池塘、牧场或者潮水坑都是生态系统的实例。每一个生态系统都包含有多细胞植物和动物，微小的无脊椎动物，微生物，像土壤、水、石头和空气这样无生命物体组成的互作网络。细菌通过与别的微生物以及由液体或固体表面构成的直接微观环境之间相互作用，参与生态系统的运转。

在液体中，细菌需要与带正电或负电、溶解或者悬浮于微环境中的物质相抗衡。有的细胞开启了趋化机制，游向有利环境，或者远离有害的环境。其他细菌漂浮在环境中，吸收它们遇到的任何营养物质；或者被冲到多个菌种混居的群落里，并在那儿安营扎寨。

在富含有机质的液体环境中，细菌聚集形成薄薄的被膜，覆盖在液体表面。处在这个位置上，细胞可以从空气里摄取氧，也可以从下方吸收营养物质。表面被膜上的细菌必须调节气液界面上的表面张力，以稳定被膜的结构，尽量不让其瓦解。

有的细菌，比如说假单胞菌，分泌出表面活性剂来帮助调节表面张力。这些类似于洗涤剂的物质，让落在被膜上的疏水化合物变得容易和水混合，这为被膜提供了潜在的新营养源。表面活性剂也帮助营养物质进入微生物细胞，因此就有利于细胞停留在脆弱的表面被膜上。对土壤中附着在根表面的细菌，表面活性剂也起到类似的作用。

土壤细菌生活的微环境主要由硅组成，硅是地球上含量最丰富的元素。土壤里也含有大量的铝、铁、钙、钠、钾和镁。这些元素大多都以带正电荷的形式出现，这种形式会影响细胞对土壤颗粒的附着。有时候，细菌生活在附着在无机颗粒上的菌落里，但是其他的例子里，它们却居住在潮湿的微孔中，微孔大小从几微米到几毫米不等。这些细小的微环境，通常是营养物质循环的起始之地，营养物质的循环会从地球、大气、海洋直至贯穿每一个生命。

所有已知的营养物质循环中，硫循环所经历的化学变化最多。当二氧化硫经火山活动被释放出时，硫以这种形式进入大气，含硫温泉也属于火山活动。化石燃料的燃烧也会释放大量的二氧化硫进入大气。地球上的硫绝大部分都储存在地核里，生物物质中含量较少。地壳里含有将近2×1016吨硫；陆地和海洋的生物物质保存了大约1×1010吨硫。

两组因所含色素的种类而被别称为绿色硫细菌和紫色硫细菌的细菌，能把硫元素转化为硫酸盐化合物。硫元素—这是纯粹的硫，没有掺入其他任何元素—是固态的，附着于土壤颗粒及细菌细胞的表面。黄色的硫颗粒覆在这些细菌上，这些细菌分泌酶，把硫颗粒转换成溶解性更好的硫酸盐化合物。然后硫酸盐就可供多种土壤微生物利用。

死水潭或者沼泽，会散发出臭鸡蛋味，这是硫化氢的特征，说明地面下有活跃的硫循环。因为这种循环依赖于厌氧菌，所以它出现在缺乏氧气的沉积物中和水底。如果把一盏灯放入沼泽深处并打开它，硫细菌就会呈现出绿色和粉紫色。

除了研究氮细菌和硫细菌，维诺格拉茨基还仔细观察了能通过氧化或者还原铁而产生能量的细菌。铁循环发生在从沼泽和池塘这样缓慢流动的水体排出的水中，这其中涉及到元素化学形式的不断变化，这些变化是通过释放或者接收其他原子的电子而实现的。疑似富含铁的土壤里，土壤颜色呈橙色至淡红色，指示此处主要发生氧化反应（释放电子），而非还原反应（接收电子）。一般有3种细菌来进行氧化作用，它们是在酸性条件下工作的氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillusferrooxidans），喜欢中性环境的嘉利翁氏菌（Gallionella），以及在酸性和高温环境下生长情况最好的硫化叶菌（Sulfolobus)。微生物学家在含有来自采矿作业废水的区域发现了氧化亚铁硫杆菌，而硫化叶菌出现在含硫温泉里。富含铁的土壤，若呈现深绿色或者黑色，那么其主要进行还原反应而不是氧化反应。厌氧的地杆菌化;eohacter）、脱硫单胞菌(Desulfrimmonas）和高铁杆菌（Ferribacterium）都进行这种反应。

维诺格拉茨基的遗产保存在了一个简单的实验里，这个实验把所有这些代谢作用都汇集在一起，并模拟了自然环境下的细菌活动。“维诺格拉茨基柱”是个高高的圆柱或者罐子，装满了来自池塘、湖泊或者海滩里的湿乎乎的泥巴，用水封顶。业余科学家给其中加入报纸碎片（作为碳源）和蛋黄（硫），然后把这个玻璃器皿放到光照充足的地方。6周之后，来自泥巴的细菌分层定居，这种分层是根据氧气的浓度界定的，无氧的泥巴在下面，而富含空气的水层在上面。细菌数目一开始较低，但是柱子里出现不同颜色条纹的时候，就说明菌群已经长得很密集了。颜色提供了柱子里细菌组成的线索：

．蓝绿色的蓝细菌在顶部接收阳光

．利用硫化物的细菌贝氏硫菌（Beggiatoa）和硫杆菌（Thiobacillus）处在淡棕色的层带上。

．能进行光合作用的红螺菌（Rhodospirillum）处在较大而富含营养的赤褐色层带上。

．红色的着色菌（Chromatium）处在低氧的层带上，利用漏下来的光进行光合作用。

．绿色的绿菌（Chlorobium）吸收泥巴里产生的硫化氢气体。

．棕色的无氧的泥巴充满了产生硫化氢的脱硫弧菌（Desulfovibrio）和分解纤维素（报纸）的梭菌。

还原铁的细菌如果出现，就会生活在柱子底部无氧的沉积物里，而氧化铁的细菌会在沉积物的上面形成锈红色的区带。

在单个玻璃容器里，可以看到细菌在自然环境下的真实活动。维诺格拉茨基柱也创建了一个简化的关于进化的微观世界：在无氧环境下，厌氧活动开启了生命，然后发展出光合作用和呼吸氧的生物。

维诺格拉茨基柱里的新陈代谢，能进行数月至数年甚至几十年。微生物学家如今已经开发出了改良柱，用以加强某种特定类型的新陈代谢。比如说，装有来自含铁沼泽或含铁泉眼里沉积物的柱子，铁的新陈代谢要比标准的维诺格拉茨基柱更活跃。