第6章 微生物的生态.docx

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第6章微生物的生态

第6章微生物的生态

本章的学习目的与要求：

1  了解微生物在自然界的分布

2  理解微生物在自然界物质循环中的作用

3  掌握微生物与生物环境间的相互关系

4  应用微生物生态学原理分析和设法解决与食品环境有关的微生物问题

生态学是研究生物系统与其环境条件间相互作用的规律性的科学。

因此，微生物生态学就是研究微生物群体——微生物区系（microflora）或正常菌群（normal 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。

在生物学研究对象中，一般可以分成十个水平，依次为：

“生物圈（biosphere）、生态系统（ecosystem）、群落（community）、种群（population）、个体（individual）、器官（organ）、组织（tissue）、细胞（cell）、细胞器（organelle）和分子（molecule）。

其中前四个客观层次都是生态学的研究范围。

在此，我们仅介绍微生物生态学中的一些基础知识及其应用。

研究微生物的生态有着重要的理论意义和实践价值。

例如，研究微生物的分布规律，有助于开发丰富的菌种资源，防止有害微生物的活动；研究微生物间及其与它种生物间的相互关系，有助于发展新的微生物农药、微生物肥料以及积极防治人和动、植物病虫害，也有利于发展食品混菌发酵、序列发酵和生态农业；研究微生物在自然界物质循环中的作用，有利于阐明地球进化和生物进化的原因，也可促进探矿、冶金、保护环境、提高土壤肥力以及开发生物能（沼气）等各项生产事业的发展。

1.    微生物在自然界中的分布

1.1.    土壤中的微生物

土壤具有绝大多数微生物的生活条件，土壤的矿物质提供了矿质养料；土壤中的有机物提供了良好的碳源、氮源和能源；土壤的酸碱度接近中性，是一般微生物最适合的范围；土壤的持水性、渗透压、保温性等等使土壤成为了微生物的天然培养基，因此土壤中的微生物的数量和种类最多。

对微生物来说，土壤是微生物的“大本营”；对人类来说，土壤是人类最丰富的“菌种资源库”。

表6－1.    我国各主要土壤的含菌量（万∕克干土）

（据中国科学院南京土壤研究所资料）

土  类    地  点    细  菌    放 线 菌    真  菌

暗棕壤    黑龙江呼玛    2 327    612    13

棕壤    辽宁沈阳    1 284    39    36

黄棕壤    江苏南京    1 406    271    6

红壤    浙江杭州    1 103    123    4

砖红壤    广东徐闻      507    39    11

磷质石灰土    西沙群岛    2 229    1 105    15

黑土    黑龙江哈尔滨    2 111    1 024    19

黑钙土    黑龙江安达    1 074    319    2

棕钙土    宁夏宁武      140    11    4

草甸土    黑龙江亚沟    7 863    29    23

塿土    陕西武功      951    1 032    4

白浆土    吉林皎河    1 598    55    3

滨海盐土    江苏连云港      466    41    0.4

尽管土壤中各种微生物含量的变动很大，但每克土壤的含菌量大体上有一个十倍系列的递减规律：

细菌（～108）＞放线菌Ü （～107）＞霉菌Ü（～106）＞酵母菌（～105）＞藻类（～104）＞原生动物（～103）

由上可知，土壤中所含的微生物数量很大，尤以细菌为最多。

据估计，每亩耕作层土

壤中，细菌湿重约有90～225kg；以土壤有机质含量为2％计算，则所含细菌干重约为土壤有机质的1％左右。

通过土壤微生物的代谢活动，可改变土壤的理化性质，进行物质转化，因此，土壤微生物是构成土壤肥力的重要因素。

不同类型土壤中的各种微生物含量可见表6－1。

从表中可以看出，在有机物含量丰富的黑土、草甸土、磷质石灰土和植被茂盛的暗棕壤中，微生物含量较高；而在西北干旱地区的棕钙土，华中、华南地区的红壤和砖红壤，以及沿海地区的滨海盐土中，微生物的含量最少。

表6－2是水田和旱地土壤微生物区系及其在不同深度分布的比较研究资料。

从表中可以看出不论是水田还是旱地，总是表层耕作层的微生物含量最高；旱地土壤中的放线菌和真菌比水田土壤中多，这是与它们的好氧生活特性直接相关的。

表6－2.    水田与旱地各层土壤的含菌量（万∕克干土）

微生物种类    水   田    旱   地

    耕作层    犁底层    心土层    耕作层    犁底层    心土层

好氧细菌    3 000    1 310    837    2 185    628    164

放线菌    220    88    38    477    172    35

真菌    8.5    1.6    0.6    23.1    4.3    1.1

硝化细菌    1.1    －    －    7.1    5.3    0.05

厌氧细菌    232    112    22    147    57    16

反硝化细菌    29.7    16.4    12.2    4.7    2.7    －

硫酸还原细菌    7.9    1.6    0.4    0.091    0.061    0

1.2.    水体中的微生物

水体是微生物栖息的第二个天然场所。

在江、河、湖、海、地下水中都有微生物的存在。

习惯上把水体中的微生物分为淡水微生物和海洋微生物两大类型。

淡水微生物的种类及在水中的分布受到水的类型、有机质的含量等因素影响。

在含有石油的地下水中，有大量能分解碳氢化合物的细菌；含铁的泉水中含有铁细菌；含硫的泉水中含有硫磺细菌；在温泉中则有耐热菌的存在。

水中真菌以水生藻状菌为主。

天然水中还有一些低等藻类生物，以硅藻数量最大，此外还有各种原生动物。

海洋微生物包括细菌、真菌、藻类、原生动物及噬菌体等。

由于海洋环境具有盐度高、有机质含量少、温度低及深海静水压力大等特点，所以海洋微生物绝大多是需盐、嗜冷和耐高渗透压的微生物。

水生微生物的区系可分以下几类：

1.2.1.    清水型水生微生物  

在洁净的湖泊和水库蓄水中，因有机物含量低，故微生物数量很少（10～103/ml）。

典型的清水型微生物以化能自养微生物和光能自养微生物为主，如硫细菌、铁细菌和衣细菌等，以及含有光合色素的蓝细菌、绿硫细菌和紫细菌等。

部分腐生性细菌，如Chromobacterium（色杆菌属），Achromobacter（无色杆菌属）和Micrococcus（微球菌属）的一些种也能在低含量营养物的清水中生长。

霉菌中一些水生性种类，例如Saprolegnia（水霉属）和Achlya（绵霉属）的一些种可生长于腐烂的有机残体上。

单细胞和丝状的藻类以及一些原生动物常在水面生长，但数量一般不大。

根据细菌对周围水生环境中营养物质浓度的要求，可分成三类：

“①贫营养细菌（oligotrophic bacteria）：

即一些能在1～15mgC/L低有机质含量的培养基中生长的细菌；②兼性贫营养细菌：

即一些在富营养培养基中经反复培养后也能适应并生长的贫营养细菌；③富营养细菌：

即一些能生长在营养物质浓度很高（10g C/L）的培养基中的细菌，它们在贫营养培养基中反复培养后即行死亡。

由于淡水中溶解态和悬浮态有机物碳的含量一般在1～26mg C/L间，故清水型的腐生微生物，很多都是一些贫营养细菌。

某水样中贫营养细菌与总菌数（包括贫营养和富营养菌）的百分比，称为贫营养指数或O．1值（oligotrophic index）。

1.2.2.    腐败型水生微生物 

上述清水型的微生物可认为是水体环境中“土生土长”的土居微生物或土著种（native species）。

流经城市的河水、港口附近的海水、滞留的池水以及下水道的沟水中，由于流入了大量的人畜排泄物、生活污物和工业废水等，因此有机物的含量大增，同时也夹入了大量外来的腐生细菌，使腐败型水生微生物尤其是细菌和原生动物大量繁殖，每毫升污水的微生物含量达到107～108个。

其中数量最多的无芽胞革兰氏阴性细菌，如 proteus（变形杆菌属）、E.coli、Enterobacter aerogenes（产气肠杆菌）和Alcaligenes（产碱杆菌属）等，还有各种Bacillus（芽胞杆菌属）、Vibrio（弧菌属）和Spirillum（螺菌属）等的一些种。

原生动物有纤毛虫类、鞭毛虫类和根足虫类。

这些微生物在污水环境中大量繁殖，逐渐把水中的有机物分解成简单的无机物，同时它们的数量随之减少，污水也就逐步净化变清。

还有一类是随着人畜排泄物或病体污物而进入水体的动植物致病菌，通常因水体环境中的营养等条件不能满足其生长繁殖的要求，加上周围其它微生物的竞争和拮抗关系，一般难以长期生存，但由于水体的流动，也会造成病原菌的传播甚至疾病的流行。

海洋是地球上最大的水体。

海水与淡水最大的差别在于其中的含盐量。

含盐量越高，则渗透压越大，反之则越小。

因此海洋微生物与淡水中的微生物在耐渗透压能力方面有很大的差别。

此外，在深海中的微生物还能耐很高的静水压。

例如，少数微生物可以在600个大气压下生长。

如Micrococcus aquivivus（水活微球菌）、Bacillus boborokoiles和Vibrio phytoplanktis（浮游植物弧菌）等。

水中微生物的含量对该水源的饮用价值影响很大。

一般认为，作为良好的饮用水，其细菌含量应在100个/ml以下，当超过500个/ml时，即不适合作饮用水了。

对饮用水来说，更重要的指标是其中微生物的种类。

因此，在饮用水的微生物学检验中，不仅要检查其总菌数，还要检查其中所含的病原菌数。

由于水中病原菌的含量总是很少，难以直接找到，故一般就只能根据病原菌与最常见的但数量很大的的细菌E.coli同样来自动物粪便污染的原理,只要通过检查水样中的指示菌—E.coli数即可知道该水源被粪便污染的程度，从而间接推测其它病原菌存在的概率。

根据我国的饮用水标准，自来水中细菌总数不可超过100个/ml（37℃,培养24小时），E.coli数不能超过3个/L。

在自然水体,尤其是快速流动的水体中，存在着对有机或无机污染物的自净作用。

其原因是多方面的，虽有物理性的稀释作用和化学性的氧化作用，但更重要的却是各种生物学和生物化学作用，例如好氧菌对有机物的分解作用，原生动物对细菌等的吞噬作用，噬菌体对宿主的裂解作用，以及微生物产生的凝胶物质对污染物的吸附、沉降作用等，这就是“流水不腐”的重要原因。

1.3.    空气中的微生物

空气本身不含微生物生长繁殖所需要的营养物质和充足的水分，而且日光对细菌等微生物生命活动有很大影响，所以空气不是微生物生长繁殖的良好场所。

然而，空气中还是含有一定数量的微生物。

这是由于土壤、人和动植物体等物体上的微生物不断以微粒、尘埃等形式飘逸到空气中而造成的。

凡含尘埃越多的空气，其中所含的微生物种类和数量也就越多。

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，在海洋、高山、高空、森林地带、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。

（表6－3）。

尘埃的自然沉降，使得越近地面的空气，含菌量越高。

然而，微生物在高空中分布的记录却越来越高。

在本世纪30年代，人们首次用飞机证实在20km的高空存在着微生物；70年代中期又发现在30km的高空中存在着微生物；70年代末，人们用地球物理火箭，从74km的高空采集到处在同温层和大气中层的微生物，其中包括两种细菌和四种真菌，它们是Micrococcus albus（白色微球菌），Mycobacterium luteum（藤黄分枝杆菌），Circinella muscae（绳卷霉），Aspergillus niger（黑曲霉），Penicillium  notatum（点青霉），以及Papulospora anomala（异形丝葚霉）；后来，又从85km的高空找到了微生物。

这是目前所知道的生物圈的上限。

表6－3.    不同条件下1m3空气的含菌量

条　　件    数　　　量

畜舍    1～2×106

宿舍    20 000

城市街道    5 000

市区公园    200

海洋上空    1～2

北极（北纬80°）    0

室外空气中的微生物，主要有各种球菌、芽胞杆菌、产色素细菌和对干燥和射线有抵抗力的真菌孢子等。

室内空气中的微生物含量更高，尤其是医院的病房、门诊间的空气,因经常受病人的污染，故可找到多种病原菌，例如Mycobacterium tuberculosis（结核分枝杆菌）、Corynebacterium diphtheriae（白喉棒杆菌）、Streptococcus hemolyticus（溶血链球菌）、Staphylococcus aureus（金黄色葡萄球菌）、若干病毒（麻疹病毒，流感病毒）以及多种真菌孢子等。

表6－4.    粗过滤后空气中细菌或其芽胞的种类

种　　　类    宽度（μm）    长度（μm）

产气肠杆菌    1.0～1.5    1.0～2.5

蜡样芽孢杆菌    1.3～2.0    8.1～25.8

地衣芽孢杆菌    0.5～0.7    1.8～3.3

巨大芽孢杆菌    0.9～2.1    2.0～10.0

蕈状芽孢杆菌    0.6～1.6    1.6～13.6

枯草芽孢杆菌    0.5～1.1    1.6～4.8

金黄色微球菌    0.5～1.0    0.5～1.0

普通变形杆菌    0.5～1.0    1.0～3.0

巨大芽孢杆菌的芽孢    0.6～1.2    0.9～1.7

蕈状芽孢杆菌的芽孢    0.8～1.2    0.8～1.8

枯草芽孢杆菌的芽孢    0.5～1.0    0.9～1.8

空气的气溶胶对动植物病原菌的传播、发酵工业中的污染以及工农业产品的霉腐等都有很重要的关系。

因此，在发酵工厂中，在空气进入空气压缩机前有时要用粗过滤器过滤掉个体较大的微生物，其种类见表6－4。

测定空气中微生物的数目可用培养皿沉降或液体阻留等方法进行。

凡须进行空气消毒的场所，例如医院的手术室、病房、微生物接种室或培养室等处可以用紫外线消毒、福尔马林等药物的熏蒸或喷雾消毒等方法进行。

为防止空气中的杂菌对微生物培养物或发酵罐内的纯种培养物的污染，可用棉花、纱布（8层以上）、石棉滤板、活性碳或超细玻璃纤维过滤纸进行空气过滤。

1.4.    食品环境微生物

1.4.1.    农产品上的微生物

在各种农产品上生存着大量的微生物，粮食尤为突出。

按其来源可分为原生性微生物区系和次生性微生物区系。

原生性微生物区系是微生物与植物在长期相处的关系中形成的，它们以种子的分泌物为生，与植物的生活和代谢强度息息相关。

次生性微生物区系，指的是那些存在于土壤、空气中，通过各种途径侵染粮食的微生物。

在粮食微生物中，尤以霉菌危害严重，并且能产生150多种对人和动物有害的真菌毒素。

据估计，全世界每年因霉变而损失的粮食就占其总产量的2％左右，这是一笔极大的浪费。

至于因霉变而对人畜引起的健康等危害，更是难以统计。

在各种粮食和饲料上的微生物以Asperqillus（曲霉属）、Penicillium（青霉属）和Fusarium（镰孢霉属）的一些种为主。

例如，在谷物上，一般以Asperqillus和Penicillium为多见；在小麦上，一般以Fusarium为主；而在大米上，则一般以Penicillium为多见。

现将各种粮食和饲料上所分布的主要霉菌种类列于表6－5中。

表6－5.    各种粮食和饲料上的主要霉菌

试样名称    主    要    霉    菌

大米    灰绿曲霉，白曲霉，黄曲霉，赭曲霉，桔青霉，圆弧青霉，常见青霉

面粉    黄曲霉，谢瓦曲霉，青霉，毛霉

小麦    曲霉，青霉，芽枝霉，链格孢霉，葡萄孢霉，镰孢霉，长蠕孢霉，茎点霉，木霉，拟青霉

小麦粉    白曲霉，桔青霉，圆弧青霉，芽枝霉，葡萄孢霉，茎点霉，头孢霉

玉米粉    灰绿曲霉，纯绿青霉，圆弧青霉，镰孢霉

玉米面    葡萄曲霉，黄曲霉，青霉

大豆粉    黄曲霉，杂色曲霉，青霉

花生    黄曲霉，灰绿曲霉，溜曲霉，桔青霉，绳状青霉，根霉，镰孢霉，粘霉，茎点霉

调味料    灰绿曲霉，白曲霉，黑曲霉，青霉

米糠    黄曲霉，谢瓦曲霉，毛霉，青霉

乳牛饲料    曲霉，青霉，根霉，链格孢霉，茎点霉，毛壳菌

家禽饲料    黄曲霉，构巢曲霉，芽枝霉，镰孢霉，茎点霉

据调查，在目前知道的5万多种菌中，已知至少其中有两百多个种可产生一百余种真菌毒素。

在这些真菌毒素中有14种能致癌，其中的2种是剧毒的致癌剂，内中之一就是由部分Asperqillus flavus（黄曲霉）菌株产生的黄曲霉毒素（aflatoxin），另一种则是由某些镰孢霉（Fusarium）产生的单端孢烯族毒素T2。

这就说明，凡长有大量霉菌的粮食，一般都含有多种真菌毒素，极有可能存在致癌的真菌毒素，因此，“防癌必先防霉”的口号是很有科学根据的。

据报道，日本曾对全国各处售米点进行调查，发现有65.3％的样品被产毒真菌污染；据泰国的调查资料（1972），当地有53％的玉米被产毒真菌污染，其中黄曲霉毒素的最高含量达2730ppb ；在我国，有人发现（1980），在一份“黄变米”试样中，70％的米粒污染有产毒真菌，并都含真菌毒素；还有人调查了北京市空气中所飘逸的真菌，发现其中11.5％是产毒的。

主要的霉菌毒素有黄曲霉毒素、赭曲霉素、杂色曲霉素、岛青霉素、黄天精、环绿素、展青霉素、桔青霉素、皱褶青霉素、黄绿青霉素、青霉酸、圆弧青霉素、偶氮酸、单端孢烯族霉素、二氢雪腐镰刀菌烯酮和T2毒素等。

黄曲霉毒素是于1960年起逐渐被认识和发现的。

当时在英国东南部的农村相继有约10万只火鸡死于一种病因不明的“火鸡X病”。

后经多方研究，发现从巴西进口的花生粉中，污染有大量的Asperqillus flavus，并证明由它所分泌的黄曲霉毒素，就是“火鸡X病”的根源，以后又证实它可引起雏鸭、兔、猫、猪等多种动物和人的肝脏中毒。

经深入研究后，发现黄曲霉毒素有B1、B2、G1、G2、M1和M2等多种衍生物，其中以B1的毒性为最高。

联合国卫生机构规定粮食中所含的黄曲霉毒素B1必须低于30ppb。

我国有关机构则规定玉米、花生制品所含B1应低于20ppb，大米、食油应低于10ppb，其它的粮食、豆类和发酵食品的B1含量应低于5ppb。

据报道，含黄曲霉毒素最多的食品是花生及花生制品。

玉米、“红变米”、“黄变米”、自制的酱（发现其中约12.5％含黄曲霉毒素）等。

黄曲霉毒素是一种强烈的致肝癌毒物。

B1的致癌强度比一向有名的致肝癌剂二甲基偶氮苯（即“奶油黄” ）要大900倍，比二甲基亚硝胺强75倍。

Asperqillus flavus是一种分布极广的霉菌，但也不是其所有的菌株都产毒。

据国外不同的研究报道，发现A. flavus产毒菌株的比例为10％（Mateles,1967）和60～94％（Moreau，1979），而我国几个研究单位作了不同研究后，则发现该菌产毒菌株的比例在30％左右。

由于A.flavus广泛分布于我们的周围，因此，由它产生的毒素往往是长期、低剂量、慢性的作用，表现为对肝功能的损害，肝细胞变性、坏死，胆管的卵圆细胞增生，还可能引起肝纤维化或肝硬化等症状。

黄曲霉毒素已证明是我国少数肝癌高发地区引起肝癌的重要原因。

由此就不难理解，为什么在我国9种主要恶性肿瘤中，肝癌占据第三位，且在前六位（胃癌、食道癌、肝癌、宫颈癌、肺癌、肠癌）中，消化道的癌症竟占了4种。

另一类剧毒致癌毒素为T2。

已知Fusarium（镰孢霉属）的真菌可产50余种毒素，其中以T2为最强。

Fusarium tricinctum（三隔镰孢霉）和 F.sporotrichioides（拟分枝孢镰孢霉）等可产生T2毒素。

污染过这些菌的作物，被人或动物摄入后，经2周至2个月，就会引起白细胞急剧下降和骨髓造血机能破坏。

在国际上，少数国家曾用T2毒素制成生物武器，并以“黄雨”形式进行撒播，受害者经皮肤、粘膜吸收后，迅速发生中毒症状（致死剂量为100ppb）。

这是全世界爱好和平的国家和人民必须反对和应引起高度警惕的。

1.4.2.    食品上的微生物   

食品是用营养丰富的动植物原料经过人工加工后的制成品，其种类繁多，主要有面包、糕点、糖果、罐头、饮料、蜜饯和调味品等。

由于在食品的加工、包装、运输和贮藏等过程中，都不可能进行严格的无菌操作，食物可能会被各种微生物所污染，其中包括病原菌。

罐头食品也会被一些耐热厌氧性芽孢梭菌和芽孢杆菌所污染，这是造成罐头食品腐败的主要原因。

在合适的温、湿度条件下，污染的微生物又会迅速繁殖。

因此，食品上常常有各种微生物分布着，且保存时间稍长，就会使食品迅速变质。

污染食品的微生物主要是Aspergillus（曲霉属）、 Penicillium （青霉属）、Fusarium （镰孢霉属）、Alternaria（链格孢霉属）、 Paecilomyces（拟青霉属）、 Rhizopus （根霉属）、Mucur（毛霉属）、 Phoma（茎点霉属）、 trichoderma（木霉属）、 Escherichia coli（大肠杆菌）、Staphylococcus aureus（金黄色葡萄球菌）、 Bacillus subtilis（枯草杆菌）、 B.megaterium（巨大芽胞杆菌）、Salmonella （沙门氏菌属）、Proteus vulgaris （普通 变形杆菌）、Pseudomonas aeruginosa（铜绿假单胞菌）、 Lactobacillus（乳杆菌属）、 Streptococcus lactis（乳链球菌）、 Clostridium （梭菌属）和Saccharomyces cerevisiae（酿酒酵母）等。

由于在霉腐变质的食品上经常有各种致病菌和真菌毒素等有毒代谢产物存在，它们会引起人类的各种严重疾病，所以食品卫生工作就显得格外重要。

食品中的一类独特产品是罐头。

1804年前后，法国厨师N. Appert偶而发现，如把一瓶密封的果汁煮沸，就能使它长期保存。

从1811年起，这项发明已被用于拿破仑的军队中。

这就是罐头的起源。

罐头食品种类很多，从使其变质腐败的微生物的角度来看，可分以下几类：

1.4.2.1.     酸性食品罐头

  属于一般酸性食品（pH3.7～4.5）者，如番茄、梨、无花果、菠萝和其它水果罐头；属于高酸食品（pH＜3.7者如泡菜、浆果和柠檬汁罐头。

对酸性食品罐头只要用较低的灭菌温度即可达到长期包藏的目的。

当这类罐头变质时，从中可分离到Bacillus thermoacidurans（嗜热耐酸芽孢杆菌）等“平酸菌”（即产酸不产气因而不会引起罐体膨胀的细菌）和产酸产气菌，如Clostridium  pasteurianum（巴氏梭菌）、C.butyricum（丁酸梭菌）、Lactobacillus brevis（短乳杆菌）和Leuconostoc（明串珠菌）等。

1.4.2.2.    低酸或中酸食品罐头  

pH＞5的食品称低酸食品，如多数肉类、海产品、牛奶、玉米和豌豆等；而pH为4.