第四章成岩阶段有机质的微生物分解和演变

植物
动物
动物 排泄物
微生物 硝酸同化作用 (植物、微生物) 固氮作用 (原核生物) 氨化作用 (微生物) 氨的同化作用 (植物、微生物) NH3
NO3 硝酸还原作用 (原核生物)
N2
反硝化作用 (原核生物) NO2 硝化作用 (原核生物)
实线——氮原子的氧化作用 虚线——氮原子的还原作用
一、微生物的作用——4、异养微生物在地化中的作用
成。最重要的非共生固氮作用者是兰细菌。生物残体的蛋白质和核酸经微
生物分解形成氨，氨经专化好气细菌氧化成亚硝酸，亚硝酸再氧化成硝酸 。硝酸盐是供植物利用的主要有效含氮物质，氨转化成硝酸的作用称硝化
作用。另一类专化细菌，可使硝酸还原成氮气(称反硝化作用 ) 又返回大
气。
含氮有机化合物(氨基酸)
④ 对生物元素 地化循环贡献
土壤中腐殖酸 的碳、氮都高
0.05
泥炭和煤中氮 低碳高
二、腐殖质的组成、结构及性质——2、腐殖酸结构
富 含 脂 链 、海 脂水 环中 、的 肽腐 链殖 ，质 芳 香 结 构 较 少 。
——
二、腐殖质的组成、结构及性质——2、腐殖酸结构
可将近代 沉积物有机质 分为两类： 主要来源 于高等植物， 在土壤、泥炭 中的是真正腐 殖质。
② 压力高达1000atm
③ 介质pH值可从1到11，最适宜的pH值范围是6.5到8。 ④ 细菌可以在淡水和高饱和盐溶液中大量繁殖。 在一些极端环境，如火山热泉、冰冻极区、酸性热泉、高盐湖中都 有细菌存在。微生物生长最重要的限制因子是营养物质。只在有大量有 机物质存在，这种或那种群落的微生物就会大量生、繁殖。
一、微生物的作用——2、微生物的分布
微生物体积小，细胞能与环境直接接触，有利于细胞吸收大量营养 物质和排除废物，因而代谢作用迅速、活动力强； 微生物生殖率大、世代时间短，能在短时间内繁殖大量的群体，有
利于适应变化剧烈的新环境，能在环境相差极大的空间中生长和繁殖。
微生物生存条件： ① 温度可以从-10℃到105℃
而主要来 源于水生生物， 在还原环境下 形成的物质可 称为腐泥质。
土 壤 中 腐 殖 质 以 酚 结 构 为 主 ， 脂 肪 结 构 较 少 。
二、腐殖质的组成、结构及性质——3、腐殖酸性质
① 溶解和溶胶性质：腐殖酸或多或少溶于碱性、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 机溶剂。 腐殖酸由极小球状微粒组成，粒径8~10nm，具有胶体特性。其表面积 大、粘度较高、吸附力强，可吸附其它分子和粒子。 ② 弱酸性质：由于腐殖酸中酸性基团上活泼氢的存在使其具有弱酸性， 其酸性强度取决于羧基和酚羟基的含量。 富啡酸强于胡敏酸 缩合作用 羧基较少 中性胡敏素 ③ 热解性质：加热腐殖酸，随温度升高，碳含量增加，氧含量减少。 250℃~400℃：侧链断裂；500℃以上腐殖酸“核”分解；540℃不再含氧。 ④ 分子量：没有固定的分子量。 湖泊腐殖酸分子量约6400，沼泽泥炭腐殖酸分子量约7600。从富啡酸到 胡敏酸分子量逐渐增加，富啡酸约626~2000，胡敏酸2000~2000000。
④ 对生物元素 地化循环贡献
还原的有机化合物(如半胱氨酸) 植物 动物 动物 排泄物
实线——硫原子的氧化作用 虚线——硫原子的还原作用
微生物 硫酸同化作用 (植物、微生物) 有机质分解作用 (微生物)
SO42-
硫酸还原作用 (细菌)
H2S
硫的氧化作用 (无色硫细菌 和光合硫细菌) S
H2S氧化作用 (无色硫细菌 和光合硫细菌)
作用结果
大部分原始有机质被微生物分解和选择性吸收，剩余的组分 和参与的微生物残体一起，经还原、缩聚等作用形成了腐植质和 干酪根。
一、微生物的作用——1、微生物简介
地球上生物可分为三大类——动物、植物和原生生物。
原生生物即普通所指的微生物——任何显微尺度的生物。 原生生物——原核生物和真核生物，
原核生物——包括细菌和蓝细菌(蓝藻)；
腐殖酸
对有机质的演化提供重要信息
二、腐殖质的组成、结构及性质——1、腐殖酸组成
现代分析技术（电子显微镜、 X衍射、核磁共振等）对腐殖酸 研究表明：
对腐殖质的研究主要集中于腐殖酸上
土壤及岩石中总有机质 NaOH 0.1N pH=13 Na2P2O7 0.1N 不溶 胡敏素(H) (Humin) 溶解 腐殖酸 HCl pH=2 不溶 胡敏酸(HA) (Humic acid) 溶解 富啡酸(FA) (Fulvic acid)
⑥ 参与或促进形成甲烷气、腐植质和干酪根。
二、腐殖质的组成、结构及性质
在年青沉积物中，由大分子生物化合物降解的产物（糖类、氨基酸、脂 肪酸等）的含量随深度增加而迅速减少。
这是由于：一方面不断被微生物利用吸收；另一方面或被地下水带走或 产生聚合作用。 同时，一些不能水解和不溶于有机溶剂的组分越来越丰富，占沉积物中 有机质的75%~95%，这就是土壤中的腐殖质（Humic Material）。 腐殖质是土壤、现代沉积物中主要有机组成，土壤中碳的60%~70%存在 于腐殖质中。它是生物（主要是植物）残体经细菌分解后聚合的有机物，既 没有固定的元素组成，也没有特定的化学性质。 腐殖质通常分为三类： 富啡酸（FA）、胡敏酸（HA）、胡敏素
一、微生物的作用——4、异养微生物在地化中的作用
⑤ 改造、代谢有机质 一方面各类微生物在酶的催化下对几乎所有有机质具有非凡的联合分 解吸收能力，其中包括生油能力不强的大量纤维素、半纤维素、木质素等 高等植物的主要成分。另一方面，也是在酶催化下，微生物又以惊人的速 度合成新细胞物质，进行生长繁殖。 微生物的生物化学组成结构，与高等植物生化组成大不相同。 微生物是高类脂、高蛋白质；而高等植物则是高纤维素、高木质素。 也就是说，通过微生物代谢活动，使沉积物中不太有利生油的有机质 改造成更加有利生油的有机质。
第四章 成岩阶段有机质的 微生物分解和演变
一、微生物的作用 二、腐殖质的组成、结构及性质 三、缩合作用——腐殖质的形成 四、腐殖质的演化及成岩阶段产物
成岩阶段 环境条件
上覆压力不大，温度不高(低于50-60℃)，富含孔隙水， 无机矿物与有机质混杂，底栖生物尤其是微生物活跃，组 成了复杂的体系。
适应环境
一、微生物的作用——2、微生物的分布
土壤是微生物生存的基地，是最适合它们生长、繁殖的栖所。 微生物分布： ① 土壤表层，无论在数量上和种类上都比深层土内多。 ② 在水体及水底淤泥和沉积物中，也大量分布着多种微生物。 ③ 分布于水表层和上层大都是好气型微生物。 ④ 而在深水或滞水水底、水底细粒沉积物中大都是嫌气型生物。 在沉积物上部几十米范围内微生物活动十分活跃，但随深度增加其数量 急剧减少，而且可以由好气性细菌活动为主转变为嫌气性细菌活动为主。
而发酵和无氧呼吸没有氧参与，分解主要产物仍是有机物。特别是 发酵作用可以说主要是改造有机质，而不是消耗有机质。故还原环境及 在其中进行的发酵作用有利于有机质的沉积和保存。 b. 有氧呼吸比发酵效率约高10倍。
c. 在氧化环境下几乎所有有机质都能降解。在还原环境的发酵作用 只能部分被发酵氧化。
一、微生物的作用——4、异养微生物在地化中的作用
它们与新的埋藏环境不相适应，将在内部发生一系 列生物化学、物理化学作用，改变沉积物的原始性质， 以达到新的稳定和平衡。
成岩阶段 发生作用
1、无机矿物经受了压实、定向、矿物转化、重结晶作用等固结 成岩。 2、湖沼中堆积的大量高等植物残体经过泥炭阶段形成了褐煤。 3、沉积物中分散有机质，在早期低温低压下不足以发生普遍的 化学反应，而以微生物的生物化学改造作用为主。
胞外酶分解
跨膜运输
有机 大分子
有机 小分子
微生物 吸收
细胞膜
一、微生物的作用——3、微生物的代谢机制
③ 不同的微生物分泌不同的胞外酶，可分解利用不同的有机物。 一些简单的作为微生物主要碳源和能源的化合物，如葡萄糖、果糖等几乎 所有微生物都能利用。而纤维素、半纤维素、甲壳素、果胶质、木质素、芳 香化合物、无机化合物等只能为具专化胞外酶的专化微生物所利用。 ④ 小分子化合物经过细胞膜进入细胞后，还要由酶来降解——中间产物—
2 300
28 100
4 200
1:5
1:2
一、微生物的作用——3、微生物的代谢机制
① 微生物的代谢途径十分错综复杂，但从方向上分两大类： 分解途径——分子结构由大变小被简单化——吸收利用营养物质 合成途径——分子结构由小变大被复杂化——生成新的细胞物质 ② 有机化合物是异养微生物的主要碳源和能源 细菌、真菌等通过细胞表面以吸收营养物质，故营养物质必须是小 分子溶质才能透过细胞质膜而进入细胞。自然界和沉积物中的各种有机 化合物都可被不同类型的异养微生物利用作为营养物质，但大部分大分 子化合物必须由胞外酶分解成小分子化合物后，才能跨膜运输，被微生 物细胞所吸收。
④ 对生物元素地化循环贡献 硫素循环：硫酸盐是水中普遍存在的矿物质。大多数的微生物利用 硫酸盐作为主要的硫源。在细胞蛋白质和酶中都含有硫。在生理上
是仅次于磷的重要矿质元素。元素硫和硫化氢也只有先氧化成硫酸
盐才能为生物所利用。而硫氧化细菌则可将硫化氢氧化成硫酸根为 生物提供硫源。 另一类硫酸盐还原菌可将水体和孔隙水中的硫酸盐还原成硫化氢， 造成强还原环境，有利于有机质的沉积和保存。 在还原环境中，只有部分硫能进入细菌细胞中。大部分S2-可与金属 元素结合成金属硫化物。在粘土软泥中铁很丰富。S2-与Fe结合成水 硫铁矿和陨硫铁矿，最后转化为黄铁矿(FeS2)
腐殖酸不是单一的纯有机化
合物，而是大分子非均一聚合物 腐殖酸主要由C、H、O、N、 S元素组成。不同的腐殖质其元 素含量变化很大。 富啡酸：C≤52%；O＞40% 胡敏酸：C≥52%；O＜40%
二、腐殖质的组成、结构及性质——1、腐殖酸组成
不同沉积环境中形成的腐殖酸，其元素含量有一定差别。
海相及湖相氢 和氮高，碳低
—再合成多种氨基酸、核苷酸、脂肪酸和糖类等——进而合成蛋白质、核酸
、类脂和多糖等。
有机营 养物质
一系列复杂的生化转变
新的微生物 细胞物质
一、微生物的作用——4、异养微生物在地化中的作用
在生物圈-有机圈中，微生物是无处不在、无所不能。 从起源意义上说，没有微生物就没有生命和生命的进化。
在动物、植物、微生物“三足鼎立”的生态系统中，异 ① 根据异养假说，异养微生物是地球上生命先驱。 养微生物是必不可少的成员——分解者 ② 在生态系统中，异养微生物是必不可少的成员 ——分解者。 ③ 造成有利于有机质沉积保存的还原环境。 ④ 对生物元素地化循环贡献：碳素循环、氮素循环、硫素循环。
深度(cm) 嫌气型细菌 好气型细菌 嫌气/好气
0~3
1 160 000
14 000 8 900 3 100
74 000 000
314 000 56 000 10 400
1:64
1:21 1:6 1:3
加利福尼亚 洲圣地亚哥 湾近代沉积 中细菌数量
4~6 14~16 24~26
44~46
66~ห้องสมุดไป่ตู้8
5 700
一、微生物的作用——1、微生物简介
按照细菌生活的环境，可将其分为喜氧细菌(好气性细菌)和厌氧细 菌(嫌气性细菌)。
喜氧细菌——必须在有氧环境里生活。在有氧情况下它们将葡萄分 解为二氧化碳和水，释放出大量能量，这一过程称有氧呼吸。 厌氧细菌——只能生活在缺氧环境下，如甲烷菌、硫酸盐还原菌等。 它们可利用葡萄糖中的结合氧，将其分解为二氧化碳和其它代谢产物， 释放出少量能量。这一过程称为发酵或无氧呼吸。 有许多细菌是兼性的，可在不同环境下采用不同的呼吸方式。从生 物进化上说，最早出现是厌氧细菌，以后才有光合细菌和喜氧细菌。
⑤ 改造、代谢有机质——分解有机质与合成有机质。
⑥ 参与（或促进）形成甲烷气、腐殖质和干酪根。
一、微生物的作用——4、异养微生物在地化中的作用
有氧呼吸与发酵和无氧呼吸的区别在于： a. 有氧呼吸有氧参加，最终使有机质彻底氧化成CO2和H2O。也就 是它既大量消耗有机质，又大量消耗氧。前者对有机质沉积、保存有害； 后者造成无氧还原环境，对其它有机质沉积保存有利。
④ 对生物元素地化循环贡献
氮素的循环：氮是生物蛋白质、核酸、酶的重要元素成分。虽然分子
态氮(N2)是丰富的，约占地球大气成分约80%，但在化学性质上是惰性的， 不能为大多数生物直接利用。它们需要的是化合态氮源——硝酸、亚硝酸 、氨等，而这些在土壤和水中都是比较贫乏的，常成为生物生长发育的限 制因子。将分子态氮转化成化合态氮的固氮作用是氮素循环的关键环节。 细菌是完成这一过程的最主要生物类群。90%以上的固氮作用由细菌代谢完
真核生物——包括原生动物、藻、真菌、粘菌。 原核——是没有核膜、核仁等结构的染色质体。 真核——是有核膜、核仁、染色体等结构。 对地质体内有机质进行改造的主要是以腐生为主的细菌和真菌。 只有异养腐生的细菌和真菌，它们以有机质为养料，并使部分有机物 矿质化，以便重新被光合生物所利用。这类微生物在有机质的改造和 在有机碳的生物-地化循环中，起了十分重要的作用。