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本课件从微生物在土壤、水体、空气与极端环境的分布讲起，分析互生、共生、竞争、寄生、捕食与拮抗等种间关系，随后展开碳、氮、硫、磷的生物地球化学循环，并结合污水生物处理与沼气发酵说明微生物在环境保护中的作用。
第六章微生物生态
主要内容：微生物在自然界的分布微生物与其他物种间的相互关系微生物与自然界物质循环微生物与环境保护
微生物与环境间有着极为密切的关系，微生物的生命活动依赖于环境，同时也影响着环境，研究微生物与环境之间的关系，了解它们在自然界的分布，可为人们开发微生物资源提供理论依据，以使人们利用微生物在自然界中的作用来改造自然，保护自然。
微生物之间，微生物与其他微生物之间，也存在着相互依存，相互制约的关系，研究它们之间的关系，使人类更好地利用微生物，为防治人和动植物疾病，为工农业生产服务。
前言一、生态学的概念生态学（ecology）是一门研究生命系统与环境系统间相互作用规律的科学。二、什么是微生物生态学(Microbial ecology)微生物生态学是生态学的一个分支，它的研究对象是微生物群体与其周围生物和非生物环境条件间相互作用的规律。
(是研究微生物与环境之间相互作用的科学)生命科学研究领域中，从宏观到微观一般可分10个层次：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）、分子（molecule），其中前4个客观层次都是生态学的研究范围。
第一节微生物在自然界的分布
一、土壤中的微生物(一)土壤是微生物生活的良好环境土壤是固体无机物(岩石和矿物质)、有机物、水、空气和生物组成的复合物，是微生物的合适生境。是微生物的大本营。由于土壤具备了各种微生物生长发育所需要的营养、水分、空气、酸碱度、渗透压和温度等条件，所以土壤中微生物的种类和数量、代谢潜力是其他任何生态系统无法比拟的。
（二）土壤中的微生物分布特点1）土壤微生物的数量和分布主要受到营养物、含水量、氧、温度、pH等因子的影响，并随土壤类型的不同而有很大变化。2）土壤微生物的数量和分布受季节影响；3）微生物的数量也与于土层的深度有关，一般土壤表层微生物最多，随着土层的加深，微生物的数量逐步减少。
4）土壤中的微生物: 细菌> 放线菌> 真菌> 藻类> 原生动物
每克肥土中通常含有几亿至几十亿个微生物
每克肥土中通常含有几亿至几十亿个微生物，贫瘠土壤每克也有几百万至几千万个微生物。农田土15cm处的微生物量微生物每克土生物量壤数量（g/m3）细菌1×108160放线菌2×106160真菌1.2×105200 藻类2.5×10432 原生动物3×10438耕作土壤中，细菌湿重约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。表层耕作土中含量最高，耕作层厚度20~30cm，地表土受阳光直接照射，其中微生物含量较低。
（三）、微生物对土壤的作用1、微生物是土壤形成的先驱生物；土壤中的自生固氮微生物种类和数量很多，可以固定和制造氮素供植物生长。2、腐生作用，土壤中的微生物将各种有机物、无机物转化成NH3-N、NO3--N等被植物利用。3、形成腐殖质，改善土壤团粒结构。
12根际微生物（rhizosphere microorganism）：植物根系经常向周围土壤分泌各种外渗物质，故根际有大量微生物活动。种类组成受植物的种类和植物发育阶段影响。作用是改善植物营养、分泌生长刺激素及抗生素等；
有时也有害，与植物争夺N、P等营养、分泌毒素等。附生微生物（epibiotic microbe）：指生活在植物体表面，主要借其外渗物质或分泌物质为营养的微生物。叶面微生物是主要的附生微生物。
3、根际微生物和附生微生物根际微生物：生活在植物根系周围土壤中的微生物，为正常菌群，多为G-细菌附生微生物：生活在植物地上部分表面的微生物
影响水体微生物分布的因素有机物含量温度水的深度日光与水体的溶解氧量淡水的pH值变幅从3.7到10.5，多数为6.5-8.5，因而适合于多数水生微生物的生长。海洋微生物具有耐压、嗜冷和低营养要求的特点。
水淡水海水地下水：无色杆菌、黄杆菌、革兰氏阳性杆菌、微球菌、诺卡氏菌地表水溪水：营养少、主要是革兰氏阴性无芽孢杆菌、生丝微菌河水：出现假单孢菌、芽孢、肠杆菌、弧菌、螺菌、硫细菌、微球菌、八叠球菌、诺卡氏菌、链球菌、螺旋体等污水生活污水：荧光、绿脓、变形、枯草、阴沟、大肠、粪链球菌、病毒和噬菌体生产污水：与所含污物有关各种水系中的微生物
海水：平均含盐量：3.5%，密度大、渗透压高、冰点低微生物组成：多数为革兰氏阴性菌、多嗜盐、河口处有耐盐菌嗜盐菌：低嗜盐菌，适于生活在盐浓度2~5%；中等嗜盐菌，适于生活在盐浓度5~20%；高嗜盐菌：适于生活在盐浓度20~30%形态：多有鞭毛，常见多形性、可变为球形、弧形、丝状及螺旋状，个体小；
生理：兼性厌氧，生长慢，能在低营养下生活，常产色素，分解蛋白质能力强，解糖能力低，多嗜冷，对热敏感；分布：不均匀，与水深成反比，0~10米——少10~50米——呈上升变化50米以下数量减少海底沉积物上——多常见菌种：假单孢菌、弧菌、螺菌、无色杆菌、黄杆菌
清水型水生微生物洁净湖泊和水库，微生物数量少（10~103/ml），以化能自养型和光能自养型微生物为主，部分腐生细菌，如色杆菌、无色杆菌和微球菌等；霉菌中如水霉、绵霉等的一些种；以及单细胞和丝状的藻类和一些原生动物常在水面生长，数量较少。
以上微生物种类可以认为是水中的“土著”菌群。根据微生物对水生环境中的营养要求，将其分为三类：贫营养细菌（1~15mgC/L）、兼性贫营养细菌（指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）、富营养细菌（10gC/L）贫营养指数（O.I）：某水样中贫营养细菌占总菌数的百分比
19类型：流经城市的河水、港口附近的海水、滞留的池水、阴沟水环境情况：流入了大量的人畜排泄物、生活污物和工业废水等，有机物含量大增微生物数量和类群：–数量：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。
–类群：革兰氏阴性无芽孢杆菌，如Proteus、E. coli、Enterobacter aerogenes和Alcaligenes等，各种Bacillus、Vibrio和Spirillum等的一些种纤毛虫类、鞭毛虫类和根足虫类等原生动物腐败型水生微生物
还有一些随人畜排泄物和病体污物进入水体的动植物致病菌繁殖及后果：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。
水的自净作用污水中的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。水源的饮用价值：良好的饮用水细菌含量应在100个/ml以下，当超过500个/ml时，即不适合作为饮用水。
更重要的是水中的微生物种类，一般用大肠菌群数作为是否含有病原菌的指标。
22在自然水体尤其是快速流动的水中，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，有稀释、沉降、吸附等物理作用，更重要的是各种生物学和生物化学作用，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、沉降作用等使水中有机物含量降低，这种作用称为水的自净作用。
是流水不腐的原因。
三、微生物在空气中的分布:1．空气是传播微生物的重要介质空气本身缺乏微生物生活所必需的营养物，日光对微生物也具有很强的杀菌作用，另外空气一般是干燥的，因此空气不是微生物生活的良好环境。至85km的高空。2．空气中微生物的种类和数量空气中的微生物主要来源于带有微生物菌体及孢子的灰尘，这类微生物大多数是腐生性的，还来源于人和动物，它们大多数是通过呼吸道排出的，其中也包含有病原微生物，悬浮在大气中。
空气中微生物的分布随环境条件及微生物的抵抗力不同而呈现不同的分布规律。空气中存在较多的、存活时间较长的是各种真菌、放线菌的孢子及细菌芽胞。空气中微生物的数目决定于尘埃的总量。
不同地点空气中的微生物数量地点微生物数量（cfu/ｍ3空气）北极(北纬80°)0海洋上空1-2市外公园200城市公园5,000宿舍2,000畜舍1,000,000-2,000,000空气中微生物的杀灭与去除：紫外线照射、甲醛熏蒸、药物喷雾、过滤除菌等，常用的过滤介质有棉花、纱布、石棉滤板、活性炭或超细玻璃纤维过滤纸等。
四、极端环境中的微生物不利于一般生物生长的特殊环境称为极端环境。主要有极端高温、低温、高盐、高压、高酸、高碱等。例如火山与温泉、极地或高山冰川、盐湖、深海底层等。1．高温环境中的微生物(嗜热微生物)高热环境--高温环境喷发的火山、地热蒸汽、沸腾或过热的温泉以及高温堆肥、热水器和取暖用热水循环系统等是常见的天然或人工的高温环境。
不同微生物对高温的适应能力见表，高温型微生物中以细菌居多，只有少数真菌。如嗜热脂肪芽孢杆菌、酸热芽孢杆菌（Ｂ．acidocalda rius）等。各类群生长的上限温度类群上限温度(℃)真核微生物原生动物藻类真菌5655-6060-62原核微生物盐细菌光合细菌无机化能细菌异养细菌70-7370-73>90>90
兼性嗜热菌专性嗜热菌极端嗜热菌耐热菌超嗜热菌嗜热菌的类型：
隐蔽热网菌（Pyrodictium occultum）嗜酸热硫化叶菌（Sulfolobus acidocaldarius）水生嗜热杆菌(Thermus aquaticus)
嗜热机制--嗜热菌之所以耐热，主要是其结构及生理上具有一定特点。近年来，对其嗜热机制进行了分子水平的研究，可归纳为以下4种假说。（1）类脂的敏感作用嗜热菌细胞质膜的化学成分，随环境温度的升高不仅类脂总含量增加，而且细胞中的高熔点饱和脂肪酸也增加，即长链饱和脂肪酸增加，而不饱和脂肪酸减少。
因此，嗜热菌在高温下能维持膜的功能，能较好地生存。
（2）重要代谢产物的迅速再合成嗜热菌中tRNAr的周转率大于中温菌的周转率，核酸中的GC含量也比中温菌高。（3）大分子的热稳定性--嗜热菌的酶和蛋白质比中温菌的酶和蛋白质具有较高的热稳定性。（4）蛋白质合成系统的热稳定性--嗜热菌的核糖体比中温菌的核糖体抗热性高。
微生物的不同嗜盐类群嗜盐类群最适生长盐浓(NaC1)实例非嗜盐微生物＜0.2mol/L淡水微生物弱嗜盐微生物0.2-0.5mol/L大多数海洋微生物中等嗜盐微生物0.5-2.5mol/L某些细菌和藻类极端嗜盐微生物2.5-5.2mol/L盐杆菌和盐球菌耐盐微生物耐受范围0.2-2.5mol/L金黄色葡萄球菌和其他葡萄球菌，耐盐酵母菌等
3．高压环境中的微生物自然界的高压环境主要存在于深海中，多数海洋底部的压力在100个大气压以上，最深处约为1100个大气压。研究表明从常压环境中分离的多数微生物在200-600个大气压的高压环境中将受到抑制或死亡，高压条件主要抑制常压微生物细胞蛋白质合成、质膜上物质和能量的传递及酶的代谢活性。
高压环境中生长的主要是细菌，如分离自深海淤泥的耐压假单胞菌，生长十分迟缓，代时为33d。3类嗜压菌及其生长静水压（大气压数）类型最低生长压最适生长压最高生长压耐压菌未测1-100500嗜压菌1400-500700极端嗜压菌400700-8001035
4、嗜冷微生物（psychrophiles）嗜冷菌：最适生长温度低于15℃耐冷微生物：最适生长温度为20-40℃主要分布于极地、深海、高山、冰窖和冷藏库5、嗜酸微生物（acidophiles）只能上生活在低pH（<4）的条件下耐酸微生物：也可在中性环境中生长最适生长温度低于15℃6、嗜碱微生物（alkalinophiles）专性生活在pH10-11的碱性条件下7、嗜盐微生物在高盐浓度下才能生长8、嗜压微生物在高静水压环境中生长9、抗辐射微生物
五、工农业产品上的微生物1.工业产品上的霉腐大量的工业产品都是直接或间接用动植物作原料制成的,例如木制品、纤维制品、革裘制品、橡胶制品、卷烟、化妆品、中成药等。
微生物引起的工业产品的霉腐工业品类型：纤维制品、革制品、橡胶制品、油漆、卷烟、化妆品等，塑料、水性涂料等，光学镜头、棱镜、建筑泥浆、钢缆、地下管道、金属材料等，电讯器材、感光和录音录象材料、文物、书画等材料劣化：工农业产品因受气候、物理、化学或生物因素的作用而被破坏的现象
37微生物引起的劣化种类：–霉变（mildew，mouldness）：由霉菌引起的劣化–腐朽（decay）泛指在好氧条件下微生物酶解有机质使其劣化的现象，常见的如由担子菌引起的木材或木制品的腐朽现象–腐烂（或腐败，Putrefection，rot）主要指由细菌或酵母菌引起的使物体变软、发臭性的劣化–腐蚀（corrosion）主要指由硫酸盐还原细菌、铁细菌或硫细菌引起的金属材料的侵蚀、破坏性劣化–变质（deterioration）指由各种生物或非生物因素引起的工农业产品质量下降的现象
2.食品上的微生物粮、油、肉、蛋、奶、蔬菜和水果等各类食品含有丰富的营养成分，因而是微生物生长繁殖的天然营养基质。粮食上的微生物肉类上的微生物鱼类上的微生物乳制品中的微生物
食品上的微生物食品的基质条件：含有丰富的营养物质和适宜的环境食品上微生物的来源：食品原料的采收、运输、加工和包装过程中被微生物污染，食品原料在土壤中生长所正常带有的微生物。污染食品的微生物种类：Aspergillus、Penicillium、Fusarium、Alternaria、Paecilomyces、Rhizopus、Mucor、Trichoderma、Phoma、Escherichia coli、Staphylococcus aureus、Bacillus subtilis、B. megaterium、Salmonella、Proteus vulgaris、Pseudomonas aeroginosa、Lactobacillus、Streptococcus lactis、Clostridium、Sacchromyces cerevisiae等。
微生物污染的危害：除引起食品变质外，还可能含有各种致病菌和毒素等有害代谢产物，会引起人类的各种严重疾病。
霉腐微生物的控制控制其温度、湿度、氧气和养料(采用低温、干燥、密封等措施)采用有效的化学抑菌剂、杀菌剂或物理杀菌剂在工业产品加工、包装过程中，尽量保持环境卫生并严防杂菌污染工业防霉剂筛选的试验菌种及其特性菌名破坏性能Aspergillus niger（黑曲霉）在许多材料上广泛生长，抗铜盐Asp. terreus（土曲霉）侵蚀多种材料Aureobacidium pullulans（出芽短梗霉）侵蚀涂漆与喷漆Paecilomyces varioti（宛氏拟青霉）侵蚀塑料和皮革Penicillium funiculosum（绳状青霉）侵蚀织物及多种材料P. ochro-chloron（赭绿青霉）侵蚀塑料与织物，抗铜盐Scopularriopsis brevicaulis（短柄帚霉）侵蚀橡胶Tricoderma viride（绿色木霉）侵蚀纤维织物与塑料
可采用多种方法防止微生物对食品等的破坏
防止霉腐的方法：在加工、制造、包装过程中必须特别注意清洁卫生控制保藏条件——采用低温、干燥、密封等措施添加少量无毒的化学防腐剂——如苯甲酸、山梨酸、脱氢醋酸、维生素K、丙酸、二甲基延胡索酸等主要食品中常见防腐剂的应用情况食品名硝酸盐SO2环六甲甲酸乙酸丙酸山梨酸苯甲酸对羟基联苯烟熏亚硝酸盐基胺苯甲酸酯干酪（+）–（+）––+++（+）（+）–++肉制品++ （+）––––+–（+）–++水产品+–+–++–+++–++蔬菜食品–+–+++–++++（+）––果品–++–++–++++（+）（+）–软饮料–++–+––++++（+）––葡萄酒–++––––++––––面包–––––++++––––糖果糕点––––––++（+）+––
罐头食品的变质与微生物罐头食品的种类：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。用较低的灭菌温度即可达到长期保藏的目的。
变质时，从中可分离到:嗜热耐酸芽孢杆菌,巴氏梭菌,丁酸梭菌,短乳杆菌,明串珠菌,等。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；pH为4.5~5的食品则称中酸食品，如肉菜混合物、汤料和沙司等。
需要用较高的灭菌温度，特别是肉类罐头。变质时，可检出,嗜热脂肪芽孢杆菌,凝结芽孢杆菌,嗜热解糖梭菌,生孢梭菌,溶组织梭菌,肉毒梭菌,等厌氧梭状芽孢杆菌。除平酸菌外在生长过程中都会产生大量的CO2和H2，从而引起罐头膨胀（“胖听”）。
其中的肉毒梭菌还会产生对人畜有剧毒的细菌外毒素——肉毒毒素。
3.农产品上的微生物——粮食和饲料上的微生物主要菌种：以青霉属、曲霉属、镰孢霉属（Fusarium）等的一些种为主。真菌毒素：目前已知的五万多种真菌中，至少有两百多个种能产生一百多种真菌毒素，其中有14种致癌，两种是剧毒致癌剂，其一为黄曲霉毒素（aflatoxin），另一种是由某些镰孢菌产生的单端孢烯族毒素T2。
凡是被霉菌严重污染的粮食一般都含有多种真菌毒素，因此，“防癌必先防霉”。主要真菌毒素：黄曲霉毒素、赭曲霉素、杂色曲霉素、岛青霉素、黄天精、环氯素、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、单端孢烯族毒素、二氢雪腐镰刀菌烯酮和T2毒素等。
六、正常动植物体上的微生物1、附生性微生物：植物地上部分表面的微生物。106个/克鲜叶2、动物正常微生物区系：正常动物皮、毛、外腔道中存在的不侵害肌体的微生物区系。皮毛：金黄色葡萄球菌、链球菌、双球菌、微球菌肠腔中：大肠杆菌、粪链球菌、魏氏梭菌、纤维素分解菌、产气、变形杆菌。
口腔中：乳酸菌、芽孢杆菌鼻腔中：白喉杆菌、葡萄球菌、肺炎球菌功能：拮抗病原菌、肠道菌合成维生素3、正常菌群失调：肠道正常菌群改变,出现肠道疾病。
七、人体的正常微生物区系正常菌群：生活在健康人体各部位，数量大、种类较稳定且一般是有益无害的微生物，称为正常菌群。正常菌群与人体的关系：一般能维持平衡，菌群内部的各种微生物之间，也是相互制约而维持相对稳定。变化情况：正常菌群是相对的、可变的、有条件的。
机体防御机能减弱时，一部分正常菌群会成为病原微生物；正常菌群在非正常部位时也可引起疾病；由于外界因素的影响，破坏了各种微生物之间的相互制约关系，正常菌群也会引起疾病（菌群失调症）。
人体各部位常见的正常菌群皮肤：表皮葡萄球菌、类白喉杆菌、绿脓杆菌、耻垢杆菌等口腔：链球菌（甲型或乙型）、乳酸杆菌、螺旋体、梭形杆菌、白色念球菌、（真菌）表皮葡萄球菌、肺炎球菌、奈瑟氏球菌、类白喉杆菌等胃：正常一般无菌肠道：类杆菌、双歧杆菌、大肠杆菌、厌氧性链球菌、粪链球菌、葡萄球菌、白色念球菌、乳酸杆菌、变形杆菌、破伤风杆菌、产气荚膜杆菌等鼻咽腔：甲型链球菌、奈氏球菌、肺炎球菌、流感杆菌、乙型链球菌、葡萄球菌、绿脓杆菌、大肠杆菌、变形杆菌等眼结膜：皮表葡萄球菌、结膜干燥杆菌、类白喉杆菌等阴道：乳酸杆菌、白色念球菌、类白喉杆菌、大肠杆菌等尿道：表皮葡萄球菌、类白喉杆菌、耻垢杆菌等
条件致病菌在一定条件下，正常菌群中的细菌也能使人患病：（1）由于机体的防卫功能减弱,引起自身感染。例如皮肤粘膜受伤（特别是大面积烧伤）、身体受凉、过度疲劳、长期消耗性疾病等，可导致正常菌群的自身感染；（2）由于正常菌群寄居部位的改变，发生了定位转移，也可引起疾病。
例如大肠杆菌进入腹腔或泌尿道，可引起腹膜炎、泌尿道感染。人体表面的正常菌群，一旦它们进入伤口也会引起感染。条件致病菌：人体的正常微生物菌群一旦进入非正常聚居部位，或生态结构发生改变而引起人类疾病的微生物。
菌群失调在正常情况下，人体和正常菌群之间以及正常菌群中各细菌之间，保持一定的生态平衡。如果生态平衡失调，以至机体某一部位的正常菌群中各细菌的比例关系发生数量和质量上的变化，称为菌群失调。菌群失调的常见诱因：主要是使用抗生素、同位素、激素、患有慢性消耗性疾病时肠道、呼吸道、泌尿生殖道的功能失常也是重要原因。
去除诱因后一般可使菌群复常，也有长期失调难于逆转的情况。
第二节微生物与其他物种间的相互关系
在自然界中，各种微生物极少单独存在，总是较多地聚在一起，也常常与其他生物出现在一个限定的空间内，它们之间可能发生相互作用，并由此构成微生物以及微生物与其他生物间非常复杂而多样化的关系。
58•互生关系•共生关系•竞争关系•寄生关系•猎食关系•拮抗作用
2.微生物与人及动物间的互生关系人体肠道中正常菌群与人的互生3. 微生物—植物的互生根际微生物与高等植物间也为互生关系。植物根在生长过程中，向周围土壤中分泌各种有机物质，并有些脱落物，都为微生物提供所需的营养物质，植物发达的根系改善了土壤结构，水分和空气条件，有利于微生物的生长。
4. 互生现象与发酵工业的混菌培养例如:“二步发酵法生产维生素C”需要弱氧化醋酸杆菌（Acetobacter suboxydans）和生黑葡糖酸杆菌（Gluconobacter melanogenes）。
1. 微生物间的共生关系：地衣地衣组成：真菌（子囊菌，担子菌）、单细胞藻类（绿藻，蓝藻）地衣的结构：形成有固定形态的叶状结构，真菌无规则地缠绕藻类细胞，或二者组成一定的层次排列。地衣的代谢：地衣中的真菌和藻类已形成特殊形态的整体了，在生理上相互依存，真菌营异养生活，藻类制造养料，真菌提供水分、无机盐供藻类光合作用。
菌根的种类：（1）外生菌根：主要分布于木本的乔、灌木；可形成菌套；或哈蒂氏网（2）内生菌根：菌丝体存在于根皮层薄壁细胞之间，并且进入细胞内部，而在根系较少，因此具内生菌根的植物，一般都保留着根毛。最常见和最重要的是泡囊-丛枝状菌根
3. 微生物与动物之间的共生关系：反刍动物与其瘤胃微生物共生
微生物与昆虫的共生：外共生：例如白蚁与其肠道内的微生物之间的共生食木质的白蚁自身并不能分解纤维素，必须依赖肠道内共生的原生动物和细菌通过厌氧发酵过程来分解纤维素。内共生：昆虫与其细胞内的共生性细菌这些细胞内的共生性细菌能为宿主提供B族维生素，使昆虫能以缺乏维生素的植物为生。
三、竞争关系多种微生物共同生活于一个环境中时，或因一种微生物优先利用有限养料，致使另一种微生物养料缺乏，生长发育受阻；或因一种微生物生长迅速，占领基质表面和充斥空间，使另一种微生物无处容身而生长受抑。竞争导致优势种群的胜利和劣势种群的淘汰。
许多研究结果表明限制性养料种类、浓度、pH、温度和氧气等条件均会影响微生物种群间的竞争能力。此外，微生物对干旱、高温和低温等极端因子的抗性也对其竞争能力有重要影响。在发酵工业上,常利用加大接种量来控制少量杂菌的污染,也是利用微生物的竞争关系。
微生物对植物的寄生微生物对植物的寄生很普遍，这是植物发生病害的重要原因，能引起植物病害的微生物称为植物病原微生物。植物或染病微生物发病后，出现变色，组织坏死，萎蔫和畸形等症状，能引起植物病害的有真菌、细菌、病毒等。
微生物对人与动物的寄生微生物在人体和动物体内寄生引起人与动物的传染病，这些微生物称为动物病原微生物。常见的畜禽传染病有炭疽病，口蹄疫，猪瘟，鸡瘟病等。病原微生物寄生在有益的动植物体内会给人们造成经济损失，寄生有害在动物体内，则对人类是有益的，可以加以利用。
如微生物寄生在有害昆虫体内，引起害虫致病死亡，对农产品发展是有利的，昆虫病原菌包括细菌真菌病毒等几类。目前利用微生物消灭农业害虫已成为微生物防治的一个重要方面。现被人们利用的微生物有苏云金杆菌等细菌、白僵菌等真菌及昆虫病毒等。
冬虫夏草
冬虫夏草
第三节微生物与自然界物质循环
88生物圈的繁荣发展，能量来源主要依赖于太阳，而元素来源主要依赖于由微生物推动的物质循环。地球进化可分为：化学进化和生物学进化两个阶段。生物学进化分为：单极生态系统、双极生态系统、三极生态系统等三阶段。原始地球大气的组成氢化物气体：水、氨、甲烷、硫化氢等。
原始海洋汇集了地壳表面大量可溶性化合物，成为诞生原始生命的摇篮生物圈（biosphere）:地表有生物生存的空间范围。生物地化循环：由生物推动的物质循环。
地球的进化化学进化：–由无机小分子生成有机小分子物质–由有机小分子物质形成生物大分子物质–由生物大分子组成团聚体或微球体形式的多分子体系，并进一步演变为原始生命生物进化–单极生态系统：只存在单一营养类型（异养分解者）的生态系统。
原始汤中的生物为异养、厌氧、发酵代谢–双极生态系统：生态系统中具备了自养与异养（即合成和分解）两个环节。自养者是蓝细菌。–三极生态系统：由于不同类型原核生物间发生内共生作用，出现了真核动物细胞和真核植物细胞，形成了三极生态系统。
即出现了食物链。
水体食物链（一个三极生态系统）消费者分解者生产者大鱼小鱼虾类浮游动物真菌细菌真菌细菌
91大气中的CO2（0.032%）周转利用最快。大气中的CO2只够绿色植物约20-30年使用。微生物在碳素循环中的作用：把有机物中的碳元素尽快矿化和释放，从而使生物处于一种良好的碳平衡循环中。地球上约90%的CO2是由微生物代谢产生的二氧化碳来补充。
微生物的分解作用：光合作用固定的CO2中大部分以聚糖形式积累于木本和草本植物躯干中，木材占60%，其中75%是纤维素、约20%是木质素和木聚糖、蛋白质仅占1%左右。在草本植物中多糖含量更高。分解纤维素的任务就是由土壤中的一些特殊微生物来完成的。
一、碳素循环
醇+有机酸H2+CO2碳、氢、氧元素在自然界中的循环有氧条件下无氧条件下光合作用发酵作用呼吸作用CO2+H2OO2+ “CH2O”CH4甲烷产生作用化石燃料
碳素循环
分解纤维素的微生物分解纤维素的微生物主要是担子菌亚门非褶菌目的真菌、其它如一些放线菌、细菌和原生动物等也具有这种能力。真菌分解纤维素的能力最强，包括一些子囊菌、半知菌和担子菌。分解半纤维素的微生物：真菌在分解半纤维素的开始阶段较为活跃，后期主要靠放线菌。
能分解半纤维素的真菌很多，大大超过能分解纤维素的真菌。半纤维素的分解产物有己糖、戊糖，糖醛酸等。
碳素循环光合作用藻类、绿色植物、蓝细菌（CH2O）n有机化合物呼吸作用动植物及微生物需氧厌氧CO2厌氧呼吸、发酵厌氧微生物，包括光合细菌有机化合物（CH2O）n光合细菌沉积作用产甲烷细菌甲基化合物甲烷氧化细菌CH4
氮素循环
生物固氮与化学固氮的比较生物固氮化学固氮
生物固氮与化学固氮的比较生物固氮化学固氮生产条件温和（中温、常压）高温（500℃）高压（200~500atm）产量根瘤菌属250Kg/公顷非豆科植物共生固氮菌22Kg/公顷自生固氮菌0.5~2.5Kg/公顷共计：1.7 108吨/年5.0 107吨/年其中：草原3.5 107吨林地4.0 108吨海洋3.6 108吨其它土壤0.6 108吨
三、硫素循环生物体对硫的需要量约为氮的1/10。硫循环与氮循环相似，各环节都有相应的微生物参与。菌种：1.植物和微生物2.腐败微生物3.好氧：贝日阿托氏菌属、发硫菌属、硫杆菌属厌氧：绿菌属、着色菌属4.脱硫弧菌属、脱硫肠状菌属5.脱硫单胞菌属生物体有机硫S5.异化性硫酸盐还原SO42–H2S1.同化性硫酸盐还原2.脱硫作用4.硫氧化作用（2）3.硫氧化作用（1）6.异化性硫还原细菌滤沥也称细菌冶金，主要有三步：1.溶矿：硫酸铜溶出2.置换：用铁屑置换铜3.再生浸矿剂：Fe2+→Fe3+
微生物在硫素循环中的作用[1]、反硫化作用（硫酸盐还原作用）A. 同化性硫酸盐还原作用：硫酸盐还原态的硫化物蛋白质等成分中（主要以巯基形式）。B、异化性硫酸盐还原作用：硫酸脱硫弧菌属、脱硫肠状菌属的一些种H2SC、异化性硫还原作用：S 脱硫单孢菌属的一些菌H2S[2]、硫化作用：在好氧或厌氧条件下，S、H2S等低价态的硫化物被氧化为H2SO4的过程。
好氧条件：H2S 贝日阿托氏菌属、发硫菌属H2SO4厌氧条件：H2S 绿菌属或着色菌属一些种H2SO4
有机硫化物反硫化作用H2SS2SO42-硫的生物循环
硫的生物循环
113能溶解土壤中的磷酸钙或磷灰石的微生物较多。靠产酸作用促进磷酸钙溶解。如磷细菌、硝化细菌和硫化细菌。植素、核酸和磷脂等，能分解这些物质的微生物更多蜡状、蕈状、多粘芽孢杆菌、解磷巨大芽孢杆菌等。水体中的可溶性磷酸盐浓度过大造成水体富营养化，进而严重污染水源。
生物体有机磷磷酸或可溶性磷酸盐不溶性磷酸盐产酸微生物的作用或磷肥生产与土壤中的盐基结合植被与微生物的吸收同化微生物的分解作用四、磷的循环
含磷矿物风化作用PO43-不溶性磷酸盐有机磷化物土壤固定微生物溶磷作用植物微生物同化作用微生物解磷作用磷的生物循环1.有机磷化物的分解(解磷作用)2.不溶性无机磷化物的转化(溶磷作用)3.有效磷的微生物固定磷的生物循环
115铁的循环主要在无机物或有机物中的Fe2+与Fe3+之间的氧化还原反应。菌种：化能自养铁细菌，如纤发菌属、泉发菌属和嘉利翁氏菌属；化能自养硫细菌，如氧化亚铁硫杆菌。五、铁的循环
第四节微生物与环境保护
环境污染：生态系统的结构、机能受到外来有害物质的影响或破坏，无法进行正常的物质循环。水体污染的表现：无法进行水的自净作用。污水的种类：生活污水、工业有机污水（如屠宰、造纸、淀粉和发酵工业）、工业有毒污水（如农药、炸药、石油化工、电镀、印染、制革等行业）和其它污水（如医院）。
有害物质的种类：农药、炸药、多氯联苯（PCB）多环芳烃（致癌）、酚、氰和丙烯腈等。污水处理方法中，最关键、最有效和最常用的是微生物处理法。
一、微生物对土壤中污染物的降解1.土壤的污染源工业污水农用化学制品粪肥和垃圾2.土壤的自动净化能力土壤对于外来污染物质具有一定自动净化能力，这是由于土壤中数量巨大和种类繁多的微生物的作用，特别是那些能够降解复杂有机物的微生物。
能够降解人造有机化合物的许多细菌都含有降解质粒(degrative plasmids)。
微生物对重金属的抗性作用机制产生硫化氢与重金属结合形成沉淀，减少浓度达到解毒的作用，这种机制是非专一性的；产生大分子有机物（主要为蛋白质和核酸），与重金属结合形成沉淀，减少浓度达到解毒的作用，这种机制具有很高的专一性的，如微生物对铜、铅的抗性；
还原作用，使重金属从毒性较高的价态还原到毒性较低的价态，如很多微生物可以把高毒性的Hg2+还原为低毒性的元素Hg0沉淀于培养液低部；减少吸收或增加排除，以降低细胞内的重金属浓度，如金黄色葡萄球菌对镉（Cd）的抗性；吸附与积累，有些微生物可吸收重金属并在细胞表面积累，甚至可达细胞干重90%，这种机制有两种情况，一种是非专一性的，另一种是专一性的。
四、污水处理的微生物学原理1.自然水体的自净作用2.水体富营养化３.污水处理及微生物的作用
(一). 水体自净作用1. 概念水体自净是发生在受到污染（特别是有机污染）的水体中的一个生态学过程，在这个过程中微生物消耗或吸收了水中的污染物，使得水或水体向净化的方向转变。2. 作用造成这一转变的生物化学过程常被称作生物降解。
生物降解是指在微生物作用下，有机化合物转化为低级有机物和简单无机物的过程。
4. 结果到了富营养化阶段，湖泊就进入了老化阶段，开始走向消亡──湖底逐渐升高，以至于变成沼泽，最后变为陆地。水污染对湖泊的危害就在于使水中的植物营养物过快积累起来，使得湖泊提前进入富营养化阶段，加快它的消亡过程。
富营养化水体中氮、磷等元素含量过高而引起水体表层的蓝细菌和藻类过度生长繁殖
水资源污染日益严重(三). 污水处理及微生物的作用
1. 概况：其基本原理是污水在充分曝气条件下，通过需氧微生物的旺盛代谢活动，氧化分解有机污染物，使污水净化。根据污水处理过程中起作用的微生物对氧气需求的不同，可将污水生物处理分为需氧处理与厌氧处理两大类。常用的方法有：活性污泥法、生物膜法、氧化塘法、厌氧消化法和土地处理法5大类型。
(1)生化耗氧量（biochemical oxygen demand,BOD）是指在特定时间和温度下，微生物好氧过程中氧化一升污水中的有机物所需氧的毫克数(单位为mg/L) 。(2) 化学需氧量（chemical oxygen demand,,COD）,是表示水体中有机物含量的一个简便的间接指标,指1L污水中所含有的有机物在强氧化剂将它氧化后,所消耗氧的毫克数(单位为mg/L)2. 污水处理中几个常用的名词解释：
3. 污水处理中的特殊微生物自然界中微生物的分解能力：分解氰诺卡氏菌属等14属49种分解多氯联苯少数红酵母、假单胞菌无色杆菌属等分解多环芳烃产碱杆菌、假单胞菌、棒杆菌、诺卡氏菌分解硝基炸药柠檬酸杆菌属、肠杆菌属克雷伯氏菌属、埃希氏菌属假单胞菌属等若干菌种降解高分子物质恶臭假单胞菌、芽孢杆菌
4. 微生物处理有机污水(1) 有机污水危害消耗溶解氧，导致水生生物缺氧死亡。水体富营养化。有机质沉入水底厌氧分解产生气体导致水质恶化。污染土壤和地下水源,动物排泄物含虫卵和致病菌导致疾病传播。
水花：淡水水体中的富营养化
(2)有机污水的指标①物理指标：色度：1L水中含1mg铂时具有的颜色为1度。待测样除去悬浮物后比色求出。固体含量：总固体（TS）悬浮固体挥发性悬浮固体非挥发性悬浮固体溶解性固体
139②化学指标生化需氧量（BiochemicalOxygenDemand,BOD）1L废水中有机污染物在好氧微生物的作用下氧化分解所消耗的氧气量。常采用BOD5（20℃培养5天）化学需氧量（ChemicalOxygenDemand,COD）用强氧化剂使被测水分中有机物进行化学氧化所消耗的氧量。
通常使用的氧化剂为KMnO4或K2Cr2O4一般指CODcr值。总需氧量（TotalOxygenDemand）废水中有机物和还原性无机物在高温（900℃）下完全氧化的总需氧量。用TOD分析仪测定。其他：总有机碳、含N化合物、含磷化合物
测定方法BOD5/COD小于0.3：生物处理的难度较大或不适宜进行生物处理大于0.45：适宜用微生物学方法处理。测定微生物呼吸耗氧曲线：
内源呼吸线可生物降解不可生物降解时间（小时）BOD
142③有机污水的生物学指标细菌总数：>100 cfu/mL大肠菌群数：>3 MPN/L生物检测：通过测定水生生物的毒性反应进行水质评价鱼的急性毒性实验：高浓度毒物（废水）的短期暴露引起实验生物死亡的效应。
(3)有机污水的生物处理生物降解biodegradation：生物（多指微生物）对环境物质的分解作用。生物修复：微生物催化降解有机污染物，转化其他污染物从而消除污染的过程。降解性质粒catabolicplasmids：产生可降解有机化合物的酶类的质粒。
微生物废水处理工艺好氧处理工艺–活性污泥法–生物膜法厌氧处理工艺–厌氧活性污泥法•厌氧接触消化法•厌氧污泥床–厌氧生物膜法稳定塘工艺土地处理工艺综合
(5)污水处理的主要装置污水处理装置节能型耗能型产能型：氧化塘法洒水滤床法活性污泥法生物膜法厌氧消化法（即沼气发酵）推流式曝气法完全混合曝气法生物转盘法塔式滤池法
完全混合曝气法处理污水的基本装置
污水处理厂工艺流程生化池污水处理厂选用方案污水处理采用“WT-FG”生物法工艺；污泥处置采用真空带式过滤和脱水工艺。生化反应池是污水处理厂的主体，功能是去除CODcr、BOD5有机污染物和脱氮除磷。二沉池是生化反应池产生的细小的微生物细胞壁与水分离澄清。
147“WT-FG”生物法污水处理厂的工程工艺
动物保护者在为鸟清洗身上的油污
一种高效率、低能耗的污水处理设施污水生物处理原理
国家重点建设项目浦东污水处理工程污水生物处理类型生物膜法活性污泥法氧化塘法厌氧处理法土壤灌溉法
北京高碑店污水处理厂活性污泥法
五、微生物对空气污染的指示作用1. 许多微生物对空气污染是很敏感的，实践中可利用这类敏感的微生物作为指示生物，或用于研究细胞学损伤。例如大肠杆菌（E.coli）对于由臭氧和碳氢化合物的光反应产生的的烟雾是高度敏感的，这种混合污染物只要几个ppb的浓度就可使大肠杆菌致命。
纯的臭氧对于大肠杆菌也是有毒的，能使细胞表面发生氧化作用，造成内含物渗出细胞而被毁。
2.发光细菌对于测定由空气污染物引起的细胞学损伤也是良好的工具，发光细菌在暗处生长，它们的生物发光又较易测定。已知由氧化氮和丁烯经光化学作用产生的烟雾能明显阻碍生物发光；发光细菌对PAN也特别敏感，浓度在小于2微升/升时，就能抑制它发光，而这样低的浓度还不会对人眼产生刺激作用。
尽管这样低的空气污染水平，也可能在高等生物中引起细微的生理学影响，但是人们却不易觉察它，在这方面，微生物可以成为我们很好的助手。
环境污染的微生物监测1、粪便污染指示菌2、致突变物的微生物检测——Ames实验3、发光细菌检测法4、硝化细菌的相对代谢率试验
第五节沼气发酵与环保
164生物量的概念：某一时刻存在于一个生态系统中的全部生物体有机物质的总和，称为生物量。沼气（marsh gas或swamp gas）：又称生物气（biogas），是一种混合可燃气体，其中主要成分为甲烷、还含有少量H2、N2、CO2 、CH4等。
沼气发酵：其生化本质是一种由产甲烷细菌进行的甲烷形成（methanogenesis）过程。产甲烷菌是自然界碳素循环中厌氧生物链的最后一个成员。一.有关概念：
二.沼气发酵的意义植物秸杆和其它动植物残体是含量最高的生物量，是一类可再生资源（renewable）或永续资源。一步利用-燃烧，快速取得其中约10%左右的热能和草木灰。梯级利用方式：粉碎做牲畜饲料-畜粪沼气发酵，利用其中约90%化学能-固体残渣可做优质肥料，甚至添加到饲料中。
发酵后的废水废渣，可作肥料施用，而且干物质中氮的损失要比堆沤肥少一半。
三、沼气发酵的原理：沼气发酵是有机物在隔绝空气并在一定温度、湿度条件下由多种厌气性有机营养型细菌参与的发酵过程，分三个过程。(A)水解阶段；(B)产酸阶段；（C）产气阶段。
167甲烷形成的阶段理论：1906年，Omeliansky提出，由纤维素等复杂有机物经甲烷菌分解直接产生CH4和CO2；1930年有人将其分为产酸和产气两阶段；1979年Bryant提出三阶段理论。即：水解阶段:大分子降解产酸，厌氧和兼性厌氧菌，产物为有机酸、氨、H2、CO2；
产酸阶段:产氢产乙酸细菌，产物为乙酸和H2；产气阶段:产甲烷菌群，严格厌氧,产物为甲烷。
第六章结束
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