微生物学第8章 微生物生态与生态工程

第8章

微生物生态与生态工程

8.1生态学基本概念

8.1.1微生物生态学与生态系统

⑴微生物生态学(microbiologicalecology)

是研究微生物与环境之间相互作用的科学,是生态学的一个分支。

环境：是指生物赖以生存的空间，由非生物环境和生物环境两大部分组成。非生物环境是除生物以外的环境，包括一系列物理、化学、生物因素所构成。

生物环境是指来自研究对象以外的其他生物的作用和影响。如营养竞争、空间竞争和互利共生等。

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在这个系统中，物质、能量在生物与生物、生物与环境之间不断循环流动，形成一个能够自己维持下去的、相对稳定的，并具有一定独立性的统一整体。生态系统的范围和大小可以相差悬殊。

生物圈：是地球表面全部生物以及与之相关的自然环境的总称，包括水生物圈、地上岩石生物圈、大气生物圈。⑵生态系统(Ecosystem)

是在一定区域内生活的生物与其非生物环境之间相互紧密结合而形成的系统。3碳素循环

有机碳化物

腐烂腐殖质燃烧腐烂

腐烂

CO2

呼吸作用呼吸作用动物植物和微生物微生物在碳素循环中的作用光合作用、分解作用4氮素循环

有机氮化物

氨化作用动物微生物和植物NH3固氮作用

N2NO2

反硝化作用

硝化作用

NO3微生物参与氮素循环的所有过程，并在每个过程中起主要作用5

生物圈内包含有许多大小不等的生态系统。大的如绵绵数亿平方米的森林生态系统，而小的可以是一个湖泊或是一口池塘。

生物与环境结合在一起，彼此之间相互依赖，形成一个有组织的完整生态系统。相对而言，微生物生态系统只不过是完整生态系统的一个组成部分，但对完整生态系统的功能有着不可忽视的重要影响。68.1.2种群和群落

⑴种群(Population)

在一定时间里生活在同一生境的同一个体细胞生长形成的生物群体，在生态学上称之为种群。而把代谢上相关的群体组成的种群称之为共位群。种群通常是由一个亲代细胞经过连续的有丝分裂而形成的相似个体所组成。

栖息地：在生态学上，把一个种群生活的环境称之为该种的栖息地或称生境。7⑵群落(Community)

在自然界中，一个种群的细胞很少是单独存在的，它们总是与其他种群细胞相联系，构成一个在生理上相互弥补的种群复合体，称之为群落。88.1.3微生物的微环境

微环境(Microenvironment)：微生物的个体很小，所以它生活的环境也就十分微小，甚至肉眼看不见。因此，微生物生态学家称之为微环境。由于时间和空间的不同，微环境的物理化学条件也会发生很快的改变。因此，微环境本身也是非均质的，而且在一个给定的微环境中，其条件变化很快。地球上存在无数的微生物微环境，正是因为如此，我们今天才看得到微生物种的多样性。98.1.4环境梯度和耐受限度⑴环境梯度(Environmentalgradients)

植物生态学上，环境梯度一词是用来阐明生物种或生物群落沿着经度或纬度或是从海平面到山顶的分布。对于食品来讲，一个实际的事例是如果在一杯浓糖浆的上面加上一层稀糖浆，这样兼性嗜渗微生物选择在上层稀糖浆内生活，而专性渗压微生物则生活在底层浓糖浆中，就如同喜湿植物生长在水边，而喜干植物生长在山顶上的情形一样。

10⑵耐受限度(Limitsoftolerance)

一种生物只能在对环境中生态因子能够耐受的范围之内生长和繁殖，某一因子在数量上和质量上不能满足或过多均会影响生物的死亡。生物对这些生态因子所能耐受的最大量和最少量之间的范围称之为耐受限度。11

在耐受限度内存在一个最适范围，在此范围内，微生物能够繁殖。随着条件逐渐偏离最适范围，虽然微生物可以生长，但对于繁殖已是过于受胁迫了，当条件达到个体能够存活的上下极限环境时，微生物就再无法生长。

一般来讲，一种微生物对某一因子的耐受范围较宽，而对另一种因子的耐受范围就可能较窄。但是，如果某一微生物对多种生态因子均有耐受性。那么，这一微生物常会分布广泛。12

微生物生态学研究目的：1阐明自然界中微生物的生物多样性和微生物群落中不同群体之间互相作用的关系；2测定自然界中微生物的活动并检测它们对生态系统的影响；133充分挖掘特殊生态环境中有益微生物，使其更好地为人类服务。例如通过对微生物多样性的考察有助于人类开发丰富的菌种资源，防治有害微生物的活动；研究微生物与其他生物之间的关系，有助于人类积极利用生防措施防治人和动植物病害；研究微生物在自然界物质循环中的作用，有助于充分挖掘微生物在控制环境污染、修复污染环境中应用潜力。148.2食品作为特殊的微生物生态系

食品可以看成是一个特殊的微生物生态系。因为自然加工的食品总是存在着多种微生物区系，这些微生物与食品环境相互作用构成了一个具有特定功能的生态系。8.2.1食品生境的不均一性食品是一个不均一的体系。这种不均一性是由于食品组织结构和组成上的固有特性以及外部环境变化和微生物活动的结果。不均一性直接影响着微生物种群的分布。158.2.2表面环境和生物膜

⑴表面环境

环境中的养料可以吸附到表面上，这样一个表面的微环境的营养水平要比溶液中的营养水平高许多。这种情况势必会影响微生物的代谢速度。由于吸附效应，表面的微生物数量和活动强度通常比在自由水中还要大很多。

在浸没载玻片上发育的菌落16

⑵生物膜微生物和营养都通常被吸附在表面上，表面微生物利用营养进行生长繁殖，逐步形成表面生物膜。

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表面生物膜形成的三个阶段：①有机质附着在表面，凡是与水接触的物体表面都能很快地形成这一层。②开始有细菌膜初步吸附在表面上，起先是醪液中正常游离的细菌群体，因物理化学作用而暂时地附着于表面，运动着的细菌也可以因营养物质的引诱而朝着它作定向运动，进而附着在表面上。③当初步吸附在表面的细菌分泌出胞外聚合物时，就使细菌和表面粘在一起，形成较为牢固的吸附层，此即微生物的表面膜。

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⑶纳塔

纳塔是菲律宾的传统发酵食品。它是以椰子水为原料，接种产纤维素的醋酸菌进行静置培养制成。培养过程中醋酸菌在液-气界面上生长和繁殖形成一层胶状纤维素膜，其中包含着醋酸菌菌体，这层膜就称之为纳塔。木醋杆菌在液-气界面上生长形成纳塔19

8.2.3营养物的供给状况生态学把营养称之为资源，在自然情况下，营养通常是以间歇方式进入生态系统的。此时，生物包括微生物会快速繁殖，而接下来的可能是严重营养丧失的时期。因此，自然界中的微生物经常面临着“营养过剩或营养匮乏”问题，所以，微生物必须通过进化“学会”产生贮藏多聚体作为储备物质。

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微生物在食品中与在空气和水中的环境迥然不同。因为食品中含有丰富的微生物所需营养，微生物在食品环境中生长，使食品的营养物浓度和环境状况发生了改变，结果反过来也会影响微生物本身，导致食品中异源微生物种群生长起伏。这种变化往往比微生物在空气中、水中更为激烈和迅速，这是食品生态系统的特点之一。218.2.4生物量和生长速度

⑴生物量生物量的计算方法常以细胞数量为基础；细菌生物量约占曲料重量的万分之三。

⑵生长速度实验室微生物纯培养中细胞指数生长的情形在自然界是极其罕见的。自然界微生物生长通常只出现在很短时间内，与营养的可利用性紧密相连。食品环境中微生物生长也是如此。微生物在自然环境中(包括食品)的生长速度一般都低于实验室中测定的最大生长速度，两者可以相差几十倍，或甚至是上百倍。

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在特殊情况下，自然界中微生物还必须对付其他微生物的竞争，而这些情况在实验室纯培养情况下将不会存在。23

8.2.5种群关系和群落演替

⑴种群关系自然环境中，微生物种群总是和其他生物种群混合杂居的。可以预料，共存于同一生境中的两种生物必定存在着多种相互关系。2425

尽管微生物种群间的关系十分复杂多样,但从利害关系上看,即协作关系和敌对关系.偏利、互利、共生都属于协作关系，偏害、竞争、寄生及捕食则属于敌对关系。以上8种类型的种间关系从敌对到协作逐渐变化的顺序如下：26

食品腐败和酿造通常是多种微生物相互作用的结果，其中关系也同样复杂。但最常见的类型是偏利关系、互利关系和颉颃关系。

①偏利关系用来描述生活在同一生态系统中的两种生物，一方的生命活动明显对另一方有益。食品中常见的偏利关系有两种：一种是在营养提供上的偏利关系；另一种情况是一方的生活使另一方生活环境得以改善。。

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②互生关系

是指两种生物生活在同一场所(生境)，对双方的生命活动都有利。它们分开时虽然也可单独生活，但还是生活在一起时更有利.它可以理解为一种松散或原始的共生关系，称之为原始协作，如酸奶中发酵剂中保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的协作关系。28

当保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌按一定比例接种牛乳进行混合发酵时，保加利亚乳杆菌产生氨基酸，特别是缬氨酸、亮氨酸，从而为嗜热链球菌的生长提供了必需的营养，而嗜热链球菌生长时产生的甲酸物质又可刺激保加利亚乳杆菌生长。因此，酸奶生产中采用两菌发酵比单菌发酵所需的时间短，发酵快，质量好。29③颉颃或偏害关系

偏害指一方受害或生长受抑制，另一方则不受影响的关系。

颉颃是指一种微生物通过向环境中释放某种抗生物质来抑制另一微生物生长，甚至杀死另一微生物的现象。抗生素对铜绿假单胞菌生长的抑制现象最著名的实例是点青霉产生青霉素抑制许多革兰氏阳性细菌的生长。30⑵群落演替

在一个生态区域中，原有的微生物群落经过一般的发展时期后，由于某种内外环境因素的改变，原有的微生物群落被另一种新的生物群落所取代的现象。31

在泡菜发酵过程中，乳酸菌群落演替有一定的理想顺序。一般认为，这个演替顺序是生产高质量泡菜所必须的。由于肠膜明串球菌在约21℃的较低温度下才能达到最佳生长和发酵速度。如果在发酵初期温度高于21℃，那么乳杆菌生长速度很容易超过肠膜明串球菌生长速度，随后产生的高浓度进一步阻止了肠膜明串球菌的生长。32

在这种情况下，肠膜明串球菌原先所产生的醋酸、乙醇和其它期望产物就无法形成，从而影响泡菜的风味，因此在泡菜发酵中先采用低温，到发酵后其再稍微提高温度。

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群落中优势种群演替是逐渐进行的，而且通常是按一定的方向和顺序变化。因此，其发展趋势往往也是可以预知的，又是是可控制的，即我们可以控制微生物群落按我们的意愿来演替。在发展过程中，环境条件可以影响演替，但演替过程是微生物本身的行为特性造成的。酱油制曲348.3

食品环境中的极端微生物自然界中，一些在以前被人们认为是生命禁区的高温、低温、高酸、高碱、高盐、高压或高辐射强度等极端恶环境中仍然生活着的微生物，如嗜热菌、嗜冷菌、嗜酸菌、嗜碱菌、嗜盐菌、嗜压菌和耐辐射等，它们统称为极端环境微生物或简称为极端微生物。

358.3.1嗜盐微生物

⑴嗜盐菌和耐盐菌

耐盐菌：是指那些能耐受一定浓度的盐溶液，但在无盐存在条件生长得最好的菌类。嗜盐菌：专指那些一定浓度的盐为菌体生长所必需，且只有在一定浓度的盐溶液中才生长最好的菌类。36①高盐环境高盐环境总是遍及世界，主要是盐湖，此外，还有盐场、盐矿。这些高盐环境看上去条件严酷，但仍能成为一个高产生态系统。37②嗜盐机制

嗜盐杆菌细胞壁是靠钠离子来稳定的，在低钠环境中细胞壁会破碎并使细胞裂解。这是因为嗜盐杆菌的细胞壁不含有一般细菌所含的肽聚糖，而是以糖蛋白替代肽聚糖。这种糖蛋白例外地含有许多酸性氨基酸。细胞壁糖蛋白中这些氨基酸提供的负电荷就要用Na+屏蔽，否则，当Na+浓度低时，蛋白质的负电荷部分将互相排斥，导致细胞裂解。38

嗜盐杆菌的细胞质蛋白同样也是高酸性，但研究表明，保持细胞内活性必需的离子是K+，而不是Na+，要保持盐杆菌核糖体稳定也需要高浓度的K+

。由此可见，为了稳定结构，嗜盐杆菌暴露在外环境的细胞壁成分需要高浓度的Na+

，而细胞内成分则需要高浓度K+。

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嗜盐杆菌这种细胞内浓缩K+

，细胞外累积Na+的现象是依靠盐杆菌独特的细胞膜中的紫膜来完成。紫膜是由细菌视紫质为代表的一类视黄基蛋白组成，是一个简单巧妙、功能稳定的光能转化器，细菌视紫质在光照下能不断从细胞膜内侧吸收质子，并将质子排出细胞膜，使细胞膜内外两侧形成质子梯度，其结果是导致膜电化学梯度的建立。可以认为紫膜是一个光驱动的“质子泵”。在光驱动下，“质子泵”将光能转化成化学能，菌体利用这种电化学势在ATP酶催化下，合成ATP。40

嗜盐杆菌就是利用光介导的H+质子泵实现Na+/K+的反向转运，向细胞外排出Na+

，并且驱动细胞对K+和各种营养物质的吸收，以保持细胞渗透压的平衡。因为当膜具有能量时，细胞内部时带负电荷，K+可以依靠质子动力通过单项运输蛋白于今细胞质中，而细胞内多余的Na+可通过钠——质子反向运输蛋白泵出细胞。41耐盐机理：

①嗜盐菌具有能适应高盐环境的细菌结构和离子浓度。嗜盐菌有选择性地吸收K＋排出Na＋的能力，细胞内的高浓度K＋既可以防止原生质脱水，又能维持酶和蛋白质等的活性;②有嗜盐的酶;③光合盐杆菌的细胞质膜上含有菌视紫素，能利用光能造成膜内外H＋的浓度梯度并藉以产生ATP和向细胞外排出Na＋。421对高盐浓度的适应性2酶的嗜盐性3紫膜的H+泵作用和排盐作用438.3.2嗜热微生物（1）嗜热菌和超嗜热菌嗜热菌最适生长温度65～70℃，40℃以下不能生长。超嗜热菌又称之为嗜高温菌，其最适生长温度在80～110℃，最低生长温低在55℃左右。44（2）高温环境

嗜热微生物生长的环境有热泉（高温可达100℃）、草堆、厩肥、煤堆、地热区土壤及海底火山附近等处。在食品加工环境中，嗜热微生物可存在于排放冷却水中，也可以残存于经过高温灭菌牛乳或其它食品中。食品加工中作中最重要的嗜热菌归属芽孢杆菌和梭状芽孢杆菌属。45（3）嗜热的分子机制

嗜热微生物对高温的适应机制主要表现在细胞膜上脂肪酸的成分、耐高温酶和生物大分子的热稳定性上。首先。这些生物中的酶和其它蛋白质比嗜温微生物中的酶和蛋白质更具有耐热性，并且这些大分子实际上只有在高温下才能起到最佳作用。其原因可能是氨基酸序列不同，使酶以不同的方式进行折叠，从而使此酶能耐受热变性作用。

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嗜热菌细胞膜的稳定性也与其耐热机制有关。它的细胞膜上长链饱和脂肪酸的比例随着温度的提高而增多，相应的不饱和脂肪酸则减少，而饱和脂肪酸能生成更强的疏水链，这些疏水链更有利于膜对高温的稳定性。此外，嗜热的tRNA中G.C含量高，可提供较多的氢键，故具有独特的热稳定性。47

嗜热机制：①细胞内的酶具强抗热性。

②产生的多胺，热亚胺和高温精胺物质对蛋白质等组织结构具有保护作用。③核酸也具有热稳定性的保护结构。④细胞膜含有较多的饱和脂肪酸和直链脂肪酸，使膜具有稳定性。48嗜热机制--嗜热菌之所以耐热，主要是其结构及生理上具有一定特点。近年来，对其嗜热机制进行了分子水平的研究，可归纳为以下4种假说。（1）类脂的敏感作用

嗜热菌细胞质膜的化学成分，随环境温度的升高不仅类脂总含量增加，而且细胞中的高熔点饱和脂肪酸也增加，即长链饱和脂肪酸增加，而不饱和脂肪酸减少。因此，嗜热菌在高温下能维持膜的功能，能较好地生存。（2）重要代谢产物的迅速再合成

嗜热菌中tRNAr的周转率大于中温菌的周转率，核酸中的GC含量也比中温菌高。（3）大分子的热稳定性--嗜热菌的酶和蛋白质比中温菌的酶和蛋白质具有较高的热稳定性。（4）蛋白质合成系统的热稳定性--嗜热菌的核糖体比中温菌的核糖体抗热性高。49（4）应用前景①在基因工程中，它可为基因工程菌的建立提供特异性基因。②在发酵工业中，可以利用其耐高温特性，特稿反应温度，增大反应速度，减少中温杂菌污染的机会，而且发酵过程不需冷却，可省去深井水的消耗。③嗜热菌对某些矿物有特殊的侵溶能力，对某些金属具有较强的耐受能力。508.3.3嗜冷微生物（1）耐冷菌和嗜冷菌

嗜冷菌：必须生活在低温条件下，并且最高生长温度不超过20℃，最是生长温度在15℃，在0℃可生长繁殖的微生物。

耐冷菌：其最高生长温度高于20℃，最适温度高于15℃，在0～5℃可生长繁殖的微生物。51（2）冷环境嗜冷菌分布于极地、冰窖、高山、深海、冷冻土壤等区域。从这些生静中分离的主要嗜冷微生物有针丝藻和微单胞菌等。52（3）嗜冷的分子机制

这些机制包括营养物质的吸收和运转、DNA复制、蛋白质合成、各种代谢的正常进行等。嗜冷菌因其细胞膜内含有大量的不饱和脂肪酸，且会随温度的降低而增加，从而保证了膜在低温下具有流动性，这样就能在低温条件下不断从外界环境中吸收营养物质。嗜冷菌长生的酶是热不稳定的，它们一般在寒冷条件下酶功能最佳。同样，嗜冷菌的核糖体也是热不稳定的。

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嗜冷机制：①酶系在低温下仍能起催化作用②细胞膜含较多的不饱和脂肪酸，在低温下仍具有通透性。54（4）应用前景①低温发酵可生产出许多风味食品，且可节约能源及减少嗜温菌的污染。②分离自嗜冷菌的酯酶、蛋白酶及β－半乳糖苷酶在食品工业和洗涤剂中具有很大潜力。③从海洋嗜冷菌分离的生物活性物质可用于医药和食品等。558.3.4耐辐射微生物（1）耐辐射微生物耐辐射微生物只是对高辐射环境更具耐受性，而不是对辐射有特别“嗜好”。总的来说G+菌的耐辐射比G-菌强的多；芽胞菌的耐辐射力远大于无芽胞菌（2）高辐射环境

1956年美国的Anderson教授首次在俄勒冈敬经大量辐射灭菌的肉罐头中分离出耐辐射奇异球菌。56（3）耐辐射的可能机制

①所有耐辐射菌有高色素形成能力，其中含有类胡萝卜素，这可能与耐辐射性有某种联系。；②细胞壁坚固、细胞膜脂质成分独特；③近年来研究表明，耐辐射菌具有快速有效得的DNA准确修复系统，这种度辐射损伤的酶修复功能很可能是其耐辐射性的根本原因。578.4人体微生物区系8.4.1人的正常菌群

正常菌群：人体可以为许多微生物提供合适的生长环境，它们中的大多数对人体健康来说是有益的，又是还是必需的，这些微生物就成为正常菌群。588.4.2皮肤环境和菌群

皮肤为细菌定居提供一个大而易于到达的区域。皮肤能够接触多种微生物，因此，皮肤上停留着大量细菌，然而因为其它各种原因，皮肤上的细菌较其它体表部位较少。不过，由于它的表面积较大，皮肤细菌的总数大约每人有1012个。

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细菌为了确立自己成为皮肤微生物区系的恒定成员，它们应具备下列特性：需氧与兼性厌氧的呼吸；黏附于角化上皮细菌的能力；利用脂肪作为碳源和能源的能力；耐受高盐浓度。一般来说，皮肤微生物区系以具有这些特性的细菌为主导。这些主要的微生物；葡萄球菌、微球菌、棒状杆菌和丙酸杆菌。608.4.3口腔环境和菌群

口腔具有一些不同的微生物栖息地，每一处都有自己特征性的微生物区系。口腔独特之处是它提供身体内唯一不脱落的表面-牙齿，这样使细菌聚集形成称为生物膜即齿牙菌斑的密集聚集物。由于唾液不停地流入口腔、吞咽、舌的运动和咀嚼，细菌遭受很强的力后再脱落。61

所以黏附于口腔表面的能力是一种微生物定居成为正常微生物区系一员的基本前提。口前显然为一种有氧环境，而口腔微生物的绝大多数是兼性或专性厌氧菌，他依赖的小区系因性质不同而有一定的比例变化。628.4.4呼吸道环境和菌群

除正常无菌的支气管和细支气管之外，呼吸道的其他部位，即前鼻孔、鼻咽、口咽及下呼吸道，都具有特征性的微生物区系。呼吸道影响正常微生物区系建立的主要特定是有一个有效的微粒和微生物排除系统，它由两方面组成：①.移除大微粒的前鼻孔鼻毛；②被覆黏蛋白的纤毛上皮细胞，在这里细菌被捕获，通过纤毛运动被带到咽后部并被吞咽。638.4.5胃肠道环境和菌群

人的胃肠道是食物消化的地方，由胃、小肠和大肠组成。胃液的pH很低，大约为pH2，因此可以把胃看做微生物的阻碍器，它可以阻止外来细菌进入肠道。

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肠道包括小肠和大肠，在大肠中，存在大量的细菌，由于存在如此多细菌，就可以把这部位看做是一个特殊化的发酵容器。生活在肠腔中的微生物可以利用消化食物的某些产物作为营养成分。胃肠道正常的微生物群落在不同属中有很大的变化。658.5生态工程原理与应用8.5.1生态工程的概念

生态工程：生态系统是应用生态系统中物种共生和物质循环再生原理，结构与功能协调原则，结合系统的最优化设计的多层多级利用物质的生产工艺系统。它包括以下几个方面：⑴物质量的多层次利用；

⑵物质转化与再生；

66⑶无污染工艺

定义：一部分植物可制成饲料、饲养禽畜，禽畜排泄物可作为肥料，同时也调节了工厂燃料所产生的二氧化碳的浓度，此种兼顾生产和环境保护的工艺称为无污染工艺。⑷多功能系统的完全代谢过程自净：即使由于某种物质积累，破坏了系统的原来结构，也会出现适应新情况的生物更新，此种现象称为自净。678.5.2在酿酒业中的作用8.5.2.1生态环境与中国酒质量风格的形成

各种酒之所以具有不同的香味和风格，主要决定于不同的工艺。即各种工艺过程造成的不同微生物的生态环境，培养和发展了独特的微生物群落。⑴浓香型⑵酱香型⑶清香型⑷米香型688.6微生物生态学方法

8.6.1富集和分离方法

富集培养技术:是利用一定的培养基和培养方法选择所需要的生物,而对不需要的生物进行反复选择。

注意：富集培养的策略是复制与生境尽可能一样的资源和条件，然后探测这个小生境里可能居住的生物。69

富集培养后接下来是进行菌种分纯。最常用的方法是划线平板法、琼脂振荡法。生物体在琼脂平