微生物生态学一.生态学概念（ecology）：研究生物有机体与其周围环境(生物环境与非生物环境)之间相互关系的一门科学。

生物环境(biotic environment)包括微生物、动物和植物；非生物环境(abiotic environment)包括非生命物质，如土壤、岩石、水、空气、温度、光和PH等。

生态学又称环境生物学environment biology。

微生物生态学（microbial ecology）：研究微生物有机体（细菌、真菌、病毒、放线菌、单细胞藻类及原生动物）与其周围生物环境（生物环境和非生物环境）之间相互作用及其作用规律的一门科学。

又称环境微生物学。

二.土著微生物（Autochthonous microorganism）：指在一个给定的生境中那些能生存、生长和进行活跃代谢的微生物，并且这些微生物能与来自其他群落的微生物进行有效的竞争。

土著微生物一般包括：G+球菌类、色杆菌、芽孢杆菌、节杆菌、分支杆菌、放线菌、青霉、曲霉等。

外来微生物（Allochthonous microorganism）：指来自于其他生态系统的微生物，所以这些微生物不能在这一生境中长期生活下去。

群落（Community）：指一定区域里，各种群体(Population)相互松散结合的一种结构单位。

生态系统：生态系统就是在一定的时间和空间内，生物和非生物的成分之间，通过不断的物质循环和能量流动而相互作用、相互依存的统一体，构成一个生态学的功能复合体。

生态系统=生物群落+无机环境。

影响土壤中微生物分布的因素●土壤颗粒性质腐殖质》砂土●土壤水分游动微生物●氧气上层好氧微生物多（穴居动物活动可以给微生物好氧生长提供条件）●pH pH对营养物质的利用，微生物吸附，胞外酶的产生和分泌产生影响●温度蓝细菌能抗变化范围很大的温度；耐寒的藻类（雪藻）●营养状况有机物对自养细菌有抑制作用（刍溪藻喜欢在营养丰富的鸟粪中）（土壤颗粒中细菌的不均匀分布）●人类生产活动三.淡水微生物的共同特征：1 能在低营养物浓度下生长2 微生物是可以游动的3 表面积和体积比大（柄细菌），有效吸收营养。

研究极端环境中微生物的意义●研究其强而稳定的特殊结构、机能和遗传基因以及应答因子，对阐明物种起源、生物进化具有重要意义。

●研究其生理生化特性，可用于量度地球上生命生存的理化极限，对探索宇宙星球上的生物有参考价值；●可探索出新的生理途径，生产新酶和新的生物制剂，使用于特殊环境条件，如煤脱硫、冶炼金属、处理有毒废水、高压深油井探矿、纤维素高温发酵酒精等。

●研究成果可以大大促进微生物在环境保护、人类健康和生物技术等领域的应用。

嗜冷微生物（psychrophiles）☐0℃以下或3～20℃能生长的微生物，☐最适生长温度不超过15℃，☐最高生长温度不超过20℃。

耐冷菌（psychrotrophs）☐0～5℃可生长繁殖，☐最适生长温度可达20℃以上的微生物嗜中温微生物（mesophilies）☐13～45℃下能生长的微生物低温微生物适应低温的分子机理：1.通过信号传导使低温微生物适应低温环境膜蛋白的磷酸化、去磷酸化反应来感应温度变化耐冷菌Pseudomonas syringae脂多糖和膜蛋白的磷酸化和去磷酸化反应和温度变化有关2.调整细胞膜脂类的组成维持膜的流动性、通透性，保证膜的正常生理功能（膜的改变）增加不饱和脂肪酸比例，使细胞膜脂类处于流动状态，保持物质转运能力和酶活力增加不饱和脂肪酸的比例，增加不饱和脂肪酸的合成缩短脂肪酸链的长度，增加脂肪酸支链的比例，减少环状脂肪酸的比例等（有利于膜脂熔点的降低并在低温下保持液晶态）脂含量升高、膜面积增大（有利于提高菌体细胞对营养物质的吸收能力）3.低温微生物的蛋白质和蛋白质合成（蛋白质的改变：酶分子的改变、其它蛋白质的改变）嗜冷菌合成大量的低温酶类，弥补因低温导致的反应速率下降的问题；嗜冷菌合成产生不同类型的低温酶类（同功酶），在一定范围的不同温度下始终保持代谢活力,维持生命现象。

低温酶在低温下具有高催化率和高柔顺分子构象。

嗜冷菌中蛋白质以单体和多聚体的形式存在（Vibrio中异柠檬酸脱氢酶的单体比二聚体对热敏感）4.低温微生物通过产生冷冲击蛋白（cold shock protein）适应低温环境当生长温度从21℃降到5℃时，嗜冷酵母能在12 h内合成26种冷冲击蛋白。

5.tRNA的改变嗜冷菌的tRNA转录后被修饰的程度较低，而这些修饰仅是维持tRNA的基本结构。

维持较好的柔性以及动力学上的流动性。

四. 嗜热菌：在55℃或55℃以上生长的微生物都叫做嗜热菌。

①专性嗜热菌：最适生长温度在65℃～70℃之间，当生长温度低于35℃时，生长便停止。

②兼性嗜热菌（耐热菌）：生长温度范围介于嗜热菌和嗜中温菌生长温度（13℃～45℃）之间，其最适生长温度在55℃～65℃之间。

③抗热菌：最适生长温度在20℃～50℃之间，但也能在室温下生长。

古细菌：又称古菌、原细菌。

是一种原核生物。

为单细胞生物，无真正的核，染色体含有组蛋白，RNA聚合酶组成比细菌的复杂，翻译时以甲硫氨酸为蛋白质合成的起始氨基酸，细胞壁中无肽聚糖。

分布：深海的火山口、陆地的热泉以及盐碱湖代表性古细菌：嗜酸嗜热细菌嗜盐细菌嗜甲烷菌。

高温下微生物生命的分子机理：1．细胞膜⏹增加脂肪酸烷基链的长度⏹降低烷基链的不饱和程度⏹增加甲基分枝链的比例。

1)嗜热脂肪芽孢杆菌、栖热菌属细胞中含有高比例的长链饱和脂肪酸和具有分枝的脂肪酸，异和前异脂肪酰基链是主要的。

2)嗜热芽孢杆菌细胞膜中含有w－环己基脂环族的脂肪酸，有利于在低pH和高温下维持膜的半渗透功能。

3)含类异戊醇，形成共价交联的双层膜，在广泛温度范围内保持膜的液晶状态。

2．呼吸链蛋白呼吸链的组分和ATP酶的抗热性影响微生物的最高生长温度，嗜热脂肪芽孢杆菌中的ATP酶热稳定性高，对解离剂的抗性大。

3．tRNA从嗜热微生物中提取的tRNA热稳定性高（碱基取代，硫化）。

4．多聚胺多聚胺在调节核酸合成、蛋白质合成和细胞分裂方面起着重要作用。

✧嗜中温菌中仅含有二聚胺和三聚胺，嗜热菌中含有更长链的多聚胺✧嗜热脂肪芽孢杆菌含有精胺和亚精胺✧多聚胺可以恢复无细胞抽提物的蛋白质合成能力✧热亚精胺具有热抗性活力，高温下稳定核糖体和mRNA与氨基酸tRNA之间的一种三元复合物。

5．蛋白质✧氨基酸的取代✧生长温度在某种程度上也会决定蛋白质的热稳定性✧增加分子内离子键结合力而稳定蛋白质✧合成热抗性蛋白✧底物和效应物可稳定某些酶✧通过化学试剂对酶进行化学修饰或把酶通过共价键交联在不溶性的多聚物上，改变蛋白质的分子表面，提高酶的热稳定性✧金属离子可稳定高温下的蛋白质分子✧真菌和酵母中多羟基醇提高蛋白质的热稳定性✧低水活度利用有机溶剂和水混合物制备的酶热稳定提高。

五.嗜酸菌是一种能在低pH条件下生长和繁殖的极端环境微生物，通常在pH2～5生长很好，pH5.5以上生长不好。

抗酸微生物能在强酸环境中生长或生存，但是最适生长pH在4～9之间的微生物；专性嗜酸微生物必须在pH≤3的环境中才能生长的微生物。

嗜酸菌的应用：•细菌冶金氧化Fe2+和S0的细菌能产生酸性的含有Fe3+的溶液，Fe3+可氧化矿石的大量成分，能使Cu2+，U4+，Sn2+，Zn2+，Ni2+，呈可溶状态。

利用氧化亚铁硫杆菌通过微生物沥取法可以从低含量的矿物中大量提取Cu，能耗小。

是开采贫矿和尾矿的有效办法，用细菌浸出Cu的速度比完全氧化快56－60倍。

•煤和石油脱硫利用嗜酸热硫化叶菌氧化无机硫和有机硫化物，减少二氧化硫污染。

•生产肥料利用硫杆菌氧化元素硫或硫化物产生硫酸，来分解磷矿粉，提高高氟硫酸钙的溶解度，提高肥效。

•嗜酸菌还被广泛应用到重金属污染土壤的生物修复、耐热酶的提取。

•嗜酸微生物在环境保护中的作用酸性的矿山废水是由于嗜酸菌氧化分解硫化矿石行成的，危害十分严重。

氧化亚铁硫杆菌氧化Fe2+ 形成Fe3+ ，析出沉淀。

六．嗜碱微生物（Alkalophilic microorganisms）是指碱性环境中最适生长的微生物，可区分为耐碱菌和专性嗜碱菌。

耐碱微生物：在pH8.5～9.0之间最适生长，中性条件下亦能生长的微生物。

专性嗜碱微生物：一般情况下在pH≤7时不能生长，最适生长的pH值9左右，pH10以上还能生长的微生物。

嗜盐嗜碱微生物：除了需要高的pH外，还需高浓度的盐。

嗜碱微生物产生的酶：蛋白酶：洗涤剂的添加剂，不受表面活性剂和助剂的影响，在碱性条件下提高去污能力；嗜碱杆菌产的蛋白酶稳定、产量高，酶是可溶的，可长时间保存；碱性蛋白酶用于动物皮革的去毛作用，克服石灰硫酸钠处理法环境污染的缺点；碱性的弹性蛋白酶在pH11下降解动物组织的弹性蛋白、角蛋白和胶原蛋白；环状糊精葡萄糖转移酶：使淀粉转化为环状糊精（CDs）；淀粉酶：水解淀粉，最适pH为10.5；纤维素酶：处理化工和纺织工业排出的碱性废水；木聚糖酶：转化木聚糖为木聚二糖和寡聚糖，处理人造纤维废物；果胶酶：果胶裂解酶用纸张生产工艺改良；碱性脂肪酶和青霉素酶七．在高浓度NaCl环境中发现的嗜盐微生物主要有微藻和嗜盐细菌。

抗盐微生物➢最适生长的盐浓度在0～0.3 mol/L NaCl之间，➢能生长的盐浓度在0～1 mol/L NaCl之间(5.8%)。

主要有肠道细菌和各种微藻，G-细菌盐单胞菌（Halomonas）也属于抗盐微生物。

H.elongata是抗盐能力最大的微生物（5.5mol/L NaCl）。

中度嗜盐微生物(至少0.5%但不超过26％)➢最适生长的盐浓度在0.2～2.0 mol/L NaCl之间，➢能生长的盐浓度在0.1～4.5 mol/L NaCl之间(26.1%)。

主要有某些真细菌、蓝细菌和微藻，如死海和盐湖中存在的中度嗜盐的专性厌氧发酵细菌盐拟杆菌（Halobacterioids）、生孢盐细菌（Sporohalobacter）、盐厌氧细菌（Haloanaerobium），它们能降解各种有机物。

极端嗜盐微生物➢最适生长的盐浓度在3.0～5.0 mol/L NaCl之间(29%)，➢能生长的盐浓度在1.5～5 mol/L NaCl之间。

主要有盐杆菌和盐球菌，它们属于古细菌。

八．微生物群体内的相互作用：1.微生物群体内不同个体也存在正和负的相互作用（关键决定于群体密度）；2.微生物群体内的正作用——合作(协同作用)接种量大小对延滞期的影响(代谢产物、生长因子－群体感应)如果群体密度小，个体的代谢产物不能得到合理使用，生长缓慢，生长率增加也缓慢；如果群体密度大，生长速率加快。

对底物降解、遗传物质交换、病原菌致病和对不良环境抵抗都存在协同作用（遗传物质的接合交换需要高群体密度 >105个细胞/ml;在群体密度低的时候通过形成凝结块促进遗传物质交换:粪肠球菌受体细胞产生外激素(Pheromones),外激素诱导供体菌合成凝结素,使供受体形成凝结块有利于遗传物质的交换.)通过信号传递达到协同作用,也是保护种的延续的有效途径。