微生物与自然界物质循环

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碳、氢、氧元素在自然界中的循环
有氧条件下 无氧条件下
光合作用
发酵作用
CO2+H2O
O2+ “ CH2O”
醇+有机酸 H2+CO2
呼吸作用
CH4 甲烷产生作用
化石燃料
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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：链霉菌属、小单孢菌属、诺卡氏菌属等。
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第三节 微生物与自然界物质循环
❖ 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。
❖ 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
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地球的进化
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一、碳素循环
❖ 大气中的CO2（0.032%）周转利用最快。大气中的CO2只够 绿色植物约20年使用。
❖ 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 式积累于木本和草本植物躯干中，木材占60%，其中75%是 纤维素、约20%是木质素和木聚糖、蛋白质仅占1%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完成的。
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分解纤维素的微生物
➢ 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 超过能分解纤维素的真菌。半纤维素的分解产物有己糖、戊糖， 糖醛酸等。
❖ 定义：氨态氮经消化细菌的氧化，转变为硝酸态氮的过程。 ❖ 过程：两阶段——（1）氨→亚硝酸，由亚硝化细菌（化
能自养菌）参与；（2）亚硝酸→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，对农业无益。
（三）同化性硝酸盐还原作用（assimilatory nitrate reduction）
菌种：兼性厌氧菌，行无氧呼吸的菌种。
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（七）反硝化作用（脱氮作用，denitrification）
❖ 定义： 由硝酸盐还原成NO2–并进一步还原成N2的过程（广 义）。狭义的反硝化作用仅指由亚硝酸还原成N2的过程。
❖ 条件：厌氧（淹水的土壤或死水塘中）
❖ 菌种：少数异养和化能自养菌。如：Bacillus lichenoformis（地衣芽孢杆菌）、Paracoccus denitrificans（脱氮副球菌）、Pseudomonas aeruginosa （铜绿假单胞菌）、Ps. stutzeri（施氏假单胞菌）、 Thiobacillus denitrificans（脱氮硫杆菌）以及Spirillum （螺菌属）和Moraxella（莫拉氏菌属）等。
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。即出现了食物教学链pp。t
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水体食物链（一个三极生态系统）
小鱼 大鱼
消费者
虾类
浮游 动物
分解者
真菌 细菌
生产者
真菌 细菌
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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
❖ 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25%左右。另外可以利用水生性反
硝化细菌去除污水中的硝酸教盐学p。pt
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（八）亚硝酸氨化作用
❖ 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。
❖ 菌种：Aeromonas（气单胞菌属）、Bacillus（芽孢杆菌 属）、Enterobacter（肠杆菌属）、Flavobacterium（黄 杆菌属）、Nocardia（诺卡氏菌属）、 Vibrio（弧菌属） 和 Staphylococcus（葡萄球菌属）等。
分解尿素的细菌如Sporosarcina ureae（脲芽孢八叠球菌） 和Bacillus pasteurii（巴氏芽孢杆菌）。
分解几丁质的细菌如Bacterium chitinophilum（嗜几丁杆菌） 和Chromobacterium chitinochroma（几丁色色杆菌）等。
意义：含氮有机物必须经过微生物降解才能被植物利用。
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氮元素的自然形 态：铵盐、亚硝酸 盐、硝酸盐、有机 含氮物、氮气。
二、氮素循环
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（一）生物固氮 据70年代中期的统 计全球生物圈每年 生物固氮达2.4108 吨，其中60％由陆 生固氮生物完成， 40％由海洋固氮生 物完成。
根瘤菌属每年可
为每公顷土地固氮
达250Kg。
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（二）硝化作用（nitrification）
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（五）铵盐同化作用（assimilation of ammonium）
❖ 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。
（六）异化性硝酸盐还原作用 （ dissimilatory nitrate reduction ）
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。
❖ 化学进化：
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
❖ 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）两个环节。自养者是蓝细菌。
➢ 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NH4+后再被利用于合成各种含氮有机物的过 程。
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（四）氨化作用(ammonnification）
定义：含氮有机物经微生物的分解产生氨的作用。
含氮有机物的种类：蛋白质、尿素、尿酸、几丁质等
分解蛋白质的微生物种类：Pseudomonas fluorescens（荧 光假单胞菌），Bacillus megaterium（巨大芽孢杆菌），B. subtilis和B. mycoides（蕈状芽孢杆菌），Clostridium putrificum（腐败梭菌）。