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第七章 微生物生态与环境保护
微生物是最早出现的生物体，后来进化成动植物，蓝细菌将地球中的无氧环境变成有氧环境，固氮作用是原核生物唯有的；另一角度，微生物对生物地球化学循环起重要作用，C、N、P、Fe、Ca、Mn、Si 的循环都有其参与。
微生物生态学是生态学的一个分支，它的研究对象是微生物群体与其周围生物和非生物环境条件间相互作用的规律。研究微生物的生态规律有着重要的理论意义和实践价值。例如，研究微生物的分布规律有利于发掘丰富的菌种资源，推动进化、分类的研究和开发应用；研究微生物与他种生物间的相互关系，有助于开发新的微生物农药、微生物肥料、微生态制剂，并为发展混菌发酵、生态农业以及积极防止人和动植物的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，有助于阐明地质演变和生物进化中的许多机制，也可为探矿、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的生态平衡等提供科学基础。
§7-1微生物在生态系统中的地位与作用
1.有机物的主要分解者对动植物的残体分解成无机物。 2.是物质循环中的重要成员，有、无机物循环。 3.微生物是生态系统中的初级生产者。 4.是物质合能量的储存者。 5.是地球生物演化的先锋种类。 §7-2 环境中的微生物 一、微生物之间的相互关系 1.互生
是指两种可单独生活的生物，当他们在一起时，通过各自的代谢活动而有利于对方或偏利于另外一方的生活方式。
特点：可分可合、合比分更好、关系较松散。如：好氧性自生固氮菌与纤维素分解菌生活在一起时，后者分解维生素的产物是有机醇，可以为前者提供
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固氮时的营养，而前者向后者提供氮素营养。 2.共生
是指两种生物共居在一起，相互分工合作，相依为命，甚至达到难分难解、合二为一的极其密切的关系。
例如：真菌和绿藻的共生。绿藻光合作用，提供有机养料；真菌可以产生有机酸分解岩石，为藻类提供矿质元素。又如豆科植物和根瘤菌，非豆科植物与放线菌（弗兰克氏菌）。 3.寄生
是指一种小型生物生活在另一种较大型生物体内（包括细胞内）或体表，从中夺取营养并进行生长繁殖。同时使后者蒙受损害，甚至被杀死的一种相互关系。前者叫寄生物，后者叫宿主或寄主。
例如，微生物间的寄生有蛭弧菌寄生在大肠杆菌；微生物与植物间的寄生有白粉菌属、霜霉属及全部植物病毒专性寄生于植物，也有能生活在死植物上或人工配制的培养基中的兼性寄生物；寄生于动物的病源微生物，种类极多，包括各种病毒、细菌和真菌，可用于制成微生物杀虫剂或生物农药的苏云金芽孢杆制成的细菌杀虫剂、以球孢白僵菌制成的真菌杀虫剂和以各种病毒多角体制成的病毒杀虫剂等。当然，寄生于昆虫的真菌也有可能形成名贵中药的，如产于青藏高原的冬虫夏草即为一例。 4.拮抗
又叫抗生，指由某种生物所产生的特定代谢产物可抑制它种生物的生长发育，甚至杀死的一种相互关系。如：抗生素。又如，在制作泡菜和青贮饲料中乳酸菌等产生的乳酸对其他腐败菌的拮抗作用才保证制品的风味、质量和良好的包藏性能。 5.捕食
又称为捕食，一般指一种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。微生物之间的捕食关系主要有原生动物捕食细菌和藻类。
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二、各种生境中的微生物 1.土壤中的微生物
土壤是微生物的大本营，又是微生物的天然培养基，其中的微生物数量多、
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种类全。
土壤中微生物的含量：细菌(108/g)＞放线菌(107)包括孢子＞霉菌(106)包括孢子＞酵母菌(105) ＞藻类(104) ＞原生动物(103)。 2.水体中的微生物
因水体中所含有机物、无机物、氧、毒物以及光照、酸碱度、温度、水压、流速、渗透压和生物群体等的明显差别，各种水体又有其相应的微生物区系。清水型水生微生物以化能自养和光能自养微生物为主，如硫细菌、铁细菌、衣细菌、蓝细菌和光合细菌等；腐败型水生微生物包括各种肠道杆菌、芽孢杆菌、弧菌和螺菌等；海水型水体微生物主要以藻类以及细菌中的芽孢杆菌属、假单胞菌属、弧菌属和一些发光细菌为主。海洋微生物受温度、光照、营养水平限制，有明显的垂直分布的特点。 3.大气中的微生物
空气中并不含有微生物生长繁殖所必需的营养物、充足的水分和其他条件，相反，日光中的紫外线还有强烈的杀菌作用，因此，它不宜于微生物的生存。然而空气中还含有一定数量来自土壤、生物和水体等的微生物，它是以尘埃、微粒等方式有气流带来的。因此，凡含尘埃越多或越贴近地面的空气，其中的微生物含量就越高。
空气中微生物以气溶胶的形式存在，它是动植物病害的传播、发酵工业中的污染以及工农业产品的霉腐等的重要根源。通过减少菌源、尘埃源以及采用空气过滤、灭菌（如UV照射、甲醛熏蒸）等措施，可降低空气中微生物数量。 4.极端环境下的微生物
在自然界中存在着一些绝大多数生物都无法生存的极端环境，如高温、低温、高酸、高碱、高盐、高毒、高渗、高压、干旱或高辐射等环境。凡依赖于这些极端环境才能正常生长繁殖的微生物，称为极端微生物。它们在基础理论和实际应用上都有重要的意义和价值。
（1）嗜热微生物
广泛分布在草堆、厩肥、煤堆、温泉、火山地、地热区土壤以及海底火山口附近。至1997年已分离到20多属50余种嗜热菌。其中最著名的是1960年代末从美国淮俄明州黄石公园的温泉中分离到的水生栖热军“Taq”，能在80℃下生长，以及在深海火山口附近分离到的烟孔火叶球菌，最适温度为105℃，最高为113℃，低于90℃即停止生长，激烈火球菌“Pfu”，最适生长
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温度为100℃。近年来，由“Pfu”产生的DNA聚合酶已取代曾名噪一时的“Taq”酶，并使分子生物学中广泛用于DNA体外扩增的PCR技术又向前迈进了一大步。
（2）嗜冷微生物
是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。部分虽能在0℃下生长，但其最适生长温度为20~40℃的微生物，则只能称耐冷微生物。嗜冷微生物主要分布在极地、深海、高山、冰窑和冷藏库等处，嗜冷机制主要是细胞膜含有大量不饱和脂肪酸，以保证在低温下膜的流动性和通透性。它们是低温包藏食品发生霉败的主要原因。因其酶在低温下具有较高活性，故可开发低温下作用的酶制剂，如洗涤剂用的蛋白酶等。
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（3）嗜酸微生物
只能生活在低pH（＜4）条件下，在中性pH下即死亡的微生物称嗜酸微生物。少数中还可生活在pH2中，但因为在中性pH下也能生活，故归属于耐酸微生物。专性嗜酸微生物是一些真细菌和古生菌。嗜酸微生物细胞内的pH仍接近中性，各种酶的最适pH也在中性附近。它的嗜酸机理可能是细胞壁和细胞膜具有排阻外来H+和从细胞中排出H+的能力，且它们的细胞壁和细胞膜还需高浓度H+才能维持其正常结构。嗜酸菌可用于铜等金属的湿法冶炼和煤脱硫等实践。
（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称嗜碱微生物。它们一般存在于碱性盐湖和碳酸盐含量高的土壤中。多数嗜碱菌为芽孢杆菌属，有些极端嗜碱菌同时也是嗜盐菌，它们属于古生菌类。嗜碱菌的一些蛋白酶、脂肪酶和纤维素酶等已被开发并可添加到洗涤剂中。
（5）嗜盐微生物
必须在高盐浓度下才能生长的微生物，称为嗜盐微生物。包括许多细菌和少数藻类。必须生活在12~30%（2.5~5.2mol/L）NACL中的嗜盐菌称为极端嗜盐菌，嗜盐微生物通常分布在盐湖（死海）、晒盐场和淹制海产品等处。嗜盐微生物包括嗜盐细菌、光合细菌的外硫红螺菌和藻类等。
（6）嗜压微生物
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必须生长在高静水压环境中的微生物称为嗜压微生物，均为原核，也可叫嗜压菌。通常生活在深海区，如海洋最深处的太平洋的马里亚纳海沟，分离、采样难度极大。
（7）抗辐射微生物
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§7-3微生物与环境保护
一、微生物对污染物的降解与转化
生物降解：微生物对物质特别是环境污染物的分解作用，自然界中没有大量的有机物积累，就说明作为分解者对自然有机物的强大分解能力。
微生物处在较浓的污染环境下，就处于新的选择压力下，通过基因突变接合作用等，形成新的降解基因，使微生物进化出新的降解能力，一般新的基因形成了，降解遗传信息分布在质粒与染色体中，一般有三种情况：
（1）对易降解的有机污染物，降解基因分布在染色体。
（2）难降解的有机污染物，降解基因前半段由质粒基因编码，后半段分布在染色体上。
（3）难降解的有机污染物，降解基因前半段分布质粒和染色体上，共同完成，后半段分布在染色体上，从污染物中分离的细菌，50%以上含的降解质粒，且不但数量多、分子量大、含量大。 二、重金属的转化
微生物不能降解的重金属以汞为代表，有Hg、Cd、Cr、Pb、As、Ag、Se、Sn，但对其有转化作用，可以控制途径，达到减轻毒性的作用。
Hg2+、有机汞（甲基汞） 微生物 Hg0
三、污染介质的微生物处理 1.污染
富营养化：指水体中因N、P等元素含量过多而引起水体表层的蓝细菌和藻类过度生长繁殖的现象。包括水华与赤潮。
水华：指发生在淡水水体中的富营养化的现象。其特点是：在温度季节，当水体中的N、P比例，达到（15~20）:1时，水中的蓝细菌与浮游藻类突然快速繁殖，从而使水面形成一薄层蓝绿色的藻体和泡沫。
赤潮：发生在河口、港湾或浅海等咸水区的水体的富营养化现象。能引起赤潮的生物有200多种，如蓝细菌、藻类、原生动物。
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第7章 微生物生态与环境保护
