自然环境中的微生物
自然环境中微生物
“凤凰号”驻留火星的不算长久的生命 中，传回了很多有价值的数据资料。
二、淡水体中微生物的数量和 分布
洁净的湖泊中10～1000个/mL 典型的清水型微生物以化能自 养微生物和光能自养微生物为 主，如硫细菌、铁细菌和衣细 菌等，以及含有光合色素的蓝 细菌、绿硫细菌和紫细菌等。
养鱼塘中 107个/mL
腐败型水生微生物尤其是细菌和原生动物大量繁殖， 每毫升污水的微生物含量达到107～108个。其中主 要为各种肠道杆菌、芽胞杆菌、弧菌和螺菌等。这 些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污水也就逐步净化变清。
三、嗜酸和嗜碱微生物 1.嗜酸微生物 Thiobacillus ferrooxidans最适pH值2～3 其细胞内pH值6～6.5 细胞内存在着与金属抗性有关的质粒 嗜酸菌分布于酸性温泉、煤堆等酸性环境
七、环境条件对水体中微生物群落的影响 有机营养物浓度 无机盐浓度 CO2、O2浓度 温度 光照 水流…...
八、微生物在水体生态系统中的作用 1.降解不溶性有机物 2.同化可溶性有机物 3.参与无机元素循环 4.作为初级生产者，支撑起水体生态系统
空气中的微生物群落
空气不是微生物生长 的合适环境 营养物质 光照 来源于土壤、水、动 植物
空气中微生物的特点 1.数量分布 微生物以附着在尘埃上为主 有的以孢子形式存在 随季节变化 借助空气传播，最高85km
2.种群特点
空气中细菌以形成芽胞、产色素为多 真菌以孢子形式为主 病毒以有机体形式存在 室内外空气中微生物种群和数量差别大
微生物在自然界中的重要角色
微生物在自然界中的重要角色在自然界中，微生物扮演着极其重要的角色，对地球生物圈的平衡和生态系统的功能发挥至关重要。
微生物包括细菌、真菌、病毒等微小的生物体，它们广泛存在于土壤、水体、大气、人体等各个环境中。
以下将详细介绍微生物在自然界中的重要角色。
首先，微生物在土壤中起着关键的生态功能。
土壤中的微生物通过分解有机物质，促进有机物质的循环和分解。
它们分解死物质和废弃物，将有机物分解为无机物，从而在土壤中形成新的养分循环。
这个过程被称为腐殖质的形成，能够提供植物生长所需的营养物质。
此外，微生物还能够固定空气中的氮气并转化为植物可吸收的氮化合物，从而提供了植物所需的氮元素。
因此，微生物在土壤中的作用对于维持土壤生产力和植物生长至关重要。
微生物在水体中也发挥着重要作用。
水体中的微生物通过参与有机物质分解和循环，起到净化水质的作用。
它们能够降解有机废物，分解有毒物质，并将其转化为无害或较少有害的物质。
此外，水体中的微生物还能够抑制藻类过度生长，维持水体生态系统的平衡。
同时，一些特殊的微生物还能够对有害物质进行生物吸附、生物降解或转化，从而减少水污染对环境和人类的危害。
除了土壤和水体，微生物在大气中也发挥着重要的作用。
大气中的微生物主要是以微小颗粒物或悬浮微粒的形式存在，被称为大气微生物。
它们通过微粒的运动和降雨的作用进入地表，进而影响生物圈的地面生态系统。
大气微生物具有生物气溶胶的功能，能够传播和转移不同地区的微生物群落。
这对于生物多样性的维持和物种的分布具有重要意义。
此外，微生物在人体中也扮演着重要的角色。
人体内存在着大量的微生物，包括肠道菌群、皮肤菌群等。
这些微生物与人体共同组成了微生物群落，对人体的健康和免疫系统发挥着重要作用。
微生物在消化道中能够帮助消化食物，合成并供给人体必需的维生素。
它们还能够抵抗外来的病原微生物，维持人体免疫系统的平衡。
研究表明，微生物与人体的相互作用与许多疾病的发生和发展密切相关，例如肠道微生物群落的紊乱与肠道疾病、免疫系统相关疾病等的关联性。
自然环境中的微生物
生态位分化
不同微生物占据不同的生 态位，形成复杂的生态关 系和食物链。
微生物对人类活动的响应
污染治理
微生物可用于降解污染物，净化水体和土壤 。
生物工程应用
通过基因工程改造微生物，实现生物燃料、 生物制品等的生产。
生态恢复
利用微生物促进受损生态系统的恢复和重建 。
05
微生物的利用与保护
微生物在农业生产中的应用
竞争关系
资源竞争
微生物之间争夺有限的食物、水分、氧气和生存空间等资源，竞争激烈时会导致其中一些微生物死亡或被淘汰。
优势竞争
某些微生物在竞争中占据优势地位，通过快速生长和繁殖来排挤其他竞争者，获取更多资源。
寄生关系
专性寄生
一种生物必须依赖另一种生物才能生存 ，并对后者造成损害。例如，病毒必须 寄生在活细胞内才能生存和繁殖，它们 侵入细胞并利用细胞内的物质和能量进 行复制，导致细胞死亡。
微生物的特点与功能
特点
微生物具有体积小、数量庞大、分布 广泛、繁殖迅速等特点。
功能
微生物在自然界中发挥着分解有机物 、提供养分、参与物质循环等重要作 用。
微生物在自然界中的地位
生态平衡
微生物在维持生态平衡方面发挥 着关键作用，通过分解有机物， 将动植物残体和排泄物中的有机 物质转化为无机物质，供植物吸
利用微生物提高石油采收率，降低采油成本。
微生物制药
利用微生物生产抗生素、疫苗等生物药物，治疗 人类和动物疾病。
微生物在环境保护中的应用
生物修复
利用微生物降解有机污染物，治理土壤和水体污染。
生物监测
利用微生物对环境变化的敏感性，监测环境污染状况。
生物能源
利用微生物发酵产生生物燃料，如生物乙醇、生物柴油等。
3.1极端自然环境中的微生物1
一、高温环境中的微生物
一般嗜热菌可以分为三类：
① 专性嗜热菌：最适生长温度在65℃ -70℃之间，当 生长温度低于35℃时，生长便停止。 ② 兼性嗜热菌（耐热菌）：生长温度范围介于嗜热菌和 嗜中温菌生长温度（13℃ -45℃ ）之间，其最适生 长温度在55℃ -65℃之间。 ③ 抗热菌：最适生长温度在20℃ ～50℃之间，但也能 在室温下生长。
一、高温环境中的微生物
嗜热微生物（thermophilic microorganisms） 包括蓝细菌、光合细菌、芽孢杆菌、乳酸菌、 甲烷菌、甲基营养菌、硫氧化菌、硫还原菌、 假单胞菌、放线菌、原生动物、藻和真菌等。
地热泉
不同类群微生物生长的最高温度 微生物类群 生长的最高温度（ ℃ ） ≤65 原生动物 ≤60 藻 ≤62 真菌 ≤73 蓝细菌 ≤73 光合细菌 ≤90 化能自养菌 ≤90 异养菌
0～5℃可生长繁殖， 最适生长温度可达20℃以上的微生物
嗜冷微生物（psychrophiles）
嗜中温微生物（mesophilies）
13～45℃下能生长的微生物
2、微生物种类
嗜冷菌：噬纤维菌，短杆菌，弧菌(对高温敏 感，分布范围窄)
耐冷菌：芽孢杆菌，节杆菌，假单胞菌
嗜冷菌绝大多数是G-菌
对细胞基因调控和RNA合成的影响
温度升高，嗜冷菌中阻遏蛋白能更加紧 密于DNA结合，阻碍酶的形成 温度升高，嗜冷菌和耐冷菌RNA合成停 止 温度升高，耐冷菌Micrococcus cryophilus中蛋白质和DNA含量不变，但由 于RNA酶失活而导致RNA含量下降
二、低温微生物适应低温的分子机理
42万年的南极东方湖（Lake Vostok） 3593m处 的冰芯中分离到的活细菌。
自然环境中微生物的多样性和生态功能
自然环境中微生物的多样性和生态功能自然环境是生命的源泉，包含着众多生物多样性和生态系统功能。
其中，微生物是自然界中最早出现的生命形式之一，也是最重要的生物族群之一。
微生物不仅在物质循环、能量转化、土壤肥力、污染治理等环境过程中发挥着至关重要的作用，而且对于维持生态系统的平衡和稳定也起着不可或缺的作用。
本文将主要讨论自然环境中微生物的多样性和生态功能。
一、自然环境中微生物的多样性微生物是包括细菌、真菌、病毒等单细胞生物在内的复杂组合，广泛分布在自然环境中。
据估计，目前已知的微生物种类数量约为10^7种，在自然环境中的分布和多样性非常广泛。
以土壤为例，每克土壤中微生物数量可以高达10^11-10^12个，包括细菌、真菌、放线菌、原生动物等，其中约有1%的微生物已经被研究。
关于微生物的多样性，从传统的分类方式来看，微生物可以根据其形态、代谢特性、遗传学等多种方式来划分。
近年来，基因组学的发展使得我们可以从更深层次的角度了解微生物的多样性。
例如，基于微生物的16S rRNA或ITS序列绘制系统发育树，可以清晰地了解不同微生物种类之间的演化关系。
同时，利用多重PCR和高通量测序技术，可以把微生物在细胞、群体和功能上进行深入研究。
二、微生物在自然环境中的生态功能微生物在自然环境中有着众多的生态功能。
具体而言，它们在物质循环、能量转化、土壤肥力、污染治理等方面发挥着至关重要的作用。
1.物质循环微生物在自然环境中参与着多种物质循环，如碳循环、氮循环、硫循环等。
其中，碳循环是微生物最为关键的生态功能之一。
碳循环包括有机质的降解、无机碳的固定和释放。
微生物通过产生酶类加速有机质的分解，将有机物转化为二氧化碳或甲烷等无机碳形式。
此外，微生物也可以通过光合作用向环境中释放有机质，从而促进碳循环。
2.能量转化微生物在自然环境中扮演着能量转化的重要角色。
微生物可以通过化学合成或光合作用提供多种各异的能量源，从而维持自身的生存。
环境微生物
环境微生物的多样性及其特点
环境微生物的多样性
• 物种多样性：环境微生物种类繁多，包括细菌、真菌、放线菌、原生动物、病毒 等 • 基因多样性：同一种环境微生物内部具有不同的基因型，具有不同的生物学特性 • 生态多样性：环境微生物在不同生态环境中具有不同的分布、数量和种类
环境微生物的特点
• 数量庞大：环境微生物在自然界中的数量庞大，几乎无处不在 • 种类繁多：环境微生物种类繁多，具有广泛的生物学功能 • 适应性强大：环境微生物具有很强的适应性，能在各种恶劣环境中生存
环境微生物对呼吸道疾病的影响
• 发病机制：环境微生物通过黏附、侵袭、繁殖等过程引起呼吸道疾病 • 疾病预防：通过改善环境微生物的分布，降低呼吸道疾病的发病率
环境微生物与消化道疾病
环境微生物与消化道疾病的关联
• 细菌：部分细菌能引起消化道感染，如沙门氏菌、志贺氏菌等 • 真菌：部分真菌能引起消化道感染，如白色念珠菌、新型隐球菌等 • 病毒：部分病毒能引起消化道感染，如肠道病毒、轮状病毒等
环境微生物分布的影响因素
• 环境因素 • 温度：环境微生物在一定的温度范围内生长，温度对微生物的生长速度和种类具有重要影响 • 湿度：环境微生物的生长需要一定的水分，湿度对微生物的生长速度和种类具有重要影响 • 有机物：环境微生物的生长需要营养物质，有机物含量对微生物的种类和数量具有重要影响 • 氧气：部分环境微生物需要氧气进行生长，氧气浓度对微生物的生长速度和种类具有重要影响
环境微生物与气候的关系
• 气候类型：不同气候类型的地区，环境微生物的种类和 数量不同 • 气候变化：气候变化会影响环境微生物的种类和数量， 如全球变暖会导致某些微生物数量的增加
03
环境微生物与生态系统的相互作用
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在环保上的应用
生物修复
利用微生物降解和转化污染物，降低污染物的毒 性。
污水处理
利用微生物处理污水，降低污染物含量，实现污 水资源化利用。
有机废弃物处理
利用微生物将有机废弃物转化为肥料、沼气等资 源，实现废弃物的资源化利用。
06
微生物的危害与防治
病原微生物的危害
传播疾病
病原微生物如细菌、病毒等是导致人类和动物疾病的常见原因，如 霍乱弧菌、流感病毒等。
空气中的微生物
空气细菌
空气中存在着大量的细菌，它们 主要来自土壤、水体等自然环境，
也有人为污染源。
空气真菌
空气真菌包括霉菌、酵母菌等， 它们在空气中飘浮，有时会引发
人类和动物的呼吸系统疾病。
病毒
病毒是一种极其微小的微生物， 主要通过空气传播，可引起人类
和动物的多种疾病。
极端环境中的微生物
高温环境中的微生物
分解方式
微生物通过分泌酶将有机物分解成小分子，如氨基酸、单糖和脂肪酸等， 再进一步分解成更简单的物质。
03
生态意义
分解有机物是自然环境中物质循环的重要环节，对维持生态平衡起着至
关重要的作用。
转化物质
1 2 3
转化物质
微生物能够将一些物质转化为另一种物质，如将 氨气转化为硝酸盐、将硫化物转化为硫酸盐等。
微生物的分类
根据其形态、结构、生理和遗传 特征，微生物可被分为细菌、真 菌、藻类、原生动物和病毒等不 同类型。
微生物的特点与功能
体积微小
繁殖快
微生物的体积非常微小， 通常在微米级别，因此
肉眼难以观察。
微生物具有极快的繁殖 速度，可以在短时间内
微生物在自然界中的作用
微生物在自然界中的作用微生物是一类极小的生物体，包括细菌、真菌、病毒等。
虽然微生物在我们的日常生活中很难察觉到，但它们在自然界中发挥着重要的作用。
本文将探讨微生物在自然界中的几个主要作用。
一、微生物在生态系统中的循环作用微生物在自然界中承担着重要的生态功能，特别是在有机物的分解和循环过程中起到了关键作用。
在分解过程中，微生物以有机物为食物，通过分解有机物质，将其转化为无机物质，例如二氧化碳、水和无机盐等，这些无机物质又可以被其他生物吸收利用。
由此可见，微生物在碳循环、氮循环、硫循环等方面发挥着重要的媒介和调节作用。
二、微生物在土壤中的作用微生物是土壤中的重要组成部分，其中的细菌和真菌起着重要的生态功能。
首先，微生物通过分解有机物质，使得土壤中的营养元素得以释放，供植物吸收利用，促进植物的生长和发育。
其次，微生物还通过与根系共生，形成根瘤菌等，为植物提供固氮或促进植物吸收氮的能力，从而改善土壤质量。
三、微生物在水体中的作用微生物在水体中的作用同样不可忽视。
一方面，微生物通过分解有机物质，降解污染物，净化水体。
另一方面，微生物还可以在水体中形成复杂的食物链和食物网，维持水域生态系统的平衡。
此外，一些微生物还可以分解水中的有害物质，如农药残留和重金属污染物等，对水体的环境保护具有积极的作用。
四、微生物在环境修复中的应用由于微生物具有高度的适应性和致病性微生物破坏能力，因此可以利用微生物在环境修复中发挥作用。
例如，在油污染治理方面，微生物可以通过生物降解作用，将石油中的有机物分解为无害物质，从而达到净化环境的目的。
同样，在废水处理、土壤污染修复和垃圾处理等方面，微生物也发挥着重要的作用。
五、微生物在食品和医药领域的应用除了在自然界中的生态作用，微生物在食品和医药领域也有广泛应用。
在食品方面，微生物发酵产生的酸、酶和气体等物质被广泛应用于食品加工中，既起到风味调味剂的作用，又促进了食品的消化和吸收。
在医药领域，微生物被用于生产抗生素、疫苗和其他药物，为人类的健康提供了重要的支持。
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生物群落community ：指生活在特定空间 或区域的所有生物种群的集合体
种群population ：指生活在特定空间或区 域的同一物种的所有个体的集合体
生物圈biosphere ：地球上所有生物群落以 及它们生存的环境的总体，统称为生物圈。 微生物只是生态系统中生物群落的一部分。
(2) 腐败型水生微生物 在含有大量外来有机物的水体中生长。
1) 细菌：
2) 原生动物； 3) 动植物致病菌。
(3) 淡水生境中微生物的垂直分布规律 沿岸区：阳光充足、溶氧量大，适合蓝细菌、光合藻类和 好氧微生物生长； 深水区：光线微弱、溶氧量少、硫化氢含量较高，适合厌 氧光合细菌生长； 湖底区：严重缺氧；适合厌氧菌生长。
生 命 科 学 研 究 的 层 次
生物圈 biosphere 生态系统 ecosystem 群落 community 种群 population 个体 individual 器官 organ 组织 tissue 细胞 cell 细胞器 organelle 分子 molecule
生态系统ecosystem ： 在一定的时间和空间内生物群落与它们的 环境通过物质循环和能量流动相互作用,相 互依存而构成的一个生态学功能单位。
微生物在生态系统中的作用
•有机物的主要分解者； •物质循环中的重要成员； •生态系统中的初级生产者； •物质和能量的储存者； •地球生物演化中的先锋种类
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 微生物与生物环境间的关系
第三节微生物在自然界物质循环中的作用
第四节 污水的微生物处理
第一节 微生物在自然界中的分布与菌种 资源的开发
4) 藻类：光能自养型，较少，一般 103 ～ 104 / 克，主要生 活在光照和CO2供应充足的浅层土中 5) 原生动物：数量变化大， 10 ～ 105/克不等，富含有机 质的土壤含量较多。
(2) 分布 • 影响因素：土壤肥力（有机物类型及含量）、湿度、 pH、土壤类型、 深度、植被、耕作状况、季节等。 1) 水平分布：取决于有机物的种类和浓度； 2) 垂直分布：表面土数量少；5~20cm处最多；20cm以 下随深度增加而减少。
第八章 微生物的生态
本章要求掌握： 1. 了解生态学、生态系统与微生物生态学定义。 2. 了解自然界中微生物在土壤、水体、空气及其他基质中 的广泛分布，掌握微生物与生物环境间的主要关系类型。 3. 了解微生物在自然界中各大类物质循环中的作用和地位， 熟练掌握微生物在氮素循环中的作用和地位，理解细菌沥 滤的基本原理。 4. 掌握富营养化、水华、赤潮、活性污泥、BOD、COD等 重要概念，理解微生物处理污水的基本原理和几种常见方 法，了解沼气发酵过程。
2、淡水生境中的微生物 (1)清水型水生微生物 生活在有机物含量低的水体中。
1) 自养型微生物
包括化能自养微生物（硫细菌、铁细菌）和光能自养 微生物（蓝细菌、铁硫细菌和紫细菌）。
2) 贫营养细菌
指一些能在1-15mgC/L低含量有机质培养基中生长的 细菌。
3) 一些霉菌；
4) 单细胞和丝状的藻类及一些原生动物。
2、土壤中微生物的种类、数量及分布
(1) 种类及数量
数量：108 ~ 109 /克肥沃土，106 ~ 107个/克贫瘠土 细菌（~108）﹥放线菌（~107）﹥霉菌（~106）﹥酵母 菌（~105）﹥藻类（~104）﹥原生动物（~103） 1) 细菌： 是土壤中数量最多的微生物，包括氨化细菌、硝化细菌 、反硝化细菌、固氮细菌以及纤维素分解菌等。从形态来看 ，多为杆菌和球菌；从生理类型来说，一般为中温型的好氧 菌或兼性厌氧异养菌。适宜在潮湿、pH近中性土壤中生长。
（二）水生态圈 1、淡水生境生态特征 • 营养状况：地下水、自流井、泉水、溪流以及洁净的湖 泊和水库中，有机物含量低；池塘、河流有机物含量高。 • 温度：各种水体也有较大差异，并随着季节等有较大 变化。一般淡水在0-36℃之间。 • 氧分压：水体中空气供应较差。因此，氧气是水生环境 里最重要的限制因子。静水湖泊更为明显，江河水域由 于水的流动溶解氧能不断得以补充。 • pH值：变化范围 3.7-10.5 之间，大多数淡水 pH值6.58.5，适于微生物生长。
微生物的生态：
指周围环境（包括生物及非生物条件）对微生物区系或正 常菌群的作用以及微生物对周围环境的反作系或正常菌群对其周围环境 的生物和非生物条件相互作用关系的科学。
微生物生态学的研究内容：
1、研究微生物的分布规律； 2、研究微生物间及其与它种生物间的相互关系； 3、研究微生物在自然界物质循环中的作用
一、自然环境中的微生物 （一）岩土生态圈
1、生态学特征
•水分：土壤中的水分虽然变化较大，但基本上可以满足微生物 的需要
•营养状态：有机物、无机盐、微量元素等。
•pH：3.5~8.5，多数在5.5~8.5。 •氧气：土壤空隙中充满着空气和水分，为好氧和厌氧微生物的 生长提供了良好的环境。 •渗透压：0.3~0.6MPa，适合于微生物生长。 •温度：土壤的保温性能好，与空气相比，昼夜温差和季节温差 的变化不大 •保护层：几毫米厚（微生物便可免于被阳光直射致死）
2) 放线菌：
数量较少，但种类多，异养型，pH 6.5-8.0 时种类数 量丰富，主要存在于有机质丰富的土壤中，干旱土中较多。
3) 真菌：
生活在近地面的土层中，以菌丝体和孢子的形式存在， 数量相对较少。 •异养型 霉菌：严格好氧类群，在通气良好的耕作土壤中广泛分布， 酸性土壤中霉菌比例增加
酵母菌：几个～几千个/克，果园、养蜂场等含糖丰富土壤 中较多（105个/g）
研究微生物生态学的意义 1、有助于开发丰富的菌种资源； 2、有助于防止有害微生物的活动； 3、有助于发展新的微生物农药、微生物肥料； 4、有助于防止人和动植物病虫害； 5、有助于发展混菌发酵、序列发酵和生态农业； 6、有利于阐明地球进化和生物进化的原因；
7、能促进探矿、冶金、环保、提高土壤肥力以及开发生 物能等各项生产事业的发展。