微生物生态学原理
微生物生态学(生态学二级学科)
主要图书
主要图书
1.陈声明,吴甘霖.微生物生态学导论 : Introduction to microbial ecology.高等教育出版社, 2015.
2.池振明.现代微生物生态学.第2版.科学出版社, 2010. 3.宋福强.微生物生态学[M].化学工业出版社, 2008.
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定义
定义
研究微生物与其他生物和环境之间相互关系及其生态功能的学科。群与多样性 2.微生物群落构建与演替 3.微生物生态功能 4.微生物对全球变化的响应与调控机制
研究方法
研究方法
微生物生态研究方法可分为三大类：①传统的研究方法，包括分离培养法和野外真菌子实体调查方法。②生 理生化方法，常用的主要有磷脂脂肪酸法、微孔板法、麦角甾醇法等。③分子生物学方法，主要包括实时荧光定 量聚合酶链式反应技术、稳定性同位素示踪技术、扩增子高通量测序技术、宏基因组高通量测技术、宏转录组高 通量测序技术、宏蛋白组分析技术、宏代谢组分析技术等。
微生物生态学（生态学二级学 科）
生态学二级学科
01 定义
03 研究方法
目录
02 研究内容 04 主要图书
基本信息
微生物生态学（Microbial Ecology）是生态学的二级学科。 2018年6月5日，国务院学位委员会生态学 科评议组发布了生态学二级学科方向，包括动物生态学、植物生态学、微生物生态学、生态系统生态学、景观生 态学、修复生态学和可持续生态学七个二级学科方向。
微生物生态学
微生物生态学微生物生态学是研究微生物在自然界中的分布、种群组成、数量变动、生物地理分布规律以及微生物与环境的相互作用关系的科学。
微生物是地球上最古老、数量最多、多样性最丰富的生物群体之一，在地球生态系统中具有极其重要的地位和功能。
微生物生态学的研究对于揭示生物圈中微生物的生态分布规律、了解微生物参与地球生物化学循环以及应用于环境保护和生物技术等领域具有重要意义。
微生物生态学主要研究微生物在各种自然环境中的分布情况和种群组成。
地球上的各种环境如土壤、水体、空气、极地和深海等都是微生物的栖息地。
微生物能够适应各种极端环境，比如高温、低温、高盐、酸碱等，这使得它们具有广泛的生态适应性。
研究人员通过采集样品，进行微生物的分离培养和分子生物学技术分析，可以了解微生物的多样性和数量变动趋势。
微生物生态学还研究微生物在不同环境中的生物地理学分布规律。
地理位置、气候条件、土壤类型等环境因素对微生物的分布有着重要影响。
例如，富营养土壤中的微生物种类和数量会显著高于贫瘠土壤。
微生物生态学的研究可以揭示不同地理位置的微生物群落结构差异，从而了解各地微生物群落的特点和功能。
微生物与环境之间的相互作用也是微生物生态学的重要内容之一。
微生物参与了地球上各种生物圈的物质循环过程，如碳循环、氮循环和硫循环等。
微生物通过降解有机物和矿物质的转化，将其中的元素释放到环境中，影响着生态系统的结构和功能。
同时，微生物还参与了生物地球化学过程中的反应催化和能量转化，对维持地球生态系统的平衡具有重要的作用。
微生物生态学的研究不仅对于理解自然界中微生物的多样性、地理分布和生态功能具有重要意义，而且对于环境保护和生物技术等领域也有着广泛应用前景。
通过深入研究微生物的生态特征和功能，可以应用于环境污染修复、土壤改良、农业生产和食品工业等方面。
此外，微生物生态学还有助于发展微生物资源的有效利用和开发，为人类社会的可持续发展提供支持。
总之，微生物生态学作为一门重要的科学领域，通过研究微生物在自然界中的分布、种群组成、数量变动和与环境的相互作用关系，有助于揭示地球生态系统中微生物的生态规律，推动环境保护和生物技术的发展。
微生物生态学
微生物生态学微生物生态学是研究微生物在多样性、功能和相互作用方面的科学学科。
它关注微生物在各种环境中的分布、丰度、活动和相互关系，涉及到土壤、水体、大气、生物体和工业等多个领域。
微生物在生态系统中扮演着重要的角色，对环境的物质循环、能量转化和生态平衡具有重要影响。
一、微生物多样性微生物是地球上最丰富的生物群体，其多样性非常丰富。
微生物的多样性涉及不同种类的细菌、真菌、病毒和原生动物等。
它们根据不同的生理特征、生活方式和环境适应能力，在不同的生态系统中扮演着不同的角色。
通过对微生物多样性的研究，我们可以了解到各种微生物的分类和分布规律，进而揭示微生物在生态系统中的功能和相互作用。
二、微生物在物质循环中的作用微生物在环境中参与了物质循环的各个环节。
例如，一些微生物能够将有机物质分解为无机物质，促进有机物质的降解和循环利用。
这些微生物被称为分解者，对于生态系统中有机物质的降解和循环具有重要意义。
另外，一些微生物也能够参与到氮、磷、硫等元素的循环过程中，促进这些元素的转化和利用。
这些微生物在生态系统的物质循环中起到了关键的作用。
三、微生物在能量转化中的作用微生物在能量转化中也起到了重要的作用。
光合微生物如藻类和光合细菌能够进行光合作用，将光能转化为化学能，并释放出氧气。
这些微生物是生态系统中的初级生产者，为其他生物提供能量来源。
而一些微生物则能够利用化学反应或者化学能转换为生物能，比如嗜热微生物可以利用地热能为能量来源，这些微生物在一些特殊环境中发挥着重要的生态功能。
四、微生物的相互作用微生物之间存在着复杂的相互作用关系。
例如，共生是微生物相互作用的一种形式。
共生关系指的是两个或多个不同种类的微生物相互依赖生存的关系。
比如植物根际微生物与植物根系之间的关系，植物通过根分泌物为微生物提供生长条件，而微生物则提供植物营养元素的转化和保护植物根系免受病原微生物侵染。
此外，微生物之间还存在竞争、共存、共同利用资源等相互作用关系，这些相互作用在微生物群落的稳定和功能上起到了重要作用。
微生物生态学中的菌群分析
微生物生态学中的菌群分析微生物生态学是研究微生物群落在地球上的分布、作用和相互作用的学科。
菌群分析是微生物生态学中最常用的方法之一，其主要目的是研究不同环境中微生物的种类、数量和群落结构，为环境研究及微生物资源的开发利用提供科学依据。
本文将围绕菌群分析的原理、方法和应用等方面进行阐述。
一、菌群分析的原理菌群分析的原理基于微生物在自然环境中存在着复杂的相互作用关系，菌群特征与环境因素之间存在着密切的关联。
不同环境条件下，微生物群落的组成、数量和种类都不同，且在不同时间和空间上也存在着变化。
因此，菌群分析的主要原理是通过研究微生物之间相互作用和与环境因子的关系，揭示微生物群落结构与功能之间的关联。
二、菌群分析的方法1. 高通量测序技术高通量测序技术是目前菌群分析中最常用的方法之一。
其基本原理是通过高通量测序仪读取大量微生物基因组DNA或RNA样品的序列信息，将其比对到数据库中并进行分析，从而确定微生物群落的组成和数量。
高通量测序技术因其高灵敏度和高精度等特点，已成为研究微生物群落多样性和功能的首选方法。
2. 扫描电镜技术扫描电镜技术主要应用于观察微生物群落的形态结构和形态特征。
该技术使用高能电子束扫描样品表面，产生反射电子和二次电子信号，通过检测信号的强度和位置来获得样品表面的形态信息。
扫描电镜技术可以对单个微生物细胞进行成像，并可观察到该细胞的形态、细胞壁等结构特征，有助于识别微生物类型并确定其形态特征。
3. 蛋白质组学技术蛋白质组学技术主要应用于检测微生物群落中存在的蛋白质，从而确定微生物群落结构和功能的关系。
该技术通过质谱仪检测样品中的蛋白质含量和分子量等信息，并通过比对数据库来鉴定样品中的蛋白质种类和数量。
蛋白质组学技术可以检测到微生物群落中存在的少量和低级别的蛋白质，有助于了解微生物群落的代谢、生长和信号通讯等方面的信息。
三、菌群分析的应用1. 土壤微生物菌群分析土壤微生物是土壤中包括细菌、真菌和原生动物等多种生物群落。
环境微生物生态学
群落（community） 微生物群落结构包括了垂直结构（空间的垂直分布）、
水平结构（地点的不同）和时间结构（随时间的周期性变 化）。微生物群落结构具备合理的空间和时间结构是生态 系统存在和发展的基础。
在特定生境内的微生物种群随着时间的推移出现取代 或被取代，最终形成比较稳定的群落结构，其过程是群落 的演替（自然界选择压力的结果）。
2： 微生物生态学基本原理
自然界中微生物种类繁多，构成了地球生态系统 （ecosystem）中最庞大、分布最广的群体。单个微生物 细胞生长形成种群（population），各种种群构成生态系 统的微生物群落（community），在微观的微生物世界
中，为了竞争有限的生存空间和资源，种群与种群之间无 时不刻进行着角逐，通过限制其它种群的生长为本种群的 繁衍争取更多的可能，亦或与其它种群合作，共同营造适 宜的生存空间。环境决定了生境中种群的数量和群落的大 小，而微生物也不断改造着其生存的环境。
微生物生态学定义 微生物生态学（microbial ecology）是研究微生物
（细菌、真菌、病毒等）与其周围环境（有生命的和非生 命的）之间相互关系的一门科学。人们从20世纪60年代 初才开始使用微生物生态学这个名称，因此它还是一个比 较年轻的科学。
根据微生物生态学研究的特点，微生物生态学的现代 定义可以理解为环境生物学。其具体的研究范畴包括微生 物的空间分布、组成、结构、生理生化，以及它们与环境 间的相互关系和功能等。
生态系统是指生物群落与生存环境之间，以及生物群 落内的生物之间的密切关系、相互作用，通过物质交换、 能量转化和信息传递，成为占据一定空间、具有一定结构 并执行一定功能的动态平衡整体。生态系统=非生物环境 +生物群落，在这个紧密结合的系统中，物质、能量在生 物与生物、生物与环境之间不断循环流动，形成一个能够 自己维持下去的、相对稳定的，并具有一定独立性的整体。
微生物生态学的理论与方法研究
微生物生态学的理论与方法研究微生物是生物界中最为丰富多样的群体之一，生存在各种生态环境中，维系着生态系统的平衡。
微生物生态学是研究微生物在生态系统中的生物地理分布、生态环境适应、群落结构和功能等方面的学科。
本文将从微生物生态学的相关概念入手，探讨其理论与方法的研究进展。
一、微生物的定义与分类微生物是一类以单细胞或非细胞状态存在的生物，包括细菌、真菌、病毒、蓝藻等。
它们广泛存在于自然界中，能够在极端环境中生存，例如高温、高压、强酸强碱等。
根据生物科学技术的进展和学科交叉的需求，微生物可在不同侧重点和目的下被分类，例如依据形态、生理生化特征、功能、系统发育等方面。
二、微生物生态学的研究内容微生物生态学是研究微生物在生态系统中的群落结构、功能、地理分布和适应性等方面的学科，是生态学的一个分支。
主要研究内容包括：微生物多样性与生态系统功能、微生物生态学基本理论、微生物群落构建与演替、微生物与生态系统物质和能量流动、微生物与环境变化等方面。
三、微生物生态学研究的方法微生物生态学的研究方法包括野外调查、实验研究和分子生物学技术等方面。
野外调查：通过采集样品，应用微生物学的基本技术（如菌落计数、环境因素测定、同位素示踪等）对微生物多样性和群落结构进行分析和研究。
实验研究：包括微生物代谢、生长和生态适应性等方面的实验研究，通过模拟自然现象探究微生物在不同环境下的生长和代谢过程。
分子生物学技术：通过PCR扩增、基因序列分析、核苷酸序列比对、功能基因及代表基因标记等分子生物学技术手段，展开与微生物多样性、群落结构及功能等方面相关的分子生态学研究。
四、微生物生态学研究的理论进展微生物生态学的研究理论主要由微生物群落的描述、微生物演替和物质转化三个方面构建而成。
1.微生物群落的描述微生物群落的描述是微生物生态学研究的基础和基本要求之一。
随着分子生物学技术的应用，已经可以从群落水平上描述微生物多样性及其空间格局、动态变化等一系列问题。
环境微生物学(08微生物生态)教学教材
一般说来，自然种群具有三方面的特征：（1）空间特征 ，即种群具有一定的分布区域和分布形式；（2）数量特 征，每单位面积（或空间）上的个体数量（即密度）将 随时间而发生变动；（3）遗传特征，种群具有一定的基 因组成，即系一个基因库，以区别于其他物种，但基因 组成同样是处于变动之中的。
了空气不是微生物生长繁殖的场所。
二、空气微生物的种类、数量和分布
空气中的微生物来源于： 土壤（飞扬的尘土把微生物带至空中）； 水体（水面吹起的小水滴）； 人和动物（皮肤脱落物、呼吸道等）
空气中的微生物只是短暂停留，是可变的，没有固定类群。
在空气中存活的微生物，主要是有芽孢的细菌、有孢子的 霉菌、放线菌及各种胞囊。
第二节 土壤微生物生态
一、土壤的生态条件
1. 营养 土壤内有大量的有机和无机物质（动植物的残体、分泌 物、排泄物等） 2. pH 3. 5～8.5，多为5.5～8.5；适合于大多数微生物的生长 繁殖。 3． 透压 土壤内通常为0.3～0.6MPa，而在微生物（细菌）体内， G+为2.0～2.5 MPa，G-为0.5～0.6 Mpa。所以，土壤是 等 或低 溶液，有利于微生物吸收水份和营养。
这是一个美丽的
3. 生态系统的分类
由于生态系统可以小到一滴水，大到生物圈，所以分类有 多种。 根据生存环境分：如水体生态系统和陆地生态系统。各自 还可进一步细分，例如淡水生态系统和海水生态系统。根 据动态和静态可将淡水生态系统分为河流生态系统和湖泊 生态系统。
根据生物群落分：有动物生态系统、植物生态系统及微生 物生态系统，在这些生态系统内又可根据生存环境或生物 群落进一步细分。
微生物分子生态学的理论和方法
微生物分子生态学的理论和方法微生物分子生态学是生态学中比较新兴的分支，它以微生物群落的遗传结构和功能为研究对象，通过分子生物学方法和大数据处理手段，探究微生物群落结构、多样性、相互作用及其对环境的响应规律。
本文将从理论和方法两个方面进行论述。
理论1.微生物群落的结构和多样性研究微生物群落的结构和多样性是微生物分子生态学中的基础研究内容。
通过高通量测序技术，可以快速鉴定出微生物群落中各种微生物的数量、种类和相对比例，从而揭示微生物群落的结构和多样性。
此外，近年来出现的功能基因组学方法，可以通过分析微生物群落DNA中的功能基因，揭示微生物群落中各个群体的代谢途径和生物功能，为微生物群落结构和多样性的研究提供了新的思路。
2.微生物群落的相互作用与微生物间的横向基因转移微生物群落中的微生物之间具有相互作用，影响着微生物群落的结构和功能。
微生物之间的相互作用可以通过预测微生物菌群的共生网络或群落功能来推断。
此外，微生物间的横向基因转移也是微生物群落中的一种重要现象，它使微生物菌群获得新的代谢途径或其他有益基因等，是微生物群落适应环境、保持动态平衡的关键因素之一。
3.微生物群落对环境的响应规律微生物群落是环境中敏感的晴雨表，它能够反映环境变化对微生物群落结构和功能的影响。
因此，研究微生物群落对环境变化的响应规律，有助于我们了解生态系统对环境变化的响应规律，同时也对环境污染及其对健康的影响等问题提供了重要的研究思路。
方法1.高通量测序技术高通量测序技术是微生物分子生态学的重要工具。
高通量测序技术可以快速鉴定微生物群落中的微生物的数量、种类和相对比例，从而揭示微生物群落结构和多样性。
目前主要的测序技术有Illumina和PacBio等。
2.功能基因组学方法功能基因组学方法是微生物群落研究的新方法，通过分析微生物群落中的各种功能基因，来研究微生物群落中各个群体的代谢途径和生物功能。
同时，功能基因组学方法也可以用于预测微生物群落的功能和生态位，为微生物群落的生态功能研究提供基础。
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12.5 微生物引起食品腐败的类型
2、鲜乳的变质过程 P171
① 抑制期（混合菌群期） 在新鲜的乳液中含有溶菌酶、乳素等抗菌物质，对乳中存在
的微生物具有杀灭或抑制作用。
② 乳链球菌期 乳链球菌、乳酸杆菌、大肠杆菌和一些蛋白质分解菌等迅速
繁殖，其中乳酸链球菌生长繁殖分解乳糖产生乳酸而居优势。 由于酸度的增高，抑制了腐败菌、产碱菌的生长。以后随着产 酸增多乳链球菌本身的生长也受到抑制，数量开始减少。
第一节 微生物生态学的基本概念
• 生态学和生态系统的概念。P159
• 微生物生态学的概念。 P160
是研究微生物和环境之间相互作用的科学。 微生物生态学的重要性。
第一节 微生物生态学的基本概念
3、种群关系和群落演替 P161
种群的概念
第一节 微生物生态学的基本概念
3、种群关系和群落演替 P161
环境中的微生物
牛体表面、牛舍的空气、挤奶用具、容器，挤奶工人 等携带的微生物。
第三节 食品腐败菌群及腐败类型
三、 乳及乳制品的腐败变质 P171 2、鲜乳的变质过程
通常新挤出的乳，迅速冷却到0℃可保持48小时， 5℃可保持36小时，10℃可保持24小时，25℃可保持6 小时，30℃仅可保持2小时。在这段时间内，乳内细菌 是受到抑制的。
2、胀罐腐败
P169
酸 黑色硫化物
第三节 食品腐败菌群及腐败类型
二、果蔬及其制品的腐败变质 1、新鲜果蔬的腐败变质 P170
① 微生物来源 ② 基本过程 植物表面防护层的破坏
2、果汁的腐败变质
第三节 食品腐败菌群及腐败类型
二、果蔬及其制品的腐败变质 1、新鲜果蔬的腐败变质 2、果汁的腐败变质 P170
食品中通常有丰富的营养，可以使微生物生 长很迅速。
第二节 食品中形成的微生物生态系
食品中微生物污染来源： 内源性污染 外源性污染
微生物进入食品的途径。 1. 从土壤生境进入食品 2. 从水生境进入食品 3. 从大气生境进入食品 4. 从人体微生态系进入食品 5. 其他
人体中的正常菌群
人 体 中 的 正 常 菌 群
三、种群关系和群落演替 P167 表6－1
偏利 互生 拮抗或偏害
第二节 食品中形成的微生物生态系
三、种群关系和群落演替 P166 表6－1
偏利 互生 拮抗或偏害
第二节 食品中形成的微生物生态系
三、种群关系和群落演替 P168
食品腐败变质 或 食品发酵过程种存在种群演替现象。
第三节 食品腐败菌群及腐败类型
当乳的自身杀菌作用消失后，乳静置于室温下，可 观察到乳所特有的菌群交替现象。
12.5 微生物引起食品腐败的类型
三、 乳及乳制品的腐败变质 2、鲜乳的变质过程 P171 ① 抑制期（混合菌群期） ② 乳链球菌期 ③ 乳杆菌期 ④ 真菌期 ⑤ 腐败期（胨化期）
12.5 微生物引起食品腐败的类型
三、 乳及乳制品的腐败变质 2、鲜乳的变质过程 P172
P165
人体中的微生物
① 皮肤表面的微生物菌群 总数1012个 在特定条件下一些体表微生物会带来疾病。
如痤疮丙酸杆菌引起痤疮。它在厌氧环境中 发酵皮脂生成丙酸，从而刺激皮脂腺发炎。
9.4 人体中的微生物
② 口腔中的微生物菌群
龋齿的主要原因：变形链球菌。
利用葡萄糖等合成果聚糖，使其菌体附着在牙齿表面。
⑤ 胃肠道中的微生物菌群 大肠中有数量庞大的微生物菌群。人体肠道系统 寄生着大约30属500多种细菌。
为专性厌氧和少数兼性厌氧的微生物； 大多有较强的耐胆盐的能力
大肠中的微生物菌群往往对人体健康有利（益生菌）。
合成维生素等 拮抗病原菌
口服抗生素，可以打乱大肠中微生物菌群平衡。 可口服益生菌制剂弥补。
③ 呼吸道中的微生物菌群
呼吸 道中 的微 生物 菌群
人体抵御微生物侵入机体组织的一般方式
巨噬细胞吞噬细菌菌落（扫描电镜图）
9.4 人体中的微生物
⑤ 胃肠道中的微生物菌群 胃液的pH很低，大约为pH2。可杀死食物中 的绝大部分微生物。 胃病（胃溃疡）的主要原因：幽门螺旋杆菌
9.4 人体中的微生物
第二节 食品中形成的微生物生态系
食品中微生物污染来源： 内源性污染 外源性污染
1. 从土壤生境进入食品 2. 从水生境进入食品 3. 从大气生境进入食品 4. 从人体微生态系进入食品 5. 其他 设备、包装材料、辅料等
第二节 食品中形成的微生物生态系
二、 食品中微生物的消长情况。
加工前 加工中 加工后
第二节 食品中形成的微生物生态系
三、种群关系和群落演替 P166 表6－1
偏利 互生 拮抗或偏害
食品腐败变质 或 食品发酵过程种存在种群演替现象。
第二节 食品中形成的微生物生态 系
三、种群关系和群落演替 P166 表6－1
偏利 互生 拮抗或偏害
食品腐败变质 或 食品发酵过程种存在种群演替现象。
第二节 食品中形成的微生物生态 系
食品腐败变质（food spoilage），是指食
品受到各种内外因素的影响，造成其原 有化学性质或物理性质发生变化，降低 或失去其营养价值和商品价值的过程。
如鱼肉的腐臭、油脂的酸败、水果蔬菜的 腐烂和粮食的霉变等。
第三节 食品腐败菌群及腐败类型
一、罐藏食品的腐败 1、平听腐败
① 平酸腐败 ② 硫浑浊； 产酒精； 有机酸的变化； 粘稠、出现菌膜等
第三节 食品腐败菌群及腐败类型
三、乳及乳制品的腐败变质
乳及乳制品的特点：营养丰富，微生物繁殖迅速。
1、乳中微生物的来源及主要类群
动物乳房内的微生物
乳房中的正常菌群，主要是小球菌属和链球菌属。动 物体内的致病微生物可通过乳房进入乳汁而引起人类 的感染。常见的有：结核分枝杆菌、布氏杆菌、炭疽 杆菌、葡萄球菌、溶血性链球菌、沙门氏菌等。
食品腐败变质 或 食品发酵过程种存在 种群演替现象。
第一节 微生物生态学的基本概念
4、 环境梯度和耐受限度 P161 食品组成和结构往往具有不均一性。
第一节 微生物生态学的基本概念
4、 环境梯度和耐受限度 P161
第二节 食品中形成的微生物生态系
食品作为特殊的微生物生态系的特点 1、食品生境的不均一性。 2、表面环境和生物膜。 3、营养物的供给。