农业微生物学总结

来源:m.fanwen118.com时间:2022.5.12

第1章 绪论

1、微生物的生物学特性

体积小 面积大、吸收多 转化快、生长旺 繁殖快、适应强 易变异、种类多 分布广

2、研究微生物的基本方法 显微镜的使用、无菌操作技术、纯种分离技术、纯种培养技术

3、微生物农药:利用微生物或其产物来防治植物病虫害和杂草危害的一类微生物制剂称为微生物农药

4、原核类:三菌(细菌、放线菌、蓝细菌)

三体(支原体、衣原体、立克次氏体)

真核类:真菌

原生动物

单细胞藻类

非细胞生物:病毒

类病毒

朊病毒

5、微生物农药的特点:

(1)对脊椎动物和人类无害,不污染环境;

(2)对植物无毒害;

(3)能保护害虫天敌;

(4)昆虫不易产生抗药性;

(5)自然传播感染能力:有些昆虫病原微生物,可在昆虫群落中自然传播感染成流行病;

(6)容易进行大量生产。

6、法国的巴斯德(L.Pasteur,1822~1895)和德国的科赫(R.Koch,1843~1910),他们可分别称为微生物学的奠基人和细菌学的奠基人。

第2章 环境中的微生物

1、 细菌的形态

2、革兰氏染色的主要步骤及反应原理

(1)从细胞壁的结构及其化学组成成分的角度来解释:

革兰氏染色是基于细菌细胞壁特殊化学组分基础上的一种物理原因。通过初染和媒染操作后,在细菌细胞的膜或原生质体上染上了不溶于水的结晶紫与碘的大分子复合物。革兰氏阳性细菌由于细胞壁较厚、肽聚糖含量较高和其分子交联度较紧密,故在用乙醇洗脱时,肽聚糖网孔会因脱水而明显收缩,再加上它基本上不含类脂,故乙醇处理不能在壁上溶出缝隙,因此,结晶紫与碘复合物仍牢牢阻留在其细胞壁内,使其呈现紫色。 反之,革兰氏阴性细菌因其壁薄、肽聚糖含量低和交联松散,故遇乙醇后,肽聚糖网孔不易收缩,加上它的类脂含量高,所以当乙醇把类脂溶解后,在细胞壁上就会出现较大的缝隙,这样,结晶紫与碘的复合物就极易被溶出细胞壁,因此,通过乙醇脱色后,细胞又呈无色。这时,再经沙黄等红色染料进行复染,就使革兰氏阴性细菌获得了一层新的颜色——红色,而革兰氏阳性菌则仍呈紫色(实为紫中带红)。

(2)从细菌等电点的角度来解释:

已知革兰氏阳性菌的等电点为pH2-3,革兰氏阴性细菌的等电点为pH4-5,可见,革兰氏阳性菌的等电点比革兰氏阴性菌的等电点低,说明革兰氏阳性菌带的负电荷比革兰氏阴性菌多。当革兰氏阳性菌菌所带的负电荷与结晶紫结合时其结合力大;

用碘-碘化钾媒染后,G+与G-者的等电点均得到降低,但革兰氏阳性菌的等电点降低得多,故与结晶紫结合得更加牢固,对乙醇脱色的抵抗力更强。结晶紫、碘-碘化钾复合物不被乙醇提取,菌体呈现紫色。而革兰氏阴性菌与结晶紫的结合力弱,结晶紫与碘的复合物很容易被乙醇捕风捕风抽提而使菌体呈现无色,复染后呈现红色。

3、原生质体(protoplast)

指在人工条件下用溶菌酶除尽原有细胞壁或用青霉素抑制细胞壁的合成,而形成的仅由细胞膜包裹着的圆球形、对渗透压变化敏感的细胞,常由革兰氏阳性菌形成

4、 球状体或原生质球(sphaeroplast)

指在人工条件下用溶菌酶除尽原有细胞壁或用青霉素抑制细胞壁的合成,而形成的残留部分细胞壁的原生质体,常由革兰氏阴性细菌形成

5、间体 是一种由细胞质膜内褶而形成的囊状结构,其中充满着层状或管状的泡囊,常常

同核质相联系,位于细胞分裂处。

功能:可能参与呼吸作用、同DNA的复制和细胞的分裂有关。

6、载色体 是一些不放氧型光合细菌细胞质膜多次内陷折叠而形成的片层状、微管状或囊

状的结构。

载色体含有菌绿素和类胡萝卜素等光合色素及进行磷酸化所需的酶类和电子 传递体

是进行光合作用的部位

7、类囊体

是蓝细菌细胞中存在的由单位膜组成的囊状体,

其上含有叶绿素、藻胆色素等光合色素和有关酶类,

是光合作用的场所

8、羧酶体

是自养细菌所特有的内膜结构

可能是固定CO2的场所。

羧酶体中含有自养生物所特有的5-磷酸核酮糖激酶和1,5-二磷酸核酮糖羧化酶,这两种酶是卡尔文循环中固定CO2的关键性酶类,通过卡尔文循环,使自养菌与异养菌一样含有了磷酸己糖。一些光合细菌,如蓝细菌以及化能自养菌如硝化杆菌科细胞中均具羧酶体。

9、核区

生理功能:

a、是储存和发出遗传信息的物质基础

b、在细胞分裂过程中,DNA复制又是遗传信息传给后代的物质基础。

10、质粒

是存在于细菌染色体以外的遗传物质,多由共价闭合环状双螺旋DNA分子组成,分散在细胞质中独立复制或整合到细菌染色体上。

质粒的特点:

(1)可以在细胞质中独立于染色体之外(即以游离状态)存在,也可以插入到染色体上以附加体的形式存在;

(2)在细胞分裂时,可以不依赖于细菌染色体而独立进行自我复制,也可以插入到细菌染色体中与染色体一道进行复制;

(3)质粒可以通过转化、转导、或接合作用而由一个细胞转移到另一个细胞,使两个细胞都成为带有质粒的细胞;但不能自发产生

(4)质粒对于细胞生存并不是必要的。

(5)主要控制一些次生代谢产物的生成,如:维生素、色素、抗生素等。

11、核糖体: 是蛋白质合成的场所

12、芽孢:有些细菌在一定的生活环境里或生长到一定的阶段,在细胞内形成一个圆形或椭

圆形、厚壁、含水量极低、折光性极强、抗逆性极强的休眠体,称为芽孢

13、伴孢晶体:在形成芽孢的同时,在芽孢旁形成的一颗菱形或双锥形的碱溶性蛋白晶体—

δ内毒素,称为伴孢晶体。如苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis,BT

杀虫剂)

特点:不溶于水,对蛋白酶类不敏感;易溶于碱性溶剂

14、糖被:某些细菌在一定营养条件下向胞外分泌出厚度不定、包被于细胞壁外的胶状物质,

此称为糖被

(1)荚膜:某些细菌生活在一定的营养条件下由细胞内向细胞壁表面分泌的厚度>200nm的透明、粘液状的物质,使细菌与外界环境有明显的边缘,称~。如巨大芽孢杆菌。

(2)微荚膜:< 200nm,光学显微镜不能看见,但可采用血清学方法证明其存在 ,易被胰蛋白质酶消化

(3)粘液层:有些细菌分泌多糖粘性物质,疏松地附着在细胞壁的表面,可向四周扩散并且容易消失,与外界环境没有明显的边缘,这个结构称为~

(4)菌胶团:在水处理工程领域内,则将所有具有荚膜或粘液的絮凝性细菌互相絮凝聚集成的菌胶团块都称为菌胶团。

15、鞭毛:是细菌的运动器官

16、菌毛:使菌体附着于物体表面的功能

17、菌落(colony)

—— 单个微生物在适宜的固体培养基表面或内部生长、繁殖到一定程度形成的肉眼

可见的、有一定形态结构的子细胞生长群体,称为~

菌苔(bacterial lawn)

—— 是指在固体培养基上由许多细菌或孢子生长、繁殖形成的肉眼可见、相互连成

一片的大量菌落群体。

18、液体培养特征:反映微生物与氧气的关系

19、半固体培养基:含0.35-0.4%琼脂;穿刺接种法

用途:观察细菌是否扩散生长,判断细菌运动性及是否含鞭毛。

20、放线菌:细长分枝的原核单细胞生物

21、菌落特征

? (与细菌特征正好相反)表面常呈粉末状或皱褶状(?) ,有的则呈紧密干硬的圆

形,有些为糊状。颜色各异,正反不同(?) ,质地紧密,菌落不易用接种环挑起(?),较小 。

第3章 微生物的营养

1、传统上根据功能不同对营养物归类:水、无机盐和碳源、氮源、能源、生长因子等

2、碳源:凡可被用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质。

◆功能:提供合成细胞物质及代谢物的原料;并为整个生理活动提供所需要能源(异养微

生物)。

◆种类:

3、光能无机营养型:依靠体内的光合色素,利用光作为能源,以H2O和H2S作供氢体,CO2为碳源合成有机物,构成自身细胞物质的微生物~

化能无机营养型:以CO2作为唯一碳源物质,以S,H2S,H2,NH3,Fe等无机物氧化释放的化学能为能量合成有机物质的微生物

化能异养型微生物:至少需提供一种大量有机物才能满足其正常要求的微生物,即其碳源必须是有机物,氢供体是有机物,能源则可以利用氧化有机物而获得。

光能异养型微生物:至少需提供一种大量有机物才能满足其正常要求的微生物,即其碳源必须是有机物,氢供体是有机物,能源则可以利用光能而获得。

4、生长因子:是一类对微生物正常生活所不可缺少而需要量又不大,但微生物自身不能用简单的碳源或氮源合成,或合成量不足以满足机体生长需要的有机营养物质。不同微生物需求的生长因子的种类和数量不同。

5、培养基:应科研或生产的需要,由人工配制的、适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质(混合养料)

6、(1)化能自养菌氧化硫杆菌的培养基

粉末状硫 10g KH2PO4 4g MgSO4 0.5g

CaCl2 0.5g (NH4)2SO4 0.4g FeSO4 0.01g 水 1000mL

其中各组分作用是什么?碳源是什么?

(2)异养细菌的培养基中至少有一种有机物,实验室中通常是葡萄糖

如一种大肠杆菌培养基:

葡萄糖 0.5g K2HPO4 1g MgSO4 0.2g NaCl 5g NH4H2PO4 0.4g 水 1000mL 其中各组分作用是什么?碳源是什么?

7、培养基的配制原则

目的明确;营养协调;理化适宜;经济节约。

8、根据培养基的成分和物理状态分:

9、根据培养基用途:基础型、选择型、鉴别型、加富型

? 选择性培养基:在培养基中加入某种物质,以杀死或抑制不需要的微生物的生长,

而促进目的微生物生长的培养基。

? 加富培养基:在培养基中加入某种物质,以促进目的微生物生长成为优势菌的培养

基。

? 鉴别培养基:在培养基中加入某种试剂后,使难以区分的微生物经培养后呈现出明

显差别,因而有助于快速鉴别某种微生物的培养基。

10、营养物质的运输方式:单纯扩散、促进扩散、主动运输、基团转位

单纯扩散(simplediffusion)又称被动运送(passivetransport)。细胞膜这层疏水性屏障可以通过物理扩散方式让许多小分子、非电离分子尤其是亲脂性的分子被动地通过,这就是单纯扩散。这类物质的种类不多,主要是氧、二氧化碳、乙醇和某些氨基酸分子,还没有发现过糖分子可通过单纯扩散而进入细胞的例子。单纯扩散不是细胞获取营养物质的主要方式,因为细胞既不能通过它来选择必需的营养成分,也不能将稀溶液中的溶质分子进行逆浓度梯度运送,以满足细胞的需要。

促进扩散(facilitateddiffusion)与单纯扩散的一个主要差别,是在溶质的运送过程中,必须借助于膜上底物特异性载体蛋白(carrierprotein)的参与。由于参与的方式不同,载体蛋白还有许多其他名称,例如透性酶(permease)、移位酶(translocase)或移位蛋白(translocatorprotein)等。这种载体蛋白运送溶质的机制可能是由于其构象的改变:在膜的外侧时,它能与溶质分子结合,而在膜的内侧则可释放此溶质,且不必提供任何能量。这类载体蛋白具有酶的性质,而且必须是诱导产生的。促进扩散只能把环境中浓度较高的分子加速扩散到细胞内,直至膜两侧的溶质浓度相等时为止,而决不能引起溶质的逆浓度梯度运送。因此,它只对生长在高营养物浓度下的微生物发挥作用。

主动运送(activetransport)是微生物吸收营养物质的主要机制。其特点是它的特异性载体蛋白在运送溶质的过程中,需要提供能量(质子势、ATP等)而发生构象变化;同时,它可逆浓度梯度进行运送,从而使生活在低营养环境下的微生物能获得浓缩形式的营养物。由主动运送的营养物主要有无机离子、有机离子和一些糖类(例如乳糖、蜜二糖或葡萄糖)等。 基团移位(grouptranslocation)也是一种既需特异性载体蛋白又须耗能的运送方式,但溶质在运送前后会发生分子结构的变化,因而不同于上述的主动运送。

基团移位在Escherichiacoli(大肠杆菌)和Staphylococcusaureus(金黄色葡萄球菌)中研究得较多。有关这四种运送方式的细节和形象化的解释可见图5-1和表5-14。

基团移位主要用于运送葡萄糖、果糖、甘露糖、核苷酸、丁酸和腺嘌呤等物质。以葡萄糖为例,其特点是每输入一个葡萄糖分子,就要消耗一个ATP的能量。运送的机制是依靠磷酸转移酶系统,即磷酸烯醇式丙酮酸-己糖磷酸转移酶系统。其运送的步骤为:

(1)热稳载体蛋白(HPr,heat-stablecarrierprotein)的激活细胞内高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)的磷酸基团把HPr激活。

HPr是一种低分子量的可溶性蛋白质,结合在细胞膜上,具有高能磷酸载体的作用。酶1是一种可溶性的细胞质蛋白。

(2)糖被磷酸化后运入膜内膜外环境中的糖先与外膜表面的酶2结合,再被转运到内膜表面。这时,糖被P-HPr上的磷酸激活,通过酶2的作用把糖-磷酸释放到细胞内。

酶2是一种结合于细胞膜上的蛋白,它对底物具有特异性选择作用,因此细胞膜上可诱导出一系列与底物分子相应的酶2。

第4章 微生物的代谢

1、代谢:细胞内发生的各种化学反应总称,主要由分解代谢和合成代谢组成。

? 分解代谢:细胞将大分子物质降解成小分子物质,并产生简单分子、腺苷三磷酸(ATP)

形式的能量和还原力(一般表示为[H] ) 。

? 合成代谢:细胞利用简单小分子物质合成复杂大分子的过程,需消耗能量。

合成代谢所利用的小分子物质来源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境中的小分子营养物质。

生物氧化:是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应,逐步分解并释放能量的过程,又称为分解代谢,是一个产能代谢过程。

根据氧化还原方式中电子受体的不同可分为发酵和呼吸两种类型;发酵和呼吸;呼吸可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种方式

发酵:微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物,同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。

呼吸作用:微生物在降解底物的过程中,将释放出的电子交给NADP+、FAD或FMN等电子载体,再经电子传递系统传给外源受体,从而生成水或其他还原型产物并释放出能量的过程,称为呼吸作用。

以分子氧作为最终电子受体的称为有氧呼吸;以氧化型化合物作为最终电子受体的称为无氧呼吸。

微生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解,主要分为四种途径:

? 糖酵解途径/己糖二磷酸途径(EMP途径)

? 已糖-磷酸途径/戊糖磷酸途径(HMP途径)

? 2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸裂解途径(ED途径)

? 磷酸解酮酶途径(PK途径/HK途径)

HMP途径的微生物生命中的作用

① 为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸;

② 产生大量的NADPH形式的还原剂,它不仅为合成脂肪酸、固醇等重要细胞物

质之需,而且可通过呼吸链产生大量能量,这些都是EMP途径和三羧酸循环

所无法完成的;

③ 如果微生物对戊糖的需要超过HMP途径的正常供应量时,可通过EMP途径与

本途径在果糖-1,6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处的连接来加以调剂

④ 反应中的赤藓糖-4-磷酸可用于合成芳香氨基酸,如苯丙氨酸、酪氨酸、色

氨酸和组氨酸。

⑤ 在反应中存在C3-C7的各种糖,使具有HMP途径的微生物的碳源利用范围更

广;

⑥ 本途径产生的重要发酵产物很多,如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸(异

型乳酸发酵)等。

大多数好氧和兼性厌氧微生物都有HMP途径;同一微生物往往同时存在EMP和HMP途径; ? 2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸(KDPG)裂解途径。

ED途径在革兰氏阴性细菌中分布较广,特别是假单孢菌和固氮菌的某些菌株较多存在。 ED途径是少数EMP途径不完整的细菌如一些假单孢菌和一些发酵单孢菌等所特有的利用葡萄糖的替代途径

其特点是:葡萄糖只经过4步反应即可快速获得由EMP途径须经10步才能获得的丙酮酸。

? 磷酸解酮酶途径

是明串珠菌在进行异型乳酸发酵过程中分解已糖和戊糖的途径。 该途径的特征性酶是磷酸解酮酶,根据解酮酶的不同,把具有磷酸戊糖解酮酶的称为PK途径,把具有磷酸已糖解酮酶的叫HK途径。

2、细菌酒精发酵:经ED途径发酵产生乙醇的过程与传统上的由酵母菌通过EMP途径生成乙醇不同,故称细菌酒精发酵

? 细菌酒精发酵比起传统的酵母发酵有许多优点:

? 1 代谢速率高;2 产物转化率高;3 菌体生成少;4 代谢副产

物少;5 发酵温度较高;6 不必定期供氧等;

? 其缺点主要是其生长pH为5,较易染菌(而酵母菌为3)。其次是细菌耐乙

醇力较酵母菌为低。

3、不同微生物进行乙醇发酵时,其发酵途径也不相同:

? 酵母的“同型酒精发酵”:由酿酒酵母等经EMP途径进行

? 细菌的“同型酒精发酵”:由运动发酵单孢菌等经ED途径进行

? 细菌的“异型酒精发酵”:由Leuconostoc mesenteroides等经HMP途径进行

4、乳酸细菌: 许多细菌能利用葡萄糖产生乳酸,这类细菌称为~。

? 根据产物的不同, ? EMP途径降解为丙酮酸,丙酮酸在乳酸脱氢酶的作用下被

NADH还原为乳酸,由于终产物为2分子乳酸,故称为同型乳酸发酵;

? 葡萄糖首先经PK途径分解,发酵终产物除乳酸外还有一部分乙醇 或

乙酸和CO2等多种产物。

? 糖酶参与反应,即果糖-6-磷酸磷酸酮糖酶和木酮糖-5-磷酸磷酸酮糖酶分别催化果糖-6-磷酸和木酮糖-5-磷酸裂解产生乙酰磷酸和丁糖-4-磷酸及甘油醛-3-磷酸和乙酰磷酸。

5、混合酸发酵,又称甲酸发酵,是大多数肠杆菌的特征

大肠杆菌,HCOOH→ CO2+H2(甲酸氢解酶催化),甲酸氢解酶在酸性条件下(pH6.2以下)形成

有些肠道菌如志贺氏菌不具有此酶,故在菌种鉴定的生化试验中,它们发酵糖产酸不产气

6、丁二醇发酵

? V.P试验

是在丁二醇发酵液中加入精氨酸,显红色,称为V.P反应。大肠杆菌V.P反应

为阴性,而产气气杆菌的V.P反应为阳性

V.P试验是用来测定某些细菌利用葡萄糖产生非酸性或中性末端产物的能力,如丙酮酸。丙酮酸缩合、脱羧生成乙酰甲基甲醇,此化合物在碱性条件下能被空气中的氧气氧化成二乙酰,二乙酰与蛋白胨中精氨酸的胍基作用,生成红色化合物,即V.P试验反应阳性,不产生红色化合物的为V.P试验反映阴性。

? 甲基红反应:

大肠杆菌发酵葡萄糖,由于产酸结果可使培养液pH下降至pH4.2或更低;

甲基红指示剂pH6.3呈橙黄色,pH4.2呈红色

产气气杆菌发酵葡萄糖,由于将2分子丙酮酸转化为一分子中性的乙酰甲基甲

醇,所以培养液的pH值比大肠杆菌的高(pH6.3);

如在这两种菌的培养液中加入甲基红,则产气气杆菌的呈橙黄色,大肠杆菌的

呈红色,前者为甲基红反应阴性,后者为甲基红反应阳性。

7、在德氏乳杆菌中由丙酮酸产生:

? 许多原核厌氧微生物中由乙酰辅酶A产生;

? 在明膜明串杆菌和两歧双歧杆菌中由木酮糖-5-磷酸产生;

? 在两歧双歧杆菌中还可由果糖-6-磷酸产生;

乙酰磷酸经乙酸激酶的催化,就可完成底物水平磷酸化产能:乙酰磷酸+ADP=乙酸+ATP ? 酵母的一型发酵:在酵母菌的乙醇发酵中,酵母菌可将葡萄糖经EMP途径降解为两分子

丙酮酸,然后丙酮酸脱羧生成乙醛,乙醛作为氢受体使NAD+再生,发酵终产物为乙醇。 酵母的二型发酵:当环境存在亚硫酸氢钠时,它可与乙醛反应生成难溶的磺化羟基乙醛。由于乙醛和亚硫酸盐结合而不能作为NADH的受氢体,所以不能形成乙醇,迫使磷酸二羟丙酮代替乙醛作为受氢体,生成α-磷酸甘油。α-磷酸甘油进一步水解脱磷酸而生成甘油。

酵母的三型发酵:在弱碱性条件下(pH7.6),乙醛因得不到足够的氢而积累,两个乙醛分子间会发生歧化反应,一分子乙醛作为氧化剂被还原成乙醇,另一个则作为还原剂被氧化成乙酸,氢受体则由磷酸二羟丙酮担任,发酵终产物为甘油、乙醇和乙酸。这种发酵不能产生能量,只能在非生长的情况下才进行。

8、反硝化作用:指反硝化细菌(兼性厌氧微生物)以硝酸盐作为最终电子受体,使NO3-还

原成NO2-、N2O、N2等的过程(通常称脱N作用)

对农业和环境影响及控制措施:

? 不利影响:N素损失,污染环境;

? 控制措施:①保证土壤良好通气条件;②有机物施用均匀适量;;③避免土壤反复干

湿交替,因为有机质氨化作用产氨,在干、氧气充分条件下,氨经硝化作用转变成NO3- ,若立即淹水,在厌氧条件下进行反硝化作用;④水田应施NH4+―N,不利施NO3-―N; NH4+ ―N应深施,可同时伴施抑硝剂。

9、反硫化作用:土壤淹水、河流、湖泊等水体处于缺氧状态时,硫酸盐、亚硫酸盐、硫代

硫酸盐和次硫酸盐在微生物的还原作用下形成硫化氢,这种作用称为硫酸

盐还原作用 或反硫化作用。

对农业和环境的影响:

? (1)有利:水域中,使S素以H2S的形式返回大气,避免水域中的S素大量集聚。 ? (2)不利:导致土壤硫素损失;H2S毒害;金属管道的腐蚀;饮用水的污染。 若

水稻土中S素过多,在氧化层,易造成酸害;还原层易造成H2S毒害;即双重毒害。 ? 有机质含量高且局部缺氧旱田中,反硫化细菌生长旺,使有蛋白质分解时产生H2S,

土壤中硫酸盐经反硫化作用也易产生H2S 。同时由于土壤中缺氧,硫化作用停止或微弱,以致H2S累积太多,毒害作物根系。水稻田中施有机肥料不均匀,常引起H2S毒害而发生水稻秧苗烂根现象。

10、氨的氧化(硝化作用)

? 硝化细菌将氨氧化,释放能量同化CO2合成细胞物质。

? 硝化细菌可分为两个亚群:亚硝酸细菌和硝酸细菌。

对农业和环境的影响:

11、硫的氧化(硫化作用)

? 硫化细菌能利用一种或多种还原态或部分还原态硫化合物(包括硫化物、元素硫、硫

代硫酸盐、多硫酸盐和亚硫酸盐)作能源,最后生成H2SO4的过程。

硫化作用对农业和环境的影响

? 产生SO42-,作为植物直接吸收S素物质;解除H2S毒害和除臭;使土壤的微域环

境酸化,促进难溶S素的有效化,但同时可能导致作物酸害。

12、指出硝化细菌培养基Ⅰ的C源、N源、能源分别是什么?

硝化细菌培养基Ⅰ:(NH4)2SO40.5g、NaCl0.3g、FeSO4.7H2O0.03g、K2HPO41g、MgSO4.7H2O0.3g、CaCl27.5g、蒸馏水1000ml。

13、指出反硝化细菌培养基的C源、N源、能源分别是什么?

反硝化细菌培养基:KNO32.0g、MgSO4.7H2O0.2g、K2HPO40.5g、酒石酸钾钠20g、蒸馏水1000ml、pH7.2。

1、指出硝化细菌培养基Ⅰ的C源、N源、能源分别是什么?

硝化细菌培养基Ⅰ:(NH4)2SO40.5g、NaCl0.3g、FeSO4.7H2O0.03g、K2HPO41g、MgSO4.7H2O0.3g、CaCl27.5g、蒸馏水1000ml。

2、指出反硝化细菌培养基的C源、N源、能源分别是什么?

反硝化细菌培养基:KNO32.0g、MgSO4.7H2O0.2g、K2HPO40.5g、酒石酸钾钠20g、蒸馏水1000ml、pH7.2。

第5章 微生物的生长和控制

1、细菌细胞数目的测定方法:1、总菌数 2、活菌数

(1) 显微镜直接计数法

这种方法只适用于细菌等单细胞的微生物类群。测定是需用细菌计数器(适用于细菌)或血球计数板(适用于真菌孢子、酵母菌等)在普通光学或相差显微镜下直接观察并记录一定体积中的平均细胞数。换算出供测的样品的细胞数。

用于直接计数法的菌悬液浓度不宜过高或过低。一般细菌数应控制在10 个/ml,酵母菌和真菌孢子应为10 –10 个/ml。活跃运动的细菌应先将其用甲醛杀死或适度加热以使其停止运动。

这种方法的优点是快捷简便、容易操作;缺点是不能区分活细胞以及形状与微生物相似的颗粒性杂质。

(2) 比浊法

这是测定悬液中细胞总数的快速方法。原理是悬液中细胞数量越多,浊度越大,在一定浓度范围内,悬液中的细菌细胞浓度与光密度(OD值)成正比,与透光度成反比。因此,可使用光电比色计测定。需要预先测定光密度与细菌数目的关系曲线,然后根据此曲线查得

待测样品中细菌数。由于细菌细胞浓度仅在一定的范围内与光密度成直线关系,因此,要调节好待测菌悬液细胞浓度。培养液的颜色也不宜过深,颗粒性杂质也会干扰测定结果。

本法常用于跟踪观察培养过程中细菌数目的消长情况。如细菌生长曲线的测定和工业生产上的发酵罐中的细菌生长情况等。

2、活细菌数量的测定

是测定具有繁殖能力的细菌数量的方法。在大多数情况下,人们更关心的是计算活菌数。

(1) 稀释平皿测数法

理论上可以认为在高浓度的稀释条件下,微生物细胞充分分散成单个细胞存在的形式,每个活的单细胞均能繁殖形成一个菌落,因此可以用平皿培养的方法使每一个活细胞生长并形成一个单独的菌落,通过统计长出的菌落数来推算待测样品的活菌数。具体做法像稀释平皿分离法一样,先将待测样品作一系列倍比稀释,将定量的稀释液接种到琼脂培养基上作平皿培养,根据平皿上出现的菌落数,便可以推算出待测样品中的活菌数。

本方法是迄今为止仍广泛采用的主要活菌计数方法之一。缺点是由于供实验用的培养基和实验条件的限制,在混合微生物样品中并非所有细菌都能形成肉眼可见的菌落。而且在实际操作中难以做到使所有细胞完全分开,即不能保证每个菌落都是由单个细胞分裂而来,所以现在多用菌落形成单位来表示样品中活细菌数。具体操作可采用倾注平板法或涂布平板法来进行测数。

(2) 最大概率法

将待测样品在定量的培养液中作一系列稀释培养。在一定稀释度数以前的培养液中出现细菌生长,而在这个稀释度后的培养液中不出现细菌生长。将最后的三级有菌生长的稀释度称为临界级数,从重复的三个临界级数求得最大概率数(MPN),可以计算出样品单位体积中细菌的近似值。以5次重复为例,某一细菌在稀释法中的生长情况如下:

最大概率法特别适合于含菌量少的样品或一些在固体培养基上不容易生长的细菌样品的测数,如测定土壤微生物中的特定生理类群(如氨化、硝化、纤维分解、自生固氮、根瘤菌、硫化和反硫化细菌等)的数量和检测污水、牛奶及其食品中特殊微生物类群的细菌数量。其缺点是只能进行特殊生理类群的测定,结果也比较粗放。

(3) 浓缩法(滤膜法)

对于测定象空气、水等体积大而且含菌浓度较低的样品中的活菌数,应将待测样品通过微孔薄膜(硝酸纤维素薄膜)过滤富集,再与膜一起防到合适的培养基或浸有培养液的支持物表面上培养,最后可根据菌落数推算出样品中含菌数。

2、活细菌重量变化曲线

增长率上

农业微生物学总结

mg/L 活

增长率下 细菌内源呼吸 t` t

一、 细菌纯培养的群体生长规律

农业微生物学总结

农业微生物学总结

农业微生物学总结

数 目 的 对 数 值 0 t 时间

细菌的生长曲线

将少量单细胞纯培养接种到一恒定容积的新鲜液体培养基中,在适宜的条件下培养,定时取样测定细菌含量,可以看到以下现象:开始有一短暂时间,细菌数量并不增加,随之细菌数目增加很快,继而细菌数又趋稳定,最后逐渐下降。如果以培养时间为横坐标,以细菌数目的对数或生长速度为纵坐标作图,可以得到曲线,称为细菌的生长曲线。

对单细胞微生物而言,虽然生长和繁殖是两个不同的概念,但由于在测定方法上,多以细菌数增加(即繁殖)作为生长指标,它们的繁殖也可视为群体的生长,所以,繁新的适宜的环境中生长繁殖直至衰老死亡全过程的动态变化。根据细菌生长繁殖速率的不同,可将生长曲线大致分为延迟期、对数期、调整期或滞留适应期。

(一)延迟期

当细菌被接种到新鲜培养基中,开始一段时间内,通常不立即进行细胞分裂、增殖,生长速率近于零,细胞数目几乎保持不变,甚至稍有减少,这段时间被称为迟缓期。

①特征

迟缓期是细胞分裂启动之前的恢复或调整期。而不是生长的休眠或停留期。迟缓期细胞的主要特征是代谢活跃,体积增大,从介质中快速吸收各种营养物质,大量合成细胞分裂所需的酶类,ATP和其他细胞成分,为细胞分裂作准备。由于细胞重量持续增大,因此重量图中没有类似的迟缓期。

②产生原因

迟缓期可以很长,也可以很短甚至不明显。迟缓期的形成有多种原因。但都与接种细菌的状态有关。接种细菌时的状态大体有以下几种情况

Ⅰ.接种生长对数期的细菌

n处于生长对数期的培养物被接种到与原先同样的生长条件和同样培养基中后,几乎能够以同样速率进行对数生长,迟缓期不明显;

Ⅱ. 接种生长稳定期或衰亡期的细菌

如果被接种的是处于生长稳定期或衰亡期的培养物,即使此时培养物中所有细胞都是活的,迟缓期也会发生。这是因为稳定期细胞生理上已经衰老,其合成机制处于损伤状态,基本耗尽了各种辅酶或其他细胞成分,因而需要一定时间进行生理修复和物质的再合成。

Ⅲ.接种受损细胞

n如果接种菌是因热、辐射或有毒化学物质处理而受到损伤的细菌,迟缓期也会发生,因为细胞需要时间修复这种损伤。

Ⅳ.接种富集培养基的细菌

n当细菌被从营养丰富的培养基转移到营养贫乏培养基后,为了合成新培养基中所缺乏的某种营养物质以满足自身生长,结果也导致迟缓期的出现。

此外,菌种的遗传特性和接种体积的大小也会影响迟缓期的长短。

③缩短迟缓期的方法

(1)采用最适种龄(处于对数期的菌种)

(2)增大接种量,一般来说,接种量大,则迟缓期短,反之则长。

(3)接种到营养丰富的天然培养基中的微生物,要比接种到营养单调的组合培养基中的迟缓期短。所以,一般要求发酵培养基的成分与种子培养基的成分尽量接近,且应适当丰富些。

(二)对数期

一旦细菌细胞的生理修复或调整完成,迟缓期即告结束,细胞开始进入快速分裂阶段。这一时期细胞数目的增加以2n级数进行,细菌的数目X的增长率只与细菌的初始数量有关。

①特点

菌体高速生长,生长速率常数最大,增代时间和原生质增倍的时间最短;

生长繁殖速度易受培养温度的影响,应该尽量接近最适生长温度;

处于该阶段前期的细胞对理化因素影响仍很敏感;d)菌体大小、形态、生理特征比较一致,大多是单个存在。

②细菌代时的计算

(三)稳定期

如果对数期的细胞分裂不受节制的连续进行,理论上一个代时为20 min。重10—12g的细菌,经过48h的对数生长之后,其群体重量可达到地球重量的4000倍。然而由于营养物的有限,这种情况不会发生。在一个封闭的系统中,细菌的对数生长只能维持一个短暂的时期,最终生长将会降低,代时延长,细胞活力减退。此时新生的细胞数目与死亡的细胞数目相等,总菌数达到最大值,活菌数保持恒定。图中的生长速率为一定值,故将其称为稳定期。相当于重量生长曲线中的生长率下降阶段。

特征:

1、稳定期细胞的特征是从生理上的年轻转化为衰老,表现为细菌的代谢活力钝化,细胞含有较少的核糖体,RNA和蛋白质合成缓慢,mRNA的水平低下,因此细胞的生长变得不平衡,细胞的形状有的也发生改变。因不能维持细胞壁的合成与修复,细胞的染色特点也发生变化,如G+转变为G-。

2、但此时细胞的很多功能,如能量代谢和某些生物合成过程还在继续进行,生物化工中作为产品的某些细菌代谢产物如抗生素和某些酶就是在稳定期,特别是在对数期与稳定期转换阶段所产生的。某些细菌的芽孢产生也发生在稳定期。

出现原因:由于营养物质消耗,代谢产物积累和pH等环境变化,逐步不适宜于细菌生

长,导致生长速率降低直至零(即细菌分裂增加的数量等于细菌死亡数)。

(四)死亡期

如果处于稳定期的细菌继续培养,细胞的死亡率将逐渐增加,最终群体中活的细胞数目将以对数速率急剧下降,此阶段就被称为死亡期。

特征

1、死亡期细胞的总数虽然镜检直接计数可能会保持不变,但间接菌落计数检测到的活细胞数目却在减少,同时伴随着细胞的裂解或自溶可释放出一些代谢产物,如氨基酸、转化酶、外肤酶或抗生素等。个体细胞呈现多种形态,有时产生畸形,细胞大小悬殊,有的细胞内含很多的空泡,G+染色反应转变成G—染色反应。

2、死亡期的长短与对数生长期一样在不同微生物中变化是很大的,主要与菌种的遗传特性有关。

3、有些细菌的培养物经历所有的各个生长时期,几天以后死亡;另一些细菌培养物在几个月甚至几年以后仍然含有一些活的细菌。产芽孢的细菌其芽孢比代谢活跃的营养细胞更易于幸存下来。

4、通过补充营养和能源,以及中和环境毒性,可以减缓死亡期的细胞死亡速率,延长细菌培养物的存活时间。

出现原因:营养物质耗尽和有毒代谢产物的大量积累,细菌死亡速率超过新生速率,

整个群体呈现出负增长。

(二)同步培养

1、同步分裂培养就是通过一定的手段,使培养物中所有的细胞处于同一生长阶段,使群体与个体的行为保持一致。同步分裂培养的生长曲线呈现“梯形”状,见图3.1.9。这种培养方式主要用在实验室中进行微生物细胞的生理生化研究。

2、使细胞分裂同步的手段主要有两种:诱导法和选择法。

1、诱导法

控制培养的物化条件(如温度、营养物),诱使细胞同步生长的方法称为诱导法。如果让菌体在低于或高于最适生长温度的环境下培养一段时间,这些细胞缓慢生长,但不发生分裂,然后,再将培养温度恢复到最适生长温度,这时,大多数细胞就会同时进行分裂。例如将鼠伤寒沙门氏杆菌置25℃28分钟,37℃8分钟,重复几次,就能获得37℃下同步生长的培养物。

2、选择法

选择法是通过差速离心或过滤等手段,将处于不同生长阶段的细胞分开,从而实现同步培养。选择法的优点是它不会影响菌体的正常代谢,获得的菌体活力正常。但是,这种方法只适用于不同生长阶段的细胞大小和比重有明显差异的微生物种类。

选择法中有一种较巧妙的操作方法——硝酸纤维素薄膜法,其大致过程如图所示:(1)将菌液通过装有硝酸纤维素滤膜的过滤器,由于细菌与滤膜带有不同的电荷,所以处于不同生长阶段的细菌均附着在膜上;(2)将膜翻转,再用新鲜的培养液滤过培养;(3)附着在膜上的细菌开始分裂,分裂的子细胞不能与薄膜直接接触,由于菌体自身重量,加上它附带的培养液的重量,使菌体下落到收集器内;(4)收集器在短时间内获得的细菌都是处于同一分裂阶段的新细胞,用这些细胞接种培养,便能得到同步培养物。

1 从混合在一起的微生物群体中得到特定的某一种微生物的纯培养,是研究和利用微生物的最重要的环节之一。无菌操作技术是微生物学的重要技术,而且广泛地被其它学科和生产实际所利用。

2 通过稀释或划线等手段,在琼脂平板上得到微生物的单菌落是最常用的纯种分离手段。

3 传代培养、干燥保藏、冷冻保藏是通常使用的微生物菌种保藏技术。

4 微生物个体微小,通常必须通过显微镜才能观察到其个体形态,而进行显微观察时,分辨率和反差是决定显微观察效果的二个最重要的因素。它们与显微镜的特性有关,也取决于样品的制备与观察技术。无论是光学显微镜还是电子显微镜,其设备和技术发展迅速,应用面越来越广泛和深入。

5 在显微镜下微生物的大小与形态千差万别,丰富多彩,是区分不同微生物的重要依据之一。

(三)连续培养

在分批培养的对数生长期中,由于营养物质逐渐耗尽和产生有害的代谢物质,而最终导致生长速度的降低,生长进入稳定阶段。解除分批培养中由于营养物质消耗和产物积累而导致的微生物生长停止。

连续培养:细菌在进入对数期时,一方面以一定速度源源不断的输入新鲜的培养液,另一方面缓缓的以同样速度移去培养物(包括菌体和代谢产物),可以延长对数生长期,这种培养方法称为连续培养。

恒浊连续培养:不断调节流速,使细菌培养液浊度保持恒定

恒化连续培养:保持恒定的流速,使营养物质浓度保持恒定

§6.2 环境条件对微生物生长繁殖的影响

微生物与所处的环境之间具有复杂的相互影响和相互作用,

一方面,微生物需要从环境中摄入生长和生存所必须的营养物质,只能在一定的环境条件(如温度,湿度及pH等)下才能够生存,而环境条件的变化会引起微生物的形态、生理、生长和繁殖特征发生变化;

另一方面,微生物也向环境中排泄出各种代谢产物,抵抗和适应环境变化,甚至影响和改变环境。本节主要探讨非生物环境因子,即物理和化学因子对微生物的影响,以及在微生物学研究和应用中如何利用这些影响因素。

?环境因子对微生物的影响主要有三种情况:

?(1)有利于微生物进行正常代谢。

?(2)不利于微生物正常代谢,微生物生长受到抑制或被迫改变其原有的一些特征。 ?(3)恶劣的环境可造成微生物死亡或发生遗传变异。

一、物理因素对环境的影响

(一)温度的影响

致死温度:通常我们把能在10 min之内杀死某种微生物的高温界限称为致死温度。

热力致死时间:在特定的条件下和特定的温度下,杀死一定数量微生物所需要的最短时间,即为热力致死时间。

1.高温的影响

过高的环境温度会使细菌死亡,一般来说无芽孢的细菌在水中加热到70℃十多分钟就会死亡,在100℃沸水中很快死亡。

(1)高温杀菌的机理:

1)蛋白质凝固、酶变性失活、核酸断裂变性,代谢终止,细菌死亡

高温使蛋白质与核酸的空间结构不可逆的变化,蛋白质凝固,核酸断裂,从而失去生物功能,代谢终止,细菌死亡。

2)细胞膜溶解

细胞膜中的脂类在高温作用下溶解,使细胞膜穿孔,内含物泄漏,细菌死亡。

(2)影响高温杀菌的因素

高温杀菌的效果与细菌的种类、含水量、芽孢有无、以及湿热或干热、pH都有关系。

1)细菌种类不同种类的细菌致死温度不同

2)含水量

细菌细胞含水量高的更容易被杀死,这是因为蛋白质的凝固温度与含水量有关。

3)芽孢

我们前面介绍过芽孢耐各种不良环境,对温度也是一样。

不同芽孢菌高温耐受能力比较表

4)湿热灭菌与干热灭菌

农业微生物学总结

n湿热灭菌是指饱和水蒸汽杀灭菌,干热灭菌是指热空气杀灭菌。在相同温度下湿热灭菌的灭菌所需时间明显短于干热灭菌。这一方面由于热蒸汽使细菌蛋白质含水量升高,凝固所需时间缩短,另一方面,热蒸汽热传导能力及热穿透力强于热空气,这样缩短了细菌细胞升温所需的时间。试验室中通常使用高温蒸汽进行培养基灭菌处理。

5)pH

高温杀菌效果还与pH有关,同样温度,过酸性或过碱的条件比中性条件高温杀菌效果更好。

? 应用:

1)在实际工作中,常采用湿热灭菌法以杀死全部微生物,条件是:121℃ 30min

2)对培养皿等各种器皿的灭菌多采用干热灭菌法以杀死全部微生物,条件是:160-170℃ 1-2h。

3)在牛奶、饮料和酒类等食品生产上,为不影响食品的营养和风味,多采用63-66℃ 30min 或70℃ 15min的巴斯德消毒法。

2、低温的影响

? 影响:

1)

2)

3) 酶的活性降低,微生物代谢活动减弱,处于休眠状态,但仍然维持生命。 膜细胞流动性变差 温度过低会产生冰冻使微生物细胞内的游离水形成冰晶体而造成细胞脱水,并

且冰晶体对细胞还有机械损伤,从而导致菌体死亡。

? 应用:

1)

2) 在微生物研究工作中,常采用冷藏法(冰箱、液氮罐等)保存菌种 在用低温冰箱和液氮保存菌种时常用快速冷冻和在细胞悬液中加入甘油等保护

剂以保护细胞

3、嗜冷细菌的秘密武器是什么?

(1)具备低温活性酶 (2)细胞质膜含有大量的不饱和脂肪酸,在低温下能保持半流动性,使之能有效地集中必需的营养物质。

(二)氢离子浓度的影响

? 影响:

氢离子浓度对微生物的作用机制是:

(1)影响细胞膜的透性、膜结构的稳定性和营养物质的溶解性或电离性进而影响营养物质

的吸收;

(2)影响酶的活性;

(3)改变环境中养料的可给性或有害物质的毒性。

? 应用:

维持微生物生长过程中pH稳定的方法:

方法一、过酸时:加NaOH、Na2CO3等碱液中和;过碱时:加H2SO4、HCl等酸液中和 方法二、用KH2PO4-K2HPO4缓冲液来调节PH值;

方法三、过酸时:加适当氮源:加尿素、NaNO3、NH4OH或蛋白质等;提高通气量

过碱时:加适当碳源:加糖、乳酸、醋酸、柠檬酸或油脂等;降低通气量

(三)紫外线(实验室用得最多):低剂量的紫外线,会刺激微生物的生长;高剂量的紫外线,240-300nm的紫外线对微生物具有致死效应。其最强作用的波长是265-266nm,这是核酸的最大吸收波长。其杀菌机理主要在于可引起DNA分子中相邻的胸腺嘧啶(T)产生二聚体,进而引起微生物的突变或死亡。

但紫外线的穿透力弱,实际工作中常用作空气或器皿表面灭菌和微生物的诱变育种。为避免光复活现象,紫外线照射灭菌后的分离培养工作须在红光或避光条件下进行。

? 光复活: 在光照下光解酶转变紫外线诱导的胸腺嘧啶二聚体返回单聚体。在依赖于

光的修复机制中,光解酶与黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)能切割相邻嘧啶间的环丁烷环恢复为原来的单聚体。

(四)化学杀菌剂和抑制剂

1、有机化合物

(1)酚类:主要是损伤微生物细胞壁和细胞质膜,使酶钝化和蛋白质变性。是医学上普遍使用的一种消毒剂。如:苯酚(假借名义俗称石碳酸)等。

(2)醇类:

70-75%乙醇杀菌效果好;

纯的或高浓度的乙醇因能使菌体表面蛋白质凝固,不易渗透进入细胞,所以杀菌效果极小。 醇类对细菌芽孢和无包膜病毒的杀菌效果较差,所以长期使用的酒精溶液(包括70-75%的消毒酒精)中可能含有细菌芽孢,需经细菌过滤器或蒸馏除去。

(3)醛类:能与蛋白质中氨基酸的多种基团(-NH2、-OH、-COOH和-SH等)共价结合而使基变性,达到杀菌的目的。其中福尔马林(37%-40%的甲醛水溶液)和戊二醛有较强的杀菌作用。

(4)酸类:有机酸能抑制微生物(尤其是霉菌)的酶和代谢活性,常加在食品和饮料中以抑制霉菌等微生物的生长。山梨酸和苯甲酸常用作食品和饮料的防腐剂。

(5)表面活性剂:具有杀菌作用,是由于他能吸附在微生物细胞的表面,改变了细胞的稳定性和透性,使细胞内的物质逸出膜外,引起微生物停滞或死亡。常用的具有表面活性剂性质的是新洁尔灭、杜灭芬等。

2、无机化合物

(1)卤化物:杀菌效力:F>Cl>Br>I。其中碘和氯最常用。碘的杀菌机制可能是通过与细胞中酶和蛋白质中的酪氨酸结合而发挥作用,以细菌、真菌、病毒和芽孢均有较好的杀菌效果。

(2)重金属及化合物:均具有很强的杀菌力,其中尢以Hg+、Ag+、和Cu2+最强。0.2%的HgCl2溶液是实验室常用表面菌剂。稀性重金属进入细胞后主要与酶可蛋白质上的-SH基结合而使之失活或变性达到杀菌目的。

(3)氧化剂:通过对细胞成分的氧化作用产生杀菌效果。最常用的是高锰酸钾和过氧化氢。臭氧是很强的氧化剂,但目前存在的问题是成本太高和有效期太短。

3、染色剂

带有阳离子电荷的碱基染色剂如结晶紫、亚甲基蓝、孔雀绿等都有抑制细菌生长的作用。其阳离子基团能与细胞蛋白质氨基酸上的羧基结合或核酸上的磷酸基结合,因而阻断了正常的细胞代谢过程。G+细菌一般对碱性染料敏感。结晶紫常用于抑制G+芽孢杆菌的生长。

第七章 微生物生态

微生物生态学——研究微生物与周围生物和非生物环境之间的相互关系及其在自然环境中的作用。

*第一节 微生物在生态系统中的作用

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、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而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

微生物最大的价值在于其分解功能。它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,它们具有初级生产者所具有的二

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,另一方面其积累下来的能量又可以在食物链、食物网中流动。

4、微生物是物质和能量的贮存者

微生物和动物、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,贮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,为后来动、植物出现打下基础

6、在土壤形成和发展中起着重要作用。

第二节 微生物在自然界的分布

微生物的种类繁多。它们在自然界的分布也很广泛,存在于土壤、水、空气、动植物体和人体中,一些极端环境也存在微生物。(注:动植物和人体微生物是关系病理的学科,不讲授)

由于微生物本身的特性,如营养类型多、基质来源广、适应性强,又能形成芽孢、孢囊、菌核、无性孢子、有性孢子等等各种各样的休眠体,可以在自然环境中长时间存活;另外,微生物个体微小,易为水流、气流或其他方式迅速而广泛传播。因此微生物在自然环境中的分布极为广泛。从海洋深处到高山之巅,从沃土到高空,从室内到室外,除了人为的无菌区域和火山口中心外,到处可以发现有微生物存在。

【微生物的特点决定了它们在自然界的分布非常广泛,这些特点是:①个体小,②易于传播,③生长迅速,④繁殖力强,⑤数量庞大,⑥种类繁多,⑦能形成多种休眠体,⑧适应性强。因此总的来说,在土壤、水、空气、动植物体中均有它们的踪影,在一些极端环境中也发现有大量微生物生存。】

但对于一个具体的生态环境,微生物的数量和种类就会有一定的范围。

一、土壤中的微生物

土壤是微生物的天然培养基,具备了各种微生物生长发育所需要的营养、水分、空气、酸碱度、渗透压和温度等条件,对人类来说,是最丰富的菌种资源库。一般来说,在每克耕作层土壤中,各种微生物量之比大体有一个10倍递减规律:细菌(~108)>放线菌(~107)>霉菌(~106,孢子)>酵母菌(~105)>藻类(~104)>原生动物(~103)。通过这些微生物旺盛的代谢活动,可明显改善土壤的物理结构和提高它的肥力。但一般来说微生物处于饥饿状态,繁殖速率极低,当可用的营养物被加到土壤中,微生物数量和它们的代谢活性迅速增加直到营养物被消耗,而后微生物活性回复到较低的基线水平。

1 、土壤是微生物的大本营?

土壤具有绝大多数微生物生活所需的各种条件,是自然界微生物生长繁殖的良好基地。其原因在于:

①土壤含有丰富的动植物和微生物残体,可供异养微生物作为碳源、氮源和能源。 ②土壤含有大量而全面的矿质元素,供微生物生命活动所需。

③土壤中的水分都可满足微生物对水分的需求。

④不论通气条件如何,都可适宜某些微生物类群的生长。通气条件好可为好氧性微生物创造生活条件;通气条件差,处于厌氧状态时又成了厌氧性微生物发育的理想环境。土壤中的通气状况变化时,生活其间的微生物各类群之间的相对数量也起变化。

⑤土壤的 pH 值范围在 3.5~10.0 之 间,多数在 5.5~8.5 之间。而大多数微生物的适宜生长 pH 也在这一范围。即使在较酸或较碱性的土壤中,也有较耐酸、喜酸或较耐碱、喜碱的微生物发育繁殖,各得其所地生活着。

⑥土壤温度变化幅度小而缓慢,随季节和昼夜的变化幅度大大低于气温的变化,这一特性极为有利于微生物的生长。如土壤温度夏季比空气温度低,而冬季又比空气温度高。土壤的温度范围恰是中温性和低温性微生物生长的适宜范围。

⑦土壤能保护微生物不受烈日的暴晒,避免各种射线对微生物的杀伤作用。

因此,土壤是微生物资源的巨大宝库,微生物种类齐全、数量多,代谢潜力大。事实上,许多对人类有重大影响的微生物种大多是从土壤中分离获得的,如大多数产生抗生素的放线菌分离自土壤。

2、微生物对土壤的作用

(1)微生物是土壤形成的先驱生物

自养固氮菌固氮,使成土母质间有了氮素成分。

(2)为植物生长提供有效氮源。

有机态氮向无机氮(氨态氮、硝态氮)的转换

(一)土壤中微生物的分布

一般规律:

①具有季节性变化规律:春、秋季是高峰,夏、冬季数量较少。

②垂直分布规律:好氧微生物随土壤深度的增加而减少。

③平行分布规律:近根系微生物较多,远根系微生物较少。

聚集在表土层和耕作层,以微菌落的形式分布在土壤颗粒和有机质表面以及植物根际。 土壤团聚体(土壤团粒):由土壤矿物质颗粒(黏粒)、微生物、植物残体以及腐殖质构成的微团聚体经过多次复合和团聚而成的结构。

不同的团聚体微生物的分布不同。

同一团聚体内外微生物的分布不同。

(二)土壤中微生物的群落

(三)土壤微生物的区系

* 1、微生物的区系:指与一定环境和位置相联系的微生物的总体

* 2、土壤微生物区系:特定土壤中微生物的种类、数量和微生物在该土壤中的活力等微生物活性的微生物特性的总体。

(四)土壤微生物生物量的测定

1)菌丝伸长测定(活体染色)

2)酶法(脱氢酶、氧化酶、纤维素酶等)

3)稀释平板法和直接计数法

4)土壤熏蒸法

5)ATP、DNA含量测定

(五)植物的根际与根际微生物?

根际:又称根圈,指生长中的植物根系直接影响的土壤范围,包括根系表面至几毫米的土壤

区域。

根际是植物根系直接影响到的土壤范围,根系组织和细胞在生长和代谢过程中能不断向根际分泌许多无机和有机物质(如氨基酸、有机酸和碳水化合物、生长素和酶等),再加上脱落的根表皮细胞、根冠和死亡的根系等,都是微生物的营养来源。

由于根系的比表面积很大,穿插在土壤中并具有旺盛的代谢活动,使根际的营养物成分、氧分压和水分状况与根外土壤不同,从而形成了一个有利于微生物生长的特殊生态环境,在植物根际生活的微生物称为根标微生物

1.植物根系对微生物的作用

根圈效应:同根圈外土壤中的微生物群落相比,生活在植物根圈中的微生物,在数量、种类

和活性上都有明显不同,表现出一定的特异性,这种现象称~,以根土比表示。

根土比(R/S):根际微生物数量与非根际土壤微生物数量的比值来表示。

植物根际对微生物数量和种类的影响称为根际效应(rhizosphere effect)。

在数量方面常用根土比(R/Sratio)即根际微生物数量与非根际土壤微生物数量的比值来表示。 R/S值一般为5~20,有时可高达100以上,该值随植物种类、生育期和土壤类型等而变化 。

根际微生物不但数量多,而且在类群组成上也与非根际微生物不同。根际以革兰氏阴性的无芽孢杆菌占优势,而革兰氏阳性的球菌、杆菌、芽孢菌和多形态菌较少。常见的主要类群有假单胞菌属、黄单胞菌属和产碱菌属。根际对放线菌、藻类和原生动物的刺激作用不明显,它们的根土比例很少超过2~3∶1。?

根际微生物的营养需要也不同于土壤微生物。它们一般需要有氨基酸才能良好生长并对植物根的分泌物和死亡脱落的表皮等细胞中的有机成分表现出明显的依赖性。由于不同植物的根分泌物不同,同一植物的分泌物在不同生育期中也有变化,因此根际微生物还表现出与植物种类、土壤及其它环境条件有关的特异性及随植物生育期不同的数量和优势种群的交替变化。一般地说定居在根表面的微生物受植物根系的影响最大,特异性也较高;其余的类群主要受根系的刺激或影响;少数种类和雀稗固氮菌甚至可以定居在根的胶质鞘套中,形成了与植物关系十分密切的联合固氮体系。

2.根际微生物对植物的影响(245-246页)

根际微生物对植物的作用多数是有益的,但有时也会产生一些负作用。其作用可以归纳为5个方面。?

1)根际微生物对植物的有益影响:

(1)提供有机养料和生长素类物质:

根际微生物在代谢活动中能迅速分解来自根系、肥料和土壤中的复杂有机物质并将其转化为可给性植物养料。有些类群还能产生吲哚乙酸(如小麦 根际微生物)、赤霉素(如藤仓赤霉菌)等生长素类化合物来刺激植物的生长。?

(2)提高土壤矿质养料的有效性:

绝大多数的根际微生物均能在代谢过程中产生有机酸等而促进土壤中难溶性磷、铁、锰等元素转变为植物可利用的可溶性养料,有些微生物还能产生有机螯合物来加强铁、锰等矿质元素的溶解性和有效性

(3)消除H2S等对植物的毒害作用:

存在于水田或淹水土壤中的还原态硫化氢等硫化物 ,在水生植物根际较高的氧分压下被硫化细菌氧化而消除了它们对植物的毒害作用,细菌亦可从植物获得O2和接触酶而受益。?

(4)产生拮抗性物质:

许多根际微生物能产生抑制其它植物或植物病原微生物的拮抗化合物,如小麦根际微生物因能产生抑制豌豆和莴苣根系生长的拮抗物,因而对小麦根系的生态环境起保护作用。?

2)根际微生物对植物的有害影响:

引起缺素及产生有害作用:

(1) 有时候过度生长的根际微生物会与植物竞争吸收矿质养料并使植物出现暂时性营养

不良症状。例如果树因缺锌而产生小叶,燕麦因缺锰而产生灰斑等;

(2) 某些根际微生物能产生有毒物质,抑制后茬植物种子发芽和幼苗生长,轮作中应注

意选择适合的后茬作物;

(3) 根际累积的特异性病原微生物引起西瓜、花生等作物发生病害,不能重茬种植。?

*极端环境下微生物的研究意义

? 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。

(一) 嗜热微生物

嗜冷、兼性嗜冷、嗜温、嗜热和超嗜热

细菌是嗜热微生物中最耐热的,按它们耐热程度的不同又可以被分成五个不同类群:耐热菌、兼性嗜热菌、专性嗜热菌、极端嗜热菌和超嗜热菌。

? 嗜热微生物生长的生态环境有热泉100℃),高强度太阳辐射的土壤,岩

石表面(高达70℃),各种堆肥、厩肥、干草、锯屑及煤渣堆,此外还有家庭及工业上使用的温度比较高的热水及冷却水。

? 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

是它们嗜热的生理基础。新的研究还表明专性嗜热菌株的质粒携带与热抗性相关的遗传信息。

嗜热微生物有远大的应用前景

1.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

2.高温微生物也易于保藏

3.嗜热微生物还可用于污水处理。

4.嗜热细菌的耐高温DNA多聚酶使DNA体外扩增的技术得到突破,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 。

(二) 嗜冷微生物

? 嗜冷微生物的主要生境有极地、深海、寒冷水体、冷冻土壤、阴冷洞穴、保藏食品

的低温环境。从这些生境中分离到的主要嗜冷微生物有针丝藻、粘球藻、假单胞菌等。从深海中分离出来的细菌既嗜冷,也耐受高压。

? 嗜冷微生物适应环境的生化机理是因为细胞膜脂组成中有大量的不饱和、低熔点脂

肪酸。

(三) 嗜酸微生物

生长最适pH在3-4以下,中性条件不能生长的微生物称为嗜酸微生物;

能在高酸条件下生长,但最适pH接近中性的微生物称为耐酸微生物。

这些环境中分离出来,其优势菌是无机化能营养的硫氧化菌、硫杆菌。

酸热泉不但具有高酸度,而且还具有高温的特点,从这些环境中分离出独具特点的嗜酸嗜热细菌,如嗜酸热硫化叶菌等。

嗜酸微生物能在酸性条件下生长繁殖,需要维持胞内外的pH梯度,现在一般认为它们的细胞壁、细胞膜具有排斥H+ ,对H+离子不渗透或把H+从胞内排出的机制。而嗜酸微生物的外被要高H+来维持其结构。

嗜酸菌被广泛用于微生物冶金、生物脱硫。

(四)嗜碱微生物

? 一般把最适生长pH9以上的微生物称为嗜碱微生物(alkaliphilic microorganisms) ? 中性条件不能生长的为专性嗜碱微生物

? 中性条件甚至酸性条件都能生长的称为耐碱微生物

(alkalitolerantmicroorganisms)或碱营养微生物 。

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(Magadi)湖,埃及的wady natrun湖是地球上最稳定的碱性环境,那里pH达10.5-11.0。我国的碱性环境有青海湖等。碳酸盐是这些环境碱性的主要来源。人为碱性环境是石灰水、碱性污水。

嗜碱微生物有两个主要的生理类群:盐嗜碱微生物和非盐嗜碱微生物。前者的生长需要碱性和高盐度(达33%NaCl十Na2CO3)。代表性种属有外硫红螺菌、甲烷嗜盐菌、嗜盐碱杆

菌、嗜盐碱球菌等。

嗜碱微生物生长最适PH在9以上,但胞内pH都接近中性。细胞外被是胞内中性环境和胞外碱性环境的分隔,是嗜碱微生物嗜碱性的重要基础。其控制机制是具有排出OH-的功能。

嗜碱微生物产生大量的碱性酶,包括蛋白酶(活性pH 10.5-12)、淀粉酶(活性pH

4.5-11)、果胶酶(活性PH l0.0)、支链淀粉酶(活性pH 9.0)、纤维素酶(活性pH 6-11)、木聚糖酶(活性pH 5.5-10)。这些碱性酶被广泛用于洗涤剂或作其他用途。

(五)嗜盐微生物

? 含有高浓度盐的自然环境主要是盐湖,如青海湖(中国)、大盐湖(美国)、死海(黎巴

嫩)和里海(俄罗斯),此外还有盐场、盐矿和用盐腌制的食品。海水中含有约3.5%的氯化钠,是一般的含盐环境。根据对盐的不同需要,嗜盐微生物(halophilic microorganisms)可以分为弱嗜盐微生物、中度嗜盐微生物、极端嗜盐微生物。 弱嗜盐微生物的最适生长盐浓度(氯化钠浓度)为0.2-0.5mol/L,大多数海洋微生物都属于这个类群。

中度嗜盐微生物的最适生长盐浓度为0.5-2.5mol/L,从许多含盐量较高的环境中都可以分离到这个类群的微生物。

极端嗜盐微生物的最适生长盐浓度为2.5-5.2 mol/L(饱和盐浓度,aw=0.75),它们大多生长在极端的高盐环境中,已经分离出的主要有藻类:盐生杜氏藻、绿色杜氏藻;细菌:盐杆菌,如红皮盐杆菌、盐沼盐杆菌,盐球菌,如鳕盐球菌。可以在高盐浓度下生长,但最适生长盐浓度较低的称为耐盐微生物。

? 嗜盐微生物的嗜盐机制仍在不断探索研究,盐杆菌和盐球菌具有排出Na+和吸收浓

缩K+的能力,K +作为一种相容性溶质,可以调节渗透压达到胞内外平衡,其浓度高达7mol/L,以此维持胞内外同样的水活度。

嗜盐细菌具有许多生理特性,其中紫膜引人注目。

? 紫膜是在细胞膜上形成的一种特殊的紫色物质,吸收的光能以质子梯度的形式部分

储存起来,并用于合成ATP。此外紫膜是由类视紫蛋白和脂质组成,具有独特的特性,吸引着许多科学家进行研究,探索其作为电子器件和生物芯片的可能性。

(六) 嗜压微生物

第三节 微生物与生物环境间的关系

* 1.偏利互生:

两个生物群体生活在一起时,其中一个生物群体的生命活动对另一个生物群体产生有利

影响,而本身不受害,也不得利。

例子:微氧环境中需氧性细菌生长消耗了氧气,使厌氧性细菌得以生长。

乙醇转化为乙酸和甲烷的过程中:乙醇代谢菌产生氢和乙酸,但需要能量;甲烷产生菌利用H2释放能量.

污泥中的某一微生物群体可以厌氧代谢有机物产生有机酸,有机酸可被一些微生物群体代谢产生甲烷,甲烷有利于甲烷氧化菌的生长,甲烷氧化菌氧化甲烷产生甲醇,甲醇有利于甲基营养菌的生长。

* 2.协同共栖 :

指两个生物群体生活在一起时,互相获利,但这两者之间的关系没有专一性,它们能单独生活在各自的自然环境中,但形成协作关系时,双方均能受益。

微生物中这种关系的重要意义在于不同的微生物群体共同参与某一物质的代谢过程,自然界这种关系相当普遍。

例:亚硝酸细菌氧化氨为硝酸细菌提供了代谢基质;亚硝酸被硝酸菌利用避免了亚硝酸在环境中的积累,消除了对亚硝酸菌的毒害作用。

植物与其根际促生细菌(PGPR)、人体与其肠道正常菌群之间也是典型的协同共栖关系。 *三、共生关系(mutualism)

指两种生物群体紧密地生活在一起,互相依存,互换生命活动的产物,生理上形成一个整体乃至特殊的共生结构 ,并且两者之间的结合具有专一性和选择性。

藻类或蓝细菌与真菌共生形成地衣。

根瘤菌和豆科植物之间形成的根瘤或茎瘤。

反刍动物与其瘤胃微生物也是一种典型的共生关系。

*2.拮抗(amensalism)

拮抗关系指一种生物产生一些代谢产物可抑制另一种生物的生长发育,甚至杀死它们的一种相互关系。

特异性拮抗

非特异性拮抗

例如:青霉菌分泌青霉素抑制G+,这种拮抗关系也称之为特异性拮抗,非特异性拮抗关系没有这种选择性,如硫细菌产生硫酸降低环境pH,抑制不耐酸的各种细菌生长。

二、微生物与植物的关系

(一)根际微生物与根际效应

(二)微生物与植物的的共生

1、细菌与豆科植物的共生

(1)根瘤菌与根瘤

Ⅰ根瘤菌

①形态特征:

在分类上归属于变性杆菌门的根瘤菌目。细胞呈杆状,常内含许多折光性聚β—羟基颗粒(贮藏性物质),使细胞染色不均匀,有时呈环节状。能与豆科植物共生,形成根瘤并固定空气中的氮气。

在生活史中表现出多形态,存在于根瘤中的根瘤菌在形态和功能上都同培养基上生长的根瘤菌有很大的区别,形态有规则,这些变形的菌体称为类菌体,具有固氮功能。在根瘤中菌体常呈棒状、T形和Y形。但不同形状的类囊体,受寄主细胞的制约,如花生根瘤中呈球形,蚕豆根瘤中常呈梨形或膨大杆状,大豆根瘤中主要以稍大有杆状存在。形态上高度分化的成熟内菌体一般不能再分裂繁殖(只有形态上分化不明显的类菌体大部份在培养基上可以再分裂繁殖,如大豆),它们将随着根瘤的衰败而解体,释放到土壤中,呈小杆状、球状。 ②一般生理特性:

化能有机营养型能利用NO3-、NH4+,但培养基中含植物性氮素物质(豆芽汁、酵母汁等)时大多数根瘤菌生活的得更好。需要多种灰分元素:P素的要求尤其高;铁是合成豆血红蛋白和铁蛋白的必要元素。当缺少某些二价阳离子(Ca2+、Mg2+)时生活力显著下降;钼是固氮酶的成分;钴用于合成维生素B12,并能防止Ni和Cu的毒害作用。适合中性和微碱性条件,适合的pH在6.5-7.5,适合的温度25-30℃。

据根瘤菌在酵母汁甘露醇培养基上生长速度可分为快生型和慢生型:快生型在含甘露醇或其他碳水化合物的培养基上产酸,代时2-4h;慢生型在含甘露醇或其他碳水化合物的培养基上产碱,代时6-8h;;也存在中间类型。

③根瘤菌与宿主的共生特性:侵染性、专一性和有效性。

侵染性:根瘤菌能进入豆科植物根内,在其中繁殖,并形成根瘤。

专一性:根瘤菌的各个种和菌株只能感染一定的豆科植物种类。

有效性:(类菌体)蛤的高效的固氮能力。但并不是能够结瘤的菌株都能固氮,据它们在根瘤中是否固氮而分为有效菌株和无效菌株,它们形成的根瘤分别称为有效根瘤和无效根瘤。许多无效根瘤的结瘤能力比有效根瘤强(陈文新,土培和环境微生物,1990。P170) 互接种族:

从一个属植物根瘤中分离的根瘤菌能够在其它属植物上结瘤,人们将这种能相互利用同一根瘤菌菌株形成共生体系的豆科植物称为“互接种族”。如:大豆族只有大豆一属植物;豇豆族包括豇豆、花生、绿豆、赤豆、猪屎豆和胡枝子等许多植物。

Ⅱ根瘤

①根瘤形成过程的主要步骤:

特定的根瘤菌与相应的豆科植物相互辩认使根瘤菌特异地吸附在根毛上二者相互作用使根毛变形,主要表现卷曲或分枝细菌进入根内形成侵入线侵入线发展,进入根皮层后导致一部份细胞转化为分生组织,细胞分裂和分化,根瘤开始发育根瘤菌从侵入线内释放到根瘤细胞中繁殖,而后转化成类菌体形态豆血红蛋白出现,固氮作用开始。

根瘤的的寿命较寄主植物短得多,在植物成熟之前根瘤就开始衰败,表现为类菌体周膜破坏,类菌体裂解,根瘤内部由浅红色变为绿褐色。

②豆血红蛋白类:

菌体在根瘤细胞中由植物合成的类菌体周膜所包裹,这时也称共生体。大豆等根瘤含菌细胞的每个周膜中有1-10个内菌体不等。类菌体及周膜占据每个含菌细胞空间的80%。在内菌体周膜内外存在豆血红蛋白(Leghaemoglobin,Lb),对根瘤中氧气的调节起着重大作用,Lb由蛋白质(寄主植物细胞合成)和血红素(由类菌体合成),以充氧和脱氧两种状态存在使呼吸作用的固氮作用能协调地进行。

(2)、蓝细菌和其它生物的共生体

2、放线菌和非豆科植物共生固氮

已知放线菌目中的弗兰克氏菌可与200多种非豆科植物共生形成放线菌根瘤

(actincrhizas)。这些根瘤也具有较强的共生固氮能力。结瘤植物多为木本双子叶植物,如凯木、杨梅、沙棘等。

3、真菌和植物的共生

植物形成菌根是普遍现象,自然界大部分植物都具有菌根。陆地上97%以上的绿色植物具有菌根。

(1)菌根(mycorrhiza):

一些真菌和植物根以互惠关系建立起来的共生体。菌根分为两大类,外生菌根和内生菌根。 外生菌根

外生菌根的真菌在根外形成致密的菌套,在菌套内层有许多菌丝透过根的表皮进入皮层组织,在外皮细胞间蔓延,将细胞逐个包围起来,形成一种特殊结构,称为哈蒂氏网。哈蒂氏网的细胞仍具有活性。少量菌丝进入根皮层细胞的间隙中;其真菌主要是担子菌,其次是子囊菌,个别是接合菌和半知菌。大多数外生菌根真菌是广谱性寄主真菌,能同很多种植物形成外生菌根;少数为专性寄主真菌,只能同几种植物形成菌根。如小牛肝菌只同落叶松属树种形成菌根。外生菌根主要见于森林树木。

内生菌根

内生菌根的菌丝体主要存在于根的皮层中,在根外较少。

内生菌根又分为两种类型,一种是由有隔膜真菌形成的菌根,另一种是无隔膜真菌所形成的菌根,后一种一般称为VA菌根,即“泡囊-丛枝菌根”(vesilular-arbuscular mycorrhizae)。内生菌根主要存在于草、林木和各种作物中。

天麻(外生菌根):真菌为密环菌;兰科植物其真菌为密环菌,兰草需带土栽培。

(2)菌根的作用及其根与真菌的关系:

菌根共生体可以促进磷、氮和其他矿物质的吸收,尤其是磷。真菌和植物根形成的共生体增强了它们对环境的适应能力,使它们能占据它们原来所不能占据的生境,促进植物的生长。

根为真菌的生长提供能源。菌根菌为植物提供矿物质和水,产生的植物之间的抑制物质使生长植物对其他植物存在偏害关系,削弱外来者的竞争,以保持占据的生境。结合以后的共生体不同于单独的根和真菌,它们除保留原来的各自的特点外,又产生了原来所没有的优点,体现了生物种间的协调性。

4、植物表面微生物与植物病害

植物的茎叶和果实表面是某些微生物的良好生境,细菌、蓝细菌、真菌(特别是酵母)、地衣和某些藻类常见于这些好气的植物表面。邻接植物表面的生境称为叶际(phyllosphere)。叶际主要为各种细菌和真菌种群所占据。叶的直接表面生境称为叶面(phylloplane),也为不同的微生物占据。花是附生微生物的短期生境,花从受精到果实成熟,环境条件发生了改变,微生物群落也会发生演替。果实成熟时,酵母属有时成为优势种群。不同种的植物果实有特定的群落组成。叶面微生物举例:泡菜、青贮饲料等。

某些病毒、细菌、真菌和原生动物能引起植物的病害,主要的病害是由真菌引起的。微生物引起的植物病害是微生物对植物的偏害作用。病害使植物功能失常,因而降低了植物生长和维持它们生态位的能力。病原体通过不同的途径进入植物体内,通过产生分解酶、毒素和生长调节因子干扰植物的正常功能。被感染植物能产生各种形态上和代谢上的异常,有的植物会快速死亡,或经历缓慢的变化过程,而走向死亡。

13、互生关系: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。

偏利互生:两个生物群体生活在一起时,其中一个生物群体的生命活动对另一个生物群体产生有利影响,而本身不受害,也不得利。

协同共栖 :指两个生物群体生活在一起时,互相获利,但这两者之间的关系没有专一性,它们能单独生活在各自的自然环境中,但形成协作关系时,双方均能受益,其中任何一个群体可以被其他群体所代替。

? 硝酸在环境中的积累,消除了对亚硝酸菌的毒害作用。

共生关系: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。 拮抗: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。

? 特异性拮抗作用和非特异性拮抗作用

第8章 微生物在环境中的分布及其相互关系

生物地球化学循环(biogeochemical cycles):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。这种循环是地球化学循环的重要组成部分。

地球上的大部分元素都以不同的循环速率参与生物地球循环。生命物质的主要组成元素

(C、H、O、N、P、S)循环很快,少量元素(Mg、K、Na、卤素元素)和迹量元素(Al、B、Co、Cr、Cu、Mo、Ni、Se、V、Zn)则循环较慢。属于少量和迹量元素的Fe、Mn、Ca和Si是例外,铁和锰以氧化还原的方式快速循环。钙和硅在原生质中含量较少,但在其他结构中含量很高。

碳、氮、磷、硫的循环受二个主要的生物过程控制,一是光合生物对无机营养物的同化,二是后来进行的异养生物的矿化。实际上所有的生物都参与生物地球化学循环。微生物在有机物的矿化中起决定性作用,地球上90%以上有机物的矿化都是由细菌和真菌完成的。

第一节 碳循环

自然界中含碳物质有CO、碳水化合物、脂肪、蛋白质等。碳的循环是以CO为中心的。

22

在碳循环中,CO大部分来源于微生物分解有机物,另外,由于CO同时也参与氧循环,因此,

22

实际上C和O循环是相互关联的。

CO可以成为植物、藻类的碳源,大气中CO的含量为0.032%,这个值由于人类活动大量产生22

CO进入大气中而在增加,造成所谓的气候变暖。由此带来一系列的问题,成为当今世界最关注的2

热点之一。

一、 微生物分解有机物的一般途径

(一) 复杂有机物分解为简单的有机物

对于复杂的有机物,微生物首先通过其分泌于细胞外的胞外酶类使其基质分解成简单的可溶性有机物后吸入体内加以利用。例如:纤维素酶使纤维素水解为纤维二糖及葡萄糖,脂酶使脂肪分解为甘油与脂肪酸后被菌体吸收利用。由于微生物种类及所处的条件不一,进入体内后分解转化过程各不相同。根据微生物分解作用与氧气的关系,可概括为氧化和发酵两大类别。

(二) 简单有机物的有氧分解

1、 完全氧化

简单的有机物被各类好氧和兼性厌氧微生物吸收进入细胞后,在有氧呼吸过程中被彻底氧化成二氧化碳和水。这一过程包括一系列的生物氧化反应,有磷酸化、水解、脱氢、氧化、脱羧等。各种糖类,有机酸类或糖醛酸类,在微生物的好氧性分解中,其分解和氧化的途径虽各有差别,但是它们的终局氧化阶段是一致的,均以二氧化碳和水作为最终产物。由于有机物被彻底氧化分解,其释放出的能量亦较大。

2、 不完全氧化

微生物不完全氧化有机物时生成各种有机酸。许多好氧或兼性好氧微生物在氧的供应不很充足的环境中生活时,不能彻底氧化基质,而有中间产物的积累;甚至在氧的供应不缺少,而由于氧化过程中个别反应的速度不一致时,也可的中间产物的暂累积。曲霉在利用蔗糖或葡萄糖时产生柠檬酸和草酸,根霉、毛霉等氧化已糖时累积延胡索酸,青霉等氧化糖类生成糖酸与糖醛酸,

以及醋酸菌将醇类物质氧化成有机酸等,都是微生物不完全氧化作用的典型例子,且已被应用于工业生产。

(三) 简单有机物的无氧分解及甲烷的生成

1、 简单有机物的无氧分解

糖类和其他简单有机物,在缺氧环境中,由厌氧菌或兼性厌氧微生物通过发酵作用或无氧呼吸进行分解。在微生物代谢一节中,我们介绍酒精发酵、乳酪发酵、丁酸发酵等发酵作用,所生成的不完全氧化和还原态的产物,包括一些分子结构简单的有机酸类、醇类、醛类、酮类碳氢化物等。

2、 甲烷的生成

(1) 甲烷产生菌:简单有机物在厌氧条件下可被微生物转化生成甲烷,此作用称产甲烷

作用。产甲烷细菌属古细菌的一个类群,已记载的有20个属,均为严格厌氧性细菌。

一般为中温型,少数种类为高温型。能利用铵盐为氮源,少数可利用氮气,它们对

碳源基质的要求很专性。

(2) 甲烷生成的基质:大多数产甲烷细菌以二氧化碳为最终电子受体,氢为电子供体,

将二氧化碳还原为甲烷。其反应式如下:

产甲烷细菌还可利用某些一碳和二碳化合物,如一氧化碳、甲醇、甲酸、乙酸、甲胺、二甲胺、二甲硫等生成甲烷。

(3) 甲烷生成的机制: 甲烷生成过程包括若干阶段,有许多特定的酶参与作用,由二氧

化碳生成甲烷的途径分4个阶段:

二氧化碳→甲酰碳→甲基碳→甲基辅酶M→甲烷碳

产甲烷细菌具有其他任何微生物所没有的独特辅酶,如F420、F430、辅酶M、因子B、CDR

因子(二氧化碳还原因子)等成分。

(四) 微生物分解有机物的总图式

综上所述,可将微生物分解有机物的作用总括如下:

二、 微生物分解纤维素

纤维素是植物细胞壁的主要成分,在植物残体和有机肥料中的含量约占干重的35~60%。土壤中含有大量的纤维素。印染工业由于洗布和上浆,造纸工业由于用木材做原料,其排出废水中均含有大量纤维素。在天然存在的有机物中,纤维素是数量最大的一类环境污染物。

纤维素是葡萄糖的高分子缩聚物。由于来源不同,相对分子质量有很大差别,介于 5万~40万之间。含有300~2500个葡萄糖分子,以β-1,4糖苷键联结成直的长链。不溶于水,在环境中比较稳定。只有在产生纤维素酶的微生物作用下,才被分解成简单的糖类。

纤维素酶是一种诱导酶,如绿色木霉只有在纤维素、纤维二糖、乳糖和葡萄糖做碳源时才能

合成纤维素酶;用其他化合物做碳源则不能形成,而且还需在培养基中添加钙及微量元素如镁、铁、锌、锰、钴、铜等,微生物才能合成纤维素酶。纤维素酶包括许多不同的酶,大致可分为3群:

(一) C1酶

(二) β-1,4-葡聚糖酶

(三) β-葡萄糖苷酶

(四) 纤维素的转化

纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖。无论一年生或多年生植物,尤其是各种木材都含布大量的纤维素。植物体内约有50%的碳存在于纤维素的形式。 来源:以树木、农作物为原料的工业生产,如造纸、印染等。

作用的微生物:细菌、放线菌和真菌。

(五) 半纤维素的转化

存在于植物细胞壁内,是由多种戊糖或己糖组成的大分子缩聚物,组成中有聚戊糖(木糖和阿拉伯糖)、聚己糖(半乳糖、甘露糖)己聚糖醛酸(葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸)。

来源:造纸废水和人造纤维废水。

作用的微生物:能够分解纤维素的微生物大部分能分解半纤维素。

(六) 果胶质的转化

由D-半乳糖醛酸以α-1,4糖苷键构成的直链高分子化合物。存在于植物细胞中。天然的果胶不溶于水,称为原果胶。

来源:造纸、制麻等。

作用的微生物:细菌(如枯草杆菌、多粘芽孢杆菌、)

真菌(青霉,曲霉、木霉等)有一些放线菌

(七) 淀粉的转化

淀粉分直链和支链两类。是由葡萄糖分子脱水缩合,以α-D-1,4葡萄糖苷键(不分支)或α-1,6键结合(分支)而成。广泛存在于植物种子和果实中。淀粉也是人类获取的主要食物来源之一。

来源:淀粉厂、酒厂等。

作用微生物:细菌(如枯草杆菌)和霉菌(如青霉、曲霉等)

分解过程:

糊精酶 麦芽糖苷酶 葡萄糖苷酶

淀粉 —→ 糊精 —→ 麦芽糖 —→ 葡萄糖

(八) 脂肪的转化

脂肪是甘油和高级脂肪酸所形成的脂,存在于动植物体内,是人和动物的能量来源,也是许多微生物的碳源和能源。组成脂肪的脂肪酸几乎都有偶数个碳原子。

饱和脂肪酸+甘油→在常温下为固态,称为脂

不饱和脂肪酸+甘油→在常温下为液态,称为油

来源:毛纺厂、油脂厂、制革厂等

作用微生物:脂肪是比较稳定的化合物,但仍有微生物可以降解它。如细菌中的荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌等,真菌中的青霉、白地霉、曲霉、镰刀霉及解脂假丝酵母等,某些放线菌和分枝杆菌。

(九) 甲烷的形成的转化

甲烷产生菌(属古菌)4H2+CO2—>CH4+2H2O

甲烷营养菌:氧化甲烷得碳源和能量。都是好氧性的。

第二节 氮循环

地球大气中的分子态氮占体积的79%,可以说是取之不尽,但是只有少数原核微生物能够吸收同化分子态的氮,土壤中的有机氮只有通过转化才能被植物利用。不断地补充土壤中铵盐和硝酸盐才能使植物生长良好。农业生产中无机氮化物的来源一方面是氮肥,另一方面是通过氮素的循环转化。

氮素循环过程中几个主要环节是:由6种氮化合物的转化反应所组成,包括:

?固氮作用:大气中的分子态氮在生物体内由固氮酶催化还原为氨的过程

?同化作用:氨被植物吸收利用,合成有机氮进入食物链

?氨化(脱氨)作用:有机氮被分解释放出氨,被氧化为硝酸,又可被同化为有机氮 ?硝化作用:氨或铵被氧化为硝酸,又可被同化为有机氮

?反硝化作用:硝酸或硝酸盐被还原为分子态氮返回大气。

一、

硝酸盐在微氧或无氧的条件下,能被多种微生物异化还原成亚硝酸盐,并进一步还原为分子态氮,这种反硝化作用常造成土壤耕作层氮肥的损失,同时其部分中间产物(一氧化氮和氮化亚氮)造成环境污染,这些气体上升至同温层与臭氧结合,降低了臭氧的浓度,从而减弱了对太阳光中紫外线的屏蔽作用,产生不良后果。 氮循环的途径

人们为发展农业生产,除大力生产氮肥个,还必须提高对氮素循环中各个环节的认识与了解,以便在氮肥施用和管理上采取合理措施,有效利用氮肥,同时有利于环境保护。

二、 氨化作用(有机氮化合物的分解)

进入土壤中的动植物残体,除各类不含氮有机物外,还有含氮有机物质,生物来源的含氮有机物主要是蛋白质,还有核酸、尿素、尿酸、几丁质等。

含氮有机物质通过各类微生物分解,转化成氨(铵)的过程,称为氨化作用,这部分占总氮损失的5%(95%反硝化)

(一) 蛋白质的氨化

蛋白质氨化首先是由蛋白酶将其水解,生成氨基酸,氨基酸可进入微生物细胞作为氮源或碳源,它在微生物体内或体外分解,以脱氨基的方式产生氨。

脱氨基作用可以通过以下方式实现:

氧化脱氨基作用

水解脱氨基作用

还原脱氨基作用

氧化还原脱氨 又称Stickland反应

少数厌氧梭菌(如生孢梭菌)能通过部分氨基酸(如丙氨酸等)的氧化与一些氨基酸(如甘氨酸等)的还原相偶联而实现氧化、脱氨基、产生能量的独特反应类型。每分子氨基酸只产1个ATP。

(二) 尿素和尿酸的氨化

尿素和尿酸是人畜的主要排泄物,尿酸水解产生尿素,尿素是土壤中氮素来源之一,也是农业中的一种重要的氮素肥料。

植物虽然可以直接吸收尿素,但进入土壤中的尿素一般都很快被细菌和土壤中的尿酶分解成为碳酸铵。尿素水解为碳酸铵主要是微生物所含尿酶的催化作用。

所生成的碳酸铵很不稳定,很快又被分解为氨和二氧化碳。

很多细菌都含有尿酶,能水解尿素,产生氨,其中有些种类的作用特别强,称为尿素细菌。尿素细菌: 1、球菌:尿素生孢八叠球菌(是球菌中唯一能形成芽孢的种类)

2、芽孢杆菌:巴斯德尿素芽孢杆菌

尿素细菌的生理特点:① 喜好碱性条件。

②以尿素、铵盐为N源,以有机C为C源、能源。

尿素虽然也是有机碳化物,但它不能被尿素细菌用作能源,因为尿素中的碳处于高度氧化的状态,水解时转化为二氧化碳,不能放出能量。

尿酸在细菌作用下,先氧化成为尿囊素,再进一步水解成尿素。尿素再按尿素氨化过程水解为碳酸铵,并进一步分解为氨与二氧化碳。

核酸水解

酸解\碱解\酶解

*三、硝化作用

(一)是铵的氧化过程称为硝化作用

硝化作用是1890年维诺格拉斯基用无机盐培养基成功地获得了硝化细菌的纯培养,证实了硝化作用是由两群化能自养细菌进行的,先是亚硝酸单胞菌将铵氧化为亚硝酸,然后硝酸杆菌再将亚硝酸氧化为硝酸,这两群细菌统称为硝化细菌。

NH4+ +1.5 O2 NO+ + H2O + 276kJ

NO2- + 0.5 O2 NO3-亚硝酸细菌

硝酸细菌

1、硝化作用第一阶段——由亚硝酸细菌推动

氨的氧化必须有氧参与,氧化作用的第一步是由氨单加氧酶催化成羟氨(没有能量产生),接着由羟氨氧化还原酶将羟氨氧化为亚硝酸(通过细胞色素系统进行的电子转移磷酸化而形成能量,这是因为亚硝酸细菌电子供体的还原电势低,羟氨/氨氧还对的氧化还原电势是0,所以只能在反应的后期才能将电子提供给电子转移链,限制了每对电子能够产生的ATP量,由氨氧化为亚硝酸虽然产生4个电子,实际上只有2个电子达到末端氧化酶,所以亚硝酸细菌的生长量是很低的)。这是由亚硝酸细菌推动的。

2、硝化作用第二阶段——由硝酸细菌推动

硝化作用的第二阶段,亚硝酸的氧化是由硝酸细菌的亚硝酸氧化酶系统催化完成的。 由于亚硝酸/硝酸氧还对的氧化还原电位高达0.43V,电子只需经过很短的电子转移链而到达末端氧化酶。亚硝酸的氧化作用于只有一个步骤。

电子经由细胞色素,通过电子转移磷酸化作用形成ATP,氧化过程所产生的能量虽然只有76KJ,但足以形成2个ATP。

3、硝化细菌

硝化细菌是严格好氧的化能无机营养微生物,没有一种化能无机营养菌能够将氨直接氧化为硝酸。

硝化细菌代表菌:

亚硝化单胞菌属、亚硝化叶菌属、亚硝化螺菌属、亚硝化球菌属、亚硝化弧菌属 硝化杆菌属、硝化刺菌属、硝化球菌属

硝化细菌在土壤和水域中广泛分布。硝化作用受通气和pH的影响。

在通气良好的中性或微酸性土壤中,硝化作用十分旺盛,在水稻田中在表面氧化层和泌氧的根表有硝化作用。硝化细菌对酸性环境敏感,在低于pH5的森林土壤中基本上没有硝化作用。

但是在严格厌氧条件下也从水稻田中测出了亚硝酸的形成,并获得了氨氧化推动者培养物。在淡水、浅海水和有机沉积物界面的缺氧环境中也找到硝化细菌。

4、无氧氨氧化

除了严格需氧的硝化细菌外,氨的氧化也能在无氧的条件下进行。在缺氧的废水和污泥中加入硝酸盐,在刺激反硝化作用的同时也将氨氧化为氮气,这是依赖硝酸盐的氧化作用,其化学反应是:

这一反就称为“无氧氨氧化”,它的产能量很高,尚不清楚此种反应的微生物,但肯定不是已知的硝化细菌的厌氧代谢。这一发现对长期以来认为的氨在无氧条件下是稳定的,只能被好氧硝化细菌所氧化的观点是一个挑战。

5、甲烷氧化菌的氨氧化作用

甲烷氧化菌一般也能将氨氧化为亚硝酸,氨同时抑制甲烷的氧化。同样,某些氨氧化菌(亚硝酸细菌)能够氧化甲烷,并从甲烷中获得大量碳来构建细胞,但甲烷不能作为氨氧化菌的唯一碳源和电子供体。

亚硝酸氧化菌(硝酸细菌)则不能氧化甲烷。

硝化细菌和甲烷氧化细菌在细胞结构上的相似之处是都具有大量内膜系统。

6、影响硝化作用的环境因素

温度

温度过高过低对土壤硝化都是不利的。研究表明,不同温度带土壤中的硝化菌对温度的要求不同。

2002,Breuer,在澳大利亚热带雨林生态中,温度每升高10C,硝化速率提高1.17mg NH4+-N?m-2?h-1

美国北部土壤硝化最适温度200C和250C,南部为350C

加拿大,硝化最适温度为200C,在300C完全停止

湿度

水是许多生物学过程所必须的重要成分外,它还有传输和稀释的作用。由于自养硝化是在好氧条件下进行的,因此水分对土壤硝化作用的影响与O2的可获得性紧密相关。

在一定范围内,水分含量的增加将促进硝化作用的进行,当水分含量增加到一定程度,水分含量的增加到一定程度后,水分含量的增加将抑制硝化作用的进行

土壤pH

基于对农田生态系统的研究,长期以来硝化作用都被认为是仅由自养细菌参与的在中性和弱碱性条件下才发生的一个过程,因为酸性环境会限制铵的氧化。目前有研究显示硝化作用可以在酸性条件下进行,酸性条件下硝化作用发生的原因可能是由于自养硝化菌对酸性环境的适应。

凋落量

凋落量的变化将改变土壤中溶解有机氮的含量,而它又限制着氮的矿化过程,受矿化作用控制的NH4+的可获得性将直接决定土壤的硝化速率,因而在凋落量和土壤的硝化作用之间也可能存在联系

土壤有机质、全氮、C/N

Verchot等在美国黄石国家公园进行的研究发现总硝化速率与全氮、全氮、C/N等土壤理化性质指标都不存在显著相关,说明相对净硝化作用,总硝化作用速率比较稳定,对净硝化速率起作用的因子并不一定会对总硝化作用造成显著影响

7、硝化作用的农业和环境意义?

(1)氨氧化为硝酸以及大量的硝态氮化肥为作物的生长提供了氮素营养,有利于产量的提高;

(2)硝酸盐的溶解性强,容易随雨水而流失,硝态氮肥料的利用率在40%以下,大部分浪费了

(3)硝酸盐向水体迁移,导致湖泊和近海富营养化和赤潮。

(4)水中的硝酸盐会被兼性厌氧微生物还原为亚硝酸盐,被人食用后,亚硝酸根与血液中的氧结合影响氧气在血液中的转移,造成“高铁血红蛋白症”,影响人体健康,并可导致婴儿死亡。

(5)土壤中的硝态氮含量过高而植物的生长又受到不良环境(如干旱、阴蔽和多云天气)限制时,植物中会积累过多的硝酸盐,硝酸盐含量过高的植物在青贮过程中会被反硝化细菌还原为氧化亚氮,并形成有毒气体在青贮窖中积累,人畜吸入后严重者可以致死。

8、 硝化作用的研究方法

埋袋原位培养技术

19xx年Eno提出,把原状土芯用聚乙烯袋装上后埋藏于原来的位置一个月左右,然后取出分析每个袋中土壤样品的硝态氮和铵态氮含量的净变化。该方法能够使土样的温度与环境基本保持一致,但在整个培养期聚乙烯袋内原状土芯湿度保持不变。

加盖原位培养技术

克服了上述方法中含水量不能随环境变化的缺点。是将每两个一组的PVC管插入土壤中,通过埋藏后与埋藏时的硝态氮含量的差值得到土壤的净硝化速率。研究发现,即使使用无孔的PVC管,土样的含水量也会在埋藏期间与环境保持一致

平衡室技术

一般由三个相等的室组成,被锚定在河流中。取河底的泥放入其中2个室中以模拟河流的环境,另一个不放泥的室起到调控作用。由于在流动的水域中很多反应过程的底物和产物浓度在不断的发生着变化,因此具有明显的优势。

同位素稀释技术

能够测定原状土样的总硝化作用。土壤从样地取出后被注入15N标记的NH4+或NO3-再放回原处,野外培养至少24小时后总的硝化速率由在土样中硝态氮库额外15N的原子百分比变化决定。

气压过程分离技术

在土壤的呼吸系数为1的理论前提下,假定只有硝化作用、反硝化作用、土壤呼吸、CO2融解于水这几个过程跟压力有关,根据气压的平衡反过来可以精确得到土壤样品的总硝化和反硝化速率。此方法操作简便,且在通气良好的土壤中准确性和同位素示踪法相当。

四、反硝化作用

反硝化作用:微生物还原硝态氮产生气态氮的过程称为反硝化作用。——这是硝酸盐的异化还原过程。

(一)硝酸盐的还原和反硝化过程

微生物对硝酸盐可以进行同化还原和异化还原作用。

同化还原作用时,硝酸盐还原为氨作为生长的氮源。异化还原作用时,硝酸盐是作为电子受体以产生能量。

在大多数情况下,硝酸盐异化还原的终产物是氮气和氧化亚氮。

在植物、细菌和真菌中都能进行硝酸盐的同化还原作用;

只有细菌具备硝酸盐的异化还原作用,在缺氧的条件下,由异化硝酸还原酶催化,第一步也是形成亚硝酸(盐),进一步的还原有两条途径,一是还原为氨;另一途径是亚硝酸(盐)又被异化亚硝酸还原酶催化为一氧化氮,再由一氧化氮还原酶催化为氧化亚氮,最后由氧化亚氮还原酶的催化形成分子态氮、一氧化氮、氧化亚氮,这些产物均散发到大气中。

同化硝酸盐还原酶是受氨阻遏的可溶性蛋白;异化硝酸盐还原酶则是膜结合蛋白,它的合成受氧阻遏。所以反硝化作用是严格厌氧的过程。

(二)反硝化作用的微生物大多数:异养兼厌气性

极少数:化能自养型(脱氮硫杆菌)

主要微生物:

脱氮假单胞菌、脱氮硫杆菌、芽孢杆菌属、色杆菌属、副球菌属、棒杆菌属、生丝微球菌属、沙雷氏菌属

(三)环境对反硝化作用的影响

① 水分及通气状况?② pH值?③ 有机质与NO-3含量?

(四)反硝化作用对农业和生态的影响

反硝化作用是土壤和化肥氮素损失的重要原因之一,具体损失量因肥料种类、施用方法和条件而异。

五、生物固氮作用

生物固氮作用——大气中的分子态氮在生物体内由固氮酶催化还原为氨的过程。

自然界中,一部分细菌具有这一功能,它们同化分子态氮作为获得氮素营养的途径之一。 生物固氮作用是氮素循环的重要环节,对农业生产具有重大意义。

(一) 固氮微生物

具有固氮功能的微生物称为固氮微生物。

固氮微生物的特点:当环境中缺少化合态氮时能够同化分子态氮。

在其它生理特性方面,固氮微生物则是一个庞杂的类群,包括真细菌、古细菌。真细菌的许多生理类群以及蓝细菌和放线菌中都有固氮的属种。

固氮微生物生理特性的多样性反映了它们生态分布的广泛性,在生物圈的各种生境中都能找到固氮微生物;

在植物圈中固氮微生物的数量和种类更多,它们存在于植物表面的各个部位。

根据固氮微生物同植物的关系和固氮生境,可以将固氮作用分为4个类型:

共生固氮微生物:只同植物共生时表现旺盛的固氮活性。

内生固氮微生物:指在植物根内生活,微生物与植物关系密切,但不形成特殊结构。如固氮弧菌的某些种能够生活在水稻根的细胞内和细胞间,进行固氮作用。

联合固氮微生物:微生物生活在植物根的表面和粘质鞘套内,有的甚至可以进入根皮层细胞之间,但不进入细胞内。它们和植物的关系表面一定程度的特异性,但远不如共生关系密切,更不形成特殊的共生结构,而且它们都是自生固氮微生物。 氮气 固氮微生物

农业微生物学总结

自生固氮微生物:不依赖于植物,这类固氮微生物在土壤中的各部位和其它生境固氮,种类很多。

必须强调的是,固氮微生物只是一个生理群,其中的某些种类按其它性状来划分时又可归属于不同的生理群。个别的种,如肺炎克氏杆菌是条件致病菌,它既是很好的研究材料,又必须慎重对待。

另外,有些固氮微生物也生活在植物地上部分的表面,存在于叶面和一些器官中。有的也存在于动物体内。

(二)土壤因素对固氮作用的影响

P223

*[三个主要的环境N问题:

⑴氧化亚氮(N2O)在过去几十年里以每年0.25%的速度增长

⑵硝态氮和氨态氮沉降的增多加剧了土壤和径流水的酸化

⑶海域内氨态和硝态氮流入和沉降的增加可能导致了海水富营养化

1、对大气环境的影响NOX、NHX、N2O

N2O 是一种非常高效的温室气体,它在对流层不活跃,但在平流层,它被光解或与活跃的氧原子相互作用,能够促进平流层臭氧的破坏。

⑴细小颗粒物在大气中的增加,降低大气的能见度

⑵对流层臭氧浓度的提高增强了大气的温室效应

⑶活性氮的增加导致对流层臭氧和气溶胶的增加,可能导致人类呼吸系统和其他方面的疾病等。

2、对农业、森林和草地生态系统的影响现有在欧洲和北美的研究表明,活性氮及由此产生的氮沉降的增加,使森林和草地生态系统生产力增加;但随着氮沉降超过临界值,这些系统的生产力将随之下降。Matson 等认为,虽然温带地区的氮沉降可能暂时性地提高生态系统碳(C)的贮存量,然而在湿润的热带地区,高的氮沉降将导致系统生产力的降低以及碳贮量的减少。

大气氮沉降和肥料的使用引起了温带自然和农业生态系统中土壤酸化、盐基离子(Ca 2+、Mg 2+等)的稀释和具有潜在毒性的铝离子(Al 3+)的活化,对土壤肥力产生长期的负面影响。许多热带森林的土壤酸性很强,活性氮的加入将进一步增加其酸度,导致盐基离子丢失速度加快,磷(P)和其它限制性营养元素的可得性降低,植物体营养失衡,最终降低植物的生产力和其它生态系统的功能

限制性元素的加入能够急剧改变系统内优势种的组成,减少系统的生物多样性。在温带生态系统中,多种植物生长在未经管理的生境中,它们适应于养分贫乏的环境条件,因此,活性氮的加入使一些适应于富氮的植物长得更好,丰度增加,物种组成改变,生物多样性减少。欧洲和北美的施肥试验已经证明氮的增加导致喜肥植物的生长加快以及植物种类的减少

3、对水体生态系统的影响导致湖泊和径流水的酸化和水体中生物多样性的减少;引起海岸带生态系统的富营养化、缺氧、生物多样性减少、生境衰退等

大量的氮进入水体,导致多种藻类的迅速生长。这些藻类死亡后沉到水底,分解消耗大量水体中的氧,使部分深水鱼类难以生存(死亡区域)

4、影响人类健康直接影响:饮用硝态氮含量高的水时,胃中的微生物会将硝酸盐转化为亚硝酸盐。吸收入血液的硝酸盐将血色素转化为高铁血红蛋白,后者对血液中氧的输送是无效的。

间接影响:活性氮导致全球气候变化、平流层臭氧消耗和空气质量下降等,对人类健康造成威胁。

5、氮饱和与生态系统功能Aber 等将氮饱和定义为:“氨态氮和硝态氮的有效性超过了植物和微生物营养的需求,并表现出该流域中大量硝态氮的淋失”。氮饱和的一个典型表现就是氮增加引起硝态氮的淋失。在一个氮饱和的陆地生态系统中,氮离开原来的生态系统,进入径流和地下水,不再具有任何肥力效应,系统的碳储量不再增加。]

第四节 硫循环

在自然界中硫有三态:单质硫、无机硫化物和含硫有机化合物。这三者在化学和生物作用下相互转化,构成硫的循环。

在水生环境中,硫酸盐可以通过化学作用产生,也可来自污废水、也可是硫细菌氧化硫或硫化氢产生。硫酸盐被植物、藻类吸收后转化为含硫有机化合物,如含-SH基的蛋白质,在厌氧条件下进行腐败作用产生硫化氢,硫化氢被无色硫细菌氧化为硫,并进一步氧化为硫酸盐,硫酸盐在厌氧条件下,被硫酸盐还原菌(脱硫弧菌)还原为硫化氢,硫化氢又能被光合细菌用作供氢体,氧化为硫或硫酸盐。自然界的硫就是这样往复循环的。

参与硫循环的微生物有:好氧的贝日阿托氏菌属、发硫菌、硫杆菌;厌氧的绿硫菌属、脱硫弧菌属、脱硫单胞菌属、着色菌属、不产氧光合细菌、嗜热古菌和蓝细菌。

一、 含硫有机物的转化

含硫有机物存在于动物、植物、微生物机体的蛋白质中,它们以-SH形式组成含硫氨基酸,如蛋氨酸、半胱氨酸和胱氨酸,它们和其他氨基酸组成蛋白质。通过氨化脱硫微生物分解有机硫产生硫化氢和氨。如变形杆菌将半胱氨酸水解为氨和硫化氢。

产生的甲酸、乙酸、NH3和H2S可在好氧条件下进一步分解转化成CO2、H2O、NO2-、NO3-和SO42-。含硫有机物如果分解不彻底,会有硫醇,如甲硫醇暂积累,再转化为硫化氢。

二、 无机硫化物的转化

(一) 硫化作用

硫化作用:在有氧条件下,通过硫细菌的作用将硫化氢氧化为单质硫,进而氧化为硫酸的过程称为~。

参与硫化作用的微生物有硫化细菌和硫黄细菌。

1、 硫化细菌

硫化细菌归属于硫杆菌属,革兰氏阴性菌,从氧化硫化氢、单质硫、硫代硫酸盐、亚硫酸盐及多硫磺酸盐(如四连硫酸盐)中获得能量,产生硫酸,同化CO2合成有机物。它们多

半在细胞外积累硫,有些菌株在细胞内积累硫。硫被氧化为硫酸,使环境pH下降至2以下,同时产生能量。

硫杆菌广泛存在于土壤、淡水、海水和矿山排水沟中,有氧化硫硫杆菌、排硫硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌、新型硫杆菌等,它们均为好氧菌;还有兼性厌氧的脱氮硫杆菌。生长最适温度在28~30℃。

有些种适宜在中性和偏碱条件下生长,例如排硫硫杆菌。

各种硫化细菌氧化硫化物的化学反应如下:

(1)氧化硫硫杆菌:它氧化单质硫能力强、迅速,为专性自养菌。

(2)氧化亚铁硫杆菌:它从氧化硫酸亚铁、硫代硫酸盐中获得能量,还能将硫酸亚铁氧化成硫酸高铁

硫酸及硫酸高铁溶液是有效的浸溶剂,可将铜、铁等金属矿物转化为硫酸铜和硫酸亚铁从矿物中流出

也可与辉铜矿(Cu2S)作用生成CuSO4和FeSO4

这种通过硫化细菌的生命活动产生硫酸高铁将矿物浸出的方法叫湿法冶金。生成的CuSO4和FeSO4溶液通过置换、萃取、电解或离子交换等方法回收金属。

2、 硫黄细菌

将硫化氢氧化为硫,并将硫粒积累在细胞内的细菌统称为硫黄细菌。它们包括丝状硫细菌和光能自养硫细菌。

(1)丝状硫细菌

氧化硫化氢为单质硫的丝状细菌有贝日阿托氏菌属、透明颤菌属、辫硫菌属、亮发菌属和发硫菌属。除透明颤菌属和亮发菌属外,其他菌属均能将硫粒累积在细胞内。当环境中缺乏硫化氢时,它们就将积累的硫粒氧化为硫酸,从中获得能量。透明颤菌和亮发菌为好氧型,贝日阿托氏菌、发硫菌和辫硫菌为微量好氧菌,为混合营养型。它们都是革兰氏阴性菌。 ①贝日阿托氏菌属:无色不附着的丝状体,1~30μm×4~20μm,无鞘,滑行运动,体内有聚β-羟丁酸(PHB)或异染颗粒,DNA的G+C含量为37%,其典型种为白色贝日阿托氏菌。有些菌株已获得纯培养,为混合营养型,可营自养生活,在低浓度乙酸盐培养基中,加一定量过氧化氢酶生长良好。以杆状体进行繁殖。

②发硫菌属:能氧化硫化氢积累硫粒于细胞内,丝状体外有鞘,一端附着在固体物上,不运动。而在游离端能一节一节断裂出杆状体,能滑行,经一段游泳生活呈放射状地附着在固体物上。污水处理构筑物、淡水和海水中都存在。微量好氧、混合营养型。污水处理中低溶解氧时其大量繁殖。它对有机营养物的需求量比贝日阿托氏菌属要大。

③辫硫菌属:是一束平行或发辫样组成的柔软丝状体,由一个公共鞘包裹而成。氧化硫化氢积累硫粒于体内,鞘常破碎成片,单独的丝状体独立滑行运动,尚未得到纯培养。

④亮发菌属:其特征基本与发硫菌属相同,不同的是氧化硫化氢后硫粒不积累在体内。其严格好氧,化能异养型。海洋菌种需要NaCl,最适温度25℃,最高生长温度为30-35℃,其DNA的G+C含量为46-51%。

⑤透明颤菌属:无色丝状体,由界限分明的圆柱状或筒状红细胞组成。滑行运动,为混合营养型,不水解蛋白质,在质量浓度为0。5-1g/L的蛋白胨培养基中秀易分离培养。有的菌株在质量浓度为5g/L的蛋白胨中生长、氧化硫化氢,体内不积累硫粒,其DNA的G+C含量为43.6%。典型种为类贝氏菌透明颤菌。

以上5种丝状硫细菌在生活污水和含硫工业废水的生物处理过程中出现,与活性污泥丝状膨胀有密切关系。当曝气池溶解氧在1mg/L以下时,硫化氢含量较多,贝日阿托氏菌和发硫菌过度生长引起活性污泥丝状膨胀。它们氧化硫化氢为硫酸的过程如下:

(2)光能自养硫细菌

这类硫细菌含细菌叶绿素,在光照下,将硫化氢氧化为单质硫,在体内积累硫粒或体外积累硫粒。

(二) 反硫化作用

土壤淹水、河流、湖泊等水体处于缺氧状态时,硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐和次硫酸盐在微生物的还原作用下形成硫化氢,这种作用就叫反硫化作用,也称硫酸盐还原作用。

脱硫脱硫弧菌:略弯曲的杆菌,一般呈单个,有时呈对或呈短链,外观呈螺旋状,革兰氏阴性菌。用石炭酸复红(品红)极易着色,具有一根极端鞭毛而活泼运动,严格厌氧,最短温度25-30℃,最高生长温度为35-40℃,pH适应范围为5~9,最短pH为6-7.5,老细胞因沉积硫化铁而呈黑色。除利用葡萄糖、乳酪为供氢体外,还能利用蛋白质、天门冬素、甘氨酸、丙氨酸、天门冬氨酸、乙醇、甘油、苹果酸及琥珀酸作供氢体。

在混凝土排水管和铸铁排水管中,如果有硫酸盐存在,管的底部则常因缺氧而被还原为硫化氢。硫化氢上升到污水表层(或逸出空气层),与污水表面溶解氧相遇,被硫化细菌或硫细菌将硫化氢氧化为硫酸。再与管顶部的凝结水结合,使混凝土管和铸铁管受到腐蚀,为了减少对管道的腐蚀,除要求管道有适当的坡度,使污水流动畅通外,还要加强管道的维护工作。

河流、海岸港口码头钢桩的腐蚀是硫酸盐和硫化氢腐蚀的结果。在建造码头前,要测表面水、中部水和底部泥层中每毫升水或每克土含硫酸盐还原菌的个数,判定硫酸盐污染的严重程度,从而制定防腐蚀措施。一般采用通电提高氧化还原电位,达到防腐蚀的效果。

第五节 磷循环

土壤微生物既参与了无机磷化物的溶解作用和有机磷化物的矿化作用,也参与了可给性磷的固持作用。

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