微生物在生态系统中的作用与地位|应用微生物学原理与技术

微生物在生态系统中的作用是多方面的，其中主要作为分解者而在生态系统中起重要作用。

1)微生物在生态系统中的地位

微生物最大的价值在于其分解功能。 它们分解生物圈内存在的动物和植物残体等复杂有机物质，并最后将其转化成简单的无机物，供初级生产者使用。 微生物参与所有的物质循环，大部分元素及其化合物都受到微生物的作用。 在一些物质循环中，微生物是主要的成员，起主要作用；一些过程只有微生物才能进行其独特作用；而有的是在循环的关键过程起作用。

光能营养微生物和化能营养微生物是生态系统的初级生产者，它们具有初级生产者所具有的两个明显特征，即可直接利用太阳能、无机物的化学能作为能量来源，另外其积累下来的能量又可以在食物链、食物网中流动。

2)微生物与生物地球化学循环

生物地球化学循环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。 有生物元素的地质大循环和生物链的生物小循环。 微生物是自然界中许多有机物的分解者，如果没有它们的作用，自然界中各类元素及物质就不可能被周而复始地循环利用，生态平衡就会破坏，生物体的生命就无法延续。 以碳循环和氮循环为例介绍如下。

（1）碳循环

碳素是构成各种生物体最基本的元素，碳素循环包括CO2 的固定和CO2 的再生。 植物、藻类以及光合微生物，通过光合作用固定自然界中的CO2，合成有机碳化合物，进而转化成各种有机碳化合物。 动物以植物为食，经过生物氧化释放出CO2，动物、植物的尸体经微生物完全降解（即矿化作用）后，最终主要产物之一也是CO2。 地下埋藏的煤炭、石油等，经过人类的开发、利用，例如作为燃料燃烧后也产生CO2，重新加入碳循环。 通过这些生物和非生物过程产生的CO2，随后又被植物和光合微生物利用，开始新的碳素循环。

（2）氮循环

氮循环的主要环节是生物体内有机氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用。

植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐，进而将这些无机氮同化成植物体内的蛋白质等有机氮。动物直接或间接以植物为食物，将植物体内的有机氮同化成动物体内的有机氮，这一过程叫作生物体内有机氮的合成。 动植物的遗体、排出物和残落物中的有机氮被微生物分解后形成氨，这一过程叫作氨化作用。 在有氧的条件下，土壤中的氨或铵盐在硝化细菌的作用下最终氧化成硝酸盐，这一过程叫作硝化作用。 氨化作用和硝化作用产生的无机氮，都能被植物吸收利用。 在氧气不足的条件下，土壤中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态氮，分子态氮则返回到大气中，这一过程叫作反硝化作用。 大气中的分子态氮被还原成氨，这一过程叫作固氮作用。 没有固氮作用，大气中的分子态氮就不能被植物吸收利用。 地球上固氮作用的途径有3 种:生物固氮、工业固氮（用高温、高压和化学催化的方法，将氮转化成氨）和高能固氮（如闪电等高空瞬间放电所产生的高能，可以使空气中的氮与水中的氢结合，形成氨和硝酸，氨和硝酸则由雨水带到地面）。 据科学家估算，每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的90%左右。 至今的研究认为，固氮主要是原核微生物。 可见，微生物固氮在地球的氮循环中具有十分重要的作用。

3)微生物在环境保护中的作用

环境污染是指生态系统的结构和功能受到外来有害物质的影响或破坏，超过生态系统的自净能力，打破正常的生态平衡，给人类造成严重危害。 随着工业高度发展、人口急剧增长，在人类生活的环境中，大量的生活废弃物、工业生产形成的三废（废气、废渣和废水）及农业上使用化肥、农药的残留物等，特别是生活污水和工业废水，不经处理，大量排入水体，给人类生存环境造成严重污染。 环境污染对人畜健康、工业、农业、水产业等都有很大危害，所以保护生态环境已成为人类关心的大问题。 环境保护除保护自然环境外，就是防治污染和其他公害。 微生物不但可以处理污染物，还可用于环境监测，所以微生物在环境保护方面起重要作用。

（1） 微生物对污染物的降解与转化

生物降解是微生物（也包括其他生物）对物质（特别是环境污染物）的分解作用。 生物降解和传统的分解在本质上是一样的，但又有分解作用所没有的特征（如共代谢、降解性质粒等），因此可视为分解作用的扩展和延伸。 生物降解是生态系统物质循环过程中的重要一环。(www.xing528.com)

发生在自然界的有机物的氧化分解过程也见于污染物的降解，主要包括氧化反应、还原反应、水解反应和聚合反应。 化学结构是决定化合物生物降解性的主要因素，一般一种有机物其结构与自然物质越相似，就越易降解，结构差别越大，就越难降解。 因此，部分具有不常见取代基和化学结构的化学农药难于生物降解而残留。 塑料薄膜因分子体积过大而抗降解，造成白色污染。 环境污染中所说的重金属一般指汞、镉、铬、铅、砷、银、硒、锡等。 微生物特别是细菌、真菌在重金属的生物转化中起重要作用。 微生物可以改变重金属在环境中的存在状态，会使化学物毒性增强，引起严重的环境问题，还可以浓缩重金属，并通过食物链积累。 微生物直接和间接的作用也可以去除环境中的重金属，有助于改善环境。

（2）环境污染介质的微生物处理

人类生产和生活活动产生的污水（废水）、废气及固体废弃物都可以用生物方法进行处理。

①污水处理。 水源的污染是危害最大、最广的环境污染。 污水的种类很多，包括生活污水、农牧业污水、工业有机废水和有毒污水等。 这些污水必须先经处理，除去其杂质与污染物，待水质达到一定标准后，才能排入自然水体或直接供给生产和生活重复使用。 污水处理的方法有物理法、化学法和生物法。 各种方法都有其特点，可以相互配合，相互补充。 目前应用最广的是微生物学方法，其优点是效率高、费用低、简单方便。

②固体废弃物处理。 固体废弃物是指被人们丢弃的固体状和泥状的污染物质，其处理方法有焚烧、填埋、综合利用、生物法等。 其中，生物法主要是利用微生物分解有机物，制作有机肥料和沼气。 生物法可分为好氧性堆肥法和厌氧发酵法两大类。

好氧性堆肥法的基本生物化学反应过程与污水生物处理相似，但堆肥处理只进行到腐熟阶段，并不需有机物的彻底氧化，这一点与污水处理不同。 一般认为，堆料中易降解有机物基本上被降解即达到腐熟。 这个过程大致可分为以嗜温好氧菌为主的产热阶段、嗜热菌占主导的高温阶段和以嗜温菌（最适温度为中温，能耐受高温）为主的降温腐熟阶段。

厌氧发酵法包括厌氧堆肥法和沼气发酵。 厌氧堆肥法是指在不通气条件下，微生物通过厌氧发酵将有机废弃物转化为有机肥料，使固体废弃物无害化的过程。 堆制方式与好氧堆肥法基本相同。 但此法不设通气系统、有机废弃物在堆内进行厌氧发酵，温度低，腐熟及无害化所需时间长。 利用固体废弃物进行沼气发酵与污水的厌氧处理情况基本相似，也有3 个相似的阶段，最后可产生甲烷、CO2 等产物。 该技术在城市下水道污泥、农业固体废弃物（农作物秸秆等）和粪便处理中得到广泛应用。 我国农村大力推广的沼气工程对改善农村生态环境和环境卫生有重要作用。

③气态污染物的生物处理。 气态污染物的生物处理技术是生物降解污染物的新应用。 生物处理气态污染物的原理与污水处理是一致的，本质上是对污染物的生物降解与转化。 生物降解作用难于在气相中进行，所以废气的生物处理中，气态污染物首先要由气相转移到液相或固体表面液膜中。 降解与转化液化污染物的也是混合的微生物群体。 处理过程在悬浮或附着系统的生物反应器中进行。 提高净化效率需要增强传质过程（污染物从气相转入液相）和创造有利于转化和降解的条件。

④污染环境的生物修复。 生物修复是微生物催化降解有机污染物，转化其他污染物从而消除污染的一个受控或自发进行的过程。 生物修复基础是发生在生态环境中的微生物对有机污染物的降解作用。 由于自然的生物修复过程一般较慢，难于实际应用，生物修复技术则是在人为促进条件下的工程化生物修复，它是传统的生物处理方法的延伸，其创新之处在于它治理的对象是较大面积的污染。 由于污染环境和污染物的复杂多样，因而产生了不同于传统治理点源污染的新概念和新的技术措施。

目前生物修复技术主要用于土壤、水体（包括地下水）、海滩的污染（如原油的泄漏）治理以及固体废弃物的处理。 主要的污染物是石油烃及各种有毒、有害、难降解的有机污染物。 生物修复的本质是生物降解，能否成功取决于生物降解速率的高低。 在生物修复中采取强化措施，对促进生物降解十分重要。

（3）环境污染的微生物监测

生态环境中的微生物是环境污染的直接承受者，环境状况的任何变化都对微生物群落结构和生态功能产生影响，因此可以用微生物指示环境污染。 由于微生物易变异，抗性强，微生物作为环境污染的指示物在应用上不及动物和植物广泛。 但微生物的某些特性使微生物在环境监测中具有特殊作用。

粪便中肠道病原菌对水体的污染是引起霍乱、伤寒等流行病的主要原因。 沙门菌、志贺菌等肠道病原菌数量少，检出鉴定困难，因此不能把直接检测病原菌作为常规的监测手段。 因此提出了检测与病原菌并存于肠道且具相关性的“指示菌”，从它们的数量来判定水质污染程度和饮水（包括食品等）的安全性。 大肠菌群是最基本的粪便污染指示菌，是最常用的水质指标之一。