第四章成巖階段有機質的微生物分解和演變

1、第四章第四章 成巖階段有機質的成巖階段有機質的 微生物分解和演變微生物分解和演變一、微生物的作用一、微生物的作用二、腐殖質的組成、結構及性質二、腐殖質的組成、結構及性質三、縮合作用三、縮合作用腐殖質的形成腐殖質的形成四、腐殖質的演化及成巖階段產物四、腐殖質的演化及成巖階段產物 上覆壓力不大，溫度不高(低于50-60)，富含孔隙水，無機礦物與有機質混雜，底棲生物尤其是微生物活躍，組成了復雜的體系。 它們與新的埋藏環(huán)境不相適應，將在內部發(fā)生一系列生物化學、物理化學作用，改變沉積物的原始性質，以達到新的穩(wěn)定和平衡。1、無機礦物經受了壓實、定向、礦物轉化、重結晶作用等固結成巖。2、湖沼中堆積的大量高等

2、植物殘體經過泥炭階段形成了褐煤。3、沉積物中分散有機質，在早期低溫低壓下不足以發(fā)生普遍的化學反應，而以作用為主。 大部分原始有機質被微生物分解和選擇性吸收，剩余的組分和參與的微生物殘體一起，經還原、縮聚等作用形成了腐植質和干酪根。 地球上生物可分為三大類動物、植物和原生生物。 原生生物即普通所指的微生物任何顯微尺度顯微尺度的生物。 原生生物原核生物和真核生物， 原核生物包括和藍細菌(藍藻)； 真核生物包括原生動物、藻、粘菌。 原核是沒有核膜、核仁等結構的染色質體。 真核是有核膜、核仁、染色體等結構。 對地質體內有機質進行改造的主要是以腐生為主的和。只有異養(yǎng)腐生的細菌和真菌，它們以有機質為養(yǎng)料，

3、并使部分有機物礦質化，以便重新被光合生物所利用。這類微生物在有機質的改造和在有機碳的生物-地化循環(huán)中，起了十分重要的作用。 按照細菌生活的環(huán)境，可將其分為(好氣性細菌)和(嫌氣性細菌)。 必須在有氧環(huán)境里生活。在有氧情況下它們將葡萄分解為二氧化碳和水，釋放出大量能量，這一過程稱有氧呼吸。 只能生活在缺氧環(huán)境下，如甲烷菌、硫酸鹽還原菌等。它們可利用葡萄糖中的結合氧，將其分解為二氧化碳和其它代謝產物，釋放出少量能量。這一過程稱為發(fā)酵或無氧呼吸。 有許多細菌是兼性的，可在不同環(huán)境下采用不同的呼吸方式。從生物進化上說，最早出現(xiàn)是厭氧細菌，以后才有光合細菌和喜氧細菌。 微生物體積小，細胞能與環(huán)境直接接觸

4、，有利于細胞吸收大量營養(yǎng)物質和排除廢物，因而代謝作用迅速、活動力強； 微生物生殖率大、世代時間短，能在短時間內繁殖大量的群體，有利于適應變化劇烈的新環(huán)境，能在環(huán)境相差極大的空間中生長和繁殖。 微生物生存條件： 溫度可以從-10到105 壓力高達1000atm 介質pH值可從1到11，最適宜的pH值范圍是6.5到8。 細菌可以在淡水和高飽和鹽溶液中大量繁殖。 在一些極端環(huán)境，如火山熱泉、冰凍極區(qū)、酸性熱泉、高鹽湖中都有細菌存在。微生物生長最重要的限制因子是營養(yǎng)物質。只在有大量有機物質存在，這種或那種群落的微生物就會大量生、繁殖。 土壤是微生物生存的基地，是最適合它們生長、繁殖的棲所。微生物分布：

5、 土壤表層，無論在數(shù)量上和種類上都比深層土內多。 在水體及水底淤泥和沉積物中，也大量分布著多種微生物。 分布于水表層和上層大都是好氣型微生物。 而在深水或滯水水底、水底細粒沉積物中大都是嫌氣型生物。 在沉積物上部幾十米范圍內微生物活動十分活躍，但隨深度增加其數(shù)量急劇減少，而且可以由好氣性細菌活動為主轉變?yōu)橄託庑约毦顒訛橹鳌Ｉ疃?cm)嫌氣型細菌好氣型細菌嫌氣/好氣031 160 00074 000 0001:644614 000314 0001:2114168 90056 0001:624263 10010 4001:344465 70028 1001:566682 3004 2001:2加

6、利福尼亞洲圣地亞哥灣近代沉積中細菌數(shù)量 微生物的代謝途徑十分錯綜復雜，但從方向上分兩大類： 分解途徑分子結構由大變小被簡單化吸收利用營養(yǎng)物質 合成途徑分子結構由小變大被復雜化生成新的細胞物質 有機化合物是異養(yǎng)微生物的主要碳源和能源 細菌、真菌等通過細胞表面以吸收營養(yǎng)物質，故營養(yǎng)物質必須是小分子溶質才能透過細胞質膜而進入細胞。自然界和沉積物中的各種有機化合物都可被不同類型的異養(yǎng)微生物利用作為營養(yǎng)物質，但大部分大分子化合物必須由胞外酶分解成小分子化合物后，才能跨膜運輸，被微生物細胞所吸收。有機有機大分子大分子有機有機小分子小分子微生物微生物吸收吸收胞外酶分解跨膜運輸細胞膜 不同的微生物分泌不同的胞

7、外酶，可分解利用不同的有機物。 一些簡單的作為微生物主要碳源和能源的化合物，如葡萄糖、果糖等幾乎所有微生物都能利用。而纖維素、半纖維素、甲殼素、果膠質、木質素、芳香化合物、無機化合物等只能為具?；饷傅膶；⑸锼谩?小分子化合物經過細胞膜進入細胞后，還要由酶來降解中間產物再合成多種氨基酸、核苷酸、脂肪酸和糖類等進而合成蛋白質、核酸、類脂和多糖等。有機營有機營養(yǎng)物質養(yǎng)物質新的微生物新的微生物細胞物質細胞物質一系列復雜的生化轉變在生物圈-有機圈中，微生物是無處不在、無所不能。 根據(jù)異養(yǎng)假說，。 在生態(tài)系統(tǒng)中，。 。 對生物元素地化循環(huán)貢獻：。 改造、代謝有機質。 參與（或促進）形成。從起源

8、意義上說，沒有微生物就沒有生命和生命的進化。從起源意義上說，沒有微生物就沒有生命和生命的進化。在動物、植物、微生物在動物、植物、微生物“三足鼎立三足鼎立”的生態(tài)系統(tǒng)中，異養(yǎng)的生態(tài)系統(tǒng)中，異養(yǎng)微生物是必不可少的成員微生物是必不可少的成員分解者分解者與的區(qū)別在于： a. 有氧呼吸有氧參加，最終使有機質徹底氧化成CO2和H2O。也就是它既大量消耗有機質，又大量消耗氧。前者對有機質沉積、保存有害；后者造成無氧還原環(huán)境，對其它有機質沉積保存有利。 而發(fā)酵和無氧呼吸沒有氧參與，分解主要產物仍是有機物。特別是發(fā)酵作用可以說主要是改造有機質，而不是消耗有機質。故還原環(huán)境及在其中進行的發(fā)酵作用有利于有機質的沉積

9、和保存。 b. 有氧呼吸比發(fā)酵效率約高10倍。 c. 在氧化環(huán)境下幾乎所有有機質都能降解。在還原環(huán)境的發(fā)酵作用只能部分被發(fā)酵氧化。 氮素的循環(huán)：氮是生物蛋白質、核酸、酶的重要元素成分。雖然分子態(tài)氮(N2)是豐富的，約占地球大氣成分約80%，但在化學性質上是惰性的，不能為大多數(shù)生物直接利用。它們需要的是化合態(tài)氮源硝酸、亞硝酸、氨等，而這些在土壤和水中都是比較貧乏的，常成為生物生長發(fā)育的限制因子。將分子態(tài)氮轉化成化合態(tài)氮的固氮作用是氮素循環(huán)的關鍵環(huán)節(jié)。細菌是完成這一過程的最主要生物類群。90%以上的固氮作用由細菌代謝完成。最重要的非共生固氮作用者是蘭細菌。生物殘體的蛋白質和核酸經微生物分解形成氨，

10、氨經?；脷饧毦趸蓙喯跛?，亞硝酸再氧化成硝酸。硝酸鹽是供植物利用的主要有效含氮物質，氨轉化成硝酸的作用稱硝化作用。另一類?；毦墒瓜跛徇€原成氮氣(稱反硝化作用 ) 又返回大氣。實線氮原子的氧化作用虛線氮原子的還原作用硫素循環(huán)硫素循環(huán)：硫酸鹽是水中普遍存在的礦物質。大多數(shù)的微生物利用：硫酸鹽是水中普遍存在的礦物質。大多數(shù)的微生物利用硫酸鹽硫酸鹽作為作為主要的硫源主要的硫源。在細胞蛋白質和酶中都含有硫。在生理上。在細胞蛋白質和酶中都含有硫。在生理上是僅次于磷的重要礦質元素。元素硫和硫化氫也只有先氧化成硫酸是僅次于磷的重要礦質元素。元素硫和硫化氫也只有先氧化成硫酸鹽才能為生物所利用。而硫氧化

11、細菌則可將硫化氫氧化成硫酸根為鹽才能為生物所利用。而硫氧化細菌則可將硫化氫氧化成硫酸根為生物提供硫源。生物提供硫源。另一類硫酸鹽還原菌可將水體和孔隙水中的硫酸鹽還原成硫化氫，另一類硫酸鹽還原菌可將水體和孔隙水中的硫酸鹽還原成硫化氫，造成強還原環(huán)境，有利于有機質的沉積和保存。造成強還原環(huán)境，有利于有機質的沉積和保存。在還原環(huán)境中，只有部分硫能進入細菌細胞中。大部分在還原環(huán)境中，只有部分硫能進入細菌細胞中。大部分S S2-2-可與金屬可與金屬元素結合成金屬硫化物。在粘土軟泥中鐵很豐富。元素結合成金屬硫化物。在粘土軟泥中鐵很豐富。S S2-2-與與FeFe結合成水結合成水硫鐵礦和隕硫鐵礦，最后轉化為

12、硫鐵礦和隕硫鐵礦，最后轉化為黃鐵礦黃鐵礦(FeS(FeS2 2) )實線硫原子的氧化作用虛線硫原子的還原作用 改造、代謝有機質改造、代謝有機質 一方面各類微生物在酶的催化下對幾乎所有有機質具有非凡的聯(lián)合分具有非凡的聯(lián)合分解吸收能力解吸收能力，其中包括生油能力不強的大量纖維素、半纖維素、木質素等高等植物的主要成分。另一方面，也是在酶催化下，微生物又以驚人的速以驚人的速度合成新細胞物質度合成新細胞物質，進行生長繁殖。 微生物的生物化學組成結構，與高等植物生化組成大不相同。 微生物是高類脂、高蛋白質；而高等植物則是高纖維素、高木質素。 也就是說，通過微生物代謝活動，使沉積物中不太有利生油的有機質通過

13、微生物代謝活動，使沉積物中不太有利生油的有機質改造成更加有利生油的有機質改造成更加有利生油的有機質。 參與或促進形成甲烷氣、腐植質和干酪根。參與或促進形成甲烷氣、腐植質和干酪根。 在年青沉積物中，由大分子生物化合物降解的產物（糖類、氨基酸、脂肪酸等）的含量隨深度增加而迅速減少。 這是由于：。 同時，一些不能水解和不溶于有機溶劑的組分越來越豐富，占沉積物中有機質的75%95%，這就是土壤中的（Humic Material）。 腐殖質是土壤、現(xiàn)代沉積物中主要有機組成，土壤中碳的60%70%存在于腐殖質中。它是生物（主要是植物）殘體經細菌分解后聚合的有機物，既沒有固定的元素組成沒有固定的元素組成，也

14、沒有特定的化學性質沒有特定的化學性質。 腐殖質通常分為三類： 富啡酸（FA）、胡敏酸（HA）、胡敏素 腐殖酸腐殖酸對有機質的演化提供重要信息對有機質的演化提供重要信息 現(xiàn)代分析技術（電子顯微鏡、X衍射、核磁共振等）對腐殖酸研究表明： 腐殖酸不是單一的純有機化合物，而是 腐殖酸主要由C、H、O、N、S元素組成。不同的腐殖質其元素含量變化很大。 對腐殖質的研究主要集中于腐殖酸上不同沉積環(huán)境中形成的腐殖酸，其元素含量有一定差別。0.05 可將近代可將近代沉積物有機質沉積物有機質分為兩類：分為兩類： 主要來源主要來源于于高等植物高等植物，在土壤、泥炭在土壤、泥炭中的是真正腐中的是真正腐殖質。殖質。 而

15、主要來而主要來源于源于水生生物水生生物，在還原環(huán)境下在還原環(huán)境下形成的物質可形成的物質可稱為腐泥質。稱為腐泥質。 ：腐殖酸或多或少溶于堿性、弱酸性及中性溶液，如NaOH、KOH、(NH4)2PO4、草酸、酒石酸，也溶于醇、醛、酮、吡啶等有機溶劑。 腐殖酸由極小球狀微粒組成，粒徑810nm，具有膠體特性。其表面積大、粘度較高、吸附力強，可吸附其它分子和粒子。 ：由于腐殖酸中酸性基團上活潑氫的存在使其具有弱酸性，其酸性強度取決于羧基和酚羥基的含量。 富啡酸強于胡敏酸富啡酸強于胡敏酸 縮合作用縮合作用 羧基較少羧基較少 中性胡敏素中性胡敏素 ：加熱腐殖酸，隨溫度升高，碳含量增加，氧含量減少。2504

16、00：側鏈斷裂；500以上腐殖酸“核”分解；540不再含氧。 ：沒有固定的分子量。 湖泊腐殖酸分子量約6400，沼澤泥炭腐殖酸分子量約7600。從富啡酸到胡敏酸分子量逐漸增加，富啡酸約6262000，胡敏酸20002000000。 一般認為：腐殖質是生物體（尤其是高等植物）的殘體被微生物分解成小分子化合物，這些小分子化合物部分被微生物吸收，剩余部分在微生物作用和參與下發(fā)生縮合作用，形成腐殖（泥）物質。NH2CH2COOHNCH2COOHONHCH2COOHOONHCH2COOHNCHCOOHOHNHCH2COOHCHOCOOHNH2OHNHCH2COOHOHOHNH2CH2COOH4H+ 4e

17、中間產物縮合褐色含氮聚合物H-C=O 丨 (CHOH)n 丨 CH2OHR-N-H 丨H-C-OH 丨 (CHOH)n 丨 CH2OHR-N CH 丨 (CHOH)n 丨 CH2OH=R-N-H 丨H-C 丨 (CHOH)n-1O 丨H-C 丨 CH2OHRNH2H2O醛糖加成合成物席夫堿N-取代的葡萄胺R-N-H H-C 丨H-C-OH 丨 (CHOH)n-1 丨 CH2OH=+ H+R-N-H 丨H-C C-OH 丨 (CHOH)n-1 丨 CH2OH=- H+R-N-H 丨 CH2 丨 C=O 丨 (CHOH)n-1 丨 CH2OH席夫堿陽離子烯醇N-取代的1-氨基1-脫氧2-酮糖重排脫水作用裂解作用裂變褐色含氧聚合物和共聚物 從FAHA，CO；羧基、酚羥基消去，酸度；失去氨基，N；芳香縮合度，分子量。最后轉化為不溶于有機溶劑和堿溶液的中性聚合物胡敏素。 以高等植物為主來源的有機質經過腐殖化作用腐殖型干酪根。 以水生生物為主來源的有機質經過腐泥化作用腐泥型干酪根。結結 論論1指沉積有機質在青年沉積物固結成巖過程中，在低溫低壓條件下經歷的以和為主的一系列演化。2微生物分泌各種具高催化效率、高專一化的胞外酶將各種有機質分解成小分子單體，被微生物吸收。結結 論論3體積小、形態(tài)簡單；種類繁多、高度專一；適應力強、無處不在；代謝力強、繁殖迅速，因而是生命起源的，生態(tài)