(1)化能异养菌氧化还原物质获得能量

池塘微生物的种类

1.根据微生物所利用的能量与碳源来源分类

(1)化能异养菌氧化还原物质获得能量,将有机碳同化为细菌物质,如枯草芽孢杆菌。该类型包括微生物的种类最多,已知绝大多数的细菌均属于此类型。

(2)光能异养菌通过光合作用俘获太阳辐射能为能量,将有机碳同化为细菌物质,如紫色非硫细菌。这类微生物很少。

(3)化能自养菌氧化还原物质获得能量,将无机碳(二氧化碳为主)同化为细菌物质,如氢细菌、铁细菌、硝化细菌、硫化细菌。化能自养型微生物对无机物的利用有很强的专一性,一种化能自养型微生物只能氧化利用一定的无机物,如铁细菌只能氧化利用亚铁盐,硫化细菌只能氧化利用硫化氢,硝化细菌只能氧化利用无机氮化合物。

(4)光能自养菌通过光合作用俘获太阳辐射能为能量,将无机碳同化为细菌物质,如红硫细菌、蓝细菌。

2.通过氧化还原物质获取能量的微生物,依电子受体不同分类

(1)好氧菌以氧气作为最终电子受体,如枯草芽孢杆菌。

(2)厌氧菌以有机小分子或无机氧化物作为最终电子受体。

以有机小分子作电子受体,如乳酸杆菌;以氮氧化物作电子受体,如脱氮杆菌;以铁氧化物作电子受体,如铁还原菌;以锰氧化物作电子受体,如锰还原菌;以硫氧化物作电子受体,如脱硫杆菌;以二氧化碳作电子受体,如沼气产生菌。

(3)兼性好氧菌有氧时以氧气为最终电子受体,无氧时以无机氧化物作为最终电子受体。

氧气作为电子受体的氧呼吸产能效率比无机氧化物或有机物作为电子受体的厌氧呼吸产能高。所以,酵母菌在有氧的条件下绝不用有机物作电子受体。从电子受体的角度看,产能效率的顺序是:氧呼吸氮呼吸锰、铁呼吸硫呼吸碳呼吸。

微生物的“节约原则”。微生物吸收营养,用于生长(对于微生物而言,生长就是繁殖),要生长就得合成构成细胞的物质,而且每种物质需要多少数量,都能十分精确地控制。例如,微生物繁殖一代需要100个甘氨酸,它绝不会合成101个!

微生物的食物

自然界一切含有化学能的物质几乎都可以作为微生物的食物。养殖水体中作为微生物食物的,多是养殖动物排泄废弃物或水体环境的污染物。

微生物利用这些废弃有机污染物,一部分同化为细菌本身,进人腐生食物链加以利用;另一些通过一系列微生物种群的新陈代谢,将有机污染物分解、矿化成简单无机盐类,供藻类吸收利用,使水体物质得以循环净化。

养殖池塘水体中微生物主要食物来源有以下两方面。

(1)残饵及养殖动物粪便排泄物养殖池塘每天需要投喂大量的词料,这些投入伺料其中一部分由于溶解和散失没能被养殖动物摄食,即残饵。即使被养殖动物摄食进人体内的饲料,能被其吸收利用并同化为自身肌体的只是其中一部分,其余的被养殖动物通过粪便排泄物排到水体。投人池塘的饲料一般三分之二左右以残饵及粪便排泄物形式废弃在水体,这是池塘主要的污染物,但也是池塘微生物的重要食物及营养来源。

(2)动植物尸骸及藻类胞外分泌物动植物尸骸一般指死藻,原生动物、浮游动物等尸骸。养殖水体多数富营养化,藻类增殖旺盛,由于人们对藻类天然生产力的忽视,次级生产力与初级生产力极其不匹配,藻类能进人食物链加以利用的只是很少一部分,大部分藻类要么泛滥后自生自灭,要么被施用药物杀灭,所以死藻生物量很大。

藻类胞外分泌物:一般来说,藻类在生长过程中要分泌一些物质,有些是与外界进行物质交换,而更多的是当部分营养素缺乏时,光合作用的产物不能有效地用于生长,多余的有机物质就会被分泌到环境中。一般情况下,对数生长期之前的藻类胞外分泌物主要是用于物质交换,而对数生长期过后的藻类由于生长速度降低.胞外分泌物就会增加。据报道,藻类的胞外分泌物占光合作用总产物的比重,有的不到5%,有的大于95%,伸缩度很大。不同藻类的胞外分泌物结构不同,与之相适应的微生物也不同。藻类具多样性,微生物种群也具多样性,藻类单一,微生物多样性也会降低。

需要说明的是,残饵、粪便排泄物、动植物尸骸等容易絮凝沉淀,除少部分以有机碎屑短时悬浮于水体中外,其余大部分都将沉积到池底。所以,溶解并均勻分散在水体里面,供悬浮于水中微生物吃喝的食物并不多,藻类胞外分泌物占比还是比较大的。

微生物的“摄食”

微生物由于个体小,结构简单,没有专门用于摄取营养的器官。因此,微生物的营养物质的吸收以及代谢产物
的排出都是依靠细胞膜的功能来完成的。

蛋白质、脂肪和多糖等大分子的营养物质需要由微生
物分泌的胞外酶作用分解成小分子物质才能被吸收。根据微生物周围存在的营养物质的种类和浓度,按照细胞膜上
有无载体参与、运送过程是否消耗能量以及营养物是否发
生变化等,将微生物对营养物质的吸收方式分为被动扩
散、促进扩散、主动运输和基团转位四种方式。(1)被动扩散简单扩散,当细胞外营养物质的浓度
高于细胞内营养物质的浓度时,存在浓度差异,营养物质自然从高浓度的地方向低浓度的地方扩
散,当胞内外的营养物质浓度达到平衡时,扩散便停止。
以这种方式进人细胞的物质只有水、二氧化碳、乙醇和某 些氨基酸。

特点:①扩散是非特异性的,速度取决于浓度差、分
子大小、溶解性、pH、离子强度和温度等;②不消耗能量;③不需要载体蛋白,不能逆浓度梯度进行,运输速
度慢。

缺点:很难满足微生物的营养需要,没有选择性。促进扩散利用营养物质的浓
度差进行。需要细胞膜上的酶或载体蛋白的可逆性结合来
加速运输速度。即载体在膜外与高浓度的营养物质可逆性结合,扩散到膜内再将营养物质释放。特点:①动力来源于浓度差;②不消耗能量,不能逆
浓度运输;③需要载体蛋白参与,能提前达到平衡;④被运送的物质不发生结构变化;⑤运送的物质具有选择性或
高度专一性。主动运输这是微生物吸收营养物质的主要方
式。在提供能量和载体蛋白协助的前提下,将营养物质逆
浓度梯度运送。这种方式可使微生物在稀薄的营养环境中吸收营养,如无机离子、有机离子、一些糖类。特点:①消耗代谢能;②可逆浓度运输;③需要载体
蛋白参与,运送前后营养物质不改变结构;④被运送的物质具有高度的立体专一性。

能量来源:好氧微生物来自呼吸能,厌氧微生物来自
化学能,光合微生物来自光能。基团转位一种既需要载体,又消耗能量,并且转运前后营养物质发生分子结构变化的运输方式。以磷酸
转移酶系转运葡萄糖为例,葡萄糖在转运过程中,在细胞
膜上发生磷酸化反应而被转送到细胞内。每输送一个葡萄糖分子,就消耗一个人丁?的能量。葡萄糖分子进人细胞
后以磷酸糖的形式存在于细胞内,磷酸糖是不能透过细胞
膜的。这样,随着磷酸糖不断积累,葡萄糖不断进入,表
现为葡萄糖的逆浓度梯度运输。特点:①消耗代谢能;②可逆浓度运输;③需要载体
蛋白参与;④转运前后营养物质会改变分子结构;⑤被运送的物质具有高度的立体专一性。主要用于运送:葡萄糖、果糖、甘露糖、核苷酸、丁
酸和腺嘌呤等。需要指出的是,各种细菌转运营养物质的方式不同,
即使对同一物质,不同细菌的摄取方式也不一样。

微生物的协作共享

生物进化的方向是获能最大化、效率最大化。而获能的目的是用于繁殖生长,这是生命的本质,微生物尤为如此。

水生生态系统中的微生物尤其奇妙。共生与协同作战,使得尽管单一个微生物是那么渺小、那么脆弱,但只要它们共生在一起,分工协作,就变得非常坚韧,非常顽强。

池塘微生物

微生物因为太小,它们获得营养的方式是通过扩散而不是“吃”人。所以,对于环境中的大分子营养物质,如蛋白质、脂肪、淀粉或纤维素等,微生物只有先分泌水解酶和消化酶,将这些物质分解成可以直接通过扩散而吸收的氨基酸、单糖或更小的物质才可以利用。

由于微生物的这种体外消化的特点,在一个水生生态中,只要有一种微生物能分泌蛋白酶,将水体中的蛋白质分解成氨基酸,那么,周围的其他微生物都可以一起分享。这就使得缺乏蛋白酶的微生物也能够在环境中生存。

尽管自然界大多数微生物能力很低,只能做一点点“工作”,但由于它们的协同作用,使得大家都可以生存。如果把一种物质的降解过程看成是一条车间生产流水线,微生物就是每个“岗位”上的工人。例如,蛋白质的矿化:有的微生物分泌蛋白酶,先将蛋白质卸成几大块-多肽;有的微生物分泌多肽酶,将多肽分解成氨基酸;有的微生物将氨基酸分解为氨和脂肪酸;有的微生物将脂肪酸分解为二氧化碳;有的微生物将氨转化为亚硝酸;有的微生物将亚硝酸转化为硝酸;有的微生物将硝酸转化为氮气。这样,经过协同作用,将蛋白质最终矿化为氮气和二氧化碳。

微生物的这种协作分工,使得微生物世界看起来又是一个自然形成的、组织缜密的微生物社会共同体。

一个生态系统,必须含有生命活动所需要的所有物质和酶系。但是,对于一个微生物而言,借助于微生物的这种共享与协同机制,它又可以非常的不完善。因此,水生生态系统中的绝大多数微生物是难以单独生存的,也就是通常所说的——不可培养。

微生物的代谢与分泌

微生物“摄食”后,总是要排泄的,微生物排泄物可分为代谢产物或分泌物。

(1)微生物的代谢产物

有些微生物吸收葡萄糖,只能部分利用,剩下的就排泄出来了。如酵母菌在有氧状态下,通过有氧呼吸将葡萄糖彻底氧化成终产物——二氧化碳,排泄出来的就是二氧化碳;无氧状态下则进行发酵作用,产生中间代谢物——乙醇,排泄出来的就是乙醇。乳酸菌“吃”了葡萄糖,排泄出来的是乳酸。

由于厌氧微生物三羧酸循环不完善,不能将有机物都彻底矿化为二氧化碳,可以说,微生物排泄的中间代谢产物多种多样,如甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、琥拍酸、酒石酸当然,一种微生物的代谢产物又是另一种微生物的“食物”,这就构成了错综复杂的微生物生态系统,最终可以把所有有机物都矿化成无机盐,回归自然循环利用。

(2)微生物的胞外分泌物

第一类是胞外酶,用于水解和消化大分子营养物,如蛋白质、脂肪、淀粉或纤维素等。

第二类是抗生素,是用来争夺地盘的。当微生物可利用的营养素不足时,为了保护地盘,消除异己,微生物会分泌一些物质,去杀灭或抑制别的微生物,这些物质我们称之为抗生素。

第三类是其他物质。当环境中某些营养素不足时,微生物同化的物质不能有效地用于生长,只能分泌出去。很多时候,这些分泌物只是一些多糖类或具有絮凝作用的黏多糖。

有些时候,一些微生物分泌物“恰好”有生物活性,会引起其他生物中毒。如溶藻菌产生的能溶解藻类的毒素。

有些微生物能合成远远超过它们自身需要量的维生素,进而将其大量地分泌到细胞之外。

有些微生物能产生分泌一类具有高度生理活性的物质,称为激素,也称生长刺激素。

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