环境微生物学第四版课件 乐毅全 第5-10章 微生物生长繁殖和影响因子-微生物学新技术在环境领域中的应用

第五章

微生物的生长繁殖和生存因子主要内容：微生物的生长繁殖

细菌的生长曲线

细菌生长曲线在污（废）水微生物处理中的应用

影响微生物生长的环境因子生物之间的相互关系第一节微生物的生长繁殖

一、生长繁殖的概念生长繁殖是生物的基本特征之一，也是生物与非生物的重要区别之一。当发生个体数目的增加时，就称为繁殖。反之，则为生长。单细胞生物的生长和繁殖裂殖、芽殖、孢子繁殖等多细胞生物的生长和繁殖另外，生物的繁殖有无性繁殖和有性繁殖之分。世代时间：单细胞微生物的世代时间：两次细胞分裂之间的时间多细胞生物的世代时间：两次繁殖之间的时间世代时间的大小反映了一种微生物繁殖速度的快慢。不同种的微生物，其生长繁殖速度不同。原核微生物的繁殖速度一般比真核微生物快。某种生物的数量增长，取决于两个方面的指标：一是繁殖率（与存活率）二是世代时间从一般应用的角度，对于单细胞生物（如细菌），我们常常把生长=繁殖。二、研究微生物生长的方法1、微生物的培养方法（1）微生物的纯培养及获得方法在实验室条件下从一个单细胞繁殖得到的后代称为纯培养。获得纯培养的方法：固体培养基——通常采用的是涂布分离法（coatingseparation）或稀释平板法(dilutionplate)或平板划线法(platestreaking)等液体培养基——稀释法单细胞（单孢子）挑取法选择培养基法在整个微生物实验过程中，防止其他微生物的进入是十分重要的，若其他微生物进入纯培养中，便称为污染（contamination）。防止污染的方法：

器皿的灭菌环境的控制操作过程的控制（2）微生物的培养方法为了研究微生物的生长，首先要对微生物进行培养。微生物的培养方法根据培养过程中对氧气的需要与否可分为好氧培养和厌氧培养：①好氧培养方法试管斜面、培养皿平板发酵罐②厌氧培养方法微生物的厌氧培养方法不需要提供氧气，对于厌氧微生物来说，氧气是有害的，因此要采用各种方法去氧或放在氧化还原电位低的条件下进行培养。在实验室中除了要用特殊的培养装置，还需要在培养基中加入还原剂和氧化还原指示剂。2、分批培养和连续培养由于微生物个体太小，难以研究单个微生物，多数是通过培养研究其群体生长。常用的培养方法有：间歇（分批）培养和连续培养。间歇（分批）培养是将一定量的微生物接种在一个封闭的、盛有一定量液体培养基的容器内，保持一定的温度、pH和溶解氧量，微生物在其中生长繁殖。连续培养是以一定速度连续流进新鲜培养基，另一方面以同样速度流出培养物，使培养基中的微生物长期保持某一特定生长阶段。（1）分批培养分批培养的特点：

整个过程中不再新加营养物质，也没有物质流出。导致的结果：结果会出现微生物数量由少变多，达到高峰后又由多变少，甚至死亡的变化规律。描述这个过程的曲线：生长曲线细菌的生长曲线

各种细菌的生长速率不一，每一种细菌都有各自的生长曲线，但曲线的形状基本相同。其他微生物也有形状类似的生长曲线。废水生物处理中混合生长的活性污泥微生物也有类似的生长曲线。

用于培养微生物的摇床（2）连续培养连续培养有恒浊连续培养和恒化连续培养两种。a．恒浊连续培养——是一种使培养液中细菌的浓度恒定，以浊度为控制指标的培养方式。按试验目的，首先确定培养液的浊度保持在某一恒定值上。调节进水(含一定浓度的培养基)流速，使浊度达到恒定(用自动控制的浊度计测定)。当浊度较大时，加大进水流速，以降低浊度;浊度较小时，降低流速，提高浊度。发酵工业采用此法可获得大量的菌体和有经济价值的代谢产物。b．恒化连续培养——是维持进水中的营养成分恒定(其中对细菌生长有限制作用的成分要保持低浓度水平)，以恒定流速进水，以相同流速流出代谢产物，使细菌处于最高生长速率状态的培养方式。

在连续培养中，微生物的生长状态和规律与分批培养中的不同。它们往往处于相当分批培养中生长曲线的某一个生长阶段。生物反应器（用于微生物的连续培养或分批培养，可以控制温度、溶解氧、pH等多项指标）(3)生长曲线的各个时期及其特点细菌的生长曲线可细分为6个时期：停滞期(适应期)、加速期、对数期、减速期、静止期及衰亡期。由于加速期和减速期历时都很短，可把加速期并入停滞期，把减速期并入静止期。因此，细菌的生长繁殖可粗分为4个时期。下面分别进行介绍。

I．停滞期少量细菌刚接入一定量的新鲜液体培养基中，并不立即生长繁殖，需要有一个适应过程（产生适应酶）。此时细胞物质开始增加，但数量不增加或增加很少。停滞的长短取决于某些因素：接种量、菌龄、营养等。处于停滞期的细菌对外界环境条件较敏感，易受外界不良环境条件的影响而发生变异。II．对数期（指数期）细菌的生长速度达到最大，细菌数以几何级数增加，在生长曲线上呈直线关系。处于对数期的细菌，得到丰富的营养，代谢活力最强，细菌旺盛生长。此时的细菌比较整齐（群体内比较一致）健壮。对不良环境条件的抗性也比较强。

计算世代时间G:已知：t1、t2、X1、X2，X2=X12nn=3.31(lgX2-lgX1)由G=(t2-t1)/n可得：G=(t2-t1)/[3.31(lgX2-lgX1)]另一种方法是假设：dX/dt=K1X其中K1为微生物的（比）生长速度常数

ln(X2/X1)=K1(t2-t1)令X2=2X1，则t2-t1=G代入，得：G=ln2/K1

即G=0.693/K1比生长速度（率）常数K1：单位时间内单位数量的菌体所增加的微生物量。它是表征微生物生长速率的一个参数。很多书上用μ来表示

另一个相关的定义：生长速度(率)常数k为单位时间内的代数则k=n/t=1/GIII．静止期由于对数期的细菌迅速生长繁殖，消耗了大量的营养物质，同时代谢产物的大量积累对细菌本身产生毒害作用；另外，pH、溶解氧、氧化还原电位等条件也变得不利。结果造成细菌的生长速率逐渐下降，甚至到零。在静止期，细菌总数达到最大，新生数与死亡数大致相等，保持动态平衡。此时的细菌开始积累贮存物质，芽孢菌形成芽孢。IV．衰老期营养物质被耗尽，细菌进入内源呼吸阶段（微生物消耗自身的贮存物质进行呼吸）。有害物质大量积累，不利于细菌的生长繁殖，此时，死亡率增加，活菌数减少。细菌常出现畸形或衰退型。从根本上说，细菌的不同生长时期，是由外界提供的营养物的量决定的，即所谓的负荷（F/M）。三、细菌生长曲线在污（废）水微生物处理中的应用在污水生物处理过程中，活性污泥是多种微生物的混合群体，如果条件适宜，活性污泥的增长过程，与纯种单细胞微生物的增值过程大体相仿，也可以存在停滞期、对数期、静止期和衰老期。在处理构筑物中通常仅出现生长曲线中的某一、二个阶段。且处于不同阶段时的污泥，其特性有很大的区别。由于废水生物处理（活性污泥）实际是连续运行，其微生物生长规律不同于分批培养时的规律，它只能是处于生长曲线的某一阶段。一般把活性污泥生长曲线的划分成三个阶段：生长率上升阶段、生长率下降阶段和内源呼吸阶段。对于常规活性污泥法，是利用静止期（生长下降阶段）的微生物，原因有二：一是对负荷的要求；二是对沉淀性能的要求。当然也有利用其他阶段微生物的废水生物处理方法，如高负荷活性污泥法是利用对数期（生长上升阶段）和减速期（生长下降阶段），延时曝气法是利用衰亡期（内源呼吸阶段）等等。微生物代谢速率与负荷的关系四、微生物生长量的测定方法大致有以下几种：

1.测定微生物总数如计数器直接计数，或测定菌浊液的光密度值等。

2.测定活细菌数平板菌落（CFU）计数、薄膜过滤计数等。

3.计算生长量测定细胞干重，测定某一组份（如含氮量、DNA）或生理指标。如通过含氮量来定量细胞量：基于这样的事实，即蛋白质含氮量为16%，细菌中蛋白质含量占细菌固形物的50%~80%，一般以65%为代表。蛋白质总量=含氮量×6.25

细胞总量=蛋白质总量÷

[50%~80%(或65%)]=蛋白质总量×1.54培养方法测定测定活细菌数的缺陷：不可培养微生物的存在培养方法的限制因此，可培养的微生物数≠微生物总数对于不可培养的微生物，需要特殊的方法来进行测定。五、微生物死亡的测定微生物的死亡，意味着不可恢复地失去生长与分裂繁殖的能力。对于一个不是受机械性破坏的微生物细胞来说，死亡一词仅仅是就测定细菌活力所用的条件而言的。问题：培养方法的可靠性

第二节

微生物的生存因子

微生物除需要营养外，还需要合适的环境生存因子。如果环境因子不正常，会造成微生物生命活动不正常，甚至变异或死亡。

生态因子（ecologicalfactor）：在环境中，对生物个体或群落的生活或分布有影响作用的因素。生态因子可分为：

非生物因子（abioticfactor）

温度、光照、pH值、水分等理化因子

生物因子（bioticfactor）本节中，我们叙述的是其中的非生物因子。

一、温度微生物的生长要求有一定的温度范围：最低温度、最适温度、最高温度。根据细菌最适温度的不同，可把细菌分为：嗜冷菌（5-10℃）、嗜中温菌（25-40℃）、嗜热菌（50-60℃）和嗜超热菌（70-105℃）。大多数菌为嗜中温菌。不同微生物对温度的要求不同，同一微生物在生长的不同时期对温度的要求也会不同。温度对微生物的影响极端温度对微生物的影响：极端温度分高温和低温，影响有所不同。高温的影响：在高温时，微生物的蛋白质会发生凝固变性，呈不可逆的变性，导致微生物的死亡。

通常，可以利用高温对微生物的影响来达到杀灭微生物的目的。

低温的影响：低温下，微生物的代谢活力低，生长缓慢或停止，但不致死。处于低温下的微生物一旦获得适宜的温度，即可恢复活性。利用这一特性，各种冰箱成为生物实验中保存生物样品或试剂的重要手段。一般冰箱的温度在4℃~零下18℃，可以用于保存一般的生物样品。有的样品需要比较低的温度，甚至低达零下70℃，或更低（如使用液氮，可以达到零下196℃）二、pH微生物的生命活动、物质代谢与pH有密切关系。不同微生物对pH的要求有不同。微生物对pH的要求也存在最高、最低和最适三个点。常见的四大类微生物中，对pH的最适（范围）要求分别是，细菌：6.5-7.5（4-10）；放线菌：7-8（5-10）；霉菌：3-6（1.5-10）；酵母菌：5-6（1.5-10）。在废水生物处理中，pH一般在6.5-8.5（6-9）。生物处理的主体是细菌，它要求pH略为偏碱。过高的pH会使原生动物呆滞，菌胶团解体，影响去除效果，而过低的pH，会使霉菌大量繁殖，造成污泥膨胀。极端pH对微生物的影响过高或过低的pH对微生物的影响：（1）影响蛋白质的解离，从而影响细胞表面的电荷，影响营养物质的吸收；（2）影响营养物质的离子化，影响其进入细胞；（3）影响酶的活性；（4）降低抗热性。三、氧化还原电位氧化环境具有正电位，还原环境具有负电位。各种微生物对氧化还原电位的要求不同，一般好氧微生物要求Eh在+300～+400mV；专性厌氧的微生物要求在-200~-250mV；而兼性微生物，在+100mV以上时进行好氧呼吸，在+100mV以下时进行无氧呼吸。环境中的氧化还原电位受到氧分压和pH等因子的影响。四、溶解氧微生物可分为：好氧微生物、兼性厌氧微生物和厌氧微生物。1．好氧微生物O2的作用有两个：一是作为最终电子受体；二是参与甾醇类和不饱和脂肪酸的合成。微生物只能利用溶解于水中的O2，即溶解氧（DO）。DO与水温、大气压等因素有关，温度越高，氧的溶解度越小。在好氧生物处理中，一般曝气池中的DO要求控制在3~4mg/L。2．兼性微生物即能在有氧条件下生存，又能在无氧条件下生存。但两者所表现的生理状态是很不同的。3．厌氧微生物

只有在无氧条件下才能生存。对于专性厌氧微生物，要求绝对无氧的条件，氧的存在会使微生物死亡；另一些厌氧微生物，氧的存在与否对它没有影响，既不利用氧，也不中毒。

五、太阳辐射辐射包括：可见光（380-760nm）、紫外辐射（280-380nm）、近红外（760-3000nm）、热红外（6000-15000nm）及微波（1-几厘米）。另外还有电离辐射等。可见光和红外辐射对进行光合作用的微生物有影响，能作为光合作用的能源。紫外辐射和电离辐射对微生物的影响紫外线：对微生物有致死作用，可用以杀菌，但穿透力较差，只能用于空气和物体表面的消毒；紫外线的作用机理：形成T的二聚体，从而导致DNA复制出现错误。电离辐射：低剂量时，有促进生长的作用；高剂量时，则有致死作用。常用来进行诱变育种。六、水的活度与渗透压水的活度aw是用来衡量水的被吸附和溶液因子对水的可利用性的影响的指标，表示在一定温度（如25℃）下，某溶液或物质在与一定空间空气相平衡时的含水量与饱和空气水量的比值。大多数微生物在aw为0.95~0.99时生长最好。干燥能使微生物体内的蛋白质变性，引起代谢活动的停止，所以干燥会影响微生物的活性以至生命力。不同微生物对干燥的抗性差别很大，细菌的芽孢、藻类和真菌的孢子及原生动物的胞囊抗性较强。也可以用干燥的方法来保存微生物样品。微生物在不同渗透压的溶液中呈不同的反应：

等渗溶液，周围溶液=体内（0.5-0.85%的NaCL溶液，也被称为生理盐水）

微生物生长良好；

低渗溶液，周围<体内（如0.01%的NaCL溶液）

水分从细胞外进入细胞，细胞膨胀，严重者破裂；

高渗溶液，周围>体内（如20%的NaCL溶液）

细胞内的水分子大量渗出，使细胞发生质壁分离。

微生物在不同渗透压溶液中的反应七、超声波对微生物的影响超声波是频率超过20000HZ的声波，人耳听不见。超声波具有强烈的生物学效应，能破坏细胞。常用来破坏细胞壁，制成细菌裂解液。八、重金属对微生物的影响汞、银、铜、铅及其化合物，能使蛋白质发生沉淀变性，使酶失去活性，而可以用来作为杀菌和防腐。九、若干化学物质对微生物的影响1．醇醇是脱水剂和脂溶剂，可使蛋白质脱水、变性，溶解细胞质膜的脂类物质，进而杀死微生物机体。体积分数为70%左右的乙醇杀菌力最强。原因：2．甲醛甲醛是很有效的杀菌剂，对细菌、真菌及其孢子和病毒均有效。甲醛是气体，质量浓度为370-400g/L的甲醛水溶液称为福尔马林。

3．表面活性剂常用的有酚、新洁尔灭、合成洗涤剂及染料等。表面活性剂能降低溶液的表面张力，从而对微生物产生影响。表面张力是作用在物体表面单位长度上的收缩力。不同物质表面的表面张力不同，会对微生物的生长、繁殖及形态产生影响。十、抗生素对微生物的影响许多微生物在代谢过程中产生能杀死其他微生物或抑制其他微生物生长的化学物质，即抗生素（antibiotic）。抗生素有广谱和狭谱之分。氯霉素、金霉素、土霉素和四环素可抑制许多不同种类的微生物，叫广谱抗生素。青霉素只能杀死或抑制革兰氏阳性菌，多粘菌素只能杀死革兰氏阴性菌，叫狭谱抗生素。抗生素对微生物的影响有以下四方面：(1)抑制微生物细胞壁合成：如青霉素、头孢菌素、万古霉素等；(2)破坏微生物的细胞质膜：如多粘菌素；(3)抑制蛋白质合成：如氯霉素、红霉素、四环素等；(4)干扰核酸的合成：如利福霉素。抗生素的负面影响：①不少抗生素的使用有局部或全身的不良反应，可能引起过敏、皮疹、胃肠道反应等，如长期使用氨基糖苷类抗生素可能损伤肾脏和听力。②抗生素会抑杀机体内的正常的生理菌群，破坏体内的“生态平衡”。③抗生素会使致病菌产生耐药性。微生物对抗生素的影响会产生抗性。特别是在抗生素被大量使用之后，由于微生物本身的变异，而产生抗性，使抗生素的作用失效。为此，人们不得不增加使用抗生素的剂量或去寻找新的抗生素，这是一个很严重的问题。微生物对抗生素产生抗性的机制：①抗生素失活

酶介导的抗生素降解或修饰。②靶点修饰、改变和保护

改变抗生素靶点以减少与抗生素的结合，或者主要靶点的结构被修饰改变或保护，使抗生素的结合变得低效。③靶标旁路

抗生素靶标的功能由不受抗生素抑制的新蛋白完成，使原靶标冗余，抗生素无效。④降低内输

改变细胞膜的通透性以阻止抗生素进入细胞。⑤促进外排

跨膜蛋白外排泵将抗生素泵出细菌细胞以降低其细胞内浓度。十一、微生物的杀灭和控制在微生物操作中，无菌操作（或者说是无杂菌）是十分重要的，因此，所有的微生物培养基、器皿都必须在实验开始前进行灭菌，才能保证实验过程的正常进行。在生产实际中，也是如此。在实际工作中，常用的杀灭和控制方法主要有：高温、射线、化学药品、过滤等。灭菌是指杀死一切微生物；而消毒仅是杀死致病微生物。高温灭菌的方法有：灼烧、干热灭菌和湿热灭菌。

高温消毒的方法：煮沸、巴氏消毒法等另外还有一个概念：防腐（阻止微生物的生长繁殖）实验室所用高压蒸汽灭菌锅高温杀菌的条件：干热灭菌，一般为160℃，2小时；高压蒸汽灭菌的条件：一般为121℃，0.105MPa，20分钟对于特殊物质，可以降低到115℃(0.072MPa)，甚至更低（112℃）。高压蒸汽灭菌的条件中的温度要低于干热灭菌，时间要短。这是因为：蛋白质在有水的条件下变性温度比无水的时候要低；水蒸汽的穿透力要比热空气强；水蒸汽有潜热。灭菌的效果取决于细菌中最耐热的结构——芽孢。是否能杀灭一些代表菌的芽孢就成了衡量各种消毒灭菌措施的主要指标。如：肉类中的肉毒梭菌（产生肉毒素）外科器材中的破伤风梭菌和产气荚膜梭菌实验室或发酵工业中的嗜热脂肪芽孢杆菌射线灭菌法通常是用紫外线或各种射线。由于穿透力弱，只能用于表面灭菌，一般用于无菌室、培养间等空间灭菌。波长在250-270nm的紫外线杀菌效果最好，可以用30W的紫外线灯照射30min。温度高，杀菌效果好，湿度大，灯的使用寿命长，空气中悬浮物质多，杀菌效果低。过滤灭菌法对于空气以及不耐热的液体培养基等，可以用过滤法灭菌。过滤除菌有三种类型：如：膜滤器，由醋酸纤维素或硝酸纤维素制成比较坚韧的具有微孔（直径0.22-0.45微米）的膜。另外，通过高渗作用（高浓度盐或糖）、超声波等也可以杀菌。培养基灭菌方法的选择：培养基在灭菌过程中，会同时导致营养物质的被破坏。在实际应用中，要注意选择既能灭菌，又能使营养成分破坏最少的方法。对培养基一般使用高压蒸汽灭菌，一般培养基的灭菌条件是0.105MPa，121℃，15~30min，但该条件会使培养基中一些不耐热的物质被破坏，如糖类会形成氨基糖、焦糖，因此，含糖培养基的灭菌条件可选择115℃(0.072MPa)甚至112℃。某些对糖类要求高的培养基，可先将糖类进行过滤除菌或间歇灭菌，再与其他已灭菌的成分混合。长时间灭菌会导致磷酸盐、碳酸盐与某些阳离子（特别是钙、镁、铁离子）结合生成难溶性复合物而产生沉淀，因此，可以在培养基中加入少量螯合剂（如EDTA乙二胺四乙酸），还可将含钙、镁、铁等离子的成分与磷酸盐、碳酸盐等分别进行灭菌，然后再进行混合，避免产生沉淀。高压蒸汽灭菌后，培养基的pH值会发生改变（一般会降低），可根据所培养微生物的要求，在灭菌前后加以调整。第三节

微生物与其他生物之间的关系

微生物不仅与环境因素密切相关，而且与其他生物之间也有密切关系。其实对于一个（或一种）生物而言，其他生物个体（或种）就是它的环境因素。根据两种生物种之间的关系（有利、不利或中性），可形成多种类型的相互关系。包括种间关系和种内关系。下面介绍几种常见的生物（微生物）之间的相互关系：一、竞争关系不同的微生物对于资源发生竞争，互相受到不好的影响，如对营养物质、空间地位等等。如在活性污泥中，菌胶团细菌和丝状菌会发生对溶解氧或营养的竞争。竞争的结果:二、原始合作关系（互生关系）两种可以单独生活的微生物共存，互为有利。这是一种可分可合，合比分好的相互关系。如在植物根部生长的根际微生物与高等植物之间存在着互生关系，在人体肠道中，正常菌群与人之间也存在着互生关系。又如在氧化塘中的藻类和细菌。三、共生关系两种不可以单独生活的微生物共存，互为有利，彼此分离就不能很好地生活。地衣就是微生物间共生的典型例子，它是真菌和蓝细菌或藻类的共生体。

叶状地衣（南极石耳）

壳状地衣（南极中国长城站海边崖岩上的地衣群落）

壳状地衣（南极丽石黄衣，红色和赤星衣，米黄色）

壳状地衣（南极的瘿茶渍衣）与人体共生的微生物：在我们的身体内，住着数以万亿计的细菌和其他微生物。它们寄生在我们的皮肤、生殖器、口腔，特别是肠道等部位。实际上，人体细胞并不是人体内数量最多的细胞（约60万亿个），共生细菌的数量是人体细胞的10倍。由微生物细胞和它们所包含的基因组成的细菌群落，不仅不会危害我们的健康，反而对人体有益，能帮助身体进行消化、生长和防御。四、偏害关系（拮抗关系）拮抗关系是指一种微生物在其生命活动中，产生某种代谢产物或改变环境条件，从而抑制其他微生物的生长繁殖，甚至杀死其它微生物的现象。可分为非特异性偏害和特异性偏害。如乳酸菌对其他细菌的影响，产生抗生素的微生物（如青霉菌产生青霉素）对其他微生物的影响（如革兰氏染色阳性菌）等。五、捕食关系一种微生物吞食另一种微生物，如原生动物吞食细菌等。捕食者与被捕食者之间的关系六、寄生关系寄生指的是小型生物生活在较大型的生物体内或体表，从后者获得营养，进行生长、繁殖，并使后者蒙受损害甚至被杀死的现象。前者为寄生菌，后者为寄主或宿主。如噬菌体与细菌的关系。第六章

微生物的遗传和变异

主要内容：微生物的遗传和变异现象微生物的遗传微生物的变异及应用分子生物学（基因工程）及其应用第一节遗传和变异现象遗传和变异是一切生物最本质的属性。

遗传（保守性）变异

遗传学(Genetics)：研究生物遗传和变异现象的学科。意义：遗传和变异是一切生物存在和进化的基本要素对于育种的意义在环境保护领域的应用遗传是相对的，变异是绝对的；

遗传中有变异，变异中有遗传。

第二节微生物的遗传

一、遗传和变异的物质基础－－DNA1、对DNA的认识和研究历史孟德尔的理论豌豆实验孟德尔定理的重新发现DNA（及RNA）是遗传物质的研究历史（三个经典实验）肺炎链球菌的转化实验

Griffith(1928)发现了转化现象。后Avery等（1944）证实，引起转化的物质就是DNA。噬菌体感染实验（1952年）FraenkelConrat(1956)用RNA病毒做的病毒重建实验证明，在只有RNA而不含DNA的病毒中，遗传物质是RNA。2、遗传物质在细胞中的存在形式

除部分病毒的遗传物质是RNA外，其余病毒和全部具有典型细胞结构的生物体的遗传物质都是DNA。按其在细胞中的存在形式可分成染色体DNA和染色体外DNA。原核细胞和真核细胞中DNA的存在形式不完全相同。3、基因和遗传信息的传递

基因现在一般认为，基因是一个具有遗传因子效应的DNA片段，它是遗传物质的最小功能单位。基因是生物染色体上的一段DNA，它储存了遗传信息，又具有自我复制的能力。基因具有特定的碱基顺序，即核苷酸顺序，它不仅可以决定生物的某一个性状，而且还具有调控其他基因表达活性的功能。基因既是一个结构单位，也是一个功能单位。按功能可把基因分为三种：结构基因、操纵基因、调节基因。基因控制遗传性状，但不等于遗传性状。任何一个遗传性状的表达都是在基因控制下的个体发育的结果。从基因型到表现型需要通过酶催化的代谢活动来实现。基因直接控制酶的合成，控制新陈代谢，从而决定遗传性状的表现。

性状（表型）=基因型+环境(2)遗传信息的传递现代生物遗传学已经证明：

亲代的性状是通过脱氧核糖核酸（DNA）将决定各种遗传性状的遗传信息传给子代的。子代根据DNA所携带的遗传信息，产生一定形态结构的蛋白质，由一定结构的蛋白质就可决定子代具有一定形态结构和生理生化特性。分子生物学中心法则二、DNA的结构与复制1、DNA的结构DNA由两条多个核苷酸组成的链配对而成，两条链彼此互补，以右手螺旋的方式围绕一根主轴而互相盘绕形成。四种碱基A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）相互配对。A~T,G~C互相间通过氢键连接。1953年的克里克（FrancisCrick,1916-2004)（右）和沃森(JamesWatson,1928-)在实验室里，他们两人因为发现了DNA的分子结构，而在1962年与威尔金斯一起获得诺贝尔生理学和医学奖。核苷酸的结构四种碱基的结构DNA分子结构DNA链的延伸A与T、G与C的配对（依靠氢键连接）2、DNA的复制为确保微生物体内DNA碱基顺序精确不变，保证微生物的所有属性都得到遗传，则在细胞分裂之前，DNA必须十分精确地进行复制。DNA具有独特的半保留式的自我复制能力，确保了DNA复制精确，并保证一切生物遗传性的相对稳定。DNA的复制DNA是双链分子，但作为基因则只有一条链为蛋白质编码（意义链），另一条只是使DNA分子处于稳定状态的互补链，称为反义链。由DNA分子上的碱基顺序通过转录过程决定RNA分子。

三、DNA的变性和复性

DNA的变性：DNA的双螺旋结构由碱基对中碱基之间的氢键维持。当天然双链DNA受热或其他因素的作用下，两条链之间的结合力被破坏而分开成单链DNA，即称为DNA变性。解链温度Tm：DNA的复性：变性DNA溶液经适当处理后重新形成天然DNA的过程叫复性，或叫退火。用高温使DNA变性后，再缓慢降低至自然温度，变性的DNA会复性成天然双链DNA。DNA的变性DNA变性时，双螺旋松解，碱基暴露，OD260值增加（增色效应）。DNA复性时，单链DNA重新恢复双螺旋结构，OD260值减小（减色效应）。DNA复性DNA变性与复性的应用：测定G+Cmol%分子杂交核酸探针……四、RNA及其作用RNA（核糖核酸）和DNA很相似，不同的是以核糖代替脱氧核糖，以尿嘧啶(U)代替胸腺嘧啶(T)。RNA由DNA转录而来。RNA主要有三种：tRNA、rRNA、mRNA，在蛋白质合成过程中担任不同的角色。另外还有一种反义RNA，主要起调节作用。RNA来自DNA，通过转录过程生成相应的RNA，RNA上的碱基序列是由DNA所决定的。许多实验证明，在体内DNA两条链中仅有一条链可用于转录；或者某些区域以这条链转录，另一些区域以另一条链转录。用于转录的链称为模板链，或负链（-链，反义链）；对应的链为编码链，即正链（+链，有义链）。编码链与转录出来的RNA链碱基序列一样，只是以尿嘧啶取代胸腺嘧啶，它无转录功能，只能进行复制。转录mRNA(信使

RNA)tRNA(转移RNA)rRNA（核糖体RNA）由mRNA、tRNA和rRNA协作,合成蛋白质。

另外，还有一种反义RNA，它起调节作用，决定mRNA翻译合成速度。核酸和蛋白质的合成遗传密码：遗传密码是由三个核苷酸组成的三联密码，mRNA上从5’端到3’端的核苷酸排列序列决定了蛋白质多肽链中从N端到C端的氨基酸排列序列。

DNA模板与mRNA分子及多肽链之间存在共线性关系DNA链的正链（编码链）上的碱基序列5’-------3’

负链（模板链）上的碱基序列3’-------5’

对应mRNA上的碱基序列5’-------3’

对应多肽上的氨基酸序列N-------C五、微生物生长与蛋白质合成微生物生长的主要活动是蛋白质的合成，同化的碳和消耗的能量有4/5~9/10直接或间接与蛋白质合成有关。蛋白质合成(翻译)在核糖体上进行，与RNA的复制（合成）及DNA的复制（合成）有关。蛋白质合成过程：

DNA复制：相应的DNA链进行自我复制；转录mRNA：由DNA转录成mRNA，同时也转录成其他几种RNA；翻译：由tRNA完成；蛋白质合成：合成多肽，最终生成具有特定功能的蛋白质。六、微生物的细胞分裂由于DNA复制和蛋白质合成，两者增加，最后导致微生物细胞的分裂。微生物将成倍增加的核物质和蛋白质均等地分配给两个子细胞，在细胞中部形成横隔膜，最终分裂成两个细胞。七、基因的调控基因分为结构基因和调控基因。任何蛋白质的一级结构，说到底是由DNA上的基因决定的。基因（型）≠表型DNA分子上的遗传信息（转录）——mRNA分子携带，在依赖于DNA的RNA聚合酶催化作用下合成互补的mRNA。所以，基因表达就是遗传信息通过mRNA的传递而翻译成专一性的蛋白质，从而表现出细胞的各种生命活动功能，是DNA的表现工具。对蛋白质合成的调控实质上是对基因表达的调控，这是一个极其复杂的过程。从许多实验现象看，蛋白质生物合成的调控可发生在转录水平上，即在一定时间有选择性地控制mRNA的转录，也可以发生在转录后的翻译水平上，即在一定时间内控制mRNA的翻译。但是，已经发现原核生物基因表达的调节主要在转录水平上，真核生物中，mRNA和翻译水平上的调控更为重要。乳糖操纵子F.Jacob和J.Monod在1961年提出了乳糖操纵子模型，开辟了调控基因作用机制研究的新的领域。在乳糖操纵子模型中对于乳糖利用有关的几种诱导酶的合成起着调节控制作用的基因有调节基因、操纵基因和启动基因。酶合成的机理可用操纵子理论来解释。基因是可分的，操纵子学说的要点是，染色体的DNA链上有调节基因和操纵子，操纵子包括一串功能关连的结构基因、操纵基因和启动基因（启动子）。调节基因可控制蛋白质或酶的合成、操纵结构基因的表达、控制结构基因。操纵子：一系列在作用上密切相关而又排列在一起的结构基因的总称，它受同一操纵基因所控制，在转录中产生一个mRNA。1．乳糖操纵子的结构在大肠杆菌对乳糖的利用中有两种酶是必需的：一种是促使乳糖进入细胞的β-半乳糖苷透性酶，它存在于在大肠杆菌的细胞膜上；另一种是细胞质中的β-半乳糖苷酶，它催化乳糖水解为葡萄糖和半乳糖这一反应。已有实验证实，大肠杆菌细胞内存在这2种酶蛋白。此外，还有一种β-半乳糖苷转乙酰酶，这酶可能具有使类似物乙酰化的解毒功能。编码这三种酶的结构基因可写作lacY、lacZ和lacA，或者简写作y、z、a。用乳糖操纵子模型来解释乳糖体系的调节机理已被人们广泛接受。结构基因可转录出一条mRNA，翻译出相应的酶可看作蛋白质的合成过程。启动子（P）受乳糖操纵子控制，与RNA聚合酶结合的部位，结合以后启动结构基因的转录。操纵基因（O）是与调节蛋白结合的部位，控制结构基因的转录(——蛋白质)，P、O都不编码蛋白质。另外，还有一个调节基因i，它编码调节蛋白（150000），又称阻遏蛋白，347个氨基酸组成，并分四个亚基。调节蛋白可以与操纵基因o结合，也可以与调节物（诱导物或阻遏物）结合。调节蛋白与调节物（诱导物或阻遏物）结合后，影响到其与操纵基因o的结合，从而促进或抑制mRNA的转录。2．乳糖操纵子的诱导机制――负调节在没有乳糖作诱导物时，调节蛋白与操纵基因O亲和力大，结合在启动结构基因P上的RNA聚合酶不能移动到结构基因，就不能转录生成mRNA，也就不能合成酶了（分解乳糖）；在有乳糖作诱导物时，调节蛋白与操纵子（O）亲和力小，调节蛋白即阻遏蛋白由调节基因转录翻译而来，阻遏蛋白失活，不能封闭操纵基因，结构基因得以表达，就能合成分解乳糖的酶类，当诱导物用尽，调节蛋白不再与乳糖结合，而与O结合，转录就不再进行。第三节微生物的变异

一、变异的实质广义的突变包括：（1）染色体数目变异（2）染色体重排（缺失、重复、易位和倒位等（3）基因突变（狭义的突变）在微生物中，基因突变是发生变异的主要途径：在微生物遗传过程中，由于某种因素的影响，DNA上的碱基对发生差错，出现碱基的缺失、置换或插入，改变了基因内原有的碱基顺序，导致后代性状的改变。当这种改变可以遗传时，就是发生了突变。突变株（突变体）：带有基因突变的菌株。在真核微生物中，变异也会发生在染色体水平上，如染色体的缺失、重复、倒位和易位等，都会引起遗传信息的改变，称为染色体畸变。点突变：只涉及DNA分子中一个或少数碱基的改变。二、突变的类型突变的特点：基因突变的特点概括起来有三点，即稀有性、随机性和可逆性。突变的类型自发突变(spontaneousmutagenesis)

在自然条件下发生的突变。自发突变的概率很低（突变型频率），如细菌约为10-10。

诱发突变(inducedmutagenesis)人为地用某种因素处理后造成的突变。凡能提高突变率的因素称为诱发因素或诱变剂。诱发突变的概率大大提高，可以达到约10-4-1×10-5物理诱变，如紫外线。化学诱变，利用化学物质促进突变。DNA损伤的修复：当DNA分子被损伤后，细胞会利用某种方式进行修复，以保证遗传信息的正确传递。当然这种修复的程度有限的。DNA的损伤修复有5种方式：(a)光复活(b)切除修复(c)重组修复(d)SOS修复(e)适应性修复紫外辐射对DNA的损伤和DNA的修复

突变的应用可进行定向培育和驯化。人为地用某种特定的环境条件长期处理某一微生物群体，并进行传种接代，积累和选择合适的自发突变体。在环境工程中，常采用定向培育的方法来培育菌种（驯化）。三、基因重组基因重组是改变微生物遗传性状的另一途径。把来自不同性状的个体细胞的遗传物质转移到一起，使基因重新组合，产生新品种，称为基因重组或遗传重组。在基因重组过程中，两个不同性状的个体细胞，其中一个细胞(供体细胞)的DNA与另一个细胞(受体细胞)的DNA融合，使基因重新排列，遗传给后代，产生新品种或表达新的遗传性状。（基因没有变化，只是重新排列）在真核生物中，二个配子相互融合的有性过程中发生基因重组（杂交）。在细菌中，不存在类似高等生物的有性过程，但也有基因重组的发生。在微生物中，基因重组的方式主要是转化(transformation)、转导(transduction)、接合(conjugation)和原生质体融合等。重组是分子水平上的一个概念，可以理解为遗传物质分子水平的杂交。现在人们不仅能在同种或相似物种间实现基因重组，而且已经能够在亲源关系很远的生物间实现基因重组。1、原核微生物的基因重组（1）转化受体菌直接吸收了来自供体菌的DNA片段，通过交换将其整合到自己的基因组中，从而获得新的遗传特性。转化的条件：受体菌（处于感受态）

外源DNA（相对高的分子质量和同源性）转化过程：出现感受态细胞→DNA吸附→DNA进入细胞→DNA解链→形成受体DNA-供体DNA复合物→DNA复制和分离（2）转导以噬菌体为媒介，将供体细胞的DNA片段携带到受体细胞中，通过交换和整合，使后者获得前者部分遗传性状。媒介------转导噬菌体（3）接合供体菌和受体菌通过完整细胞间的直接接触而实现大段DNA的传递。如在E.coli中的F因子（决定性别的质粒）（由F因子带动的遗传物质的转移过程也称为F转导）2、真核微生物的基因重组真核微生物可以进行有性生殖，所以DNA的转移和重组在许多方面与原核微生物不同，由于真核微生物细胞核复杂，基因组由多条染色体组成，由此其分配和分离有着更复杂的调节机制。尽管真核微生物的基因重组主要有有性生殖、准性生殖、原生质体融合和转化等形式，但以有性生殖和准性生殖更为常见。有性生殖：性细胞间的接合和随之产生的染色体重组，并产生新的遗传型后代在有性生殖过程中，通过减数分裂和接合，导致基因重组。如：能产生有性孢子的酵母菌或霉菌等准性生殖：在一些真菌中发生，主要是其染色体减少的过程不是通过减数分裂，而是其他方式丢失。上表中不包括经过酶的处理而去除细胞壁的原生质体融合，以及由融合而带来的基因重组。四、微生物育种根据菌种的遗传特点，改良菌株的生产性能，使产品的产量和质量不断提高。1、诱变育种采用物理和化学因素处理微生物，使之发生突变，并运用合理的筛选程序和方法，把适合人类需求的优良菌株选育出来。基本环节包括：挑选优良的出发菌株

简便有效的诱变剂

处理单孢子（细胞）菌悬液

选用合适的剂量充分利用复合处理的协同效应设计或采用高效筛选方案检测和筛选方法是关键。利用一些形态、生理的方面的特性，将发生突变的菌株挑选出来。如营养缺陷型的筛选，可以采用影印法（图）。影印平板技术（正常菌E.coli）注：图中红色实心者为正常菌落；蓝色实心者为突变株2、原生质体融合育种通过人为的方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质体发生融合，并进而发生遗传重组以产生同时带有双亲性状的、稳定的融合子。能进行原生质体融合的细胞及其广泛，不仅包括原核微生物，也包括真核细胞。对接合型或致育型的限制比较小，有利于不同种属间微生物的杂交。原生质体融合打破了种属界限，可以实现远缘菌株的基因重组。原生质体融合将二亲株细胞质和细胞核进行融合，遗传物质的交换更为完整，提高菌株产量的潜力更大。3、基因工程育种基因工程技术比其他育种方法更有目的性和方向性，效率更高。将在下面进行讲述。（请大家自学，不在课堂上讲述了！！！）五、基因工程基因工程的基本概念基因工程是指在基因水平上的遗传工程，又叫基因剪接或核酸体外重组。基因工程是离体的分子水平上的基因重组，是既可近缘杂交又可远缘杂交的育种新技术。GMO:转基因生物(geneticallymodifiedorganism)

基因工程的操作步骤：1.先从供体细胞中选择获取带有目的基因的DNA片段；

2.将目的DNA的片段和质粒在体外重组；

3.将重组体转入受体细胞；4.重组体克隆的筛选与鉴定；

5.外源基因表达产物的分离与提纯。

基因工程的操作步骤基因工程的操作步骤（DNA体外基因重组）七、PCR技术在环境工程中的应用PCR(polymerasechainreaction)称DNA聚合酶链反应。于1985年由美国Millus创立。PCR是DNA不需通过克隆而在体外扩增，短时间内合成大量DNA片段的技术。优点：PCR检测速度快，只需5～6h出结果。

环境中存在各种生物的DNA，量少。采集到少量DNA，加入引物和DNA多聚酶，经过变性和复性（退火）的过程，可在体外扩增至足以供检测、鉴定所需的用量。应用:

法医鉴定、医学、卫生检疫、环境检测等方面。1、PCR技术的基本原理PCR技术是一种具有选择性的体外扩增DNA或RNA片段的方法，是指在DNA聚合酶催化下，以母链DNA为模板，以特定引物为延伸起点，通过变性、退火、延伸等步骤，体外复制出与母链模板DNA互补的子链DNA的过程。2、PCR技术的操作PCR要求反应体系具有下列条件：①要有与被分离的目的基因两条链各一端序列相互补的DNA引物（约20个碱基左右）；②具有热稳定性的酶如TaqDNA聚合酶；③4种脱氧核糖核苷酸dNTP；④作为模板的目的DNA序列。一般的PCR技术可以扩增出100-5000bp的目的基因，PCR技术的特异性取决于引物和模板DNA结合的特异性。PCR仪每个PCR循环包括以下反应：①双链DNA的变性，通过加热使DNA双螺旋的氢键断裂，双链解离形成单链DNA；②退火，当温度突然降低使引物和其互补的模板链在局部形成杂交链，由于模板分子结构较引物复杂得多，而且反应体系中引物DNA量大大多于模板DNA，因此模板DNA双链之间互补的机会较少；③延伸，在DNA聚合酶和4种脱氧核糖核苷三磷酸底物及Mg2+存在的条件下，聚合酶催化以引物为起始点的5’→3’的DNA链延伸反应。PCR技术的操作步骤以上3步为一个循环，每一循环的产物可以作为下一个循环的模板。每个循环可使目标DNA数量加倍。实际操作中，经过20~30个循环，可使目标DNA增加106~109。DNA的分离和观察：凝胶电泳（Gelelectrophoresis）在外加电场的作用下，线性的DNA分子在一种被称为凝胶基质（gelmatrix）的果冻样惰性多孔物质中，按照其分子大小被分开，由于DNA分子带负电荷，在电场中，它们向正极迁移。凝胶基质中网孔的大小，决定了DNA分子的迁移速度，大分子要比小分子慢。DNA的凝胶电泳仪电泳完成后，用荧光染料如溴化乙锭（ethidiumbromide）对凝胶进行染色。通常使用的凝胶基质有两种：聚丙烯酰胺凝胶（polyacrylamide）和琼脂糖凝胶（agarose）。3、PCR技术在环境科学中的应用1.应用PCR技术研究特定环境中微生物区系的组成、结构，分析种群动态。如对古菌的研究；对含酚废水生物处理活性污泥中的微生物种群组成及种群动态的分析等。其测定速度远快于经典的微生物的分类鉴定的速度。

2.应用PCR技术监测环境中的特定微生物，如致病菌和工程菌。为了改进标准的PCR，后来又发展了嵌套PCR(nestedPCR)、最大概率PCR（MPN-PCR）、反转录PCR（RT-PCR）和定量PCR(quantitativePCR)等技术。八、应用分子遗传学技术检测环境中的微生物传统的微生物系统分类步骤繁多、费时。20世纪60年代开始至今，分子遗传学和分子生物学技术使微生物分类学进入了分子生物学时代，许多新技术和新方法包括16SrRNA序列分析、基因探针、PCR和DNA电泳在内的综合检测技术加快了鉴定工作的速度。还能检测鉴定出目前尚未能培养的微生物，使不可能的变成可能。随着微生物核糖体数据库、基因序列数据库的日益完善，该综合技术成为微生物分类和鉴定极有力的工具。例如：应用16SrRNA序列分析技术进行微生物的鉴定和分析。从微生物样品中提取16SrRNA的基因片段，通过克隆、测序或酶切、探针杂交，获得16SrRNA序列信息，再与16SrRNA数据库中的序列数据或其他数据进行对照比较，确定其在进化树中的位置，从而鉴定样品中可能存在的微生物种类。

随着分子生物学和环境科学的发展，越来越多的分子生物学研究技术被应用到环境研究中，如基因芯片技术、宏基因分析等，有关这方面的内容，大家会在今后的深入学习中接触到。第七章

微生物的生态本章的主要内容：生态系统（生态学）土壤生态系统及其微生物空气生态系统及其微生物水体生态系统及其微生物当代生物科学的发展方向概括起两大方面:微观方向宏观方向宏观方向就是生态学的研究方向。第一节生态系统生物学研究对象的组织层次槽（仿Odum，l971）生物学的宏观层次包括：个体、种群、群落、生态系统等。而一般认为：生态学就是以个体、种群、群落、生态系统等不同的等级单元为研究对象的。1．个体生态学（Autecology）2．种群生态学（PopulationEcology）3．群落生态学（CommunityEcology）4．生态系统生态学（EcosystemEcology）生态学（Ecology）定义：不同学者对生态学的定义不同，其中比较经典的定义是：“生态学是研究生物与环境相互关系的科学“（Haeckel,1866）。我国著名生态学家马世骏先生将生态学定义为“生态学是研究生物的生存条件、生物群落与环境系统之间相互作用的过程及其规律的科学”（马世骏，1990）。根据研究对象的不同，可把生态学分为：动物生态学、植物生态学、昆虫生态学、微生物生态学、人类生态学等；也可根据研究方法和手段分为：形态生态学、化学生态学、分子生态学等。生态学（Ecology）是一门古老而新兴的科学。由于社会经济的发展、学科本身的发展以及与其他学科的交叉与渗透，生态学在近二三十年来发展迅速，已从生物学的一个分支发展成为一门综合性科学，成为现代生物学的前沿研究领域之一。生态学与环境科学特别是从20世纪60年代开始的环境科学的发展，更为生态学增添了新的应用和发展前景。DDT，又叫滴滴涕，化学名为双对氯苯基三氯乙烷（Dichlorodiphenyltrichloroethane），是有机氯类杀虫剂，结构式(ClC₆H₄)₂CH(CCl₃)，为白色晶体，不溶于水，溶于煤油，可制成乳剂，是有效的杀虫剂。1939年，DDT首次被德国科学家成功合。1948年，瑞士化学家保罗·赫尔曼·穆勒因为发现了DDT的杀虫功效而斩获当年的诺贝尔生理学/医学奖。DDT生产简单，价格便宜，效果极好，便于储存，从它上市以来，就被广泛用于农业杀虫，以及防止疟疾传播。在当时，由于能够有效杀灭蚊、蝇、虱、蚤等害虫，遏制了霍乱、斑疹和伤寒等疾病在欧洲的大流行，之后又在全世界成功控制了疟疾和脑炎的传播，DDT甚至与青霉素、原子弹被誉为第二次世界大战时期的三大发明。蕾切尔·卡逊（RachelCarson，1907年5月27日－1964年4月14日），美国海洋生物学家，她的作品《寂静的春天》（SilentSpring）引发了美国以至于全世界的环境保护事业。蕾切尔·卡逊指出，DDT极难降解，会富集在动物的脂肪里，并随着食物链进一步叠加，直到浓度超过生物的可承受范围，最终引发癌症。自1970年开始，各国逐渐禁用DDT并争论DDT的毒性，而后于1996年到2000年肯定了DDT有害，酝酿全球消除这一产品。

目前很多国家和地区已经禁止使用DDT。蚊子是目前对人类健康危害（传播疾病）最大的昆虫。世界卫生组织于2002年宣布，重新启用DDT用于控制蚊子的繁殖以及预防疟疾，登革热，黄热病等在世界范围的卷土重来。2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考，4,4'-二氯二苯三氯乙烷（滴滴涕）在2A类致癌物清单中。

种群和群落种群的概念种群（population）可以定义为占据特定空间的同一生物种的所有个体的集合体。种群是生物群落的组成单位。种群的特征种群的基本成分是具有潜在互配能力的个体，但不等于是个体的简单相加，这是因为有机体之间存在着非独立性的交互作用，从而在整体上呈现出一种有组织有结构的特性。种群的特征：种群大小密度种群的数量变动主要由出生率、死亡率、迁入和迁出四方面的特征所决定。年龄比例、年龄金字塔（可以用数量、能量或生物量来表示）性比

群落的概念生物群落(biocoenosis)简称群落(community)，指一定时间内居住在一定空间范围内的生物种群的集合。群落中包括植物、动物和微生物等各个物种的种群，它们共同组成生态系统中有生命的部分。群落的分类主要是根据群落内的优势种来进行的，如在植物群落中，分为红松林群落、云杉林群落等等；也可以根据群落所占的自然生境，如山泉急流群落、砂质海滩群落、岩岸潮间带群落等。群落的特征：群落是生态学中比种群更高一级的单元，具有种群水平所不具备的很多特征。在群落的数量特征方面，常用的指标有：物种丰富度、多度、盛度、密度、频率、盖度、优势度等。为了描述群落内的生物组成结构，物种多样性是很常用的指标。有两个参数与物种多样性密切相关，即物种丰富度和物种均匀度。群落的空间格局和时间格局：垂直分布和水平分布昼夜相和季节相（短期）

演替（长期）生物群落，如同生物个体一样，有其发生、发展、成熟直至衰老消亡的生命过程，在每一个群落消亡的过程中，即孕育着一个更适合当时当地环境条件的新群落的诞生，这就是群落演替。原生演替、次生演替和顶极群落云杉林采伐演替阶段(引自云南大学生物系，1980)群落演替的研究无论在理论上或是实践上，在生态学研究中都具有极其重要的意义。

对于微生物学来说，也是如此。在一个生态环境中（如土壤、水体、活性污泥等），其中的微生物群落，也会随着环境条件的变化而发生演替。一、生态系统1．定义：生态系统是在一定时间和空间范围内由生物与它们的生境通过能量流动和物质循环所组成的一个自然体。生态系统=生物+环境条件生态系统是生态学的功能单位之一（个体、种群、群落和生态系统）。

2．组成：生态系统有四个基本组成：

环境（无机环境）生产者（植物）消费者（动物，一级、二级……）分解者或转化者（微生物）3．结构：生态系统具有明显的三维空间结构，由于环境条件在空间上的差异性，造成生物的分布也出现明显的水平和垂直分布。在时间动态上，生态系统也体现出变化的差异性（包括昼夜、季节等段时间，群落演替的中等时间度量，以及生态系统进化的长时间度量）。4．功能：主要表现在生物生产、能量流动、物质循环和信息传递。（1）生物生产（2）能量流动（3）物质循环（4）信息传递生态系统中的物质循环和能量流动生态系统的营养结构：生态系统内各要素之间最基本的联系是通过营养来实现的。食物链(foodchain)：在生态系统中，各种生物之间由于食物关系而形成的联系。食物网(foodweb)：一个生态系统中，许多条食物链彼此交错连结成的复杂营养关系。关于生物多样性：国际上公认的生物多样性通常包含三层含义：遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性。微生物，在生物多样性的组成方面，有着重要的作用。（但现在知之甚少）微生物多样性体现在：（1）生活环境多样化（2）生活方式和代谢类型多样（3）基因多样性二、生物圈地球上的一切生物，其中包括人类，都生活在地球的表面层。因为只有这个表面层内有空气、水、土壤等维持生物的生命所必需的物质，人们将这个生物有机体生存的地球表面层，称为生物圈。即：地球上所有的生物及其环境所共同组成的一个最大的生态系统（地球上所有生态系统的总和）。生物圈可分为三层：上层是“气圈”的一部分（下层）中层是“水圈”（全部）下层是“岩石圈”的一部分（上层）它们构成地球上生命活动的主要舞台。三、生态系统的分类由于生态系统可以小到一滴水，大到生物圈，所以，分类有多种。根据生存环境分：如水体生态系统和陆地生态系统。各自还可进一步细分，例如淡水生态系统和海水生态系统；根据动态和静态可将淡水生态系统分为河流生态系统和湖泊生态系统；根据生物群落分的，有动物生态系统、植物生态系统及微生物生态系统，在这些生态系统内又可根据生存环境或生物群落进一步细分。四、生态平衡定义：生态系统在一定的时间和空间内，保持相对稳定的状态，并能对外来干扰进行自我调节。生态系统的自我调节能力是有限度的，干扰超过限度，则不再具有恢复能力。这个限度称为生态阈值。生态系统的平衡的破坏和建立，是自然界发展的普遍规律。生态系统总是在不平衡-平衡-不平衡的发展过程中进行着物质和能量的交换，推动着自身的变化和发展。平衡的生态系统并不是一个坚不可摧的整体，相反，它是十分脆弱的，任何一个环节上的改变，例如某一外来种的加入或是某一本地种的消失，都将使整个生态系统发生无法预料的改变，甚至是崩溃。所以在自然界中，外来物种的入侵是个严重问题，随着人类活动的加剧，一些物种有意无意地进入了一些新的地域，给本地生态系统带来毁灭性的灾难。生物入侵已经成为导致当今世界物种大规模灭绝的第二大因素。（第一大因素是物种栖息地被破坏）第二节

土壤微生物生态

一、土壤的生态条件1．营养土壤内有大量的有机和无机物质（动植物的残体、分泌物、排泄物等）2．pH3.5~8.5，多为5.5~8.5；适合于大多数微生物的生长繁殖。3．渗透压土壤内通常为0.3~0.6MPa，而在微生物（细菌）体内，G+为2.0~2.5MPa，G-为0.5~0.6Mpa。所以，土壤是等渗或低渗溶液，有利于微生物吸收水份和营养。4．氧气和水土壤具有团粒结构，有孔隙，可以通气和保持水分。土壤中氧气的含量要少于空气中，一般为7~8%。5．温度土壤具有较强的保温性，其变化幅度要小于空气。6．保护层表面几毫米厚的土壤，可以使下面的微生物免受紫外线的直接照射。综合以上各方面，所以说，土壤具备了微生物所需要的营养和各种环境条件，是微生物良好的天然培养基。

二、微生物在土壤中的种类、数量和分布1.数量和种类在肥土中，微生物数在几亿~几十亿个/克；在贫瘠土中为几百万~几千万个/克。从种类上看，以细菌最多，达70~90%，其次为放线菌、真菌，以及藻类、原生动物和微型后生动物等。从生物量上来看，放线菌的量几乎可以与细菌相等。2.分布（空间）

水平分布——不同类型的土壤中所含微生物不同

垂直分布——同一土壤的不同深度，微生物的分布不同

三、土壤自净和土地处理1．土壤自净土壤对进入其中的一定负荷的有机物或有机污染物具有吸附和生物降解能力，通过各种物理、生化过程自动分解污染物使土壤恢复到原有水平的净化过程，称土壤自净。土壤自净是有一定限度的，即自净容量。如果超过这个容量，就会造成土壤污染。土壤自净能力的大小取决于土壤中微生物的种类、数量和活性；取决于土壤结构、通气状况等理化性质。土壤有团粒结构，并栖息着极为丰富、种类繁多的微生物群落，这使土壤具有强烈的吸附、过滤和生物降解作用。2．污水灌溉和土地处理土地是天然的生物处理厂，可用土地法处理废水，生活污水和易被微生物降解的工业废水经土地处理后得到净化。土地处理法的优点：成本缺点：占地等污水灌溉进行土壤灌溉时，要根据物质和植物的特点，合理灌溉，要十分小心，要注意：

（1）不能超过自净容量；（2）不能用含有有毒或难以降解物质的污水。这是因为这些物质会在生物体内积累、富集，最终会影响到人类自己。四、土壤污染和土壤生物修复1．土壤污染及其后果来源：废水（农田灌溉和土地处理）、固体废弃物、油库泄漏或农药的使用等。污染物质：农药、石油类、氨、重金属等。易降解的污染物在土壤中会被逐渐分解，而难降解物质和重金属等会在土壤中停留和积累，甚至进入地下水中。土壤污染的后果：（1）改变土壤的性质，破坏土壤生态系统；（2）污染物通过食物链迁移或进入水体，危害人类健康；（3）各种病原微生物可能通过各种途径传播。污染情况下，土壤中的微生物种群会发生很大的变化，不仅表现在数量上，也表现在种类上。一般来说，土壤中的有机物越多，相应地异养性的微生物（如细菌）的数量会增加；当土壤发生污染时，特别是某种特定的污染物质在土壤中积累时，会使土壤里的微生物种类发生变化，对该物质适应的结果，会导致某些种类的微生物数量大大增加。2．土壤修复土壤生物修复是利用土壤中的天然微生物或人为加入特定菌株，使土壤中的污染物质加快降解和转化的速度，使土壤恢复其天然功能。有关污染环境的修复（生物修复），是目前环境科学领域的热点之一。第三节

空气微生物生态

一、空气的生态条件紫外线、干燥、温度变化大、缺乏营养等，这些特点决定了空气不是微生物生长繁殖的场所。二、空气微生物的种类、数量和分布空气中的微生物来源于：土壤（飞扬的尘土把微生物带至空中）；

水体（水面吹起的小水滴）；

人和动物（皮肤脱落物、呼吸道等）

空气中的微生物只是短暂停留，是可变的，没有固定类群。

在空气中存活的微生物，主要是有芽孢的细菌、有孢子的霉菌、放线菌及各种胞囊。在大气PM2.5的组成中，生物（植物花粉、孢子、细菌等）也是来源之一。影响因素：空气的相对湿度、紫外线、尘土颗粒的数量和大小以及微生物本身的性质。也与环境卫生状况有关，如绿化。三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术空气是人类与动植物赖以生存的极重要因素，也是传播疾病的媒介。为了防止疾病传播，提高人类的健康水平，要控制空气中微生物的数量。一般以室内1m3空气中细菌总数为500~1000个以上作为空气污染的指标。室内空气中常见的病原菌有脑膜炎奈瑟氏菌、结核杆菌、溶血性球菌、白喉杆菌、百日咳杆菌等。空气细菌卫生检查有时用甲型溶血性链球菌作为指示菌，表明空气受到人上呼吸道分泌物中微生物的污染程度。

有研究表明：空气污染的指示菌以咽喉正常菌丛中的绿色链球菌为最合适，绿色链球菌在上呼吸道和空气中比溶血性链球菌易发现，且有规律性。军团菌的故事生物洁净技术多用备有高效过滤器的空气调节除菌设备，它既达到恒温控制又可提供无菌空气。生物洁净室

生物洁净室也没有统一标准，大多数国家采用美国1967年颁发的航空宇宙局(NASA)标准。该标准要求严格，对民用生物洁净环境要求可能过高。根据最新的国家标准GB/T18883-2002（室内空气质量标准）：对菌落总数的指标是2500cfu/m3，使用的测定方法为撞击法（即采用撞击式空气微生物采样器，在营养琼脂平板上，37℃，48h）无菌工作台空气微生物卫生标准可以浮游细菌数为指标或以降落细菌数为指标。飘浮在空气中的细菌称浮游细菌。浮游细菌附着在尘粒上，故浮游细菌的数量与尘粒的数量和粒径有关。浮游细菌在一定条件下缓慢地降落下来成为降落菌。它的数量取决于浮游细菌的数量，浮游细菌和降落菌有一定关系。空气中微生物的测定：落菌数（平皿落菌法）浮菌数（撞击法、液体法等）需要专门的微生物空气采样器优缺点第四节

水体微生物生态

一、水体中的微生物群落水体：天然水体和人工水体水体中含有微生物所需要的各种营养物质，因而水体也是微生物的天然生境。水体中的微生物来源：水体中固有的；来自土壤（径流）；生产和生活（废弃物）；空气（降雨等）。水体中的微生物种类很多，微生物在水体中的分布和数量受水体类型、有机物的含量、微生物的拮抗作用、雨水冲刷、河水泛滥、工业废水、生活污水的排放量等因素的影响。二、水体自净和污染水体的微生物生态（一）水体自净1．概念河流（水体）接纳了一定量的有机污染物后，在物理的、化学的和水生物(微生物、动物和植物)等因素的综合作用后得到净化，水质恢复到污染前的水平和状态，叫作水体自净。任何水体都有其自净容量。自净容量是指在水体正常生物循环中能够净化有机污染物的最大数量。2．自净过程水体自净过程大致如下：污染物排入水体后被水体稀释，有机和无机固体物沉降至河底水体中好氧细菌利用溶解氧把有机物分解为简单有机物和无机物水体中的溶解氧逐渐恢复自净过程完成河流污染与自净过程河流污染对水生生物的影响3．衡量水体自净的指标（1）P/H指数：P代表光合自养型微生物，H代表异养型微生物，两者的比即P/H指数。（2）氧浓度昼夜变化幅度和氧垂曲线。污染河流中氧浓度昼夜变化示意图（二）污染水体的微生物生态1．污化系统毒物或污染物排入水体后水质发生一系列变化，接近污染源往往污染较严重，因河水有自净能力，随距离增加河水逐渐净化。根据这个原理，将水体划分为一系列的带：多污带、α中污带、β中污带和寡污带，并存在相应的生物群落，耐污的种类及其数量按以上顺序逐渐减少，而不耐污的种类和