微生物的生态

第八章微生物的生态一、微生物生态学的研究内容1.

概念:

生态学是研究生命系统与环境系统相互作用及规律的科学。2.微生物生态学研究内容：

微生物的群落结构；微生物与宏观、微观环境系统间相互作用的规律及其应用。微生物群体与其周围生物和非生物环境条件相互作用的规律。第一节、微生物在自然界中的分布

与菌种资源一、微生物在自然界中的分布（一）土壤中的微生物——土壤是微生物的大本营土壤环境适合微生物的生长：营养、水分、空气、酸碱度、渗透压和温度条件都适于微生物的生活，是微生物的大本营、也是人类最丰富的“菌种资源库”。种类：细菌>放线菌>真菌>藻类>原生动物

~108~107 ~106 ~105 ~104 ~103个/g

细菌多为异养类型；藻类为光能自养作用：在物质循环中起重要作用，降解土

壤有机物。因此，土壤微生物是构成土壤肥力的重要因素。土壤中微生物的含量土壤中微生物的含量与土壤有机质含量有直接关系。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。采取土样时一般要刮开表土2~3cm后采样。我国各主要土壤的含菌量(万/克干土)土类 地点 细菌 放线菌 真菌暗棕壤 黑龙江呼玛 2,327 612 13棕壤 辽宁沈阳 1,284 39 36黄棕壤 江苏南京 1,406 271 6红壤 浙江杭州 1,103 123 4砖红壤 广东徐闻 507 39 11磷质石灰土 西沙群岛 2,229 1,105 15黑土 黑龙江哈尔滨 2,111 1,024 19黑钙土 黑龙江安达 1,074 319 2棕钙土 宁夏宁武140 11 4草甸土 黑龙江亚沟 7,863 29 23嵝土 陕西武功 951 1,032 4白浆土 吉林皎河 1,598 55 3滨海盐土 江苏连云港 466 41 0.4水环境：地球的70%左右由水覆盖，其中溶解

和悬浮有机物、无机物，流动水有氧渗

入可供微生物生长。

自然界江河湖海等各种淡水与咸水水域中都生存着相应的微生物。水域中微生物的种类和数量与水域的有机物、无机物的种类和含量，光照、酸碱度、渗透压、温度、含氧量和有毒物质的含量有密切关系（二）水中的微生物微生物在自然界中的分布微生物种类：

水中有机物含量多少决定微生物种类。作用：在水生环境的食物链中起关键作用。

浮游生物无脊椎动物鱼类光合细菌水中的微生物水淡水海水地下水：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：垂直分布明显：①透光区：多种微生物生长②无光区：25m-200m，较多③深海区：200-600m，极少④超深渊区：极少耐压菌生长常见菌种：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。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、Enterobacteraerogenes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。腐败型水生微生物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。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。饮用水标准水源的饮用价值：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。1mL自来水中细菌总数不可超过100个(37℃，培养24h)1000mL自来水中大肠菌群数不能超过3个(37℃，培养48h)

大肠菌群：指任何可能发酵乳糖产酸产气的G-、杆状、无芽孢、兼性厌氧的肠道细菌，包括产气肠杆菌、柠檬酸杆菌属和肺炎克氏杆菌等，典型代表E.coli空气中的微生物空气中的环境条件：无营养和水分、紫外线直射存在状态：漂浮，短暂停留，以吸附于尘埃微粒上的形式存在。空气中的尘埃颗粒数与微生物数量有直接关系。分布：越接近地面的空气含菌量越高，目前人类检测到微生物存在的最高处为85km的高空。种类：球菌、芽孢杆菌、产色素细菌、真菌孢子,在医院，公共场所致病菌的数量多。空气中微生物数量的测定：培养皿沉降法、液体阻留法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。工农业产品上的微生物工业品：食品：农产品：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霉腐微生物学定义：工农业产品的劣化主要是霉变与腐烂，故研究危害各种工农业产品的微生物种类、分布、作用机理以及如何防治其危害的科学。霉腐微生物的作用机理：通过微生物酶系分解各种工农业产品中的相应组分产生危害。在矿物油中生长，不仅因大量菌体阻塞机件，代谢产物会腐蚀金属器件硫细菌、铁细菌和硫酸盐还原菌会对金属制品、管道和船体外壳等产生腐蚀菌体和代谢物属于电解质，对电讯、电机器材等会危及其电学性能有些霉菌分泌的有机酸能腐蚀玻璃以致严重降低光学仪器的性能烟叶、中药材、化妆品、建材、图书、文物、档案、艺术品、生物标本霉腐微生物的控制控制其温度、湿度、氧气和养料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、

Escherichiacoli、Staphylococcusaureus、Bacillussubtilis、B.megaterium、Salmonella、Proteusvulgaris、Pseudomonasaeroginosa、Lactobacillus、Streptococcuslactis、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Bacillusthermoacidurans（嗜热耐酸芽孢杆菌） 等“平酸菌”和产酸产气菌，如Clostridiumpasteurianum（巴氏梭菌）、C.butyricum（丁酸梭菌）、Lactobacillusbrevis（短乳杆菌）、Leucomostoc（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Bacillusstearothermophilus（嗜热脂肪芽孢杆菌）和B.coagulans（凝结芽孢杆菌）等“平酸菌”，还可分离到Clostridiumthermosaccharolyticum（嗜热解糖梭菌）等成算产气菌以及分解蛋白质的C.sporogenes（生孢梭菌）、C.histolyticum（溶组织梭菌）和C.botulinun

（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C.botulinum还会产生对人畜有剧毒的细菌外毒素——肉毒毒素。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”。一份“黄变米”试样中70%米粒污染有产毒真菌，并都含有真菌毒素；北京空气中飘浮的真菌中11.5％是产毒真菌。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。（五）极端环境条件下的微生物依赖于极端环境才能生长繁殖的微生物称极端微生物或嗜极菌极端环境包括:高温、低温、高酸、高盐、高碱、高毒、高渗高压、高辐射强度和干旱等环境研究进化及细胞构造、生命活动有意义嗜热微生物分布：草堆、厩肥、煤堆、温泉、火山地、地热区土壤及火山口

耐热菌-最高45-50℃,最低<30℃

兼性嗜热菌-最高50-65℃,最低<30℃嗜热菌专性嗜热菌-最适65-70℃,最低<42℃

极端嗜热菌-最高>70℃,最适>65℃,最低>40℃

超嗜热菌-最高113℃,最适80-110℃,最低～55℃不同微生物温度上限的一般规律原核生物高于真核生物古细菌高于真细菌非光能营养细菌高于光能营养细菌单细胞生物高于多 细胞生物构造简单生物高于构造复杂生物2.嗜冷微生物指一类最适生长温度低于15℃、最高生长温度低于20℃和最低生长温度在0℃以下的细菌、真菌和藻类等微生物耐冷微生物：在0℃以下生长，但其最适生长温度为20-40℃的微生物分布：极地、深海、高山、冰窖和冷库嗜冷机制：CM含有大量不饱和脂肪酸3.嗜酸微生物只能生活在低pH(<4)条件下,中性条件下即死亡的微生物耐酸微生物:可在pH<5时生长,但因为在中性条件下也能生活的微生物嗜酸机制:CW和CM具有排阻外来H+和从细胞中排出H+的能力,且CW和CM还需高H+浓度才能维持其正常结构4.嗜碱微生物能专性生活在pH10-11的碱性条件下而不能生活在中性条件下的微生物存在于碱性盐湖和碳酸盐含量高的土壤嗜碱机制:不清楚嗜碱菌的酶类已被开发并添加在洗涤剂中5.嗜盐微生物必须在高盐浓度下才能生长的微生物极端嗜盐菌:必须生活在12-30%NaCl(2.5-5.2M)中的细菌低度嗜盐菌:3%(约0.2-0.5M)中度嗜盐菌:05.-2.5M耐盐微生物:既能在高盐度环境下生活,又能在低盐度环境下正常生活的微生物分布:盐湖,晒盐场和腌制品6.嗜压微生物必须生长在高静水压环境中的微生物分布深海中,油井中300m内各种微生物生存300-1000m,少量嗜压菌兼嗜冷菌10500m,极端嗜压菌仪器要求高,不易培养,进展慢7.抗辐射微生物仅能称抗性或耐受性微生物高于高等动、植物原生动物抗辐射能力高耐辐射异常球菌抗辐射能力最强其基因已破译全长3.28Mb（六）生物体内外正常菌群（以人为例）正常菌群：生活在健康动物各部位，数量大、种类较稳定且一般是有益无害的微生物。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。条件致病菌：凡属正常菌群的微生物，由于

机体防御性降低、生存部位的改变或因数

量剧增等情况而引起疾病者。菌群失调：正常菌群由于某些外界因素的影

响，使其中各种微生物间的相互制约关

系破坏，能引起疾病。微生物在自然界中的分布1.人体的正常菌群变化情况：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）。无菌动物：凡在其体内外不存在任何正常菌群的动物。起源于1928年主要用于实验，能排除正常菌群的干扰悉生生物：凡已人为地接种上某种或某些已知纯种微生物的无菌动物或植物即已知其上所含的微生物群的大生物巴斯德提出，悉生生物学或悉生学2.无菌动物与悉生生物3.根际微生物和附生微生物1）根际微生物：利用根系分泌的物质大量繁

殖的微生物。

作用：加强土壤有机物分解，为植物提供

养分；分泌激素、维生素；产生抗

生素，抑制病源菌生长。

有害影响：与植物争夺养分、分泌有毒物质。2）附生微生物：利用植物表面外渗和分泌物

质为营养的微生物。作用：促进植物发肓、提高种子质量有害影响：引起植物腐烂微生物在自然界中的分布二、菌种资源开发工业发酵产物的性质：菌体物质生产分解酶类生产主流代谢产物、次生代谢产物或生物合成产物菌种筛选的一般原则和基本步骤：采集菌样：了解目标菌分布情况、首选样品是土壤富集培养：利用选择性培养基的原理，向所采土样中加入某些特殊营养物，并创造一些有利于待分离对象生长的条件，使样品中少量的能分解利用该营养物的微生物大量繁殖，以提高其在群体中的比例，使之便于分离。纯种分离：见第七章第五节“菌种的衰退、复壮与保藏”。性能测定：采取土壤样品要考虑的几个问题土质肥，微生物含量高，特别肥沃的土壤中细菌多，放线菌少；在植物残体枯枝落叶下的土壤中较多含有拮抗性真菌。离地面5~20cm处的土壤通气良好、不受阳光直射，含菌量最高。采土季节以春秋两季最好。采土方法：选择适当地点、铲除表土、取土样数十克，盛入事先准备的无菌防水纸袋中，其上记录采土时间、地点、植被情况等。多点采土、混合分离，可以代表每一地块上的微生物分布平均情况土样的富集培养含有目的菌较多的土样不需要富集培养如果原有样品中目的菌含量低，可以人为地添加相应的基质，培养使之以较其它微生物更快的速度生长繁殖，从而提高它们在样品中的比例，便于分离。富集培养的一般方法：采用有利于目的菌种而不利于无关微生物的营养和培养条件，以达到使目的菌种在群体中比例上升的目的。一些有特定物质产生能力的菌种，不容易富集，只有通过大量艰苦的工作筛选取得。某些细菌的富集条件

富集对象 接种菌样 添加营养物(g) 特殊培养条件好氧氨基酸氧化菌 土壤 – 好氧，pH7.0好氧性芽孢杆菌 土壤，巴氏消毒 –

好氧，pH7.0氨基酸发酵性梭菌 土壤，巴氏消毒 –

厌氧，pH7.0耐碱解尿素芽孢菌 土壤，巴氏消毒 尿素50 好氧，pH8.6

厌氧八叠球菌 土壤 葡萄糖20 厌氧，pH2~3

乳酸菌 植物体或牛奶 葡萄糖20 厌氧，pH6.5

肠道细菌 土壤或污水 葡萄糖20，CaCO320 好氧或厌氧，pH7.0

丙酸菌 干酪 乳酸钠20 厌氧，pH7.0

醋酸菌 果实或生啤酒 乙醇40 好氧，pH6.0注：培养基成分为酵母膏10g，KH2PO4或K2HPO41.0g，MgSO4·7H2O0.2g，加水1000ml。一般培养在30℃下。第二节微生物与生物环境间的关系

1既利甲又利乙(+,+)：共生互利共栖2利甲而损乙(+,-)：寄生，捕食，拮抗3利甲而不损乙(+,0)：偏利共栖4不损甲而利乙(0,+)：同35既不损甲也不损乙,好不利甲又不利乙(0,0)：中性6不利甲而损乙(0,-)：偏害共栖7损甲而利乙(-,+)：同28损甲而不利乙(-,0)：同69既损甲也损乙(-,-)：竞争共栖一、互生定义：两种可以单独生活的生物，当它们生活在一起时，通过各自的代谢活动而有利于对方，或偏利于一方的生活方式。微生物间的互生关系：好氧性自生固氮菌与纤维分解菌氧化乙酸脱硫单胞菌与一种绿硫细菌，卫星状共栖，脱氢与光合拉曼毛霉与一种红酵母，都是VB1需求者，都是只能合成硫胺素分子的一半结构；二者共栖时，互相吸收对方分泌物而可以不需要VB1，此为代谢共栖。人体的肠道正常菌群：排阻、抑制外来致病菌提供若干种维生素：如VB1、B2、B6、B12、VK、烟酸、泛酸、生物素、叶酸等产生若干种酶类一定程度的固氮作用产气体和粪臭素混菌培养与生产实践天然混菌培养——纯种混菌培养（人为的自觉的混合培养或混合发酵技术——生态工程）混合发酵举例Arthrobactersimplex（简单节杆菌）和Streptomycesroseochromogenes（玫瑰产色链霉菌）混合培养进行甾体转化Propionibacteriumshermanii（谢氏丙酸杆菌）和Bacillusmesentericus（马铃薯芽孢杆菌）或E.coli的混合培养可生产颉氨酸Corynebacteriumglutamicum（谷氨酸棒杆菌）和E.coli的混合培养可生产组氨酸Cellulomonasflavigena（产黄纤维单胞菌）和Pseudomonasputida（恶臭假单胞菌）的混合培养可分解97~98%的预处理稻草粉，以生产单细胞蛋白Trichodermaviride（绿色木霉）408.2和Aspergillusoryzae（米曲霉）3.042混合曲可以提高酱油产率将Aspergillusniger（黑曲霉）和Zymomonasmobilis（运动发酵单胞菌）包埋在海藻酸钠小球中，可以直接将淀粉浆转化为乙醇混菌发酵分为同时合作进行与序列发酵两种，是根据时间上的先后与否划分的。

2.共生（互生关系的发展）

两种微生物共同生活时互相依赖彼此获取一定利益，一种类型脱离另一种类型就不能独立生活。微生物与其它生物的关系互利共生（mutualism）：

是两者从结合中都有利。

偏利共生（commensalism）：

是一方有利，但对另一方无害。（一）微生物间的共生地衣：是藻类和真菌共生体（二）微生物与植物间的共生菌根：外生，内生（丛枝菌根）根瘤菌与豆科植物也是共生关系（三）微生物与动物间的共生1.微生物与昆虫的共生：外共生和内共生2.反刍动物和瘤胃微生物微生物与其它生物的关系3.寄生：一种微生物从另一种微生物中获得养料，藉以生长和繁殖，同时使后者蒙胧受损失或被杀死的一种相互关系。前者为寄生物，后者为寄主。微生物与其它生物的关系微生物间的寄生：噬菌体微生物与植物间的寄生：专性和兼性寄生微生物与动物间的寄生：病原微生物如：噬菌体与细菌，蛭弧菌与细菌，均为寄生关系。微生物与其它生物的关系四、拮抗定义：由某种生物所产生的某种代谢产物可抑制他种生物的生长发育甚至杀死它们的关系。一般多用来指代微生物之间的“化学战术”有时也将因某微生物生长而引起的其它条件改变抑制他种生物的现象称为拮抗，如缺氧、pH值改变等拮抗关系的利用：为筛选抗生素、食品保藏、医疗保健、动植物病害防治等提供有效手段。五、捕食定义：一种较大型的生物直接捕捉、吞食另一种小型生物以满足其营养需要的相互关系。微生物间的捕食关系原生动物吞食细菌和藻类的现象。真菌捕食线虫和其它原生动物的现象捕食现象的利用——生物防治第三节 微生物在自然界物质

循环中的作用生物圈的繁荣发展，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一、碳素循环大气中的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，从而使生物解处于一种良好的碳平衡循环中。地球上约90%的CO2是由微生物分解作用形成的微生物的分解作用：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。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+H2O O2+“CH2O”

CH4甲烷产生作用化石燃料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。二、氮素循环自然界的氮素循环是各种元素循环的中心，而微生物是整个氮素循环的中心。氮元素的自然形态：（1）铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐、（2）有机含氮物、（3）氮气。（一）生物固氮据70年代中期的统计全球生物圈每年生物固氮达1.7108吨，其中草原3.5107吨，林地4.0108吨，海洋3.6108吨，其它土壤0.6108吨。根瘤菌属每年可为每公顷土地固氮达250Kg。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：1.7108吨/年 5.0107吨/年 其中：草原3.5107吨 林地4.0108吨 海洋3.6108吨 其它土壤0.6108吨（二）硝化作用（nitrification）定义：土壤或水体中的氨态氮经化能自养菌的氧化而成为硝酸态氮的过程。过程：两阶段——（1）由亚硝化细菌参与，铵→亚硝酸；（2）由硝化细菌参与，亚硝酸→硝酸。意义：是自然界氮素循环中不可缺少的一环，对农业无益。（三）硝酸盐同化作用（assimilatory nitratereduction）定义：绿色植物和微生物在利用硝酸盐的过程中，硝酸盐被重新还原成NH4+后再被利用于合成各种含氮有机物，这就是硝酸盐的同化作用。（四）氨化作用（ammonnification）定义：含氮有机物经微生物的分解产生氨的作用。含氮有机物的种类：蛋白质、尿素、尿酸、几丁质等分解蛋白质的微生物种类：Pseudomonasfluorescens（荧光假单胞菌），Proteusvulgaris（普通变形杆菌），Bacillusmegaterium（巨大芽孢杆菌），B.subtilis和B.mycoides（蕈状芽孢杆菌），Clostridiumputrificum（腐败梭菌）。分解尿素的细菌如Sporosarcinaureae（脲芽孢八叠球菌）和Bacilluspasteurii（巴氏芽孢杆菌）。分解几丁质的细菌如Bacteriumchitinophilum（嗜几丁杆菌）和Chromobacteriumchitinochroma（几丁色色杆菌）等。意义：含氮有机物必须经过微生物降解才能被植物利用。（五）铵盐同化作用（assimilationofammonium）所有绿色植物和微生物进行的以铵盐作为营养，合成氨基酸、蛋白质、核酸和其它含氮有机物的作用。（六）异化性硝酸盐还原作用（dissimilatory nitratereduction）定义：硝酸粒子作为呼吸链的末端电子受体被还原为亚硝酸的反应。有时亚硝酸可进一步通过亚硝酸铵化作用（nitriteammonification）而产生氨或进一步通过反硝化作用（denitrification）产生氮气、NO或N2O。菌种：兼性厌氧菌，行无氧呼吸的菌种。（七）反硝化作用定义：由硝酸盐还原成NO2–并进一步还原成N2的过程（广义）。狭义的反硝化作用仅指由亚硝酸还原成N2的过程。条件：厌氧（淹水的土壤或死水塘中）菌种：少数异养和化能自养菌。如：Bacilluslichenoformis（地衣芽孢杆菌）、Paracoccusdenitrificans（脱氮副球菌）、Pseudomonasaeruginosa（铜绿假单胞菌）、Ps.stutzeri（施氏假单胞菌）、Thiobacillusdenitrificans（脱氮硫杆菌）以及Spirillum（螺菌属）和Moraxella（莫拉氏菌属）等。意义：土壤中氮元素流失的重要原因之一。水稻田中施用化学氮肥，有效利用率只有25%左右。另外可以利用水生性反硝化细菌去除污水中的硝酸盐。（八）亚硝酸氨化作用定义：亚硝酸通过异化性还原可以经羟胺而转变成氨，叫做亚硝酸的氨化作用。菌种：Aeromonas（气单胞菌属）、Bacillus（芽孢杆菌属）、Enterobacter（肠杆菌属）、Flavobacterium（黄杆菌属）、Nocardia（诺卡氏菌属）、Vibrio（弧菌属）和Staphylococcus（葡萄球菌属）等。三、硫素循环与细菌的金属滤沥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+又称细菌浸出或细菌冶金原理：利用化能自养细菌对矿物中的硫或硫化物进行氧化，使它不断生产和再生酸性浸矿剂，并让低品位矿石中的铜等金属以硫酸铜等形式不断溶解出来，然后再采用电势较低的铁等金属粉进行置换，获取有色金属或稀有金属细菌沥滤四、磷的循环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五、铁的循环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。第四节 污水处理的微生物学原理环境污染：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、水体的污染——富营养化富营养化：指水体中因氮、磷等元素含量过高而引起水体表面的蓝细菌和藻类过度生长繁殖的现象水华：指发生在淡水水体中富营养化现象水面有蓝、绿色藻体和泡沫赤潮：发生在河口、港湾或浅海等咸水区水体的富营养化现象二、用微生物治理污染（一）污水的微生物处理微生物处理污水的原则原理：主要根据水体自净原理，利用微生物酶的催化性和代谢活性，好氧或厌氧分解和转化污水中的污染物。

废水的浓度指标：(1)生化需氧量（biochemicaloxygendemand,BOD）

水中有机物在特定条件下（5天，20℃）被微生物等生物分解，所消耗的氧量，常以BOD5表示，单位为mg/L

或ppm.BOD借助于微生物消耗的氧量来间接地表示水中有机物的含量。污水处理(2)总有机碳含量（totalorganiccarbon,TOC）：指水体所含有有机物中的全部有机碳的含量可把水中所有有机物氧化成CO2，测CO2量指水中的有机物被强氧化剂氧化时所消耗的氧量，它间接表示了废水中全部的有机物的含量。常用的氧化剂有：高锰酸钾，重铬酸钾

表示为CODMn

,CODCr单位mg/L(4)悬浮固体（suspendedsolid,SS）污水处理指水中不能通过滤器的固形物。悬浮固体与水的透明度，浓度有关。在生活废水中，一般与BOD成正比。(3)化学需氧量（chemicaloxygendemand,COD）：(5)总需氧量（totaloxygendemand,TOD）：指污水中被氧化的有机物在高温下燃烧变成稳定氧化物时所需的氧量是评价某水质的综合指标之一单位mg/L(6)溶解氧量（dissolvedoxygen,DO）：指溶于水体中的分子态氧，是评介水质优劣的重要指标，单位mg/L天然水的DO值一般为5-10mg/L地面水水质的合格标准为>4mg/L

BOD测定方法：取一定量被测水样，用加有磷素营养和经氧饱和的稀释用水稀释到一定浓度，然后放在密封瓶中，在20℃恒温培养5天，测定水中残留溶解氧的量。生物可降解性的评价：（1）

三元素比：C、N、P的比值最好146:16:3（2）BOD/COD：测定废水的生物可降解性的最简便的方法

若BOD/COD接近于1，则废水中可被生物降解的有

机物占比例较越大，废水的生物可降解性越好。BOD/COD×100%>45%>30%<30%<25%

废水可降解性较好可进行较难不宜（3）培养实验：直接测定有机物被生物降解的效果污水处理一、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、芽孢杆菌二、微生物处理污水的原理污水处理装置是一个小型生态系统，在其中利用各种生理生化性能的微生物类群间的互相配合而进行的一种物质循环过程。高BOD5的污水进入处理装置后，其中的自然微生物区系在好氧条件下，根据其中营养物质或有毒物质的情况，在可观上造成了一个选择性的培养条件，并随着时间的推移，发生了微生物区系的有规律的更迭，从而使水中的有机物或毒物不断被降解、氧化、分解、转化或吸附沉降，进而达到去除污染物和沉降、分层的效果。其废渣经过厌氧发酵生产沼气和有机肥。三、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第五节 沼气发酵与环保沼气（marshgas或swampgas）：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（methanogen