第九章 微生物的生态与功能

5 捕食关系
捕食(predation)或捕食关系(predator-prey relationship)是指一种微生物以另一种微生物为食。
捕食者（predator）从被捕食者（prey）得到营养，对 被捕食者种群产生不良影响，有时捕食者可能导致被捕 食者种群消失。但如果被捕食者暂时逃过捕食者的捕食 压力而再度出现，捕食者与被捕食者种群的相互作用导 致两种群有规律的周期波动。
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。
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5 微生物是地球生物演化过程中的先锋种类 微生物是地球上最早出现的生物体，并进化 成后来的动、植物。特别是藻类的产氧作用， 改变大气圈中的化学组成，为后来动、植物 出现打下基础。即使是现在，微生物也是地 球上原生裸地及受损生态系统的演化及恢复 的开拓者。
(2)生境中的碳循环
生境中的碳循环是生物圈总循环的基础，异 养的大型生物和微生物都参与循环，但微生 物的作用是最重要的。 在好氧条件下，大型生物和微生物都能分解 简单的有机物和生物多聚物(淀粉、脂肪、蛋 白质、果胶、纤维素等) 但微生物是唯一在厌氧条件下进行有机物分 解的。微生物能使非常丰富的生物多聚物得 到分解，腐殖质、蜡和许多人造化合物只有 微生物才能分解。
第一节
生态学及微生物在生态系统中 的地位与作用
一、生态学 二、微生物在生态系统中的角色 三、微生物间的相互关系 四、微生物在生态系统物质循环中的功能与作用
一、生态学
生态学（ecology）是研究生物与环境之间以及生物 与生物之间相互关系的科学。 近代生态学的发展推进到了生态系统生态学的水平， 生态系统生态学从生态系统的整体出发，考察系统 中生物之间、生物与环境之间的生态关系，形成了 生态系统、食物链、食物网、能量流、信息流、物 质循环以及生产者、消费者、分解者的新概念和新 的理论框架。生态学的发展，使得人们思考问题的 角度与方式发生了深刻的变化。生态学家提出，一 切环境工程应该遵循生态学原理。
1 互生关系
互生关系(syntrophism)即两种可以单独生活 的微生物，当共同生活在一起时，可以互为 对方创造有利的生活条件或一种微生物活动 的结果为另一种微生物创造了有利的生活条 件。 举例：
好氧性自生固氮菌与纤维素分解菌 人体肠道中的正常菌群与人 发酵工业中的混菌培养
特点：互生关系的有利作用，可以是单方面 的，也可以是相互的。
1 碳循环
碳元素是一切生命有机体的最大组分，接近有机物质干重的 50％。碳循环是生物圈中最重要的物质循环
碳循环---主要以二氧化碳的形式进行 碳循环---主要以二氧化碳的形式进行
(1)碳在生物圈中的总体循环
初级生产者通过光合作用把CO2转化成有机碳。 初级生产的产物为异养消费者利用，并进一步进行 循环，部分有机化合物经呼吸作用被转化为CO2。 初级生产者和其他营养级的生物残体最终也被分解 而转化成CO2。 大部分绿色植物不是被动物消费，而是死亡后被微 生物分解，CO2又被生产者利用。化石燃料是古代动 植物残体转化而来，通过燃烧转化为CO2。
噬菌体与细菌或放线菌的关系是微生物间典型的寄生 关系。 细菌与细菌之间，细菌与真菌之间，真菌与真菌之间 也都存在着寄生关系，如食菌蛭弧菌可寄生在假单胞 菌、大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌体内。 土壤中一些溶真菌细菌，它们寄生于真菌体中生长繁 殖，因而杀死真菌造成寄主菌丝溶解。
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根据寄主范围又分为专性寄生与兼性寄生。
三、微生物间的相互关系
自然界中微生物种类繁多，生态系统中各类微生物 自然界中微生物种类繁多， 都不是孤立存在的，而是彼此相互联系，相互影响。 都不是孤立存在的，而是彼此相互联系，相互影响。 微生物相互关系复杂多样， 微生物相互关系复杂多样，根据其相互间关系的紧 密程度，大致可分为以下几个方面： 密程度，大致可分为以下几个方面： 1 互生关系 2 共生关系 3 寄生关系 4 拮抗关系 5 捕食关系
举例：
真菌与绿藻共生 真菌与蓝细菌共生 根瘤菌与豆科植物 非豆科植物与放线菌的共生 白蚁与其肠液中的细菌和原生动物 反刍动物（ 鹿和骆驼等） 反刍动物（牛、羊、鹿和骆驼等）与瘤胃中的微生物
3 寄生关系
寄生关系(parasitism)即一种生物直接侵入另一种 生物体内摄取营养，以满足生长繁殖的需要。前者 称为寄生物或寄生体，后者称为寄主或宿主。
微生物所产生的某种代谢产物，具有专一抑制或杀死另 一种(或另一类)微生物的作用，即为特异性拮抗关系。 例如微生物产生的抗生素，抗生素对微生物的作用具有 很强的选择性，有的只作用于G+ 细菌，有的只对G － 细菌 起作用。利用微生物的这种拮抗关系，可以进行生物防 治，以减少农药的使用量。 乳酸菌产酸使pH值下降，抑制腐败菌的生长，不耐酸的 细菌均可受到抑制，无专一性。 ♂
冬虫夏草
蝙蝠蛾产卵于土中→幼虫→ 冬虫夏草菌侵入幼虫 体内→ 不断繁殖→ 天气转暖→ 幼虫头部长出子 座→ 膨大成椭圆形；
4拮抗关系 拮抗关系
拮抗关系(antagonism)是指一种微生物在其生命活 动过程中产生某种代谢产物或改变环境条件，从而 抑制其它微生物生长繁殖甚至杀死其它微生物的现 象。 拮抗关系分为特异性拮抗关系和非特异性拮抗关系。
专性寄生指只有在寄主内生活，脱离寄主就 无法生活的寄生方式； 兼性寄生是指这种微生物找不到寄主时可进 行腐生生活，遇上合适寄主时，营寄生生活。
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举例：
噬菌体与其宿主菌 蛭弧菌与大肠杆菌 真菌和病毒与植物 病原微生物与人体 苏云金杆菌与昆虫—细菌杀虫剂 苏云金杆菌与昆虫 细菌杀虫剂 球孢白僵菌与昆虫—真菌杀虫剂 球孢白僵菌与昆虫 真菌杀虫剂 病毒与昆虫—病毒杀虫剂 病毒与昆虫 病毒杀虫剂 冬虫夏草菌（中华虫真菌）与蝙蝠蛾—名贵中药 冬虫夏草菌（中华虫真菌）与蝙蝠蛾 名贵中药
碳、氮、磷、硫等的循环受二个主要的生物过程控 制，一是光合生物对无机营养物的同化，二是后来 进行的异养生物的矿化。实际上所有的生物都参与 生物地球化学循环，但微生物在有机物的矿化中起 决定性作用，地球上90％以上有机物的矿化都是由 细菌和真菌完成的。
1 碳循环 2 氮循环 3 硫循环 4 磷循环 5 铁循环 6 其他元素的循环
如污水处理系统中，原生动物对细菌及其他微生物 的吞食，微型后生动物以原生动物为食，形成食物 链。
四、微生物在生态系统物质循环中的功能与作用 生物地球化学循环(biogeochemical cycles)是指生 物圈中的各种化学元素，经生物化学作用在生物圈 中的转化和运动。 这种循环是地球化学循环的重要组成部分。地球上 的大部分元素都以不同的循环速率参与生物地球化 学循环。 生命物质的主要组成元素(C、H、O、N、P、S)循环 很快，少量元素(Mg、K、Na、卤素元素)和痕量元素 (Al、B、Co、Cr、Cu、Mo、N、Se、V、Zn)则循环较 慢。属于少量和痕量元素的Fe、Mn、Ca和Si是例外， 铁和锰以氧化还原的方式快速循环。钙和硅在原生 质中含量较少，但在其他结构中含量很高。
1 微生物是有机物的主要分解者
微生物最大的作用在于其分解功能。它们分 解生物圈内存在的动物、植物和微生物残体 等复杂有机物质，并最后将其转化成简单的 无机物，再供初级生产者利用。微生物对人 工合成的环境污染物具有很强的分解潜力。 Back
2 微生物是生态系统中的初级生产者
营光合作用和化能营养的微生物，如蓝藻、 化能自养菌，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， 一方面可直接利用太阳能、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。 Back
2 共生关系
共生关系(symbiosis)可以看成是互生关系的高级阶 段。当两种微生物共生在一起时，彼此相互依存， 创造互为有利的条件。有些甚至在生理上有一定的 分工，而在组织和形态上形成了特殊的共生体，一 旦分离，难以独自生活。
典型的共生关系应属真菌与藻类共同形成的地衣。地衣 具有特定的结构，共生菌从共生藻得到有机养料，同时 共生菌从基质中吸收水分和无机养料供给共生藻。共生 藻利用共生菌得到的水分和无机物，进行光合作用合成 有机物，既满足自身需要又满足共生菌的要求。 ♂
土壤中固氮菌与纤维素分解菌之间为典型的互 生关系。土壤中存在着大量的纤维素，固氮菌 不能直接利用，纤维素分解菌虽能分解纤维素， 但分解后会积累大量的有机酸，对自身生长不 利。当二者生活在一起时，前者以后者产生的 有机酸作为碳源和能源生长，后者依靠前者将 自己产生的有机酸氧化，解除了由于有机酸积 累使自身中毒的隐患。
3 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，需要进行同化作 用，合成储藏能量的有机物。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，因而也是生物圈中物质和能量的 贮存者。 back
4 微生物是物质循环中的重要成员
微生物既是有机物的分解者，又是物质和能量的贮 存者与生产者，所以，微生物参与几乎所有的物质 循环，大部分元素及其化合物都受到微生物的作用。 可以看出，微生物既是物质循环的发起者，也是物 质循环的承担者。
太阳
生产者 （自养生物）
食草动物 初级消费者
食肉动物 次级消费者
能量 无机非生 物成分物 分解者 （异养微生物） 物质
图9-1 生态系统组成结构及功能
二、微生物在生态系统中的角色
1 2 3 4 5 微生物是有机物的主要分解者 微生物是生态系统中的初级生产者 微生物是物质和能量的贮存者 微生物是物质循环中的重要成员 微生物是地球生物演化中的先锋种类
碳的循环转化中除了最重要的CO2外，还有CO、 烃类物质等。
藻类能产生少量的CO并释放到大气中， 一些异养和自养的微生物能固定CO作为碳源(如 氧化碳细菌)。 烃类物质(如甲烷)可由微生物活动产生，也可被 甲烷氧化细菌所利用。
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2 氮循环
氮循环由6种氮化合物的转化反应所组成，包括固氮、氨化 (脱氨)、硝化作用、反硝化作用及硝酸盐还原。它们大多实 际上都是氧化还原反应。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组成部分。
第九章
微生物的生态与功能
生态学及微生物在生态系统中的地位与作用 土壤微生物生态与功能 水体微生物生态与功能 空气中的微生物
研究微生物生态规律的意义
研究微生物的分布规律—发掘丰富的菌种资源， 研究微生物的分布规律 发掘丰富的菌种资源， 发掘丰富的菌种资源 推动进化、分类的研究和开发应用； 推动进化、分类的研究和开发应用； 研究微生物与它种生物的关系—开发新的微生 研究微生物与它种生物的关系 开发新的微生 物农药、微生物肥料、微生态制剂； 物农药、微生物肥料、微生态制剂； 研究微生物在自然界物质循环中的作用—探矿、 研究微生物在自然界物质循环中的作用 探矿、 探矿 冶金、治理环境污染、开发生物能源等。 冶金、治理环境污染、开发生物能源等。
在废水生物处理过程中，微生物多存在 互生关系。
例如:炼油厂废水中含有H2S、NH3和酚等，H2S 和酚对细菌都有毒害作用，但系统中由于硫 磺细菌的作用将H2S进行氧化，为酚降解菌提 供了S元素。
自然界或生物处理构筑物中，氨化细菌、亚硝化 细菌、硝化细菌之间的关系也属于互生关系。
有机氮对亚硝化细菌有抑制作用，氨化细菌可将有机 氮分解成氨或胺盐，氨或胺盐是亚硝化细菌的食料， 因此，氨化细菌既为亚硝化细菌解除了毒害作用，又 提供了养料。 氨对硝化细菌有毒害作用，亚硝化细菌能将氨氧化成 亚硝酸，亚硝酸是硝化细菌的食料，因此，亚硝化细 菌既为硝化细菌解除了毒害作用又为其提供了营养。 这些表现为单方获利的互生关系。♂
微生物是生态系统的重要组成成员
特别是作为分解者分解系统中的有机物，对 生态系统乃至整个生物圈的能量流动、物质 循环发挥着独特的、不可替代的作用。见下 图
由于微生物在生态系统中特殊地位与作 用，特别是微生物降解环境污染物的巨 大潜力，使其在控制污染、修复污染环 境中发挥重要作用。微生物对植物生长 的促进和其他有益作用，也有助于缓解 生态破坏，恢复受损生态系统。