内容简介
本书在第一版基础上,结合学科进展修订而成。主要介绍了正常自然环境、海洋环境、极端环境和污染环境中的微生物与其周围生物和非生物之间的相互关系、微生物在这些环境中的作用,以及相关微生物及其代谢活性产物的应用。同时介绍了微生物生态学研究使用的传统方法和现代分子生物学方法。
本书适合生物科学、微生物学、环境科学、海洋学等专业教学使用,并可供相关学科工作人员参考使用。
内页插图
目录
前言
第一章 绪论
第一节 微生物生态学的研究范围和目的
一、什么是生态学
二、什么是微生物生态学
第二节 微生物生态学的发展简史
第三节 研究微生物生态学的意义
思考题
参考文献
第二章 研究微生物生态学的方法
第一节 研究微生物生态学的传统方法
一、直接测定
二、培养方法
三、代谢活力的测定
四、数学方法
第二节 研究微生物生态学的分子生物学方法
一、rRNA和rRNA基因序列的测定
二、利用核酸探针和杂交技术研究微生物的多样性
三、全细胞杂交法的改进
四、基于PCR技术的DNA指纹图谱技术
五、其他方法
思考题
参考文献
第三章 自然环境中微生物群落的组成及其变化规律
第一节 土壤中微生物群落的组成及其变化规律
一、土壤中微生物的分布
二、土壤中的微生物群落
三、影响土壤微生物分布的因素
第二节 水体中微生物群落的结构及其变化规律
一、淡水中的微生物群落组成和代谢活力
二、环境条件对水体中微生物群落结构的影响
第三节 空气中微生物群落及其变化规律
一、空气是微生物生长和生存的不良环境
二、空气是传播微生物的介质
三、室外的空气
四、室内空气中的微生物
五、空气中的微生物对生态的效应
思考题
参考文献
第四章 海洋环境中的微生物
第一节 海洋环境中的主要微生物类群
一、古菌
二、真细菌
三、真核微生物
四、细菌在海水中的分布
第二节 海水养殖环境中的致病菌
一、养殖鱼类病原菌
二、养殖对虾病原菌
三、养殖贝类病原菌
第三节 海水养殖环境中的有益微生物
一、有益微生物的概念
二、有益微生物的种类和来源
三、有益微生物的作用机理
第四节 海洋环境中的酵母
一、酵母在海洋环境中的分布与多样性
二、海洋酵母产生的胞外酶
三、海洋酵母菌产生的铁载体
四、海洋酵母菌产生的核黄素
第五节 深海地热环境中的微生物
一、共生生物
二、非共生的嗜高温微生物
三、嗜热微生物和超嗜热微生物
第六节 海洋微生物的活性物质
思考题
参考文献
第五章 极端自然环境中的微生物
第一节 在低温环境中的微生物
一、低温环境中的微生物
二、高温对嗜冷菌的影响
三、低温微生物适应低温的分子机理
四、嗜冷菌的应用
第二节 高温环境中的微生物
一、高温环境中的微生物
二、超嗜热微生物的多样性
三、高温环境中微生物生命的分子机理
四,、耐高温茵的耐高温遗传基础
五、嗜热菌的产物多样性及其应用
第三节 在强酸环境中的微生物多样性
一、在强酸环境中的微生物
二、在极端酸性环境中微生物之间的相互作
三、微生物抗酸的分子机理
四、嗜酸菌的应用
第四节 在碱性环境中的微生物
一、嗜碱菌的分布和分离
二、嗜碱微生物的特殊生理特征
三、嗜碱芽孢杆菌染色体DNA的物理图谱
四、嗜碱菌的基因克隆
五、嗜碱菌产生的酶
六、嗜碱菌产生的代谢产物
第五节 在高盐环境中的微生物多样性
一、嗜盐微生物的类型
二、嗜盐菌的生态分布
三、嗜盐微生物抗高浓度NaCl的分子机理
四、嗜盐菌耐盐机理的遗传基础
五、嗜盐微生物的产物多样性及其应用
第六节 低营养环境中的微生物
一、低营养环境中的微生物
二、低营养环境中的微生物生命机理
三、低营养型微生物的应用
第七节 高压环境中的微生物
一、深海微生物的多样性
二、在深海沟中的微生物多样性
三、适应高压和低温环境的细菌
四、嗜压微生物的分子生物学
五、在高压下酶的活性和热稳定性
六、嗜压菌的潜在用途
第八节 高辐射环境中的微生物
一、抗辐射微生物
二、微生物抗辐射的分子机理
三、抗辐射微生物的应用
思考题
参考文献
第六章 生物群体的相互作用
第一节 微生物群体之间的相互作用
一、一种微生物群体中的相互作用
二、不同微生物群体之间的相互作用
第二节 环境中细菌之间遗传物质的相互交换
一、转化
二、转导
三、接合
第三节 微生物与植物之间的相互关系
一、微生物与植物根之间的相互作用
二、植物内生微生物
三、微生物与植物其他部分之间的相互作用
四、病原微生物与植物之间的关系
第四节 微生物与动物之间的相互关系
一、微生物作为某些水生动物的食物
二、微生物对于动物消化食物和获取营养所起的作用
三、动物与光合微生物之间的共生关系
四、动物与发光细菌之间的相互关系
五、微生物与节肢动物之间的共生关系
六、病原微生物与动物之间的相互关系
第五节 微生物与人体的相互作用
一、皮肤表面的微生物与人体的关系
二、口腔中的微生物与人体的关系
三、胃肠道中的微生物与人体的关系
思考题
参考文献
第七章 微生物在生物地球化学循环中的作用
第一节 基本概念
一、能量流
二、营养水平
三、生物地球化学循环
第二节 碳循环
一、通过食物网进行碳的转移
二、微生物在碳循环中所起的特殊作用
三、环境因素和人类活动对碳循环的影响
第三节 氢循环
第四节 氧循环
第五节 氮循环
一、N2的固定
二、氨化作用
三、硝化作用
四、硝酸还原和反硝化作用
五、环境因素和人类活动对氮循环的影响
第六节 硫循环
……
第八章 微生物与化学污染之间的相互关系
第九章 污染物的微生物处理
第十章 微生物及其代谢产物对环境的污染
第十一章 微生物产生的生态友好物质
第十二章 微生物的生态模型
思考题
参考文献
前言/序言
微生物生态学是指研究微生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系的一门科学。人们仅在20世纪60年代初期才开始使用微生物生态学这个名词,所以它是一门比较年轻的科学。
40多年来,微生物生态学得到了迅速发展,并引起了许多研究者的极大兴趣。目前,微生物生态学的研究热点应该是:①自然环境中的微生物资源、遗传和功能基因的多样性,特别是海洋环境(包括深海)、极端环境和污染环境中的微生物资源、遗传和功能基因的多样性最近几年引起了各国政府和研究机构的高度重视,我国从“十五”开始也投人大量的经费开展这方面的研究。②海洋微生物的生物活性产物,特别是海洋微生物产生的药物和酶及其编码,这些药物和酶的基因正在得到有关公司的注意,其中许多已经得到开发和应用。③污染环境中的微生物及其基因,特别是那些具有强降解剧毒污染物能力的微生物和相关的基因,人们正在设法利用这些微生物处理环境中种类越来越多的各种污染物,再利用有关的基因改造天然微生物菌株,使它们具有更强降解和净化污染物的能力。④微生物与环境友好物质,由于最近几十年来大量使用塑料、农药、合成表面活性剂、石油和煤炭,给环境造成了严重的污染,再加上能源危机,使得如何利用微生物产生的环境友好物质取代这些物质已经成为最近几年全世界研究的热点之一。
本书第一版在2005年由科学出版社出版后,已被多所大学选作本科生和研究生教材,并被多部著作引用,受到广大读者的欢迎。由于最近几年微生物生态学发展非常迅速,与微生物生态学有关的新内容、新观点和新方法不断出现,同时在第一版编写过程中由于时间比较仓促,书中存在一些不足之处。为了反映现代微生物生态学发展的最新内容和新方法,我们对第一版的内容进行补充和修改,在第二版中重点突出了微生物生态学目前研究的热点问题。
在编写第二版过程中,王祥红博士重点编写海洋环境中的微生物(第四章),李静博士重点参与编写研究微生物生态学的方法(第二章),山东科技大学的李惠娟博士参与编写微生物与化学污染物之间的相互关系(第八章),池振明教授的博士研究生张瞳、赵春海、王纪明、王芳和池哲参与编写极端自然环境中的微生物(第五章)和微生物产生的生态友好物质(第十一章),其余章节主要由池振明教授编写。
本书第二版出版过程中得到中国海洋大学出版基金的支持,在此表示感谢。
由于我们的水平有限,书中难免有疏漏之处,恳请广大读者批评指正。
现代微生物生态学(第二版) 概述 《现代微生物生态学(第二版)》是一部全面深入探讨微生物在地球生态系统中所扮演角色的权威性著作。本书以清晰的逻辑、丰富的案例和前沿的研究成果,系统地阐述了微生物多样性、分布、功能及其与环境的相互作用。从微观世界的精妙运作到宏观生态系统的物质循环与能量流动,本书无不展现微生物作为生命基础和生态驱动力的核心地位。第二版在继承第一版精华的基础上,进一步整合了近年来微生物学、分子生物学、基因组学、宏基因组学以及生物信息学等领域的突破性进展,为读者提供了一个更新、更广阔的视角来理解微生物生态学。 核心内容与章节亮点 本书以严谨的学术态度,层层递进地构建了微生物生态学知识体系。 第一部分:微生物生态学导论 第一章:微生物与生态系统 本章奠定了微生物生态学的理论基础,强调了微生物在所有生命形式中的普遍性与多样性。 详细介绍了微生物在地球生命演化史上的关键作用,包括氧气产生、氮固定等。 定义了微生物生态学的核心概念,如群落、生境、生态位,并区分了原核生物、真核微生物和病毒的生态意义。 探讨了微生物生态学研究的意义,从基础科学探索到环境保护、疾病防治、生物技术应用等多个层面。 第二章:微生物多样性与分类 深入剖析了微生物多样性的丰富性,涵盖了细菌、古菌、真菌、藻类、原生动物和病毒等主要类群。 介绍了经典的微生物分类学以及基于分子生物学(如16S rRNA测序)的现代分类方法,强调了系统发育关系在理解微生物功能中的重要性。 探讨了多样性测量的指标和方法,包括α多样性、β多样性和γ多样性。 展示了微生物多样性在不同生境(如土壤、水体、极端环境)的分布特征。 第三章:微生物生态学研究方法 本章聚焦于支撑现代微生物生态学研究的先进技术和策略。 详细介绍了培养基、分离纯化技术在传统微生物学中的应用,以及其局限性。 重点阐述了非培养技术,包括荧光显微镜、流式细胞术、DNA/RNA提取与分析、PCR、DNA测序(Sanger、高通量测序)等。 深入讲解了宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白组学和宏代谢组学等“组学”技术在解析微生物群落结构、功能和代谢途径中的革命性贡献。 介绍了生物信息学工具在数据分析、序列比对、功能预测和网络构建中的关键作用。 第二部分:微生物与环境的相互作用 第四章:微生物的生长与代谢 本章是理解微生物生态功能的基础。 详细阐述了微生物获取能量和碳源的多种途径,包括光合作用、化能自养、化能异养、异化作用等。 深入分析了微生物对不同环境因素(温度、pH、氧气、盐度、光照、辐射等)的响应机制。 探讨了微生物生长曲线、种群动态以及限制因素。 介绍了微生物与其他生物体(如植物、动物)进行互利的共生关系,如固氮菌、菌根真菌、肠道微生物等。 第五章:土壤微生物生态学 土壤是地球上最复杂的微生物生境之一。 详细描述了土壤微生物的组成(细菌、真菌、放线菌、藻类等)及其在土壤结构、养分循环中的关键作用。 重点探讨了土壤有机质的分解与转化、矿质元素的矿化与固化(如碳、氮、磷、硫循环)。 介绍了土壤微生物与植物根际相互作用,包括根际效应、根际促生菌(PGPR)和植物病原菌。 讨论了不同土壤类型、管理措施(如耕作、施肥、有机物添加)对土壤微生物群落结构和功能的影响。 第六章:水生微生物生态学 本书将水体生态系统细分为不同的类别进行深入探讨。 淡水生态系统: 详细介绍了湖泊、河流、湿地等淡水环境中浮游微生物、底栖微生物以及与水体物理化学性质(营养盐、氧含量、浊度)的相互作用。 海洋生态系统: 重点关注海洋浮游植物(初级生产者)、浮游动物、细菌、古菌、病毒在海洋食物网、碳循环和氧气产生中的角色。探讨了不同海洋区域(如表层、深海、近岸、开阔大洋)的微生物群落特征。 极端水体环境: 介绍了热泉、盐湖、酸性矿山排水等极端环境中微生物的适应性机制和生态功能。 第七章:极端环境微生物生态学 本书专门辟出一章,展现微生物惊人的适应能力。 详细介绍了嗜热菌、嗜冷菌、嗜盐菌、耐酸菌、耐碱菌、耐高压菌(深海微生物)以及能抵抗辐射的微生物。 探讨了这些极端微生物的生理生化特点、分子机制以及它们在地球上和外星生命探测中的意义。 介绍了极端环境微生物在生物技术领域的潜在应用。 第八章:生物地球化学循环中的微生物 微生物是驱动地球上物质循环的核心力量。 碳循环: 详细阐述了光合作用、呼吸作用、发酵、甲烷生成与氧化、有机物分解在碳循环中的作用。 氮循环: 深入解析了固氮、硝化、反硝化、氨化、尿素分解等微生物过程在氮素转化中的关键地位。 磷、硫、铁等元素的循环: 探讨了微生物在这些元素生物地球化学循环中的参与和调控作用。 强调了人为活动(如化肥使用、温室气体排放)对这些循环的影响。 第三部分:微生物群落的结构与功能 第九章:微生物群落的结构与组装 本章从群落生态学的角度审视微生物。 定义了微生物群落的概念,并分析了影响群落结构的主要因素(环境、历史、随机过程)。 介绍了物种丰富度、均匀度、优势度等群落结构指标。 探讨了群落组装的理论模型,如随机过程、确定性过程、中性理论、生态位理论等。 分析了微生物群落在空间和时间上的动态变化。 第十章:微生物群落的功能与网络 本书重点强调微生物的“功能”而非仅仅是“组成”。 介绍了群落的功能多样性,包括代谢多样性、生化功能多样性。 探讨了群落中的互作,如竞争、捕食、寄生、协同作用。 重点讲解了微生物群落网络的概念,包括食物网、互营网络、共生网络等。 介绍了如何利用网络分析来理解群落的稳定性和功能。 第十一章:微生物的起源、演化与宏基因组学 本章将微生物生态学与生命演化联系起来。 回顾了微生物在地球生命起源和早期演化中的作用。 探讨了横向基因转移(HGT)在微生物演化中的重要性。 重点介绍了宏基因组学在揭示未知微生物基因组、功能基因和代谢通路方面的革命性突破。 展示了宏基因组学如何帮助我们理解微生物多样性、适应性进化以及群落的功能潜力。 第四部分:微生物生态学在人类社会中的应用 第十二章:人类微生物组 本书将微生物生态学的视野扩展到人类健康。 详细介绍了人体不同部位(肠道、皮肤、呼吸道、口腔等)的微生物群落构成。 阐述了人类微生物组在消化、免疫、代谢、神经系统功能中的关键作用。 探讨了微生物组失调(dysbiosis)与多种疾病(如炎症性肠病、肥胖、糖尿病、过敏、精神疾病)的关联。 介绍了益生菌、益生元、粪菌移植等干预手段。 第十三章:环境修复与生物技术中的微生物 本书聚焦于微生物在解决环境问题和推动产业发展中的应用。 生物修复: 详细介绍了利用微生物降解污染物(如石油烃、农药、重金属)的技术,包括在土壤、水体、空气中的应用。 生物能源: 探讨了微生物在生产生物燃料(如乙醇、生物柴油、甲烷)中的作用。 生物材料与生物制造: 介绍了微生物在生产酶、抗生素、维生素、聚合物等方面的应用。 废水处理: 详细阐述了微生物在活性污泥法、厌氧消化等水处理过程中的关键作用。 第十四章:微生物生态学的前沿与未来 本章展望了微生物生态学未来的发展方向。 探讨了单细胞基因组学、环境DNA(eDNA)技术在微生物研究中的新兴应用。 展望了人工智能和机器学习在宏基因组学数据分析、模型构建中的潜力。 讨论了微生物生态学在气候变化、可持续农业、公共卫生等领域的更多挑战与机遇。 强调了跨学科合作的重要性,以应对复杂环境问题。 特色与价值 《现代微生物生态学(第二版)》之所以成为该领域的标杆性著作,在于其独特的价值和鲜明的特色: 内容全面且深入: 涵盖了微生物生态学从基础理论到前沿应用的广泛领域,既有宏观的生态系统视角,也有微观的分子机制解读。 概念清晰,逻辑严谨: 章节之间过渡自然,知识体系构建完整,便于读者理解和掌握。 案例丰富,图文并茂: 配以大量的图表、照片和研究案例,生动形象地展现微生物世界的奇妙,增强了阅读的趣味性和直观性。 前沿性与时效性: 紧跟学科发展步伐,大量引入最新的研究成果、技术方法和理论模型,确保内容的前沿性和时效性。 面向多层次读者: 无论是微生物学、生态学、环境科学、生物技术等相关专业的本科生、研究生,还是希望了解微生物生态学知识的科研人员、工程师,都能从中获益。 《现代微生物生态学(第二版)》不仅是一部学术著作,更是一扇窗口,带领读者窥探地球生命网络中最为活跃、最为基础的微生物世界,理解它们如何塑造我们的星球,以及如何影响着人类的未来。本书将激发读者对生命奥秘的探索热情,并为解决当今世界面临的紧迫挑战提供深刻的科学洞见。