微生物生态毒理学
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微生物生态毒理学
汇报人：郝国馨
第三节
微生物污染的生态毒理学作用
微生物是一类特殊的生物群体，它们既是环境污 染物的受害者，又是环境污染物的释放者，还是 环境污染物的清除者。 微生物特点：
体型小、生长快、分布广、易变异、代谢活力强
微生物污染：微生物及其代谢产物对生态环境及 对其他生物造成的毒性作用称为微生物污染。 微生物污染的毒性作用： 1. 微生物大量繁殖，与其他生物争夺营养物质和 生存空间 2. 微生物通过一定途径以生命形态侵染其他生物
3. 微生物通过代谢活动产生并释放大量的有毒产 物，以此破坏生态环境和杀伤其他生物。
一、微生物污染的种类与特点
（一）有害微生物污染 因环境条件变化打破了正常的生态平衡体系， 抑制一些微生物生长而促进另一些微生物旺长， 形成了不同于正常微生物群落结构的有害微生物 群落，改变了原来的生态功能，造成了环境质量 的恶化，直接或间接的影响其他生物的生存。 范围更广、后果更为严重
二、富集培养、菌种分离与微生物鉴别
（一）富集培养： 样品中含有被研究的微生物数量太少，可进行 富集培养，用选择性培养基进行培养，把微生物数 量扩大，以便分离纯化和分析研究。 （二）菌种分离： 想要研究某种微生物的特性、毒性及在生态环 境中的作用于功能，必须从这些混杂的微生物体系 中获得纯培养物。微生物分离纯化的常用方法有划 线分离法和稀释平板分离法。
二、有害微生物种群对环境质量的影响
在环境的生物污染中，污染范围最广、毒性 作用最大的是有害微生物群体，它们污染生态环 境的范围已涉及大气、陆地、河流、湖泊和海洋。
三、病原微生物对人与动物的生态毒理学作用
（一）毒性作用
大量的人与动物死于病原微生物的“魔掌”之下。
“黑死病”、鼠疫、轮状病毒、埃博拉病毒、 疯牛病、艾滋病、SARS病毒及禽流感病毒等。
1.寄生作用： 噬菌体通过识别、吸附、侵入等过程寄生于宿 主菌细胞内。根据噬菌体和宿主菌之间的关系分 为两种主要类型：毒性噬菌体和温和噬菌体。
2.溶菌作用： 噬菌体粒子成熟后，通过溶菌作用引发寄主 细胞裂解，释放出病毒粒子，同时杀死宿主菌。 噬菌体具有强大的杀菌能力，他们在宿主细胞中 可高效复制，迅速形成数百甚至上万个子代噬菌 体颗粒，重复4个感染周期后，一个噬菌体可以杀 灭10亿个宿主菌细胞。
（一）毒理作用 植物病原体微生物种类繁多，在原生动物、真 菌、放线菌、细菌和病毒中都有许多植物病原微 生物。植物病原微生物可以多种方式和机制侵染 与毒杀植物。 一种病原微生物可以侵染多种植物，几种病原 微生物也可以侵染一种植物。
（二）侵染源与传播途径
1. 侵染源：被侵染的植物、植物残体和体外休眠体。 2. 传播途径：风力传播、雨水传播、水流传播、土壤 传播、动物传播、农具传播，还有胚芽传播和营养 体传播等传播方式。通过这些途径，植物病原菌的 分生孢子、游动孢子和营养体便可跨越空间割据而 接触宿主植物，获得感染植物的机会。
3. 微生物的病原体
微生物会被病原体感染而患病，甚至死亡。细 菌、真菌、藻类等具有细胞形态的微生物都有相 应的病原病毒，细菌和放线菌的病毒又被称为噬 菌体。微生物的病毒也是仅由核酸与蛋白质组成， 噬菌体的核酸大多数为DNA，少数为RNA。
（三）微生物毒素 微生物毒素：一类由微生物合成并释放到寄主 生物体内或生态环境中杀伤其他生物的有毒物质。 习惯上仅将毒伤人和动植物的微生物产物称作微 生物毒素。
病原真菌的致病机制： 引起感染的真菌分为病原性真菌和条件致病真 菌两类。临床上常将病原真菌分为浅部真菌和深 部真菌。 浅部真菌引起的真菌病是顽固的，但造成机体 的死亡率并不高。相比而言，深部真菌极易引起 危及患者生命的真菌并发症。
寄生虫的致病机制： 寄生虫病是人与动物的常见病和多发病，寄 生虫分为专性寄生虫与兼性寄生虫。人体感染寄 生虫后便成为了Fra Baidu bibliotek虫者。
3. 遗传指纹图技术 利用 PCR 技术扩增标记序列，然后通过一定 的电泳、色谱等技术把扩增产物解析成具有特定 条带特征的图谱。一般每个条带可以看作一个微 生物类群，一个样品的微生物群落组成就可以通 过一组条带组成的图谱反映出来。
（二）生理生化分析技术 目前用于环境污染物对微生物群落生理生 化及其生态功能变化的研究方法，主要有碳素 利用法（ BIOLOG ）、脂肪酸甲基酯（ PLFA ） 分析法。
（三）微生物鉴别： 微生物鉴别的传统方法是借助光学或电子显微镜 观察其细胞形态与细胞结构，配合生理生化试验 进行分类鉴定。每类微生物都有各自的分类鉴定 系统和方法。
三、环境污染物对微生物毒性作用的研究方法
确定毒性作用之后，通过以下几点进行毒理学机 制研究：
1. 形态观察： 包括菌落、细胞、亚细胞结构和超微 细胞结构的形态观察。
噬菌体不仅感染自然环境中的宿主菌，而且常 常感染人工培养的宿主菌。这对以微生物作为生 物作用剂的发酵工业和生物技术产业造成了巨大 威胁。
六、微生物污染的防治对策
1. 在进行生产活动设计时，考虑是否会造成微生物 污染。
2. 对已经造成的微生物污染，要下决心掐断污染源。
3. 积极开展消除微生物污染的科学与技术，制定合 理清除微生物污染的措施。 4. 动员社会各界人士关注微生物污染，改变不良习 惯。
2.毒性作用机制：
（1）酶的降解作用：分泌与致病作用有关的酶。
（2）毒素的毒杀作用：毒素作用位点是寄主细胞质 膜、线粒体、叶绿体。 （3）激素引起的代谢失调作用：一些病原菌的代谢 产物具有促进植物生长的作用，这类次级代谢产 物称为植物激素。研究最多的是引起稻瘟病的赤 霉素。
五、病毒对微生物的生态毒理学作用
3.转导作用：
转导：由噬菌体介导的遗传物质在细菌之间的转移。
迄今，在24个细菌属中的57个细菌种中发现有转 导噬菌体，所以转导在细菌之间的基因交换方面起着 重要作用。
4.对自然界宿主细菌种群的影响 噬菌体对宿主菌种群最明显的影响就是裂解宿 主细胞从而降低其种群密度。
5.对人工培养微生物的影响
（四）人与动物对病原微生物的免疫功能 在长期的生物进化过程中，人与动物已经形成 了一整套抵御病原微生物的免疫系统，功能是强 大的，在正常情况下足以杀死与清除病原微生物， 只是在感染病原微生物数量过多，或机体机能低 下的情况下才会给病原微生物以可乘之机，导致 患病。
四、病原微生物对植物的生态毒理学作用
（二）传播方式与途径
暴发流行性传染病必须具备三个基本条件：
病原菌、传播途径和宿主。
病原微生物的传播途径： 接触传播、普通媒介传播、空气传播、虫媒传 播和垂直传播。
（三）致病机制
细菌的致病机制： （ 1 ）黏附：病原细菌具有黏附作用 d 细胞表面结构， 统称为黏附素。 （2）侵入：病原菌黏附到动物或人类机体的相应部 位后，可利用宿主的运输机制到达深部组织或细 胞内。 （3）毒杀：病原菌侵入机体，必须具备逃避宿主杀 伤的机制。
病毒的致病机制： （1）吸附：病毒靠外壳或包膜上的吸附蛋白（VAP） 与靶细胞膜上的受体结合吸附在易感细胞上。 （2）侵入：吸附到细胞膜上的病毒通过胞饮作用而被 吞入细胞质内。 （3）脱壳：病毒进入细胞质内后，其外壳发生变化， 随后脱去外壳并释放核酸。
（4）复制：在宿主细胞内进行病毒核酸和蛋白质生 物合成，并保存病毒的特异性。 （5）装配：在宿主细胞内病毒核酸和蛋白质装配成 子病毒，并自细胞释放。 （6）释放：子病毒以芽生或裂解的方式自宿主细胞 膜释出，并在细胞间扩散。
（二）病原微生物
1. 人与动物的病原微生物：寄生虫、真菌、细菌、 病毒、朊病毒。数量最大、引起疾病最多，对抗 生素不敏感，十分顽固，染病后很难治愈与根除。
2. 植物病原微生物：使农作物、果树、牧草以及森 林发生大面积的传染病。包括真菌、细菌、放线 菌、螺原体、类立克次氏体、类菌原体、病毒、 类病毒等。
（二）微生物计数
1. 直接计数法：又称显微镜直接计数法，将微生物 悬浮液置于显微镜下对微生物直接读数。 2. 活菌计数法：该方法基于一个微生物细胞在固体 培养基上会繁殖成一个肉眼可见的菌落而设计的。 测定的是样品中可培养的微生物活菌数量。测值 有可能偏低。
3. 最大概率数法 最大概率数法（ MPN ，又称稀释培养测数法）， 适用于测定在一个混杂的微生物群落中虽不占优 势，但有特殊生理功能的类群。其特点是利用待 测微生物的特殊生理功能的选择性来摆脱其他微 生物类群干扰，通过该生理功能的表现来判断这 类微生物的存在与丰度。
2. 代谢产物分析方法：色谱法、质谱法、色质联用 法、核磁共振法。 3. 蛋白质分析方法：凝胶电泳或层析柱分离、酶活 测定。 4. 基因分析方法：基因测序、分子杂交。
四、环境污染物对微生物群落影响的研究方法
（一）基因分析技术 1. 克隆文库分析技术：通过构建群落样品总基 因组 DNA 的文库，分析文库中标记序列的类型和 出现频率，可以得到微生物群落中种群组成的分 析数据。 2. 分子杂交技术：用已知核酸标记序列作为探 针，检测样品中是否有特定的微生物种类存在及 其种群水平高低的方法。
3.侵染后植物的症状 侵染初期，先在受害部位发生一些生理活动变化， 随后发生细胞与组织变化，最后到从外部都可以 观察到的病变症状。（变色、局部坏死、腐烂、 畸形、枯死、蔫萎）
（四）侵害机制
1.侵染机制： 侵入植物机体是病原微生物寄生与侵害植物 的开始，病原微生物会发生趋化、识别、形成侵 染结构等多种感病反应，而植物会发生过敏、局 部坏死等多种抗病反应。
（四）微生物污染的特点
1. 这类污染全过程始终与微生物生命活动有关。
2. 这类污染会随微生物的迁移，而转移毒性作用对象 和扩大毒性作用范围，可以造成更大范围的污染与 毒性作用。（赤潮、流行性传染病）
3. 受环境条件的诱发，微生物易变异，因此会有新的 微生物污染不断出现。
4. 多数微生物污染对其他生物的作用具有一定的选择 性，甚至专一性。 5. 微生物污染物稳定性较差，容易失活或死亡。
5. 政府部门颁布相关法令与政策，建立职能机构与 行之有效的运行机制。
第四节 研究方法与技术
一、样品的采集与微生物计数
（一）采集样品 对于土壤和污泥样品采集一般不要求无菌操作， 对于水样采集，根据水体清洁程度而定，空气样 品采集时也要求无菌操作，并进行滤纸过滤浓缩。 从生物体上采集微生物样品，通常要求用无菌溶 液把离体生物组织中的微生物洗涤下来。
（三）对植物的致病过程
1.侵染：
病原微生物与寄主植物接触：植物的感病点可以 分别在植物根、茎、叶的不同位置上。 病原微生物侵入：病原微生物侵入，要求一定的 温度和湿度。
2.寄生关系的建立和病原微生物的扩散 病原微生物侵入寄主以后，开始它们在体内的 定居、繁殖与扩散过程，建立了与植物体的寄生 关系。
汇报人：郝国馨
第三节
微生物污染的生态毒理学作用
微生物是一类特殊的生物群体，它们既是环境污 染物的受害者，又是环境污染物的释放者，还是 环境污染物的清除者。 微生物特点：
体型小、生长快、分布广、易变异、代谢活力强
微生物污染：微生物及其代谢产物对生态环境及 对其他生物造成的毒性作用称为微生物污染。 微生物污染的毒性作用： 1. 微生物大量繁殖，与其他生物争夺营养物质和 生存空间 2. 微生物通过一定途径以生命形态侵染其他生物
3. 微生物通过代谢活动产生并释放大量的有毒产 物，以此破坏生态环境和杀伤其他生物。
一、微生物污染的种类与特点
（一）有害微生物污染 因环境条件变化打破了正常的生态平衡体系， 抑制一些微生物生长而促进另一些微生物旺长， 形成了不同于正常微生物群落结构的有害微生物 群落，改变了原来的生态功能，造成了环境质量 的恶化，直接或间接的影响其他生物的生存。 范围更广、后果更为严重
二、富集培养、菌种分离与微生物鉴别
（一）富集培养： 样品中含有被研究的微生物数量太少，可进行 富集培养，用选择性培养基进行培养，把微生物数 量扩大，以便分离纯化和分析研究。 （二）菌种分离： 想要研究某种微生物的特性、毒性及在生态环 境中的作用于功能，必须从这些混杂的微生物体系 中获得纯培养物。微生物分离纯化的常用方法有划 线分离法和稀释平板分离法。
二、有害微生物种群对环境质量的影响
在环境的生物污染中，污染范围最广、毒性 作用最大的是有害微生物群体，它们污染生态环 境的范围已涉及大气、陆地、河流、湖泊和海洋。
三、病原微生物对人与动物的生态毒理学作用
（一）毒性作用
大量的人与动物死于病原微生物的“魔掌”之下。
“黑死病”、鼠疫、轮状病毒、埃博拉病毒、 疯牛病、艾滋病、SARS病毒及禽流感病毒等。
1.寄生作用： 噬菌体通过识别、吸附、侵入等过程寄生于宿 主菌细胞内。根据噬菌体和宿主菌之间的关系分 为两种主要类型：毒性噬菌体和温和噬菌体。
2.溶菌作用： 噬菌体粒子成熟后，通过溶菌作用引发寄主 细胞裂解，释放出病毒粒子，同时杀死宿主菌。 噬菌体具有强大的杀菌能力，他们在宿主细胞中 可高效复制，迅速形成数百甚至上万个子代噬菌 体颗粒，重复4个感染周期后，一个噬菌体可以杀 灭10亿个宿主菌细胞。
（一）毒理作用 植物病原体微生物种类繁多，在原生动物、真 菌、放线菌、细菌和病毒中都有许多植物病原微 生物。植物病原微生物可以多种方式和机制侵染 与毒杀植物。 一种病原微生物可以侵染多种植物，几种病原 微生物也可以侵染一种植物。
（二）侵染源与传播途径
1. 侵染源：被侵染的植物、植物残体和体外休眠体。 2. 传播途径：风力传播、雨水传播、水流传播、土壤 传播、动物传播、农具传播，还有胚芽传播和营养 体传播等传播方式。通过这些途径，植物病原菌的 分生孢子、游动孢子和营养体便可跨越空间割据而 接触宿主植物，获得感染植物的机会。
3. 微生物的病原体
微生物会被病原体感染而患病，甚至死亡。细 菌、真菌、藻类等具有细胞形态的微生物都有相 应的病原病毒，细菌和放线菌的病毒又被称为噬 菌体。微生物的病毒也是仅由核酸与蛋白质组成， 噬菌体的核酸大多数为DNA，少数为RNA。
（三）微生物毒素 微生物毒素：一类由微生物合成并释放到寄主 生物体内或生态环境中杀伤其他生物的有毒物质。 习惯上仅将毒伤人和动植物的微生物产物称作微 生物毒素。
病原真菌的致病机制： 引起感染的真菌分为病原性真菌和条件致病真 菌两类。临床上常将病原真菌分为浅部真菌和深 部真菌。 浅部真菌引起的真菌病是顽固的，但造成机体 的死亡率并不高。相比而言，深部真菌极易引起 危及患者生命的真菌并发症。
寄生虫的致病机制： 寄生虫病是人与动物的常见病和多发病，寄 生虫分为专性寄生虫与兼性寄生虫。人体感染寄 生虫后便成为了Fra Baidu bibliotek虫者。
3. 遗传指纹图技术 利用 PCR 技术扩增标记序列，然后通过一定 的电泳、色谱等技术把扩增产物解析成具有特定 条带特征的图谱。一般每个条带可以看作一个微 生物类群，一个样品的微生物群落组成就可以通 过一组条带组成的图谱反映出来。
（二）生理生化分析技术 目前用于环境污染物对微生物群落生理生 化及其生态功能变化的研究方法，主要有碳素 利用法（ BIOLOG ）、脂肪酸甲基酯（ PLFA ） 分析法。
（三）微生物鉴别： 微生物鉴别的传统方法是借助光学或电子显微镜 观察其细胞形态与细胞结构，配合生理生化试验 进行分类鉴定。每类微生物都有各自的分类鉴定 系统和方法。
三、环境污染物对微生物毒性作用的研究方法
确定毒性作用之后，通过以下几点进行毒理学机 制研究：
1. 形态观察： 包括菌落、细胞、亚细胞结构和超微 细胞结构的形态观察。
噬菌体不仅感染自然环境中的宿主菌，而且常 常感染人工培养的宿主菌。这对以微生物作为生 物作用剂的发酵工业和生物技术产业造成了巨大 威胁。
六、微生物污染的防治对策
1. 在进行生产活动设计时，考虑是否会造成微生物 污染。
2. 对已经造成的微生物污染，要下决心掐断污染源。
3. 积极开展消除微生物污染的科学与技术，制定合 理清除微生物污染的措施。 4. 动员社会各界人士关注微生物污染，改变不良习 惯。
2.毒性作用机制：
（1）酶的降解作用：分泌与致病作用有关的酶。
（2）毒素的毒杀作用：毒素作用位点是寄主细胞质 膜、线粒体、叶绿体。 （3）激素引起的代谢失调作用：一些病原菌的代谢 产物具有促进植物生长的作用，这类次级代谢产 物称为植物激素。研究最多的是引起稻瘟病的赤 霉素。
五、病毒对微生物的生态毒理学作用
3.转导作用：
转导：由噬菌体介导的遗传物质在细菌之间的转移。
迄今，在24个细菌属中的57个细菌种中发现有转 导噬菌体，所以转导在细菌之间的基因交换方面起着 重要作用。
4.对自然界宿主细菌种群的影响 噬菌体对宿主菌种群最明显的影响就是裂解宿 主细胞从而降低其种群密度。
5.对人工培养微生物的影响
（四）人与动物对病原微生物的免疫功能 在长期的生物进化过程中，人与动物已经形成 了一整套抵御病原微生物的免疫系统，功能是强 大的，在正常情况下足以杀死与清除病原微生物， 只是在感染病原微生物数量过多，或机体机能低 下的情况下才会给病原微生物以可乘之机，导致 患病。
四、病原微生物对植物的生态毒理学作用
（二）传播方式与途径
暴发流行性传染病必须具备三个基本条件：
病原菌、传播途径和宿主。
病原微生物的传播途径： 接触传播、普通媒介传播、空气传播、虫媒传 播和垂直传播。
（三）致病机制
细菌的致病机制： （ 1 ）黏附：病原细菌具有黏附作用 d 细胞表面结构， 统称为黏附素。 （2）侵入：病原菌黏附到动物或人类机体的相应部 位后，可利用宿主的运输机制到达深部组织或细 胞内。 （3）毒杀：病原菌侵入机体，必须具备逃避宿主杀 伤的机制。
病毒的致病机制： （1）吸附：病毒靠外壳或包膜上的吸附蛋白（VAP） 与靶细胞膜上的受体结合吸附在易感细胞上。 （2）侵入：吸附到细胞膜上的病毒通过胞饮作用而被 吞入细胞质内。 （3）脱壳：病毒进入细胞质内后，其外壳发生变化， 随后脱去外壳并释放核酸。
（4）复制：在宿主细胞内进行病毒核酸和蛋白质生 物合成，并保存病毒的特异性。 （5）装配：在宿主细胞内病毒核酸和蛋白质装配成 子病毒，并自细胞释放。 （6）释放：子病毒以芽生或裂解的方式自宿主细胞 膜释出，并在细胞间扩散。
（二）病原微生物
1. 人与动物的病原微生物：寄生虫、真菌、细菌、 病毒、朊病毒。数量最大、引起疾病最多，对抗 生素不敏感，十分顽固，染病后很难治愈与根除。
2. 植物病原微生物：使农作物、果树、牧草以及森 林发生大面积的传染病。包括真菌、细菌、放线 菌、螺原体、类立克次氏体、类菌原体、病毒、 类病毒等。
（二）微生物计数
1. 直接计数法：又称显微镜直接计数法，将微生物 悬浮液置于显微镜下对微生物直接读数。 2. 活菌计数法：该方法基于一个微生物细胞在固体 培养基上会繁殖成一个肉眼可见的菌落而设计的。 测定的是样品中可培养的微生物活菌数量。测值 有可能偏低。
3. 最大概率数法 最大概率数法（ MPN ，又称稀释培养测数法）， 适用于测定在一个混杂的微生物群落中虽不占优 势，但有特殊生理功能的类群。其特点是利用待 测微生物的特殊生理功能的选择性来摆脱其他微 生物类群干扰，通过该生理功能的表现来判断这 类微生物的存在与丰度。
2. 代谢产物分析方法：色谱法、质谱法、色质联用 法、核磁共振法。 3. 蛋白质分析方法：凝胶电泳或层析柱分离、酶活 测定。 4. 基因分析方法：基因测序、分子杂交。
四、环境污染物对微生物群落影响的研究方法
（一）基因分析技术 1. 克隆文库分析技术：通过构建群落样品总基 因组 DNA 的文库，分析文库中标记序列的类型和 出现频率，可以得到微生物群落中种群组成的分 析数据。 2. 分子杂交技术：用已知核酸标记序列作为探 针，检测样品中是否有特定的微生物种类存在及 其种群水平高低的方法。
3.侵染后植物的症状 侵染初期，先在受害部位发生一些生理活动变化， 随后发生细胞与组织变化，最后到从外部都可以 观察到的病变症状。（变色、局部坏死、腐烂、 畸形、枯死、蔫萎）
（四）侵害机制
1.侵染机制： 侵入植物机体是病原微生物寄生与侵害植物 的开始，病原微生物会发生趋化、识别、形成侵 染结构等多种感病反应，而植物会发生过敏、局 部坏死等多种抗病反应。
（四）微生物污染的特点
1. 这类污染全过程始终与微生物生命活动有关。
2. 这类污染会随微生物的迁移，而转移毒性作用对象 和扩大毒性作用范围，可以造成更大范围的污染与 毒性作用。（赤潮、流行性传染病）
3. 受环境条件的诱发，微生物易变异，因此会有新的 微生物污染不断出现。
4. 多数微生物污染对其他生物的作用具有一定的选择 性，甚至专一性。 5. 微生物污染物稳定性较差，容易失活或死亡。
5. 政府部门颁布相关法令与政策，建立职能机构与 行之有效的运行机制。
第四节 研究方法与技术
一、样品的采集与微生物计数
（一）采集样品 对于土壤和污泥样品采集一般不要求无菌操作， 对于水样采集，根据水体清洁程度而定，空气样 品采集时也要求无菌操作，并进行滤纸过滤浓缩。 从生物体上采集微生物样品，通常要求用无菌溶 液把离体生物组织中的微生物洗涤下来。
（三）对植物的致病过程
1.侵染：
病原微生物与寄主植物接触：植物的感病点可以 分别在植物根、茎、叶的不同位置上。 病原微生物侵入：病原微生物侵入，要求一定的 温度和湿度。
2.寄生关系的建立和病原微生物的扩散 病原微生物侵入寄主以后，开始它们在体内的 定居、繁殖与扩散过程，建立了与植物体的寄生 关系。