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本课件为微生物学第八章「微生物生态学」，先介绍土壤、水体、空气、工农业产品和极端环境中的微生物分布特点，继而说明人体正常菌群的生理作用与菌群失调等微生态失衡现象，随后系统讲解微生物与生物环境之间的互生、共生、寄生、拮抗与捕食五类关系，最后阐述微生物在碳、氮、硫、磷循环中的关键作用及在环境保护与污水处理中的应用。
第八章微生物生态：讲述自然界中的微生物分布、微生物与生物环境之间的关系、微生物与自然界物质循环，以及微生物与环境保护。
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。
主要内容：各种环境中的微生物的种类、分布；微生物和其它生物的关系；微生物与物质循环。
第一节自然界中的微生物。微生物的特点：个体微小，代谢营养类型多样，适应能力强，在自然界中分布广泛。
一、微生物在自然界中的分布（一）土壤中的微生物：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。土壤微生物种类多、数量多、代谢潜力巨大，是主要的微生物源。
土壤中的微生物分布特点：
（二）水体中的微生物 1、江河水：
2、海水：
德国科学家 H. N. Schulz 等 1999 年在纳米比亚海岸的海底沉积物中发现的一种硫磺细菌（Thiomargarita namibiensis），其大小可达 0.75 mm，称为「纳米比亚硫磺珍珠」。
（三）空气中的微生物：
（四）工农业产品上的微生物 1．微生物引起的工业产品的霉腐：大量工业制品都是用动植物产品作原料来制造的，纤维制品、木制品、革制品、橡胶制品、油漆、卷烟、化妆品等易受霉腐；有些工业产品如塑料、建筑涂料等也可被很多微生物分解、利用；光学仪器上的镜头，建筑泥浆、钢缆、地下管道、金属材料等，各种电讯器材、文物、书画等也可被多种特殊微生物所破坏。
2．食品、农副产品上的微生物——不利影响：
可采用多种方法防止微生物对食品等的破坏：低温保藏、脱水干燥、高渗腌制、加热灭菌、调节酸度、添加防腐剂与气调包装等，通过抑制或杀灭微生物而延长食品货架期。
有利影响：利用特定的微生物制备风味食品，如酱制品、米酒、腌酸菜等。
（五）极端环境下的微生物 1、嗜热微生物：一类生活在高温环境中的微生物，如火山口及其周围区域、温泉、工厂高温废水排放区等。嗜热菌的类型：耐热菌、兼性嗜热菌、专性嗜热菌、极端嗜热菌、超嗜热菌。
嗜热微生物的代表种类：隐蔽热网菌（Pyrodictium occultum）、嗜酸热硫化叶菌（Sulfolobus acidocaldarius）、水生嗜热杆菌（Thermus aquaticus）。
研究意义：
（六）生物体内外的正常菌群 1、人体的正常菌群：在正常人体皮肤、粘膜及外界相通的各种腔道（如口腔、鼻咽腔、肠道和泌尿道）等部位，存在着对人体无害的微生物群，包括细菌、真菌、螺旋体、支原体等。
在长期进化过程中，微生物群的内部及其与宿主之间互相依存、互相制约，形成一个能进行物质、能量等交流的动态平衡的微生态系统，常称之为正常菌群。
正常菌群的生理作用：
在一定条件下，正常菌群中的细菌也能使人患病：
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。
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。
常见的菌群失调症：
可通过口服某些活的微生物制剂来治疗，例如含蜡状芽孢杆菌（B. cereus）的「促菌生」、含地衣芽孢杆菌的「整肠生」等，它们通过芽孢杆菌的生长为肠道重新创造良好的厌氧环境，促使肠道内正常厌氧菌生长繁殖，这类活微生物制剂又称微生态制剂。若肠道功能正常，一般不需要服用。
饲养方法与微生物带菌情况：
第二节微生物与生物环境之间的关系。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。
一、互生：定义——两种生物可以独立生活，也可以形成相互的联合，对一方有利，或双方都有利。（一）微生物间的互生关系：固氮菌和纤维素分解菌两者互生关系较为典型，固氮菌可利用纤维素分解菌产生的有机酸作为碳源和能源而大量繁殖，并进行固氮；使纤维素分解菌也避免因为自身代谢产物积累过多而中毒；同时可利用固氮菌提供的氮素营养物质，生长更加旺盛，增强了分解纤维素的能力。由于它们的互生关系，提高了土壤的肥力。
（二）微生物与人及动物间的互生关系：人及动物与其正常菌群即是互生关系。
（三）微生物与高等植物之间的互生关系：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。
二、共生：定义——两种微生物紧密地生活在一起，彼此依赖，相互为对方创造有利的生存条件。
特点：在生理上相互分工，互换代谢活动的产物；在组织上形成了新的结构，一旦彼此分离，各自就不能很好地生活。
（一）微生物间的共生——典型例子是地衣。
（二）微生物与植物间的共生体：
菌根作用：①帮助植物吸收水分和养料；②调节植物代谢；③增强植物抗病能力。
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，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。
（三）微生物与动物共生 1、微生物与昆虫的共生：
2、瘤胃微生物：牛羊等反刍动物，草是主要饲料，但它们本身没有分解纤维素的能力，而是靠瘤胃微生物帮助分解，使纤维素变成能被牛羊吸收的糖类。
反刍动物有四个胃，前两个胃叫瘤胃和网胃，后两个胃叫瓣胃和皱胃。瘤胃和网胃是草料暂时贮存、分解、加工的场所，pH 5.8—6.8 之间，适宜微生物生长，有大量的纤维素、淀粉、脂肪分解菌。当草料到达瘤胃和网胃时，首先是纤维素菌将纤维素分解为纤维二糖、葡萄糖被其他微生物吸收利用转化，产生乳酸、丁酸、脂肪酸等有机酸和 CO2、CH4 等气体；前两个胃没有消化完的草料进入后两胃，由其分泌蛋白酶消化分解产生氨基酸、维生素等，被动物体吸收利用。
三、寄生：定义——一种生物侵入另一种生物体内吸取自己所需要的营养物质进行生长繁殖，在一定的条件下对后者造成损害或死亡的现象。
类型：专性寄生（寄生物离开寄主不能生活）、兼性寄生（寄生物可离开寄主营腐生生活）；或细胞内寄生、细胞外寄生。
（一）微生物间的寄生关系：
（二）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。
（三）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，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害动物体内，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，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，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。另如冬虫夏草。
四、拮抗：定义——一种微生物在生命活动中，通过产生某些代谢产物或改变环境条件，能抑制其它微生物的生长繁殖，或毒害杀死其它微生物的现象。
类型：
五、捕食：定义——一种大型的生物直接捕捉、吞食其他小型生物来满足生存需要的现象。
类型：1、原生动物捕食水体和土壤中的细菌、放线菌、真菌的孢子及单细胞藻类为食；2、捕食性真菌捕食线虫。
第三节微生物与自然界物质循环。自然界的物质处于由无机物转化成有机物，再由有机物转化成无机物的往复循环之中。
微生物在生态系统中的地位：
微生物在自然界物质循环中的作用：
第四节微生物与环境保护。生物圈内的各种物质，都处于不断地合成、分解和转化的动态平衡状态之中，由此组成一个自我调节、自我维持的协调整体，保证了地球上生命的延续。
但是当人们违背了自然界的生态平衡规律，将粪便垃圾、污水等生活废弃物和工业生产所形成的「三废」及农业生产中使用的农药残留物等大量排入环境中，这些物质超过了环境所能耐受的容纳量，就破坏了自然界的生态平衡，其结果造成环境污染，不仅危及国民经济，而且对人类健康有严重威胁。
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的现象。
水花：淡水水体中的富营养化现象，表现为蓝细菌和藻类大量增殖并漂浮于水面。
微生物处理污水的原理：利用微生物对有机污染物的吸附、降解与转化作用，使污水得到净化。
主要方法：曝气池曝气法（活性污泥法）、生物转盘法等。
曝气池曝气法（活性污泥法）：向曝气池中持续供气，使活性污泥中的好氧微生物大量降解污水中的有机物，随后在二沉池中完成泥水分离。
生物转盘法：由一系列部分浸没于污水中的圆盘构成，盘面生长的生物膜随盘片转动交替接触污水与空气，通过生物膜的吸附与氧化作用净化污水。
水体自净的机制：
严重污染的水会通过食物链的生物放大作用危害人类健康：污染物沿食物链逐级富集，浓度不断提高，最终进入人体。
饮用水的微生物指标：
微生物在碳素循环中的作用：碳素是生物体最重要的一种元素，它的主要来源是大气中的 CO2，只有通过生物所推动的碳素循环，特别是微生物的分解作用，使不同形态的碳素相互转化，大气中的 CO2 才不会被耗竭，生命才能维持。（一）自然界中的碳素循环。
碳素循环包括：
（二）微生物在碳素循环中的作用：它们既参与固定 CO2 的光合作用，又参与再生 CO2 的分解作用。
微生物在氮素循环中的作用：氮素是生物体合成蛋白质的主要成份，是构成生物体的必需元素。大气体积中约有 79％ 是分子态氮，但所有植物、动物和大多数微生物都不能直接利用。
初级生产者植物体需要的铵盐、硝酸盐等无机氮化物在自然界为数不多，常常限制了植物体发展，只有将分子氮进行转化和循环，才能满足植物体对氮素营养的需要。
氮素循环包括：固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用。微生物参与氮素循环的所有过程，并在每一过程中都起主要作用。
1、固氮作用：分子态氮被还原成氨和其他氮化物的过程。自然界氮的固定有两种方式，一是非生物固氮，即通过闪电高温放电等固氮，这样形成的氮化物很少；二是生物固氮，即通过微生物的作用固氮，大气中 90％ 以上的分子态氮都是通过微生物的活动而固定成氮化物的。
2、氨化作用：微生物分解有机氮化物产生氨的过程。很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮衍生物；氨化作用产生的氨，一部分供微生物、植物同化，一部分被转变成硝酸盐。
3、硝化作用：微生物将 NH3 氧化成硝酸盐的过程，整个过程由两类细菌分两个阶段进行。第一阶段是 NH3 被氧化为亚硝酸盐，靠亚硝酸细菌完成；第二阶段是亚硝酸盐被氧化为硝酸盐，靠硝酸细菌完成。硝化作用形成的硝酸盐，在有氧环境中被植物、微生物同化，但在缺氧环境中则被还原成分子态氮，从环境中消失。
4、反硝化作用：微生物还原硝酸盐，释放出分子态氮和 NO 的过程，参与这一作用的细菌称为反硝化细菌。
硫素循环：硫是生物的重要营养元素，它是一些必需氨基酸、某些维生素、辅酶等的成份。在自然界，硫素以元素 S、H2S、硫酸盐和有机态硫的形式存在，而植物一般只能以无机盐类作为养料，因此 S 素各种形式的循环转化对植物营养非常重要。
（一）自然界中的硫素循环可划分为分解作用、同化作用、无机硫的氧化作用和无机硫的还原作用，微生物参与 S 素循环的全过程并起很重要作用。
1、分解作用：动、植物和微生物尸体中的有机硫化物，被微生物降解成无机物（硫酸盐、H2S 等）的过程。
2、同化作用：微生物利用硫酸盐和 H2S，组成本身细胞物质的过程。细菌、放线菌、真菌中都有能利用硫酸盐作为硫源的种类，仅少数微生物同化 H2S。
3、无机硫的氧化作用：微生物氧化硫化氢、元素 S 或 FeS 等生成硫酸盐的过程，主要是硫细菌。
4、无机硫的还原作用：在厌氧条件下微生物将硫酸盐还原成 H2S 的过程，参与此过程的微生物是硫酸盐还原细菌（脱硫弧菌属、脱硫肠状菌属）。
磷素循环主要包括：无机磷的溶解、无机磷的同化、有机磷的矿化三个环节。
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