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第27章 微生物王国(3)

近十几年来,由于科学家对绿僵菌深入研究的进展,取得了可喜的成果。研究表明,绿僵菌的菌丝体穿破害虫的表皮进入害虫体内,在血腔中生长,并且产生毒素,毒素刺激害虫组织变质,使害虫的细胞膜坏死,导致细胞脱水死亡。在外界环境适宜的条件下,长出绿色的分生孢子,以感染其他的害虫,周而复始,达到杀死大量农作物害虫的目的。开展绿僵菌的研究,对于农业害虫的生物防治,具有重要意义。

根瘤菌

大家知道,氮元素是植物生长所必需的三种大量元素之一,这种资源在自然界里是十分丰富的,空气中约有80%是氮气。但这些氮气都是以游离的氮分子形式存在的,植物无法吸收利用。这就需要根瘤菌的“帮助了”。

如果你把花生大豆之类的豆科作物连根拔起时,就会发现在它们的根部有许多的小疙瘩,这就是根瘤菌的“家”。可在实验室中无菌培养的豆科小苗却没发现根瘤,原来根瘤菌有一种本领,只要遇到豆科植物的根,它们就能钻进去,一直到根毛的中央,刺激根部细胞的分裂,形成一个小瘤。它们就在这些小瘤中“生活”,把存在于土壤中的、游离的氮分子变成能被植物利用的氮的化合物。生物学上把这种作用称为固氮作用。

根瘤菌的固氮本领相当高强,一亩豆科作物根瘤菌在一年的时间内,可固定20~30斤氮,相当于施用100~150斤硫酸铵化肥的效果。在我国,劳动人民很早就知道利用微生物固氮来提高土壤肥力,采用把瓜类和豆类农作物在同一块地里轮作的方法提高产量。近几十年,大量施用化肥对土壤结构破坏极大。如能利用根瘤菌来进行生物固氮,将大大缓解这种状况,真正实现绿色农业。

新知博览——五世同堂的微生物

对于动物和植物人们是比较熟悉的,而微生物有些人就陌生了。其实,它们在生物界里的资格最老,历史最悠久,可人们发现它们还只有300多年的时间。微生物的个儿很小,平时我们的肉眼是看不见的,它们有着惊人的生长和繁殖速度,是任何动物、植物所无法比拟的。通常,10多分钟时间微生物就能由小变大,而猪体重增加一倍需30多天时间,野草体重加倍也得10多天。如果条件适宜的话,20分钟微生物就能产生新的一代,不到一个半小时便能“五世同堂”了。

在人体的大肠中有一种大肠杆菌,它的繁殖力更为高强,在37℃的牛奶中,只需12.5分钟就能分裂一次,产生新的一代。如果以通常所说的“20分钟”分裂一次来计算,那么一个大肠杆菌在24小时后就可产生4.71021个后代,48小时产生的后代有2.21043假如每个杆菌的重量为十亿分之一毫克,那么两天后,一个杆菌的后代总重量为2.21025吨,相当于3680个地球那么重。当然,由于各种条件的限制,微生物是不可以一直保持这各种繁殖速度的。人体掌握了微生物的这些特点,通过人工创造好的条件培养各种微生物,我们就能得到许多有用的产品。如喝的酒,吃的酱,及治病用的各种药物。

微生物有哪些特点

微生物也像动物、植物一样,具有生命,它可以由小长大,可以“生儿育女”,繁殖后代,也可以“吃”进食物,排出废物,它也会死亡。也就是说,生命体(无论动物、植物)所有特征它都具有,只不过是它的个子特别小,小到我们根本无法用肉眼看到它,只能借助显微镜才能看到它。

不过除了具备动植物的特点外,微生物还有一些自己的特点。

生长繁殖快

微生物是没有雌雄之分的,因此它们的繁殖方式也与众不同。比如细菌,就是靠自身分裂来繁衍后代的。只要条件适宜,20分钟就可以分裂一次,不到一个小时,就能“五世同堂”了。如果任其一直繁殖下去,只有在显微镜下才能看到的一个小小的微生物,不到两天时间,它的子孙后代聚集在一起就可以达到地球那么大了!

虽然这种呈几何级数的繁衍常常会受到环境、食物等各种条件的影响,实际上不可能实现,但这也足以使其他动植物们望尘莫及了。

应变能力强

微生物的另一个特征,就是善变,这种特性也让它们能在其它生物难以生存的环境中依然可以安居乐业。有些微生物在90℃高温的水中也能活动自如,有些微生物在稀酸水中也能正常生存。

在自然条件或人为因素的影响下,微生物的“儿子”还可以变得比“老子”有本事,并且这种本事还能遗传给后代。这种现象叫做变异,变异后的菌种就叫做变种。

在生产实践中,人们通常会利用各种条件迫使微生物发生变异,从而获得具有优良特性的变种。比如,可以让不耐高温的菌类改变旧习,适合高温环境,用以解决其在工业生产中的降温问题;毒性弱的微生物可通过变异使它的毒性增强,用来杀灭农业中的害虫。青霉素在刚刚投产时,菌种只能产生几十个单位的青霉素,而经过多次变异后的变种,它就可以生产出几万个单位,大大提高了抗菌素的生产水平。

利用微生物的变异特性不仅能提高产量、扩大品种,而且能提高产品的质量,简化繁杂的生产工艺。因此可以说,广泛采用微生物变种是一个极为有效的发展微生物生产的途径。

嗜好千差万别

微生物依靠什么食物为生呢?研究发现,微生物的口粮是各种含碳的物质,通常人们把凡是微生物能利用的含碳物质都称为碳原。

不同的微生物对碳原的要求也是千差万别,比如异养型放线菌对淀粉、纤维素、麦牙糖、葡萄糖、有机酸、蛋白质等许多有机物都很喜欢,而且口味很宽。而酵母菌最喜欢吃的是麦芽糖和葡萄糖,对淀粉则不屑一顾。还有的菌吃起石油来津津有味,有的菌却只食动植物的尸体。还有一些微生物需要依赖别的生物细胞提供现成的营养物质,它们被人们称为寄生菌。

在研究和利用微生物时,人们通过会根据微生物的嗜好不同,将各种营养物质按一定的比例配合起来,再加上水就成为培养基。好的培养基可以充分发挥生产菌的生物合成能力,从而达到最大的生产效果。

习性特别古怪

我们知道,氧气是维持动物、植物和人类生命必不可少的气体,但是微生物却十分古怪。有些微生物见了氧气就不能生活,甚至死亡,这类微生物被称为厌氧微生物,如破伤风杆菌就属这一类,伤口愈深,与空气隔离无氧,它就生长得愈好;而有些微生物则正好相反,它们就必须要在有氧气的环境下才能生活,这类微生物被人们称为好氧微生物,诸如一些产生抗菌素的微生物就属于此类。人们在利用它们生产抗菌素时,常常需要供给它们专用的空气,它们才能正常生长。

还有些微生物是介于厌氧微生物和好氧微生物之间的类型。在有氧的时候,它们能够生活,在无氧时也能生活,所以也被称为兼性微生物。平时我们家里蒸馒头用的发面“起子”,其中的酵母菌就属于兼生微生物。当发面时,将它揉入没有空气的面团里,只要温度适宜,它们就能在面团中生长繁殖,同时还产生二氧化碳,使面团中出现许多小空泡,这就使做出的馒头松软好吃。而在有氧气的情况下,酵母菌也能照样生长繁殖,比如酱油或醋放置时间过长时,在与空气接触的表面就会长出一层“白膜”,这就是酵母菌体形成的。当然,这种“白膜”会损害酱油、醋原有的风味,令其变味。

新知博览——微生物的顽强毅力

在漫长的进化历程中,微生物经受了各种复杂环境条件的影响和选择,结果使它们在抵御各种不良环境因素方面达到了生物界“冠军”的地位。

它们有极强的抗热性、抗寒性、抗盐性、抗干性、抗酸性、抗碱性、抗缺氧、抗压、抗辐射以及抗毒物等能力,例如:从美国黄石公园温泉中分离到的一株高温芽孢杆菌可在沸水(92~93℃)下生活,如把它培养在恒化器内升温至100℃还能生长;如果同时升高压力,则温度提高到105℃时还能生长。有些嗜冷菌可在-12℃生活。有些嗜酸菌,生活在PH0.9~4.5的环境中。还有些嗜压菌生活在海底10000米,水压高达1140个大气压处。

世界上最着名的咸水湖——死海,其含盐量虽高达23%~25%,还有许多细菌生活在其中,故从微生物学家的角度来看,死海根本不“死”。可见如此有顽强毅力的生物不愧为生物界的冠军。

无处不在的微生物

微生物虽然小,我们肉眼看不见,但它们却无时无刻不存在于我们的四周,空气、土壤、水等等,都有微生物的存在,就连我们的身体里、衣服上、皮肤上、手上,也有许多微生物存在。

土壤中的微生物

土壤具有各种微生物生长繁殖所需要的各种条件,因此,土壤也是微生物生活的最好场所。

首先,土壤中有丰富的有机质,可以为微生物提供碳源、氮源和能量;同时,土壤中还有丰富的无机矿物质,可以为微生物的生长提供矿物养料;土壤的良好持水性,还能保证微生物生长繁殖所需要的水分;土壤的多孔性,也使其中贮留了许多空气,可以满足好气性微生物的生长需求。

其次,土壤的酸碱度接近中性,渗透压在3~6大气压之间,这个条件与微生物生长繁殖所要求的非常相似;而且土壤中温度相对稳定,这些都能满足微生物生长繁殖的要求。因而,土壤事实上就是“微生物天然的培养基”。在土壤中,微生物的种类最多,数量也最大。据估测,通常每克肥土中就含有几亿至几十亿个微生物,即使贫瘠的土壤,每克中所含的微生物量也在几百万至几千万之多,其中既有非细胞形态的微生物,也有细胞形态的微生物及藻类、原生动物等。

土壤中的微生物以细菌最多,通常占土壤微生物总数量的70%~90%,主要是腐生性菌,还有少数是自养性的。细菌虽然小,但由于数量多,所以生物量也高。所谓生物量,就是指单位体积中活细胞的重量。据估计,土壤中细菌的生物量如果以每亩半尺深耕作层的土壤重15万千克计算,那么每亩土壤的这一深度内细菌的活重为90~230千克。以土壤有机质含量为3%计算,其中所含细菌的干重约为土壤有机质的1%左右,而占土壤重量的万分之三左右。而且由于它们个体小、数量大,与土壤接触的表面积特别大,因此也成为土壤中最大的生命活动面和最活跃的生活因素,时刻不停地与周围环境进行着物质交换。

土壤类型不同、深度不同,季节的不同,降水量的多寡,土壤反应,耕作制度等,都会对细菌的分布和活动产生影响。通常来说,富含有机质的黑钙士要比有机质缺乏的灰化土含有的细菌多得多,而且表层土中的数目和种类也都比深层土中多。尤其是硝化细菌、纤维分解菌和非共生固氮菌等,更是会随着土层深度的增加而急剧减少。

土壤中的有机质矿化以春秋两季最甚,因此菌数也会相应增加。土壤中含有的空气和水分是对立的,降雨量多,就会碍及通气,好氧性细菌的数量就会减少。土壤过酸或过碱,对很多细菌的生长都是不利的,而耕作则可以改善土壤中空气和水的状况,促进好氧性菌的活动,从而有利于有机质的分解。

放线菌在土壤中的数量也很大,仅次于细菌,每克土壤含有几百万到几千万的菌体和孢子,约占土壤中微生物总数的5%~30%。放线菌大多喜欢碱性富含有机质的温暖土壤中存活。

放线菌数量虽然不如细菌多,但由于其体积比细菌太大几十倍到几百倍,因此在土壤中的生物量也不低于细菌。通常来说,放线菌的耐干燥能力要比细菌强,能存在于干燥的土壤乃至沙漠中,随土壤深度的增加而减少的速度特比细菌慢。因此,深层土壤中放线菌往往比其他微生物要多。

土壤中还有真菌存在,主要分布于土壤的表层。由于它们喜酸性,因此在酸性森林土壤中含量更多。真菌的数量要比细菌和放线菌少,每克土壤只含几万至几十万个,但由于其菌丝很粗,个体体积要比细菌和放线菌大,所以它们的生物量也不少。土壤中的真菌主要有霉菌、酵母菌和担子菌等。这些真菌通常都有很强的分解能力,有不少真菌都能分解许多微生物所不能分解的纤维素、木质素等物质,从而有助于改善土壤的结构,提高土壤的肥力。

此外,土壤中还含有藻类和原生动物等。藻类具有光合色素,能通过光合作用增加土壤中的有机物;原生动物是土壤中异养的小动物,可以吞食各种有机物、藻类和菌类等,对土壤中的物质转化和在藻类、菌类数量调节方面起着重要作用。

水中的微生物

水是微生物天然生存的环境。由于水源、水质的不同,比如海水、江河水包括静水(如湖泊、池塘水)和流水(江河等),其中所含微生物的种类和数量也有很大差异。

通常来说,水中微生物的分布会根据水的理化条件和进入水中微生物数量的不同而有很大差异。在静水池中,微生物的数量比较多,而流水中则比较少;而池水和湖水中微生物的数量,则取决于水中有机质的含量,一般有机质越多,微生物的量也越大;地下水、井水和泉水中,由于经过很厚土层的过滤,含有营养物质少,因此微生物数量也比较少。

但是,不同地层的地下水中所含的微生物种类数量也不同。在含石油的地下水中,含有大量能分解碳氢化合物的细菌;在泉水中如果含铁,那么还经常会有铁细菌,含硫则可能发现硫细菌。海水由于特殊的盐分、低温、高压等情况,不利于微生物的存在,因此海水中的微生物数量就比淡水中的少,但海底由于有机沉积物多而含有许多微生物。

通常根据水中微生物的不同来源,可以将它们分为三类,分别是原生物生物群、来自土壤中的微生物和来源于污水中的微生物。

原生微生物群是天然和生活在水中的一群微生物,在水中和水底沉积物中具有较稳定的组成,在不同的水中都可以发现它们,因此属于是水中的“常驻人口”。

土壤中的微生物主要附着在土壤微粒上,由于各种作用,如风吹、雨淋等,被带入水中,但在水中也占有一席之地。

来源于污水的微生物,主要是由于工业污水和居民的生活用水不经处理就被直接排放到江河中,导致水质受到极大污染。在这些受到污染的水中,可能含有伤寒杆菌、志贺氏杆菌、霍乱弧菌等致病菌。人喝了这种水后,就可能会患上相应的疾病。

空气中的微生物

由于空气中缺乏营养,缺乏微生物生存的条件,因此空气中存在的微生物是暂时而有限的。尽管如此,空气中还是含有相当数量微生物的。

空气中的微生物主要来自于土壤中飞扬的灰尘、水面吹起的小液滴以及人与动物体表的干燥脱落物和呼吸所带出的排泄物等。这些有微生物吸附的尘埃和小液滴会随着气流在空气中传播。