微生物生态学这个领域，着眼于微生物在整个自然界中所扮演的角色。微生物生态学家既研究只有若干菌种的微小生境中的细菌，也研究涉及大陆和海洋元素循环的全球系统中的细菌。这样的全球系统被称为生物地球化学循环或营养循环，它们可以使碳、氮、磷、硫还有金属元素为人类及其他生物所利用。现在，微生物生态学还包括旨在扭转全球变暖、污染和生物多样性丧失状况的各项技术。

微生物生态学家不断揭示出新的地球一人类一细菌之间的相互关系。尽管有益细菌在环境中的地位举足轻重，但与食品微生物学及医学微生物学相比，微生物生态学还是一门新兴的科学。

在微生物学的黄金时代，与疾病作战，比去查明一团泥污中长了些什么，更能激发微生物学家的灵感。约瑟夫•李斯特(Jose油Lister）在外科手术操作中引入了无菌技术，爱德华•詹纳（EdwardJenner）开发出了天花疫苗，而弗洛伦斯•南丁格尔(FlorenceNightingale）提倡卫生习惯以预防感染。看起来似乎是这样：只有死细菌才是好细菌。

黄金时代的晚期，植物学家马丁乌斯•拜耶林克（MartinusBeijerinck）和谢尔盖•维诺格拉茨基（SergeiWinogradsky）通过研究土壤和水中的有益细菌，走上了这少有人行的路。在荷兰，拜耶林克研究了植物和细菌之间的共生关系。来自俄国的维诺格拉茨基探索了土壤和水中的细菌代谢。

拜耶林克出生于1851年，作为一个种植烟草的农民的儿子，在简朴的家境中长大。在完成植物学和农学的学习之后，他成为荷兰第一个研究工业微生物学的实验室的负责人。负责这个实验室的时候，拜耶林克研究了让烟草染病的感染性病毒，也研究了和豆科植物有关的代谢氮的细菌。

1888年，拜耶林克发现了生活在蚕豆属和山薰豆属（黄豌豆）植物根部的小瘤块或结节中的细菌。为了从根瘤上分离出这些细菌，并在实验室里培养，拜耶林克进行了艰苦的工作。他费了很大工夫，配制出营养混合物，帮助根瘤菌的生长，同时抑制土壤里上千种的其他细菌。这就是被称为富集培养基的方法，它至今仍是环境微生物学中的一个关键部分。拜耶林克用了好几年，把这些细菌［后来被命名为根瘤菌属（Rhizobium)］的代谢和其在自然界里的作用，连缀到了一起。

马丁乌斯•拜耶林克的发现，目前已经知道是地球氮循环中的关键一步：根瘤菌从空气中收集氮，这个过程称为固氮作用，并把氮元素转化为豆科植物（豌豆、大豆、花生和苜蓿）可以利用的形式。这些植物把氮整合进蛋白质、核酸和维生素，然后就可被多种动物吸收利用，为动物提供营养。根瘤菌一豆科植物的联合体现了共生关系，在这种关系中两种不相关的生物体紧密地生存在一起。既然如此，这种共生就被命名为互惠共生，因为两种生物彼此合作，互有助益。植物根部给予细菌一个安全的港湾，而根瘤菌为植物提供了其所必需的营养。并不是所有的共生作用都像互惠共生这样可以相互受益：

．偏利共生—一种生物获益，而另一方既未得益，也未受害。

．偏害共生—一种生物通过对另一方施加有害作用而获益。

．寄生—一种生物生存于宿主的身上或体内，以损害宿主的健康作为代价而获益。

拜耶林克也研究了土壤细菌的硫循环。拜耶林克设计出了培养对营养苛求的硫酸盐还原菌的多种方法，这是一项其他微生物学家曾认为难度太大，甚至不可能完成的伟绩。

维诺格拉茨基，比拜耶林克晚5年出生，接受的是富家子弟的教育。年轻的维诺格拉茨基发现希腊文和拉丁文课程“不仅乏味、令人生厌，还让人身体和精神都很郁闷”。随着他年纪渐长，他先是学过法律，接着是音乐，但这两个专业都没能激起他的兴趣，之后他转向了自然科学。1885年，维诺格拉茨基在斯特拉斯堡大学（UniversityofStrasbourg）谋得一个植物学的职位，立即开始研究使用硫的细菌贝氏硫细菌（Beggiatoa)，这种细菌会在微生物席（microbialmat）里的光亮层和黑暗层之间来回穿梭。

路易•巴斯德邀请维诺格拉茨基来巴黎著名的巴斯德研究所工作，但这位俄国人谢绝了，他更想回到自己的祖国，在那里发展微生物学的专长。第一次世界大战中断了绝大多数专业的进步。

维诺格拉茨基在贝尔格莱德大学（UniversityofBelgrade）找到了工作，那所大学没有科学实验室，甚至连图书馆都没有，但是，这至少能让他的家人稍感安心。他把所能得到的唯一一本期刊读得滚瓜烂熟，就是《CentralblattdurBakteriolge)（细菌学核心期刊），从而跟上了欧洲的细菌学研究。当时很少有微生物学家对自然环境里的细菌进行深入考察。他一头扎进了他最了解的贝氏硫细菌的研究中，探查微生物用铁化合物获取能量的现象。巴斯德研究所又来邀请维诺格拉茨基，这次他接受了，也许是被巴黎经费充裕和设备齐全的实验室所吸引。

纵览维诺格拉茨基的职业生涯，除了贝氏硫细菌，还有至少8个新菌种都是他发现的：可形成内生孢子的巴斯德梭菌(Clostridiumpasterianum)；能滑行，栖生于淡水湖、河口与海洋，可消化纤维素的噬纤维菌（Cytophaga）；以及代谢氮的亚硝化球菌（Nitrosococcus）、亚硝化囊菌（Nitrosocystis）、亚硝化单胞菌（Nitrosomonas）、亚硝化螺菌（Nitrosospira）和硝化杆菌(Nitrobacter)。上述5种利用氮的细菌不同于拜耶林克发现的那些：这些细菌单独生活在土壤里，并且在氮循环过程中完成和根瘤菌相互独立、互不相关的步骤。

和拜耶林克一样，维诺格拉茨基研究了硫细菌，成为第一位从土壤中分离出硫氧化细菌纯培养的微生物学家。这些微生物把硫元素转变为可用的无机形式，然后接着，拜耶林克发现的细菌可进一步将其转变为可供高等生物利用的分子。维诺格拉茨基在微生物学上多才多艺，他也是第一位研究水生境中生物膜的细菌学家，同时还激发起了微生物学同行们对生活在深水沉积物中铁代谢细菌的兴趣。

维诺格拉茨基坚持著述微生物生态学直至90岁。他的女儿海伦（Helen）也到研究所参加了他的工作，并且在他于97岁过世之后，继续进行他对氮利用细菌的研究工作。