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书名：现代微生物生态学（第二版）
定价：78.0
ISBN：9787030265586
作者：池振明
版次：1
出版时间：2018-01
内容提要：
本书主要介绍正常自然环境、海洋环境、极端环境和污染环境中的微生物与其周围生物和非生物环境之间的相互关系，微生物在这些环境中的作用和这些微生物及其活性产物的应用；同时也介绍了微生物生态学研究使用的传统方法和现代分子生物学方法。
目录：
目录
前言
第*章 绪论 1
第*节 微生物生态学的研究范同和目的 1
一、什么是生态学 1
二、什么是微生物生态学 1
第二节 微生物生态学的发展简史 3
第三节 研究微生物生态学的意义 5
思考题 6
参考文献 7
第二章 研究微生物生态学的方法 8
第*节 研究微生物生态学的传统方法 8
一、直接测定 8
二、培养方法 8
三、代谢活力的测定 9
四、数学方法 9
第二节 研究微生物生态学的分子生物学方法 9
一、rRNA和rRNA基因序列的测定 11
二、利用核酸探针和杂交技术研究微生物的多样性 14
三、全细胞杂交法的改进 17
四、基于PCR技术的DNA指纹图谱技术 19
五、其他方法 26
思考题 28
参考文献 28
第三章 自然环境中微生物群落的组成及其变化规律 30
第*节 土壤中微生物群落的组成及其变化规律 31
一、土壤中微生物的分布 31
二、土壤中的微生物群落 31
三、影响土壤微生物分布的因素 33
第二节 水体中微生物群落的结构及其变化规律 34
一、淡水中的微生物群落组成和代谢活力 34
二、环境条件对水体中微生物群落结构的影响 36
第三节 空气中微生物群落及其变化规律 36
一、空气是微生物生长和生存的不良环境 36
二、空气是传播微生物的介质 37
三、室外的空气 37
四、室内空气中的微生物 38
五、空气中的微生物对生态的效应 38
思考题 39
参考文献 39
第四章 海洋环境中的微生物 40
第*节 海洋环境中的主要微生物类群 40
一、古菌 40
二、真细菌 40
三、真核微生物 44
四、细菌在海水中的分布 45
第二节 海水养殖环境中的致病菌 47
一、养殖鱼类病原菌 47
二、养殖对虾病原菌 51
三、养殖贝类病原菌 51
第三节 海水养殖环境中的有益微生物 52
一、有益微生物的概念 52
二、有益微生物的种类和来源 52
三、有益微生物的作用机理 54
第四节 海洋环境中的酵母 55
一、酵母在海洋环境中的分布与多样性 56
二、海洋酵母产生的胞外酶 58
三、海洋酵母菌产生的铁载体 73
四、海洋酵母菌产生的核黄素 73
第五节 深海地热环境中的微生物 74
一、共生生物 74
二、菲共生的嗜高温微生物 75
三、嗜热微生物和超嗜热微生物 75
第六节 海洋微生物的活性物质 76
思考题 81
参考文献 81
第五章 极端自然环境中的微生物 83
第*节 在低温环境中的微生物 83
一、低温环境中的微生物 83
二、高温对嗜冷菌的影响 85
三、低温微生物适应低温的分子机理 86
四、嗜冷菌的应用 90
第二节 高温环境中的微生物 92
一、高温环境中的微生物 92
二、超嗜热微生物的多样性 95
三、高温环境中微生物生命的分子机理 100
四、耐高温菌的耐高温遗传基础 105
五、嗜热菌的产物多样性及其应用 108
第三节 在强酸环境中的微生物多样性 120
一、在强酸环境中的微生物 121
二、在极端酸性环境中微生物之问的相互作用 124
三、微生物抗酸的分子机理 125
四、嗜酸菌的应用 127
第四节 在碱性环境中的微生物 129
一、嗜碱菌的分布和分离 129
二、晴碱微生物的特殊生理特征 131
三、嗜碱芽孢杆菌染色体DNA的物理图谱 134
四、嗜碱菌的基因克隆 134
五、嗜碱菌产生的酶 136
六、嗜碱菌产生的代谢产物 140
第五节 在高盐环境中的微生物多样性 141
一、嗜盐微生物的类型 142
二、嗜盐菌的生态分布 142
三、嗜盐微生物抗高浓度NaCL的分子机理 143
四、嗜盐菌耐盐机理的遗传基础 150
五、嗜盐微生物的产物多样性及其应用 152
第六节 低营养环境中的微生物 154
一、低营养环境中的微生物 154
二、低营养环境中的微生物生命机理 155
三、低营养型微生物的应用 156
第七节 高压环境中的微生物 156
一、深海微生物的多样性 156
二、在深海沟中的微生物多样性 157
三、适应高压和低温环境的细菌 157
四、嗜压微生物的分子生物学 158
五、在高压下酶的活性和热稳定性 158
六、嗜压菌的潜在用途 159
第八节 高辐射环境中的微生物 161
一、抗辐射微生物 162
二、微生物抗辐射的分子机理 162
三、抗辐射微生物的应用 168
思考题 168
参考文献 168
第六章 生物群体的相互作用 170
第*节 微生物群体之间的相互作用 170
一、一种微生物群体中的相互作用 170
二、不同微生物群体之间的相互作用 172
第二节 环境中细菌之问遗传物质的相互交换 178
一、转化 179
二、转导 180
三、接合 180
第三节 微生物与植物之间的相互关系 187
一、微生物与植物根之间的相互作用 187
二、植物内生微生物 190
三、微生物与植物其他部分之问的相互作用 191
四、病原微生物与植物之问的关系 192
第四节 微生物与动物之问的相互关系 193
一、微生物作为某些水生动物的食物 193
二、微生物对于动物消化食物和获取萤养所起的作用 194
三、动物与光合微生物之问的共生关系 196
四、动物与发光细菌之问的相互关系 197
五、微生物与节 肢动物之问的共生关系 197
六、病原微生物与动物之间的相互关系 197
第五节 微生物与人体的相互作用 198
一、皮肤表面的微生物与人体的关系 198
二、口腔中的微生物与人体的关系 199
三、胃肠道中的微生物与人体的关系 200
思考题 200
参考文献 200
第七章 微生物在生物地球化学循环中的作用 202
第*节 基本概念 202
一、能量流 202
二、营养水平 202
三、生物地球化学循环 203
第二节 碳循环 204
一、通过食物例进行碳的转移 204
二、微生物在碳循环中所起的特殊作用 206
三、环境因素和人类活动对碳循环的影响 207
第三节 氢循环 207
第四节 氧循环 208
第五节 氮循环 209
一、N2的同定 209
二、氨化作用 211
三、硝化作用 212
四、硝酸还原和反硝化作用 213
五、环境因素和人类活动对氮循环的影响 214
第六节 硫循环 214
一、硫和硫化物的氧化 215
二、还原性硫的转化 216
三、硫循环的实际意义 218
第七节 磷的循环 218
第八节 其他元素的循环 219
一、铁循环 219
二、Mn循环 220
三、Ca循环 220
网、硅循环 221
五、各种元素循环之问的相瓦关系 221
六、某些重金属元素的循环 222
思考题 222
参考文献 222
第八章 微生物与化学污染物之间的相互关系 223
第*节 自然界化学污染物的种类、来源及其危害 223
一、自然界中化学性污染物的来源和种类 223
二、几种主要污染物的危害 225
第二节 化学性污染物对微生物的毒性 226
一、重金属污染物对微生物的毒性效应 226
二、有机污染物对微生物的毒性 228
第三节 微生物对重金属的抗性 231
一、微生物抗重金属的机制 231
二、金属抗性的遗传基础 236
三、抗重金属菌株的应用 238
第四节 微生物适应难降解污染物的分子机制 238
一、遗传适应机制 239
二、研究自然环境中遗传适应的分子生物学方法 243
第五节 微生物对汞化合物的解毒机理 245
一、自然界中的抗汞微生物 245
二、微生物对无机汞化合物和有机汞化合物的抗性范同 246
三、微生物对Hg和有机汞化合物解毒作用的机理 246
第六节 微生物对其他重金属的解毒作用 251
一、Cr6+的微生物解毒作用 251
二、V+的还原 253
三、Pd7-的还原 253
四、Au3+和Ag+的还原 253
五、As5+的还原 254
六、Se6+和Se4+的还原 255
第七节 放射性元素的微生物还原 256
一、放射性物质生物转化的机制 256
二、U6+的还原 260
三、P5+和Pu4+的还原 260
四、Tc7+的还原 260
第八节 苯环类污染物的降解 261
一、苯环类污染物降解的共同途径 261
二、与降解苯环类污染物有关的微生物 263
第九节 多环芳烃的微生物降解 264
一、萘的微生物降解 264
二、非和蒽的微生物降解 264
三、苯并[a]芘的微生物降解 265
第十节 三硝基甲苯的微生物降解 266
一、由细菌引起的中N中有氧降解 266
二、细菌对中N中的无氧降解 268
三、真菌的中N中代谢 271
第十一节 石油中碳氢化合物的微生物降解 272
一、各类碳氮化合物的降解 272
二、石油混合物中碳氢化合物的降解 274
三、能利用碳氢化合物的微生物 274
四、石油碳氢化合物分解菌的分布 275
五、环境因素对石油碳氢化合物降解的影响 276
第十二节 有机氯农药的微生物降解 277
一、降解有机氯农药的主要反应 277
二、几种代表性有机氯农药的微生物降解 278
第十三节 有机磷农药的微生物降解 282
一、降解有机磷农药的主要反应 282
二、几种代表性有机磷农药的微生物降解 283
第十四节 合成洗涤剂的微生物降解 284
一、烷基苯磺酸盐的微生物降解 285
二、烷基磺酸盐的微生物降解 286
第十五节 偶氮染料的微生物降解 287
一、环境中能使偶氮染料脱色的微生物 287
二、偶氮染料的降解途径 287
第十六节 尼龙寡聚体的微生物降解 288
一、降解尼龙寡聚物的酶 288
二、编码尼龙寡聚体降解酶的质粒 289
三、尼龙寡聚体降解酶中程 290
四、在假单胞菌中尼龙寡聚体的生物降解 290
五、尼龙寡聚体降解代谢工程 290
第十七节 石油和煤中的生物脱硫作用 291
一、特异性生物脱硫途径 291
二、硫底物特异性 293
三、石油原油的脱硫作用 294
四、生物脱硫的分子遗传学 294
五、通过基因中程方法改良脱硫酶 294
第十八节 氰（腈）化合物的微生物降解 295
一、游离的氰（腈）化合物生物降解 295
二、金属腈复合物的生物降解 297
三、腈化合物生物降解的技术 297
第十九节 PCB的微生物降解 298
第二十节 二英的微生物降解 298
一、来源 299
二、二英的微生物降解 299
第二十一节 苯环污染物的厌氧降解 306
一、厌氧微生物 306
二、中心活性苯环中问产物的形成 307
三、苯环的还原和水化作用 308
四、厌氧和好氧代谢途径的比较 308
第二十二节 参与环境污染物降解的可转移遗传元件 308
一、质粒与质粒的基本特性 311
二、降解质粒的种类及其功能 311
三、参与污染物分解的转座子和其他MGE 316
四、污染环境中细菌质粒分布的规律 317
思考题 317
参考文献 318
第九章 污染物的微生物处理 319
第*节 基本概念 319
一、BOD 319
二、甲烯蓝稳定性试验 320
三、COD 321
四、中OD 321
五、NOD 321
六、SS 321
第二节 废气的微生物处理 321
一、生物涤气器 322
二、滴滤池 323
三、生物滤池 323
四、与废气处理有关的微生物 32d
五、含H2S气体的微生物处理 32j
第三节 废水的微生物处理 326
一、活性污泥法 327
二、生物膜法 332
第四节 重金属污染物的微生物处理 346
一、生物吸附 346
二、利用固定化细胞吸附承金属 349
三、重金属沉淀法 350
四、利用微生物的转化作用去除重金属 351
五、原位生物修复方法 352
六、用于处理重金属污染物的常用工艺 353
第五节 固体废物的微生物处理 353
第六节 煤脱硫的微生物方法 35d
一、煤中的含硫化合物 354
二、煤脱硫过程中所用的微生物 355
三、微生物法煤脱硫的机理 356
四、影响煤脱硫的环境条件 357
五、煤脱硫的方法 357
六、将来的方向 358
思考题 358
参考文献 359
第十章 微生物及其代谢产物对环境的污染 360
第*节 病原微生物对环境的污染 360
一、病原微生物对空气的污染 360
二、病原微生物对水体的污染 360
三、病原微生物对土壤的污染 361
第二节 富营养化作用及其控制万法 361
一、引起富营养化的原因 362
二、引起富营养化的藻类 362
三、富营养化作用的危害 362
四、富营养化作用的人工控制 363
第三节 重金属的甲基化作用对环境的污染 364
一、汞的甲基化作用 364
二、其他重金属的甲基化作用 366
第四节 含氮化合物的微生物代谢对环境的污染 367
一、NH3 367
二、NO3- 368
三、NO2- 368
四、羟胺 368
五、亚硝酸胺 368
第五节 含硫化合物的微生物代谢对环境的污染 369
一、H2S 369
二、SO2和氧硫化碳 369
三、有机硫化合物 370
四、酸矿水 370
第六节 微生物产生的毒素对环境的污染 371
一、细菌毒素 371
二、藻类毒素 373
三、真菌毒素 374
四、微生物产生毒素对生态的效应 375
五、微生物毒素的用途 376
思考题 376
参考文献 376
第十一章 微生物产生的生态友好物质 377
第*节 生物塑料 377
一、生物塑料的基本特性 377
二、可产生PHA的微生物 379
三、PHA的实际应用 380
第二节 生物表面活性剂 381
一、能产生生物表面活性剂的微生物、化学性质和表面性质 381
二、生物表面活性剂的应用 384
第三节 生物农药 38j
一、苏云金芽孢杆菌在防治害虫方面的应用 386
二、生产毒素蛋白的新技术 387
三、生物防治 389
第四节 生物燃料 390
一、氖气 390
二、甲烷/沼气 393
三、乙醇 394
四、生物柴油 397
五、正丁醇/丙酮 401
六、其他 402
思考题 402
参考文献 402
第十二章 微生物的生态模型 404
第*节 实验模型 404
一、分批培养系统 404
二、流过培养系统 405
三、微世界 407
第二节 数学模型 408
一、群体生长方程式 408
二、竞争方程式 410
三、共生方程式 411
四、捕食方程式 411
五、生物群落的数学模型 412
六、组建数学模型常用的方法 414
思考题 414
参考文献 414
在线试读：
第*章 绪论
第*节 微生物生态学的研究范围和目的
一、什么是生态学
生态学（ecology）这个名词*早由德国生物学家Ernest Haeckel于1869年首先提出，他当时认为生态学是动物与有机和无机环境的全部关系。从现代科学观点来看，较为全面的生态学定义应是研究生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系的一门科学。非生物环境（abiotic environment）包括非生命物质，如土壤、岩石、水、空气、温度、湿度、光和pH等。生物环境（biotic environment）包括微生物、动物和植物，这些生物之间存在有生物种内和种间关系。近年来，人们也把生态学称为环境生物学（environmental biology）。
分子生态学是分子生物学理论和技术向生态学领域不断渗透，逐步发展起来的一个新的交叉研究领域，主要探讨用分子生物学技术解决有关自然和人为的种群与其所处环境之间的相互关系。
近年来，与生态学有密切关系的生物多样性受到了人们的关注。那么，什么是生物多样性呢？生物多样性是指生物的复杂性和变异性总和，它包括数以百万、千万计的植物、动物、微生物和它们所拥有的无限的基因、它们的生存环境以及各种复杂的生态系统。马克平等根据《生物多样性公约》认为：“生物多样性是生物及其环境形成的生态复合体以及与此相关的各种生态过程的总和”，它包括遗传（基因）多样性、物种多样性和生态系统多样性。
二、什么是微生物生态学
微生物生态学（microbial ecology）是指研究微生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系的一门科学。人们仅在20世纪60年代初期才开始使用微生物生态学这个名词，所以它是一门比较年轻的科学。
微生物生态学所研究的内容包括：①微生物生态学研究使用的传统方法和现代分子生物学方法。②在正常自然环境中的微生物种类、分布及其随着不同的环境条件变化而发生的变化规律。③在极端自然环境中的微生物种类和它们所起的作用，在极端环境中微生物的生命机理。④在自然界中微生物与微生物之间的相互关系，微生物与动植物之间的相互关系，这些相互关系对自然界的影响和环境因素对这些相互关系的影响。⑤在正常自然环境中，微生物代谢活动对自然界的影响，环境条件的变化对这些代谢活动的影响。⑥污染环境中的微生物学。目前环境污染日趋严重，对人类健康、工农业生产和生态平衡构成了重大的威胁，而微生物在净化污染环境方面起着非常重要的作用，在这种情况下，微生物生态学应重点研究污染环境中的微生物学，主要包括污染物对某些微生物的毒性，微生物对污染物的抗性和抗性机理，微生物对污染物的降解作用，环境条件的变化对污染物降解的影响，自然微生物群落和实验室构建的特殊污染物降解菌在净化废气、废水、固体废弃物和其他污染物的应用，自然环境中某些微生物本身以及某些微生物的代谢产物对环境的污染。⑦*近几十年来大量使用塑料、农药、合成表面活性剂、石油和煤炭，给环境造成了严重的污染，加上能源危机，使得如何利用微生物产生的环境友好物质取代这些物质成为*近几年全世界研究的热点之一，所以本书专门设计一章介绍微生物产生的环境友好物质。⑧由于微生物生态学是研究自然环境中的微生物学，各种生物因素和非生物因素的相互作用十分复杂，所以必须用一些实验模型和数学模型，并借助计算机来研究和描述这些相互作用，这一部分也是微生物生态学的重点内容。
微生物生态学的研究领域包括：自我生态学（autoecology）；遗传相关的群体生态学（ecology of genetically related population）；特殊生态系统的生态学（ecology of specific ecosystem），如湖泊或瘤胃中的微生物生态学，Robert Hungate在研究反刍动物瘤胃中微生物后发现微生物群体之间存在非常复杂的相互关系；生物地质化学生态学（biogeochemical ecology），包括研究生物地质化学循环；有关小生物和大生物之间关系的生态学（ecology of relationship）和应用微生物学（applied microbial ecology）。分子微生物生态学是利用分子生物学技术手段研究自然界微生物与生物环境及非生物环境之间相互关系及其相互作用规律的科学，主要研究微生物区系组成、结构、功能、适应性进化及其分子机制等微生物生态学基础理论问题。分子微生物生态学在传统微生物生态学的基础上，其研究领域有了部分扩展和深入，包括利用分子生物学技术和研究策略揭示自然界各种环境中（尤其是极端环境）微生物遗传多样性的真实水平及其物种组成；遗传改良和分子修饰过的微生物工程菌及其标记的生物分子在环境转移和生态安全问题；白然环境中不同种群间基因水平转移规律及其在微生物进化和分子适应方面的研究；宏基因组学（metagenome）研究；微生物与植物共生现象等。
生态学也可以称为环境生物学，那么微生物生态学也可以称为环境微生物学（environmental microbiology），但是在内容的重点和所包括的范围方面它们是有区别的。微生物生态学包括研究非污染环境和污染环境中的微生物学；而环境微生物学讨论的重点是污染环境中的微生物学，主要包括污染物对微生物活动的影响，微生物活动对污染物降解，转化和环境质量变化的影响。
20世纪70年代又兴起一门称为微生态学（microecology）的学科，微生态学是研究细胞水平的生态学。这就说明微生物生态学是宏观生态学；而微生态学是生态掌的微观层次。微生物生态学的研究对象是微生物与外环境的相互关系；而微生态学的研究对象则是有生命的宿主。微生物生态学侧重于微生物；而微生态学侧重点于植物、动物和人类宿主，是研究正常微生物菌群与宿主相互关系的生命学科。
*近几年来，微生物多样性引起了许多科学家的高度重视，那么什么是微生物生物多样性（microbial biodiversity）？根据Erwin的看法，微生物生物多样性是研究微生物生物种的数目或者微生物生物种的丰富性（richness），同时微生物生物多样性还涉及微生物每个成员在自然界中通过代谢生命活动而表现出每种生物代谢活力的丰富性和它们基因组中表现型和非表现型的表达多样性。微生物多样性包括微生物生态多样性、微生物物种的多样性和遗传多样性。所以微生物多样性与微生物生态学也有密切的关系，但是微生物多样性强调自然环境中微生物种、遗传物质和基因的数目和丰富性，而微生物生态学强调自然环境中微生物与非生物和生物的相互关系。
微生物生态学与国家生物和矿产资源、农业、医学、发酵工业、环境保护、国防建设、数学、化学和社会科学等都有密切的关系。研究微生物生态学的目的在于开发和利用自然界中的微生物、徽生物代谢产物和基因资源，并保护好微生物和它们的基因资源，了解自然环境中的微生物群体群落、生长和代谢对环境变化的影响，了解环境条件的变化对自然界微生物群落生长和代谢的影响，了解微生物在白然界中所起的作用，并利用有关微生物为人类服务，为提高生产效率、保护人类健康和保护生态平衡，发挥微生物的*佳作用。
第二节 微生物生态学的发展简史
生态学这个词出现在19世纪下半叶，Henry Thoreau在1858年一封书信中使用过这个名词，但未对其下具体定义。1869年，Ernst Haeckel首先对生态学下了定义。ecology -词来源于希腊语，就字面而言，eco表示住所或柄息地，logos表示学问。
在微生物生态学发展过程中，A.T.Kluyver、C.D.van Niel、Roger Stanier和Gause这4位科学家对它的早期发展作出过许多重要贡献。Kluyver对微生物生态学的*大贡献就是通过研究发现自然界种类繁多的微生物世界中，各种代谢过程都有相互关系。van Niel是Kluyver的学生，他发现光合细菌和绿色植物的光合过程有许多相似之处。Roger Stanier是van Niel的学生，他利用假单胞菌研究好氧微生物的代谢，结果发现这些好氧微生物能降解各种结构很复杂的有机化合物。Gause在1934年设计了一个生态学方面的经典实验，就是证明纤毛虫原生动物中存在捕食关系。其中节毛虫（Didinium nasatum）能利用草履虫（Parameczurn caudutum）作为食物，袋状革履虫（Paramecium bursaria）能以粟酒裂殖酵母（Schizosaccharomycess pombe）作为食物。
几乎在同一时期，人们发现把载玻片埋在土壤或沉积泥中，载玻片就像土壤颗粒一样能给微生物生长提供一个表面，然后小心地取出这块载玻片并在显微镜下观察，可以观察到微生物在自然环境中生长和相互作用的情况。
微生物生态学是在20世纪后半叶才真正发展起来的一个学科。作为微生物科学发展的一个紧密分支，在60年代，由于人们对环境科学的关注，微生物生态学得到了飞速发展。1962年，由Rachel Carson编著的Silent Spring改变了人们对自然的看法。但是微生物生态学概念并不是一个新的概念，在19世纪后期Beijerinck、Winogradsky和其他人在许多开创性的微生物学研究中就使用了这个概念。作为具有它本身独特性的一个学科，微生物生态学是微生物学和生态学结合后产生的一个学科。在整个20世纪普通生态学得到了迅速发展，普通生态学原理主要是根据对动物和植物研究的结果。然而生态学研究很少考虑到微生物在生态系统中的作用，或很少考虑生态学理论也可以应用到那些微小的生物中。其实只有生态学的原理能应用到所有生物中，它的原理才有普遍的实际意义。微生物是自然界生态系统中的重要一员，在地球物质循环、能量转换、环境和生态平衡和健康等方面能发挥非常重要的作用，尤其在被污染的环境和极端环境中能发挥独*无二的作用。微生物就其种类和数量来说，是地球上仅次于昆虫的第二类生物。如果在生态学研究中忽视微生物，就意味着没有把微生物作为地球中主要的生物量来看待。如果把原核生物作为整个地球生物量的一部分，那么所有生物所储藏的碳比现在估计的要高几乎2倍多，这里还没有提到氮和磷。事实上，原核生物中的碳、氮和磷量在整个生物圈中是*大的。
到了20世纪50年代末和60年代初，由于人口的膨胀和各种工业的迅速发展，环境污染日趋严重。同时人们发现排放到自然环境中去的污染物对土壤和水中的微生物生命和代谢有很大的影响，并发现许多微生物能降解各种人工合成的和天然的污染物。另外由于农民大量使用合成洗涤剂、各种农药和化肥，农村的水体也受到了严重污染并引起许多水体出现富营养化的问题。此外还发现许多污染物，如DDT、PCB和汞化合物能在食物链中引起生物放大作用（biomagnification）。这些问题引起了许多科学家对微生物生态学的浓厚兴趣，使其得到了迅速发展。例如，海洋石油污染物的降解研究开始于60年代，经过各国政府和科学家30多年的努力，90年代人们开始利用微生物，特别是基因工程菌去除海洋环境的污染。太空技术的发展给人们提供了研究某些极端环境微生物的有力工具。深海潜水器和深海采样器的使用给深海微生物的研究和深海微生物学的迅速发展创造了很好的基础。70年代氮肥的短缺促使人们研究共生固氮微生物和非共生固氮微生物。能源的危机使人们试图利用一些废物，经过微生物的转化作用生产有用的燃料。微生物生态学发展的一个重要里程碑是1972年在瑞典乌普萨拉（Uppsala）举行的有关微生物生态学现代方法的国际会议。自1977年开始，每3年举行一次微生物生态学国际会议。80年代初，Martin Alexander发现许多人工合成的化合物完全不能被微生物降解，这就引起了许多研究者对污染物的生物可降解性的浓厚兴趣。与此同时，分子生物学研究技术被借鉴到微生物生态学研究中，在物种遗传多样性、分子适应、变异分子机制及其进化意义等微生物生态学基础理论方面取得了突破。
近年来，各种极端环境中微生物的生命机理和特殊用途引起了人们的极大兴趣，使得对极端微生物的研究得到了迅速发展。
*近20多年来，分子生物学技术和PCR技术的飞速发展，给微生物生态学向分子水平的发展创造了良好的基础。
第*本有关微生物生态学的教科书是由Thomas D.Brock编写的，于1962年出版。随后，Sheldon Aaronson在1970年编写了有关微生物生态学实验方法的专著。1971年Martin Alexander编写了《微生物生态学》一书。此后许多科学家都直接或间接地对微生物生态学的发展作出了贡献。1974年开始出版微生物生态学方面的杂志。现在，国际上许多专业杂志刊登有微生物生态学的研究报告和研究进展，如Microbial Ecology，Applied and Environmental Microbiology, Applied Microbiology and Biotechnology,Plasmid, Ertremophiles, Advances in Microbial Ecology,FEMS Microbial Ecology,Marine Biology和Marine Ecology Progress Series等。
我国在微生物生态学研究方面也取得了许多进展。我国土地辽阔，存在各种各样的自然环境，有高山和平原、有寒冷的冰川也有四季温暖的南方以及温泉等高温环境、在内蒙古有哈马台碱湖、在东北和云南还有原始森林。与世界其他国家一样，由于人口的膨胀.工业的迅速发展，我国环境污染日趋严重，许多自然环境已受到石油、洗涤剂、各种废气、各种固体废弃物和重金属等严重污染。所以我国的微生物资源一定十分丰富。到目前为止，我国对微生物生态学的研究主要集中在以下几个方面。
（1）微生物资源的调查。我国对经济真菌的调查已经取得了重大进展，已经知道的经济真菌有1341种，隶属于284属，81科，27目。其中，食用菌876种，包括人工栽培和利用菌丝体发酵培养的91种，药用真菌451种，其中作为抗癌药物和具有抑癌抗癌活性的302种，灵芝、冬虫夏草等药用食用菌已经通过发酵生产保健品。从土壤和其他环境中还分离到了大量的能产生各种抗生素的放线菌和细菌，其中一些微生物经过人工诱变后能合成大量的抗生素。中国科学院微生物研究所开展了内蒙古哈马台碱湖的微生物生态调查，从中得到了许多有实际应用和理论研究意义的特殊微生物。有人还开展了我国某些温泉的微生物种类和分布的研究，得到了一些嗜热的微生物。我国改革开放后相继建造了核电站并在长江和黄河上建造了一些大型水库，这些核电站和水库建造前后对周围环境的微生物生态有何影响已引起我国有关专家和政府的重视。海洋微生物和它们的基因是我国重要的生物资源，我国各有关研究机构和大学广泛开展了海洋微生物资源、海洋微生物活性代谢产物及其功能基因、海洋动物病原菌资源和致病基因种类的研究。在科技部海洋微生物菌种资源整理、整合及共享试点子项目支持下，我国已经建立了海洋微生物物种资源库和信息共享平台。此外，在土壤微生物区系及生理学意义、水生环境中微生物区系、口腔微生物区系方面都进行了大量研究。利用微生物ssurRNA基因特点及PCR等分子生物学研究手段，我国微生物学家对自然界各种环境中微生物多样性进行了详细的研究，证实了在自然界除了我们已经获知并鉴定的微生物物种外，还存在大量未被认知的微生物新物种及其新功能。
（2）广泛开展了我国各大城市空气中微生物数量、种类和分布的调查，以便对我国的空气质量进行评估。国家海洋局还考察了环球空气的微生物，得到了很有价值的结果。
（3）近几十年来，我国人口迅速增长，特别是改革开放后乡镇企业突飞猛进地发展，在给我国人民带来经济繁荣的同时，也给我国的环境造成了严重威胁，许多江河、土壤和农田受到了严重污染，新的污染源和污染物种类不断出现。为了解决我国日趋严重的环境污染问题，我国政府和有关企业投放了大量的人力和财力开展了污染环境的治理工作。由于利用微生物处理污染物有许多优点，我国十分重视利用微生物处理各种污水和废气，并广泛开展了各种污染环境的微生物种类和分布的调查，发现了许多对污染物具有强降解能力的微生物，并对各种苯环污染物、石油、洗涤剂、农药、染料的降解途径和降解程度，各种重金属的微生物转化和吸附，废水中氮和磷的微生物去除及各种污水处理系统中微生物生态学进行了比较全面的研究，建立了各种处理效果显著的污水处理工艺，包括活性污泥法、各种生物膜反应器、固定化细胞等。清华大学环境科学系还建立了许多方法用于测定有机污染物的好氧降解。
（4）除了陆地和淡水受到了严重污染外，海洋环境的污染也十分严重，仅海洋的富营养化问题和海水养殖环境的污染就给我国海水养殖业造成了重大损失，使各种海洋动物的病害不断发生。近几年我国海洋研究机构和大学广泛开展了海洋微生物生态学和海水养殖环境净化的研究。国家海洋“863”计划也投巨资研究各种病原微生物与海洋动物之间的相互关系，为有效控制海洋动物的病害发生发挥了很好的作用。
（5）改革开放后，我国的微生物生态学教学工作也取得了很大进展，在医学院、各大综合性大学及各类工科大学设立了环境医学、环境生物学和环保专业，并开设了环境微生物学和微生物生态学等课程。
第三节 研究微生物生态学的意义
微生物生态学与医学、工业、农业、环境保护和社会科学有着密切的关系。微生物生态学的研究还有助于解释生物基因的进化、基因和酶的代谢调控和生物适应环境的机理等问题。利用PCR扩增技术研究自然样品中的微生物和有关的基因有利于发现微生物的多样性和保护微生物资源和基因库，所以说研究微生物生态学有着重要的理论和现实意义。
（1）因为我国土地面积大，存在各种各样的自然环境，所以微生物及其基因资源十分丰富，许多环境的微生物资源，特别是极端环境的微生物资源和基因资源尚待调查和开发。据报道，地球上可培养的微生物占不到所有微生物的5%，已经被开发利用的微生物不到微生物总数的1%，而中国已经报道的微生物物种数目约占全世界报道的总数的10%。所以，开展我国各种自然环境中的微生物生态和资源调查，特别是可培养和暂时难培养微生物功能基因资源的调查，对于发现新的在T农业、食品、医药和环境保护方面有重要用途的微生物菌株和它们的基因有重要的实际意义。我国的发酵工业有数千年的历史，建立了许多独特的传统发酵工艺，在这些传统发酵工艺中存在许多特殊的生态环境，弄清这些生态环境的微生物种类和它们之间的相互关系有利于改进传统发酵工艺，提高产品的产量和质量。同样，我国存在许多极端自然环境，如地热环境、高盐环境、强酸环境、强碱环境和低温环境等，这些极端环境中存在具有特殊生理功能的微生物和特殊用途的基因。这些特殊生理功能的微生物和特殊用途的基因也是国家重要的生物资源。
（2）微生物在自然界中参与了碳、氮、磷、氧、硫、铁和氢等物质的转化和循环作用，并且某些微生物在纤维素降解、氮气的固定和某些特殊化合物的分解中起着独特的作用。这些循环、转化和分解作用对于保持生态平衡起着非常重要的作用。自然界还存在许多特殊的环境，如低温、高温、强酸、强碱、高渗透压、高辐射等极端环境，在这些特殊生态系统中的微生物代谢活动对于保持局部的生态平衡也有重要的意义，而且这些微生物还是研究微生物抗极端环境的良好材料，更为重要的是这些微生物在发酵工业、环境保护和日常生活中具有特殊的用途。在海洋和其他水体环境中，微生物对于营养物的浓缩、冉利用和循环起着非常重要的作用。
（3）在自然环境中，微生物对于提高土壤肥力，帮助农作物摄取营养，促进作物生长、抗病原菌的侵入和提高农作物产量、减轻农药和化肥对水源的污染、减少农药和化肥用量和保护环境起着相当大的作用。在农田中微生物还可以用于污水、农作物秸秆、有机垃圾等废弃物的转化和净化。同时，微生物还可以降解农药，保护农田环境。
（4）由于微生物个体微小，有很大的细胞比表面积，微生物生理生化功能多样，代谢能力强，易适应新环境，遗传功能易于改造，繁殖速度快，能彻底净化环境污染物，不会造成二次污染，处理污染物时只需在常温、常压下进行，不需特殊的设备，在处理污染物过程中还会产生许多有用的产物，所以利用有关的混合微生物群体净化环境污染物有重要的实际和经济意义。尤其是近年来，生物工程技术的不断发展和基因工程技术的广泛使用，使构建新的具有降解多种污染物的微生物菌株成为可能，为更有效地净化日趋严重的环境污染带来了新的希望。
（5）许多环境污染物或微生物转化某些污染物产生的一些中间产物对人体和生态平衡危害极大，有些污染物或它们的代谢中间产物甚至可以导致人体细胞癌变，所以开展污染生态中微生物降解污染物的途径、降解程度和降解速率的研究，可以给环境医学和环境保护的对策提供理论依据。
（6）自然界有许多微生物是人、动物和植物的病原菌，有些微生物在自然界生长和代谢过程中产生一些毒物或改变局部的自然条件，结果不利于其他生物的生长和生存，像这样的微生物我们应当设法控制它们的生长和扩散。
（7）由于科学技术的发展，人们生活和工作的需要，排放到自然环境中的人工合成化合物越来越多，这些化合物在自然界停留的时间应引起我们的高度重视。在许多发达国家.每一种人工合成化合物排放到自然界之前，都应经过微生物可降解试验的研究，以便判断该化合物将对环境产生的影响。
（8）石油和煤矿的大量开采和使用，给环境造成了严重的污染，而地球中石油和煤矿资源的迅速下降，又造成了石油和煤价格的上涨和能源危机。所以寻找可再生的和清洁的能源是人类面临的重大问题，其中，生物能源就可以实现这些目标。生物能源包括乙醇、丁醇、甲烷、氢气和生物柴油。能生产这些生物能源的生物主要是微生物。另外在生产和日常生活中使用了大量的塑料、洗涤剂和农药，给我们生活的环境造成了严重的污染，直接威胁了生态平衡和人类健康。所以寻找可降解的对环境无污染的由微生物产生的生物塑料、生物表面活性剂和生物农药是解决目前污染环境的一个非常重要的方面。
思考题
1. 请谈谈微生物生态学和微生物多样性这两个概念的异同点。
定价：78.0
ISBN：9787030265586
作者：池振明
版次：1
出版时间：2018-01
内容提要：
本书主要介绍正常自然环境、海洋环境、极端环境和污染环境中的微生物与其周围生物和非生物环境之间的相互关系，微生物在这些环境中的作用和这些微生物及其活性产物的应用；同时也介绍了微生物生态学研究使用的传统方法和现代分子生物学方法。
目录：
目录
前言
第*章 绪论 1
第*节 微生物生态学的研究范同和目的 1
一、什么是生态学 1
二、什么是微生物生态学 1
第二节 微生物生态学的发展简史 3
第三节 研究微生物生态学的意义 5
思考题 6
参考文献 7
第二章 研究微生物生态学的方法 8
第*节 研究微生物生态学的传统方法 8
一、直接测定 8
二、培养方法 8
三、代谢活力的测定 9
四、数学方法 9
第二节 研究微生物生态学的分子生物学方法 9
一、rRNA和rRNA基因序列的测定 11
二、利用核酸探针和杂交技术研究微生物的多样性 14
三、全细胞杂交法的改进 17
四、基于PCR技术的DNA指纹图谱技术 19
五、其他方法 26
思考题 28
参考文献 28
第三章 自然环境中微生物群落的组成及其变化规律 30
第*节 土壤中微生物群落的组成及其变化规律 31
一、土壤中微生物的分布 31
二、土壤中的微生物群落 31
三、影响土壤微生物分布的因素 33
第二节 水体中微生物群落的结构及其变化规律 34
一、淡水中的微生物群落组成和代谢活力 34
二、环境条件对水体中微生物群落结构的影响 36
第三节 空气中微生物群落及其变化规律 36
一、空气是微生物生长和生存的不良环境 36
二、空气是传播微生物的介质 37
三、室外的空气 37
四、室内空气中的微生物 38
五、空气中的微生物对生态的效应 38
思考题 39
参考文献 39
第四章 海洋环境中的微生物 40
第*节 海洋环境中的主要微生物类群 40
一、古菌 40
二、真细菌 40
三、真核微生物 44
四、细菌在海水中的分布 45
第二节 海水养殖环境中的致病菌 47
一、养殖鱼类病原菌 47
二、养殖对虾病原菌 51
三、养殖贝类病原菌 51
第三节 海水养殖环境中的有益微生物 52
一、有益微生物的概念 52
二、有益微生物的种类和来源 52
三、有益微生物的作用机理 54
第四节 海洋环境中的酵母 55
一、酵母在海洋环境中的分布与多样性 56
二、海洋酵母产生的胞外酶 58
三、海洋酵母菌产生的铁载体 73
四、海洋酵母菌产生的核黄素 73
第五节 深海地热环境中的微生物 74
一、共生生物 74
二、菲共生的嗜高温微生物 75
三、嗜热微生物和超嗜热微生物 75
第六节 海洋微生物的活性物质 76
思考题 81
参考文献 81
第五章 极端自然环境中的微生物 83
第*节 在低温环境中的微生物 83
一、低温环境中的微生物 83
二、高温对嗜冷菌的影响 85
三、低温微生物适应低温的分子机理 86
四、嗜冷菌的应用 90
第二节 高温环境中的微生物 92
一、高温环境中的微生物 92
二、超嗜热微生物的多样性 95
三、高温环境中微生物生命的分子机理 100
四、耐高温菌的耐高温遗传基础 105
五、嗜热菌的产物多样性及其应用 108
第三节 在强酸环境中的微生物多样性 120
一、在强酸环境中的微生物 121
二、在极端酸性环境中微生物之问的相互作用 124
三、微生物抗酸的分子机理 125
四、嗜酸菌的应用 127
第四节 在碱性环境中的微生物 129
一、嗜碱菌的分布和分离 129
二、晴碱微生物的特殊生理特征 131
三、嗜碱芽孢杆菌染色体DNA的物理图谱 134
四、嗜碱菌的基因克隆 134
五、嗜碱菌产生的酶 136
六、嗜碱菌产生的代谢产物 140
第五节 在高盐环境中的微生物多样性 141
一、嗜盐微生物的类型 142
二、嗜盐菌的生态分布 142
三、嗜盐微生物抗高浓度NaCL的分子机理 143
四、嗜盐菌耐盐机理的遗传基础 150
五、嗜盐微生物的产物多样性及其应用 152
第六节 低营养环境中的微生物 154
一、低营养环境中的微生物 154
二、低营养环境中的微生物生命机理 155
三、低营养型微生物的应用 156
第七节 高压环境中的微生物 156
一、深海微生物的多样性 156
二、在深海沟中的微生物多样性 157
三、适应高压和低温环境的细菌 157
四、嗜压微生物的分子生物学 158
五、在高压下酶的活性和热稳定性 158
六、嗜压菌的潜在用途 159
第八节 高辐射环境中的微生物 161
一、抗辐射微生物 162
二、微生物抗辐射的分子机理 162
三、抗辐射微生物的应用 168
思考题 168
参考文献 168
第六章 生物群体的相互作用 170
第*节 微生物群体之间的相互作用 170
一、一种微生物群体中的相互作用 170
二、不同微生物群体之间的相互作用 172
第二节 环境中细菌之问遗传物质的相互交换 178
一、转化 179
二、转导 180
三、接合 180
第三节 微生物与植物之间的相互关系 187
一、微生物与植物根之间的相互作用 187
二、植物内生微生物 190
三、微生物与植物其他部分之问的相互作用 191
四、病原微生物与植物之问的关系 192
第四节 微生物与动物之问的相互关系 193
一、微生物作为某些水生动物的食物 193
二、微生物对于动物消化食物和获取萤养所起的作用 194
三、动物与光合微生物之问的共生关系 196
四、动物与发光细菌之问的相互关系 197
五、微生物与节 肢动物之问的共生关系 197
六、病原微生物与动物之间的相互关系 197
第五节 微生物与人体的相互作用 198
一、皮肤表面的微生物与人体的关系 198
二、口腔中的微生物与人体的关系 199
三、胃肠道中的微生物与人体的关系 200
思考题 200
参考文献 200
第七章 微生物在生物地球化学循环中的作用 202
第*节 基本概念 202
一、能量流 202
二、营养水平 202
三、生物地球化学循环 203
第二节 碳循环 204
一、通过食物例进行碳的转移 204
二、微生物在碳循环中所起的特殊作用 206
三、环境因素和人类活动对碳循环的影响 207
第三节 氢循环 207
第四节 氧循环 208
第五节 氮循环 209
一、N2的同定 209
二、氨化作用 211
三、硝化作用 212
四、硝酸还原和反硝化作用 213
五、环境因素和人类活动对氮循环的影响 214
第六节 硫循环 214
一、硫和硫化物的氧化 215
二、还原性硫的转化 216
三、硫循环的实际意义 218
第七节 磷的循环 218
第八节 其他元素的循环 219
一、铁循环 219
二、Mn循环 220
三、Ca循环 220
网、硅循环 221
五、各种元素循环之问的相瓦关系 221
六、某些重金属元素的循环 222
思考题 222
参考文献 222
第八章 微生物与化学污染物之间的相互关系 223
第*节 自然界化学污染物的种类、来源及其危害 223
一、自然界中化学性污染物的来源和种类 223
二、几种主要污染物的危害 225
第二节 化学性污染物对微生物的毒性 226
一、重金属污染物对微生物的毒性效应 226
二、有机污染物对微生物的毒性 228
第三节 微生物对重金属的抗性 231
一、微生物抗重金属的机制 231
二、金属抗性的遗传基础 236
三、抗重金属菌株的应用 238
第四节 微生物适应难降解污染物的分子机制 238
一、遗传适应机制 239
二、研究自然环境中遗传适应的分子生物学方法 243
第五节 微生物对汞化合物的解毒机理 245
一、自然界中的抗汞微生物 245
二、微生物对无机汞化合物和有机汞化合物的抗性范同 246
三、微生物对Hg和有机汞化合物解毒作用的机理 246
第六节 微生物对其他重金属的解毒作用 251
一、Cr6+的微生物解毒作用 251
二、V+的还原 253
三、Pd7-的还原 253
四、Au3+和Ag+的还原 253
五、As5+的还原 254
六、Se6+和Se4+的还原 255
第七节 放射性元素的微生物还原 256
一、放射性物质生物转化的机制 256
二、U6+的还原 260
三、P5+和Pu4+的还原 260
四、Tc7+的还原 260
第八节 苯环类污染物的降解 261
一、苯环类污染物降解的共同途径 261
二、与降解苯环类污染物有关的微生物 263
第九节 多环芳烃的微生物降解 264
一、萘的微生物降解 264
二、非和蒽的微生物降解 264
三、苯并[a]芘的微生物降解 265
第十节 三硝基甲苯的微生物降解 266
一、由细菌引起的中N中有氧降解 266
二、细菌对中N中的无氧降解 268
三、真菌的中N中代谢 271
第十一节 石油中碳氢化合物的微生物降解 272
一、各类碳氮化合物的降解 272
二、石油混合物中碳氢化合物的降解 274
三、能利用碳氢化合物的微生物 274
四、石油碳氢化合物分解菌的分布 275
五、环境因素对石油碳氢化合物降解的影响 276
第十二节 有机氯农药的微生物降解 277
一、降解有机氯农药的主要反应 277
二、几种代表性有机氯农药的微生物降解 278
第十三节 有机磷农药的微生物降解 282
一、降解有机磷农药的主要反应 282
二、几种代表性有机磷农药的微生物降解 283
第十四节 合成洗涤剂的微生物降解 284
一、烷基苯磺酸盐的微生物降解 285
二、烷基磺酸盐的微生物降解 286
第十五节 偶氮染料的微生物降解 287
一、环境中能使偶氮染料脱色的微生物 287
二、偶氮染料的降解途径 287
第十六节 尼龙寡聚体的微生物降解 288
一、降解尼龙寡聚物的酶 288
二、编码尼龙寡聚体降解酶的质粒 289
三、尼龙寡聚体降解酶中程 290
四、在假单胞菌中尼龙寡聚体的生物降解 290
五、尼龙寡聚体降解代谢工程 290
第十七节 石油和煤中的生物脱硫作用 291
一、特异性生物脱硫途径 291
二、硫底物特异性 293
三、石油原油的脱硫作用 294
四、生物脱硫的分子遗传学 294
五、通过基因中程方法改良脱硫酶 294
第十八节 氰（腈）化合物的微生物降解 295
一、游离的氰（腈）化合物生物降解 295
二、金属腈复合物的生物降解 297
三、腈化合物生物降解的技术 297
第十九节 PCB的微生物降解 298
第二十节 二英的微生物降解 298
一、来源 299
二、二英的微生物降解 299
第二十一节 苯环污染物的厌氧降解 306
一、厌氧微生物 306
二、中心活性苯环中问产物的形成 307
三、苯环的还原和水化作用 308
四、厌氧和好氧代谢途径的比较 308
第二十二节 参与环境污染物降解的可转移遗传元件 308
一、质粒与质粒的基本特性 311
二、降解质粒的种类及其功能 311
三、参与污染物分解的转座子和其他MGE 316
四、污染环境中细菌质粒分布的规律 317
思考题 317
参考文献 318
第九章 污染物的微生物处理 319
第*节 基本概念 319
一、BOD 319
二、甲烯蓝稳定性试验 320
三、COD 321
四、中OD 321
五、NOD 321
六、SS 321
第二节 废气的微生物处理 321
一、生物涤气器 322
二、滴滤池 323
三、生物滤池 323
四、与废气处理有关的微生物 32d
五、含H2S气体的微生物处理 32j
第三节 废水的微生物处理 326
一、活性污泥法 327
二、生物膜法 332
第四节 重金属污染物的微生物处理 346
一、生物吸附 346
二、利用固定化细胞吸附承金属 349
三、重金属沉淀法 350
四、利用微生物的转化作用去除重金属 351
五、原位生物修复方法 352
六、用于处理重金属污染物的常用工艺 353
第五节 固体废物的微生物处理 353
第六节 煤脱硫的微生物方法 35d
一、煤中的含硫化合物 354
二、煤脱硫过程中所用的微生物 355
三、微生物法煤脱硫的机理 356
四、影响煤脱硫的环境条件 357
五、煤脱硫的方法 357
六、将来的方向 358
思考题 358
参考文献 359
第十章 微生物及其代谢产物对环境的污染 360
第*节 病原微生物对环境的污染 360
一、病原微生物对空气的污染 360
二、病原微生物对水体的污染 360
三、病原微生物对土壤的污染 361
第二节 富营养化作用及其控制万法 361
一、引起富营养化的原因 362
二、引起富营养化的藻类 362
三、富营养化作用的危害 362
四、富营养化作用的人工控制 363
第三节 重金属的甲基化作用对环境的污染 364
一、汞的甲基化作用 364
二、其他重金属的甲基化作用 366
第四节 含氮化合物的微生物代谢对环境的污染 367
一、NH3 367
二、NO3- 368
三、NO2- 368
四、羟胺 368
五、亚硝酸胺 368
第五节 含硫化合物的微生物代谢对环境的污染 369
一、H2S 369
二、SO2和氧硫化碳 369
三、有机硫化合物 370
四、酸矿水 370
第六节 微生物产生的毒素对环境的污染 371
一、细菌毒素 371
二、藻类毒素 373
三、真菌毒素 374
四、微生物产生毒素对生态的效应 375
五、微生物毒素的用途 376
思考题 376
参考文献 376
第十一章 微生物产生的生态友好物质 377
第*节 生物塑料 377
一、生物塑料的基本特性 377
二、可产生PHA的微生物 379
三、PHA的实际应用 380
第二节 生物表面活性剂 381
一、能产生生物表面活性剂的微生物、化学性质和表面性质 381
二、生物表面活性剂的应用 384
第三节 生物农药 38j
一、苏云金芽孢杆菌在防治害虫方面的应用 386
二、生产毒素蛋白的新技术 387
三、生物防治 389
第四节 生物燃料 390
一、氖气 390
二、甲烷/沼气 393
三、乙醇 394
四、生物柴油 397
五、正丁醇/丙酮 401
六、其他 402
思考题 402
参考文献 402
第十二章 微生物的生态模型 404
第*节 实验模型 404
一、分批培养系统 404
二、流过培养系统 405
三、微世界 407
第二节 数学模型 408
一、群体生长方程式 408
二、竞争方程式 410
三、共生方程式 411
四、捕食方程式 411
五、生物群落的数学模型 412
六、组建数学模型常用的方法 414
思考题 414
参考文献 414
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第*章 绪论
第*节 微生物生态学的研究范围和目的
一、什么是生态学
生态学（ecology）这个名词*早由德国生物学家Ernest Haeckel于1869年首先提出，他当时认为生态学是动物与有机和无机环境的全部关系。从现代科学观点来看，较为全面的生态学定义应是研究生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系的一门科学。非生物环境（abiotic environment）包括非生命物质，如土壤、岩石、水、空气、温度、湿度、光和pH等。生物环境（biotic environment）包括微生物、动物和植物，这些生物之间存在有生物种内和种间关系。近年来，人们也把生态学称为环境生物学（environmental biology）。
分子生态学是分子生物学理论和技术向生态学领域不断渗透，逐步发展起来的一个新的交叉研究领域，主要探讨用分子生物学技术解决有关自然和人为的种群与其所处环境之间的相互关系。
近年来，与生态学有密切关系的生物多样性受到了人们的关注。那么，什么是生物多样性呢？生物多样性是指生物的复杂性和变异性总和，它包括数以百万、千万计的植物、动物、微生物和它们所拥有的无限的基因、它们的生存环境以及各种复杂的生态系统。马克平等根据《生物多样性公约》认为：“生物多样性是生物及其环境形成的生态复合体以及与此相关的各种生态过程的总和”，它包括遗传（基因）多样性、物种多样性和生态系统多样性。
二、什么是微生物生态学
微生物生态学（microbial ecology）是指研究微生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系的一门科学。人们仅在20世纪60年代初期才开始使用微生物生态学这个名词，所以它是一门比较年轻的科学。
微生物生态学所研究的内容包括：①微生物生态学研究使用的传统方法和现代分子生物学方法。②在正常自然环境中的微生物种类、分布及其随着不同的环境条件变化而发生的变化规律。③在极端自然环境中的微生物种类和它们所起的作用，在极端环境中微生物的生命机理。④在自然界中微生物与微生物之间的相互关系，微生物与动植物之间的相互关系，这些相互关系对自然界的影响和环境因素对这些相互关系的影响。⑤在正常自然环境中，微生物代谢活动对自然界的影响，环境条件的变化对这些代谢活动的影响。⑥污染环境中的微生物学。目前环境污染日趋严重，对人类健康、工农业生产和生态平衡构成了重大的威胁，而微生物在净化污染环境方面起着非常重要的作用，在这种情况下，微生物生态学应重点研究污染环境中的微生物学，主要包括污染物对某些微生物的毒性，微生物对污染物的抗性和抗性机理，微生物对污染物的降解作用，环境条件的变化对污染物降解的影响，自然微生物群落和实验室构建的特殊污染物降解菌在净化废气、废水、固体废弃物和其他污染物的应用，自然环境中某些微生物本身以及某些微生物的代谢产物对环境的污染。⑦*近几十年来大量使用塑料、农药、合成表面活性剂、石油和煤炭，给环境造成了严重的污染，加上能源危机，使得如何利用微生物产生的环境友好物质取代这些物质成为*近几年全世界研究的热点之一，所以本书专门设计一章介绍微生物产生的环境友好物质。⑧由于微生物生态学是研究自然环境中的微生物学，各种生物因素和非生物因素的相互作用十分复杂，所以必须用一些实验模型和数学模型，并借助计算机来研究和描述这些相互作用，这一部分也是微生物生态学的重点内容。
微生物生态学的研究领域包括：自我生态学（autoecology）；遗传相关的群体生态学（ecology of genetically related population）；特殊生态系统的生态学（ecology of specific ecosystem），如湖泊或瘤胃中的微生物生态学，Robert Hungate在研究反刍动物瘤胃中微生物后发现微生物群体之间存在非常复杂的相互关系；生物地质化学生态学（biogeochemical ecology），包括研究生物地质化学循环；有关小生物和大生物之间关系的生态学（ecology of relationship）和应用微生物学（applied microbial ecology）。分子微生物生态学是利用分子生物学技术手段研究自然界微生物与生物环境及非生物环境之间相互关系及其相互作用规律的科学，主要研究微生物区系组成、结构、功能、适应性进化及其分子机制等微生物生态学基础理论问题。分子微生物生态学在传统微生物生态学的基础上，其研究领域有了部分扩展和深入，包括利用分子生物学技术和研究策略揭示自然界各种环境中（尤其是极端环境）微生物遗传多样性的真实水平及其物种组成；遗传改良和分子修饰过的微生物工程菌及其标记的生物分子在环境转移和生态安全问题；白然环境中不同种群间基因水平转移规律及其在微生物进化和分子适应方面的研究；宏基因组学（metagenome）研究；微生物与植物共生现象等。
生态学也可以称为环境生物学，那么微生物生态学也可以称为环境微生物学（environmental microbiology），但是在内容的重点和所包括的范围方面它们是有区别的。微生物生态学包括研究非污染环境和污染环境中的微生物学；而环境微生物学讨论的重点是污染环境中的微生物学，主要包括污染物对微生物活动的影响，微生物活动对污染物降解，转化和环境质量变化的影响。
20世纪70年代又兴起一门称为微生态学（microecology）的学科，微生态学是研究细胞水平的生态学。这就说明微生物生态学是宏观生态学；而微生态学是生态掌的微观层次。微生物生态学的研究对象是微生物与外环境的相互关系；而微生态学的研究对象则是有生命的宿主。微生物生态学侧重于微生物；而微生态学侧重点于植物、动物和人类宿主，是研究正常微生物菌群与宿主相互关系的生命学科。
*近几年来，微生物多样性引起了许多科学家的高度重视，那么什么是微生物生物多样性（microbial biodiversity）？根据Erwin的看法，微生物生物多样性是研究微生物生物种的数目或者微生物生物种的丰富性（richness），同时微生物生物多样性还涉及微生物每个成员在自然界中通过代谢生命活动而表现出每种生物代谢活力的丰富性和它们基因组中表现型和非表现型的表达多样性。微生物多样性包括微生物生态多样性、微生物物种的多样性和遗传多样性。所以微生物多样性与微生物生态学也有密切的关系，但是微生物多样性强调自然环境中微生物种、遗传物质和基因的数目和丰富性，而微生物生态学强调自然环境中微生物与非生物和生物的相互关系。
微生物生态学与国家生物和矿产资源、农业、医学、发酵工业、环境保护、国防建设、数学、化学和社会科学等都有密切的关系。研究微生物生态学的目的在于开发和利用自然界中的微生物、徽生物代谢产物和基因资源，并保护好微生物和它们的基因资源，了解自然环境中的微生物群体群落、生长和代谢对环境变化的影响，了解环境条件的变化对自然界微生物群落生长和代谢的影响，了解微生物在白然界中所起的作用，并利用有关微生物为人类服务，为提高生产效率、保护人类健康和保护生态平衡，发挥微生物的*佳作用。
第二节 微生物生态学的发展简史
生态学这个词出现在19世纪下半叶，Henry Thoreau在1858年一封书信中使用过这个名词，但未对其下具体定义。1869年，Ernst Haeckel首先对生态学下了定义。ecology -词来源于希腊语，就字面而言，eco表示住所或柄息地，logos表示学问。
在微生物生态学发展过程中，A.T.Kluyver、C.D.van Niel、Roger Stanier和Gause这4位科学家对它的早期发展作出过许多重要贡献。Kluyver对微生物生态学的*大贡献就是通过研究发现自然界种类繁多的微生物世界中，各种代谢过程都有相互关系。van Niel是Kluyver的学生，他发现光合细菌和绿色植物的光合过程有许多相似之处。Roger Stanier是van Niel的学生，他利用假单胞菌研究好氧微生物的代谢，结果发现这些好氧微生物能降解各种结构很复杂的有机化合物。Gause在1934年设计了一个生态学方面的经典实验，就是证明纤毛虫原生动物中存在捕食关系。其中节毛虫（Didinium nasatum）能利用草履虫（Parameczurn caudutum）作为食物，袋状革履虫（Paramecium bursaria）能以粟酒裂殖酵母（Schizosaccharomycess pombe）作为食物。
几乎在同一时期，人们发现把载玻片埋在土壤或沉积泥中，载玻片就像土壤颗粒一样能给微生物生长提供一个表面，然后小心地取出这块载玻片并在显微镜下观察，可以观察到微生物在自然环境中生长和相互作用的情况。
微生物生态学是在20世纪后半叶才真正发展起来的一个学科。作为微生物科学发展的一个紧密分支，在60年代，由于人们对环境科学的关注，微生物生态学得到了飞速发展。1962年，由Rachel Carson编著的Silent Spring改变了人们对自然的看法。但是微生物生态学概念并不是一个新的概念，在19世纪后期Beijerinck、Winogradsky和其他人在许多开创性的微生物学研究中就使用了这个概念。作为具有它本身独特性的一个学科，微生物生态学是微生物学和生态学结合后产生的一个学科。在整个20世纪普通生态学得到了迅速发展，普通生态学原理主要是根据对动物和植物研究的结果。然而生态学研究很少考虑到微生物在生态系统中的作用，或很少考虑生态学理论也可以应用到那些微小的生物中。其实只有生态学的原理能应用到所有生物中，它的原理才有普遍的实际意义。微生物是自然界生态系统中的重要一员，在地球物质循环、能量转换、环境和生态平衡和健康等方面能发挥非常重要的作用，尤其在被污染的环境和极端环境中能发挥独*无二的作用。微生物就其种类和数量来说，是地球上仅次于昆虫的第二类生物。如果在生态学研究中忽视微生物，就意味着没有把微生物作为地球中主要的生物量来看待。如果把原核生物作为整个地球生物量的一部分，那么所有生物所储藏的碳比现在估计的要高几乎2倍多，这里还没有提到氮和磷。事实上，原核生物中的碳、氮和磷量在整个生物圈中是*大的。
到了20世纪50年代末和60年代初，由于人口的膨胀和各种工业的迅速发展，环境污染日趋严重。同时人们发现排放到自然环境中去的污染物对土壤和水中的微生物生命和代谢有很大的影响，并发现许多微生物能降解各种人工合成的和天然的污染物。另外由于农民大量使用合成洗涤剂、各种农药和化肥，农村的水体也受到了严重污染并引起许多水体出现富营养化的问题。此外还发现许多污染物，如DDT、PCB和汞化合物能在食物链中引起生物放大作用（biomagnification）。这些问题引起了许多科学家对微生物生态学的浓厚兴趣，使其得到了迅速发展。例如，海洋石油污染物的降解研究开始于60年代，经过各国政府和科学家30多年的努力，90年代人们开始利用微生物，特别是基因工程菌去除海洋环境的污染。太空技术的发展给人们提供了研究某些极端环境微生物的有力工具。深海潜水器和深海采样器的使用给深海微生物的研究和深海微生物学的迅速发展创造了很好的基础。70年代氮肥的短缺促使人们研究共生固氮微生物和非共生固氮微生物。能源的危机使人们试图利用一些废物，经过微生物的转化作用生产有用的燃料。微生物生态学发展的一个重要里程碑是1972年在瑞典乌普萨拉（Uppsala）举行的有关微生物生态学现代方法的国际会议。自1977年开始，每3年举行一次微生物生态学国际会议。80年代初，Martin Alexander发现许多人工合成的化合物完全不能被微生物降解，这就引起了许多研究者对污染物的生物可降解性的浓厚兴趣。与此同时，分子生物学研究技术被借鉴到微生物生态学研究中，在物种遗传多样性、分子适应、变异分子机制及其进化意义等微生物生态学基础理论方面取得了突破。
近年来，各种极端环境中微生物的生命机理和特殊用途引起了人们的极大兴趣，使得对极端微生物的研究得到了迅速发展。
*近20多年来，分子生物学技术和PCR技术的飞速发展，给微生物生态学向分子水平的发展创造了良好的基础。
第*本有关微生物生态学的教科书是由Thomas D.Brock编写的，于1962年出版。随后，Sheldon Aaronson在1970年编写了有关微生物生态学实验方法的专著。1971年Martin Alexander编写了《微生物生态学》一书。此后许多科学家都直接或间接地对微生物生态学的发展作出了贡献。1974年开始出版微生物生态学方面的杂志。现在，国际上许多专业杂志刊登有微生物生态学的研究报告和研究进展，如Microbial Ecology，Applied and Environmental Microbiology, Applied Microbiology and Biotechnology,Plasmid, Ertremophiles, Advances in Microbial Ecology,FEMS Microbial Ecology,Marine Biology和Marine Ecology Progress Series等。
我国在微生物生态学研究方面也取得了许多进展。我国土地辽阔，存在各种各样的自然环境，有高山和平原、有寒冷的冰川也有四季温暖的南方以及温泉等高温环境、在内蒙古有哈马台碱湖、在东北和云南还有原始森林。与世界其他国家一样，由于人口的膨胀.工业的迅速发展，我国环境污染日趋严重，许多自然环境已受到石油、洗涤剂、各种废气、各种固体废弃物和重金属等严重污染。所以我国的微生物资源一定十分丰富。到目前为止，我国对微生物生态学的研究主要集中在以下几个方面。
（1）微生物资源的调查。我国对经济真菌的调查已经取得了重大进展，已经知道的经济真菌有1341种，隶属于284属，81科，27目。其中，食用菌876种，包括人工栽培和利用菌丝体发酵培养的91种，药用真菌451种，其中作为抗癌药物和具有抑癌抗癌活性的302种，灵芝、冬虫夏草等药用食用菌已经通过发酵生产保健品。从土壤和其他环境中还分离到了大量的能产生各种抗生素的放线菌和细菌，其中一些微生物经过人工诱变后能合成大量的抗生素。中国科学院微生物研究所开展了内蒙古哈马台碱湖的微生物生态调查，从中得到了许多有实际应用和理论研究意义的特殊微生物。有人还开展了我国某些温泉的微生物种类和分布的研究，得到了一些嗜热的微生物。我国改革开放后相继建造了核电站并在长江和黄河上建造了一些大型水库，这些核电站和水库建造前后对周围环境的微生物生态有何影响已引起我国有关专家和政府的重视。海洋微生物和它们的基因是我国重要的生物资源，我国各有关研究机构和大学广泛开展了海洋微生物资源、海洋微生物活性代谢产物及其功能基因、海洋动物病原菌资源和致病基因种类的研究。在科技部海洋微生物菌种资源整理、整合及共享试点子项目支持下，我国已经建立了海洋微生物物种资源库和信息共享平台。此外，在土壤微生物区系及生理学意义、水生环境中微生物区系、口腔微生物区系方面都进行了大量研究。利用微生物ssurRNA基因特点及PCR等分子生物学研究手段，我国微生物学家对自然界各种环境中微生物多样性进行了详细的研究，证实了在自然界除了我们已经获知并鉴定的微生物物种外，还存在大量未被认知的微生物新物种及其新功能。
（2）广泛开展了我国各大城市空气中微生物数量、种类和分布的调查，以便对我国的空气质量进行评估。国家海洋局还考察了环球空气的微生物，得到了很有价值的结果。
（3）近几十年来，我国人口迅速增长，特别是改革开放后乡镇企业突飞猛进地发展，在给我国人民带来经济繁荣的同时，也给我国的环境造成了严重威胁，许多江河、土壤和农田受到了严重污染，新的污染源和污染物种类不断出现。为了解决我国日趋严重的环境污染问题，我国政府和有关企业投放了大量的人力和财力开展了污染环境的治理工作。由于利用微生物处理污染物有许多优点，我国十分重视利用微生物处理各种污水和废气，并广泛开展了各种污染环境的微生物种类和分布的调查，发现了许多对污染物具有强降解能力的微生物，并对各种苯环污染物、石油、洗涤剂、农药、染料的降解途径和降解程度，各种重金属的微生物转化和吸附，废水中氮和磷的微生物去除及各种污水处理系统中微生物生态学进行了比较全面的研究，建立了各种处理效果显著的污水处理工艺，包括活性污泥法、各种生物膜反应器、固定化细胞等。清华大学环境科学系还建立了许多方法用于测定有机污染物的好氧降解。
（4）除了陆地和淡水受到了严重污染外，海洋环境的污染也十分严重，仅海洋的富营养化问题和海水养殖环境的污染就给我国海水养殖业造成了重大损失，使各种海洋动物的病害不断发生。近几年我国海洋研究机构和大学广泛开展了海洋微生物生态学和海水养殖环境净化的研究。国家海洋“863”计划也投巨资研究各种病原微生物与海洋动物之间的相互关系，为有效控制海洋动物的病害发生发挥了很好的作用。
（5）改革开放后，我国的微生物生态学教学工作也取得了很大进展，在医学院、各大综合性大学及各类工科大学设立了环境医学、环境生物学和环保专业，并开设了环境微生物学和微生物生态学等课程。
第三节 研究微生物生态学的意义
微生物生态学与医学、工业、农业、环境保护和社会科学有着密切的关系。微生物生态学的研究还有助于解释生物基因的进化、基因和酶的代谢调控和生物适应环境的机理等问题。利用PCR扩增技术研究自然样品中的微生物和有关的基因有利于发现微生物的多样性和保护微生物资源和基因库，所以说研究微生物生态学有着重要的理论和现实意义。
（1）因为我国土地面积大，存在各种各样的自然环境，所以微生物及其基因资源十分丰富，许多环境的微生物资源，特别是极端环境的微生物资源和基因资源尚待调查和开发。据报道，地球上可培养的微生物占不到所有微生物的5%，已经被开发利用的微生物不到微生物总数的1%，而中国已经报道的微生物物种数目约占全世界报道的总数的10%。所以，开展我国各种自然环境中的微生物生态和资源调查，特别是可培养和暂时难培养微生物功能基因资源的调查，对于发现新的在T农业、食品、医药和环境保护方面有重要用途的微生物菌株和它们的基因有重要的实际意义。我国的发酵工业有数千年的历史，建立了许多独特的传统发酵工艺，在这些传统发酵工艺中存在许多特殊的生态环境，弄清这些生态环境的微生物种类和它们之间的相互关系有利于改进传统发酵工艺，提高产品的产量和质量。同样，我国存在许多极端自然环境，如地热环境、高盐环境、强酸环境、强碱环境和低温环境等，这些极端环境中存在具有特殊生理功能的微生物和特殊用途的基因。这些特殊生理功能的微生物和特殊用途的基因也是国家重要的生物资源。
（2）微生物在自然界中参与了碳、氮、磷、氧、硫、铁和氢等物质的转化和循环作用，并且某些微生物在纤维素降解、氮气的固定和某些特殊化合物的分解中起着独特的作用。这些循环、转化和分解作用对于保持生态平衡起着非常重要的作用。自然界还存在许多特殊的环境，如低温、高温、强酸、强碱、高渗透压、高辐射等极端环境，在这些特殊生态系统中的微生物代谢活动对于保持局部的生态平衡也有重要的意义，而且这些微生物还是研究微生物抗极端环境的良好材料，更为重要的是这些微生物在发酵工业、环境保护和日常生活中具有特殊的用途。在海洋和其他水体环境中，微生物对于营养物的浓缩、冉利用和循环起着非常重要的作用。
（3）在自然环境中，微生物对于提高土壤肥力，帮助农作物摄取营养，促进作物生长、抗病原菌的侵入和提高农作物产量、减轻农药和化肥对水源的污染、减少农药和化肥用量和保护环境起着相当大的作用。在农田中微生物还可以用于污水、农作物秸秆、有机垃圾等废弃物的转化和净化。同时，微生物还可以降解农药，保护农田环境。
（4）由于微生物个体微小，有很大的细胞比表面积，微生物生理生化功能多样，代谢能力强，易适应新环境，遗传功能易于改造，繁殖速度快，能彻底净化环境污染物，不会造成二次污染，处理污染物时只需在常温、常压下进行，不需特殊的设备，在处理污染物过程中还会产生许多有用的产物，所以利用有关的混合微生物群体净化环境污染物有重要的实际和经济意义。尤其是近年来，生物工程技术的不断发展和基因工程技术的广泛使用，使构建新的具有降解多种污染物的微生物菌株成为可能，为更有效地净化日趋严重的环境污染带来了新的希望。
（5）许多环境污染物或微生物转化某些污染物产生的一些中间产物对人体和生态平衡危害极大，有些污染物或它们的代谢中间产物甚至可以导致人体细胞癌变，所以开展污染生态中微生物降解污染物的途径、降解程度和降解速率的研究，可以给环境医学和环境保护的对策提供理论依据。
（6）自然界有许多微生物是人、动物和植物的病原菌，有些微生物在自然界生长和代谢过程中产生一些毒物或改变局部的自然条件，结果不利于其他生物的生长和生存，像这样的微生物我们应当设法控制它们的生长和扩散。
（7）由于科学技术的发展，人们生活和工作的需要，排放到自然环境中的人工合成化合物越来越多，这些化合物在自然界停留的时间应引起我们的高度重视。在许多发达国家.每一种人工合成化合物排放到自然界之前，都应经过微生物可降解试验的研究，以便判断该化合物将对环境产生的影响。
（8）石油和煤矿的大量开采和使用，给环境造成了严重的污染，而地球中石油和煤矿资源的迅速下降，又造成了石油和煤价格的上涨和能源危机。所以寻找可再生的和清洁的能源是人类面临的重大问题，其中，生物能源就可以实现这些目标。生物能源包括乙醇、丁醇、甲烷、氢气和生物柴油。能生产这些生物能源的生物主要是微生物。另外在生产和日常生活中使用了大量的塑料、洗涤剂和农药，给我们生活的环境造成了严重的污染，直接威胁了生态平衡和人类健康。所以寻找可降解的对环境无污染的由微生物产生的生物塑料、生物表面活性剂和生物农药是解决目前污染环境的一个非常重要的方面。
思考题
1. 请谈谈微生物生态学和微生物多样性这两个概念的异同点。