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微生物生态学复习总结


微生物生态学复习总结

一、 名词解释 未培养微生物、可培养微生物、微生物生态学、 平板菌落计数法(CFU) 、最大或然值法(MPN) 、 COD、BOD、TN、TP、活性污泥、生物转盘法、膜 生物反应器、生物强化技术、水体富营养化、水 华/赤潮、蓝藻水华、湖泛、生物被摸、群感效应 (QS) 、多聚体菌细胞附属物、共生、内共生、表 共生、基因水平转移、转导、转化、接合、整合 子、泛基因组、生物放大(生物富集作用) 、生物 处理、生物修复(生物整治) 1. 未培养微生物:生理、生态功能未知,没有相 应培养技术,或者生理、生态功能已知,具有 培养技术,但尚未获得培养的一类微生物。 2. 平板菌落计数法(CFU) :将样品用无菌生理盐 水进行系列稀释,取合适的稀释度,以涂布法 接种于平板上,经过一定时间培养后,直接统 计平平板上的菌落数,再根据相应公式计算。 3. 可培养微生物:可重复的在受控的条件下以一 个确定的方式生长。 4. 微生物生态学:研究微生物之间及其与其周围

生物环境与非生物环境之间的相互作用和功能 的学科。 5. 最大或然值法(MPN) :将样品用无菌生理盐水 进行系列稀释,取 3 种或 5 种不同的稀释度接 种于培养基中,培养一定时间后,根据各稀释 度的生长管数以统计学的方法计算出样品中所 含微生物的量。 6. COD:1L 污水中所含有机物再用强氧化剂将它 氧化后,所消耗氧的毫克数。 7. BOD:在 1L 污水中所含的一部分容易氧化的有 机物,当微生物对其氧化分解时,所消耗的水 中溶氧毫克数。 8. TN:样品中所含全部氮素量。 9. TP:样品中所含全部磷素量。 10. 活性污泥:一种由活细菌、原生动物及其他 微生物群聚集在一起组成的凝絮团,具有很强 的吸附、分解有机物和毒素的能力。 11. 生物转盘法: 12. 膜生物反应器:将膜分离技术和生物反应器 的生物降解作用集于一体的生物化学反应系统。 它以超滤或微滤膜业件替代传统活性污泥法中 的沉淀池实现泥水分离。

13. 生物强化技术:在生物处理系统中,通过投 加具有特定功能的微生物、营养物或基质类似 物,达到提高废水处理效果的手段和方法。 14. 水体富营养化:指在人类活动的影响下,生 物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河 口、海湾等缓流水体,引起藻类及其他浮游生 物迅速繁殖,水体溶解氧量下降,水质恶化, 鱼类及其他生物大量死亡的现象。 15. 水华/赤潮:由于水体富营养化,导致浮游生 物大量繁殖,使水体呈现蓝色、红色、棕色、 乳白色等,这种现象在江河湖泊中叫水华,在 海中叫赤潮。 16. 蓝藻水华:由于蓝藻的过度生长和繁殖导致 水体颜色变蓝或者变绿的现象。 17. 湖泛:湖泊水体中富含大量有机物,在微生 物的分解作用下,大量消耗氧气,出现厌氧分 解,微生物在还原条件下,促进许多“黑臭” 物质的形成,进而影响水质和湖泊微生态系统 的结构和功能。 18. 生物被摸:由胞外多聚基质包被的高度组织 化、系统化的微生物膜性集合体。细菌间有信 息交流来控制群体行为,胞内信号分子控制生

物膜的形成和发育,有发育周期。 19. 群感效应(QS) :细菌通过分泌胞外小分子信 号从而控制其群体行为的现象。 20. 多聚体菌细胞附属物:由一种或几种结构蛋 白及其附属蛋白组成的细菌表面结构。它们在 生物膜形成过程中,主要参与菌体与载体或寄 主表面的吸附以及菌细胞间的粘附。 21. 共生:两种不同生物之间所形成的紧密互利 关系,一方为另一方提供有利于生存的帮助, 同时也获得对方的帮助。 22. 内共生:细菌或古菌等存在于鞭毛虫细胞内 23. 表共生:细菌或古菌等附着于鞭毛虫细胞的 表面。 24. 基因水平转移:是指在差异生物个体之间, 或单个细胞内部细胞器之间所进行的遗传物质 的交流。基因水平转移是微生物进化的重要动 力,质粒是基因水平转移的重要载体 25. Pan-genome 泛基因组:在分子生物学中泛基 因组是描述一个物种的所有基因序列的总和。 它包括:双链的所有基因组核、非必须的基因 组、特殊的单链的独一无二的基因 26. 生物放大:是指在食物链中不同层次的生物

可以逐级浓缩有机污染物的作用,而使得在级 别越高的生物中其浓度越高。也就是通常所说 的生物富集作用。这样的有机污染物必须满足 以下两个条件:(1) 难以生物降解,(2) 亲脂 性。 27. 生物处理:利用处理系统中的生物,主要是 微生物的代谢活动以及各种特性来处理各种废 弃物的过程,主要针对各种污染源和小范围的 环境污染。 28. 生物整治(生物修复) :利用处理系统中的生 物,主要是微生物的代谢活动减少污染现场污 染物的浓度或使其无害化的过程,特点是可以 对大面积的环境污染进行治理。 二、 重点问题 第一讲概论

1. 微生物元基因组的原理 2. 微生物分离培养的方法。 (微生物高通量培养技 术) 3. 微生物生态学十原则: (1) 作用:催化; (2) 数量:每种植物至少有 15 种微生物;

(3) 微生物催化作用于数量有关; (4) 微生物功能在微观上,但可以在宏观上看 出来; (5) 代谢多样性,它几乎能参与地球上所有的 反应,微生物代谢远远超过动植物; (6) 微生物有营养、捕食者及对环境变化的耐 受决定种群的数量级地位; (7) 微生物易变化; (8) 一种必须元素可以决定生境中的微生物; (9) 营养(有限营养)可以限制微生物生长; (10) 微生物之间的竞争。 第二讲 第三讲微生物生态学的研究方法

1. 微生物的传统培养方法。 一般流程:样品采集→富集培养→分离纯化→ 分类鉴定→特性与功能的研究 2. 分子生物学的方法 基本原理:根据生物所独具的特征分子,对生 物的特征分子的定性与定量分析,从而分析该 类群微生物在生态环境中的数量与功能的研究 方法。

(1) 核酸分子杂交 原理:根据核酸的解链和复性原则及碱基配对原 则,利用两条不同来源的多核苷酸之间的互补性 而使它们形成杂体双链。 探针技术:利用标记分子对其它分子的识别而实 现对后者进行检测的一种术。

菌落原位杂交、斑点杂交、Southern 印迹杂交、 Northern 印迹杂交、荧光原位杂交(FISH) (2) PCR 扩增技术 注意事项:a、样品采集要有代表性,总 DNA 提 取要完全。 引物设计要合适, b、 要有代表性。 C、 对 PCR 扩增条件优化, 要是目的基因得到完全均 衡的扩增,从模板浓度、退火温度、循环次数着 手。d、PCR 产物分析:构建基因文库→进行多 态性分析→选择有代表性的克隆进行序列测定 →构建系统进化树。 (3) 变性梯度凝胶电泳(DGGE) 原理: 使用一对特异性引物 PCR 扩增微生物自然 群体的 16S rRNA 基因,产生长度相同但序列有 异的 DNA 片段的混合物,然后用 DGGE 分离产 物混合物。 在一定温度下, 在同一变性剂浓度下,

序列不同的产物其部分解链程度也不同, 而产 物解链程度又直接影响其电泳迁移率, 结果不同 的产物在凝胶上就可以分离。 (4) QC-PCR 原理: PCR 反应体系中加入一定已知量的竞争 在 性模板作为内标, 与未知浓度的目标模板一起进 行 PCR 扩增, 通过二者产物的比值反映初始目标 模板浓度。 (5) 高通量测序技术 第四讲污水处理微生态系统

1. 污水处理的基本原理 发挥各种微生物群落的代谢特征,以去除污水中的各种污 染物。通过各种反应器与工艺,来维持高的细胞浓度,调 节系统的微生物种群结构,提高微生物的代谢活性。

第一阶段:水解酸化阶段。有机物在水解酸化菌的作用下 转化为 H2,CO2,乙 酸和其他有机酸以及新细胞。部分大 分子有机物转化为溶于水的小分子有机物。 第二阶段:有机酸的进一步降解阶段。第一阶段产生的有 机酸被产氢产乙酸菌利用,转化为甲酸,H2/CO2 和乙酸。 第三阶段:产甲烷阶段。H2/CO2 和甲酸、乙酸被产甲烷菌

利用而转化为 CH4、CO2 和 H2O。 第四阶段:同型产乙酸菌阶段。该同型产乙酸菌将 H2/CO2 转化为乙酸而被产甲烷菌所利用。 2. 脱氮处理 3. 除磷处理 聚磷菌独特的代谢活动完成了磷从液态(污水)到固态(污 泥)的转化。 4. 污水处理的基本类型 (1) 悬浮细胞污水处理系统 (2) 生物膜污水处理系统 (3) 活性污泥处理系统 5. 活性污泥法中最主要的因素 在活性污泥法中的重要一点是污泥的沉降性能,严重影响 处理效果。如果活性污泥沉降性能差,将导致活性污泥膨 胀,主要是由于丝状细菌和真菌的过分繁殖引起的,虽然 活性污泥的膨胀机理尚不完全清楚,但通常是在高的 C: N、C:P 比及低溶氧条件下容易产生活性污泥膨胀。 第五讲湖泊富营养化与湖泊微生物生态学

1. 水华蓝藻的种类 (1)单细胞,不固氮:微囊藻、束球藻 (2)丝状,无异形胞,多不固氮:鞘丝藻、颤藻、浮

游蓝丝藻 (3)丝状,有异形胞,固氮:项圈藻、水华束丝藻、 节球藻 2. 蓝藻水华的危害 (1) 微囊藻异常繁殖,产生大量微囊藻毒素和异味 物质(甲硫醇、甲硫醚) 。藻毒素进入水体,影 响地下水,危害人类健康。直接食用藻类导致 中毒,危害食品安全。水体腥臭,功能尚失。 空气质量下降。 (2) 蓝藻增殖后导致微食物网结构和功能发生变化, 碳循环和上传的效率增加。 (3) 蓝藻增殖滋生一些病原菌。 (4) 蓝藻水华导致碳转化途径变化,如促进甲烷形 成,产生温室效应。 (5) 蓝藻水华导致水生植物、鱼类的结构发生变化。 甲壳动物生长发生变化,小型浮游动物占据优 势。 (6) 微囊藻增殖促进水体中有机聚集体形成,磷细 菌活跃,促进活性磷形成。 (7) 水体透明度下降。 3. 防治对策 控制水体富营养化,建立有效的预测和预警机制,有效

的灾害应急处理技术。 第六讲微生物群感效应与生物膜形成

1. 微生物为什么形成生物被摸? (1) 可以让整个群体附着并停留在营养较为充足的 环境中,利于群体的壮大; (2) 增强微生物在自然环境中的生存能力。 2. 生物被摸的发育周期及影响因子。 可逆吸附→不可逆吸附→生物形成初期→生物成熟 期→种子散播期 EPS:多糖、eDNA、蛋白质 多聚体菌细胞附属物:鞭毛、菌毛、纤毛 信号分子:胞内(cyclic-di-GMP) 、胞外(QS) 3. Cyclic-di-GMP 调控生物被膜的机制。 (1)通过调控生物膜形成相关的多糖或蛋白的转录与 合成来影响生物膜的形成; (2)直接参与基因的转录; (3)通过 GGDEF 和 EAL 蛋白在菌体内的定位聚集影响 生物被膜形成和撒播。 4. QS 信号分子的种类及机理 1) G-菌的 QS 信号分子 -------常见:高丝氨酸内 酯。

-------其他:CAI-1;PQS;LuxS。 2) G+菌的 QS 信号分子:Nisin(是抗菌肽,同时 也是 QS 信号分子。通过 NisK/NisR 来起调控 作用) 3) 古细菌 QS 信号分子:类似于 G-菌。 QS 是细胞与细胞间的通信: 1) Intraspecies (同种细菌间的信息交流) AHL 是 G- 细菌主要的种内信号分子 2) Interspecies(不同种细菌间的信息交流) Vibrio AI-2 已在的 55 种细菌中发现(包括 G- 和 G+ 在内),是被共认的种间信号分子。AI-2 的种间信号 功能已在肠道细菌群及口腔微生物中得到证实。

○种间的信息交流有时是单方向的; 1 ○种间的信息交流不一定是互惠互利的; 2 ○细菌可以与其它微生物间的交流。 3 5. 控制生物膜的手段 (1) 抑制菌细胞与载体表面的吸附; (2) 机械方式清除生物被膜; (3) 杀死生物被膜内的细菌。离子螯合剂,表面活 性剂; (4) 分解已形成的生物被膜。营养,氧浓度,QS,

生物被膜内细胞大量死亡,D-氨基酸。 (5) 通过干扰 QS 系统从而控制生物被膜(quorum quenching, 群体猝灭) 化学合成的 QS 类似物, 。 天然 QS 抑制剂。

第七讲海洋微生物生态系统

1.海洋微生物的培养特性 (1)难以分离培养 (2)附着性和集结性 (3)生长缓慢 (4)特殊的培养要求 (5) 存在活的不可培养状态(viable-but-nonculturable, VBNC) 2.海洋微生物的形态和生理生化特性 (1)海洋微生物细胞形态的多变性 (2)生理生化反应的多变性 (3)不易传代和保存 (4)难以分类鉴定 3. 扩 增 性 rDNA 限 制 性 酶 切 片 段 多 态 性 分 析 (Amplified Ribosomal DNA Restriction Analysis , ARDRA) : 将 16S rDNA-PCR 技术与 RFLP 技术相结合而发展起来的微生物多 样性研究技术;即采用识别 4 个碱基的限制性内切酶对克隆

获得的 16S rDNA 进行酶切,通过电泳分析酶切后的片段长 度多态性。 4.末端限制性片段长度多态性(Termanal Restriction Fragment Length Polymorphism,T-RFLP):利用一定的标记引物对样 品中 DNA 进行特异扩增,然后进行限制性内切酶酶切,检 测末端限制性片段的多态性。 5.rDNA 间隔区分析(rDNA internal spacer analysis,RISA): 利用 16S rDNA 3’保守区和 23S rDNA 5’保守区设计引物, PCR 扩增环境样品中的 16S-23 rDNA 间隔区, 通过分析该扩 增片段的核苷酸序列或比较其差异,进行微生物多样性研究 6.DAPI 染色和 AO 染色 ? DAPI : 4‘,6二 脒 基 -2苯 基 吲 哚

(4’,6-diamidino-2-phenylindole),是一种能够与 DNA 强 力结合的荧光染料。它结合到双链 DNA 小沟的 AT 碱 基对处,一个 DAPI 分子可以占据三个碱基对的位置。 结合到双链 DNA 上 DAPI 分子的荧光强度提高大约 20 倍, 常用与荧光显微镜观测。 DAPI 也可以和 RNA 结合, 但产生的荧光强度只有与 DNA 结合的荧光强度的 1/5。 ? AO: 3, (二甲胺基) 6- 吖啶盐酸盐 (Acridine Orange) , 是一种荧光色素, 该染料具有膜通透性, 能透过细胞膜, 使核 DNA 和 RNA 染色。它与细胞中 DNA 和 RNA 结 合量存在差别,可发出不同颜色的荧光,与 DNA 结合

量少发绿色荧光,与 RNA 结合量多发桔黄色或桔红色 荧光。因此,在荧光显微镜下观察,吖啶橙可透过正常 细胞膜,使细胞核呈绿色或黄绿色均匀荧光。

7.荧光原位杂交(Fluorescence in situ Hybridization, FISH) 将荧光标记的具有属种(或类群)特异性的寡核苷酸探针与 经固定的环境样品中的 DNA 或 RNA 进行杂交, 并通过扫描 共聚焦显微镜(scanning confocal laser microscopy,SCLM) 检测杂交信号。该技术广泛应用于环境中特定微生物的种群 鉴定、种群数量分析及特异微生物跟踪检测。 8.元基因组/宏基因组 (Metagenome):某一特定环境中全部 微生物遗传物质的总和(总 DNA) 元基因组学/宏基因组学 (Metagenomics):利用现代基因组 技术直接研究自然状态环境中的微生物群落, 而不需要经 过分离、培养单一种类的微生物

第八讲白蚁肠道微生物生态学

1.白蚁肠道微生物的共生机理 (1) H2 consumption: 螺旋体和甲烷菌 (2) 固氮(nifH 基因的多样性)和提供氮源: 螺旋体, 梭状芽孢杆菌等

(3) 纤维素发酵: 乳酸细菌等 (4) 纤维素降解: 纤维素降解菌 (5) 营养作用(提供乙酸) 第九讲生物冶金的微生物生态系统

第十讲微生物的耐药性及生态效应

1. 细菌耐药机制 (1) 产生一种能药物失去活性的酶。 如抗青霉素的菌株可 产生 β-内酰胺酶,从而使抗生素的核心结构中的内 酰胺键断裂而丧失活性。 (2) 把药物作用的靶位加以修饰和改变。 如抗链霉素的菌 株可以通过突变使 30s 核糖体亚单位的 p10 蛋白组改 变, 从而使链霉素不再与这种变更的 30s 亚单位结合。 (3) 形成“救护途径” ,即通过被药物阻断的代谢途径发 生变异,而变成仍能合成原来产物的新途径。 (4) 通过改变孔蛋白, 或细胞膜的通透性, 使药物不能透 过细胞膜或细胞壁。 (5) 通过主动外排泵把药物泵出细胞。 第十一讲有机污染环境微生物修复


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