第一讲 微生物生态学

微生物生态学第一章绪论 1生态学知识体系 2什么是微生物生态学 3微生物生态学的产生和发展 4微生物生态学研究的基本方法 5微生物生态学研究的意义一生态学知识体系生态学（Ecology)，是研究生物与周围生物和非生物环境之间相互关系的一门科学。生态学研究的特点是：层次性、系统性、整体性、综合性、动态演替性。☞按生物类型分类,如动物、植物☞按环境（栖息地）分类，如淡水☞按功能分类，如生理、免疫☞按学科交叉分类，如社会、经济☞按方法学分类，如理论、数学☞按物质运动分类，如能源流、生态学学科分类 生态学研究有三个层面的知识1生态文化2生态学原理3生态学方法论1生态文化（一）生态平衡与生态保护意识生态平衡（ecologicalbalance）是指在一定时间内生态系统中的生物和环境间、不同生物间，通过能量流动、物质循环和信息传递，使它们相互之间达到高度适应、协调和统一的状态。也就是，在生态系统内部，生产者、消费者、分解者和非生物环境之间，在一定时间内保持能量与物质输入、输出动态的相对稳定状态。特定生态环境条件：包括生物的和非生物的。一旦条件改变，旧的生态平衡打破，产生新的平衡，因此，平衡又是动态的。人为因素往往能造成稳定生态系统的破坏，造成生态灾难。如维多利亚湖尖吻鲈灾难：弗鲁鱼属丽鱼科，在维多利亚湖的种类繁多，有食泥类丽鱼、刮藻类丽鱼、剁食叶子类丽鱼、碎食蜗牛类丽鱼、剥食蜗牛类丽鱼、食浮游类丽鱼、食昆虫类丽鱼、食对虾类丽鱼、食鱼类丽鱼、食幼体类丽鱼、刮鳞类丽鱼等等，而且每类丽鱼又分不同的品种，有的甚至多达130多种。1954年8月，肯尼亚的一名渔业官员把乌干达阿尔伯特湖的尖吻鲈放入了维多利亚湖，30年中，尖吻鲈像贪得无厌的吸尘器一般扫荡着整个湖泊，至少有两百个本土鱼种灭绝，丰富美丽的维多利亚湖生态系统，永远地消逝了。福寿螺灾难：上世纪80年代，我国广东等省的养殖户开始从国外引进福寿螺，后来因为市场回报太小，一些养殖户将福寿螺放生。不料由于没有天敌，再加上繁殖能力惊人，福寿螺迅速侵占了广东、广西、福建、上海、江苏等地。刚孵化不久的小螺就能啃食水稻等水生植物，尤喜幼嫩的秧苗。据媒体报道，今年，广西250万亩农田遭受福寿螺袭击。8月初，广西发动24万多人参与灭螺大战。经过一个月的灭螺，才初步控制了福寿螺灾害。据当地植保部门介绍，目前部分田间公共地带的水沟、池塘边等福寿螺的繁衍滋生地，还没有得到及时治理，福寿螺仍会随流水进入农田为害。每年造成的经济损失至少有1000亿。而福寿螺事件只是外来物种入侵的冰山一角。生态保护♣做好保护生态环境重要性的大力宣传工作，建立环境保护的法律法规。♣物种引进评估，及海关进口物品伴随有害物种的检出。♣建立生态环境检测评估机构♣加强对少年儿童的生态环境保护意识♣生态环境保护的世界责任性（二）措施 生态产品。环评，环保产品、绿色产品。 生态:是90年代初出现的关于产品设计的一个新概念，是清洁生产的一个很重要的组成部分。 绿色设计:是将综合预防污染和节约资源的战略用于产品的设计中，以开发环境的、经济的、可持续发展的产品体系。它是从环境保护、经济可行的角度考虑产品开发全生命周期. 生态旅游:生态旅游的内涵更强调的是对自然景观的保护，是可持续发展的旅游。生态旅游不应以牺牲环境为代价而应与自然和谐，并且必须使当代人享受旅游的自然景观与人文景观的机会与后代人相平等，即不能以当代人享受和牺牲旅游资源为代价，剥夺后代人本应合理地享有的旅游资源。  2生态学原理 生态适应(生态因子），协同进化（生物间）原理生态物理化学因子：光、温度、水、土壤结构、盐、酸、碱等；生态环境生物多样性，相互间的关系。 生物分布原理生物分布：即生物的地理分布。任何生物分类单位（种、属、科或种以下的亚种、变种等）在地球面分布的范围叫做它的分布区，不同分类单位的分布区大小和形状差别很大，这既取决于生物本身的散布能力，也取决于它所遇到的外界条件。生物的散布能力是由它的繁殖速度和它的散布方式决定的。限制生物分布的外界因素来自两方面：环境影响；同其他生物的相互作用。 最小种群原理和生态位原理最小种群原理：物种的灭绝数量越来越大灭绝速度越来越快。以一定概率存活一定时间所需的最小种群大小。生态位原理：大自然中，凡存在者就有自己的“生态位”，亲缘关系接近的，具有同样生活习性的物种，不会在同一地方竞争同一生存空间。 种群动态及调节（如肠道微生物的动态）对种群连续增长dN/dt=(b–d)N=rNNt=N0ert系统中，种群的变化规律营养、空间竞争 边缘效应：在两个或两个不同性质的生态系统（或其他系统）交互作用处，由于某些生态因子（可能是物质、能量、信息、时机或地域）或系统属性的差异和协合作用而引起系统某些组分及行为（如种群密度、生产力和多样性等）的较大变化，称为边缘效应。边缘效应的特征：   边缘效应带群落结构复杂，某些物种特别活跃，其生产力相对较高；边缘效应以强烈的竞争开始，以和谐共生结束，从而使得各种生物由激烈竞争发展为各司其能，各得其所，相互作用，形成一个多层次、高效率的物质、能量共生网络。边缘效应有其稳定性，按边缘效应性质一般可分为动态边缘和静态边缘两种。动态边缘效应是移动型生态系统边缘，外界有持久的物质、能量输入，此类边缘效应相对稳定，能长期维持其高生产力；静态边缘是相对静止型生态边缘，外界无稳定的物质、能量输入，此类边缘效应是暂时的，不稳定的。 能量流动 信息流动 物质循环 污染形成及控制食物链，遗传，转移等传递3生态学方法论♣层次观♣系统观♣整体观♣综合观♣进化观组织层次观 生态学研究不同层次生命体系中生物与环境的关系每一层次都有自己的结构和功能特征，高级层次的结构和功能是低级层次分工协作而来的。低级层次的结构和功能在高级层次中都有体现。全球陆地与海洋国家区域生态群落种群个体细胞社会的经济的生态的生物的系统观、整体观 系统内生物与环境的关系，系统内各要素相互联系，相互影响，关系复杂。系统内某一要素受多种要素影响；而自身也作用于多种要素。因此，生态学的研究应以系统的观点去。谨密分析影响系统的全因素，不能单因素分析，应运用统计学的方法了解各要素相互作用关系。构建一个有机的、不可分割的整体。综合观 生态学多学科交叉，因此进行分析时，成功的生态学家往往要运用其他个学科的知识，如数学、物理、化学、气象学的计算方法和测量技术。与遗传学、进化论、生理学、行为学交叉。广泛地借鉴系统论、控制论、信息论、协同论、突变论、耗散结构等新概念、新理论。因此分析过程具有综合性。进化观人类进化树任何一个生态体系都要维持生态的平衡，一旦打破必然产生恶果。人类社会文明高度发展，人类活动在创造文明的同时，也给全社会带来危机，概括为五大危机：五大危机：人口危机；粮食危机；能源危机；资源危机；环境危机。也称为三P危机：人口；贫穷；污染（Population,Poverty,Pollution）生态学研究重要性以上危机中，均可发现微生物产生影响的影子。因此，研究微生物生态学是十分必要的。二什么是微生物生态学 微生物生态学概念，1977年联邦德国VolkerRush博士首先提出，建立首个微生态（Micro-ecology)研究所。主要从事的研究工作是：活菌制剂（肠道有益菌）的治疗效果。 1985年在#工作#的基础上给出微生态学概念：在细胞或分子水平上的微生物菌群与宿主的相互关系。 由于微生物的活动改变影响了周围的环境，同样周围生境的物化性质也必然对微生物的生命活动产生影响。因此微生物生态学的广义概念为：研究微生物间，及微生物与外界环境的相互关系。这里出现两个概念：微生态学、微生物生态学二者有区别：①微生态学研究对象主要是有生命的宿主与微生物间的关系。微生物生态学研究微生物与环境的关系。②从二者概念看，微生态学是生态学的微观层次；而微生物生态学是生态学宏观层次。③学科分支不同。但二者都是研究微生物在生境中的作用，因此在此不作严格区分。三微生物生态学的产生和发展微生物生态学的发展：是以微生物学的发展为基础的一、启蒙时期二、稳定时期三、发展时期四、现代化时期启蒙时期，1676－1910直接制片，1676，Leeuwenhoek,显微镜（300倍），将不同生境取样直接制片（悬滴）观察微生物在自然生境的种类、数量、分布及相互关系。此时细菌以形态分类为主，如球菌，杆菌，螺菌，丝状体，螺旋体等。混合培养，纯培养技术建立之前，只能在液体内进行混合培养，对微生物不能建立种的概念。混合培养－互利与竞争，有利于了解微生物间的相互关系。LouisPasteur(法国）纯培养，RobertKoch（德国）建立纯培养技术，是一场革命,有利于菌种的分离与鉴定但从生态学观点出发，纯培养技术却忽视了微生物在自然生境中是混合存在的。纯培养的缺陷：忽略了微生物之间的互利关系，许多微生物纯培养条件下很难生长。对正常微生物群的初步认识：两个观点：微生物有益说和微生物有害说Pasteur观点：正常菌群是有益的，如人与动物体内需要微生物活动帮助消化。现在观点：正常微生物群，在正常条件下，与宿主保持生态平衡。观点：正常菌群是有害的，如腐败菌，E.coli等是有害说的。*MMeчников其他重要贡献：发酵过程的微生物因素认识物质循环中微生物的关键作用的认识，如环境中各种微生物代谢过程的相互关系，尤其是共生、协作和竞争关系的认识；光合细菌的光和作用，打破了只有绿色植物扑捉太阳能的观点；微生物消化作用，生物固氮作用等的发现都是微生物生态学发展里程碑式的贡献。稳定时期：这段时间，大约从20世纪初到40年代中期。在这段时间内，对正常微生物群的研究，一方面处于停滞时期，另一方面又蕴育着新的发展。为新的发展准备了技术、理论和知识。1．停滞的原因 烈性传染病的大流行 第三次鼠疫大流行始于19世纪末（1894年），它是突然暴发的，至20世纪30年代达最高峰，总共波及亚洲、欧洲、美洲和非洲的60多个国家，死亡达千万人以上。为此为微生物有害打上深深的烙印。②认识的片面性从19世纪末叶到20世纪初，在Pasteur和Koch的光辉业绩指导下，国际上形成一股研究病原微生物的热潮。大部分传染病的病原体都被发现，因而形成一种观念：“微生物主要是有害的”。但把微生物的本质看作是有害的观点是片面的。微生物，对其宿主(植物、动物和人类)在本质上或在主要方面是有益的。③方法学上的缺陷,如微生物的培养方法。2新发展的准备一切科学都不是孤立的，而是同步发展的，并逐渐地或循序地向更高级阶段发展，由综合的学科脱颖而出，微生态学也是遵循这一规律而形成的。在这段时期里，生物科学与医学科学为微生态学的发展准备了大量的基础知识和现代技术。①微生物学的发展，以细菌学为主，发展为细菌、真菌、螺旋体、支原体、衣原体、立克次体、病毒、原生动物等综合内容。②免疫学发展，接种疫苗，针对性提高人体抗感染。③现代技术的发展。发展时期：1945－1970在这段时间内，对正常微生物群的研究有2件大事1．抗生素的问世，1929年英国的F1emin(1888—1955)发现了抗生素。几经周折，1945年在美国投入工业生产，从此开创了抗生素工业。除了青霉素以外，现在生产了数以千计的抗生素。功勋：挽救了数亿人的生命，在与各种传染病的斗争中起了不可磨灭的作用。弊端：菌群失调，微生物耐药性及耐药性基因平行转移。2．无菌动物的饲养，对正常微生物的研究产生了极其重要的作用。对正常微生物群的生理作用、营养作用、生物拮抗作用及其与宿主的关系的研究，都是一个不可缺少的实验模型。这在解决正常微生物群的1972年在瑞典的Uppsala，首次举行微生物生态学的国际会议。此后，每三年举办一次。刊登微生物生态学研究、研究进展的刊物，如：MicrobialEcology,AppliedandEnvironmentalMicrobiology,AppliedMicrobiologyandbiotechnology,PlasmidAdvancesinMicrobialEcology,Andsoon.有关学术会议和专业学术杂志我国在微生物生态学研究方面的进展，主要集中在以下几个方面：微生物资源的调查环境微生物数量、种类和分布调查微生物环保应用微生物生态学教学与科普四微生物生态学研究的基本方法研究微生物生态学的目的在于：一是对正常自然生境中的微生物群体及各群体的数量进行正确而全面的调查；二是对失调生境微生物群体及各群体的数量进行全面的调查，并找出引起这种失调的原因。因此，应建立一整套合理的生态学的研究方法。间接测定法：代谢活力测定基本的方法1.微生物测定直接测定法：（1）利用光学或电子显微镜对微生物的数量，形态进行观察测定，依次来估计生物量。（2）利用各种不同的培养方法，平板计数。宏基因组学2.数学统计法对生境微生物进行动态的分析：3.基因工程法对生境微生物生态功能改造和种类分析：研究微生物生态学的意义1.了解微生物的作用：微生物与医学、工业、农业、环境保护等的密切关系。2.挖掘微生物资源，基因资源，新的有益代谢物3.了解微生物在自然界物质循环中的作用4.了解对人、动植物有益和有害微生物生产者分解者环境卫士生态平衡者5.微生物菌群拮抗关系与动植物健康关系*MMeчников