第四章 微生物与生物地球化学循环
微生物在生物地球化学循环中的作用研究
微生物在生物地球化学循环中的作用研究微生物是地球上最古老、最微小的生物之一，它们广泛存在于各种环境中，包括海洋、土壤、空气和人体等，对地球上的生物地球化学循环起着重要的作用。
本文将重点探讨微生物在生物地球化学循环中的作用，并分析它们对碳、氮、磷等元素的循环过程起到的关键作用。
一、微生物在碳循环中的作用1.1 微生物的光合作用许多微生物具备光合作用的能力，它们能够通过吸收阳光能量将二氧化碳转化为有机物，释放出氧气。
这一过程对碳循环至关重要，不仅能够维持地球上氧气的水平，还能将大气中的二氧化碳固定下来，缓解全球变暖的问题。
1.2 微生物对有机碳的降解微生物在土壤和水体中起到了有机物降解的关键作用。
它们能够分解死亡植物、动物和其他有机废弃物，将有机碳转化为二氧化碳释放到大气中，并释放出其他有机化合物，供其他生物进行利用。
这一过程被称为微生物分解，能够促进有机碳的循环和再利用。
二、微生物在氮循环中的作用2.1 氮固定氮是生物体合成蛋白质和核酸的重要元素，但大气中的氮气对多数生物来说是不可直接利用的。
微生物通过固氮作用将氮气转化为氨和硝酸盐，使得植物能够吸收和利用氮元素。
这一过程对植物的生长和发育至关重要，也是维持生态系统中氮元素循环的关键步骤。
2.2 氮化作用和反硝化作用微生物通过氮化作用将有机氮化合物转化为无机氮化合物，包括将蛋白质、尿素等分解为氨和硝酸盐。
同时，微生物还通过反硝化作用将硝酸盐还原为氮气，释放到大气中。
这两个过程共同参与了氮的循环，维持了氮的平衡和可利用性。
三、微生物在磷循环中的作用磷是构成核酸、磷脂和ATP等分子的关键元素，对生物体的能量代谢和遗传物质的传递起着重要作用。
微生物在磷循环中的主要作用包括两个方面：3.1 磷化作用微生物能够将无机磷转化为有机磷，并储存在细胞内。
这一过程被称为磷化作用，能够提高磷在生物体内的利用效率，并维持磷的平衡。
3.2 磷解作用微生物也能够将有机磷分解为无机磷，释放到土壤或水体中。
微生物和生物地球化学循环
以将硫储存在自身的细胞和体液中。
硫循环对环境的影响
03
微生物通过影响硫的转化和吸收，对土壤、水和大气环境产生
重要影响，如酸雨的形成和土壤质量下降等。
磷循环
微生物对磷的固定和转化
微生物通过吸附作用将磷元素转化为可溶性磷酸盐，同时也可以通过分解作用将磷酸盐转 化为不溶性磷酸盐。
磷在微生物群落中的传递和储存
微生物通过食物链将磷从无机环境传递到有机环境，同时也可以将磷储存在自身的细胞和 体液中。
磷循环对环境的影响
微生物通过影响磷的转化和吸收，对土壤和水体环境产生重要影响，如水体富营养化和湖 泊闭合等。
03
微生物对环境的影响
土壤微生物对环境的影响
1
土壤微生物是生物地球化学循环的重要组成部 分，参与土壤中多种化学元素的循环和转化。
• 真菌：具有细胞壁、细胞膜和细 胞核等真核细胞结构，主要进行 有性生殖，包括酵母菌和霉菌等 。
• 原生动物：一类具有真核细胞结 构和功能的单细胞动物，如草履 虫、变形虫等。
非细胞型微生物的多
样性
• 病毒：无细胞结构，由核酸和蛋 白质等组成的非细胞型生物，可 感染各种生物细胞，包括细菌、 真菌和动物细胞等。
微生物与气候变化
探讨微生物如何通过影响温室气体排放和吸收来调节气候变化。
微生物群落结构和功能的关系
研究微生物群落的结构和功能如何随环境因素的变化而变化，以及如何影响生物地球化学 循环。
利用微生物解决当前面临的环境问题
01
污染治理
研究利用微生物降解有机污染物的机制和方法，以及如何提高微生物
降解的效率和稳定性。
04
微生物在生物地球化学循环 中的多样性
微生物在生物地球化学循环中的多样性
微生物和生物地球化学循环
生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨态 氮转化为N2和NxO气体的过程。其中包括硝化和反硝 化两个反应过程。
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RCH 2CN O H O H 2O H RCOH N C3H OO
水解 RCH 2CN O H O H 2O H RCOH N C3H OO
细菌分解 RC2 C HO N O O 2H R HCO C C 2 O N O3H O
b硝化反应：
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太湖的富营养化
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一 氮、磷的去除
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（一）氮的生物 去除
废水中的氮以有机氮、氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮 四种形式存在。
(1) 生物脱氮机理
所有绿色植物和许多微生物进行的以铵盐为营 养，合成氨基酸、蛋白质、核酸和其它含N有机 物的作用，都是---。
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三、硫的生物循环
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沉默的矿藏
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铜（copper）：红色的金子
有机氮
RC2 C HO N O O 2 H R HCO C C 2 O N O3H O
（蛋白质、尿素）
细菌分解和水解
氨氮 同化
有机氮
微生物和生物地球化学循环
微生物在地球化学循环中扮演着转化者的角色，能将各种元素进行 转化，如碳、氮、磷等。
调节生态平衡
微生物通过分解有机物和转化物质，维持了生态系统的平衡，为其 他生物提供了必要的物质。
微生物对碳的转化和循环
01
有机碳的分解
微生物通过分解有机物，将有机 碳转化为二氧化碳，为植物提供 了光合作用的原料。
微生物在环境修复和生物技术中的应用研究
微生物在环境修复 中的应用
微生物在生物技术 中的应用
微生物在农业中的 应用
利用微生物降解有机污染物、 重金属还原等能力，研究微生 物在环境修复中的应用，为解 决环境污染问题提供新思路。
研究微生物在生物制药、生物 燃料等领域的生产和应用，开 发新的生物技术应用领域。
在某些条件下，微生物能将磷酸盐释放到环境中，完 成磷的循环。
03
微生物的主要代谢过 程
微生物的呼吸作用பைடு நூலகம்
有机物氧化
微生物通过呼吸作用，将有机物氧化分解，释放出能量供自身生长 繁殖。
电子传递
在呼吸过程中，微生物将电子从有机物传递给氧气，产生大量活性 氧和自由基，对细胞造成损害，但也在一定程度上起到杀菌作用。
碳的矿化
02
03
甲烷的产生
微生物能将土壤中的有机质和腐 殖质矿化为二氧化碳、水和能量 ，为植物提供更多的碳源。
微生物在厌氧条件下能将有机物 转化为甲烷，这是一种重要的温 室气体。
微生物对氮的转化和循环
固氮作用
微生物能将空气中的氮气转化为氨，为植物 提供氮肥。
有机氮的分解
微生物通过分解有机物中的氮化合物，将有机氮转 化为无机氮，如硝酸盐和氨，为植物提供更多的氮 源。
微生物资源的保护和利用
微生物的生态系统和生物地球化学过程
微生物的生态系统和生物地球化学过程微生物是地球上最古老，最小而且数量最多的生命形式，他们在自然界中扮演者重要的角色，对于有机物分解，陆地水源污染处理，以及维持大气的氧气循环等生态体系起着至关重要的作用。
一、微生物在大气的氧气循环中的作用微生物在帮助生态体系维持着一部分大气的氧气循环。
最早的时候，地球上化学作用并不能产生氧气。
随着微生物的演化，氧气也慢慢地被释放到大气中。
微生物在大气的氧气循换中有着非常的重要的作用，主要体现在：1.微生物分解死亡植物和动物中的有机物成分，将有机物转化为二氧化碳和水，释放出较多的能量和热量。
这个过程称为厌氧呼吸。
2.微生物中的一种酶，可以将水中的硫化氢转变为硫酸，将铁中的氧气氧化，这一过程称为化学氧化作用。
化学氧化作用为水体和土壤的氧化和生态系统的健康作出了较大的贡献。
3.微生物代谢出一定量的碳酸盐，与水中的钙离子及其他不溶性成分结合，从大气中吸收了较多的二氧化碳。
二、微生物在水体环境净化过程中的作用在水体环境净化过程中，微生物起着非常重要的作用。
主要是通过微生物代谢来分解和转化水体中的有机物和无机物，从而将污染物质净化。
微生物分解有机物成分，能够迅速降解污染物影响，并转化为氮源和磷源。
微生物代谢还能使重金属离子减少毒性，降低环境中的铜和镉离子含量，改善土壤化学特性，从而提高生态系统的韧性和稳定性。
三、微生物在有机质分解中的作用微生物在土壤中分解有机质时,通常是从一种化合物进入另一种化合物的过程。
这种过程具有非常重要的意义，可以将一些较难分解的有机物质转变为水溶性和可吸附态的营养元素，同时也会对有机物质进行深度的降解。
微生物在这一过程中也能释放出较多的有机酸，在这个过程降低了土壤的pH值，影响生物多样性和土壤肥力。
四、微生物在陆地生态中的作用微生物在陆地生态中有着不可替代的作用,如:1.微生物代谢可以将土壤污染物质代谢成可吸收的营养，可以使所有植物和动物C、N、P元素的供应得到改善。
微生物地球化学循环
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。
生物地球化学和微生物地球化学
生物地球化学和微生物地球化学地球上存在着各种生物，它们所处的环境与地球物理、化学等过程密切相关。
生物地球化学与微生物地球化学是研究生物与地球环境相互作用的重要学科。
本文将从生物地球化学和微生物地球化学两个方面分别介绍。
一、生物地球化学生物地球化学是研究生物对地球环境的影响，以及地球环境对生物的影响。
它主要包括了有机物质的循环、生物元素的地球化学循环和全球碳循环等内容。
1. 有机物质的循环有机物质是一种重要的生物元素，是地球上生物体的重要组成部分，同时与地球环境的生化过程紧密关联。
生物体内的有机物质可以分解为二氧化碳和水等无机物质，也可以转化为其他有机物质或转移到其他生物体内。
在此过程中，有机物质的转化和分解受到环境因素的影响，主要是水、氧气以及温度等。
2. 生物元素的地球化学循环生物在生长之中会消耗大量的元素，其中包括了如碳、氮、磷等一些重要的元素。
不同的生物体，对这些元素的消耗量也有所差异。
生物元素的地球化学循环就是指这些元素在生物消耗之后再被循环利用的过程。
生物元素的地球化学循环影响着地球的气候变化、全球生物多样性以及生态系统的劳动力等诸多问题。
3. 全球碳循环碳循环是维持生命系统能源源源不断的重要过程之一。
全球碳循环指地球上碳元素从地表到大气的循环。
其中，有机碳、无机碳以及生物碳均参与其中。
在缺氧环境下，有机碳会转化为腐肥质和煤等无机碳物质，同时也会释放大量的甲烷氧化物和二氧化碳等气体。
人类活动对全球碳循环造成了极大的影响，这也是全球变暖、气候格局变化的关键原因之一。
二、微生物地球化学微生物地球化学是指微生物在地球环境物理、化学、生物环境中的影响。
微生物，是一种重要的生物群落，与土壤、大气、水体等环境密切相关。
微生物的生长、代谢、分解和变形过程都会对大气、土壤、水体等环境生态偶而造成百年以上的影响。
1. 微生物对碳循环的作用微生物在地球碳循环中起到了卓越的作用。
以土壤微生物为例，它们可以利用固体有机质、根系排放的物质以及矿物质等成分，释放出二氧化碳和甲烷等气体负载物质。
微生物地球化学循环的机理解析
微生物地球化学循环的机理解析地球化学循环是指各种元素在地球内部、大气层、水体中、岩石和土壤中的循环和转移过程。
微生物地球化学循环是指在地球化学循环的过程中，微生物的参与和作用。
微生物地球化学循环既包括微生物对元素循环的促进作用，也包括微生物对污染物的转化和解毒作用。
微生物地球化学循环是人类生存和发展的重要基础，也是保护环境和生态的重要手段。
本文将从微生物地球化学循环的机理入手，对其进行解析。
一、微生物的种类和分布微生物是一类生态广泛、数量庞大、多样性强的生物类群。
微生物是地球生态系统的重要组成部分。
微生物包括细菌、真菌、古菌和病毒等。
微生物的分布和种类与环境因素密切相关。
不同类型的微生物在生态系统中的作用不同。
二、微生物地球化学循环的机理微生物地球化学循环主要有以下几个方面的机理：1. 微生物参与元素循环。
微生物参与碳、氮、硫、铁、锰、磷、钾等元素的循环。
微生物在水体、土壤和大气中生存、繁殖和代谢的过程中，不断地转换、利用和释放元素，从而促进元素的循环。
2. 微生物对环境污染物的转化和解毒作用。
微生物参与对环境污染物的生物降解和分解过程，将有毒有害物质转化为无害物质，从而保护环境和人类健康。
微生物的解毒作用是人类保护环境和生态的重要手段之一。
3. 微生物的碳循环。
微生物和植物都是地球碳循环的重要参与者。
微生物在碳循环中的作用主要体现在有机碳的吸收、分解、利用和释放等方面。
微生物的碳循环作用对全球碳循环的平衡和稳定性具有重要意义。
4. 微生物的氮循环。
微生物参与大气和土壤中氮的转化过程，促进氮的循环和转移。
微生物的氮循环作用对农业生产和生态环境的调控有着十分重要的意义。
5. 微生物的硫循环。
微生物在硫循环过程中的作用主要体现在硫的氧化还原和脱除过程。
微生物对硫的生物降解和转化作用对防止大气酸化、污染和田地硫化是十分重要的。
6. 微生物的微量元素循环。
微生物参与钠、钾、镁、铁、锰、铜、锌、镉、铬、汞、铅等微量元素的循环过程，从而促进地球微量元素的循环和转移。
微生物生物地球化学循环和应用
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。
微生物在生物地球化学循环中的作用研究
微生物在生物地球化学循环中的作用研究地球上的微生物是微小生物的总称，包括细菌、真菌、病毒等。
尽管它们体型微小，却在地球上的生物地球化学循环中扮演着重要的角色。
本文将探讨微生物在碳循环、氮循环和硫循环等方面的作用，以及它们对全球生态系统的影响。
一、碳循环中的微生物作用碳循环是地球上最重要的循环之一，其中微生物在有机物的分解和合成过程中扮演着关键角色。
土壤中的细菌和真菌通过分解有机质，将有机碳释放为二氧化碳。
这一过程被称为腐殖质分解，能够为植物提供二氧化碳和营养物质。
另一方面，微生物还参与着光合作用，将二氧化碳转化为有机碳。
光合细菌和叶绿素原核生物通过光合作用，将二氧化碳转化为有机物质，并释放氧气。
这些微生物在海洋中占据了重要的地位，不仅维持着海洋生态系统的稳定，还为全球氧气供应做出了巨大贡献。
二、氮循环中的微生物作用氮循环是生物地球化学循环系统中另一个重要的循环过程。
微生物在氮的转化中发挥了重要作用。
微生物可以通过生物固氮作用，将大气中的氮气转化为氨或亚硝酸盐，提供给植物使用。
部分细菌还能将氮气还原为氨气，使得氮气得以重新进入大气中。
同时，微生物还参与着氮的硝化和反硝化过程。
氨氧化细菌能够将氨转化为亚硝酸盐，而反硝化细菌能够将亚硝酸盐还原为氮气。
这一过程使得氮在土壤中得以循环利用，维持着生态系统的稳定。
三、硫循环中的微生物作用硫循环是一个复杂的过程，涉及到微生物的硫化和还原。
微生物能够通过氧化硫酸盐，将硫化物氧化为硫酸盐，从而参与硫的循环过程。
此外，它们还能将硫酸盐还原为硫化物，完成硫循环的闭合。
在沉积岩中，微生物能够促进硫化合物的沉淀，并催化岩石的形成。
这些过程对地球的化学组成和环境的演化起着重要作用。
总结：微生物在生物地球化学循环中扮演着不可或缺的角色。
它们参与碳循环、氮循环和硫循环等过程，调节着大气中的气体组成，维持着生态系统的稳定。
了解微生物在地球化学循环中的作用和机制，对于理解全球气候变化、环境污染和生物多样性的维持具有重要意义。
微生物对生物地球化学循环和持续发展的作用分析
微生物对生物地球化学循环和持续发展的作用分析地球上存在着各种微生物，包括细菌、真菌、病毒等。
这些微生物在生物地球化学循环和持续发展中发挥着重要的作用。
本文旨在分析微生物在生物地球化学循环和持续发展中的作用，并探讨这些作用对人类社会的重要性。
一、微生物在地球生态系统中的角色微生物在地球生态系统中扮演着多种角色，例如：分解死亡生物体、促进植物养分吸收、固氮、修复土壤等。
其中，微生物参与分解死亡生物体是地球生态系统的重要环节。
微生物通过分解死亡生物体，将其中的有机物还原为简单的无机物质，如CO2、H2O、NH3、H2S等，进而释放到环境中。
这些无机物质又可为其他生物再次吸收利用，从而形成了营养链。
此外，微生物能够吸附、离解和转化多种元素，如碳、氮、磷等，从而促进植物吸收和利用这些元素。
微生物的固氮作用也是地球生态系统的重要环节。
微生物通过固氮将空气中的氮固定为铵盐，从而提供植物的氮源。
同时，微生物具有修复土壤的能力。
例如：某些细菌和真菌能够分解有机污染物，而某些蓝藻和细菌则能够将黄土山区土壤侵蚀的问题得到缓解。
这些作用都在不同的程度上促进了地球生态系统的运转和持续发展。
二、微生物在人类社会中的作用微生物在人类社会中有着广泛的应用，如食品生产、环境保护、医药、能源等。
其中，微生物的食品生产作用是最为显著的。
例如：酸奶、面食、啤酒、豆腐、巧克力等许多食品都与微生物有关。
微生物在大量生产商品的同时，也产生了大量的副产物和废物。
这些废物对环境有一定的污染作用，因此人类在处理这些废物时，也要依赖微生物。
例如：污泥处理、垃圾处理、油污处理等都离不开微生物技术的帮助。
另外，微生物的医药价值也是无法忽视的。
微生物产生的抗生素、免疫调节剂、细胞因子等，特别是近几十年来利用基因工程技术获得的特异蛋白质，不仅为人类治疗疾病提供了有力的工具，而且为人类深入了解生命本质提供了理论基础。
除此之外，微生物也被广泛应用于生物能源生产中。
微生物地球化学循环
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
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。
微生物在生物地球化学中的作用
微生物在生物地球化学中的作用生命的基本单位是细胞，而微生物是最小型的单细胞生物，它们是地球上最早的生物之一，具有惊人的适应性和广泛的功能。
微生物的重要性在生态系统中格外突出，他们承担着自然能量和有机物质的生产和分解任务，可以在各种不同的环境中生存和繁殖，可以是良性的或致病的。
本文介绍微生物在生物地球化学中的作用。
一. 微生物在碳循环中的作用碳是生命中最重要的元素之一，对微生物来说也不例外。
碳在大气中形成CO2的形式存在，通过光合作用和呼吸作用在生物体中不停循环，将能量和化学反应转化为生物质或释放能量和废物。
微生物可通过两种方式将CO2固定为有机碳：一种方式是光合作用，这是微生物在有光的环境中将CO2转化为有机物质的过程。
其中可能有些微生物可通过无机物质或光合生物促进产生光合色素来利用光合作用，根据反应方法的不同，它们还可分为厌氧光合作用和光氧合成作用。
合成的有机物质可用来形成微生物的生物体或被生物体利用。
另一种方式是酸化还原反应，这是在缺氧环境下，微生物通过酸化还原反应将双氧水和光氧化还原（P-O-P)作用来固定CO2转化为有机碳。
在这种情况下，微生物不产生氧气，这些生物体可能在生物地球化学中起重要作用。
二. 微生物在氮循环中的作用氮在生物地球化学循环中那些重要的元素之一，它是氨基酸、核酸及其他生物分子必需的组成部分。
通过生态系统不同生物之间的相互联系，微生物起着关键的作用在氮的生命循环中。
氨氧化细菌利用氨、铵等氮源物和无机氧化物通过氧化过程将它们转化为硝酸盐离子，积累到最后就转化为甲烷脱氢酶。
这是氮固定的一部分：这种氧化还原过程为有机物质的后续崩解奠定了基础，它会转化为无机物质使它们能够再次进入自然循环。
同样，微生物可将硝酸盐离子利用吸附物还原、固定附着（碳化硅）和硝化过程将它们转化为氮气，使它们与大气循环链接在一起，发挥巨大的作用。
三. 微生物在磷循环中的作用磷为生命重要元素之一，在细胞壁、核苷酸和其他有机分子中起着重要作用。
第四章 微生物与生物地球化学循环
2NH3
2、生物固氮ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ用
6NAD(P)H
NAD(P)+
NN
ATP
Mg2+
NH3
ADP+Pi
（二）硝化作用:
好氧时
亚硝酸细菌： NH4+ 两类细菌：
硝化细菌： NO2-
NO2NO3-
（三）反硝化作用：
兼性厌氧的硝酸盐还原细菌将硝酸盐还原为氮气。
NO3- NO2- NO 反硝化作用的三种结果：
N2O N2
水解 RCH 2CN O H O H 2O H RCOH N C3H OO
细菌分解 RC2 C HO N O O 2H R HCO C C 2 O N O3H O
b硝化反应：
返回
硝化反应是在好氧条件下，将NH4+转化为NO2和NO3-的过程。
24 N 32 H O 亚 硝 2酸 2 N 4 菌 O H 22 O H
a.通过硝酸还原酶的作用将硝酸还原为氨。 b.反硝化细菌在厌氧条件下，将硝酸还原为氮气。 c. 硝酸盐还原为亚硝酸。
反硝化作用的危害：反硝化作用一般只在厌氧条件下，
如淹水的土壤，或死水塘中发生。使土壤的肥力下降， 在污水生物处理系统中，使出水含有多量的泥花，影 响出水的水质。
（四）氨化作用:
有机氮
NH4+ +SO42-+H2O
（五）铵盐同化作用：
所有绿色植物和许多微生物进行的以铵盐为营 养，合成氨基酸、蛋白质、核酸和其它含N有机 物的作用，都是---。
三、硫的生物循环
沉默的矿藏
铜（copper）：红色的金子
西班牙人从黄色的河流中获得铜矿。但直到三十年前，人们 才意识到在从微溶的铜硫化物到可溶的铜硫酸物的萃取过程 中，细菌起到了积极的辅助作用。
第四章微生物与地球化学循环之碳循环详述
微生物分解有机质
微生物 好气性 呼吸
土壤呼吸测定
微生物分解有机质
厌氧发 酵
沼气池
3 当前的有关研究方向
3.1 主要研究方向——土壤微生物对有机碳的分解
应用型研究，如： （1）新型生物质能源，如纤维素生产酒精、沼气； （2）新材料，如椰棕纤维的应用； （3）环境修复，如污水处理、石油污染土壤修复
水样pH
水体镉铅测定：用孔径30～50 µm中速定量滤纸过滤水样，去除飘浮 杂质，再用稀HCl处理溶解水样悬浮有机颗粒，最后用石墨炉原子光 谱法测定。
水溶性碳（DOC）测定：先用0.45 µm滤膜抽滤水样，再用MultiN/C 3100型TOC/N测定仪测定滤液有机碳，得到DOC含量。
水体颗粒碳（water particle organic carbon, WPOC）：先用孔径30～ 50 µm中速定量滤纸过滤水样，去除飘浮杂质，利用MultiN/C 3100型 TOC/N测定仪测定水体总有机碳含量，水体总有机碳含量减去水溶 性碳含量，得到水体颗粒碳含量。
作业布置
• 复习本课，分别查阅有关环境因子对土壤 微生物特性影响、微生物在碳素循环中的 作用的研究论文一篇并写出作者研究思路、 方法及结论
• 预习微生物在硫素循环、微生物形成的污 染 、污染物的微生物降解及转化 、土壤微 生物生物量 等内容
微生物与地球化学循 环
之碳循环
讲授内容
• 1 生物地球化学循环的概念 • 2 微生物在生物地球化学碳循环中的作用
机制 • 3 当前的有关研究方向 • 4 论文举例
1 生物地球化学循环的概念
在地球表层生物圈中，生物有 机体经由生命活动，从其生存 环境的介质中吸取元素及其化 合物(常称矿物质)，通过生物 化学作用转化为生命物质，同 时排泄部分物质返回环境，并 在其死亡之后又被分解成为元 素或化合物(亦称矿物质)返回 环境介质中。这一个循环往复 的过程，称为生物地球化学循 环
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有机磷 有机磷包括磷酸甘油酸、磷肌酸等
含磷化合物 无机磷
磷酸盐：正磷酸盐(PO43-)、磷酸氢盐(HPO42-) 、
磷酸二氢盐H2PO4-、偏磷酸盐(PO3-)
聚合磷酸盐：焦磷酸盐(P2O74－) 、三磷酸盐(P3O105-)、
三B 磷酸氢盐(HP3O92-)
35
• 磷在废水中的存在形式： 磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷等。
普通活性污泥法剩余污泥中磷含量约占微生物干 重的1.5%~2.0%，通过同化作用可去除磷12%~20%。
ddBTOPD0.015yobserve
生物强化除磷工艺
生物强化除磷工艺可以使得系统排除的剩余污泥 中磷含量占到干重5%~6%。
如果还不能满足排放标准，就必须借助化学法除
磷。
B
38
生物除磷过程
• 聚磷菌的过量摄取磷：
B
39
• 聚磷菌
• 厌氧条件下释放磷（DO≈0，NOX-≈0） ATP+H2O→ADP+H3PO4+能量 需要易生物降解有机物
• 好氧条件下过量摄取磷 ADP+H3PO4+能量 → ATP+H2O
B
40
Influent
PO4 HAc
生物除磷示意图
Anaerobic PO4
HAc
Aerobic / Anoxic CO2
（NO2-）
O2 硝化
有机碳
硝态氮 缺氧 反硝化
氮气
（NO3-）
（N2）
有机碳
B
28
a 氨化反应：
新鲜污水中，含氮化合物主要是以有机氮，如蛋白 质、尿素、胺类化合物、硝基化合物以及氨基酸等形式 存在的，此外也含有少数的氨态氮如NH3及NH4+等。
微生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化作 用，很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮 衍生物，其中分解能力强并释放出氨的微生物称为氨化 微生物，在氨化微生物的作用下，有机氮化合物分解、 转化为氨态氮，以氨基酸为例：
进水水质/（mg·L-1）
250~300 100~150 150~200 35（25）
5~6
国家排放标准/（mg·L-1）
一级A
一级B
50
60
10
20
10
20
5（8）
8（15）
1
1.5
如何去除以达到排放标准？
常规活性污泥法的微生物同化和吸附；
生物强化除磷；
投加化学药剂除磷。 B
37
常规活性污泥法的微生物同化和吸附
用等。
B
19
四、磷的生物循环
1.有机磷化物的分解(解磷作用) 2.不溶性无机磷化物的转化(溶磷作用) 3.有效磷的微生物固定
微生物解磷作用
含磷矿物
风 化 作 用
土壤固定
有机磷化物
PO43-
不溶性磷酸盐
植物微生物同化作用
微生物溶磷作用
磷的生物循环
B
20
污水的生物脱氮除磷技术
生物脱氮除磷机理及生物学基础 生物脱氮除磷机理及生物学基础
从以上的过程可知，约96％的NO3-N经异化过
程还原，4％经同化过程合成微生物。
B
32
污水脱氮工艺
B
33
2.4 生物除磷
B
34
（二）污水中磷的去除
磷也是有机物中的一种主要元素，是仅次于氮的微生物生 长的重要元素。
磷主要来自：人体排泄物以及合成洗涤剂、牲畜饲养场及 含磷工业废水。
危害：促进藻类等浮游生物的繁殖，破坏水体耗氧和复氧 平衡；使水质迅速恶化，危害水产资源。
水解 RCH 2CN O H O H 2O H RCOH N C3H OO
细菌分解 RC2 C HO N O O 2H R HCO C C 2 O N O3H O
B
29
b硝化反应：
返回
硝化反应是在好氧条件下，将NH4+转化为NO2和NO3-的过程。
24 N 32 H O 亚 硝 2酸 2 N 4 菌 O H 22 O H
• 微生物从水中摄取一定量的磷来满足其生理需要， 从而去除部分磷。
• 聚磷细菌，可以过量地、超出其生理需要地从外部 摄取磷，并以聚合磷酸盐的形式贮存在细胞体内， 如果从系统中排出这种高磷污泥，则能达到除磷的 效果。
B
36
一般城市污水水质与排放要求
项目
CODcr BOD5
SS TKN(NH3-N)
TP
在反硝化菌代谢活动的同时，伴随着反硝化菌 的生长繁殖，即菌体合成过程，反应如下：
3 N 3 1 C O 3 4 O H C H 2 3 H O 3 C 5 H 7 O 2 N 12 O 9H
式中：C5H7O2N为反硝化微生物的化学组成。 反硝化还原和微生物合成的总反应式为：
N 3 1 . 0 O C 3 O 8 H H H 0 .0 5 H 7 O 6 2 N 0 5 . 4 N 2 C 7 0.2 7 26 2 . O 4
微生物能把上亿吨的低价值铜转变成纯铜。在美国、加拿大、 智利、澳大利亚及其南非，微生物通过生物浸矿法生产出的 铜占总产量的四分之一。
B
15
沉默的矿藏
细菌沥滤（bacterial leaching） 又称细菌浸出或细菌冶金
它利用化能自养的硫化细菌对矿物中的硫或硫化物的氧化作 用，让其不断制造和再生酸性浸矿剂，使所需要的铜等金属 不断地从低品位的矿石中溶解出来，成为硫酸铜等金属盐类 的溶液，然后再通过电动序较低的铁等金属（一般用废铁粉 ）加以置换，也可用离子交换等方法，以取得其中铜等有色 金属或其他稀有金属。
B
27
RCH 2CN O H O H 2O H RCOH N C3H OO
有机氮
RC2 C HO N O O 2 H R HCO C C 2 O N O3H O
（蛋白质、尿素）
细菌分解和水解
氨氮 同化
有机氮
有机氮
（NH3-N）
（细菌细胞）
（净增长）
O2 硝化
自溶和自身氧化
亚硝态氮 缺氧 反硝化
PO4
Settling phase Effluent
PHA Poly-P
PHA Poly-P
O2 (NO3)
Return sluge
Anaerobic PO4
Aerobic / Anoxic
Waste sluge Settling phase
Bulk liquid
Biomass
HAc PHA Poly-P GLY
废水中的氮以有机氮、氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮 四种形式存在。
(1) 生物脱氮机理
同化作用去除的氮依运行条件和水质而定，如果 微生物细胞中氮含量以12.5%计算，同化氮去除占原 污水BOD的2%~5%，氮去除率在8%~20%。
生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨态 氮转化为N2和NxO气体的过程。其中包括硝化和反硝 化两个反应过程。
NN
1. 工业固氮作用
NH3
N2+3H2
300大气压 300℃铁触媒
2NH3
2、生物固氮作用
6NAD(P)H
NAD(P)+
NN
NH3
Mg2+
ATP
ADP+Pi
B
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（二）硝化作用:
好氧时
亚硝酸细菌： NH4+ 两类细菌：
硝化细菌： NO2-
NO2NO3-
B
8
（三）反硝化作用：
兼性厌氧的硝酸盐还原细菌将硝酸盐还原为氮气。
响出水的水质。
B
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（四）氨化作用:
有机氮
NH4+ +SO42-+H2O
B
10
（五）铵盐同化作用：
所有绿色植物和许多微生物进行的以铵盐为营 养，合成氨基酸、蛋白质、核酸和其它含N有机 物的作用，都是---。
B
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三、硫的生物循环
B
12
B
13
B
14
沉默的矿藏
铜（copper）：红色的金子
西班牙人从黄色的河流中获得铜矿。但直到三十年前，人们 才意识到在从微溶的铜硫化物到可溶的铜硫酸物的萃取过程 中，细菌起到了积极的辅助作用。
NO3- NO2- NO 反硝化作用的三种结果：
N2O N2
a.通过硝酸还原酶的作用将硝酸还原为氨。
b.反硝化细菌在厌氧条件下，将硝酸还原为氮气。
c. 硝酸盐还原为亚硝酸。
反硝化作用的危害：反硝化作用一般只在厌氧条件下，
如淹水的土壤，或死水塘中发生。使土壤的肥力下降，
在污水生物处理系统中，使出水含有多量的泥花，影
内贮存好的氧聚条-件羟下基，丁除酸磷的菌氧利化用分废解水所中释的放B的O能D5量或来体 摄取废水中的磷，一部分磷被用来合成ATP，另外 绝大部分的磷则被合成为聚磷酸盐而贮存在细胞体 内。
• 聚磷菌的磷释放：
在厌氧条件下，除磷菌能分解体内的聚磷 酸盐而产生ATP，并利用ATP将废水中的有机物摄 入细胞内，以聚-羟基丁酸等有机颗粒的形式贮存 于细胞内，同时还将分解聚磷酸盐所产生的磷酸排 出体外。一般，在好氧条件下所摄取的磷比在厌氧 条件下所释放的磷多，废水生物除磷工艺是利用除 磷菌的这一过程，将多余剩余污泥排出系统而达到 除磷的目的。
62 N 3 C 3 O O H 亚 H 硝 3 N 酸 2 3 C 还 2 3 原 O H 2 O 菌 6- O
总反应式为：
63 N 5 C 3 O O H 反 H 硝 3 N 2 化 5 C 菌 2 7 O H 2 O 6- OH
反硝化菌属异养兼性厌氧菌，在有氧存在时，它 会以O2为电子进行呼吸；在无氧而有NO3-或NO2-存在 时体和，营则养以源NO进3-行或反NO硝2-化为反电应子B 。受体，以有机碳为电子供31