農(nóng)業(yè)微生物學(xué)課件

第二

章

微生物的營養(yǎng)和培養(yǎng)基第一節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)營養(yǎng)物（nutrient）：那些能夠滿足微生物機體生長、繁殖和完成各種生理活動所需的物質(zhì)。

微生物的營養(yǎng)物為它們正常生命活動提供結(jié)構(gòu)物質(zhì)、能量、代謝調(diào)節(jié)物質(zhì)和良好的生理環(huán)境營養(yǎng)（nutrition）：是指生物體從外部環(huán)境攝取其說明活動所必須的能量和物質(zhì)，以滿足其生長和繁殖需要的一種生理功能。營養(yǎng)為一切生命活動提供了必需的物質(zhì)基礎(chǔ)是一切生命活動的起點一微生物的六種營養(yǎng)要素微生物細胞的化學(xué)組成A、微生水：70%-90%物細胞

干物質(zhì)有機物：蛋白質(zhì)、糖、脂、核酸、維生素等及其降解產(chǎn)物礦質(zhì)元素

與高等生物的“營養(yǎng)上的統(tǒng)一性”B、細胞化學(xué)元素組成：主要元素：碳、氫、氧、氮、磷、硫、鉀、鎂、鈣、鐵等；微量元素：鋅、錳、鈉、氯、鉬、硒、鈷、銅、鎢、鎳、硼等。二、微生物營養(yǎng)物質(zhì)及其功能水微生物營養(yǎng)物質(zhì)碳素化合物氮素化合物礦質(zhì)元素生長因子1、碳素化合物(碳源)：凡能提供微生物營養(yǎng)所需的碳元素的營養(yǎng)源，稱為碳源。

微生物細胞含碳量：細胞干重的50%。有機碳源利用異養(yǎng)微生物

碳源無機碳源利用自養(yǎng)微生物微生物的碳源譜類型元素水平化合物水平培養(yǎng)基原料水平有機碳C·H·O·N·X復(fù)雜蛋白質(zhì)，核酸等牛肉膏、蛋白胨等C·H·O·N多數(shù)氨基酸，簡單蛋白質(zhì)等一般氨基酸、明膠等C·H·O糖、有機酸、醇、脂類等葡萄糖、蔗糖、各種淀粉、糖蜜等C·H烴類天然氣、石油及其不同餾分等無機碳C·OCO2CO2C·O·XNaHCO3、CaCO3等NaHCO3、CaCO3等X指除C、H、O、N外的任何其他一種或幾種元素甲烷氧化菌：甲烷、甲醇根據(jù)不同微生物對碳素利用的情況，可以做什么工作？不同的微生物利用碳素的情況洋蔥假單胞菌：九十多種碳素化合物纖維素分解菌（部分）：只利用纖維素分子氮N2（固氮菌、根瘤菌、少數(shù)放線菌和光合細菌、藍細菌）無機氮NH4＋、NO3－、NO2－（多數(shù)微生物）有機氮蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸（多數(shù)微生物）牛肉膏、蛋白胨、尿素、酵母高、玉米漿、餅粕微生物可利用的氮素化合物：氮素化合物的功能：凡能提供微生物生長繁殖所需氮元素的營養(yǎng)源，稱為氮源。構(gòu)成細胞物質(zhì)，少數(shù)微生物的能源物質(zhì)。類型元素水平化合物水平培養(yǎng)基原料水平有機氮N·C·H·O·X復(fù)雜蛋白質(zhì)、核酸等牛肉膏、酵母膏等N·C·H·O尿素、一般氨基酸、簡單蛋白質(zhì)等尿素、蛋白胨、明膠等無機氮N·HNH3、銨鹽等(NH4)2SO4等N·O硝酸鹽等KNO3NN2空氣X指除C、H、O、N外的任何其他一種或幾種元素微生物氮源譜3、能源：就是能為微生物的生命活動提供最初能量來源的營養(yǎng)物或輻射能。能源譜化學(xué)物質(zhì)有機物：化能異養(yǎng)微生物的能源（同碳源）無機物：化能自養(yǎng)微生物的能源（不同于碳源）輻射能：光能自養(yǎng)和光能異養(yǎng)微生物的能源4、生長因子生長因子是一類對微生物正常代謝必不可少且不能用簡單的碳源或氮源自行合成的有機物。它的需要量一般很少。廣義的生長因子：包括維生素、堿基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺類、C4~C6的分枝或直鏈脂肪酸，以及需要量較大的氨基酸。包括維生素、堿基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺類、C4~C6的分枝或直鏈脂肪酸，以及需要量較大的氨基酸。狹義的生長因子：僅包括維生素各種微生物與生長因子的關(guān)系可分為以下幾類：

（1）生長因子自養(yǎng)型微生物多數(shù)真菌、放線菌和不少細菌都是不需要外界提供生長因子的生長因子自養(yǎng)型微生物。（2）生長因子異養(yǎng)型微生物

它們需要多種生長因子，如乳酸細菌、各種動物致病菌、原生動物和支原體等。

（3）生長因子過量合成微生物有些微生物在其代謝活動中，會分泌出大量的維生素等生長因子，因此，它們可以作為維生素等的生產(chǎn)菌。有關(guān)生長因子的注意點：（1）不同的微生物，它們生長所需要的生長因子各不相同克氏桿菌生物素、對氨基苯甲酸腸膜明串珠菌十七種氨基酸（2）微生物生長需要的生長因子會隨著外界條件的變化而變化魯毛霉：厭氧：需維生素B與生物素好氧：無需生長因子（3）生長因子未知微生物的培養(yǎng)加入天然培養(yǎng)基酵母膏、牛肉膏或動物、植物的組織液5、無機鹽無機鹽主要可為微生物提供除碳、氮源以外的各種重要元素。A、大量元素（指生長所需濃度在10-3~10-4mol/L范圍內(nèi)的元素）P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等B、微量元素（指生長所需濃度在10-6~10-8mol/L范圍內(nèi)的元素）Cu、Zn、Mn、Mo、Co等Fe實際上介于大量元素和微量元素之間，故放兩處均可無機鹽的生理功能：無機鹽大量元素一般功能特殊功能微量元素酶的激活劑（Cu2+、Mn2+、Zn2+等）特殊分子結(jié)構(gòu)成分（Co、Mo等）細胞內(nèi)一般分子成分（P、S、Ca、Mg、Fe等）生理調(diào)節(jié)物質(zhì)滲透壓的維持（Na+等）酶的活性劑（Mg2+等）pH的穩(wěn)定化能自養(yǎng)菌的能源（S、Fe2+、NH4+、NO2-等）無氧呼吸時的氫受體（NO3-、SO42-等）6、水除了少數(shù)微生物如藍細菌能利用水中的氫作為還原CO2時的還原劑外，其它微生物都不是利用水作為營養(yǎng)物質(zhì)。即使如此，由于水在微生物的生命活動過程包括營養(yǎng)過程中的重要性，它仍應(yīng)屬于營養(yǎng)要素之一。水具有一系列為生命活動所必需的優(yōu)良理化特性a.機體內(nèi)生理生化反應(yīng)的基礎(chǔ)b.溶劑與運輸介質(zhì)c.細胞內(nèi)溫度的緩沖劑作用第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)類型異養(yǎng)型生物自養(yǎng)型生物生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)生物生長過程中能量的來源光能營養(yǎng)型化能營養(yǎng)型從營養(yǎng)的角度分異養(yǎng)型生物自養(yǎng)型生物所需營養(yǎng)物質(zhì)有機物無機物生物種類動物植物一、微生物的營養(yǎng)類型微生物營養(yǎng)型自養(yǎng)型異養(yǎng)型能源碳源CO2有機化合物光能型化能型光能化學(xué)能光能自養(yǎng)型化能自養(yǎng)型光能異養(yǎng)型化能異養(yǎng)型微生物的營養(yǎng)類型(Ⅱ)

1、光能自養(yǎng)型（光能無機營養(yǎng)型）能夠利用光能并以CO2作為唯一或主要碳源進行生長的微生物?；咎攸c：B、供氫體：還原性無機物，還原CO2A、光合色素（葉綠素、細菌葉綠素）光葉綠素H2O＋CO2(CH2O)+O2↑（藍細菌）光菌綠素2H2S+CO2(CH2O)+H2O+2S（綠硫細菌和紫硫細菌）2、光能異養(yǎng)型(光能有機營養(yǎng)型）利用光能并以有機化合物作為唯一或主要碳源進行生長的一類微生物。紫色非硫細菌基本特點：b.供氫體：有機物，還原CO2或有機物形成細胞物質(zhì)a.光合色素，光合作用光能異養(yǎng)型微生物在C源利用上的特殊性：以有機質(zhì)作為主要C源，能利用CO2，但它不是唯一碳源。光能細菌葉綠（紅螺菌）

CH3CO2+2CHOHCH2O+2CH3COCH3+H2O

CH33、化能自養(yǎng)型(化能無機營養(yǎng)型）利用無機化合物氧化時釋放的能量作為能源，利用CO2或碳酸鹽作為唯一或主要碳源進行生長的一類微生物。典型實例：硫化細菌、硝化細菌(亞硝酸菌和硝酸菌)、產(chǎn)甲烷菌、鐵細菌H2S、NO2－、H2、Fe2+基本特點：

a.能源：無機物氧化

b.供氫體：無機物，還原CO24、化能異養(yǎng)型（化能有機營養(yǎng)型）以有機化合物為碳源，利用有機化合物氧化過程中產(chǎn)生的能量作為能源而生長的一類微生物。蘇云金桿菌基本特點：

a.能源：有機物氧化

b.碳源：有機物化能異養(yǎng)型微生物的分類：（生活場所、獲取養(yǎng)料方式）③兼性寄主菌：既營寄生又營腐生生活的。(結(jié)核桿菌)②寄生菌：只能在活寄主體吸收營養(yǎng)物生活的。①腐生菌：利用無生命的有機物作為營養(yǎng)物質(zhì)。1微生物營養(yǎng)劃分的依據(jù)是什么？碳源能源2、微生物營養(yǎng)劃分的相對性同一微生物在不同培養(yǎng)條件下生長時，它們的營養(yǎng)型可能發(fā)生變化。微生物提供的環(huán)境條件能源利用情況營養(yǎng)型氫單胞菌單純的無機物環(huán)境利用氫的氧化獲得能量，自養(yǎng)生活將CO2還原成細胞物質(zhì)提供有機物利用有機物獲得能量異養(yǎng)生活紅螺菌：光照利用光能作能源光能異養(yǎng)暗處理利用有機物氧化產(chǎn)能化能異養(yǎng)第三節(jié)微生物營養(yǎng)物質(zhì)的吸收機制一、影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)吸收的因素1、第一因素：細胞膜細胞膜——選擇性透膜細胞莢膜、粘液層以及細胞壁2、第二因素：微生物細胞生活的環(huán)境

pH值、溫度3、第三因素：被吸收物質(zhì)的特性。

分子量、溶解度(影響物質(zhì)的溶解度、細胞膜的流動性和運輸系統(tǒng)的活性)二、微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收方式

是否消耗能量是否需要載體是否發(fā)生被吸收物的化學(xué)變化單純擴散促進擴散主動運輸基團轉(zhuǎn)位根據(jù)微生物對物質(zhì)的吸收過程：1、單純擴散（稱被動擴散）

被吸收物質(zhì)依靠其在細胞內(nèi)外的濃度梯度為動力，從濃度高的地區(qū)向濃度低的胞內(nèi)擴散的過程。SSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS胞外胞膜胞內(nèi)SSSc.運輸動力a.非特異性的b.吸收過程不發(fā)生化學(xué)變化單純擴散的特點：

營養(yǎng)物質(zhì)單純擴散能力的影響因素：a.吸收營養(yǎng)物質(zhì)的分子大小b.溶解性(脂溶性或水溶性)c.極性大小d.膜外pHe.溫度SSSSSSSSSSSSSSTSSSSSS胞外胞膜胞內(nèi)2、促進擴散

以細胞內(nèi)外的濃度梯度為動力，在載體物質(zhì)參與下，物質(zhì)從濃度高的胞外向濃度低的胞內(nèi)擴散。（真核微生物）T

ST

ST

與單純擴散的相同點：c.無需代謝能。a.被動的擴散。b.無化學(xué)變化。促進擴散獨有的特點：

a.載體的專一性

b.運輸速率提高

載體使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)的擴散加快，它會影響該營養(yǎng)物質(zhì)在膜內(nèi)外建立濃度的動態(tài)平衡狀態(tài)嗎？3、主動運輸以代謝能為動力，在載體參與下，將物質(zhì)從胞外向胞內(nèi)轉(zhuǎn)運。主動轉(zhuǎn)運系統(tǒng)：是細菌吸收營養(yǎng)物質(zhì)的主要方式，其特點是營養(yǎng)物質(zhì)從濃度低向濃度高的一側(cè)轉(zhuǎn)運，并需要提供能量。SSSSSSSSSSSSTSSSSSS胞外胞膜胞內(nèi)T

ST

ST主動運輸同促進擴散的共同點：

a.載體b.載體構(gòu)型的變化。主動運輸與促進擴散的不同點：a.動力b.載體構(gòu)型變化原理主動運送的營養(yǎng)物主要有：無機離子、有機離子和一些糖類。4、基團轉(zhuǎn)位：

被吸收物質(zhì)以微生物的代謝能為動力，通過一個復(fù)雜的運輸系統(tǒng)從胞外轉(zhuǎn)運到胞內(nèi)，并發(fā)生化學(xué)變化。（厭氧細菌和兼性厭氧細菌）大腸桿菌磷酸轉(zhuǎn)移酶體系與葡萄糖的運輸

被吸收物質(zhì)以微生物的代謝能為動力，通過一個復(fù)雜的運輸系統(tǒng)從胞外轉(zhuǎn)運到胞內(nèi)，并發(fā)生化學(xué)變化。（厭氧細菌和兼性厭氧細菌）大腸桿菌磷酸轉(zhuǎn)移酶體系與葡萄糖的運輸四種運送營養(yǎng)物質(zhì)方式的比較比較項目單純擴散促進擴散主動運送基團移位特異載體蛋白無有有有運送速度慢快快快溶質(zhì)運送方向由濃至稀由濃至稀由稀至濃由稀至濃平衡時內(nèi)外濃度內(nèi)外相等內(nèi)外相等內(nèi)部濃度高得多內(nèi)部濃度高得多運送分子無特異性特異性特異性特異性能量消耗不需要不需要需要需要運送后溶質(zhì)分子不變不變不變改變?nèi)?、幾種主要營養(yǎng)物質(zhì)的吸收1、糖：促進擴散、基團轉(zhuǎn)位、主動運輸。2、肽與氨基酸：主動運輸（主要方式）、促進擴散（次要方式）3、離子：主動運輸?shù)谒墓?jié)培養(yǎng)基

是人工配制的適合微生物生長繁殖或積累代謝產(chǎn)物的營養(yǎng)物質(zhì)。培養(yǎng)基的作用：

為微生物提供理想的人工培養(yǎng)環(huán)境，以進行微生物生命活動規(guī)律的研究和微生物生物制品的生產(chǎn)。一、配制培養(yǎng)基的基本原則1、適合不同微生物的營養(yǎng)特點。

(1)從營養(yǎng)型的角度看生理特點不同細菌放線菌霉菌營養(yǎng)要求不同牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基高氏一號培養(yǎng)基馬丁氏培養(yǎng)基或蔡氏培養(yǎng)基(2)從類群的角度看自養(yǎng)微生物合成能力強簡單的無機物異養(yǎng)微生物合成能力弱至少提供一種有機物2、調(diào)配好培養(yǎng)基中各種營養(yǎng)成分的比例和濃度。

(1)濃度適中原則

大量元素10-3-10-4mol/L微量元素10-6-10-8mol/L(2)營養(yǎng)比例原則

a.C/N不同的微生物，所需營養(yǎng)物C/N不同。細菌、酵母菌細胞的C/N=5:1，而霉菌=10:1（？）同一種微生物在不同C/N培養(yǎng)基培養(yǎng)時，表現(xiàn)不同。短棒桿菌的谷氨酸發(fā)酵培養(yǎng)基C/N=4:1，菌體繁殖；

C/N=3:1，谷氨酸形成b.其它營養(yǎng)的比例（礦質(zhì)元素、氨基酸）3、控制培養(yǎng)條件pHO2CO2滲透壓微生物生長繁殖培養(yǎng)條件影響影響微生物培養(yǎng)體系(1)培養(yǎng)基的pH值的控制a.根據(jù)各類微生物的特點來調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的pH值霉菌、酵母菌適于酸性，(pH4.5-6.0左右)

細菌、放線菌喜中性或偏堿性(pH7.0-7.5左右)磷酸鹽、碳酸鹽、蛋白胨、氨基酸(配制培養(yǎng)時加入)

磷酸鹽緩沖作用的反應(yīng)式為：

H+(強酸)+HPO4

=(弱堿)H2PO4-(弱酸)OH-(強堿)+H2PO4-(弱酸)HPO4=(弱堿)+H2O

碳酸鈣（配制培養(yǎng)基時加入）

酸或堿（培養(yǎng)過程中加入）b.使用pH值緩沖劑由微生物與氧氣的關(guān)系形成了三類微生物：

專性好氧性微生物專性厭氧性微生物

兼性厭氧的微生物實踐對策：專性好氧性微生物：空氣提供氧氣、工業(yè)上采用通氣裝置。專性厭氧性微生物：采用理化方法除氧、向培養(yǎng)體系加入還原劑（胱氨酸、巰基乙酸鈉、Na2S和抗壞血酸）(2)O2濃度的調(diào)節(jié)按培養(yǎng)基成分分按培養(yǎng)基的用途分按物理性狀分二、培養(yǎng)基的類型培養(yǎng)基類型合成培養(yǎng)基天然培養(yǎng)基基本培養(yǎng)基富集培養(yǎng)基鑒別培養(yǎng)基固體培養(yǎng)基液體培養(yǎng)基半固體培養(yǎng)基1、按照培養(yǎng)基成分分：

a.合成培養(yǎng)基化學(xué)成分和濃度完全清楚的物質(zhì)配制的培養(yǎng)基。高氏一號合成培養(yǎng)基

可溶性淀粉20.0克KNO31.0克K2HPO40.5克MgSO4·7H2O0.5克NaCl0.5克FeSO4·7H2O溶液2滴（10%）蒸餾水1000毫升b.天然培養(yǎng)基以動植物組織或微生物浸出液為原料配制的培養(yǎng)基。（牛肉膏蛋白胨）

牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基

牛肉膏3.0克蛋白胨10.0克食鹽5.0克蒸餾水（自來水）1000毫升2、按照培養(yǎng)用途：b.富集培養(yǎng)基(增殖培養(yǎng)基）為分離某種微生物配制出的適合它生長而不利于其他微生物生長的培養(yǎng)基。c.鑒別培養(yǎng)基根據(jù)微生物的代謝特點，通過指示劑的呈色反應(yīng)，用以鑒別不同微生物的培養(yǎng)基。（伊紅-甲基藍培養(yǎng)基鑒別大腸桿菌(菌落小,綠色光澤)和產(chǎn)氣腸桿菌(菌落大,灰棕色)）a.基本培養(yǎng)基將多種微生物都需要的營養(yǎng)物質(zhì)配而成培養(yǎng)基。3、按照培養(yǎng)基的物理性狀b.液體培養(yǎng)基未加凝固劑呈液態(tài)的培養(yǎng)基稱為液體培養(yǎng)基。c.半固體培養(yǎng)基在液體培養(yǎng)基中加入少量瓊脂（0.2-0.5%）。a.固體培養(yǎng)基在液體培養(yǎng)基中加入凝固劑使呈固體狀態(tài)，稱為固體培養(yǎng)基。(瓊脂1.5-2%)第五節(jié)消毒與滅菌消毒(disinfection)：殺死物體上病原微生物的方法，并不一定能殺死含芽胞的細菌或非病原微生物。用以消毒的藥品稱為消毒劑(disinfectant)。滅菌(sterilization)：殺滅物體上所有微生物的方法。滅菌比消毒要求高，包括殺滅細菌芽胞在內(nèi)的全部病原微生物和非病原微生物。抑菌(bacteriostasis)：抑制體內(nèi)或體外細菌的生長繁殖。常用的抑菌劑為各種抗生素。防腐(antisepsis)：防止或抑制體外細菌生長繁殖的方法。細菌一般不死亡。無菌(asepsis)：不存在活菌。干熱滅菌法—

焚燒：廢棄物、尸體灼燒：接種環(huán)、試管口干烤：玻璃器皿紅外線：醫(yī)療器械濕熱滅菌法—巴氏消毒法：61.6-62.8℃30min或71.7℃15-30s,主要用于牛乳消毒。煮沸法流動蒸汽消毒法間歇蒸汽消毒法高壓蒸汽滅菌法一.物理消毒滅菌法

1熱力滅菌法紫外線

波長200-300nm的紫外線具有殺菌作用。

其主要作用于DNA，使一條DNA鏈上相鄰的兩個胸腺嘧啶共價結(jié)合形成二聚體，導(dǎo)致細菌變異和死亡。電離輻射

高速電子、X射線、γ射線微波

波長1mm~1m2.輻射殺菌法賽氏濾器玻璃濾器薄膜濾器3.濾過除菌法

是一種機械的作用因素，每秒超過2萬次振動的聲波即為超聲波。常用的超聲波發(fā)生器能產(chǎn)生20-100千赫的聲波?？墒辜毦毎诹呀舛劳?。4.超聲波殺菌法

干燥法低溫法：低溫可使細菌的新陳代謝減慢，常用作保存細菌菌種。冷凍真空干燥法是目前保存菌種的最好方法。5.干燥低溫抑菌法消毒劑的種類：酚類、醇類、重金屬鹽類、氧化劑、表面活性劑、烷化劑。消毒劑的應(yīng)用：病人排泄物與分泌物、皮膚、粘膜、飲水、廁所、空氣、手。二化學(xué)消毒滅菌法第一節(jié)微生物生態(tài)系有關(guān)基本概念：

生態(tài)系統(tǒng)：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)學(xué)：是一門研究生命系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)間相互作用規(guī)律的科學(xué)微生物生態(tài)學(xué)：是生態(tài)學(xué)的一個分支，它的研究對象是微生物群體與其周圍生物和非生物環(huán)境條件間相互作用的規(guī)律。研究微生物生態(tài)學(xué)的意義研究微生物的生態(tài)有著重要的理論意義和實踐價值。研究微生物的分布規(guī)律，有助于開發(fā)豐富的菌種資源，防止有害微生物的活動；研究微生物間及其與它種生物間的相互關(guān)系，有助于發(fā)展新的微生物農(nóng)藥、微生物肥料以及積極防治人和動、植物病蟲害，也有利于發(fā)展食品混菌發(fā)酵、序列發(fā)酵和生態(tài)農(nóng)業(yè)；研究微生物在自然界物質(zhì)循環(huán)中的作用，有利于闡明地球進化和生物進化的原因，也可促進探礦、冶金、保護環(huán)境、提高土壤肥力以及開發(fā)生物能（沼氣）等各項生產(chǎn)事業(yè)的發(fā)展。

生命科學(xué)研究領(lǐng)域中，從宏觀到微觀一般可分10個層次：生物圈（biosphere）、生態(tài)系統(tǒng)（ecosystem）、群落（community）、種群（population）、個體（individual）、器官（organ）、組織（tissue）、細胞（cell）、細胞器（organelle）、分子（molecule）.哪些是生態(tài)學(xué)的研究范圍?

第一節(jié)微生物的生態(tài)系一土壤微生物生態(tài)系1土壤是微生物生活的良好環(huán)境（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2土壤中微生物的分布（一）根際微生物根際,也稱根圈（rhizosphere），指生長中的植物根系直接影響的土壤范圍，包括表面至幾毫米的土壤區(qū)域。它是植物根系有效吸收養(yǎng)料和水分的范圍，也是根系分泌作用旺盛的部位，因而是微生物和植物相互作用的界面。根際釋放物質(zhì)的類型：（1）滲出物（2）分泌物（3）植物黏液（4）粘質(zhì)（5）溶胞產(chǎn)物二微生物-植物生態(tài)系根際效應(yīng)

（1）概念根際同根際外土壤中的微生物群落相比，生活在植物根際中的微生物，在數(shù)量、種類和活性上有明顯不同，表現(xiàn)出特異性，這種現(xiàn)象稱為根際效應(yīng)。

（2）根土比------反應(yīng)根圈效應(yīng)的重要指標(biāo),是指根圈中的微生物數(shù)量同相應(yīng)的無根系影響的土壤中的微生物數(shù)量之比。不同的植物和土壤的特性不一樣，根土比差異較大。（2）有害影響

A.引起作物病害。

B.某些有害微生物雖無致病性，但它們產(chǎn)生的有毒物質(zhì)能抑制種子的發(fā)芽、幼苗的生長和根系的發(fā)展。

C.競爭有限養(yǎng)分。根際微生物對植物的影響

（1）有利影響

A.改善植物的營養(yǎng)代謝產(chǎn)物（糖類、有機酸有機酸、氨基酸以及維生素和生長素類物質(zhì)。

B.根際微生物分泌的維生素、氨基酸、生長刺激素等生長調(diào)節(jié)物質(zhì)能促進植物的生長。

C.根際微生物分泌的抗菌素類物質(zhì)，有利于作物避免土著性病原菌的侵染。

D.產(chǎn)生鐵載體（siderophore）,這些是一些植物促長細菌(PGPR)的重要功能之一。（二）附生微生物

附生微生物是指直接著生在植物地上部分表面的微生物，附生在根表面的微生物，通常稱根表微生物。（1）葉面的附生微生物以細菌為主，其次是酵母菌類和少數(shù)絲狀真菌，放線菌則是很少的。乳酸桿菌是葉面廣泛存在的附生細菌，研制泡菜利用的天然接種劑。（2）成熟的漿果表面有大量糖類分泌物，是酵母菌的天然附生環(huán)境。如葡萄酒發(fā)酵；水果腐爛。（3）根表微生物(三)植物和微生物的共生體根瘤:根瘤內(nèi)的根瘤菌與豆科植物互利共生體.豆科植物通過光合作用制造的有機物，一部分供給根瘤菌；根瘤菌通過生物固氮制造的氨，則供給豆科植物.葉瘤:能產(chǎn)生葉瘤的固氮植物有大沙葉屬、九節(jié)木屬、紫金牛屬中的一些植物種類。紅萍和藍細菌共生體:蘭綠藻為另一種非共生的固氮生物。常見的有魚腥藻、念珠藻和眉藻等菌根

形成:土壤中的真菌有的能和植物的根共生，即菌絲侵入根的表層細胞壁或細胞腔內(nèi)形成一種特殊結(jié)構(gòu)的共生體，稱為菌根。特點:菌根和組成菌根真菌之間的共生關(guān)系是互利共生的關(guān)系。類型:外生型菌:菌絲在根的表面形成一個密厚的根套，菌絲僅侵入根外層細胞之間而不進入細胞腔內(nèi).內(nèi)生型菌根:根菌不形成根套，菌絲伸進根的表皮和表層細胞之內(nèi)和其間，并擴展到土壤中.內(nèi)外兼生菌根三、微生物在水中的分布

水具有微生物生命活動適宜的溫度、pH、氧氣等，水體中也具備微生物生長繁殖的其他條件，因此成為微生物棲息的又一天然場所。(一)水體中微生物的來源土壤、空氣、動植物尸體、人和動物的排瀉物、工業(yè)及生活污水。(二)種類水中存在的微生物90%為革蘭氏陰性菌，主要有弧菌、假單胞菌、黃桿菌等。鞘細菌及有柄附生細菌也常見于水體中。(三)微生物在水體中的分布表現(xiàn)為水平分布和垂直分布的規(guī)律。此外，相同水域的不同濃度微生物的含量及分布也不同。(四)水體中的病原微生物通過水體傳播的病原微生物主要有沙門氏菌屬、志賀氏菌屬、霍亂弧菌等。因此，做好水的衛(wèi)生學(xué)檢查至關(guān)重要。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。

水體的富營養(yǎng)化作用和“水花”、“赤潮”

“水花”或“水華”（waterbloom）：在水體的富營養(yǎng)化作用中，藻類、藍細菌等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。四、微生物在空氣中的分布:

1．空氣是傳播微生物的重要介質(zhì)空氣本身缺乏微生物生活所必需的營養(yǎng)物，日光對微生物也具有很強的殺菌作用，另外空氣一般是干燥的，因此空氣不是微生物生活的良好環(huán)境。

2．空氣中微生物的種類和數(shù)量

空氣中的微生物主要來源于帶有微生物菌體及孢子的灰塵，這類微生物大多數(shù)是腐生性的，還來源于人和動物，它們大多數(shù)是通過呼吸道排出的，其中也包含有病原微生物，懸浮在大氣中?？諝庵形⑸锏姆植茧S環(huán)境條件及微生物的抵抗力不同而呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律?？諝庵写嬖谳^多的、存活時間較長的是各種真菌、放線菌的孢子及細菌芽胞?？諝庵形⑸锏臄?shù)目決定于塵埃的總量。分布特點：

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在空氣中的停留時間和塵埃大小、空氣流速、濕度、光照等因素有關(guān)6與人類生活關(guān)系密切

五、極端環(huán)境中的微生物

不利于一般生物生長的特殊環(huán)境稱為極端環(huán)境。主要有極端高溫、低溫、高鹽、高壓、高酸、高堿等。例如火山與溫泉、極地或高山冰川、鹽湖、深海底層等。1．高溫環(huán)境中的微生物

高熱環(huán)境--高溫環(huán)境噴發(fā)的火山、地?zé)嵴羝?、沸騰或過熱的溫泉以及高溫堆肥、熱水器和取暖用熱水循環(huán)系統(tǒng)等是常見的天然或人工的高溫環(huán)境。高溫型微生物中以細菌居多，只有少數(shù)真菌。如嗜熱脂肪芽孢桿菌、酸熱芽孢桿菌（Ｂ．a(chǎn)cidocaldarius）等。

各類群生長的上限溫度

類群上限溫度(℃)真核微生物原生動物

藻類

真菌56

55-60

60-62原核微生物鹽鹽細菌

光合細菌

無機化能細菌

異養(yǎng)細菌70-73

70-73

>90

>90嗜熱機制--嗜熱菌之所以耐熱，主要是其結(jié)構(gòu)及生理上具有一定特點。近年來，對其嗜熱機制進行了分子水平的研究，可歸納為以下4種假說。（1）類脂的敏感作用嗜熱菌細胞質(zhì)膜的化學(xué)成分，隨環(huán)境溫度的升高不僅類脂總含量增加，而且細胞中的高熔點飽和脂肪酸也增加，即長鏈飽和脂肪酸增加，而不飽和脂肪酸減少。因此，嗜熱菌在高溫下能維持膜的功能，能較好地生存。（2）重要代謝產(chǎn)物的迅速再合成

嗜熱菌中tRNAr的周轉(zhuǎn)率大于中溫菌的周轉(zhuǎn)率，核酸中的GC含量也比中溫菌高。（3）大分子的熱穩(wěn)定性--嗜熱菌的酶和蛋白質(zhì)比中溫菌的酶和蛋白質(zhì)具有較高的熱穩(wěn)定性。

（4）蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性--嗜熱菌的核糖體比中溫菌的核糖體抗熱性高。

2．高鹽環(huán)境中的微生物

高鹽環(huán)境--鹽湖、鹽池和鹽腌制的食品等是常見的高鹽環(huán)境。通常把能在含鹽量高于１５％的環(huán)境中生長的微生物稱為極端嗜鹽菌，常見的種類有鹽細菌屬和鹽球菌屬。

耐鹽機理：

①嗜鹽菌具有能適應(yīng)高鹽環(huán)境的細菌結(jié)構(gòu)和離子濃度。嗜鹽菌有選擇性地吸收K＋排出Na＋的能力，細胞內(nèi)的高濃度K＋既可以防止原生質(zhì)脫水，又能維持酶和蛋白質(zhì)等的活性;②有嗜鹽的酶;③光合鹽桿菌的細胞質(zhì)膜上含有菌視紫素，能利用光能造成膜內(nèi)外H＋的濃度梯度并藉以產(chǎn)生ATP和向細胞外排出Na＋。

對高鹽濃度的適應(yīng)性

酶的嗜鹽性

紫膜的H+泵作用和排鹽作用

微生物的不同嗜鹽類群

嗜鹽類群最適生長鹽濃(NaC1)實例非嗜鹽微生物＜0.2mol/L淡水微生物弱嗜鹽微生物0.2-0.5mol/L大多數(shù)海洋微生物中等嗜鹽微生物0.5-2.5mol/L某些細菌和藻類極端嗜鹽微生物2.5-5.2mol/L鹽桿菌和鹽球菌耐鹽微生物耐受范圍0.2-2.5mol/L金黃色葡萄球菌和其他葡萄球菌，耐鹽酵母菌等3．高壓環(huán)境中的微生物

自然界的高壓環(huán)境主要存在于深海中，多數(shù)海洋底部的壓力在100個大氣壓以上，最深處約為1100個大氣壓。研究表明從常壓環(huán)境中分離的多數(shù)微生物在200-600個大氣壓的高壓環(huán)境中將受到抑制或死亡，高壓條件主要抑制常壓微生物細胞蛋白質(zhì)合成、質(zhì)膜上物質(zhì)和能量的傳遞及酶的代謝活性。高壓環(huán)境中生長的主要是細菌，如分離自深海淤泥的耐壓假單胞菌，生長十分遲緩，代時為33天。

3類嗜壓菌及其生長靜水壓（大氣壓數(shù)）類型最低生長壓最適生長壓最高生長壓耐壓菌未測1-100500嗜壓菌1400-500700極端嗜壓菌400700-80010354.嗜冷微生物（psychrophiles）5.嗜酸微生物（acidophiles）6.嗜堿微生物（alkalinophiles）7.嗜酸微生物（acidophiles）8.抗輻射微生物其他極端環(huán)境的微生物極端環(huán)境下微生物的研究有三個方面的重要意義：(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。

六、工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品上的微生物工業(yè)產(chǎn)品上的霉腐

大量的工業(yè)產(chǎn)品都是直接或間接用動植物作原料制成的,例如木制品、纖維制品、革裘制品、橡膠制品、卷煙、化妝品、中成藥等。食品上的微生物

糧、油、肉、蛋、奶、蔬菜和水果等各類食品含有豐富的營養(yǎng)成分，因而是微生物生長繁殖的天然營養(yǎng)基質(zhì)。

1．糧食上的微生物

2．肉類上的微生物

3．魚類上的微生物

4．乳制品中的微生物

七不可培養(yǎng)的微生物

在自然界中存在的微生物中，已為人們所認識的僅占很小一部分（通常認為僅10%，有人認為在土壤中生活的微生物僅有1%可用目前的方法在實驗室進行培養(yǎng)），其中的原因就在于在在自然界中存在的大多數(shù)微生物在目前的條件下不能在實驗室進行人工培養(yǎng)，不可能得到其純培養(yǎng)并對其進行形態(tài)及生理、遺傳等特性進行研究。CARLWOESE在1977就提出的用rRNA（原核的16s和真核的18s）揭示生物的系統(tǒng)發(fā)育的方法為我們研究并開發(fā)不可培養(yǎng)微生物提供了可能。其方法通常是用各種特定的引物（例如所有真細菌（eubacteria）的保守16srRNA區(qū)段或某種微生物的特異DNA或16srRNA保守序列等）進行PCR從各種生態(tài)環(huán)境中克隆16srRNA，并對其進行序列分析和同源性分析，發(fā)現(xiàn)和開發(fā)不可培養(yǎng)微生物。第二節(jié)微生物與環(huán)境間的關(guān)系一般來說，在生態(tài)系統(tǒng)中生物之間的相互關(guān)系歸納起來有如下三種：

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。一、互生關(guān)系

概念：二種可以單獨生活的生物，當(dāng)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。因此，這是一種“可分可合，合比分好”的相互關(guān)系。（一）微生物間的互生:

例如:好氧性自生固氮菌(N源)與纖維素分解菌(有機酸)（二）人體腸道中正常菌群與人的互生：

人體腸道正常菌群與宿主間的關(guān)系，主要是互生關(guān)系，但在某些特殊條件下，也會轉(zhuǎn)化為寄生關(guān)系。（三）微生物-植物的互生（四）互生現(xiàn)象與發(fā)酵工業(yè)的混菌培養(yǎng)

例如:“二步發(fā)酵法生產(chǎn)維生素C”需要弱氧化醋酸桿菌（Acetobactersuboxydans）和生黑葡糖酸桿菌（Gluconobactermelanogenes）。二、共生關(guān)系

概念：指兩種生物在一起生活，互相提供必要的生活條件，彼此依賴，形成一個在形態(tài)上具有共同結(jié)構(gòu)，而在生理上卻相互分工，互換生命活動產(chǎn)物的生存關(guān)系。如將二者分開，各自都生活不好。此可視為互生關(guān)系的高度發(fā)展。

共生一般有二種情況：互惠共生（二者均得利）和偏利共生（一方得利，但另一方并不受害）

（一）微生物間的共生

藻類或藍細菌與真菌共生所形成的地衣是共生關(guān)系的典型代表，藻類和藍細菌通過光合作用向真菌提供有機養(yǎng)料，固氮藍細菌還可以同時供給有機氮素營養(yǎng)，真菌則利用菌絲的吸收作用為藻類和藍細菌提供水、礦質(zhì)養(yǎng)料及某些生長素和在基質(zhì)上牢固附著的條件，這一共生關(guān)系使地衣具有極強的適應(yīng)性和生命力。

A.囊衣屬(pgtsucia)地衣原植體的縱切面；

B.peltigerapraetextata的裂芽；C.牛皮葉屬(Sticta)地衣的杯點。

（二）微生物和植物的共生關(guān)系類型種子植物和微生物間的共生關(guān)系現(xiàn)像，一般有兩類型：根瘤（rootnodule)

和菌根（mycorrhiza）。（1）細菌和植物的共生關(guān)系

有的植物（豆科植物居多）的根上，常有各種形狀的瘤狀突起，稱為根瘤。根瘤的產(chǎn)生是由于土壤內(nèi)的一種細菌，即根瘤菌，由根毛侵入根的皮層內(nèi)，一方面根瘤菌在皮層細胞內(nèi)迅速分裂繁殖；另一方面，受到根瘤菌侵入的皮層細胞，因根瘤的分泌物的刺激也迅速分裂，產(chǎn)生大量新細胞，使皮層部分的體積膨大和凸出，形成根瘤。根瘤菌的三大特性：感染性專一性有效性

根瘤（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(dān)子菌、子囊菌和藻狀菌。（三）微生物與動物間的共生（1）微生物與昆蟲的共生

微生物與昆蟲間的共生關(guān)系表現(xiàn)有多種形式并具有較高的特異性。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。

三、競爭關(guān)系

多種微生物共同生活于一個環(huán)境中時，或因一種微生物優(yōu)先利用有限養(yǎng)料，致使另一種微生物養(yǎng)料缺乏，生長發(fā)育受阻；或因一種微生物生長迅速，占領(lǐng)基質(zhì)表面和充斥空間，使另一種微生物無處容身而生長受抑。競爭導(dǎo)致優(yōu)勢種群的勝利和劣勢種群的淘汰。

Gause(1934)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。Gemerden(1974)在硫化物為限制因子的條件下混合培養(yǎng)酒色紅硫菌

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。四、寄生關(guān)系

寄生是一種生物生活在另一種生物表面或體內(nèi)并對后者產(chǎn)生危害的相互關(guān)系。在這一關(guān)系中前者稱為寄生物，后者稱為寄主。微生物間的寄生關(guān)系有時也會給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的損失。例如，蘇蕓金芽孢桿菌的生產(chǎn)中，常遇到噬菌體的危害而造成損失。但另一方面人們又能利用它們的寄生關(guān)系來殺死有害微生物，防治動植物病害。（1）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；

（2）微生物與動植物

各種各樣的致病菌多是行寄生生活

擇生生物，現(xiàn)一般稱為悉生生物或定菌生物（Gnotobiote）:指整個個體不攜帶或只攜帶已知微生物的生物。做實驗研究有很多優(yōu)點：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(zhǔn)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。五、獵食關(guān)系

這是一種微生物直接吞食另一種微生物的關(guān)系。

捕食者從被食者獲得營養(yǎng)，在極端情況下，捕食者的吞食可能導(dǎo)致被食者種群的消失，進而也反過來威脅到捕食者本身的生存。但在一般情況下總有部分生活力強的被食者能逃避捕食并能在捕食者因食物減少而消減時重新繁殖起來，從而導(dǎo)致捕食者與被食者種群數(shù)量交替消漲的周期性波動。絕大多數(shù)的原生動物、粘菌的變形蟲階段和某些粘細菌以捕食為營養(yǎng)方式。對微生物來說，一般有如下幾種情況：

(1)原生動物吞食細菌和藻類；

(2)粘細菌吞食細菌和其它微生物；

(3)真菌捕食線蟲和其它原生動物；

六、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。

在一般情況下，拮抗多是指微生物間的“化學(xué)戰(zhàn)術(shù)”，最典型的就是抗生菌所產(chǎn)生的能抑制其它生物生長發(fā)育的抗生素；

此外，有時因某種微生物的生長而引起的其它條件的改變（例如缺氧、pH改變等），從而抑制它種生物的現(xiàn)象也稱拮抗。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。第三節(jié)微生物與自然物質(zhì)循環(huán)一碳素循環(huán)光合作用藻類、綠色植物、藍細菌（CH2O）n有機化合物呼吸作用動植物及微生物需氧厭氧CO2厭氧呼吸、發(fā)酵厭氧微生物，包括光合細菌有機化合物（CH2O）n光合細菌沉積作用產(chǎn)甲烷細菌甲基化合物甲烷氧化細菌CH4二、氮素循環(huán)（1）生物固氮（2）硝化作用（3）同化性硝酸鹽還原作用（4）氨化作用（5）銨鹽同化作用（6）異化性硝酸鹽還原作用（7）反硝化作用（8）亞硝酸氨化作用工業(yè)固氮有機氮化物硝化作用NO3-NH4+NO2-NO2N2NO2固氮作用反硝化作用同化硝酸鹽的還原作用硝化作用反硝化作用同化作用分解作用固氮有機硫化物

反硫化作用H2SS2SO42-三硫的生物循環(huán)

反硫化作用

含磷礦物風(fēng)化作用PO43-不溶性磷酸鹽有機磷化物土壤固定微生物溶磷作用植物微生物同化作用微生物解磷作用磷的生物循環(huán)1.有機磷化物的分解(解磷作用)2.不溶性無機磷化物的轉(zhuǎn)化(溶磷作用)3.有效磷的微生物固定四磷的生物循環(huán)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

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（二）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

1自然水體的自凈作用2水體富營養(yǎng)化

３污水處理及微生物的作用(一)水體自凈作用（1）概念

水體自凈是發(fā)生在受到污染（特別是有機污染）的水體中的一個生態(tài)學(xué)過程，在這個過程中微生物消耗或吸收了水中的污染物，使得水或水體向凈化的方向轉(zhuǎn)變。（２）作用

造成這一轉(zhuǎn)變的生物化學(xué)過程常被稱作生物降解。生物降解是指在微生物作用下，有機化合物轉(zhuǎn)化為低級有機物和簡單無機物的過程。２．水體富營養(yǎng)化

（１）概念（２）生態(tài)循環(huán)過程①大量含有氮磷的污水進入一個湖泊；②湖泊中的主要生產(chǎn)者藻類的快速生長③藻類的尸體則為湖泊微生物提供了充足的養(yǎng)料，它們也因而大量繁殖并快速消耗水中的溶解氧④由于微生物集中于底泥之中，結(jié)果造成水的底層缺氧⑤缺氧層的厚度越來越大，從而把好氧微生物的活動范圍更加限制在表層⑥直到最后，只有水面薄薄的一層還有藻類生長，其他需氧生物統(tǒng)統(tǒng)死亡。⑦藻類生長進一步限制了陽光的入射深度和氧氣補充速度，更加劇了這一過程。⑧最后系統(tǒng)終于崩潰，藻類也由于缺氧而開始大量死亡，形成"赤潮"。（３）形成因素

①營養(yǎng)物太多②水力條件──水流緩慢，陽光照射造成水溫的垂直分布阻礙水的垂直混合等等。（４）結(jié)果到了富營養(yǎng)化階段，湖泊就進入了老化階段，開始走向消亡──湖底逐漸升高，以至于變成沼澤，最后變?yōu)殛懙?。水污染對湖泊的危害就在于使水中的植物營養(yǎng)物過快積累起來，使得湖泊提前進入富營養(yǎng)化階段，加快它的消亡過程。(二)污水處理及微生物的作用

其基本原理是污水在充分曝氣條件下，通過需氧微生物的旺盛代謝活動，氧化分解有機污染物，使污水凈化。根據(jù)污水處理過程中起作用的微生物對氧氣需求的不同，可將污水生物處理分為需氧處理與厭氧處理兩大類。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(biāo),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(biāo)。（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?！癢T-FG”生物法污水處理廠的工程工藝

第一節(jié)微生物農(nóng)藥

昆蟲數(shù)量和種類很多危害農(nóng)作物，傳播疾病等無機和有機砷化物

DDT（20世紀(jì)40年代）昆蟲、無機和有機砷化物

后果：有機氯、有機磷農(nóng)藥對動物、人和整個生態(tài)系統(tǒng);

都具有很強的短期副作用，長期滯留,造成非常嚴(yán)重的環(huán)境問題;

多種害蟲對化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生抗性;

高濃度，對環(huán)境更大的危害.微生物農(nóng)藥：利用微生物本身及其代謝產(chǎn)物防治植物病、蟲害及其雜草的制劑。類型：微生物殺蟲劑、農(nóng)用抗生素、微生物除草劑生物防治：用生物農(nóng)藥來對病蟲害和雜草進行防治.優(yōu)點：不污染環(huán)境，有效控制病蟲害，雜草；保持生態(tài)平衡.

一.微生物殺蟲劑

控制害蟲更為安全、有效的方法

生物殺蟲劑的優(yōu)點：特異性高可進行生物降解昆蟲對它的抗性產(chǎn)生較慢

生物殺蟲劑的不足：殺蟲效果較差，成本較高(一)病毒殺蟲劑

昆蟲受病原微生物侵染死亡很常見,如病毒、細菌、真菌、原生動物和線蟲等,已發(fā)現(xiàn)的昆蟲病毒有1200種.

包含體（inclusionbody）在顯微鏡下可以識別的病毒合成和積貯的部位，常是細胞內(nèi)的病毒晶體。

呈圓形、多角形，保護病毒粒子,不溶于水、乙醇、氯仿、苯酚、蛋白酶等,昆蟲堿性腸道水解，病毒釋放，侵染，昆蟲死亡.

主要昆蟲病毒的特征病毒核酸包含體包含體內(nèi)病毒粒細胞內(nèi)寄主形狀病毒數(shù)目子形狀增殖部位昆蟲核型多DNA多角體多個桿狀細胞核鱗膜角體V雙脈質(zhì)型多RNA多角體多個二十面體細胞質(zhì)鱗等角體顆粒體DNA近圓形1-2個桿狀核、質(zhì)鱗病毒昆蟲痘DNA球、腎形多個磚、線細胞質(zhì)鱗鞘病毒卵圓等雙無包含體研究較少

1.核型多角體病毒

nucleopolyhedrosisvirus,NPV

世界衛(wèi)生組織和糧農(nóng)組織推薦寄主范圍廣、專一，對人、植物、天敵無害包含體在離開宿主后仍具生物活性殺蟲效應(yīng)具有流行性和持續(xù)性目前應(yīng)用最成功的昆蟲病毒我國已有棉鈴蟲NPV商品問世棉鈴蟲幼蟲取食吃進NPVNPV在昆蟲腸道中溶解病毒粒子釋放并侵染中腸上皮細胞昆蟲細胞病變死亡

NPV的專一性很強

棉鈴蟲NPV除侵染棉鈴蟲外還侵染煙草夜蛾包含體形態(tài)上是多角的，直徑0.8~5m

受感染的昆蟲一般并不立即死亡宿主死亡和分解后，包含體仍具毒力包含體被其他幼蟲吞食，病毒在昆蟲群體中傳播

核型多角體病毒（單粒包埋）高節(jié)狂躁爬行腹足基部乳白氣門周圍水漬狀病斑2.質(zhì)型多角體病毒

cytoplasmicpolyhedrosisvirus,CPV

呼腸孤病毒科，質(zhì)型多角體病毒屬致病機理和NPV相似CPV不僅侵染幼蟲，還能經(jīng)卵傳染給子代在實際應(yīng)用中具有重要意義

形狀與結(jié)構(gòu)

六角形二十面體，有兩個同心的正二十面體殼，外觀呈球形。直徑60~70nm，有12個頂點，各有1衣粒，每衣粒外伸一四節(jié)突起（25~27nm），先端有一12nm的球狀體。群體癥狀個體癥狀由于核酸代謝紊亂，代謝產(chǎn)物尿酸積累所致。3.顆粒體病毒

granulosisvirus,GV

包含體圓形、橢圓形、一個包含體只含一個病毒顆粒，病毒顆粒桿狀，雙鏈DNA；云杉卷葉蛾顆粒體病毒、菜粉蝶顆粒體病毒等；昆蟲食入停止進食，血液變成乳白色而死亡；我國：菜粉蝶顆粒體病毒用于生物防治。4.用DNA重組技術(shù)改造桿狀病毒殺蟲劑

野生型缺陷：殺蟲慢，感染到死亡需幾天到星期，毒力低，在野生條件下容易失活，殺蟲范圍窄。對桿狀病毒基因改造主要集中在三個方面

1）引入外源毒蛋白，增強桿狀病毒的毒性2）引入能擾亂昆蟲正常生活周期的基因3）對病毒基因進行修飾或加工，以增強病毒的活性，提高毒性（二）細菌殺蟲劑（Bt生物殺蟲劑）

已知的昆蟲病原細菌90多種

Bacillus（桿菌）

Enterobacter（腸桿菌）

Pseudomonus（假單胞菌）最重要的是蘇云金芽孢桿菌（教材P128）（Bacilllusthuringiensis,Bt）1.Bt生物殺蟲劑簡介

G+，短桿菌，形成芽孢，周身鞭毛或無鞭毛伴孢晶體

1902年發(fā)現(xiàn)，1951年發(fā)現(xiàn)商業(yè)價值寄生130多種鱗翅目幼蟲中膜翅目、雙翅目、直翅目和鞘翅目體內(nèi)控制毛蟲、毒蛾、白菜金翅夜蛾、煙草天蛾等2.致病機理

主要靠芽孢和毒素

芽孢在腸道中萌發(fā)，大量增殖，穿透腸壁進入血液，引起昆蟲敗血癥

毒素：主要是毒素和毒素

毒素是所有Bt共有的毒素，存在于伴孢晶體中

毒素是胞外毒素，水溶性，熱穩(wěn)定性好，是

RNA聚合酶的競爭性抑制劑

伴胞晶體3.毒素形成的過程

主要由蛋白質(zhì)和糖類組成

Bt伴孢晶體在昆蟲腸道

堿性條件逐步水解一定大小的分子具有毒性4.毒性機理

5.毒素基因及定位

正常情況，芽孢形成時才合成Bt前毒素蛋白芽孢形成過程中，轉(zhuǎn)錄因子與活躍基因啟動子結(jié)合，毒素基因的啟動子受這一因子的控制。從蠟狀芽孢桿菌（Bacilluscereus）質(zhì)粒組成型表達的四環(huán)素抗性基因，啟動子+毒素基因（無自身啟動子）克隆到質(zhì)粒上，導(dǎo)入Bt中，在Bt生活史的各個時期都表達有毒素蛋白。

伴孢晶體

6.基因工程操作使P.fluorescens

攜帶毒素基因3.真菌殺蟲劑

昆蟲病原微生物中種類最多的是真菌，數(shù)量達到750種，占60%，孢子在昆蟲體表萌發(fā)后侵染蟲體，也可以通過取食過程侵染蟲體，真菌孢子四處飛揚，昆蟲真菌病易流行。

致病真菌：結(jié)合菌亞門的蟲霉目半知菌亞門的絲孢目“白僵病”真菌（教材P130）

半知菌類感染真菌分泌毒素殺死寄主在寄主尸體上生長發(fā)育蟲尸因充滿菌絲而僵硬白僵菌屬引起的昆蟲死亡約占21%白僵菌（Beauveriabassiana）分生孢子可直接由表皮侵染通過取食或呼吸而侵染宿主侵染鱗翅目直翅目同翅目鞘翅目的多種害蟲螨類

二.防治植物病害的微生物

植物病害是威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個嚴(yán)重問題植物防治微生物的主要作用機理

1.拮抗作用向環(huán)境中釋放一些化學(xué)物質(zhì)（抗生素），抑制其他微生物的生長。木霉對18個屬，29種植物病原真菌具有拮抗作用

2.寄主作用有些微生物寄生在植物病原微生物體內(nèi)干擾、抑制病原微生物正常生命活動3.競爭作用爭奪營養(yǎng)和生存空間而相互抑制4.共生微生物的保護作用共生真菌可以形成外生菌根，保護與其共生的植物少受病害的侵染。三農(nóng)用抗生素概念:由微生物產(chǎn)生的對微生物、昆蟲、植物等其他生物顯示特異性藥理作用的化學(xué)物質(zhì)，是微生物產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物。類型:按用途區(qū)分，有殺菌劑、殺蟲劑、殺螨劑、除草劑和植物生長調(diào)節(jié)劑等.20世紀(jì)40年:代醫(yī)用抗生素發(fā)展的基礎(chǔ)上研究開發(fā)的。最初，將某些醫(yī)用抗生素如鏈霉素、土霉素、灰黃霉素等用于防治農(nóng)作物病害，取得了一定的效果。同時也篩選出一些農(nóng)業(yè)專用的抗生素如放線酮、抗霉素和一些多烯類抗生素。50年代以來，廣泛使用化學(xué)農(nóng)藥帶來了環(huán)境污染問題，這促進了尋找比較安全的生物源農(nóng)藥的研究，因此農(nóng)用抗生素得到較快的發(fā)展，日本在這方面處于領(lǐng)先地位。1961年，日本開發(fā)了殺稻瘟素－S用于防治稻瘟病,是世界上第一個大規(guī)模生產(chǎn)的農(nóng)用抗生素，它成功地取代了公害嚴(yán)重的有機汞制劑。60～70年代，日本又開發(fā)了春日霉素、多氧霉素、有效霉素等高效品種。70年代以來，一些具有防治昆蟲、螨、動物寄生原蟲和蠕蟲、除草和調(diào)節(jié)動植物生長功能的農(nóng)用抗生素，不斷研究開發(fā)出來，擴大了農(nóng)用抗生素的應(yīng)用領(lǐng)域。70年代后期，日本農(nóng)用抗生素的年總產(chǎn)量已達到400t以上（按有效成分計）。

中國從50年代起研究開發(fā)農(nóng)用抗生素，在20多年里陸續(xù)投產(chǎn)了赤霉素、滅瘟素、春雷霉素、多抗霉素和井岡霉素等品種。其中產(chǎn)量最大的是井岡霉素，到80年代年產(chǎn)量已接近1kt（有效成分）、占全國農(nóng)用抗生素產(chǎn)量的95％以上，成為防治水稻紋枯病首選的安全有效的藥劑。1953年，我國植病學(xué)家尹莘耘先生自陜西涇陽老苜蓿地根中分離得到”5406”菌株，開展防治棉花枯黃萎病.井岡霉素的殺菌效果對照生產(chǎn)

農(nóng)用抗生素的工業(yè)生產(chǎn)，通常采用液體深層通氣培養(yǎng)的發(fā)酵工程，世界上生產(chǎn)農(nóng)用抗生素用的發(fā)酵罐容積最大的已達300m

各種農(nóng)用抗生素生產(chǎn)過程的發(fā)酵工序大體相同，而分離和純化工序則因品種而異，有的有效成分存在于發(fā)酵液中,有的則存在于菌絲體中,要采用不同的分離純化流程來制取。例如：井岡霉素存在于發(fā)酵液中，過濾后濃縮、萃取純化，再加入助劑調(diào)制即成為制劑產(chǎn)品。

農(nóng)用抗生素具有以下特點

①結(jié)構(gòu)復(fù)雜；②活性高、用量小、選擇性好；③易被生物或自然因素所分解，不在環(huán)境中積累或殘留；④生產(chǎn)原料為淀粉、糖類等農(nóng)產(chǎn)品，屬于再生性能源；⑤采用發(fā)酵工程生產(chǎn)，同一套設(shè)備只要改變菌種即可生產(chǎn)不同的抗生素，生產(chǎn)菌大多是土壤中的放線菌，也有真菌和細菌。

中國研制成功新型農(nóng)用抗生素——瑞拉菌素瑞拉菌素是一種農(nóng)用抗生素，屬于生物農(nóng)藥的主要品種。它與過去使用的殺蟲劑、殺菌劑等常規(guī)化學(xué)農(nóng)藥相比，是天然物質(zhì)，容易被生物分解，不易產(chǎn)生抗藥性，對生態(tài)環(huán)境無破壞作用，屬于無公害農(nóng)藥。這種抗生素對梨黑星病菌、蘋果腐爛病菌、辣椒疫病、番茄早疫病菌、煙草赤星