微生物 第八章

第八章

微生物生態(tài)

在一定的空間內(nèi)生物的成分和非生物的成分通過物質(zhì)循環(huán)和能量流動互相作用、互相依存而構(gòu)成的一個生態(tài)學(xué)功能單位。生態(tài)系統(tǒng)：生態(tài)學(xué)：研究生物與其周圍生物和非生物環(huán)境之間相互關(guān)系的一門科學(xué)。微生物生態(tài)學(xué)：研究微生物與其周圍生物和非生物環(huán)境之間相互關(guān)系。各種環(huán)境中的微生物的種類、分布；

微生物和其它生物的關(guān)系；

微生物與物質(zhì)循環(huán)；第一節(jié)自然界中的微生物微生物的特點：個體微小、代謝營養(yǎng)類型多樣，適應(yīng)能力強微生物在自然界中分布廣泛微生物的分布生境的特征微生物的分布是生境各種物理、化學(xué)、生物因素對微生物的限制、選擇的結(jié)果。在某些生境中，高度專一性的微生物存在并僅限于這種生境中，并成為特定生境的標志。一、空氣中的微生物1）無原生的微生物區(qū)系；2）來源于土壤、水體及人類的生產(chǎn)、生活活動；3）種類主要為真菌和細菌，一般與其所在環(huán)境的微生物種類有關(guān)；4）數(shù)量取決于塵埃數(shù)量；5）停留時間和塵埃大小、空氣流速、濕度、光照等因素有關(guān)；6）與人類的關(guān)系：傳播疾病、造成食品等的污染微生物學(xué)的基本技術(shù)：無菌操作技術(shù)制備微生物氣溶膠實現(xiàn)群體免疫不同地點空氣中的微生物數(shù)量地點微生物數(shù)量（個/ｍ3空氣）北極(北緯80°)0海洋上空1-2市區(qū)公園200城市公園5,000宿舍2,000畜舍1,000,000-2,000,000二、水體中的微生物一）江河水1）數(shù)量和種類與接觸的土壤有密切關(guān)系；2）分布上更多的是吸附在懸浮在水中的有機物上及水底；3）多能運動，有些具有很異常的形態(tài)（例如柄細菌）；4）靠近城市或城市下游水中的微生物多，并且有很多對健康不利的細菌，因此不宜作為飲用水源；5）水體自身存在自我凈化作用：a）致病菌一般對營養(yǎng)要求苛刻，因此在一般的水中只能存活2-3天；b）水表微生物會受輻射等作用而被殺滅；c）原生動物等的吞噬作用；d）由固形物吸附再沉積到水底；水中的病原微生物會對水質(zhì)產(chǎn)生重要影響飲用水的微生物指標：總菌數(shù)：<100個/ml大腸桿菌：<3個/L影響水體微生物分布的因素

有機物含量溫度水的深度日光與水體的溶解氧量

海洋微生物具有耐壓、嗜冷和低營養(yǎng)要求的特點。

淡水的pH值變幅從3.7到10.5，多數(shù)為6.5-8.5，因而適合于多數(shù)水生微生物的生長。

嚴重污染的水會通過食物鏈的生物放大作用危害人類健康（二）海水1）嗜鹽，真正的海洋細菌在缺少氯化鈉的情況下是不能生長的。2）低溫生長，除了在熱帶海水表面外，在其它海水中發(fā)現(xiàn)的細菌多為嗜冷菌。4）耐高壓（特別是生活在深海的細菌）。3）大多數(shù)海洋細菌為G—細菌，并具有運動能力。（三）水體的富營養(yǎng)化作用和“水花”、“赤潮”水資源污染日益嚴重（三）水體的富營養(yǎng)化作用和“水花”、“赤潮”水體大量的有機物或無機物，特別是磷酸鹽和無機氮化合物水的富營養(yǎng)化藻類等過量生長，產(chǎn)生大量的有機物異養(yǎng)微生物氧化這些有機物，耗盡水中的氧，使厭氧菌開始大量生長和代謝分解含硫化合物，產(chǎn)生H2S，從而導(dǎo)致水有難聞的氣味，魚和好氧微生物大量死亡，水體出現(xiàn)大量沉淀物和異常顏色上述過程又稱富營養(yǎng)化作用，它是水體受到污染并使水體自身的正常生態(tài)失去平衡的結(jié)果。藻類（主要是微藻）的大量繁殖使水體出現(xiàn)顏色，并變得渾濁，許多藻類團塊漂浮在水面上形成。赤潮或紅潮（redtides）：在海洋中，某些甲藻類大量繁殖也可也可以形成水花，從而使海水出現(xiàn)紅色或褐色。引起水體富營養(yǎng)化的藻類除通過消耗水中的氧氣危害養(yǎng)殖業(yè)外，很多藻類還能產(chǎn)生各種毒素，使動物得病或死亡，因此由于富營養(yǎng)化作用致死的魚等水產(chǎn)品不能食用三、土壤中的微生物土壤是固體無機物(巖石和礦物質(zhì))、有機物、水、空氣和生物組成的復(fù)合物，是微生物的合適生境。土壤微生物種類多、數(shù)量多、代謝潛力巨大，是主要的微生物源，是微生物的大本營。(一)土壤是微生物生活的良好環(huán)境由于土壤具備了各種微生物生長發(fā)育所需要的營養(yǎng)、空氣、酸堿度、滲透壓和溫度等條件，所以土壤中微生物的種類和數(shù)量是其他任何生態(tài)系統(tǒng)無法比擬的。（1）土壤的礦物質(zhì)成分，提供微生物需要的礦質(zhì)養(yǎng)料；（2）土壤中的動植物殘體，以及耕作土壤中有機肥料，源源不斷地供給微生物碳素養(yǎng)料和氮素養(yǎng)料；（3）土壤的持水性為微生物提供水分條件；（4）土壤的孔隙性和土壤水分多少，直接影響土壤的通氣條件。（5）土壤的pH范圍在3.5~10.5之間，多數(shù)在5.5~8.5之間，這是大多數(shù)微生物活動最適宜的pH；（6）土壤的保溫性，比地面空氣溫度變化小，也為微生物的生長提供了良好的條件。

同一土體由于微環(huán)境的通氣、水分、營養(yǎng)等狀況都存在著差異，致使不同微生物呈立體分布。每克肥土中通常含有幾億至幾十億個微生物，貧瘠土壤每克也有幾百萬至幾千萬個微生物。（1）細菌數(shù)量：70~90%；種類：主要為腐生，少數(shù)自養(yǎng)分布：表層最多，隨土層加深減少，厭氧菌反之。（2）放線菌數(shù)量：5~30%

（3）真菌（4）藻類（5）原生動物（二）土壤中微生物的分布土壤類型細菌放線菌真菌黑龍江暗棕壤黑龍江黑土黑龍江黑鈣土黑龍江草甸土遼寧棕壤寧夏棕鈣土吉林白漿土江蘇黃棕壤浙江紅壤廣東磚紅壤西沙磷質(zhì)石灰土江蘇濱海鹽土2，2372，1111，0747，8641，2841401，5981，4061，1035072，2294666121，20431929391155271123391，10541131922336436411150.4場所總微生物數(shù)微生物種類微生物數(shù)量住房180——辦公室1400口腔鏈球菌涎鏈球菌111.4教室2500鏈球菌草綠色鏈球菌涎鏈球菌腸球菌乙型溶血性鏈球菌36181171.1實驗室200——醫(yī)院1100金黃色葡萄球菌革蘭氏陰性桿菌魏氏產(chǎn)氣莢膜桿菌71103.5

不同室內(nèi)環(huán)境的微生物總數(shù)及致病微生物的種類和數(shù)量（cfu/m3）場所畜舍宿舍城市街道市區(qū)公園海洋上空微生物10000002000050002001-2不同場所的上空微生物數(shù)量（cfu/m3）表9－2農(nóng)田土壤上層15cm處微生物數(shù)量和生物量微生物土壤中的數(shù)量(個/g)生物量（g/m2）細菌

放線菌

真菌

藻類

原生動物9.8×107

2.0×106

1.2×102

2.5×204

3.0×104160

160

200

32

8微生物的數(shù)量也與于土層的深度有關(guān)，一般土壤表層微生物最多，隨著土層的加深，微生物的數(shù)量逐步減少。20世紀80年代，美國能源部-----地下科學(xué)計劃（DeepSubsurtaceProgram）地下的微生物在陸地可達4公里深（每下降1公里溫度上升20℃），在海底則可深達7公里（每下降1公里溫度上升15℃）。目前已知微生物的最高生長溫度：113℃（海底火山口）目前的采樣深度：2.8公里四、工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品上的微生物1．微生物引起的工業(yè)產(chǎn)品的霉腐大量工業(yè)制品都是用用動植物產(chǎn)品作原料來制造的纖維制品、木制品、革制品、橡膠制品、油漆、卷煙、化妝品等有些工業(yè)產(chǎn)品如塑料、建筑涂料等也有很多微生物可以分解、利用光學(xué)儀器上的鏡頭，建筑泥漿、鋼纜、地下管道、金屬材料等，各種電訊器材、文物、書畫等也可被多種特殊微生物所破壞。微生物在各類工業(yè)產(chǎn)品上的生長所造成的產(chǎn)品的霉腐給人類造成了巨大的損失!而另一方面，有時也努力想開發(fā)并推廣使用可被微生物降解的產(chǎn)品，或利用微生物的降解特性。---------生物可降解塑料---------開發(fā)、利用纖維素（能源、飼料）---------苧麻脫膠2．食品、農(nóng)副產(chǎn)品上的微生物

很多微生物在食品、農(nóng)產(chǎn)品上生長后會產(chǎn)生對人有害的毒素；肉毒毒素、黃曲霉素等不利影響：由于微生物的生長繁殖而腐爛、變質(zhì)，不能再食用或使用；病原微生物進入人體的重要途徑，引起傳染性疾病；2．食品、農(nóng)副產(chǎn)品上的微生物

利用特定的微生物制備風(fēng)味食品，如醬制品、米酒、腌酸菜等；有利影響：五、極端環(huán)境下的微生物1、嗜熱微生物2、嗜冷微生物3、嗜酸微生物4、嗜堿微生物5、嗜鹽微生物6、嗜壓微生物研究意義：(1)開發(fā)利用新的微生物資源，包括特異性的基因資源；

(2)為微生物生理、遺傳和分類乃至生命科學(xué)及相關(guān)學(xué)科許多領(lǐng)域，如：功能基因組學(xué)、生物電子器材等的研究提供新的課題和材料；(3)為生物進化、生命起源的研究提供新的材料。第二節(jié)微生物與生物環(huán)境間的相互關(guān)系自然環(huán)境中的微生物一般都不是單獨存在的個體、種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)從低到高的組織層次群體（population）：具有相似特性和生活在一定空間內(nèi)的同種個體群，是組成群落的基本組分。群落（community）：在一定區(qū)域或一定生態(tài)環(huán)境內(nèi)，各種生物群體構(gòu)成的一個生態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)單位，群落中各生物群體之間存在各種相互作用。生態(tài)系統(tǒng)（ecosystems）：生物群落和它們所生活的非生物環(huán)境結(jié)合起來的一個整體，是生物圈的組成單元。生物圈（biosphere）：地球上所有生物及其所生活的非生命環(huán)境的總稱。個體群體群落+非生物環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)生物圈任何一個相對完整的自然整體都可以被看作為一個生態(tài)系統(tǒng)，如一個池塘，一片森林，一個污水處理池，等等。微生物生態(tài)的研究特點：以微生物群體，即種群作為主要研究單位。生態(tài)系統(tǒng)中生物之間的相互關(guān)系：有利關(guān)系：一種生物的生長和代謝對另一種生物的生長產(chǎn)生有利的影響，或相互有利；有害關(guān)系：一種生物的生長對另一種生物的生長產(chǎn)生有害的影響，或相互有害；中性關(guān)系：二種生物生活在一起時，彼此對對方的生長代謝無明顯的有利或有害影響；主要介紹微生物間及微生物與其它生物間最常見的幾種相互關(guān)系：一、互生二種可以單獨生活的生物，當它們生活在一起時，通過各自的代謝活動而有利于對方，或偏利于一方的一種生活方式?！翱煞挚珊?，合比分好”一）微生物間的互生關(guān)系一）微生物間的互生關(guān)系纖維素分解細菌固氮菌二）人體腸道正常菌群互生關(guān)系（正常情況）寄生關(guān)系（某些特殊條件下）人腸道內(nèi)的菌群：60-400種不同的微生物，占糞便干重1/3的是細菌，其中厭氧菌占了絕大多數(shù)。

正常菌群通過腸道獲取營養(yǎng)；通過排阻、抑制外來致病菌；提供許多人體所必不可少的維生素、氨基酸等營養(yǎng)物對人體作出貢獻；環(huán)境條件改變或著生部位改變：正常菌群致病菌濫用抗生素；人身體虛弱抵抗力下降；吃了不潔凈的食物；腸道中的正常菌群，大腸桿菌，一旦進入泌尿系統(tǒng)，引起尿路感染。人體表面的正常菌群，一旦它們進入傷口也會引起感染。條件致病菌：人體的正常微生物菌群一旦進入非正常聚居部位，或生態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而引起人類疾病的微生物。可以通過口服某些活的微生物制劑來治療由于正常菌群失調(diào)而導(dǎo)致的腹瀉，例如，含蠟狀芽孢桿菌（Bcereus）的“促菌生”，含地衣芽孢桿菌的“整腸生”等，它們都是通過芽孢桿菌的生長，為腸道重新創(chuàng)造良好的厭氧環(huán)境，促使腸道內(nèi)正常的厭氧菌的生長繁殖，這類活微生物制劑又稱微生態(tài)制劑。微生態(tài)制劑一般用于恢復(fù)腸道內(nèi)的正常生態(tài)環(huán)境，若腸道功能正常，一般不需要服用！二、共生二種生物共居在一起，相互分工協(xié)作、相依為命，甚至形成在生理上表現(xiàn)出一定的分工，在組織和形態(tài)上產(chǎn)生了新的結(jié)構(gòu)的特殊的共生體?；セ莨采憾呔美采阂环降美?，但另一方并不受害一）微生物間的共生關(guān)系地衣-----藻類和真菌的共生體形成有固定形態(tài)的葉狀結(jié)構(gòu)：真菌無規(guī)則地纏繞藻類細胞，或二者組成一定的層次排列。地衣繁殖時，在表面上生出球狀粉芽，粉芽中含有少量的藻類細胞和真菌菌絲，粉芽脫離母體散布到適宜的環(huán)境中，發(fā)育成新的地衣結(jié)構(gòu)上的共生：生理上的共生：共生菌從基質(zhì)中吸收水分和無機養(yǎng)料；共生藻進行光合作用，合成有機物；使地衣能在十分貧瘠的環(huán)境中生存。一）微生物間的共生關(guān)系細菌與原生動物間的共生關(guān)系：細菌棲息于原生動物細胞內(nèi)，獲得營養(yǎng)和保護環(huán)境，并且這些細菌在原生動物細胞外都不能生長；原生動物通過共生菌獲得生長所需要的維生素及其它生長因子二）微生物和植物間的共生關(guān)系根瘤菌與豆科植物間的共生------形成根瘤共生體

根瘤菌固定大氣中的氣態(tài)氮為植物提供氮素養(yǎng)料；

豆科植物的根的分泌物能刺激根瘤菌的生長，同時，還為根瘤菌提供保護和穩(wěn)定的生長條件。（2）真菌和植物的共生關(guān)系

有些真菌能在一些植物根上發(fā)育，菌絲體包圍在根面（外生菌根）或侵入根內(nèi)或根組織（內(nèi)生菌根），共同發(fā)育，建立共生關(guān)系。這種共生體稱為菌根。植物：2000多種，包括被子植物、裸子植物和蕨類植物。真菌：擔子菌、子囊菌和藻狀菌。三）微生物與動物的共生關(guān)系1.與昆蟲的共生關(guān)系

外共生：例如白蟻與其腸道內(nèi)的微生物之間的共生食木質(zhì)的白蟻自身并不能分解期望上纖維素，必須依賴腸道中共生的原生動物和細菌通過厭氧發(fā)酵過程來分解纖維素。

內(nèi)共生：昆蟲與其細胞內(nèi)的共生性細菌這些細胞內(nèi)的共生性細菌能為宿主提供B族維生素，使昆蟲能以缺乏維生素的植物為生。

切葉蟻同絲狀真菌的共生是很有趣的。它們將地面的樹葉切碎帶回并混以唾液和糞便等含氮物質(zhì)，在巢室里專門培養(yǎng)絲狀真菌使其生長。螞蟻則以食取部分菌絲和孢子為營養(yǎng)。一些研究表明切葉蟻同真菌的共生關(guān)系具有很高的特異性，它們培育的真菌幾乎是純培養(yǎng)體，為此而特稱為蟻的“真菌園”。真菌與切葉蟻的共生對熱帶雨林地表的落葉轉(zhuǎn)化為土壤有機質(zhì)有重要意義。

唾液纖維質(zhì)飼料自然菌源

CO2，CH4，H2有機酸大量菌體，固型物肉、奶

吸收轉(zhuǎn)化糞便進入瘤胃微生物大量繁殖反芻動物與瘤胃微生物的共生原理2.瘤胃微生物與反芻動物的共生牛、羊、鹿等反芻動物的胃結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括瘤胃、蜂窩胃、重瓣胃和皺胃四個胃室。反芻動物以草、葉或嫩枝等為食，但它們本身缺乏消化纖維素的酶，而是靠定居在瘤胃中的微生物來分解轉(zhuǎn)化纖維素等物質(zhì)再供動物吸收利用。瘤胃為微生物提供了一個穩(wěn)定的厭氧、中溫（39-40℃）和偏酸性（ｐH5.5-7.0）的良好生態(tài)環(huán)境，在瘤胃中生活有大量專性厭氧的細菌和以纖毛蟲為主的原生動物。細菌的主要類群有擬桿菌屬、瘤胃球菌屬、琥珀酸單胞菌屬、產(chǎn)甲烷桿菌屬、丁酸弧菌屬、月形單胞菌屬、琥珀酸弧菌屬、鏈球菌屬和乳桿菌屬等。部分原生動物類群也有分解淀粉和纖維素的能力，但它們主要以細菌為食并將其所含的蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化貯存起來以進一步被動物所利用。牛瘤胃的容積可達100L以上，其中約生長著100種細菌和原生動物。三、寄生一種小型生物生活在另一種相對較大型生物的體內(nèi)或體表，從中取得營養(yǎng)和進行生長繁殖，同時使后者蒙受損害甚至被殺死的現(xiàn)象。寄生物（parasite）寄主或宿主（host）一）微生物間的寄生

噬菌體—細菌

蛭弧菌—細菌

真菌—真菌

真菌、細菌—原生動物二）微生物與動植物間的寄生關(guān)系各種各樣的致病菌多是行寄生生活擇生生物，或稱為悉生生物或定菌生物（Gnotobiote）：-------------整個個體不攜帶或只攜帶已知微生物的生物干擾因素少，操作易控制，既可進行定性分析，也可進行定量分析，實驗結(jié)果準確、可靠，對于了解微生物與宿主之間復(fù)雜的關(guān)系及其機理具有十分重要的作用。

用于科學(xué)研究：四、拮抗作用

這是一種微生物通過產(chǎn)生某種特殊的代謝產(chǎn)物或改變環(huán)境條件來抑制或殺死另一微生物種群的現(xiàn)象?？梢詫⑥卓棺饔脜^(qū)分為特異性和非特異性兩種類型。1．非特異性拮抗作用

指一種微生物通過自身的代謝活動改變環(huán)境條件,非特異性地抑制其他微生物的作用。其作用方式：①產(chǎn)酸。②產(chǎn)生乙醇。③改變氧分壓。2．特異性拮抗作用

是一種微生物在代謝活動中專門產(chǎn)生的一些特殊次生代謝產(chǎn)物能在低濃度下有選擇性地抑制或殺死另一種微生物的作用。依產(chǎn)物的作用性質(zhì)可分為兩類：細菌素和抗生素。

五、競爭兩個種群因需要相同的生長基質(zhì)或其它環(huán)境因子，致使增長率和種群密度受到限制時發(fā)生的相互作用，其結(jié)果對兩種種群都是不利的。用綠膿芽孢桿菌喂養(yǎng)雙小核草履蟲和大草履蟲，單獨培養(yǎng)時兩種草履蟲均表現(xiàn)出Ｓ型的數(shù)量增長曲線，但混合培養(yǎng)16天后，由于競爭同一食物只有生長較快的雙小核草履蟲生存，而大草履蟲完全被淘汰。此外，微生物對干旱、高溫和低溫等極端因子的抗性也對其競爭能力有重要影響。在發(fā)酵工業(yè)上,常利用加大接種量來控制少量雜菌的污染,也是利用微生物的競爭關(guān)系。六、捕食一種種群被另一種種群完全吞食，捕食者種群從被食者種群得到營養(yǎng)，而對被食者種群產(chǎn)生不利影響。微生物間的捕食現(xiàn)象：

原生動物吞食細菌和藻類；

粘細菌吞食細菌和其它微生物；

真菌捕食線蟲和其它原生動物；捕蟲菌目（Zoopagales）在長期的自然進化中形成的特化結(jié)構(gòu)，特化菌絲構(gòu)成巧妙的網(wǎng)，可以捕捉小型原生動物或無脊椎動物，捕獲物死后，菌絲伸入體內(nèi)吸收營養(yǎng)。第三節(jié)微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的作用一、微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的地位生態(tài)系統(tǒng)：生物群落所生活的非生物環(huán)境物質(zhì)循環(huán)能量流動生產(chǎn)者：從無機物合成有機物消費者：利用有機物進行生活，一般不能將有機物直接分解成有機物分解者：分解有機物成無機物（參見P288）微生物可以在多個方面但主要作為分解者而在生態(tài)系統(tǒng)中起重要作用一、微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的地位1、微生物是有機物的主要分解者；微生物最大的價值也在于其分解功能。它們分解生物圈內(nèi)存在的動物和植物殘體等復(fù)雜有機物質(zhì)，并最后將其轉(zhuǎn)化成最簡單的無機物，再供初級生產(chǎn)者使用。2、微生物是物質(zhì)循環(huán)中的重要成員；微生物參與所有的物質(zhì)循環(huán)，大部分元素及其化合物都受到微生物的作用。在一些物質(zhì)的循環(huán)中，微生物是主要的成員，起主要作用；而一些過程只有微生物才能進行，起獨特作用；而有的是循環(huán)中的關(guān)鍵過程，起關(guān)鍵作用。3、微生物是生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者；光能營養(yǎng)和化能營養(yǎng)微生物是生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者，它們具有初級生產(chǎn)者所具有的二個明顯特征，即可直接利用太陽能、無機物的化學(xué)能作為能量來源，另一方面其積累下來的能量又可以在食物鏈、食物網(wǎng)中流動。4、微生物是物質(zhì)和能量的貯存者；微生物和動物、植物一樣也是由物質(zhì)組成和由能量維持的生命有機體。在土壤、水體中有大量的微生物生物量，貯存著大量的物質(zhì)和能量。5、微生物在地球生物演化中的作用；微生物是最早出現(xiàn)的生物體，并進化成后來的動、植物。藻類的產(chǎn)氧作用，改變大氣圈中的化學(xué)組成，為后來動、植物出現(xiàn)打下基礎(chǔ)。第四節(jié)微生物與物質(zhì)轉(zhuǎn)化

一、碳素循環(huán)

地球表面碳素來源：地殼、原始大氣，CO2與CH4。二、微生物在土壤氮素轉(zhuǎn)變中的作用

氨化作用：分解蛋白質(zhì)產(chǎn)生氨能力強的微生物：熒光假單胞桿菌、普通變形桿菌、大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌。氨化作用的條件和意義：氨化作用產(chǎn)生的氨，溶解于水成NH4+，是植物可利用的氮素養(yǎng)料。硝化作用：硝化過程包括兩個階段：1、第一階段是氨氧化為亞硝酸，叫做亞硝酸化作用，作用的細菌是亞硝酸細菌。2、----第二階段是亞硝酸氧化為硝酸，作用的細菌是硝酸細菌。亞硝酸菌與硝酸菌多相互伴生，后者的活性又強于前者，所以，當氨氧化為亞硝酸后，便不停地被氧化為硝酸。因而，在一般情況下，土壤里無亞硝酸積存。硝化作用的意義：NO3-，帶電荷，不被土壤粘土顆粒吸附，易溶于水，并隨水移動，所以，它更容易被植物根系吸收利用。----硝酸溶解作用強，能促進礦物、巖石的風(fēng)化過程，可使一些不溶性養(yǎng)料轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锟衫玫男螒B(tài)，如使磷酸三鈣轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿嵋烩}。

----Ca3(PO4)2+4HNO3------→Ca(H2PO4)2+2Ca(NO3)2

反硝化作用：使硝酸還原為亞硝酸或銨。反硝化作用引起土壤氮素損失，是氮素化肥利用率不高，由反硝化作用損失的氮素可高達40%，在多數(shù)情況下，不超過15%。固氮作用：三、磷的轉(zhuǎn)化

四、硫的轉(zhuǎn)化

第四節(jié)微生物與環(huán)境保護一、微生物對土壤中污染物的降解二、微生物對農(nóng)藥和合成聚合物的降解三、微生物對有毒元素的轉(zhuǎn)化四、污水處理的微生物學(xué)原理五、微生物對空氣污染的指示作用六、沼氣發(fā)酵

一、微生物對土壤中污染物的降解

1.作為廢棄物處理系統(tǒng)的土壤

土壤對于外來污染物質(zhì)具有一定自動凈化能力，這是由于土壤中數(shù)量巨大和種類繁多的微生物的作用，特別是那些能夠降解復(fù)雜有機物的微生物。能夠降解人造有機化合物的許多細菌都含有降解質(zhì)粒(degrativeplasmids)。2.土壤的污染源工業(yè)污水農(nóng)用化學(xué)制品糞肥和垃圾-

二、微生物對農(nóng)藥和合成聚合物的降解

1.微生物對化學(xué)農(nóng)藥的轉(zhuǎn)化和降解

化學(xué)農(nóng)藥在土壤中的降解類型--①光化學(xué)降解；②化學(xué)降解；③微生物降解。降解農(nóng)藥的微生物

2.人工合成聚合物的分解人工合成的高分子聚合物是各種塑料制品的原料。90%是由聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯所構(gòu)成。高分子聚合物的分子量在數(shù)千至15萬的范圍內(nèi)，一般都能抗生物降解。聚合物之所以難以降解與其分子量過大有關(guān)。分子量越大，抗生物降解性越強。

三、微生物對有毒元素的轉(zhuǎn)化

污染土壤的有毒元素主要來自工業(yè)廢水、廢渣和垃圾，冶煉和采礦工業(yè)是向環(huán)境中釋放有毒元素的主要污染源。對人畜毒害大的污染元素有汞、砷、硒、鎘、鉛、鉻、鎳、鉬、鋅等元素，這些元素對生物的致毒作用有3個特點：①致毒濃度如汞、鎘等重金屬的致毒濃度范圍在1-10mg/kg以下；②通過食物鏈積累重金屬可在高營養(yǎng)級水平的生物體內(nèi)成千萬倍地富集，然后通過食物進入人體，造成慢性中毒；③有些重金屬通過微生物的作用可轉(zhuǎn)化成毒性更強的化合物。

利用微生物從土壤中吸收提取這些物質(zhì)，然后集中處理，消除其污染微生物對重金屬的抗性作用

產(chǎn)生硫化氫與重金屬結(jié)合形成沉淀，減少濃度達到解毒的作用，這種機制是非專一性的；產(chǎn)生大分子有機物（主要為蛋白質(zhì)和核酸），與重金屬結(jié)合形成沉淀，減少濃度達到解毒的作用，這種機制具有很高的專一性的，如微生物對銅、鉛的抗性；還原作用，使重金屬從毒性較高的價態(tài)還原到毒性較低的價態(tài)，如很多微生物可以把高毒性的Hg2+還原為低毒性的元素Hg0沉淀于培養(yǎng)液低部；減少吸收或增加排除，以降低細胞內(nèi)的重金屬濃度，如金黃色葡萄球菌對鎘（Cd）的抗性；吸附與積累，有些微生物可吸收重金屬并在細胞表面積累，甚至可達細胞干重90%，這種機制有兩種情況，一種是非專一性的，另一種是專一性的。四、污水處理的微生物學(xué)原理

污水處理及微生物的作用：分為一級處理和二級處理，一級處理是活性污泥法的預(yù)處理，其功能是去除砂、浮渣、浮油和除去部分懸浮物。二級處理是利用需氧微生物去除水中的有機物。其作法是讓經(jīng)過一級處理的污水與回流污泥混合后流入曝氧池，曝氣3～8h。這時污水中的一部分有機物作為活性污泥微生物的營養(yǎng)源和能源而被去除，另一部分則隨污泥于進入二級沉淀池沉淀。在二級沉淀池中的停留時間一般為2～3h。污泥沉淀后，固液分離，清液流出，沉淀的污泥小部分回流再生，大部分為剩余污泥排出。注入?yún)捬跸校?jīng)進一步的厭氧消化過程，污泥才能使用，一般是用作肥料。

常用的方法有：活性污泥法、生物膜法、氧化塘法、厭氧消化法和土地處理法5大類型。(1)生化耗氧量（biochemicaloxygendemand,BOD）是指在特定時間和溫度下，微生物好氧過程中氧化一升污水中的有機物所需氧的毫克數(shù)(單位為mg/L)。(2)化學(xué)需氧量（chemicaloxygendemand,,COD）,是表示水體中有機物含量的一個簡便的間接指標,指1L污水中所含有的有機物在強氧化劑將它氧化后,所消耗氧的毫克數(shù)(單位為mg/L)(3)總需氧量（totaloxygendemand,,TOD），指污水中能被氧化的物質(zhì)（主要是有機物）在高溫下燃燒變成穩(wěn)定氧化物時所需的氧量。（4）溶解氧量（dissolvedoxygen，DO），指溶于水體中的分子態(tài)氧，是評價水質(zhì)優(yōu)劣的重要指標。（5）懸浮物含量（suspendsolid，SS），指水中不溶解性固態(tài)物質(zhì)的含量。（6）總有機碳含量（totalorganiccarbon，TOC），指水體內(nèi)所含有機物中的全部有機碳的量。污水處理中幾個常用的名詞解釋：污水處理廠工藝流程

生化池污水處理廠選用方案污水處理采用“WT-FG”生物法工藝；污泥處置采用真空帶式過濾和脫水工藝

。生化反應(yīng)池是污水處理廠的主體，功能是去除CODcr、BOD5

有機污染物和脫氮除磷。二沉池是生化反應(yīng)池產(chǎn)生的細小的微生物細胞壁與水分離澄清。五、微生物對空氣污染的指示作用

許多微生物對空氣污染是很敏感的，實踐中可利用這類敏感的微生物作為指示生物，或用于研究細胞學(xué)損傷。例如大腸桿菌（E.coli）對于由臭氧和碳氫化合物的光反應(yīng)產(chǎn)生的的煙霧是高度敏感的，這種混合污染物只要幾個ppb的濃度就可使大腸桿菌致命。純的臭氧對于大腸桿菌也是有毒的，能使細胞表面發(fā)生氧化作用，造成內(nèi)含物滲出細胞而被毀。發(fā)光細菌對于測定由空氣污染物引起的細胞學(xué)損傷也是良好的工具，發(fā)光細菌在暗處生長，它們的生物發(fā)光又較易測定。已知由氧化氮和丁烯經(jīng)光化學(xué)作用產(chǎn)生的煙霧能明顯阻礙生物發(fā)光；發(fā)光細菌對PAN也特別敏感，濃度在小于2微升/升時，就能抑制它發(fā)光，而這樣低的濃度還不會對人眼產(chǎn)生刺激作用。盡管這樣低的空氣污染水平，也可能在高等生物中引起細微的生理學(xué)影響，但是人們卻不易覺察它，在這方面，微生物可以成為我們很好的助手。．沼氣發(fā)酵肥的優(yōu)點

沼氣發(fā)酵有三大好處：(A)發(fā)酵后的廢水廢渣，可作肥料施用，而且干物質(zhì)中氮的損失要比堆漚肥少一半。（B）飼料(C)燃料六、沼氣發(fā)酵：沼氣是寶貴的生物能源，可以人為產(chǎn)生，對解決能源和環(huán)境保護有突出重要意義。沼氣是多種氣體的混合氣體，包括甲烷占60％～70％，CO2占30%～35%，H2S、N2、H2和NH3這些氣體含量微小，約占沼氣的5％左右。在沼氣中CH4含量50％以上就可燃燒。沼氣是來自有機物質(zhì)的分解，但有機物質(zhì)的分解不一定都能產(chǎn)生沼氣。沼氣是在特定的厭氧條件，同時又不存在硝酸鹽、硫酸鹽和日光的環(huán)境中形成的。形成沼氣的過程叫沼氣發(fā)酵。在沼氣發(fā)酵過程中二氧化碳為碳素氧化的終產(chǎn)物，甲烷為碳素還原的終產(chǎn)物。在沼氣發(fā)酵過程中參與甲烷形成的細菌統(tǒng)稱為甲烷細菌。甲烷細菌的特性

甲烷細菌都是專性嚴格厭氧菌，對氧非常敏感，遇氧后會立即受到抑制，不能生長、繁殖，有的還會死亡。甲烷細菌生長很緩慢，在人工培養(yǎng)條件下需經(jīng)過十幾天甚至幾十天才能長出菌落。原因是它可利用的底物很少，只能利用很簡單的物質(zhì)，如CO2、H2、甲酸、乙酸和甲基胺等。這些簡單物質(zhì)必須由其它發(fā)酵性細菌，把復(fù)雜有機物分解后提供給甲烷細菌，所以甲烷細菌一定要等到其它細菌都大量生長后才能生長。同時甲烷細菌世代時間也長，有的細菌20分鐘繁殖一代，甲烷細菌需幾天乃至幾十天才能繁殖一代。能形成甲烷的細菌都是原核生物，目前尚未發(fā)現(xiàn)真核生物能形成甲烷。甲烷細菌有球形、桿形、螺旋形，有的呈八疊球狀，還有的能聯(lián)成長鏈狀。在自然界形成甲烷的地方主要有沼澤地、水稻田、井地、河湖淤泥及反芻動物瘤胃。反芻動物瘤胃具有產(chǎn)甲烷的良好條件，所以瘤胃被稱為產(chǎn)甲烷的天然高效能