农业微生物学课件

第八章微生物的生态前言第一节微生物在自然界中的分布与菌种资源的开发第二节微生物与环境间的关系第三节微生物与自然物质循环第四节微生物与环境保护第八章微生物的生态前言1本章重点掌握：

1、微生物与生物的五种关系2、微生物在自然界碳素循环和氮素循环中的作用

了解

1、各种环境中的微生物分布

2、微生物与环境保护的关系

本章重点掌握：2生态学：是一门研究生物系统与其环境条件间相互作用规律性的科学。生态学植物生态学动物生态学人类生态学微生物生态学研究微生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系。

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；前言生态学：是一门研究生物系统与其环境条件间相互作用规律性的科学3研究微生物的分布规律——发掘丰富的菌种资源，推动进化、分类的研究和开发应用；研究微生物与其它种生物的关系——开发新的微生物农药、微生物肥料和微生物制剂，发展生态农业，为防治人和动、植物病虫害提供理论依据；研究微生物在自然界物质循环中的作用——为探矿、冶金、提高土壤肥力、治理环境污染、开发生物能源和促进大自然生态平衡提供科学的基础。前言研究意义：研究范围

生物圈、生态系统、群落、种群。研究微生物的分布规律——发掘丰富的菌种资源，推动进化、分类的4一、微生物在自然界中的分布(一)土壤中的微生物

（二）水中的微生物

（三）空气中的微生物

（四）极端环境中的微生物

（五）工农业产品上的微生物

第一节微生物在自然界中的分布与菌种资源的开发一、微生物在自然界中的分布(一)土壤中的微生物

（二）水中5土壤为微生物生长提供有利条件：①土壤是微生物的天然培养基

②土壤的保水性，使微生物生长有充分的水供应③土壤颗粒间的空隙，保持了良好的通气条件

④土壤的pH约5.5~8.5，是大多数微生物的最适pH⑤土壤具有保温性，使土壤中温度变化不大

(一)土壤中的微生物一)土壤环境条件营养、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”。土壤为微生物生长提供有利条件：(一)土壤中的微生物一)土壤6二)土壤中的微生物种类与数量

土壤中微生物的数量：按种类递减细菌—放线菌—霉菌—酵母菌—藻类—原生动物~108~107 ~106~105~104~103个/g土壤微生物的代谢活动，可改变土壤的理化性质，进行物质转化，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与土壤有机质含量有直接关系耕作层和施肥区中微生物含量较多，地表土受阳光直接照射，其中微生物含量较少。采取土样时一般要刮开表土2~3cm后采样。二)土壤中的微生物种类与数量土壤中微生物的数量：按种类递减7有机质层淀积层碳酸盐积累疏松母质淋溶层土体层三)土壤中微生物分布特点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，春秋季上升，冬夏季下降。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.土壤中的微生物以细菌最多，其次为放线菌和霉菌。有机质层淀积层碳酸盐积累疏松母质淋溶层土体层三)土壤中微生物8四)土壤微生物的作用（1）参与土壤中几乎所有的生物化学变化，异养微生物分解有机质，自养微生物转化矿质养分存在状态。（2）微生物是合成土壤腐殖质的主要成员，因此成为土壤肥力和土壤结构的决定者之一。（3）光合微生物能增加某些环境中有机碳素的含量，尤其在无植被的环境中，藻类是土壤形成或恢复的先行者。四)土壤微生物的作用（1）参与土壤中几乎所有的生物化学变化，9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(二)微生物在水中的分布水也具备微生物生长繁殖的条件，成为微生物广泛分布的第二个理想环境。多数是嗜盐菌水淡水地下水：无色杆菌、黄杆菌、革兰氏阳性杆菌、微球菌、诺卡10

(一)水体中微生物的来源土壤、空气、动植物尸体、人和动物的排泻物、工业及生活污水。(二)种类

水中存在的微生物90%为革兰氏阴性菌，主要有弧菌、假单胞菌、黄杆菌等。鞘细菌及有柄附生细菌也常见于水体中。(三)微生物在水体中的分布

表现为水平分布和垂直分布的规律。此外，相同水域的不同浓度微生物的含量及分布也不同。(四)水体中的病原微生物

通过水体传播的病原微生物主要有沙门氏菌属（伤寒）、志贺氏菌属（细菌性痢疾）、霍乱弧菌等。因此，做好水的卫生学检查至关重要。

11（1）有机物含量洁净的水体：少，以自养型为主——清水型微生物污染的水体：多，以异养型为主——腐败型微生物（2）温度：中温水体﹥低温水体（3）溶解氧表层水——好氧微生物较多中层水——兼性微生物较多，微需氧菌，光合细菌等深层水——厌氧微生物较多影响水体微生物分布的因素淡水的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。（1）有机物含量影响水体微生物分布的因素淡水的pH值变幅从12(三)微生物在空气中的分布

一）空气不是微生物良好的生存场所没有营养物质、充足水分，有紫外线。二）空气中微生物的来源土壤、水、动植物体上的微生物随气流运动被携带至空气中。三）空气中微生物的数量分布和种群组成特点1.数量分布特点（1）尘埃越多的空气，微生物数量就越多。（2）空气的温度、湿度影响微生物的种类和数量。（3）空气中微生物可随气流传播到很远处，太空中也有微生物存在。(三)微生物在空气中的分布

一）空气不是微生物良好的生存场132.种群组成特点是一些抗逆性较强的微生物。细菌：产芽孢菌、产色素细菌，各类球菌放线菌、真菌：孢子一些酵母菌四）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。2.种群组成特点四）空气中微生物的杀灭与去除14不同场所空气中的细菌数场所空气中的细菌数/(个/m3)蓄舍1~2×106

宿舍2×104

城市街道5×103

公园200海面1~2北极0~1不同场所空气中的细菌数场所空气中的细菌数/(个/m3)蓄舍115高温环境中的微生物

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。

(四)极端环境中的微生物极端环境:不利于一般生物生长的特殊环境。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。高温型微生物中以细菌居多，只有少数真菌。如水生嗜热杆菌、酸热芽孢杆菌等。高温环境中的微生物

高热环境--高温环境喷发的火山、16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。

耐热菌：最高45~55℃,最低＜30℃兼性嗜热菌：最高50～65℃，最低＜30℃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℃嗜热菌嗜热微生物

17(1)开发利用新的微生物资源，包括特异性的基因资源；(2)为微生物生理、遗传和分类乃至生命科学及相关学科领域（功能基因组学、生物电子器材等）的研究提供新的课题和材料；(3)为生物进化、生命起源的研究提供新的材料。

研究意义：(1)开发利用新的微生物资源，包括特异性的基因资源；研究意18(五)工农业产品上的微生物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、革制品、橡胶制品、卷烟、化妆品、中成药等。有些工业产品如塑料、建筑涂料等很多微生物可以分解、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。(五)工农业产品上的微生物工业产品上的霉腐19霉腐微生物的作用机理：通过微生物酶系分解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霉腐微生物的作用机理：20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霉腐微生物的控制控制其温度、湿度、氧气和养料霉腐微生物的控制212.食品上的微生物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：主要是一些耐热的、厌氧或兼性微生物（青霉、

木霉、大肠杆菌、枯草杆菌、沙门氏菌、乳酸杆菌、酿酒酵母）。

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：（1）在加工、制造、包装过程中必须特别注意清洁卫生（2）控制保藏条件——采用低温、干燥、密封等措施（3）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、丙酸等2.食品上的微生物223.农产品上的微生物主要菌种：主要是一些霉菌（曲霉属、镰孢霉属），许多能产毒素。真菌毒素：黄曲霉毒素单端孢烯族毒素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”。剧毒致癌剂3.农产品上的微生物主要菌种：主要是一些霉菌（曲霉属、镰孢霉23农业微生物学ppt课件24

很多微生物在食品、农产品上生长后会产生对人有害的毒素（肉毒毒素、黄曲霉素）；不利影响：由于微生物的生长繁殖而腐烂、变质，不能再食用或使用；病原微生物进入人体的重要途径，引起传染性疾病；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；很多微生物在食品、农产品上生长后会产生对人有害的毒素（肉毒25可采用多种方法防止微生物对食品等的破坏可采用多种方法防止微生物对食品等的破坏26二、菌种资源的开发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（参见第四章）性能测定二、菌种资源的开发菌种筛选的一般原则和基本步骤：27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。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28第二节微生物与环境间的关系互生关系

共生关系

竞争关系

寄生关系

猎食关系

拮抗作用

第二节微生物与环境间的关系互生关系29一、互生关系特点：可分可合，合比分好。“和睦相处”（一）微生物间的互生:

例如:好氧性自生固氮菌(N源)与纤维素分解菌(有机酸)（二）人体肠道中正常菌群与人的互生人体肠道有60-400种微生物可以排阻、抑制外来的肠道致病菌、提供维生素、酶、微量的氮素、产生气体和粪臭物。（三）微生物-植物的互生（四）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和生黑葡糖酸杆菌。两种可独立生活的生物，当它们生活在一起时，通过各自的代谢活动而有利于对方，或偏利于一方的一种生活方式。一、互生关系两种可独立生活的生物，当它们生活在一起时，通过各30一）根际微生物（教材P242）什么叫根际？也称根圈，指生长中的植物根系直接影响的土壤范围，包括根系表面至几毫米的土壤区域。它是植物根系有效吸收养料和水分的范围，也是根系分泌作用旺盛的部位，因而是微生物和植物相互作用的界面。根际释放物质的类型：（1）渗出物（2）分泌物（3）植物粘液（4）粘质（5）溶胞产物（三）微生物-植物生态系植物粘液植物粘液渗出物和分泌物粘质植物粘液渗出物植物粘液溶胞物质一）根际微生物（教材P242）什么叫根际？根际释放物质的类型31

（1）根际效应（2）根土比根际与根际外土壤中的微生物群落相比，生活在植物根际中的微生物，在数量、种类和活性上有明显不同，表现出特异性，这种现象称为根际效应。----反应根圈效应的重要指标是指根圈中的微生物数量同相应的无根系影响的土壤中的微生物数量之比。不同的植物和土壤的特性不一样，根土比差异较大。（1）根际效应（2）根土比根际与根际外土壤32（1）叶面的附生微生物以细菌为主，其次是酵母菌类和少数丝状真菌，放线菌则是很少的。乳酸杆菌是叶面广泛存在的附生细菌，研制泡菜利用的天然接种剂。（2）成熟的浆果表面有大量糖类分泌物，是酵母菌的天然附生环境。如葡萄酒发酵；水果腐烂。二）附生微生物指直接着生在植物地上部分表面的微生物，附生在根表面的微生物，通常称根表微生物。（1）叶面的附生微生物以细菌为主，其次是酵母菌类和少数丝状真33二、共生关系两种生物共居在一起，相互分工协作、相依为命，形成在生理上表现出一定的分工，在组织和形态上产生了新的结构的特殊的共生体。特点：难分难解，合二为一。“相依为命”1、M与M：地衣（真菌与绿藻、真菌与蓝细菌）2、M与植物：①根瘤菌与植物（豆科、非豆科）②菌根菌与植物3、M与动物①M与昆虫②胃瘤M与反刍动物二、共生关系两种生物共居在一起，相互分工协作、相依为命，形成341.微生物间的共生

典型的例子是地衣地衣组成：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。

1.微生物间的共生典型的例子是地衣35①根瘤菌与豆科植物间的共生------形成根瘤共生体根瘤菌固定大气中的气态氮为植物提供氮素养料；豆科植物的根的分泌物能刺激根瘤菌的生长，同时，还为根瘤菌提供保护和稳定的生长条件。2.微生物和植物的共生关系①根瘤菌与豆科植物间的共生------形成根瘤共生体根瘤36②菌根菌与植物的共生关系

有些真菌能在一些植物根上发育，菌丝体包围在根面（外生菌根）或侵入根内或根组织（内生菌根），共同发育，建立共生关系。这种共生体称为菌根。植物：2000多种，包括被子植物、裸子植物和蕨类植物。真菌：担子菌、子囊菌和藻状菌。②菌根菌与植物的共生关系有些真菌能在一些植物根上发育373.微生物与动物间的共生①微生物与昆虫的共生

切叶蚁同丝状真菌的共生是很有趣的。它们将地面的树叶切碎带回并混以唾液和粪便等含氮物质，在巢室里专门培养丝状真菌使其生长。蚂蚁则以食取部分菌丝和孢子为营养。

真菌与切叶蚁的共生对热带雨林地表的落叶转化为土壤有机质有重要意义。具有很高的特异性，它们培育的真菌几乎是纯培养体，为此而特称为蚁的“真菌园”。3.微生物与动物间的共生真菌与切叶蚁的共生对热带雨林地表的落38（2）瘤胃微生物与反刍动物的共生关系牛、羊、骆驼、长颈鹿等反刍动物，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和提供大量的菌体蛋白。

瘤胃也为里面居住的微生物提供了必要的营养和生长条件。----可以说如此庞大的牛和大量的牛奶是靠微生物喂出来的瘤胃中生活有大量专性厌氧的细菌和以纤毛虫为主的原生动物。（2）瘤胃微生物与反刍动物的共生关系牛、羊、骆驼、长颈鹿等反39三、竞争关系

特点：“明争暗斗”两个或多个群体共同依赖同一个生长基质或环境因素，结果一方或两方的群体大小或生长率受到限制的现象。

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。三、竞争关系

特点：“明争暗斗”两个或多个群体共同40

特点：“损人利己”四、寄生关系指一种小型生物生活在另一种较大型生物的体内或体表，从中取得营养和进行生长繁殖，同时使后者蒙受损害甚至被杀死的现象。微生物间的寄生关系有时也会给工农业生产带来巨大的损失。例如，苏芸金芽孢杆菌的生产中，常遇到噬菌体的危害而造成损失。但另一方面人们又能利用它们的寄生关系来杀死有害微生物，防治动植物病害。特点：“损人利己”四、寄生关系指一种小型生物生活在另一种较41微生物间的寄生：噬菌体与其宿主之间的关系真菌对真菌的寄生哈茨木霉和钩状木霉细菌或真菌寄生于原生动物细菌寄生于细菌：蛭弧菌寄生于栖菜豆假单胞菌微生物与植物之间的寄生关系：植物病原体专性寄生物和兼性寄生物微生物与动物之间的寄生关系：各种病原微生物昆虫病原菌——生物农药冬虫夏草微生物间的寄生：42五、猎食关系一种微生物直接吞食另一种微生物的关系。原生动物捕食细菌和藻类（水体净化）真菌捕食土壤线虫（生物防治）食线虫真菌扑食线虫的实物照片（引自张克勤等编著的食线虫菌物生物学，2001）五、猎食关系一种微生物直接吞食另一种微生物的关系。原生动物捕43捕虫菌目（Zoopagales）在长期的自然进化中形成的特化结构，特化菌丝构成巧妙的网，可以捕捉小型原生动物或无脊椎动物，捕获物死后，菌丝伸入体内吸收营养。捕虫菌目（Zoopagales）在长期的自然进化中形成的特化44特异性拮抗关系：微生物间的“化学战术”具有选择性，抗生菌产生能抑制其它生物生长发育的抗生素，如青霉素对葡萄球菌等G+菌有抑制作用。非特异性拮抗关系：微生物间的生长抑制因某种微生物的生长而引起的其它条件的改变，从而抑制它种生物的生长，如酸菜、泡菜、酸奶制品等。特点：“排除异己”一种微生物通过产生某种特殊的代谢产物或改变环境条件来抑制或杀死另一微生物种群的现象。六、拮抗作用

特异性拮抗关系：微生物间的“化学战术”具有选择性，抗生菌产生45AB

微生物之间的拮抗现象图A是一种芽孢杆菌产生的细菌素对茄子黄萎病菌的拮抗作用；图B是五株放线菌的菌丝琼脂块对黄瓜枯萎病菌的拮抗作用AB微生物之间的拮抗现象46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。无机物有机物光合作用分解作用生产者：从无机物合成有机物，如植物、微生物消费者：利用有机物进行生活，如动物分解者：分解有机物成无机物，如微生物第三节微生物与自然界物质循环无机物有机物光合作用分解作用47微生物在生态系统中的地位1、微生物是有机物的主要分解者；微生物最大的价值也在于其分解功能。它们分解生物圈内存在的动物和植物残体等复杂有机物质，并最后将其转化成最简单的无机物，再供初级生产者使用。2、微生物是物质循环中的重要成员；微生物参与所有的物质循环，大部分元素及其化合物都受到微生物的作用。在一些物质的循环中，微生物是主要的成员，起主要作用；而一些过程只有微生物才能进行，起独特作用；而有的是循环中的关键过程，起关键作用。微生物在生态系统中的地位1、微生物是有机物的主要分解者；微生483、微生物是生态系统中的初级生产者；光能营养和化能营养微生物是生态系统的初级生产者，它们具有初级生产者所具有的二个明显特征，即可直接利用太阳能、无机物的化学能作为能量来源，另一方面其积累下来的能量又可以在食物链、食物网中流动。4、微生物是物质和能量的贮存者；微生物和动物、植物一样也是由物质组成和由能量维持的生命有机体。在土壤、水体中有大量的微生物生物量，贮存着大量的物质和能量。5、微生物在地球生物演化中的作用；微生物是最早出现的生物体，并进化成后来的动、植物。藻类的产氧作用，改变大气圈中的化学组成，为后来动、植物出现打下基础。3、微生物是生态系统中的初级生产者；光能营养和化能营养微生物49微生物在自然界物质循环中的作用一、碳素循环二、氮素循环三、硫素循环和细菌过滤四、磷素循环微生物在自然界物质循环中的作用一、碳素循环50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：既参与固定CO2光合作用，又参与再生CO2的分解作用。地球上约90%的CO2是由微生物分解作用形成的。一、碳素循环（1）光合作用：参与光合作用的微生物主要是藻类，蓝细菌和光合细菌，它们通过光合作用，将大气中和水体中的CO2合成为有机碳化物。特别是在大多数水生环境中，主要的光合生物是微生物，在有氧区域以蓝细菌和藻类占优势；而在无氧区域则以光合细菌占优势。

大气中的CO2（0.032%）周转利用最快。大气中的CO2只51大气中CO2的利用植物、微生物的光合作用溶入水中转变为碳酸盐大气中的CO2的蓄积化学燃料的燃烧微生物对动植物残体的分解陆地和海洋中动植物的呼吸作用碳酸盐和珊瑚礁的分解微生物在碳素循环中的作用（2）分解作用：自然界有机碳化物的分解，主要是微生物的作用，陆地和水域的有氧条件中，通过好氧微生物分解被彻底氧化为CO２；在无氧条件中，通过厌氧微生物发酵，被不完全氧化成有机酸、甲烷、氢和CO２

。能分解有机碳化物的微生物很多，主要有细菌、真菌和放线菌。大气中CO2的利用大气中的CO2的蓄积微生物在碳素循环中的作52二、氮素循环大气N2生物体有机氮NH4+NO3-NO2-NON2ONH2OHNH4+②硝化作用③硝酸盐同化作用⑤铵盐同化作用①生物固氮⑥异化性硝酸盐还原作用⑦反硝化作用⑧亚硝酸氨化作用②硝化作用④氨化作用氮素在自然界的循环（红箭头表示微生物与植物的共同作用；黄箭头表示生物固氮循环中的重要环节）微生物既可以将有机态氮化合物分解为无机态氮化合物，又可以将空气中的分子态氮固定为化合态氮，从而自然界中的氮素不断发生转化，这个过程称氮素循环。二、氮素循环大气N2生物体有机氮NH4+NO3-NO2-NO53氮元素的自然形态（1）无机态:铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐；（2）有机态:蛋白质、核酸；（3）分子态:氮气。（一）生物固氮

分子态氮被还原成氨和其他氮化物的过程称为固氮作用。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微生物的活性而固定成氮化物。

氮是生物有机体的主要组成元素，氮循环是重要的生物地球化学循环。氮元素的自然形态（1）无机态:铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐；（2）54（二）硝化作用（nitrification）定义：氨态氮经消化细菌的氧化，转变为硝酸态氮的过程。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，对农业并无多大利益，因为硝酸盐比铵盐水溶性强，极易被雨水带走而降低肥效。（二）硝化作用（nitrification）定义：氨态氮经消55（三）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、几丁质等分解含氮有机物的微生物种类：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。意义：含氮有机物必须经过微生物降解才能被植物利用。（三）氨化作用(ammonnification）定义：含氮有56定义：土壤中的硝酸盐经微生物的作用而被还原成亚硝酸盐，再进一步还原成分子态氮的过程。菌种：少数异养和化能自养菌。意义：不利的一面，反硝化作用造成土壤中植物可利用的氮消失；另一方面，如果没有反硝化作用，氮素就要失去平衡，物质循环无法进行，所以从这点上讲，反硝化作用又是必需的。另外，反硝化作用还能提高水的饮用性，因为含有高浓度的硝酸盐的水是有毒的。（四）反硝化作用（脱氮作用，denitrification）定义：土壤中的硝酸盐经微生物的作用而被还原成亚硝酸盐，再进一57SSO42-H2S生物体有机硫④异化性硫酸盐还原①同化性硫酸盐还原②脱硫作用③硫氧化作用⑤异化性硫还原③硫氧化作用三、硫素循环与细菌过滤在自然界，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。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）的过程称为分解作用。SSO42-H2S生物体有机硫④异化性硫酸盐还原①同化性硫酸58（二）细菌过滤也称细菌冶金，是近年来新兴的绿色冶金工艺。它主要是应用细菌法溶浸贫矿、废矿、尾矿和大冶炉渣等，以回收某些贵重有色金属和稀有金属，达到防止矿产资源流失，最大限度地利用矿藏的一种冶金方法。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+2．微生物利用硫酸盐和H2S，组成本身细胞物质的过程称为同化作用，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：无机硫的氧化作用是微生物氧化硫化氢、元素Ｓ或FeS等生成硫酸盐的过程。主要是硫细菌。

4．无机硫化物的还原作用：无机硫化物的还原作用是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）。

（二）细菌过滤也称细菌冶金，是近年来新兴的绿色冶金工59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①有机磷化物的分解(解磷作用)(作用的主要细菌：假单孢菌属、芽孢杆菌属；霉菌：曲霉、青霉、根霉等)，②不溶性无机磷化物的转化(溶磷作用)

)(作用的主要微生物：假单孢菌属、芽孢杆菌属、青霉等)，③有效磷的微生物固定四、磷素循环磷是所有生物都需要的生命元素，遗传物质的组成和能量贮存都需要磷。微生物参与磷循环的所有过程，但在这些过程中，微生物不改变磷的价态，因此微生物所推动的磷循环可看成是一种转化。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60第三节微生物与环境保护一、微生物对土壤中污染物的降解二、微生物对农药和合成聚合物的降解三、微生物对有毒元素的转化四、污水处理的微生物学原理五、微生物对空气污染的指示作用六、沼气发酵第三节微生物与环境保护一、微生物对土壤中污染物的降解61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。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62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、芽孢杆菌污水处理中的特殊微生物自然界中微生物的分解能力：63

一、微生物对土壤中污染物的降解

1.作为废弃物处理系统的土壤

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。2.土壤的污染源

工业污水农用化学制品粪肥和垃圾

一、微生物对土壤中污染物的降解1.作为废弃物处理系统的64二、微生物对农药和合成聚合物的降解

1.微生物对化学农药的转化和降解

化学农药在土壤中的降解类型----①光化学降解②化学降解③微生物降解（降解农药的微生物）

2.人工合成聚合物的分解

人工合成的高分子聚合物是各种塑料制品的原料。90%是由聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯所构成。高分子聚合物的分子量在数千至15万的范围内，一般都能抗生物降解。聚合物之所以难以降解与其分子量过大有关。分子量越大，抗生物降解性越强。二、微生物对农药和合成聚合物的降解1.微生物对化学农药的转65三、微生物对有毒元素的转化

污染土壤的有毒元素主要来自工业废水、废渣和垃圾，冶炼和采矿工业是向环境中释放有毒元素的主要污染源。对人畜毒害大的污染元素有汞、砷、硒、镉、铅、铬、镍、钼、锌等元素，这些元素对生物的致毒作用有3个特点：①致毒浓度如汞、镉等重金属的致毒浓度范围在1-10mg/kg以下，微量的重金属就可能产生毒性效应；②通过食物链积累重金属可在高营养级水平的生物体内成千万倍地富集，然后通过食物进入人体，造成慢性中毒；③有些重金属通过微生物的作用可转化成毒性更强的化合物，如汞的甲基化。

利用微生物从土壤中吸收提取这些物质，然后集中处理，消除其污染。三、微生物对有毒元素的转化污染土壤的有毒元素主要来自工66微生物对重金属的抗性作用

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。微生物对重金属的抗性作用67四、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

四、污水处理的微生物学原理1.自然水体的自净作用68一、水体自净作用是发生在受到污染（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。

（1）概念（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。一、水体自净作用是发生在受到污染（特别是有机污染）的水体中的69

富营养化是湖泊分类和演化学的一个概念，它指的是当湖泊水中的N、P等植物营养物（如氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、尿素、磷酸盐）的浓度超过一定数值时引起的湖泊生态系统的一种恶性循环。２．水体富营养化

（１）概念①大量含有氮磷的污水进入一个湖泊；②湖泊中的主要生产者藻类的快速生长；③藻类的尸体则为湖泊微生物提供了充足的养料，它们也因而大量繁殖并快速消耗水中的溶解氧；

（２）生态循环过程

２．水体富营养化

（１）概念①大量含有氮磷70④由于微生物集中于底泥之中，结果造成水的底层缺氧。⑤缺氧层的厚度越来越大，从而把好氧微生物的活动范围更加限制在表层。⑥直到最后，只有水面薄薄的一层还有藻类生长，其他需氧生物统统死亡。⑦藻类生长进一步限制了阳光的入射深度和氧气补充速度，更加剧了这一过程。⑧最后系统终于崩溃，藻类也由于缺氧而开始大量死亡，形成"赤潮"。④由于微生物集中于底泥之中，结果造成水的底层缺氧。71水华：淡水水体中的富营养化水华：淡水水体中的富营养化72赤潮：咸水水体中的富营养化赤潮：咸水水体中的富营养化73

①营养物太多②水力条件──水流缓慢，阳光照射造成水温的垂直分布阻碍水的垂直混合等等。（３）形成因素

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。（４）结果（３）形成因素（４）结果74污水处理及微生物的作用

基本原理是污水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。污水处理及微生物的作用基本原理是污水通过需氧微生物的旺盛代75(3)总需氧量（totaloxygendemand,TOD）污水中能被氧化的物质（主要是有机物）在高温下燃烧变成稳定氧化物时所需的氧量。污水处理中几个常用的名词解释：(1)生化需氧量（biochemicaloxygendemand,

BOD）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)。测定条件：20℃下5昼夜-------BOD5

(2)化学需氧量（chemicaloxygendemand,COD）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