第九章_微生物与生物地球化学循环

海洋中微生物的多样性与生物地球化学循环海洋占地表面积的71%以上，其中微生物是海洋生态系统中不可或缺的组成部分之一。

微生物包括细菌、古菌、病毒、真菌等种类众多的生物群落。

在海洋生态系统中，微生物的多样性高，数量大，功能复杂，对于维持海洋的生物地球化学循环和生态系统的平衡具有重要作用。

1. 微生物的多样性海洋生态系统中细菌和古菌所占生物多样性的比例非常大。

它们分解了海洋浮游有机物的一部分并转化为溶解态有机碳和营养盐，进而为海洋食物链的其他生物提供了营养物质。

海洋中的细菌和古菌的数量和种类都非常多，不同的生存环境中会有不同菌种的存在，例如深海区域会有嗜温菌、热泉有嗜热菌等。

此外，病毒是海洋微生物群落中非常重要的一部分，它们在细菌和古菌种群的控制中起着至关重要的作用。

2. 微生物在生物地球化学循环中的作用海洋生态系统中的微生物在生物地球化学循环中发挥着非常重要的作用。

其中最主要的就是海洋碳循环和氮循环。

(1) 碳循环海洋中的微生物通过分解细胞残骸和有机物，释放出大量的二氧化碳到海水中。

同时，微生物又可以通过光合作用的反作用把二氧化碳转化为有机物，提高海洋的碳同化能力。

除此之外，微生物还通过碳同化作用把细菌体内的有机物转化为溶解态有机碳，形成食物链下层的巨大碳库，其中大约有90%的有机质来自于微生物世界。

(2) 氮循环微生物在氮循环中扮演着非常重要的角色，包括硝化细菌、反硝化细菌、固氮细菌和蓝藻等。

其中，硝化细菌通过氨氧化、亚硝化反应，将氨作为底物氧化成为亚硝酸和硝酸盐，提高海洋的溶解态氮含量；反硝化细菌可以还原硝酸盐和亚硝酸盐为氮气和二氧化氮，同时还可以利用有机物质代替硝酸盐和亚硝酸盐进行反硝化作用；固氮细菌利用分子氮转化为氨，提高了海洋的氨含量，同时又为植物提供了氮源。

3. 微生物的生态适应性海洋中微生物群落生存所面临到的种种压力，例如高盐度、低温度、高压力以及不同的生境中存在的高热流、低热流等，为微生物的生态适应性进一步加强提供了可能。

微生物地球化学循环地球上的微生物是地球化学循环的重要参与者和调节者。

微生物通过其多样的代谢途径和生物地球化学过程，影响着地球上各种元素的循环和转化。

氮循环是地球上最重要的微生物地球化学循环之一。

氮是生物体生长所必需的元素之一，但大气中的氮气并不能被多数生物直接利用。

微生物在这个过程中发挥了重要作用。

首先，氮气通过固氮菌的作用转化为氨，然后进一步转化为硝酸盐和亚硝酸盐，最终被植物吸收利用。

同时，还有一部分氮化合物通过微生物的作用转化为氮气，回归到大气中。

这个过程中，微生物起到了媒介和催化剂的作用，促进了氮的循环。

除了氮循环，微生物还参与了碳循环。

碳循环是地球上最基本的地球化学循环之一，涉及到碳的吸收、释放、转化和储存。

微生物通过呼吸作用将有机碳分解为二氧化碳释放到大气中，同时还通过光合作用吸收二氧化碳转化为有机碳。

此外，微生物还可以将有机碳转化为甲烷气体释放到大气中。

微生物的代谢活动对碳循环的平衡和稳定起着重要作用。

除了氮循环和碳循环，微生物还参与了其他元素的循环，如硫循环、磷循环、铁循环等。

在硫循环中，微生物通过还原硫酸盐和硫酸酯的代谢，将硫还原为硫化物释放到环境中。

在磷循环中，微生物通过磷酸盐的降解和吸收，促进了磷的循环和转化。

在铁循环中，微生物通过铁的还原和氧化作用，参与了铁的循环和转化。

微生物地球化学循环不仅影响着地球上各种元素的循环和转化，还对环境和生态系统的稳定性和健康起着重要作用。

微生物通过调节元素的循环，影响了土壤的肥力和质量，影响了水体的富营养化和水质的净化，影响了大气中的气候变化和温室气体的排放。

微生物还通过分解有机物和降解污染物，起到了环境修复和污染治理的作用。

然而，微生物地球化学循环也容易受到人类活动的干扰和破坏。

例如，过度使用化肥和农药会导致氮和磷的过度富集，引发水体富营养化和蓝藻水华；过度排放温室气体会加剧气候变化和全球变暖。

因此，保护微生物地球化学循环的平衡和稳定，对于维护地球生态系统的健康和可持续发展至关重要。

微生物生物地球化学循环和应用生物地球化学循环是生态系统中的一个重要环节，它涉及到各种生物元素的循环和转化。

而微生物在这一过程中所扮演的角色不可忽视。

微生物以其广泛的代谢途径，对地球上的物质进行转化和再利用，对环境的稳定性具有重要作用。

同时，微生物也具有广泛的应用前景，如地下水资源的治理和利用、废弃物的处理等。

本文将对微生物在生物地球化学循环中的作用以及应用进行探讨。

一、微生物在生物地球化学循环中的作用1. 氮循环氮是生命活动所必需的一种元素。

在自然界中，氮以N2的形式存在于空气中，而微生物能够将其转化为肥料所需的氨、硝酸盐等形式，从而为植物的生长提供营养物质。

氮循环中的重要微生物有一些氮固定细菌（如根瘤菌、蓝藻等）、硝化菌和反硝化菌。

2. 硫循环硫是生物体内的重要元素之一，参与体内蛋白质、细胞膜等的成分。

在生态系统中，硫的主要形式是硫酸盐、硫化物等。

微生物能够将硫化物氧化成硫酸盐，从而释放出能量。

反之，还有一些微生物能够将硫酸盐还原成硫化物，以获得能量。

这一过程称为硫酸盐还原作用。

重要的硫循环微生物有硫矿化细菌、硝化细菌等。

3. 磷循环磷是植物体内的重要成分之一，对其生长发育至关重要。

在自然界中，磷以矿物的形式分布在各个环境中，如土壤、水体、岩石等。

微生物能够通过分解有机质等方式转化这些磷为植物可吸收的无机磷物质，从而促进植物的生长。

磷循环过程中的重要微生物有酸化细菌、菌根菌等。

二、微生物在环境治理和资源利用中的应用1. 地下水资源的治理地下水污染是当前环境问题面临的一大挑战。

而微生物在地下水处理中具有独特的优势。

以自然的生态系统中检测到的微生物为基础，制定不同的控制策略可以最大程度的去除污染物、恢复地下水环境。

例如，利用各种微生物菌株，可以将有毒有害的化合物如氯苯、苯酚等进行降解。

与传统地下水处理方法相比，微生物处理的成本更低、速度更快、对环境的破坏也更小。

2. 废物处理现在工业化进程的加速以及生活水平的不断提高，行业和生活废弃物的数量快速增长，废弃物处理问题迫在眉睫。

微生物地球化学循环微生物地球化学循环是指微生物在地球上参与各种物质的循环过程。

微生物是地球上最早出现的生物，它们可以通过代谢作用将大量的无机物质转化为有机物质，同时也可以将有机物质分解成无机物质。

微生物地球化学循环对地球上的物质循环起着重要的作用。

微生物在碳循环中起到了关键的作用。

微生物通过光合作用和呼吸作用，可以将大气中的二氧化碳转化为有机物质，并释放出氧气。

这些有机物质可以通过食物链传递到其他生物体内，最终又被微生物分解成二氧化碳释放到大气中。

微生物还可以通过分解有机物质释放出二氧化碳，促进碳循环的进行。

微生物在氮循环中也发挥着重要的作用。

氮是生物体内重要的组成成分，但大气中的氮气对大多数生物来说是无法利用的。

微生物通过固氮作用将大气中的氮气转化为氨，再通过反硝化作用将氨转化为亚硝酸盐和硝酸盐。

这些化合物可以被植物吸收利用，从而进入食物链，最终又被微生物分解成氮气释放到大气中。

微生物在氮循环中起到了媒介的作用，促进了氮的转化和利用。

微生物在硫循环中也扮演着重要角色。

硫是生物体内的重要元素，微生物通过硫酸还原作用将硫酸盐还原成硫化物，从而促进了硫循环的进行。

硫化物可以通过微生物的代谢被转化为硫酸盐，再被植物吸收利用。

微生物还可以通过氧化作用将硫化物转化为硫酸盐，从而使硫循环得以继续进行。

除了碳、氮和硫循环，微生物还参与了多种其他元素的循环过程。

例如，微生物在磷循环中通过磷酸化作用将无机磷转化为有机磷，从而促进了磷的循环。

微生物还参与了铁、锰、钾、钙等元素的循环过程。

这些元素对生物体的生长和发育具有重要的影响，微生物地球化学循环对维持地球上生态系统的稳定起着至关重要的作用。

微生物地球化学循环是地球上各种物质循环的重要过程。

微生物通过代谢作用将大量的无机物质转化为有机物质，促进了碳、氮、硫等元素的循环。

微生物还参与了多种其他元素的循环过程，维持了地球上生态系统的稳定。

微生物地球化学循环的研究对于深入了解地球生物地球化学过程具有重要意义，也对于环境保护和生态恢复具有指导作用。

微生物与生物地球化学循环的关系地球生命史上的许多重要事件，如氧化事件、碳循环和硫循环的演化，都需要微生物的存在。

微生物通过生物地球化学循环，调节着全球大气、水体、陆地的物质转化，维持着地球能量和物质的平衡。

本文将通过探讨微生物的角色和作用来深入掌握微生物与生物地球化学循环的关系。

一、微生物的分类和生态功能微生物包括细菌、真菌、病毒和原生生物等，它们按照外形、生理、生态等方面被分类。

细菌是普遍存在于自然界的单细胞微生物，与矿物、植物、动物等都紧密联系在一起。

真菌在地球生态系统中起着重要的分解者和生物质转化作用。

微生物不仅是各种生态系统中的消费者和分解者，而且具有重要的生态功能，如生产、修复、污染控制和矿物转化等。

二、微生物与碳循环的关系碳是世界上最常见的元素，它在自然界中以多种化学形式存在。

微生物通过各种代谢途径参与了碳的氧化、还原和转化过程。

微生物在碳循环中有着不可替代的作用：细菌和真菌在土壤中参与有机碳的分解和循环；海洋中的浮游细菌、蓝细菌和红色放线菌等也参与着海洋碳循环，促进了沉积和海带的生物质的分解；病毒从一个宿主细胞到另一个宿主细胞传播，参与碳循环、规模化生长、退化和有机碳循环。

三、微生物与氮循环的关系氮元素在细胞组成和蛋白质合成中发挥着重要的作用。

微生物在氮循环中扮演关键角色，影响着大气、水体和陆地生态系统的氮循环。

细菌和真菌在土壤中的氮循环过程中，参与着氨化作用、硝化作用、反硝化作用和氮素在生态系统中的转移和消耗等过程；海洋中的浮游细菌、蓝细菌等参与着海洋氮循环，并促进氮素摄取和正向氮素通量；有些病毒通过宿主细胞或质体传播氮素，参与着氮循环过程。

四、微生物与硫循环的关系硫元素在地球生态系统中发挥着重要作用，通过硫循环促进了大气、水体、陆地中的能量和物质转化。

微生物在硫循环过程中扮演着重要角色：细菌、真菌、红色放线菌等在土壤中参与着硫化和酸化过程，加速硫化物和硫酸盐等的分解；海洋中的浮游细菌、蓝细菌等参与着海洋硫循环，促进硫酸盐的形成和分解；病毒通过宿主细胞和细胞质贝传播硫元素，加速硫循环的过程。

第九章 微生物在生物地球化学循环和污染物转化中的作用 自然界的物质环包括天然物质和污染物质的循环。

在这一过程中有物理、 化学及生物作用，其中生物作用起主导作用。

可归纳为两个方面：①有机物质的无机质化，即矿化（异化生物分解作用）；②无机物的有机质化，即同化（生物合成作用）。

两者即对立，双统一构成了自然界的物质循环（生物地球化学循环）。

微生物在 生物作用特别是有机物质矿化过程中有重要作用。

本章就微生物参与自然界C 、N 、S 、P 等重要元素的转化循环进行讲授。

第一节 碳循环一、自然界中碳素循环过程碳循环是自然界最基本的物质循环。

包括两个方面：①无机碳（CO 2）变成有机碳的碳同化作用；②有机碳变为无机碳的碳异化作用。

1．微生物参与的碳素同化作用：①藻类和蓝细菌进行的产氧型光合作用，②红螺菌等光合细菌的不产氧光合作用，③化能自养菌同化CO 2的作用，④甲烷菌同化CO 2产生CH 4的作用。

但绿色植物才是自然界最重要的初级生产者。

2．微生物参与的碳素异化作用：这是微生物最重要的作用。

CO 2是植物和藻类的唯一碳源，大气中CO 2含量为0.032%，约6000亿吨，全球植物每年消耗600—700亿吨，若设有补充，10年就可耗尽。

大部分CO 2来源于微生物分解有机物质（石油、煤的燃烧和我、动物的呼吸分别占10%左右）。

见下图：自然界的碳循环可见，微生物的碳素异化作用具有重要的生态学意义和环境效应（温室效应）。

二、（微生物对）含碳有机物的转化（分解）1．一般途径主要包括复杂有机物的胞外酶解、简单有机物的有氧分解和厌氧分解（发酵）过程。

可概括为如下图式：复杂有机物（脂肪 蛋白质 纤维素等多糖） ①胞处水解：水解 胞外酶-------------------------------------------------------------------------------------------------------- ②胞内分解：分解 胞内酶好氧 发酵（无氧）2．纤维素的转化纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，分子式(C 6H 10O)1400—10000，由于来源中间代谢物（CO 2、有机酸等） 含碳有机物分解的一般途径不同，纤维素分子含1400—10000个葡萄糖基，分子量介于50000—40000之间，它们以β—1.4糖苷键联结成长链。