这类微生物只是抗辐射能力强。在辐射生物学，如核生物学研究中具有重要的研究价值
13、。如核生物学研究中具有重要的研究价值。第十三页，讲稿共三十页哦环境中的微生物环境中的微生物l生物体内外的微生物：生物体内外的微生物：植物体内外的微生物植物体内外的微生物，包括叶围（表）微生物，植物内生微生物，根围（际）包括叶围（表）微生物，植物内生微生物，根围（际）微生物，他们对植物病源微生物的防护，植物营养都有重要的作用。微生物，他们对植物病源微生物的防护，植物营养都有重要的作用。特点特点：共生微生物和内生微生物。这些微生物主要包括：共生微生物和内生微生物。这些微生物主要包括：u根际微生物根际微生物(rhizosphere microorganisms)根际：根际：邻接根表的土壤区域。根际中
14、的微生物称为根际微生物。邻接根表的土壤区域。根际中的微生物称为根际微生物。根际效应（根际效应（Rhizophere effect)：同根际外的微生物相比，根际微生物在数同根际外的微生物相比，根际微生物在数量和种类上同其他非根际微生物相比明显不同，表现出一定的独特的特量和种类上同其他非根际微生物相比明显不同，表现出一定的独特的特点，叫根际效应（点，叫根际效应（Rhizophere effect)。根土比：根土比：根际微生物根际微生物数量数量和和非根际微生物非根际微生物数量数量之比。之比。根际微生物根际微生物 植物植物第十四页，讲稿共三十页哦环境中的微生物环境中的微生物u菌根菌根(mycorrhi
15、za)定义：定义：一些土壤真菌和植物根以互惠关系建立起来的共生体称一些土壤真菌和植物根以互惠关系建立起来的共生体称为为菌根菌根。陆地上陆地上97%97%以上的绿色植物具有菌根。以上的绿色植物具有菌根。作用：作用：菌根可以大大促进磷、氮和其他矿物质的吸收。菌根可以大大促进磷、氮和其他矿物质的吸收。类型：类型：n内生菌根：内生菌根：也叫也叫VA菌根或泡囊丛枝菌根菌根或泡囊丛枝菌根（有隔膜真菌形成的和（有隔膜真菌形成的和无隔膜真菌形成的）无隔膜真菌形成的）内生菌根的菌丝体主要存在于根的皮层中，在根内生菌根的菌丝体主要存在于根的皮层中，在根外较少。内生菌根存在于草、林木和各种作物中。外较少。内生菌根存
16、在于草、林木和各种作物中。n外生菌根外生菌根：菌丝在根表形成：菌丝在根表形成鞘套鞘套，一般不侵入根细胞。，一般不侵入根细胞。第十五页，讲稿共三十页哦泡囊丛枝菌根（泡囊丛枝菌根（VA菌根）菌根）第十六页，讲稿共三十页哦VA菌根（泡囊丛枝菌根）示意图外生菌根外生菌根两种类型的菌根两种类型的菌根第十七页，讲稿共三十页哦环境中的微生物环境中的微生物u固氮微生物固氮微生物 A:自生固氮微生物自生固氮微生物 B:共生固氮微生物共生固氮微生物 1）：根瘤菌和豆科植物的共生固氮）：根瘤菌和豆科植物的共生固氮 2）:放线菌和非豆科植物共生固氮放线菌和非豆科植物共生固氮 结瘤植物多为木本双子叶植物，如桤木、杨梅、
17、沙棘等。结瘤植物多为木本双子叶植物，如桤木、杨梅、沙棘等。3）:蓝细菌和植物的共生固氮：蓝细菌和植物的共生固氮：蓝细菌蓝细菌(蓝藻蓝藻)中许多属种除能自生因氮中许多属种除能自生因氮外，念珠藻属、鱼腥藻届等属的蓝细菌与部分苔类植物、蕨类植物、裸外，念珠藻属、鱼腥藻届等属的蓝细菌与部分苔类植物、蕨类植物、裸子植物和被子植物可建立具有固氮功能的共生体。子植物和被子植物可建立具有固氮功能的共生体。理论意义，应用不大理论意义，应用不大。l人体内外的微生物人体内外的微生物l动物体内外的微生物动物体内外的微生物第十八页，讲稿共三十页哦Rhizobium nodules on a pea root第十九页，讲
18、稿共三十页哦第二十页，讲稿共三十页哦微生物与地球化学循环微生物与地球化学循环l 地球化学循环：地球化学循环：地球化学元素在物理、化学、生物的作用下不地球化学元素在物理、化学、生物的作用下不断的转化和运动。断的转化和运动。l生物地球化学循环生物地球化学循环(biogeochemical cycles)：u 定义：定义：是指生物圈中的各种化学元素，经生物化学作用在生是指生物圈中的各种化学元素，经生物化学作用在生物圈中的转化和运动，是地球化学循环的重要组成部分。这种物圈中的转化和运动，是地球化学循环的重要组成部分。这种循环受二个主要的生物过程控制：循环受二个主要的生物过程控制：自养生物对无机营养物的
19、同化；自养生物对无机营养物的同化；异养生物对有机物质的矿化（分解）异养生物对有机物质的矿化（分解）。微生物在有机物的矿化微生物在有机物的矿化中起决定性作用，地球上中起决定性作用，地球上90%以上有机物的矿化都是由细菌和真以上有机物的矿化都是由细菌和真菌完成的。菌完成的。第二十一页，讲稿共三十页哦u各主要循环各主要循环1、碳循环、碳循环过程：过程：COCO2 2固定和高分子物质的固定和高分子物质的合成：合成：生物多聚物的分解生物多聚物的分解 淀粉淀粉 纤维素和半纤维素纤维素和半纤维素 果胶质果胶质 木质素木质素 脂类脂类 微生物与地球化学循环微生物与地球化学循环第二十二页，讲稿共三十页哦生物地球
20、化学循环生物地球化学循环2 2、氮循环、氮循环氮循环由氮循环由6 6种氮化合物的转化种氮化合物的转化反应所组成，包括以下几个过反应所组成，包括以下几个过程：程：n固氮作用固氮作用n氨化氨化(脱氨脱氨)作用作用n硝化作用硝化作用n硝酸盐还原与反硝化作用及硝酸盐还原与反硝化作用及脱氮作用脱氮作用第二十三页，讲稿共三十页哦n固氮固氮固氮作用固氮作用：N N2 2被还原为氨和其它氨化物的过程。包括非生物固氮和被还原为氨和其它氨化物的过程。包括非生物固氮和生物固氮。生物固氮。非生物固氮：非生物固氮：有两个来源，一是氮肥厂，二是雷电。有两个来源，一是氮肥厂，二是雷电。N N2 2被固被固定成氨（铵盐）和硝
21、酸（硝酸盐）定成氨（铵盐）和硝酸（硝酸盐）生物固氮：生物固氮：由固氮微生物将由固氮微生物将N2N2固定成氨（铵盐），固氮微生物固定成氨（铵盐），固氮微生物有类，一是有类，一是共生固氮微生物，共生固氮微生物，二是二是自身固氮微生物。自身固氮微生物。生物地球化学循环生物地球化学循环第二十四页，讲稿共三十页哦n氨化氨化(脱氨脱氨)作用作用 氨化作用是有机氮化物转化成氨氨化作用是有机氮化物转化成氨(铵铵)的过程。的过程。n氨的硝化氨的硝化 氨的硝化称为氨的硝化称为硝化作用，硝化作用，硝化作用是好氧条件下在硝化细菌作硝化作用是好氧条件下在硝化细菌作用下，氨被氧化成硝酸盐的过程。用下，氨被氧化成硝酸盐的过
22、程。微生物微生物：硝化细菌，是严格的化能自养细菌硝化细菌，是严格的化能自养细菌 包括两个群，即包括两个群，即亚硝酸细菌和硝酸细菌亚硝酸细菌和硝酸细菌4 4）硝酸盐还原与反硝化作用）硝酸盐还原与反硝化作用 硝酸盐硝酸盐亚硝酸盐亚硝酸盐氨氨(N2)N20生物地球化学循环生物地球化学循环再次利用再次利用脱氮作用脱氮作用固氮作用固氮作用第二十五页，讲稿共三十页哦生物地球化学循环生物地球化学循环3 3、硫循环、硫循环硫的循环包括还原态无机硫硫的循环包括还原态无机硫化物的氧化，异化硫酸盐还化物的氧化，异化硫酸盐还原，同化硫酸盐还原，硫化原，同化硫酸盐还原，硫化氢的释放（脱硫作用）。微氢的释放（脱硫作用）。
23、微生物参与所有这些循环过程。生物参与所有这些循环过程。第二十六页，讲稿共三十页哦4 4、磷循环、磷循环 磷的生物地球化学循环包括三个基本过程：磷的生物地球化学循环包括三个基本过程：难溶性的无机磷转化为可溶性的无机磷（难溶性的无机磷转化为可溶性的无机磷（磷的有效化：物理、化学磷的有效化：物理、化学和解磷菌和解磷菌）可溶性的无机磷转化为有机磷（可溶性的无机磷转化为有机磷（磷的同化磷的同化）有机磷转化成溶解性无机磷有机磷转化成溶解性无机磷(有机磷矿化有机磷矿化)。生物残体中的磷以生物残体中的磷以植酸植酸的形式存在植酸。的形式存在植酸。植酸酶的来源是土壤中的微生植酸酶的来源是土壤中的微生物。物。5 5
24、、铁循环、铁循环6 6、其它元素的循环、其它元素的循环 生物地球化学循环生物地球化学循环第二十七页，讲稿共三十页哦生物间相互关系生物间相互关系 生物间的相互关系是生物学和生态学研究的重要领域，了解生物间的相生物间的相互关系是生物学和生态学研究的重要领域，了解生物间的相互关系有助于认识生物的生命活动的规律和特点，为应用生物技术提供有互关系有助于认识生物的生命活动的规律和特点，为应用生物技术提供有效的科学的思路和方法。微生物间的相互关系主要：效的科学的思路和方法。微生物间的相互关系主要：1、中性关系：、中性关系：两种群之间在一起彼此基本没有影响两种群之间在一起彼此基本没有影响2、偏利作用、偏利作用
25、：一种种群因另一种种群的存在或生命活动而得利，而后者没有：一种种群因另一种种群的存在或生命活动而得利，而后者没有受益或受害。受益或受害。3、互生关系、互生关系：两种种群相互促进生长，离开能单独生存。：两种种群相互促进生长，离开能单独生存。4 4、共生：、共生：相互作用的两个种群相互有利，两者形成共生体，地衣、菌根、相互作用的两个种群相互有利，两者形成共生体，地衣、菌根、根瘤根瘤是互惠共生的典型例子。是互惠共生的典型例子。5 5、寄生：、寄生：一种种群对另一种群的直接侵人，寄生者从寄主生活细胞或生活组一种种群对另一种群的直接侵人，寄生者从寄主生活细胞或生活组织获得营养，而对寄主产生不利影响。织获
26、得营养，而对寄主产生不利影响。第二十八页，讲稿共三十页哦生物间相互关系生物间相互关系6 6、捕食：、捕食：一一种种群被另一种种群完全吞食，捕食者种群从被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，对被食者种群产生不利影响。食者种群得到营养，对被食者种群产生不利影响。7 7、拮抗：、拮抗：一种种群阻碍另一种种群的生长，而对第一种种一种种群阻碍另一种种群的生长，而对第一种种群无影响。群无影响。8 8、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，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，其结果致使增长率和种群密度受到限制时
27、发生的相互作用，其结果对两种种群都是不利的。对两种种群都是不利的。第二十九页，讲稿共三十页哦农业微生物应用农业微生物应用1 1、农业、林业畜牧业微生物应用技术、农业、林业畜牧业微生物应用技术 传染病害的控制；微生物肥料；微生物农药（微生物杀虫剂、杀传染病害的控制；微生物肥料；微生物农药（微生物杀虫剂、杀菌剂）；造林；菌剂）；造林；2 2、食品的应用微生物技术、食品的应用微生物技术 食品的微生物加工；食品的微生物污染和控制；食品的微生物加工；食品的微生物污染和控制；3 3、环境微生物技术、环境微生物技术 1 1）、环境污染的微生物监测）、环境污染的微生物监测 粪便污染指示菌；致突变物的微生物检测；发光细菌检测；特粪便污染指示菌；致突变物的微生物检测；发光细菌检测；特殊的指示菌检测。殊的指示菌检测。2 2）、污染的微生物处理）、污染的微生物处理 3 3）、污染环境的生物修复）、污染环境的生物修复 第三十页，讲稿共三十页哦