1、 v生物圈的繁荣发展，能量来源主要依赖于太阳，而元素来源主要生物圈的繁荣发展，能量来源主要依赖于太阳，而元素来源主要依赖于由微生物推动的物质循环。依赖于由微生物推动的物质循环。v地球进化可分为：化学进化和生物学进化两个阶段。地球进化可分为：化学进化和生物学进化两个阶段。原始地球大气的组成气体：水、氨、甲烷、硫化氢等。原始原始地球大气的组成气体：水、氨、甲烷、硫化氢等。原始海洋汇集了地壳表面大量可溶性化合物，成为诞生原始生命的摇海洋汇集了地壳表面大量可溶性化合物，成为诞生原始生命的摇篮篮第三节第三节 微生物与自然界物质循环微生物与自然界物质循环第1页，共18页。地球的进化地球的进化v化学进化：化
2、学进化：由无机小分子生成有机小分子物质由无机小分子生成有机小分子物质由有机小分子物质形成生物大分子物质由有机小分子物质形成生物大分子物质由生物大分子组成团聚体或微球体形式的多分子体系，并进一由生物大分子组成团聚体或微球体形式的多分子体系，并进一步演变为原始生命步演变为原始生命v生物进化生物进化单极生态系统：只存在单一营养类型（异养分解者）的生单极生态系统：只存在单一营养类型（异养分解者）的生态系统。原始汤中的生物为异养、厌氧、发酵代谢态系统。原始汤中的生物为异养、厌氧、发酵代谢双极生态系统：生态系统中具备了自养与异养（即合成和分解）两双极生态系统：生态系统中具备了自养与异养（即合成和分解）两个
3、环节。自养者是蓝细菌。个环节。自养者是蓝细菌。三极生态系统：由于不同类型原核生物间发生内共生作用，出现了三极生态系统：由于不同类型原核生物间发生内共生作用，出现了真核动物细胞和真核植物细胞，形成了三极生态系统。即出现了食真核动物细胞和真核植物细胞，形成了三极生态系统。即出现了食物链。物链。第2页，共18页。水体食物链（一个三极生态系统）水体食物链（一个三极生态系统）消费者分解者生产者大鱼小鱼虾类浮游动物真菌细菌真菌细菌第3页，共18页。物质循环包括两方面：生物合成：无机物有机质化。分解作用：有机物矿化 第4页，共18页。v大气中的大气中的CO2（0.032%）周转利用最快。大气中的）周转利用最
4、快。大气中的CO2只够绿只够绿色植物约色植物约20年使用。年使用。v微生物在碳素循环中的作用：把有机物中的碳元素尽快矿化和释放，微生物在碳素循环中的作用：把有机物中的碳元素尽快矿化和释放，从而使生物圈处于一种良好的碳平衡循环中。地球上约从而使生物圈处于一种良好的碳平衡循环中。地球上约90%的的CO2是是由微生物分解作用形成的。由微生物分解作用形成的。v微生物的分解作用：光合作用固定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积累于中大部分以聚糖形式积累于木本和草本植物躯干中，木材占木本和草本植物躯干中，木材占60%，其中，其中75%是纤维素、约是纤维素、约20%是木质素和木聚糖、
5、蛋白质仅占是木质素和木聚糖、蛋白质仅占1%左右。在草本植物中多糖左右。在草本植物中多糖含量更高。分解纤维素的任务就是由土壤中的一些特殊微生物来含量更高。分解纤维素的任务就是由土壤中的一些特殊微生物来完成的。完成的。一、碳素循环一、碳素循环第5页，共18页。碳、氢、氧元素在自然界中的循环碳、氢、氧元素在自然界中的循环醇醇+有机酸有机酸H2+CO2 CH4甲烷产生作用甲烷产生作用 化石燃料化石燃料CO2+H2OO2+“CH2O”有氧条件下有氧条件下无氧条件下无氧条件下呼吸作用呼吸作用光合作用光合作用发酵作用发酵作用第6页，共18页。微生物在碳素循环中的作用真菌：青霉、曲霉、毛霉、木霉等。放线菌：链
6、霉菌属、小单孢菌属、诺卡氏菌属等。第7页，共18页。分解纤维素的微生物主要是担子菌亚门非褶菌目的真菌、其它如一些放线分解纤维素的微生物主要是担子菌亚门非褶菌目的真菌、其它如一些放线菌、细菌和原生动物等也具有这种能力。真菌分解纤维素的能力最强，包菌、细菌和原生动物等也具有这种能力。真菌分解纤维素的能力最强，包括一些子囊菌、半知菌和担子菌。括一些子囊菌、半知菌和担子菌。分解半纤维素的微生物：真菌在分解半纤维素的开始阶段较为活跃，后分解半纤维素的微生物：真菌在分解半纤维素的开始阶段较为活跃，后期主要靠放线菌。能分解半纤维素的真菌很多，大大超过能分解纤维素期主要靠放线菌。能分解半纤维素的真菌很多，大大
7、超过能分解纤维素的真菌。半纤维素的分解产物有己糖、戊糖，糖醛酸等。的真菌。半纤维素的分解产物有己糖、戊糖，糖醛酸等。n 分解纤维素的微生物分解纤维素的微生物第8页，共18页。二、氮素循环二、氮素循环氮元素的自然形态：氮元素的自然形态：铵盐、亚硝酸盐、硝酸铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐、有机含氮物、氮气。盐、有机含氮物、氮气。（一）生物固氮（一）生物固氮据据7070年代中期的统计全年代中期的统计全球生物圈每年生物固氮球生物圈每年生物固氮达达2.42.4 10108 8吨，其中吨，其中6060由陆生固氮生物完由陆生固氮生物完成，成，4040由海洋固氮由海洋固氮生物完成。生物完成。根瘤菌属每年可根瘤菌属每年
8、可为每公顷土地固氮为每公顷土地固氮达达250Kg250Kg。第9页，共18页。（二）硝化作用（二）硝化作用（nitrification）v定义：氨态氮经消化细菌的氧化，转变为硝酸态氮的过程。定义：氨态氮经消化细菌的氧化，转变为硝酸态氮的过程。v过程：两阶段过程：两阶段（1）氨）氨亚硝酸，由亚硝化细菌（化能亚硝酸，由亚硝化细菌（化能自养菌）参与；（自养菌）参与；（2）亚硝酸）亚硝酸硝酸。由硝化细菌（化能自硝酸。由硝化细菌（化能自养菌）参与，意义：是自然界氮素循环中不可缺少的一环，养菌）参与，意义：是自然界氮素循环中不可缺少的一环，对农业无益。对农业无益。（三）同化性硝酸盐还原作用（三）同化性硝酸
9、盐还原作用（assimilatory nitrate reduction）定义：绿色植物和微生物在利用硝酸盐的过程中，硝酸盐被重新还原定义：绿色植物和微生物在利用硝酸盐的过程中，硝酸盐被重新还原成成NH4+后再被利用于合成各种含氮有机物的过程。后再被利用于合成各种含氮有机物的过程。第10页，共18页。（四）氨化作用（四）氨化作用(ammonnification）d定义：含氮有机物经微生物的分解产生氨的作用。定义：含氮有机物经微生物的分解产生氨的作用。d含氮有机物的种类：蛋白质、尿素、尿酸、几丁质等含氮有机物的种类：蛋白质、尿素、尿酸、几丁质等d分解蛋白质的微生物种类：分解蛋白质的微生物种类：P
10、seudomonas fluorescens（荧光假（荧光假单胞菌），单胞菌），Bacillus megaterium（巨大芽孢杆菌），（巨大芽孢杆菌），B.subtilis和和B.mycoides（蕈状芽孢杆菌），（蕈状芽孢杆菌），Clostridium putrificum（腐败梭（腐败梭菌）。菌）。d分解尿素的细菌如分解尿素的细菌如Sporosarcina ureae（脲芽孢八叠球菌）和（脲芽孢八叠球菌）和Bacillus pasteurii（巴氏芽孢杆菌）。（巴氏芽孢杆菌）。d分解几丁质的细菌如分解几丁质的细菌如Bacterium chitinophilum（嗜几丁杆菌）和（嗜几丁杆菌
11、）和Chromobacterium chitinochroma（几丁色色杆菌）等。（几丁色色杆菌）等。d意义：含氮有机物必须经过微生物降解才能被植物利用。意义：含氮有机物必须经过微生物降解才能被植物利用。第11页，共18页。（五）铵盐同化作用（五）铵盐同化作用（assimilation of ammonium）v所有绿色植物和微生物进行的以铵盐作为营养，合成氨基酸、蛋白所有绿色植物和微生物进行的以铵盐作为营养，合成氨基酸、蛋白质、核酸和其它含氮有机物的作用。质、核酸和其它含氮有机物的作用。（六）异化性硝酸盐还原作用（六）异化性硝酸盐还原作用（dissimilatory nitrate redu
12、ction）d 定义：硝酸离子作为呼吸链的末端电子受体被还原为亚硝酸定义：硝酸离子作为呼吸链的末端电子受体被还原为亚硝酸的反应。的反应。d 菌种：兼性厌氧菌，行无氧呼吸的菌种。菌种：兼性厌氧菌，行无氧呼吸的菌种。第12页，共18页。v定义：定义：由硝酸盐还原成由硝酸盐还原成NO2并进一步还原成并进一步还原成N2的过程（广义）。的过程（广义）。狭义的反硝化作用仅指由亚硝酸还原成狭义的反硝化作用仅指由亚硝酸还原成N2的过程。的过程。v条件：厌氧（淹水的土壤或死水塘中）条件：厌氧（淹水的土壤或死水塘中）v菌种：少数异养和化能自养菌。如：菌种：少数异养和化能自养菌。如：Bacillus licheno
13、formis（地衣（地衣芽孢杆菌）、芽孢杆菌）、Paracoccus denitrificans（脱氮副球菌）、（脱氮副球菌）、Pseudomonas aeruginosa（铜绿假单胞菌）、（铜绿假单胞菌）、Ps.stutzeri（施氏假单胞菌）、（施氏假单胞菌）、Thiobacillus denitrificans（脱氮硫杆菌）以及（脱氮硫杆菌）以及Spirillum（螺菌属）和（螺菌属）和Moraxella（莫拉氏菌属）等。（莫拉氏菌属）等。v意义：土壤中氮元素流失的重要原因之一。水稻田中施用化学氮肥，有意义：土壤中氮元素流失的重要原因之一。水稻田中施用化学氮肥，有效利用率只有效利用率只有
14、25%左右。另外可以利用水生性反硝化细菌去除污水中的左右。另外可以利用水生性反硝化细菌去除污水中的硝酸盐。硝酸盐。（七）反硝化作用（脱氮作用，（七）反硝化作用（脱氮作用，denitrification）第13页，共18页。v定义：亚硝酸通过异化性还原可以经羟胺转变成氨，叫做亚硝酸的定义：亚硝酸通过异化性还原可以经羟胺转变成氨，叫做亚硝酸的氨化作用。氨化作用。v菌种：菌种：Aeromonas（气单胞菌属）、（气单胞菌属）、Bacillus（芽孢杆菌属）、（芽孢杆菌属）、Enterobacter（肠杆菌属）、（肠杆菌属）、Flavobacterium（黄杆菌属）、（黄杆菌属）、Nocardia（诺
15、卡氏菌属）、（诺卡氏菌属）、Vibrio（弧菌属）（弧菌属）和和 Staphylococcus（葡萄球菌属）等。（葡萄球菌属）等。（八）亚硝酸氨化作用（八）亚硝酸氨化作用第14页，共18页。三、硫素循环与细菌沥滤三、硫素循环与细菌沥滤SO42S H2S生物体生物体有机硫有机硫5.异化性硫酸盐还原异化性硫酸盐还原1.同化同化性硫酸性硫酸盐还原盐还原2.脱硫脱硫 作用作用4.硫氧硫氧化作用化作用（2）3.硫氧硫氧化作用化作用（1）6.异化性异化性硫还原硫还原（一）硫素循环（一）硫素循环（sulfur cycle）1 同化性硫酸盐还原作用同化性硫酸盐还原作用 硫酸盐经还原后，最终以巯基硫酸盐经还原后
16、，最终以巯基形式固定在蛋白质等成分中。可由形式固定在蛋白质等成分中。可由植物和微生物引起。植物和微生物引起。2 脱硫作用脱硫作用 在无氧条件下，通过一些腐败微在无氧条件下，通过一些腐败微生物的作用，把生物体中蛋白质等含生物的作用，把生物体中蛋白质等含硫有机物中的硫分解成硫有机物中的硫分解成H2S等含硫气等含硫气体的作用。体的作用。第15页，共18页。（二）细菌沥滤（二）细菌沥滤 也称细菌冶金，主要有三步：也称细菌冶金，主要有三步：1.1.溶矿：硫酸铜溶出溶矿：硫酸铜溶出2.2.置换：用铁屑置换铜置换：用铁屑置换铜3.3.再生浸矿剂：再生浸矿剂：FeFe2+2+FeFe3+3+（3）硫化作用（硫
17、氧化）硫化作用（硫氧化）H2S或或S0被微生物氧化成硫或硫酸的作用。如被微生物氧化成硫或硫酸的作用。如“贝日阿托氏菌属贝日阿托氏菌属”（4）异化性硫酸盐还原作用）异化性硫酸盐还原作用硫酸作为厌氧菌呼吸链的末端电子受体而被还原为亚硫酸或硫酸作为厌氧菌呼吸链的末端电子受体而被还原为亚硫酸或H2S的作的作用。用。（5）异化性硫还原作用）异化性硫还原作用 硫还原为硫还原为H2S的作用，如的作用，如Desulfuromonas（脱硫单胞菌属）（脱硫单胞菌属）第16页，共18页。v不溶性无机磷的可溶化不溶性无机磷的可溶化 能溶解土壤中的磷酸钙或磷灰石的能溶解土壤中的磷酸钙或磷灰石的微生物较多。靠产酸作用促
18、进磷酸微生物较多。靠产酸作用促进磷酸钙溶解。如硝化细菌和硫化细菌。钙溶解。如硝化细菌和硫化细菌。v可溶性无机磷的有机化可溶性无机磷的有机化 水体中的可溶性磷酸盐浓度过大水体中的可溶性磷酸盐浓度过大造成水体富营养化，进而严重污造成水体富营养化，进而严重污染水源。染水源。v有机磷的矿化有机磷的矿化 有机磷的存在形式：植酸盐、有机磷的存在形式：植酸盐、核酸和磷脂等，能分解这些物核酸和磷脂等，能分解这些物质的微生物有蜡状、蕈状、多质的微生物有蜡状、蕈状、多粘芽孢杆菌、解磷巨大芽孢杆粘芽孢杆菌、解磷巨大芽孢杆菌等。菌等。生物体生物体有机磷有机磷磷酸或可溶磷酸或可溶性磷酸盐性磷酸盐不溶性磷酸盐不溶性磷酸盐产酸微生物产酸微生物的作用或磷的作用或磷肥生产肥生产与土壤中的与土壤中的盐基结合盐基结合植植被被与与微微生生物物的的吸吸收收同同化化微微生生物物的的分分解解作作用用四、磷素循环四、磷素循环第17页，共18页。请多提宝贵意见第18页，共18页。
