第七章 微生物的生态
在一定的空间内生物的成分和非生物的成分通过物质循环和
能量流动互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位。
生态系统,
生态学,
研究生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系的一门科学。
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；
? 生态学研究范围：生物圈（ biosphere）、
生态系统（ ecosystem）、群落
（ community）、种群（ population）。
? 研究意义,
– 理论：地球进化和生物进化原因
– 实践：开发菌种资源、防治有害微生物、新的
微生物农药、菌肥、医药、混菌发酵、生态农
业，促进探矿、冶金、环保、提高土壤肥力以
及开发生物能等
几个概念
? 生物圈：地球上的所有生物。
? 生态系统：生物群落与其无机环境相结合、相作
用、相调控而成的动态系统。
? 群落：同一环境中两个以上种群由于生活繁殖上
的连锁而构成相依赖、相制约的生物集团。
? 种群：生活在同一环境中的同种个体组成的能繁
殖集团。与同种别地的种群有隔离、有界限。
微生物的特点,个体微小, 代谢营养类型多样,
适应能力强
微生物在自然界中分布广泛
微生物的分布 生境的特征
微生物的分布是生境各种物理、化学、生物因素
对微生物的限制、选择的结果。
在某些生境中，高度专一性的微生物存在并仅限于这种
生境中，并成为特定生境的标志。
1.微生物在自然界中的分布与菌种资源
?土壤中的微生物
? 土壤中的环境条件：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
– 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。
– 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。
– 若按生物量计算则各种微生物的生物量基本相当。
1.1微生物在自然界中的分布
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。
?水中的微生物
? 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。
? 各种水系,
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：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
水体大量的有机物或无机物，特别是磷酸盐和无机氮化合物
水的富营养化
藻类等过量生长，产生大量的有机物
异养微生物氧化这些有机物，耗尽水中的氧,
使厌氧菌开始大量生长和代谢
分解含硫化合物，产生 H2S，从而导致水有难闻的气味,
鱼和好氧微生物大量死亡，水体出现大量沉淀物和异常颜色
☆ 水体的富营养化作用和, 水花,,
,赤潮,
上述过程又称富营养化作用，它是水体受到污染
并使水体自身的正常生态失去平衡的结果。
“水花, 或, 水华, （ water bloom）,
藻类（主要是微藻）的大量繁殖使水体出现颜色，并变得浑浊,
许多藻类团块漂浮在水面上形成。
赤潮或红潮（ red tides）,
在海洋中，某些甲藻类大量繁殖也可也可以形成水花，从而使
海水出现红色或褐色。
引起水体富营养化的藻类除通过消耗水中的氧气危害养殖
业外，很多藻类还能产生各种毒素，使动物得病或死亡,
因此由于富营养化作用致死的鱼等水产品不能食用
?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
? 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
◆ 微生物引起的工业产品的霉腐
大量工业制品都是用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
有些工业产品如塑料、建筑涂料等也有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。
微生物在各类工业产品上的生长所造成的产品
的霉腐给人类造成了巨大的损失 !
而另一方面，有时也努力想开发并推广使用可被
微生物降解的产品，或利用微生物的降解特性。
---------生物可降解塑料
---------开发、利用纤维素（能源、饲料）
---------苎麻脱胶
◆ 食品、农副产品上的微生物
? 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,黄曲霉素等
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；
? 利用特定的微生物制备风味食品，如酱制品、米酒、腌酸菜等；
有利影响,
极端环境下的微生物
1、嗜热微生物
2、嗜冷微生物
3、嗜酸微生物
4、嗜碱微生物
5、嗜盐微生物
6、嗜压微生物
极端环境下的微生物研究意义,
(1)开发利用新的微生物资源，包括特异性的基因资源；
(2)为微生物生理、遗传和分类乃至生命科学及相关学
科许多领域，如：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。
不可培养的微生物
从环境中直接分离并克隆 rRNA并分析其序列和在分子进化树
上的位臵等方法而发现的的目前尚不能在人工条件下获得培养的微
生物。
不可培养微生物（ uncultured microorganisms）
利用特异性 rRNA探针进行
荧光原位杂交（ Fluorescence in situ hybridization,FISH）,
或进行原位 PCR（ In Situ PCR）后再进行荧光原位杂交的技术
对环境中的这些不可培养微生物进行定位、计数和进行形态观察。
不可培养的微生物研究意义,
生物多样性和系统发生的多样性
（ Biodiversity and Phylogenetic diversity）
微生物生态学的研究提出新的要求
寻找新的致病微生物
从不可培养微生物中寻找新的基因、新的蛋白
据报道，美国 recombianant biocatalysis Inc公司目前已从不
可培养微生物中获得了约 300个与工业生产相关的新蛋白
1.2 菌种资源的开发
? 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
– 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，喊
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。
2、微生物与生物环境之间的相互关系
? 微生物与任何一种生物之间的关系,
– 双方获益：共生、互利共栖、协同共栖、互养共栖（ ++）
– 单方获益，对方受害：寄生、捕食、拮抗（ + – ），（ – +）
– 单方获益，对方无害：偏利共栖、卫星状共栖、互生（代谢共栖）
（ +0）
– 互不相扰：无关共栖（ 00）
– 一方受害，对方无益无损：偏害共栖（ 0 – ）
– 双方受损：竞争共栖（ – –）
2.1 共栖：两种生物同时栖生于一个环境中，双方的生命
活动互相作用而形成各种利害关系。共栖伙伴彼此离开，
各自都有独立生活能力。
2.2 共生
定义：两种生物共居在一起，相互协作分工，相依为命，以至达到
难分难解、合二为一的一种关系。
微生物间的共生关系,
地衣
产氢产乙酸菌株（ S菌株）与产甲烷细菌（ MOH菌株）
微生物与植物间的共生关系,
根瘤菌与豆科植物
放线菌、藻状菌、蓝细菌、分枝杆菌和克雷伯氏菌与一些非豆
科植物之间的根瘤
微生物与动物之间的共生关系,
白蚁、蟑螂与其消化道中的原生动物及其它微生物（外共生生
物）
反刍动物与其瘤胃微生物
微生物间的互生关系
金黄色葡萄球菌的生长为本来在平板上不能生长的嗜血流感菌
提供生长因子，后者在其菌苔周围形成卫星菌落。
微生物间的互生关系
本来不能在含青霉素的平板上生长的受体菌在转化子（含有
Ampr质粒）周围形成卫星菌落（ b-内酰胺酶分泌到胞外所致）
地衣 -----藻类和真菌的共生体
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。
地衣繁殖时，在表面上生出球状粉芽，粉芽中含有少量的藻类细胞
和真菌菌丝，粉芽脱离母体散布到适宜的环境中，发育成新的地衣
结构上的共生,
生理上的共生,
共生菌从基质中吸收水分和无机养料；
共生藻进行光合作用，合成有机物；
使地衣能在十分贫瘠的环境中生存。
微生物和植物间的共生关系
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。
与动物的共生关系
? 反刍动物，如牛、羊、骆驼、长颈鹿等以植物的纤维素为主要
食物，它们在瘤胃中经微生物发酵变成有机酸和菌体蛋白再供
动物吸收利用。
? 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
----食物和严格的厌氧环境
2.3 寄生
定义：一般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,
噬菌体与其宿主之间的关系
真菌对真菌的寄生
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 Pseudomonas phaseolicola
（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
2.4拮抗
某种生物产生的代谢产物可抑制它种生物的生长发育
甚至将后者杀死。
? 微生物间的, 化学战术,
抗生菌产生能抑制其它生物生长发育的抗生素；
? 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
2.5 竞争
两个种群因需要相同的生长基质或其它环境因子，致使
增长率和种群密度受到限制时发生的相互作用，其结果
对两种种群都是不利的。
2.6 捕食
一种种群被另一种种群完全吞食，捕食者种群从被食
者种群得到营养，而对被食者种群产生不利影响。
微生物间的捕食现象,
? 原生动物吞食细菌和藻类；
? 粘细菌吞食细菌和其它微生物；
? 真菌捕食线虫和其它原生动物；
3、微生物在生态系统中的作用
微生物在生态系统中的地位
生态系统,
生物群落 所生活的非生物环境
物质循环
能量流动
生产者：从无机物合成有机物
消费者：利用有机物进行生活，一般不能将有机物直接
分解成有机物
分解者：分解有机物成无机物
微生物可以在多个方面但主要作为分解者而在生态系统中起重要作用
（ 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。
（ 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。
4、微生物与自然界中的物质循环
4.1 微生物在碳素循环中的作用
4.2 微生物在氮素循环中的作用
4.3 微生物在硫素循环中的作用
◆ 脱硫作用
动植物和微生物尸体中的含硫有机物被微生物降解成
H2S的过程称为脱硫作用。
◆ 硫化作用
硫化作用，即硫的氧化作用，是指硫化氢、元素硫或
硫化亚铁等在微生物的作用下被氧化生成硫酸的过程。自然
界能氧化无机硫化物的微生物主要是硫细菌。
◆ 同化作用
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，然后再固定到蛋白质等成分中。
◆ 反硫化作用
硫酸盐在厌氧条件下被微生物还原成 H2S的过程称为反硫
化作用。
5,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。
5.1 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
5.2 微生物处理污水的原理
污水处理装臵是一个小型生
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的污水进入处理装臵后，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。
? BOD5（ biological oxygen demand）：五日生化需氧量。
表示水中有机物含量的间接指标。一般指在 20℃ 下,1L污
水中所含的有机物（主要是有机碳源），在进行微生物氧
化时,5日内所消耗的分子氧的毫克数（或 ppm数）。
? 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。
? COD（ chemical oxygen demand）：即化学需氧量。使用
强氧化剂使 1L污水中的有机物质迅速进行化学氧化时所消
耗氧的毫克数。实际上许多无机物也能被氧化而影响 COD
值。 COD能在短时间内测得，有利于指导现场操作。常用
的氧化剂是 K2Cr2O7，测得为 CODCr。
污水处理的有关名词
5.3 污水处理的主要装臵
污水处理装臵
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
6.沼气发酵与环保
? 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。
? 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
年代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,
– 大分子降解产酸，厌氧和兼性厌氧菌，产物为有机酸、
氨,H2,CO2；
– 产氢产乙酸细菌，产物为乙酸和 H2；
– 产甲烷菌群，严格厌氧产物为甲烷。
活性污泥处理污水的工艺
? 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。
? 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
? 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
沼气发酵的意义
在一定的空间内生物的成分和非生物的成分通过物质循环和
能量流动互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位。
生态系统,
生态学,
研究生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系的一门科学。
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；
? 生态学研究范围：生物圈（ biosphere）、
生态系统（ ecosystem）、群落
（ community）、种群（ population）。
? 研究意义,
– 理论：地球进化和生物进化原因
– 实践：开发菌种资源、防治有害微生物、新的
微生物农药、菌肥、医药、混菌发酵、生态农
业，促进探矿、冶金、环保、提高土壤肥力以
及开发生物能等
几个概念
? 生物圈：地球上的所有生物。
? 生态系统：生物群落与其无机环境相结合、相作
用、相调控而成的动态系统。
? 群落：同一环境中两个以上种群由于生活繁殖上
的连锁而构成相依赖、相制约的生物集团。
? 种群：生活在同一环境中的同种个体组成的能繁
殖集团。与同种别地的种群有隔离、有界限。
微生物的特点,个体微小, 代谢营养类型多样,
适应能力强
微生物在自然界中分布广泛
微生物的分布 生境的特征
微生物的分布是生境各种物理、化学、生物因素
对微生物的限制、选择的结果。
在某些生境中，高度专一性的微生物存在并仅限于这种
生境中，并成为特定生境的标志。
1.微生物在自然界中的分布与菌种资源
?土壤中的微生物
? 土壤中的环境条件：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
– 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。
– 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。
– 若按生物量计算则各种微生物的生物量基本相当。
1.1微生物在自然界中的分布
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。
?水中的微生物
? 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。
? 各种水系,
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：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
水体大量的有机物或无机物，特别是磷酸盐和无机氮化合物
水的富营养化
藻类等过量生长，产生大量的有机物
异养微生物氧化这些有机物，耗尽水中的氧,
使厌氧菌开始大量生长和代谢
分解含硫化合物，产生 H2S，从而导致水有难闻的气味,
鱼和好氧微生物大量死亡，水体出现大量沉淀物和异常颜色
☆ 水体的富营养化作用和, 水花,,
,赤潮,
上述过程又称富营养化作用，它是水体受到污染
并使水体自身的正常生态失去平衡的结果。
“水花, 或, 水华, （ water bloom）,
藻类（主要是微藻）的大量繁殖使水体出现颜色，并变得浑浊,
许多藻类团块漂浮在水面上形成。
赤潮或红潮（ red tides）,
在海洋中，某些甲藻类大量繁殖也可也可以形成水花，从而使
海水出现红色或褐色。
引起水体富营养化的藻类除通过消耗水中的氧气危害养殖
业外，很多藻类还能产生各种毒素，使动物得病或死亡,
因此由于富营养化作用致死的鱼等水产品不能食用
?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
? 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
◆ 微生物引起的工业产品的霉腐
大量工业制品都是用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
有些工业产品如塑料、建筑涂料等也有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。
微生物在各类工业产品上的生长所造成的产品
的霉腐给人类造成了巨大的损失 !
而另一方面，有时也努力想开发并推广使用可被
微生物降解的产品，或利用微生物的降解特性。
---------生物可降解塑料
---------开发、利用纤维素（能源、饲料）
---------苎麻脱胶
◆ 食品、农副产品上的微生物
? 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,黄曲霉素等
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；
? 利用特定的微生物制备风味食品，如酱制品、米酒、腌酸菜等；
有利影响,
极端环境下的微生物
1、嗜热微生物
2、嗜冷微生物
3、嗜酸微生物
4、嗜碱微生物
5、嗜盐微生物
6、嗜压微生物
极端环境下的微生物研究意义,
(1)开发利用新的微生物资源，包括特异性的基因资源；
(2)为微生物生理、遗传和分类乃至生命科学及相关学
科许多领域，如：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。
不可培养的微生物
从环境中直接分离并克隆 rRNA并分析其序列和在分子进化树
上的位臵等方法而发现的的目前尚不能在人工条件下获得培养的微
生物。
不可培养微生物（ uncultured microorganisms）
利用特异性 rRNA探针进行
荧光原位杂交（ Fluorescence in situ hybridization,FISH）,
或进行原位 PCR（ In Situ PCR）后再进行荧光原位杂交的技术
对环境中的这些不可培养微生物进行定位、计数和进行形态观察。
不可培养的微生物研究意义,
生物多样性和系统发生的多样性
（ Biodiversity and Phylogenetic diversity）
微生物生态学的研究提出新的要求
寻找新的致病微生物
从不可培养微生物中寻找新的基因、新的蛋白
据报道，美国 recombianant biocatalysis Inc公司目前已从不
可培养微生物中获得了约 300个与工业生产相关的新蛋白
1.2 菌种资源的开发
? 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
– 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，喊
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。
2、微生物与生物环境之间的相互关系
? 微生物与任何一种生物之间的关系,
– 双方获益：共生、互利共栖、协同共栖、互养共栖（ ++）
– 单方获益，对方受害：寄生、捕食、拮抗（ + – ），（ – +）
– 单方获益，对方无害：偏利共栖、卫星状共栖、互生（代谢共栖）
（ +0）
– 互不相扰：无关共栖（ 00）
– 一方受害，对方无益无损：偏害共栖（ 0 – ）
– 双方受损：竞争共栖（ – –）
2.1 共栖：两种生物同时栖生于一个环境中，双方的生命
活动互相作用而形成各种利害关系。共栖伙伴彼此离开，
各自都有独立生活能力。
2.2 共生
定义：两种生物共居在一起，相互协作分工，相依为命，以至达到
难分难解、合二为一的一种关系。
微生物间的共生关系,
地衣
产氢产乙酸菌株（ S菌株）与产甲烷细菌（ MOH菌株）
微生物与植物间的共生关系,
根瘤菌与豆科植物
放线菌、藻状菌、蓝细菌、分枝杆菌和克雷伯氏菌与一些非豆
科植物之间的根瘤
微生物与动物之间的共生关系,
白蚁、蟑螂与其消化道中的原生动物及其它微生物（外共生生
物）
反刍动物与其瘤胃微生物
微生物间的互生关系
金黄色葡萄球菌的生长为本来在平板上不能生长的嗜血流感菌
提供生长因子，后者在其菌苔周围形成卫星菌落。
微生物间的互生关系
本来不能在含青霉素的平板上生长的受体菌在转化子（含有
Ampr质粒）周围形成卫星菌落（ b-内酰胺酶分泌到胞外所致）
地衣 -----藻类和真菌的共生体
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。
地衣繁殖时，在表面上生出球状粉芽，粉芽中含有少量的藻类细胞
和真菌菌丝，粉芽脱离母体散布到适宜的环境中，发育成新的地衣
结构上的共生,
生理上的共生,
共生菌从基质中吸收水分和无机养料；
共生藻进行光合作用，合成有机物；
使地衣能在十分贫瘠的环境中生存。
微生物和植物间的共生关系
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。
与动物的共生关系
? 反刍动物，如牛、羊、骆驼、长颈鹿等以植物的纤维素为主要
食物，它们在瘤胃中经微生物发酵变成有机酸和菌体蛋白再供
动物吸收利用。
? 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
----食物和严格的厌氧环境
2.3 寄生
定义：一般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,
噬菌体与其宿主之间的关系
真菌对真菌的寄生
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 Pseudomonas phaseolicola
（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
2.4拮抗
某种生物产生的代谢产物可抑制它种生物的生长发育
甚至将后者杀死。
? 微生物间的, 化学战术,
抗生菌产生能抑制其它生物生长发育的抗生素；
? 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
2.5 竞争
两个种群因需要相同的生长基质或其它环境因子，致使
增长率和种群密度受到限制时发生的相互作用，其结果
对两种种群都是不利的。
2.6 捕食
一种种群被另一种种群完全吞食，捕食者种群从被食
者种群得到营养，而对被食者种群产生不利影响。
微生物间的捕食现象,
? 原生动物吞食细菌和藻类；
? 粘细菌吞食细菌和其它微生物；
? 真菌捕食线虫和其它原生动物；
3、微生物在生态系统中的作用
微生物在生态系统中的地位
生态系统,
生物群落 所生活的非生物环境
物质循环
能量流动
生产者：从无机物合成有机物
消费者：利用有机物进行生活，一般不能将有机物直接
分解成有机物
分解者：分解有机物成无机物
微生物可以在多个方面但主要作为分解者而在生态系统中起重要作用
（ 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。
（ 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。
4、微生物与自然界中的物质循环
4.1 微生物在碳素循环中的作用
4.2 微生物在氮素循环中的作用
4.3 微生物在硫素循环中的作用
◆ 脱硫作用
动植物和微生物尸体中的含硫有机物被微生物降解成
H2S的过程称为脱硫作用。
◆ 硫化作用
硫化作用，即硫的氧化作用，是指硫化氢、元素硫或
硫化亚铁等在微生物的作用下被氧化生成硫酸的过程。自然
界能氧化无机硫化物的微生物主要是硫细菌。
◆ 同化作用
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，然后再固定到蛋白质等成分中。
◆ 反硫化作用
硫酸盐在厌氧条件下被微生物还原成 H2S的过程称为反硫
化作用。
5,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。
5.1 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
5.2 微生物处理污水的原理
污水处理装臵是一个小型生
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的污水进入处理装臵后，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。
? BOD5（ biological oxygen demand）：五日生化需氧量。
表示水中有机物含量的间接指标。一般指在 20℃ 下,1L污
水中所含的有机物（主要是有机碳源），在进行微生物氧
化时,5日内所消耗的分子氧的毫克数（或 ppm数）。
? 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。
? COD（ chemical oxygen demand）：即化学需氧量。使用
强氧化剂使 1L污水中的有机物质迅速进行化学氧化时所消
耗氧的毫克数。实际上许多无机物也能被氧化而影响 COD
值。 COD能在短时间内测得，有利于指导现场操作。常用
的氧化剂是 K2Cr2O7，测得为 CODCr。
污水处理的有关名词
5.3 污水处理的主要装臵
污水处理装臵
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
6.沼气发酵与环保
? 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。
? 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
年代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,
– 大分子降解产酸，厌氧和兼性厌氧菌，产物为有机酸、
氨,H2,CO2；
– 产氢产乙酸细菌，产物为乙酸和 H2；
– 产甲烷菌群，严格厌氧产物为甲烷。
活性污泥处理污水的工艺
? 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。
? 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
? 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
沼气发酵的意义
