微生物分子技术ppt
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第2章：微生物分子生态学
➢2.1：微生物分子生态学概念 ➢2.2：微生物分子生态学理论基础 ➢2.3：微生物对外界环境的适应和调整 ➢2.4：极端环境微生物适应性的机制及应用 ➢2.5：微生物质粒的分子生态效应 ➢2.6：微生物分子生态学研究方法
2.1：微生物分子生态学概念
微生物分子生态学是分子生物学实验技术应用于微生 物生态学研究领域而发展形成的一门交叉学科，在分子水 平上探讨微生物生态系统组成结构、功能的机理以及微生 物与生物和非生物环境之间相互关系。其核心问题是研究 微生物生存的环境分子生态效应和遗传分子生态效应。
② ③ ④
合作调成为节含酶渗氮的透NN代组压HH谢成、44N产 分PCHOl物或值3；维、持氧酶化的还活原性植 棉 玉电；位物 籽 米等蛋 饼 浆；白 粉 、：、 玉黄菜 米豆籽麸饼饼质粉粉粉、、花麦生麸饼、粉、
2）⑤硝态当氮培：养基N中a碳N源O3不足时，可作为动补物充蛋Baidu Nhomakorabea白源：。蛋白胨、鱼粉、蚕蛹
微生物分子生态学研究范围
微生物进化
不可培养微生物
群落结构与多样性 极端环境微生物
基因转移
微生物与人类健康
抗生素抗药性
微生物资源
信号传递
等。
致病与免疫
2.2：微生物分子生态学理论基础
（1）微生物与外界因子之间的环境和遗传分子生态效应 微生物对环境以及环境中物质的耐受性和适应性是任
何其它生物不可比拟的，因此探讨微生物与环境之间的分 子生态效应是微生物分子生态学的根本任务。
（4）微生物在环境修复中的分子生态学 微生物修复（bioremediation）指通过微生物的作
用清除土壤和水体中的污染物，或是使污染物无害化的过 程。它包括自然和人为控制条件下的污染物降级或无害化 的过程。 微生物群落结构及其动态变化 微生物分子多态性 微生物遗传进化
2.3：微生物对外界环境的适应和调整
已知的光合色素有三类：叶绿素或细菌叶绿素、类胡 萝卜素和藻胆素。光合细菌因所含的细菌叶绿素和类胡萝 卜素的量和比例不同，其菌体呈现红、橙、绿、蓝绿、紫 红、紫或褐等颜色。
营养因子对微生物的影响符合Liebig定律。
Liebig定律也称最小量定律， 由德国农业化学家Justus Liebig 提出，认为任何生物的总产量或 生物量取决于外界供给的所需养 分中数量最少的那一种。
遵循这一原理，我们可以有目的的促进有益微生物、 抑制有害微生物的生长。
遵循这一原理，我们可以有针对性的对环境样品进行 富集，得到所需的功能细菌。
光
辐射
大气压
pH 表面
microbe
氧化/还原电位
水活度
磁性
（1）营养因子对微生物的影响
微生物新陈代谢和一切生命活动赖以进行的基础。 营养缺乏，导致微生物生长所需的能量、碳源、氮源、 无机盐等成分不足，机体停止生长和繁殖，代谢停顿。
➢ 碳源 • 用于构成微生物细胞和代谢产物中碳素的来源，并为微
生物的生长繁殖和代谢活动提供能源。 • 主要功能
① 提供微生物生长繁殖所需的能源； ② 提供微生物合成菌体的碳成分； ③ 提供合成目的产物的碳成分。
➢ 氮源
• 氮源是指无构机成氮微源生物细胞物质和代谢有产机物氮的源氮素的来源。
• 1）主氨要基功氮能：是N：H4OH
1）合成产物：尿素
① 构成微生(N物H细4)胞2S结O构4 物质，如氨2基）酸天、然蛋原白料质：、核酸等；
的发展揭示了许多动物细胞信号交流和传导途径。 长期认为微生物只能感受环境变化，微生物间没有交
流，但群体感应的发现表明微生物细胞之间存在信息交流。
microbe
microbe
信息素
microbe
microbe
抗生素
微生物与细胞间的信息交流，探讨的是微生物在生物 细胞内环境的分子生态效应，可以进一步揭示细菌、病毒 对人和动植物感染的调控作用，以及微生物次级代谢产物 对其它生物的拮抗、抑制和杀灭的分子机制，探索寄生、 共生、腐生等原理，为生物防治和健康医学注入新的活力。
SARS：严重急性呼吸综合征（Severe Acute Respiratory Syndrome），也叫传染性非典型性肺炎，SARS是一种冠状 RNA病毒。
MERS： 中东呼吸综合征（ Middle East Respiratory Syndrome ），MERS-CoV，一种新型冠状病毒。截止2015 年5月25日，全球累计实验室确诊病例共1139例，其中431例 死亡（病死率37.8%）。
KNO3
粉、牛肉膏
微生物蛋白：酵母粉/浸膏、废
菌丝粉
其它：酒糟等
➢ 无机盐和微量元素 • 微生物在生长繁殖和代谢产物的合成过程中，还需要某
些无机离子如硫、磷、镁、钙、钠、钾、 （大量元素） 铁、铜、锌、锰、钼和钴等。（微量元素） • 各种不同的产生菌以及同一种产生菌在不同的生长阶段 对这些物质的需求浓度是不相同的。 • 无机盐及微量元素对微生物生理活性的作用与其浓度相 关，一般它们在低浓度时对微生物生长和目的产物的合 成有促进作用，在高浓度时常表现出明显的抑制作用。
光
辐射
O2
pH
microbe
氧化/还原电位
氨氮
硫化氢
甲烷
环境造就生物，生物改造和修饰环境
微生物要适应和改造环境，通过改变和修饰遗传物质 达到改变生理表型，逐步形成响应环境的调节系统，在适 应过程中不断进化，并通过遗传将进化的结果传播下去。
（2）微生物与细胞间的信息交流 细胞信号传递一直是生物学研究的热点，分子生物学
硝化细菌 硫细菌 污染物降解菌
遵循这一原理，在污水处理过程中，碳氮比要维持在 一定水平，如果保证碳氮比合适，可促进正常微生物菌群 的生长，抑制球衣细菌等丝状菌的生长引起的污泥膨胀等 问题。
（2）光影响微生物的分子生态学
光合微生物利用光能通 过光合磷酸化同化CO2生成 碳水化合物产生构建细胞的 物质和能量。
（3）分子生态病毒学 分子生态病毒学是由分子生物学、分子生态学和分子
病毒学融合而成的新兴分子学科。
肿瘤病毒 癌基因致癌特征
RNA病毒的复制和致病
HIV
SARS
HIV：人类免疫缺陷病毒（Human Immunodeficiency Virus）， 是一种RNA病毒，该病毒破坏人体的免疫力，导致免疫系 统失去抵抗力，从而使得各种疾病及癌症在人体内生存，并 致人死亡。
➢2.1：微生物分子生态学概念 ➢2.2：微生物分子生态学理论基础 ➢2.3：微生物对外界环境的适应和调整 ➢2.4：极端环境微生物适应性的机制及应用 ➢2.5：微生物质粒的分子生态效应 ➢2.6：微生物分子生态学研究方法
2.1：微生物分子生态学概念
微生物分子生态学是分子生物学实验技术应用于微生 物生态学研究领域而发展形成的一门交叉学科，在分子水 平上探讨微生物生态系统组成结构、功能的机理以及微生 物与生物和非生物环境之间相互关系。其核心问题是研究 微生物生存的环境分子生态效应和遗传分子生态效应。
② ③ ④
合作调成为节含酶渗氮的透NN代组压HH谢成、44N产 分PCHOl物或值3；维、持氧酶化的还活原性植 棉 玉电；位物 籽 米等蛋 饼 浆；白 粉 、：、 玉黄菜 米豆籽麸饼饼质粉粉粉、、花麦生麸饼、粉、
2）⑤硝态当氮培：养基N中a碳N源O3不足时，可作为动补物充蛋Baidu Nhomakorabea白源：。蛋白胨、鱼粉、蚕蛹
微生物分子生态学研究范围
微生物进化
不可培养微生物
群落结构与多样性 极端环境微生物
基因转移
微生物与人类健康
抗生素抗药性
微生物资源
信号传递
等。
致病与免疫
2.2：微生物分子生态学理论基础
（1）微生物与外界因子之间的环境和遗传分子生态效应 微生物对环境以及环境中物质的耐受性和适应性是任
何其它生物不可比拟的，因此探讨微生物与环境之间的分 子生态效应是微生物分子生态学的根本任务。
（4）微生物在环境修复中的分子生态学 微生物修复（bioremediation）指通过微生物的作
用清除土壤和水体中的污染物，或是使污染物无害化的过 程。它包括自然和人为控制条件下的污染物降级或无害化 的过程。 微生物群落结构及其动态变化 微生物分子多态性 微生物遗传进化
2.3：微生物对外界环境的适应和调整
已知的光合色素有三类：叶绿素或细菌叶绿素、类胡 萝卜素和藻胆素。光合细菌因所含的细菌叶绿素和类胡萝 卜素的量和比例不同，其菌体呈现红、橙、绿、蓝绿、紫 红、紫或褐等颜色。
营养因子对微生物的影响符合Liebig定律。
Liebig定律也称最小量定律， 由德国农业化学家Justus Liebig 提出，认为任何生物的总产量或 生物量取决于外界供给的所需养 分中数量最少的那一种。
遵循这一原理，我们可以有目的的促进有益微生物、 抑制有害微生物的生长。
遵循这一原理，我们可以有针对性的对环境样品进行 富集，得到所需的功能细菌。
光
辐射
大气压
pH 表面
microbe
氧化/还原电位
水活度
磁性
（1）营养因子对微生物的影响
微生物新陈代谢和一切生命活动赖以进行的基础。 营养缺乏，导致微生物生长所需的能量、碳源、氮源、 无机盐等成分不足，机体停止生长和繁殖，代谢停顿。
➢ 碳源 • 用于构成微生物细胞和代谢产物中碳素的来源，并为微
生物的生长繁殖和代谢活动提供能源。 • 主要功能
① 提供微生物生长繁殖所需的能源； ② 提供微生物合成菌体的碳成分； ③ 提供合成目的产物的碳成分。
➢ 氮源
• 氮源是指无构机成氮微源生物细胞物质和代谢有产机物氮的源氮素的来源。
• 1）主氨要基功氮能：是N：H4OH
1）合成产物：尿素
① 构成微生(N物H细4)胞2S结O构4 物质，如氨2基）酸天、然蛋原白料质：、核酸等；
的发展揭示了许多动物细胞信号交流和传导途径。 长期认为微生物只能感受环境变化，微生物间没有交
流，但群体感应的发现表明微生物细胞之间存在信息交流。
microbe
microbe
信息素
microbe
microbe
抗生素
微生物与细胞间的信息交流，探讨的是微生物在生物 细胞内环境的分子生态效应，可以进一步揭示细菌、病毒 对人和动植物感染的调控作用，以及微生物次级代谢产物 对其它生物的拮抗、抑制和杀灭的分子机制，探索寄生、 共生、腐生等原理，为生物防治和健康医学注入新的活力。
SARS：严重急性呼吸综合征（Severe Acute Respiratory Syndrome），也叫传染性非典型性肺炎，SARS是一种冠状 RNA病毒。
MERS： 中东呼吸综合征（ Middle East Respiratory Syndrome ），MERS-CoV，一种新型冠状病毒。截止2015 年5月25日，全球累计实验室确诊病例共1139例，其中431例 死亡（病死率37.8%）。
KNO3
粉、牛肉膏
微生物蛋白：酵母粉/浸膏、废
菌丝粉
其它：酒糟等
➢ 无机盐和微量元素 • 微生物在生长繁殖和代谢产物的合成过程中，还需要某
些无机离子如硫、磷、镁、钙、钠、钾、 （大量元素） 铁、铜、锌、锰、钼和钴等。（微量元素） • 各种不同的产生菌以及同一种产生菌在不同的生长阶段 对这些物质的需求浓度是不相同的。 • 无机盐及微量元素对微生物生理活性的作用与其浓度相 关，一般它们在低浓度时对微生物生长和目的产物的合 成有促进作用，在高浓度时常表现出明显的抑制作用。
光
辐射
O2
pH
microbe
氧化/还原电位
氨氮
硫化氢
甲烷
环境造就生物，生物改造和修饰环境
微生物要适应和改造环境，通过改变和修饰遗传物质 达到改变生理表型，逐步形成响应环境的调节系统，在适 应过程中不断进化，并通过遗传将进化的结果传播下去。
（2）微生物与细胞间的信息交流 细胞信号传递一直是生物学研究的热点，分子生物学
硝化细菌 硫细菌 污染物降解菌
遵循这一原理，在污水处理过程中，碳氮比要维持在 一定水平，如果保证碳氮比合适，可促进正常微生物菌群 的生长，抑制球衣细菌等丝状菌的生长引起的污泥膨胀等 问题。
（2）光影响微生物的分子生态学
光合微生物利用光能通 过光合磷酸化同化CO2生成 碳水化合物产生构建细胞的 物质和能量。
（3）分子生态病毒学 分子生态病毒学是由分子生物学、分子生态学和分子
病毒学融合而成的新兴分子学科。
肿瘤病毒 癌基因致癌特征
RNA病毒的复制和致病
HIV
SARS
HIV：人类免疫缺陷病毒（Human Immunodeficiency Virus）， 是一种RNA病毒，该病毒破坏人体的免疫力，导致免疫系 统失去抵抗力，从而使得各种疾病及癌症在人体内生存，并 致人死亡。