拜耶林克和维诺格拉茨基做出了关键的抉择：研究细菌的混合种群，它们在自然环境里就是混居的。借此，他们帮助界定了生态系统的概念。维诺格拉茨基柱中包含了细菌之间诸多的相互依存关系，然而这只是更大的自然生态系统中一个简单的例子。

一个正常运行的生态系统不会保持静止，而是以一种被称为演替（succession）的过程进化。被大规模砍伐森林的土地是最显而易见的演替的例子。当蓝细菌开始大量生长的时候，新的生命占据了光秃秃的土地。有些蓝细菌和新进入环境的真菌合作，形成地衣，开始来覆盖营养贫疮的土地。

苔藓随之而来，接下来是小型植物。几个月后，灌木这样较高等的植物也安定了下来。再过上几年，小型树种，以及越来越大、生存期越来越长的树种也扎根生长。伴随着这种演替的过程，有的物种消失，而新的更复杂的物种出现。微观的生态系统里也有类似的演替。

细菌进入一个原始生境的时候，可能营养物质非常丰富，竞争很少。（自然界里没有完全的原始生境，但是一些像洪水和大火这样的自然事件能够创建生境，这样的生境已经失去了其中多种生物，对于其他生物的再定殖则条件成熟。）最初在生境中定殖的细菌通常是一开始就数目最多的微生物，或者是比其他微生物生长迅速的微生物。同样重要的是，这些细菌已经适应了环境状况。它们会根据自己特定的新陈代谢类型来改变生境。有的细菌改变pH，有的把氧都清除掉，还有些排出简单的有机化合物。

改变的环境条件可能更有利于其他细菌，而胜过对于原有的菌种。比如说，一种产酸的细菌最终因为酸的累积而受到了抑制。但是另一种使用有机酸作为碳源的菌种，会把这个生境视作营养丰富、适合定殖的地方。罕见的情形是，最初的定殖者改造环境很彻底，以至于其他生物都无法在此存活。比如说，接触矿山污水的地区，当氧化亚铁硫杆菌（T.ferrooxidans）在那里生长并产生作为铁硫化合物二硫化铁副产品的硫酸时，这一地区的酸度会越来越高。一个由多种生物构成的生态系统无法在这样的环境下发展，于是这个地区就变为了极端环境，只有热爱酸的极端微生物才能生存。

在健康的生态系统的发展过程中，细菌是食物链的基础。尔后是越来越复杂的生物逐渐定居。在健康的生态系统里，新的食物链发展出多种联系，不同的生物之间既有横向的连结，同时也有纵向的连结，也就是说，形成了食物网络。

生态系统越复杂，越能经受住环境的变化。简单生态系统中的食物链数目稀少，所有的成员都依赖相对少许的物种。要是一两个物种消失了，整个生态系统就崩溃了。相比之下，拥有多条替代性能量与营养分配途径的复杂生态系统，具有多能性，并能进行调节以适应变化。丰富的生物多样性有益于所有的生物，而这种生物多样性也会延伸至微观生命。

生态系统具有调控其所包含物种数量和种类的固有能力。有两种调控过程在运行：自下而上的（bottom-up）和自上而下的(top-down)。自下而上的调控把微生物作为决定生态系统健康程度的首要因素。如果细菌开始消失，这个生态系统食物链的基础也就消失了。自上而下的生态系统调控理论认为，食肉动物控制着一个生态系统的健康。通过调节猎物的数量，一个生态系统内部的每一种成员都可以防止另一种成员数量激增。大自然很少墨守成规，总会因地制宜，所以生态系统经常会同时应用这两种调控机制。

任何生态系统中，生物都依靠反馈来帮助调节自身的活动。最容易理解的反馈机制就是食物供应：人饱足的时候，就停止进食了（希望如此）。细菌对环境有高度的适应，它们不断地对当前环境进行分析，并利用反馈系统做出回应。例如，在饥饿的条件下，芽孢杆菌变成内生孢子，而赫细菌产生子实体。而当生态系统经受剧变，那时候，即便是反馈也不足以拯救系统里的所有成员。

微生物的水华（bloom）是生态系统失去平衡的实例。水华是因微生物的快速过度增长而使环境发生剧烈改变，以至于不利于其他物种生存的现象。水华是由于水生藻类、原生动物或者细菌数目的激增而形成的。大多数细菌水华都是由蓝细菌和紫色的硫代谢细菌形成的，但是细菌在藻类的水华中也起到了一定作用。当淡水或者海水环境里突然涌入大量氮和／或磷的时候，蓝细菌和藻类会形成水华。来自农田的携带有化肥或者粪肥的径流，是水华的主要成因。氮和磷冲入通常只含有较低含量这些营养物质的水体中。营养物质的突然极大丰富引起了微生物同样的爆增。随着微生物的菌群越来越浓密，细胞向水中释放氧气和以死亡细胞为形式的营养物质。异养细菌（利用糖、纤维、氨基酸和脂肪的细菌）开始餐臀无度，而它们形成了二次水华。

二次水华中的细菌不是光合细菌，所以它们不会制造氧气。相反，迅速增长的异养生物耗光了它们周围水中的氧。无氧的环境很快就让其他生命消失；鱼类，甲壳动物，还有小型无脊椎动物，它们都会窒息而死。营养物质的涌入引发的生态系统失衡，被称为富营养化（eutrophication）。蓝细菌鱼腥藻和念珠藻是水华的两种常见成因。

如今，每年在世界各地沿海区域和特定河流里发生的蓝细菌水华，不仅危害水生生物，更是威胁人类健康，罪魁祸首是蓝藻毒素。蓝藻毒素是蓝细菌释放的毒素，细菌消退后仍然留存在水域里。1993年，巴西发生了一场严重的蓝藻毒素污染。50名在医院进行透析的病人死亡，因为他们治疗所用的水源被来自蓝细菌微囊藻(Microcystis）的微囊藻毒素所污染。（水处理技术已经发展到可以清除致病菌，但是其在清除抗生素、激素、化学物质和毒素时，技术依然薄弱。）
当紫色的硫代谢细菌着色菌（Chromatium)、荚硫菌（Thiocapsa）或者硫螺旋菌（Thiospirillum）生长失控时，就会发生厌氧菌引起的水华。这些水华通常在泥塘或渴湖这些氧耗竭的水域中产生，水面上呈现出明显的粉紫色光泽。

当季节变化和光照时间缩短时，许多水华会自生自灭。但从世界范围来看，有些地方每年都会发生一次蓝细菌水华。难以对付的水华每年都会来光顾五大湖、美国西部、太平洋的多个岛屿，以及欧洲的河流湖泊。

湖泊水华也可以来源于生长在黑暗之地的厌氧的紫色细菌。带有深层湖底沉积物的养料丰富的湖泊，会产生大量厌氧菌菌群，这些厌氧菌菌群供养着正好位于沉积层上方的着色菌和绿菌菌落。这两个菌种拥有异乎寻常的能力，可以捕捉穿过透光层漏进湖底的阳光。随着厌氧菌的增殖，它们能让湖泊中的环境变得不适于其他生物生存。

20世纪70年代西班牙的Ciso湖（LakeCiso）成为研究的课题，因为这个湖里有一种由硫代谢细菌形成的厌氧菌水华。沉积物释放出大量的硫化氢，以至于湖水里全是这种气体，形成了厌氧湖泊的罕见类型。这时，富含硫酸盐的水流进了Ciso湖的底部，而富含细菌的水也从上层流了下来。其他大多数的厌氧湖，上层会有蓝细菌层，下面接着就是着色菌层，着色菌层位于更黑暗的、富含硫的水的上部。这种生态系统不适合鱼类和其他动物生存。