生态及物质循环

第四章微生物生态第一节微生物在环境中的分布第二节微生物间的相互关系第三节微生物在自然界物质循环中的作用第一节微生物在环境中的分布一、土壤中的微生物1、土壤是微生物良好的生活场所土壤有机质（非腐殖质、腐殖质）土壤温度土壤水分、酸碱度和空气土壤渗透压天然培养基、天然菌种库2、土壤中常见的微生物类群

土壤中的微生物主要类群包括细菌、放线菌、丝状菌、酵母菌。藻类和原生动物等的数量较小。绝大部分微生物对人类是有益的，它们有的能分解动植物尸体为简单的化合物，供植物吸收；有的能固定大气中的氮，使土壤肥沃，有利于植物生长；有的能产生抗菌素。有一部分土壤微生物是动植物的病原体。

细菌（~108）>放线菌（~107，孢子）>霉菌（~106，孢子）>酵母菌（~105）>藻类（~104）>原生动物（~103）3、土壤中微生物的数量与分布不同类型的土壤中微生物的种类和数量不同，有机质含量丰富或植被茂盛的土壤中微生物数量多。不同深层土壤中微生物的含量不同，从不同断面采样，微生物数量由表层向里层递减，种类也因土壤的深度和层次而异。土壤的卫生微生物学检测主要检查项目

（1）细菌总数的测定土壤中微生物种类很多，它们的生物学特性各不相同，对于培养条件及营养要求也各不相同，因而细菌培养法显然不能确切的代表土壤中的微生物状态，而只能大致说明细菌污染程度。

（2）大肠菌群值的测定大肠菌群在自然界中存活时间与肠道致病菌近似，因此，大肠菌群值的测定，在确定土壤被粪便污染上有较现实的意义。大肠菌群值的概念，是指可检出大肠菌群的最小被检样品重，通常用克来表示。

（3）产气荚膜杆菌的测定测定产气荚膜杆菌数量，在判断粪便污染土壤的时间上有辅助的意义。因为产气荚膜杆菌存活时间较久，发现大量产气荚膜杆菌而大肠埃希氏菌很少时，则表示土壤非新近的粪便污染，反之，则表示新近的污染。

（4）嗜热菌的测定嗜热菌主要存在于温血动物肠道内，也大量存在于有机垃圾中，检出嗜热菌可作为污染的标志。嗜热菌为需氧芽孢杆菌，发现大量嗜热菌及少量大肠埃希氏菌，说明土壤已被粪便污染很久，反之，为新近污染。

（5）芽孢菌和非芽孢菌的比值测定芽孢菌对于外界环境抵抗力强，生存时间较久，因而发现大量芽孢菌而非芽孢菌少时，说明污染的时间较久，反之，则为新近污染。二、水体中的微生物1、水体是微生物的天然生境

温度、pH、氧气、有机营养水环境中微生物分为淡水微生物和海水微生物两大类。淡水中微生物数量和种类与接触的土壤有密切关系；垂直分带分布（浅水区、深水区、湖底区）；多是吸附在悬浮在水中的有机物上及水底；靠近城市或城市下游水中的微生物多，且有很多对健康不利的细菌，因此不宜作为饮用水源。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。影响微生物在淡水水体中分布的因素：水体类型、污染程度、有机物的含量、溶解氧量、水温、pH值及水深等。海水中的微生物平均含盐量：3.5%，密度大、渗透压高、冰点低。嗜盐，真正的海洋细菌在缺少氯化钠的情况下是不能生长的。多数为革兰氏阴性菌、河口处有耐盐菌；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；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；低温生长，除了在热带海水表面外，在其它海水中发现的细菌多为嗜冷菌。耐高压，特别是生活在深海的细菌。明显的垂直分层分布（透光区、无光区、深海区、超深渊海区）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2、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。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，这种作用称为水的自净作用。三、空气的中微生物1、空气微生物的来源空气干燥，有较强的紫外线辐射，缺乏营养和水分，温度变化较大，不是微生物生存的良好场所。主要来自尘土、水滴、生物体体表脱落的物质、人和动物的排泄物等。2、空气中微生物的分布微生物的数量与人和动物的密度及活动情况、植物数量、土壤与地表覆盖、气温、日照和气流等因素有关。大部分为非致病性微生物，常见的有芽孢杆菌属、无色杆菌属以及一些放线菌、霉菌等。空气中的病原微生物

微生物名称病名微生物名称病名绿脓杆菌化脓性感染破伤风杆菌破伤风百日咳杆菌百日咳白喉杆菌白喉结核分枝杆菌结核病溶血性链球菌化脓性感染金黄色葡萄球菌化脓性感染流行性感冒病毒流行性感冒其他呼吸道病毒感冒

单孢枝霉孢子过敏性鼻炎、哮喘3、空气微生物污染的评价标准

评价空气微生物污染状况的指标是细菌总数和链球菌数。目前关于空气中微生物数量标准问题，还没有正式规定。空气中的细菌总数是指每立方米空气中各种细菌的总数，一般认为细菌总数达500~1000cfu/m3时，可作为空气污染的指标。绿色链球菌经常存在人类呼吸道中，在空气中的抵抗力较大，生存时间长，有代表一般致病菌抵抗力的意义。

共生：两种生物共居在一起相互分工协作，彼此分离就不能很好的生活。互生：两种可以单独生活在一起，通过各自的代谢活动而利于对方，或偏利于一方的生活方式。寄生：小型生物从大型生物体内或体表获取营养进行生长、繁殖的现象。拮抗：一种微生物在其生命活动中，产生某种代谢产物或改变环境条件，从而抑制其他微生物的生长繁殖，甚至杀死其他微生物的现象。竞争：两种或多种微生物群体共同依赖于同一营养基质或环境因素时，一方或双方微生物群体在数量增殖速率和活性等方面受限制的现象。捕食：一种大型生物直接捕捉、吞食另一种小型生物以满足其营养需要的现象。第二节微生物间的相互关系竞争竞争（competition）关系是一种生物在为食物、营养、生活空间以及其它共同需求的物质的争夺中对另一种生物产生不利或有害的影响。这种关系不但可发生在种间，亦可发生于种内。微生物的生存竞争在自然界及人工环境中是十分激烈的，并且对生态系统内微生物种群构成起重要作用。互生互生（protocooperation）关系是微生物间比较松散的联合。两种独自生活的生物，当它们共同生活在一起时，比各自单独生活时更好，可以互助互利，亦可一方得利。在自然界中，微生物间的互生关系极为普遍，也很重要。微生物间的互生关系固氮菌固氮纤维素分解菌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微生物与人及动物间的互生关系人及动物与其正常菌群共生共生关系是两种微生物紧密地结合在一起，当这种关系高度发展时，就形成特殊的共生体。即在生理上表现出一定的分工，在组织上和形态上产生新的结构。其中互惠共生（mutualism）是两者相互得利；偏利共生（commensalism）是一方得利，但对另一方无害。

微生物间的共生地衣是真菌与绿藻共生体或真菌与蓝细菌的共生体，其中蓝细菌和绿藻进行光合作用，为真菌提供有机养料，而真菌则以其产生的有机酸分解岩石为藻类提供矿质元素。生理：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。与植物间的共生

根瘤菌根：具有改善植物营养、调节植物代谢和增强植物抗病能力等功能。四、拮抗定义：拮抗（antagonism）关系是两种微生物生活在一起时，一种微生物产生某种特殊的代谢产物或使环境条件发生变化，从而抑制甚至杀死另一种微生物的现象。。类型：非特异拮抗关系如乳酸菌能产生乳酸，能抑制腐败菌的生长，酸菜泡菜不易烂就因如此。这种抑制作用没有特定专一性，对不耐酸的菌都有抑制作用。特异拮抗关系一种微生物在生命活动中，能产生某种或某类特殊代谢产物，具有选择性地抑制或杀死其它种微生物前种菌称为抗生菌，后者称为敏感菌，拮抗性物质称抗生素。如青霉素产生与病原菌之间关系。五、寄生定义：寄生（parasitism）关系是一种生物生活在另一种生物的表面或体内，并从后者的细胞、组织或体液中取得营养，使后者发生病害或死亡。前者称为寄生物，后者称为寄主。微生物间的寄生关系噬菌细菌——食菌蛭弧菌能寄生在大肠杆菌真菌间微生物对植物的寄生真菌、细菌、病毒等引起植物病害微生物对人与动物的寄生病原微生物引起人与动物的传染病苏云金杆菌、白僵菌——微生物防治六、捕食捕食（predation）关系是一种微生物直接吞食另一种微生物。在自然界中，捕食关系是微生物中的一个引人注目的现象。主要的细菌捕食者是原生动物，它们吞食数以万计的细菌，明显影响细菌种群的数量。这一作用在污水处理中起着非常重要的作用。例如，在无纤毛类原生动物存在时，活性污泥法出水的的上清液中每ml含有游离细菌达100－160百万个，而存在纤毛类原生动物时，上清液中每ml水仅含细菌1－8百万个，出水亦较清澈。另外，粘细菌和粘菌也直接吞食细菌，而且粘细菌也常侵袭藻类、霉菌和酵母菌。捕食关系在控制种群密度、组成生态系食物链中，具有重要的意义。第三节微生物在自然界物质循环中的作用碳素循环氮素循环硫素循环磷素循环碳元素是组成生物体各种有机物中最主要的组分，约占有机物干重的50%自然界的碳素以多种形式存在一、碳素循环CO2+H2OO2+（CH2O）醇、有机酸H2、CO2CH4光合作用发酵作用呼吸作用化石燃料降解作用、呼吸作用、发酵作用、甲烷形成、光合作用氮元素是构成蛋白质的基本成分，一切生命结构的必需原料氮元素及其化合物的主要形式有氨、铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐、有机含氮物和气态氮二、氮素循环固氮、硝化作用、氨化作用、反硝化作用固氮作用定义：固氮微生物将大气中的N2还原成氨和其他含氮化合物的过程。途径：自生固氮---自由生活在土壤或水域中，能独立进行固氮作用的某些细菌。共生固氮---与植物共生才能有效固氮，效率比自生固氮体系高数十倍。联合固氮---生活在某些植物根的粘质鞘套内或皮层细胞间，不形成根瘤，但有较强的专一性。硝化作用定义：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；菌属有亚硝化单胞菌、亚硝化螺菌、亚硝化球菌、亚硝化叶菌属、（2）由硝化细菌参与，亚硝酸→硝酸。微生物有：硝化杆菌属、硝化球菌属、硝化刺菌属意义：是自然界氮素循环中不可缺少的一环，对农业无益。3、同化性硝酸盐还原作用：硝酸盐被生物体还原成铵盐并进一步合成各种含氮有机物的过程。作用类群：绿色植物、多数真菌和部分原核生物氨化作用定义：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：Proteusvulgaris（普通变形杆菌），Bacillusmegaterium（巨大芽孢杆菌），Clostridiumputrificum（腐败梭菌）。分解尿素的细菌：Sporosarcinaureae（脲芽孢八叠球菌）和Bacilluspasteurii（巴氏芽孢杆菌）。分解几丁质的细菌：Bacteriumchitinophilum（嗜几丁杆菌）等。意义：含氮有机物必须经过微生物降解才能被植物利用。5、铵盐同化作用：以铵盐作营养，合成氨基酸、蛋白质和核酸等有机含氮物的作用。作用类群：一切绿色植物和许多微生物6、异化性硝酸盐还原作用：指硝酸根离子充作呼吸链末端的电子受体而被还原为亚硝酸的作用。作用类群：兼性厌氧菌反硝化作用定义：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：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。8、亚硝酸氨化作用：亚硝酸通过异化性还原经羟氨转变成铵的作用。作用类群：少数细菌气单胞菌属、芽孢杆菌属、肠杆菌属、黄杆菌、诺卡氏菌属、葡萄球菌和弧菌属等。硫是生物的重要营养元素，它是一些必需氨基酸和某些维生素、辅酶等的成分。在自然界以单质硫、硫化氢、硫酸盐和有机态硫的形式存在，其中硫酸盐约占总硫量的10-25%，有机态硫约占50-75%。三、硫素循环生物体有机硫SO42-H2SS硫酸盐还原脱硫作用硫氧化作用硫氧化作用异化性硫酸盐还原异化性硫酸盐还原（1）同化性硫酸盐还原作用（硫的同化作用）由植物和微生物引起。可把硫酸盐转变成还原态的硫化物，然后再以巯基形式固定到蛋白质等的成分中。（2）脱硫作用在厌氧条件下，通过一些腐败微生物的作用，把生物体的蛋白质或其他含硫有机物中的硫矿化成H2S的作用。（3）硫化作用