2020高中生物竞赛辅导讲义
微生物学 （进阶篇）
2020.5湖南长郡
第四章 微生物的生态(1.5学时)
[内容提要] 微生态学是一门研究包括细菌在内的微生物群体与周围环境相互作用的科学。自然界中的微生物包括病原微生物，有不同的种类和分布，水的细菌学检测最具有公共卫生意义，微生物气溶胶受到重视。正常动物体内的微生物相互间有互生、拮抗、寄生、吞食等复杂关系。动物体的政党菌群一旦失调可导致疾病。应用益生菌及益生元对动物有一定保健作用。以病原微生物存在的情况为标准，可将动物分为无菌动物、悉生动物、SPF动物、清洁动物及普通动物，经常使用的实验动物属后三种。细菌在自然界中的碳、氮等物质转化中发挥重要作用，没有微生物一切生物就将不复存在。
生态学（ecology）是一门研究生物系统与环境系统之间的相互作用规律及其机理的科学，也就是说是研究生物与生物、生物与环境的相互依赖和相互制约的科学。因此，微生物生态学（microbial ecology）就是研究微生物群-微生物区系（microflora）或正常菌群（normal bacterial flora）对其周围的生物和非生物环境条件相互作用关系的科学。
细菌及其它微生物种类很多，适应能力强，繁殖迅速，个体微小易借气流和水流广泛散播，并且有些还能形成抵抗不良环境条件的休眠体，所以在自然界中具有极广的分布。在许许多多的微生物中，大部分对动植物生长和工农业生产是无害的或有益的，但也有一小部分是危害人类和动植物的病原微生物。因此，研究微生物在自然界的分布规律、研究微生物间及其与他种生物间的相互关系以及它们在自然界物质循环中的作用，有助于利用其有益方面而控制其有害方面，在理论和实践上均具有重要的意义。
第一节 细菌及其它微生物在自然界的分布
细菌及其它微生物在土壤、水及空气中广泛分布，种类繁多，相互影响，构成了一定的
微生物区系，其中的病原微生物备受重视，具有相应的检测指标。
一、土壤、水、空气中微生物的种类和分布
（一）土壤中微生物的种类和分布
土壤具备着多种微生物生长繁殖所需的营养、水分、气体环境、酸碱度、渗透压和温度等条件，并能防止日光直射的杀伤作用，是细菌和其它微生物生活的良好环境，故有微生物天然培养基之称。土壤是微生物在自然界中最大的贮藏所，是一切自然环境微生物来源的主要策源地，是人类利用微生物资源的最丰富的“菌种资源库”。
1. 种类：土壤中微生物的种类很多，有细菌、放线菌、真菌、螺旋体、藻类和噬菌体等。各种微生物含量的变化很大，但以细菌为最多，占土壤微生物总数的70%～90%。据估计，每亩耕作土壤中，细菌的湿重约有90～225 kg；放线菌数量仅次于细菌，占总数的5%～30%；真菌数量次于放线菌，螺旋体、藻类和噬菌体较少。
2. 分布：从地球终年结冰的极地、高山到炎热的赤道地带，甚至酷热的沙漠和深海底层的泥土都有微生物存在，但其种类和数量，随着土层深度、有机物质的含量、湿度、温度、酸碱度以及土壤的类型不同而异。表层土壤由于受日光照射和干燥，微生物数量较少；在离地面10～20cm深的土层中微生物数量最多，愈往深处则微生物愈少，在数米深的土层处几乎可达无菌状态。
（二）水中微生物的种类和分布
在各种水域中都生存着细菌和其它微生物。由于不同水域中的有机物和无机物种类和含量、光照度、酸碱度、渗透压、温度、含氧量和有毒物质的含量等差异很大，因而使各种水域中的微生物种类和数量呈现明显的差异。在有机物丰富的水中，微生物不但能够生存并且还能大量地繁殖，因此，水是仅次于土壤的第二天然培养基。
1. 种类：水中的微生物主要为腐生性细菌，其次还有真菌、螺旋体、噬菌体、藻类和原生动物等。此外，还有很多非水生性的微生物，常随着土壤、动物的排泄物、动植物残体、垃圾、污水和雨水等而汇集于水中。
2. 分布：一般地面水比地下水含菌种类多，数量大；雨水和雪水含菌数量小，特别是在乡村和高山区的雨水和雪水。在自然界中，水源虽不断受到污染，但由于微生物大量繁殖不断分解水中的有机物、日光照射的杀菌作用、水中原生动物的吞噬和微生物间的拮抗作用、水中悬浮颗粒粘附细菌发生沉淀、清洁支流的冲淡以及水中其它理化因素的作用，可使水中的微生物大量地减少，使水逐渐净化变清，这就是水的自净作用。
（三）空气中微生物的种类和分布
空气中不含细菌和其它微生物生长繁殖所需要的营养物质和充足的水分，还有直射日光
的杀菌作用，因此不是微生物良好的生存场所。但是人和动植物体以及土壤中的微生物能通过飞沫或尘埃等散布于空气中，以气溶胶（aerosol）的形式存在。
1. 种类：空气中微生物的种类和数量，随地区、海拔高度、季节、气候等环境条件而有不同。
2. 分布：一般在畜舍、公共场所、医院、宿舍、城市街道的空气中，微生物的含量最高，而在大洋、高山、高空、森林、草地、田野、终年积雪的山脉或极地上空的空气中，微生物的含量就极少；由于尘埃的自然沉降，越近地面的空气中，微生物的含量越高；冬季地面被冰雪覆盖时，空气中的微生物很少，多风干燥季节，空气中微生物较多，雨后空气中的微生物很少。
二、土壤、水、空气中的病原微生物及其传播
（一）土壤中的病原微生物及土壤传染
土壤中的病原微生物是随动植物残体、人畜排泄物和分泌物、污水、垃圾等废弃物一起进入土壤的。一些人和动物的病原菌与其它病原微生物，在条件适宜时以土壤为媒介，引起人和动物传染病的发生，即为土壤传染。大多数病原微生物只能在土壤中存活较短时间，只有少数抵抗力强的能形成芽孢的病原菌，其芽孢能在土壤中生存数年甚至几十年。此外，还有一些抵抗力较强的无芽胞病原菌也能生存较长时间（表4-1）。土壤一旦污染了这些病原菌，则可成为疫源地，随时都有可能使人和动物感染相应的传染病。
表4-1 几种病原菌在土壤中的生存时间
病原菌名称 结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis） 伤寒沙门氏菌（S lmonella typhi） 化脓性球菌（Streptococcus pyogens） 巴氏杆菌（Pasteurella） 布氏杆菌（Brucella）
猪丹毒杆菌（Erysipelothrix rhuriopathiae）
生存时间 达5个月，甚至达2年之久 3个月 达2个月
在土壤表层生存不超过14天 可达100天
166天（在土壤尸体内）
（二）水中的病原微生物及土壤传染
病原微生物可随人和动物的排泄物、分泌物、血液、内脏、尸体以及医院、兽医院、屠宰场、皮毛加工厂等排出的污水和垃圾直接或间接污染水源，可通过大小河流广泛传播，或透过土壤侵入地下水，可由污染的饮水引起人和动物传播病发生，许多传染病特别是肠道传染病往往顺着河流或供水系统迅速蔓延，即为水传染。病原微生物进入水中后，常因水的自净作用而难以长期存活，也有些病原菌可在水中生存相当时间，成为传染的疫源。
（三）空气中的病原微生物及土壤传染
空气中一般没有病原微生物存在，但在医院、兽医院以及畜禽厩舍附近的空气中，常悬浮带有病原微生物的飞沫或尘埃，健康人或动物往往因吸入而感染，分别称为飞沫传染和尘埃传染，总称为空气传染。进入空气中的病原微生物一般很易死亡，只有一些抵抗力较强的
病原微生物可在空气中生存一个时期。
三、土壤、水、空气的细菌学检验
被病原微生物污染的土壤、水和空气，常可成为传染的来源或媒介，引起传染病流行。因此，进行土壤、水和空气的细菌学检查，测定细菌对土壤、水和空气污染的性质和程度，对于传染病预防与控制以及环境的卫生学监督与保护，均具有重要的意义。污染于土壤、水和空气中的病原菌和其它病原微生物种类多但数量小，逐一检查难以进行或不易检出，某些病原微生物检查需要复杂的设备和条件，故常以测定细菌总数和大肠菌群数等作为细菌学指标。
细菌总数是指于固体培养基上，在一定条件下培养后单位重量（g）、容积（ml）、表面积（cm2）或体积（m3）的被检样品所生成的细菌菌落总数。它只反映一群在普通营养琼脂中生长的、嗜温的、需氧和兼性厌氧的细菌菌落总数，常作为被检样品受污染程度的标志，用作土壤、水、空气和食品等卫生学评价的依据。大肠菌群是指一群在37℃培养24 h能分解乳糖产酸产气、需氧和兼性厌氧的革兰氏阴性无芽胞杆菌。这一群细菌包括埃希氏菌属、枸橼酸菌属、肠杆菌属、克雷伯氏菌属中的一部分和沙门氏菌属肠道亚种的细菌，它们主要来自人和温血动物的粪便，故以此作为土壤、水和食品等受粪便污染的标志，以其含量多少来判定卫生质量。大肠菌群数是指100g（或100ml）检样内所含大肠菌群的最可能数（most probable number, MPN）。有时为了更确切地反映粪便污染，用粪大肠菌群作指标。是指在44 ? 0.5℃培养24 h能分解乳糖产酸产气、在蛋白胨水中生长产生靛基质的、需氧和兼性厌氧的革兰氏阴性无芽胞杆菌，主要是指大肠杆菌。
我国曾以大肠杆菌指数或大肠杆菌价作为粪便污染的卫生指标。大肠杆菌指数是指每1000 ml水中检出的大肠杆菌数，而大肠杆菌价是指能检出大肠杆菌的最小水量（ml）。
第二节 正常动物体的细菌
动物的皮肤、粘膜以及一切与外界环境相通的腔道，如口腔、鼻咽腔、气管、消化道和泌尿生殖道等，都有细菌和其它微生物的存在。但机体的内部组织器官，正常情况下是无菌的。在这些微生物中，有的是长期生活在动物体表或体内的共生的或寄生的微生物，称为自身菌系（autochthonous flora）或常住菌系（resident flora）；也有的是从土壤、水、空气和动物所接触的环境中污染的，称为外来菌系（allochthonous flora）或过路菌系（transient flora）。原籍菌是微生物与其宿主在共同的长期进化过程中形成的，各自在动物体内特定的部位定居
繁殖，定殖区域内的菌类及其数量基本上保持稳定，正常情况下对宿主健康有益或无害，具有免疫、营养及生物拮抗的作用。外籍菌一般不能定殖在皮肤和粘膜表面，如果发生了定殖往往对宿主产生不利影响。
一、正常动物体内细菌的生态关系
在正常动物的体表或体内腔道经常有一层微生物或微生物层存在，它们对宿主不但无害，而且是有益的和必需的，这一微生物层即称为正常微生物群（normal microbiota）或正常菌群。
（一）微生物种群内个体间的相互关系
在一个微生物种群内的个体间存在着协作和竞争关系。协作是由单个微生物互相提供必要的营养物质或生长因子及信息素（pheromonas）而产生的，在利用不溶性养料及遗传交换等方面发挥作用，使一方或双方受益。竞争包括微生物间对于营养物质、光线、氧、栖息地等的竞争以及有毒代谢产物积聚对相互生长的影响等，使一方或双方受害。
在微生物密度极低时，不存在任何相互影响。一般来说，在低密度时协作关系占优势；高密度时竞争关系占优势。因此，微生物种群内的个体，各自以最大生长率而达到最适种群密度状态。
（二）不同微生物种群间的相互关系
根据在同一环境中相互间受益还是受害，可将不同微生物种群间的相互关系可分为共生、拮抗、寄生及吞噬四种。
1. 共生（symbiosis）：两种或多种微生物共同生活在一起，彼此间互不伤害或互为有利的关系。又可分为中立、栖生、互生。
（1）中立（neutralism） 指两种或两种以上微生物处于同一环境时，相互间不产生任何影响。常见于营养要求不同的微生物，如动物上呼吸道的正常菌群。
（2）共栖（commensalism） 系指两种微生物共同生长时，一方受益而另一方不受任何影响的单利共生关系。如兼性厌氧菌在生活过程中消耗氧，为专性厌氧菌的生长提供了良好的生活环境，后者从前者受益，而前者则不受任何有害影响。
（3）互生（synergism） 指两种或两种以上微生物共同生存时可互相受益的关系。互生关系，有的是专性关系，任何一方都不能由其它微生物所取代，使其成为一个整体而共同生活，这种互生称为助生（mutualism），由海藻、蓝绿菌和真菌形成的地衣是最典型的例子；有的也并非固定关系，即互生双方在自然界均可单独存在，共生时又可使对方受益。互生双方可为对方提供营养物质和生长因子，或生存条件。互生关系还表现在共同排除有毒产物，
2020高中生物竞赛辅导讲义设计-微生物学（进阶）04微生物的生态
