內容簡介
本書在第一版基礎上,結閤學科進展修訂而成。主要介紹瞭正常自然環境、海洋環境、極端環境和汙染環境中的微生物與其周圍生物和非生物之間的相互關係、微生物在這些環境中的作用,以及相關微生物及其代謝活性産物的應用。同時介紹瞭微生物生態學研究使用的傳統方法和現代分子生物學方法。
本書適閤生物科學、微生物學、環境科學、海洋學等專業教學使用,並可供相關學科工作人員參考使用。
內頁插圖
目錄
前言
第一章 緒論
第一節 微生物生態學的研究範圍和目的
一、什麼是生態學
二、什麼是微生物生態學
第二節 微生物生態學的發展簡史
第三節 研究微生物生態學的意義
思考題
參考文獻
第二章 研究微生物生態學的方法
第一節 研究微生物生態學的傳統方法
一、直接測定
二、培養方法
三、代謝活力的測定
四、數學方法
第二節 研究微生物生態學的分子生物學方法
一、rRNA和rRNA基因序列的測定
二、利用核酸探針和雜交技術研究微生物的多樣性
三、全細胞雜交法的改進
四、基於PCR技術的DNA指紋圖譜技術
五、其他方法
思考題
參考文獻
第三章 自然環境中微生物群落的組成及其變化規律
第一節 土壤中微生物群落的組成及其變化規律
一、土壤中微生物的分布
二、土壤中的微生物群落
三、影響土壤微生物分布的因素
第二節 水體中微生物群落的結構及其變化規律
一、淡水中的微生物群落組成和代謝活力
二、環境條件對水體中微生物群落結構的影響
第三節 空氣中微生物群落及其變化規律
一、空氣是微生物生長和生存的不良環境
二、空氣是傳播微生物的介質
三、室外的空氣
四、室內空氣中的微生物
五、空氣中的微生物對生態的效應
思考題
參考文獻
第四章 海洋環境中的微生物
第一節 海洋環境中的主要微生物類群
一、古菌
二、真細菌
三、真核微生物
四、細菌在海水中的分布
第二節 海水養殖環境中的緻病菌
一、養殖魚類病原菌
二、養殖對蝦病原菌
三、養殖貝類病原菌
第三節 海水養殖環境中的有益微生物
一、有益微生物的概念
二、有益微生物的種類和來源
三、有益微生物的作用機理
第四節 海洋環境中的酵母
一、酵母在海洋環境中的分布與多樣性
二、海洋酵母産生的胞外酶
三、海洋酵母菌産生的鐵載體
四、海洋酵母菌産生的核黃素
第五節 深海地熱環境中的微生物
一、共生生物
二、非共生的嗜高溫微生物
三、嗜熱微生物和超嗜熱微生物
第六節 海洋微生物的活性物質
思考題
參考文獻
第五章 極端自然環境中的微生物
第一節 在低溫環境中的微生物
一、低溫環境中的微生物
二、高溫對嗜冷菌的影響
三、低溫微生物適應低溫的分子機理
四、嗜冷菌的應用
第二節 高溫環境中的微生物
一、高溫環境中的微生物
二、超嗜熱微生物的多樣性
三、高溫環境中微生物生命的分子機理
四,、耐高溫茵的耐高溫遺傳基礎
五、嗜熱菌的産物多樣性及其應用
第三節 在強酸環境中的微生物多樣性
一、在強酸環境中的微生物
二、在極端酸性環境中微生物之間的相互作
三、微生物抗酸的分子機理
四、嗜酸菌的應用
第四節 在堿性環境中的微生物
一、嗜堿菌的分布和分離
二、嗜堿微生物的特殊生理特徵
三、嗜堿芽孢杆菌染色體DNA的物理圖譜
四、嗜堿菌的基因剋隆
五、嗜堿菌産生的酶
六、嗜堿菌産生的代謝産物
第五節 在高鹽環境中的微生物多樣性
一、嗜鹽微生物的類型
二、嗜鹽菌的生態分布
三、嗜鹽微生物抗高濃度NaCl的分子機理
四、嗜鹽菌耐鹽機理的遺傳基礎
五、嗜鹽微生物的産物多樣性及其應用
第六節 低營養環境中的微生物
一、低營養環境中的微生物
二、低營養環境中的微生物生命機理
三、低營養型微生物的應用
第七節 高壓環境中的微生物
一、深海微生物的多樣性
二、在深海溝中的微生物多樣性
三、適應高壓和低溫環境的細菌
四、嗜壓微生物的分子生物學
五、在高壓下酶的活性和熱穩定性
六、嗜壓菌的潛在用途
第八節 高輻射環境中的微生物
一、抗輻射微生物
二、微生物抗輻射的分子機理
三、抗輻射微生物的應用
思考題
參考文獻
第六章 生物群體的相互作用
第一節 微生物群體之間的相互作用
一、一種微生物群體中的相互作用
二、不同微生物群體之間的相互作用
第二節 環境中細菌之間遺傳物質的相互交換
一、轉化
二、轉導
三、接閤
第三節 微生物與植物之間的相互關係
一、微生物與植物根之間的相互作用
二、植物內生微生物
三、微生物與植物其他部分之間的相互作用
四、病原微生物與植物之間的關係
第四節 微生物與動物之間的相互關係
一、微生物作為某些水生動物的食物
二、微生物對於動物消化食物和獲取營養所起的作用
三、動物與光閤微生物之間的共生關係
四、動物與發光細菌之間的相互關係
五、微生物與節肢動物之間的共生關係
六、病原微生物與動物之間的相互關係
第五節 微生物與人體的相互作用
一、皮膚錶麵的微生物與人體的關係
二、口腔中的微生物與人體的關係
三、胃腸道中的微生物與人體的關係
思考題
參考文獻
第七章 微生物在生物地球化學循環中的作用
第一節 基本概念
一、能量流
二、營養水平
三、生物地球化學循環
第二節 碳循環
一、通過食物網進行碳的轉移
二、微生物在碳循環中所起的特殊作用
三、環境因素和人類活動對碳循環的影響
第三節 氫循環
第四節 氧循環
第五節 氮循環
一、N2的固定
二、氨化作用
三、硝化作用
四、硝酸還原和反硝化作用
五、環境因素和人類活動對氮循環的影響
第六節 硫循環
……
第八章 微生物與化學汙染之間的相互關係
第九章 汙染物的微生物處理
第十章 微生物及其代謝産物對環境的汙染
第十一章 微生物産生的生態友好物質
第十二章 微生物的生態模型
思考題
參考文獻
前言/序言
微生物生態學是指研究微生物與其周圍生物和非生物環境之間相互關係的一門科學。人們僅在20世紀60年代初期纔開始使用微生物生態學這個名詞,所以它是一門比較年輕的科學。
40多年來,微生物生態學得到瞭迅速發展,並引起瞭許多研究者的極大興趣。目前,微生物生態學的研究熱點應該是:①自然環境中的微生物資源、遺傳和功能基因的多樣性,特彆是海洋環境(包括深海)、極端環境和汙染環境中的微生物資源、遺傳和功能基因的多樣性最近幾年引起瞭各國政府和研究機構的高度重視,我國從“十五”開始也投人大量的經費開展這方麵的研究。②海洋微生物的生物活性産物,特彆是海洋微生物産生的藥物和酶及其編碼,這些藥物和酶的基因正在得到有關公司的注意,其中許多已經得到開發和應用。③汙染環境中的微生物及其基因,特彆是那些具有強降解劇毒汙染物能力的微生物和相關的基因,人們正在設法利用這些微生物處理環境中種類越來越多的各種汙染物,再利用有關的基因改造天然微生物菌株,使它們具有更強降解和淨化汙染物的能力。④微生物與環境友好物質,由於最近幾十年來大量使用塑料、農藥、閤成錶麵活性劑、石油和煤炭,給環境造成瞭嚴重的汙染,再加上能源危機,使得如何利用微生物産生的環境友好物質取代這些物質已經成為最近幾年全世界研究的熱點之一。
本書第一版在2005年由科學齣版社齣版後,已被多所大學選作本科生和研究生教材,並被多部著作引用,受到廣大讀者的歡迎。由於最近幾年微生物生態學發展非常迅速,與微生物生態學有關的新內容、新觀點和新方法不斷齣現,同時在第一版編寫過程中由於時間比較倉促,書中存在一些不足之處。為瞭反映現代微生物生態學發展的最新內容和新方法,我們對第一版的內容進行補充和修改,在第二版中重點突齣瞭微生物生態學目前研究的熱點問題。
在編寫第二版過程中,王祥紅博士重點編寫海洋環境中的微生物(第四章),李靜博士重點參與編寫研究微生物生態學的方法(第二章),山東科技大學的李惠娟博士參與編寫微生物與化學汙染物之間的相互關係(第八章),池振明教授的博士研究生張瞳、趙春海、王紀明、王芳和池哲參與編寫極端自然環境中的微生物(第五章)和微生物産生的生態友好物質(第十一章),其餘章節主要由池振明教授編寫。
本書第二版齣版過程中得到中國海洋大學齣版基金的支持,在此錶示感謝。
由於我們的水平有限,書中難免有疏漏之處,懇請廣大讀者批評指正。
現代微生物生態學(第二版) 概述 《現代微生物生態學(第二版)》是一部全麵深入探討微生物在地球生態係統中所扮演角色的權威性著作。本書以清晰的邏輯、豐富的案例和前沿的研究成果,係統地闡述瞭微生物多樣性、分布、功能及其與環境的相互作用。從微觀世界的精妙運作到宏觀生態係統的物質循環與能量流動,本書無不展現微生物作為生命基礎和生態驅動力的核心地位。第二版在繼承第一版精華的基礎上,進一步整閤瞭近年來微生物學、分子生物學、基因組學、宏基因組學以及生物信息學等領域的突破性進展,為讀者提供瞭一個更新、更廣闊的視角來理解微生物生態學。 核心內容與章節亮點 本書以嚴謹的學術態度,層層遞進地構建瞭微生物生態學知識體係。 第一部分:微生物生態學導論 第一章:微生物與生態係統 本章奠定瞭微生物生態學的理論基礎,強調瞭微生物在所有生命形式中的普遍性與多樣性。 詳細介紹瞭微生物在地球生命演化史上的關鍵作用,包括氧氣産生、氮固定等。 定義瞭微生物生態學的核心概念,如群落、生境、生態位,並區分瞭原核生物、真核微生物和病毒的生態意義。 探討瞭微生物生態學研究的意義,從基礎科學探索到環境保護、疾病防治、生物技術應用等多個層麵。 第二章:微生物多樣性與分類 深入剖析瞭微生物多樣性的豐富性,涵蓋瞭細菌、古菌、真菌、藻類、原生動物和病毒等主要類群。 介紹瞭經典的微生物分類學以及基於分子生物學(如16S rRNA測序)的現代分類方法,強調瞭係統發育關係在理解微生物功能中的重要性。 探討瞭多樣性測量的指標和方法,包括α多樣性、β多樣性和γ多樣性。 展示瞭微生物多樣性在不同生境(如土壤、水體、極端環境)的分布特徵。 第三章:微生物生態學研究方法 本章聚焦於支撐現代微生物生態學研究的先進技術和策略。 詳細介紹瞭培養基、分離純化技術在傳統微生物學中的應用,以及其局限性。 重點闡述瞭非培養技術,包括熒光顯微鏡、流式細胞術、DNA/RNA提取與分析、PCR、DNA測序(Sanger、高通量測序)等。 深入講解瞭宏基因組學、宏轉錄組學、宏蛋白組學和宏代謝組學等“組學”技術在解析微生物群落結構、功能和代謝途徑中的革命性貢獻。 介紹瞭生物信息學工具在數據分析、序列比對、功能預測和網絡構建中的關鍵作用。 第二部分:微生物與環境的相互作用 第四章:微生物的生長與代謝 本章是理解微生物生態功能的基礎。 詳細闡述瞭微生物獲取能量和碳源的多種途徑,包括光閤作用、化能自養、化能異養、異化作用等。 深入分析瞭微生物對不同環境因素(溫度、pH、氧氣、鹽度、光照、輻射等)的響應機製。 探討瞭微生物生長麯綫、種群動態以及限製因素。 介紹瞭微生物與其他生物體(如植物、動物)進行互利的共生關係,如固氮菌、菌根真菌、腸道微生物等。 第五章:土壤微生物生態學 土壤是地球上最復雜的微生物生境之一。 詳細描述瞭土壤微生物的組成(細菌、真菌、放綫菌、藻類等)及其在土壤結構、養分循環中的關鍵作用。 重點探討瞭土壤有機質的分解與轉化、礦質元素的礦化與固化(如碳、氮、磷、硫循環)。 介紹瞭土壤微生物與植物根際相互作用,包括根際效應、根際促生菌(PGPR)和植物病原菌。 討論瞭不同土壤類型、管理措施(如耕作、施肥、有機物添加)對土壤微生物群落結構和功能的影響。 第六章:水生微生物生態學 本書將水體生態係統細分為不同的類彆進行深入探討。 淡水生態係統: 詳細介紹瞭湖泊、河流、濕地等淡水環境中浮遊微生物、底棲微生物以及與水體物理化學性質(營養鹽、氧含量、濁度)的相互作用。 海洋生態係統: 重點關注海洋浮遊植物(初級生産者)、浮遊動物、細菌、古菌、病毒在海洋食物網、碳循環和氧氣産生中的角色。探討瞭不同海洋區域(如錶層、深海、近岸、開闊大洋)的微生物群落特徵。 極端水體環境: 介紹瞭熱泉、鹽湖、酸性礦山排水等極端環境中微生物的適應性機製和生態功能。 第七章:極端環境微生物生態學 本書專門闢齣一章,展現微生物驚人的適應能力。 詳細介紹瞭嗜熱菌、嗜冷菌、嗜鹽菌、耐酸菌、耐堿菌、耐高壓菌(深海微生物)以及能抵抗輻射的微生物。 探討瞭這些極端微生物的生理生化特點、分子機製以及它們在地球上和外星生命探測中的意義。 介紹瞭極端環境微生物在生物技術領域的潛在應用。 第八章:生物地球化學循環中的微生物 微生物是驅動地球上物質循環的核心力量。 碳循環: 詳細闡述瞭光閤作用、呼吸作用、發酵、甲烷生成與氧化、有機物分解在碳循環中的作用。 氮循環: 深入解析瞭固氮、硝化、反硝化、氨化、尿素分解等微生物過程在氮素轉化中的關鍵地位。 磷、硫、鐵等元素的循環: 探討瞭微生物在這些元素生物地球化學循環中的參與和調控作用。 強調瞭人為活動(如化肥使用、溫室氣體排放)對這些循環的影響。 第三部分:微生物群落的結構與功能 第九章:微生物群落的結構與組裝 本章從群落生態學的角度審視微生物。 定義瞭微生物群落的概念,並分析瞭影響群落結構的主要因素(環境、曆史、隨機過程)。 介紹瞭物種豐富度、均勻度、優勢度等群落結構指標。 探討瞭群落組裝的理論模型,如隨機過程、確定性過程、中性理論、生態位理論等。 分析瞭微生物群落在空間和時間上的動態變化。 第十章:微生物群落的功能與網絡 本書重點強調微生物的“功能”而非僅僅是“組成”。 介紹瞭群落的功能多樣性,包括代謝多樣性、生化功能多樣性。 探討瞭群落中的互作,如競爭、捕食、寄生、協同作用。 重點講解瞭微生物群落網絡的概念,包括食物網、互營網絡、共生網絡等。 介紹瞭如何利用網絡分析來理解群落的穩定性和功能。 第十一章:微生物的起源、演化與宏基因組學 本章將微生物生態學與生命演化聯係起來。 迴顧瞭微生物在地球生命起源和早期演化中的作用。 探討瞭橫嚮基因轉移(HGT)在微生物演化中的重要性。 重點介紹瞭宏基因組學在揭示未知微生物基因組、功能基因和代謝通路方麵的革命性突破。 展示瞭宏基因組學如何幫助我們理解微生物多樣性、適應性進化以及群落的功能潛力。 第四部分:微生物生態學在人類社會中的應用 第十二章:人類微生物組 本書將微生物生態學的視野擴展到人類健康。 詳細介紹瞭人體不同部位(腸道、皮膚、呼吸道、口腔等)的微生物群落構成。 闡述瞭人類微生物組在消化、免疫、代謝、神經係統功能中的關鍵作用。 探討瞭微生物組失調(dysbiosis)與多種疾病(如炎癥性腸病、肥胖、糖尿病、過敏、精神疾病)的關聯。 介紹瞭益生菌、益生元、糞菌移植等乾預手段。 第十三章:環境修復與生物技術中的微生物 本書聚焦於微生物在解決環境問題和推動産業發展中的應用。 生物修復: 詳細介紹瞭利用微生物降解汙染物(如石油烴、農藥、重金屬)的技術,包括在土壤、水體、空氣中的應用。 生物能源: 探討瞭微生物在生産生物燃料(如乙醇、生物柴油、甲烷)中的作用。 生物材料與生物製造: 介紹瞭微生物在生産酶、抗生素、維生素、聚閤物等方麵的應用。 廢水處理: 詳細闡述瞭微生物在活性汙泥法、厭氧消化等水處理過程中的關鍵作用。 第十四章:微生物生態學的前沿與未來 本章展望瞭微生物生態學未來的發展方嚮。 探討瞭單細胞基因組學、環境DNA(eDNA)技術在微生物研究中的新興應用。 展望瞭人工智能和機器學習在宏基因組學數據分析、模型構建中的潛力。 討論瞭微生物生態學在氣候變化、可持續農業、公共衛生等領域的更多挑戰與機遇。 強調瞭跨學科閤作的重要性,以應對復雜環境問題。 特色與價值 《現代微生物生態學(第二版)》之所以成為該領域的標杆性著作,在於其獨特的價值和鮮明的特色: 內容全麵且深入: 涵蓋瞭微生物生態學從基礎理論到前沿應用的廣泛領域,既有宏觀的生態係統視角,也有微觀的分子機製解讀。 概念清晰,邏輯嚴謹: 章節之間過渡自然,知識體係構建完整,便於讀者理解和掌握。 案例豐富,圖文並茂: 配以大量的圖錶、照片和研究案例,生動形象地展現微生物世界的奇妙,增強瞭閱讀的趣味性和直觀性。 前沿性與時效性: 緊跟學科發展步伐,大量引入最新的研究成果、技術方法和理論模型,確保內容的前沿性和時效性。 麵嚮多層次讀者: 無論是微生物學、生態學、環境科學、生物技術等相關專業的本科生、研究生,還是希望瞭解微生物生態學知識的科研人員、工程師,都能從中獲益。 《現代微生物生態學(第二版)》不僅是一部學術著作,更是一扇窗口,帶領讀者窺探地球生命網絡中最為活躍、最為基礎的微生物世界,理解它們如何塑造我們的星球,以及如何影響著人類的未來。本書將激發讀者對生命奧秘的探索熱情,並為解決當今世界麵臨的緊迫挑戰提供深刻的科學洞見。