检查细菌如何成为有益的生态分解因子,但如何成为有害的食物破坏剂和疾病因子 了解细菌是分解、食物腐败和疾病(病原体)的因子。 Encyclopædia Britannica, Inc. 查看本文的所有视频
细菌的生长 文化 被定义为群体中细菌数量的增加,而不是单个细胞的大小。细菌种群的增长以几何或指数方式发生:在每个分裂周期(世代)中,一个细胞产生 2 个细胞,然后是 4 个细胞,然后是 8 个细胞,然后是 16 个,然后是 32 个,依此类推。世代形成所需的时间,即世代时间(G),可以通过以下公式计算:
在公式, 乙 是观察开始时存在的细菌数量, 乙 是时间段之后出现的数字 吨 , 和 n 是代数。该关系表明平均世代时间是恒定的,并且细菌数量增加的速度与任何给定时间的细菌数量成正比。这种关系仅在人口以指数方式增长的时期有效,称为增长的对数阶段。出于这个原因,显示细菌培养物生长的图表被绘制为细胞数量的对数。
关注 枯草芽孢杆菌 菌落经历生长的滞后期、对数期、静止期和死亡期 菌落经历四个生长阶段:滞后期、对数期、静止期和死亡期。 Video Encyclopædia Britannica, Inc.;静态照片 A.W. Rakosy/Encyclopædia Britannica, Inc. 查看本文的所有视频
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不同细菌的世代时间不同,受许多环境条件和细菌种类的性质控制。例如, 产气荚膜梭菌 ,生长最快的细菌之一,最佳世代时间约为10分钟; 大肠杆菌 可以每20分钟翻一番;和缓慢增长的 结核分枝杆菌 生成时间在 12 到 16 小时之间。一些研究人员认为,生活在地球表面深处的某些细菌种群可能以极其缓慢的速度生长,每几千年只繁殖一次。这 作品 的 生长培养基 是控制增长速度的主要因素。当培养基提供更好的能源和更多的生物合成中间体时,生长速度会增加到最大值,否则细胞必须自己制造。
细菌生长曲线 显示细菌菌落生长阶段的广义细菌生长曲线。大英百科全书,股份有限公司。
当细菌被放置在提供其生长所需的所有营养物质的培养基中时,种群表现出四个生长阶段,它们代表了典型的细菌生长曲线。接种到新培养基中后,细菌不会立即繁殖,种群规模保持不变。在此期间,称为 滞后期 ,细胞具有代谢活性并且仅增加细胞大小。他们还在新的环境条件下合成细胞分裂和种群增长所需的酶和因子。然后种群进入对数阶段,其中细胞数量以对数方式增加,每个细胞产生的时间间隔与前面的相同,导致细胞数量的平衡增加 成分 每个单元格。对数期一直持续到营养物质耗尽或有毒产物积累,此时细胞生长速度减慢,一些细胞可能开始死亡。在最佳条件下,对数期结束时某些细菌物种的最大种群密度可以达到每毫升 10 到 300 亿个细胞。
枯草芽孢杆菌 至 枯草芽孢杆菌 在 37 °C(98.6 °F;放大约 6 倍)下培养 18-24 小时后,细菌菌落进入对数生长期。 A.W. Rakosy/大英百科全书,股份有限公司。
细菌生长的对数期之后是静止期,在该期细菌种群的大小保持不变,即使一些细胞继续分裂而另一些细胞开始死亡。稳定阶段之后是死亡阶段,在该阶段中,群体中细胞的死亡超过了新细胞的形成。死亡阶段开始前的时间长度取决于物种和培养基。细菌即使在缺乏营养的情况下也不一定会死亡,它们可以长时间保持活力。
枯草芽孢杆菌 细菌生长阶段A 枯草芽孢杆菌 在 37 °C(98.6 °F;放大约 9 倍)下培养 48 小时后,菌落显示出稳定生长的迹象。 A.W. Rakosy/大英百科全书,股份有限公司。
枯草芽孢杆菌 细菌生长阶段 在 37 °C (98.6 °F) 下 96 小时后, 枯草芽孢杆菌 菌落萎缩,说明已进入死亡期(放大9倍左右)。 A.W. Rakosy/大英百科全书,股份有限公司。
原核生物是 无处不在 在地球表面。它们存在于每个可访问的地方 环境 ,从极地冰到冒泡 温泉 ,从山顶到海底,以及从 植物 和 动物 尸体到森林土壤。一些细菌可以在接近冰点 (0 °C [32 °F]) 的温度下在土壤或水中生长,而其他细菌可以在接近沸腾 (100 °C [212 °F]) 的温度下在水中生长。每一种细菌都适合生活在特定的环境中 利基 ,无论是海洋表面、泥浆沉积物、土壤还是另一种生物的表面。空气中的细菌含量虽低但很重要,尤其是当灰尘悬浮时。在未受污染的天然水体中,细菌数量可能达到每毫升数千;在肥沃的土壤中,细菌数量可以达到每克数百万;在粪便中,细菌数量可以超过每克数十亿。
研究细菌在有机分解中的作用,从森林地面到垃圾填埋场和废水处理厂 细菌在有机分解中的作用是从垃圾填埋场和水中去除不需要的生物材料过程的一部分。 Encyclopædia Britannica, Inc. 查看本文的所有视频
原核生物是它们栖息地的重要成员。尽管它们的体型很小,但它们的庞大数量意味着它们的新陈代谢起着巨大的作用——有时 有利 ,有时是有害的——在其外部环境中的元素转换中。可能每一种天然存在的物质,以及许多 合成的 可以被某些种类的细菌降解(代谢)。最大的胃 牛 瘤胃是一个发酵室,细菌在其中消化草和饲料中的纤维素,将它们转化为脂肪酸和氨基酸,这是奶牛使用的基本营养素,也是奶牛产奶的基础。污水或堆肥堆中的有机废物被细菌转化为适合植物代谢的营养物质或气态甲烷(CH4) 和二氧化碳。所有有机物质的遗骸,包括植物和动物,最终通过细菌和其他微生物的活动转化为土壤和气体,从而可用于进一步生长。
许多细菌生活在溪流和其他来源 水 ,并且它们在水样中以低人口密度存在并不一定表明该水不适合 消费 .然而,含有细菌的水,例如 大肠杆菌 是人类和动物肠道的正常居民,表明污水或粪便材料最近污染了该水源。这种大肠菌群本身可能是病原体(致病生物),它们的存在表明其他不易检测的细菌和病毒病原体也可能存在。使用的程序 净水 植物——沉淀、过滤和氯化——旨在去除这些以及可能存在于水中的任何其他微生物和传染原,用于 人类 消费。此外,污水处理是必要的,以防止病原细菌和病毒从废水中释放到供水系统中。污水处理厂还会引发废水中有机物质(蛋白质、脂肪和碳水化合物)的腐烂。水中微生物分解有机物消耗氧气( 生化需氧量 ),导致氧气含量下降,这对接收废水的溪流和湖泊中的水生生物非常有害。污水处理的目标之一是在将有机物质排放到水系统之前将其氧化尽可能多的有机物质,从而降低废水的生化需氧量。为此,污水消化池和曝气装置专门利用细菌的代谢能力。 (有关废水处理的更多信息, 看 环境工程:水污染控制 .)
土壤细菌通过转化具有土壤特征的各种物质、腐殖质和矿物质,在影响生化变化方面极为活跃。对生命至关重要的元素,如碳、氮和硫,是由细菌从无机气态转化而来的。 化合物 成植物和动物可以使用的形式。细菌还将植物和动物代谢的终产物转化为可供细菌和其他微生物使用的形式。这 氮循环 可以说明细菌在影响各种化学变化中的作用。氮在自然界中以几种氧化态存在,如硝酸盐、亚硝酸盐、氮气、几种氮氧化物、氨和有机物。 胺类 (含有一种或多种取代烃的氨化合物)。 固氮 是将大气中的二氮气体转化为生物体可以使用的形式。一些 固氮菌 , 如 固氮菌 , 巴氏梭菌 , 和 肺炎克雷伯菌 , 是自由生活的,而物种 根瘤菌 住在一个 亲密的 与 豆科植物 . 根瘤菌 土壤中的生物识别并入侵 根 其特定植物宿主的毛发,进入植物组织,并形成根瘤。这个过程会导致细菌失去许多自由生活的特性。它们变得依赖于植物提供的碳,并且作为碳的交换,它们将氮气转化为氨,供植物用于蛋白质合成和生长。此外,许多细菌可以将硝酸盐转化为胺以合成细胞材料,或者当硝酸盐用作电子受体时转化为氨。反硝化细菌将硝酸盐转化为氮气。氨或有机胺转化为硝酸盐是通过好氧生物的联合活动完成的 亚硝化单胞菌 和 硝化杆菌 ,它使用氨作为电子供体。
固氮细菌(右)奥地利冬豌豆植物的根部( 豌豆 ) 结节含有固氮细菌 ( 根瘤菌 )。 (左)根瘤的形成是根瘤菌与植物根毛之间的共生关系。细菌识别根毛并开始分裂 (A),通过感染线 (B) 进入根部,使细菌进入根细胞,然后分裂形成结节 (C)。 (左)大英百科全书公司; (右)照片,John Kaprielian,国家奥杜邦协会收藏/照片研究人员
在碳循环中,二氧化碳被植物和自养原核生物转化为细胞物质,而有机碳则被异养生命形式返回大气。微生物分解的主要分解产物是二氧化碳,由需氧生物呼吸形成。
甲烷是碳代谢的另一种气态终产物,是全球碳循环中相对较小的组成部分,但在当地情况下很重要,并且可以作为人类使用的可再生能源。甲烷生产是由高度专业化和专性厌氧产甲烷的原核生物进行的,所有这些原核生物都是古细菌。产甲烷菌使用二氧化碳作为它们的终端电子受体并从氢气(H二)。一些其他物质可以被这些生物转化为甲烷,包括甲醇、 甲酸 、乙酸和甲胺。尽管产甲烷菌可以使用的物质范围极窄,但在许多有机材料(包括纤维素、淀粉、蛋白质、氨基酸、脂肪、醇和大多数其他底物)的厌氧分解过程中,甲烷的产生非常普遍。从这些材料形成甲烷需要其他厌氧细菌将这些物质降解为醋酸盐或二氧化碳和氢气,然后由产甲烷菌使用。产甲烷菌通过去除在代谢活动中形成的氢气来支持混合物中其他厌氧细菌的生长,从而产生甲烷。氢气的消耗会刺激其他细菌的新陈代谢。
鼓膜位于
尽管产甲烷菌具有如此有限的代谢能力并且对氧气非常敏感,但它们在地球上广泛存在。大量的甲烷在厌氧条件下产生 环境 ,例如沼泽和 沼泽 ,但在土壤和反刍动物中也会产生大量。大气中至少 80% 的甲烷是由产甲烷菌的作用产生的,其余的则是从煤层或天然气井中释放出来的。
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