微生物與自然界物質(zhì)循環(huán)

微生物與自然界物質(zhì)循環(huán)第1頁/共19頁

生物圈的繁榮發(fā)展，能量來源主要依賴于太陽，而元素來源主要依賴于由微生物推動的物質(zhì)循環(huán)。地球進化可分為：化學(xué)進化和生物學(xué)進化兩個階段。原始地球大氣的組成氣體：水、氨、甲烷、硫化氫等。原始海洋匯集了地殼表面大量可溶性化合物，成為誕生原始生命的搖籃第三節(jié)微生物與自然界物質(zhì)循環(huán)第2頁/共19頁地球的進化化學(xué)進化：由無機小分子生成有機小分子物質(zhì)由有機小分子物質(zhì)形成生物大分子物質(zhì)由生物大分子組成團聚體或微球體形式的多分子體系，并進一步演變?yōu)樵忌镞M化單極生態(tài)系統(tǒng)：只存在單一營養(yǎng)類型（異養(yǎng)分解者）的生態(tài)系統(tǒng)。原始湯中的生物為異養(yǎng)、厭氧、發(fā)酵代謝雙極生態(tài)系統(tǒng)：生態(tài)系統(tǒng)中具備了自養(yǎng)與異養(yǎng)（即合成和分解）兩個環(huán)節(jié)。自養(yǎng)者是藍細(xì)菌。三極生態(tài)系統(tǒng)：由于不同類型原核生物間發(fā)生內(nèi)共生作用，出現(xiàn)了真核動物細(xì)胞和真核植物細(xì)胞，形成了三極生態(tài)系統(tǒng)。即出現(xiàn)了食物鏈。第3頁/共19頁水體食物鏈（一個三極生態(tài)系統(tǒng)）消費者分解者生產(chǎn)者大魚小魚蝦類浮游動物真菌細(xì)菌真菌細(xì)菌第4頁/共19頁物質(zhì)循環(huán)包括兩方面：生物合成：無機物有機質(zhì)化。

分解作用：有機物礦化第5頁/共19頁大氣中的CO2（0.032%）周轉(zhuǎn)利用最快。大氣中的CO2只夠綠色植物約20年使用。微生物在碳素循環(huán)中的作用：把有機物中的碳元素盡快礦化和釋放，從而使生物圈處于一種良好的碳平衡循環(huán)中。地球上約90%的CO2是由微生物分解作用形成的。微生物的分解作用：光合作用固定的CO2中大部分以聚糖形式積累于木本和草本植物軀干中，木材占60%，其中75%是纖維素、約20%是木質(zhì)素和木聚糖、蛋白質(zhì)僅占1%左右。在草本植物中多糖含量更高。分解纖維素的任務(wù)就是由土壤中的一些特殊微生物來完成的。一、碳素循環(huán)第6頁/共19頁碳、氫、氧元素在自然界中的循環(huán)醇+有機酸H2+CO2CH4甲烷產(chǎn)生作用化石燃料CO2+H2OO2+“CH2O”有氧條件下無氧條件下呼吸作用光合作用發(fā)酵作用第7頁/共19頁微生物在碳素循環(huán)中的作用真菌：青霉、曲霉、毛霉、木霉等。

放線菌：鏈霉菌屬、小單孢菌屬、諾卡氏菌屬等。

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分解纖維素的微生物主要是擔(dān)子菌亞門非褶菌目的真菌、其它如一些放線菌、細(xì)菌和原生動物等也具有這種能力。真菌分解纖維素的能力最強，包括一些子囊菌、半知菌和擔(dān)子菌。分解半纖維素的微生物：真菌在分解半纖維素的開始階段較為活躍，后期主要靠放線菌。能分解半纖維素的真菌很多，大大超過能分解纖維素的真菌。半纖維素的分解產(chǎn)物有己糖、戊糖，糖醛酸等。

分解纖維素的微生物第9頁/共19頁二、氮素循環(huán)氮元素的自然形態(tài)：銨鹽、亞硝酸鹽、硝酸鹽、有機含氮物、氮氣。（一）生物固氮

據(jù)70年代中期的統(tǒng)計全球生物圈每年生物固氮達2.4108噸，其中60％由陸生固氮生物完成，40％由海洋固氮生物完成。根瘤菌屬每年可為每公頃土地固氮達250Kg。第10頁/共19頁（二）硝化作用（nitrification）定義：氨態(tài)氮經(jīng)消化細(xì)菌的氧化，轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛釕B(tài)氮的過程。過程：兩階段——（1）氨→亞硝酸，由亞硝化細(xì)菌（化能自養(yǎng)菌）參與；（2）亞硝酸→硝酸。由硝化細(xì)菌（化能自養(yǎng)菌）參與，意義：是自然界氮素循環(huán)中不可缺少的一環(huán)，對農(nóng)業(yè)無益。（三）同化性硝酸鹽還原作用（assimilatorynitratereduction）定義：綠色植物和微生物在利用硝酸鹽的過程中，硝酸鹽被重新還原成NH4+后再被利用于合成各種含氮有機物的過程。第11頁/共19頁（四）氨化作用(ammonnification）定義：含氮有機物經(jīng)微生物的分解產(chǎn)生氨的作用。含氮有機物的種類：蛋白質(zhì)、尿素、尿酸、幾丁質(zhì)等分解蛋白質(zhì)的微生物種類：Pseudomonasfluorescens（熒光假單胞菌），Bacillusmegaterium（巨大芽孢桿菌），B.subtilis和B.mycoides（蕈狀芽孢桿菌），Clostridiumputrificum（腐敗梭菌）。分解尿素的細(xì)菌如Sporosarcinaureae（脲芽孢八疊球菌）和Bacilluspasteurii（巴氏芽孢桿菌）。分解幾丁質(zhì)的細(xì)菌如Bacteriumchitinophilum（嗜幾丁桿菌）和Chromobacteriumchitinochroma（幾丁色色桿菌）等。意義：含氮有機物必須經(jīng)過微生物降解才能被植物利用。第12頁/共19頁（五）銨鹽同化作用（assimilationofammonium）所有綠色植物和微生物進行的以銨鹽作為營養(yǎng)，合成氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸和其它含氮有機物的作用。（六）異化性硝酸鹽還原作用（dissimilatorynitratereduction）定義：硝酸離子作為呼吸鏈的末端電子受體被還原為亞硝酸的反應(yīng)。菌種：兼性厭氧菌，行無氧呼吸的菌種。第13頁/共19頁定義：由硝酸鹽還原成NO2–并進一步還原成N2的過程（廣義）。狹義的反硝化作用僅指由亞硝酸還原成N2的過程。條件：厭氧（淹水的土壤或死水塘中）菌種：少數(shù)異養(yǎng)和化能自養(yǎng)菌。如：Bacilluslichenoformis（地衣芽孢桿菌）、Paracoccusdenitrificans（脫氮副球菌）、Pseudomonasaeruginosa（銅綠假單胞菌）、Ps.stutzeri（施氏假單胞菌）、Thiobacillusdenitrificans（脫氮硫桿菌）以及Spirillum（螺菌屬）和Moraxella（莫拉氏菌屬）等。意義：土壤中氮元素流失的重要原因之一。水稻田中施用化學(xué)氮肥，有效利用率只有25%左右。另外可以利用水生性反硝化細(xì)菌去除污水中的硝酸鹽。（七）反硝化作用（脫氮作用，denitrification）第14頁/共19頁定義：亞硝酸通過異化性還原可以經(jīng)羥胺轉(zhuǎn)變成氨，叫做亞硝酸的氨化作用。菌種：Aeromonas（氣單胞菌屬）、Bacillus（芽孢桿菌屬）、Enterobacter（腸桿菌屬）、Flavobacterium（黃桿菌屬）、Nocardia（諾卡氏菌屬）、Vibrio（弧菌屬）和Staphylococcus（葡萄球菌屬）等。（八）亞硝酸氨化作用第15頁/共19頁三、硫素循環(huán)與細(xì)菌瀝濾SO42–SH2S生物體有機硫5.異化性硫酸鹽還原1.同化性硫酸鹽還原2.脫硫作用4.硫氧化作用（2）3.硫氧化作用（1）6.異化性硫還原（一）硫素循環(huán)（sulfurcycle）1同化性硫酸鹽還原作用硫酸鹽經(jīng)還原后，最終以巰基形式固定在蛋白質(zhì)等成分中?？捎芍参锖臀⑸镆稹?脫硫作用在無氧條件下，通過一些腐敗微生物的作用，把生物體中蛋白質(zhì)等含硫有機物中的硫分解成H2S等含硫氣體的作用。第16頁/共19頁（二）細(xì)菌瀝濾也稱細(xì)菌冶金，主要有三步：1.溶礦：硫酸銅溶出2.置換：用鐵屑置換銅3.再生浸礦劑：Fe2+→Fe3+（3）硫化作用（硫氧化）

H2S或S0被微生物氧化成硫或硫酸的作用。如“貝日阿托氏菌屬”（4）異化性硫酸鹽還原作用硫酸作為厭氧菌呼吸鏈的末端電子受體而被還原為亞硫酸或H2S的作用。（5）異化性硫還原作用硫還原為H2S的作用，如Desulfuromonas（脫硫單胞菌屬）第17頁/共19頁不溶性無機磷的可溶化

能溶解土壤中的磷酸鈣或磷灰石的微生物較多?？慨a(chǎn)酸作用促進磷酸鈣溶解。如硝化細(xì)菌和硫化細(xì)菌?？扇苄詿o機磷的有機化

水體中的可溶性磷酸鹽濃度過大造成水體富營養(yǎng)化，進而嚴(yán)重污