第四章微生物与地球化学循环之碳循环

1、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生物地球化学循 环环 生物体 生物圈生物圈 营养元素 营养元素 4000 土壤和枯落层 15001600 岩石圈 120 000 00

2、0 海洋 38 000 大气圈750 陆地生物圈 500800 燃烧5 光合 40 60 呼吸作用 100120 海洋大气 交换 100 115 植物凋 落40 65 碳库（109t） 碳通量（109t/a） 全球碳素循环全球碳素循环 相关的概念：相关的概念： 周转速率、周转速率、 周转时间周转时间 2 微生物在碳循环中的作用机制 2.1 微生物固定CO2 CO2+H2O+能量CH2O+副产物 2.1.2 光能自养微生物利用光能固 定CO2合成碳水化合物 CO2+H2O+光能 CH2O+副产物 叶绿体 自养微生物光能自养微生物 硫细菌sulfur bacteria 2.1.2 化能自养微生物化

3、能自养微生物 硝化细菌nitrifying NH4+ NO3- CO2+H2O +能量 CH2O 硝化细菌 H2S S +能量 CO2+H2O CH2O硫细菌 2 微生物在碳循环中的作用机制 2.2 微生物分解有机质微生物分解有机质 O2+CH2O 呼吸作用 CO2+H2O 发酵作用 醇，有机酸， H2, CO2 CH4 天然气等化石燃 料 2 微生物在碳循环中的作用机制 微生物分解有机质 土壤呼吸测定 微生物 好气性 呼吸 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

4、； （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 3.2 土壤碳循环微生物影响因素研究土壤碳循环微生物影响因素研究 l 有机物自身因素的影响有机物自身因素的影响 l 非生物环境因子的影响非生物环境因子的影响 l 生物因素的影响生物因素的影响 3.3 人类活动和全球变暖对土壤微生物活性和有机人类活动和全球变暖对土壤微生物活性和有机 物分解的影响物分解的影响 纤维素生产酒精流程图纤维素生产酒精流程图 有机污染物 微生物无害或 低害物 分离过滤 再生水+可回收有机物 生活废水的处理生活废水的处理 石油污染土壤的修复石油污染土壤的修复 石油残留 根际微生物 植物 根际

5、分泌物 污染物 降解 有机物自身因素的影响有机物自身因素的影响 氮浓度、磷浓度、木质素和纤维素浓度、C /N 比、木质素/N 比、C /P比等；有机物中 磷的浓度、P + Ca、木质素+丹宁、碳水化 合物包括纤维素、重金属含量都与有机物 分解有关 有机物自身因素的影响有机物自身因素的影响 木质素木质素+丹宁较多的针叶丹宁较多的针叶木质素木质素+丹宁较少的阔叶丹宁较少的阔叶 非生物环境因子的影响非生物环境因子的影响 非生物环境包括物理的和化学的因素,如温 度、水分、通气状况、pH值、粘粒状况等。 非生物因子通过影响微生物活性和物理化 学反应条件来控制土壤有机碳的周转速率。 土壤有机质含量土壤有机

6、质含量 砖红壤 赤红壤 草甸土 温度对微生物活动温度对微生物活动 的影响的影响 南南 北北 水分对微生物活动的影响水分对微生物活动的影响 有机质含量高的水稻土有机质含量高的水稻土有机质含量低的旱土有机质含量低的旱土 通气状况对土壤微生物的影响 CH4多产 生于湿地 粘粒状况 粘粒影响土壤通气粘粒影响土壤通气 性，从而间接影响性，从而间接影响 土壤中微生物的活土壤中微生物的活 动动 生物因素的影响生物因素的影响 鸡丛菌与白蚁鸡丛菌与白蚁 生物因素是指参 与分解的异养微 生物和土壤动物 群落的种类、数 量、活性等 人类活动对土壤微生物活性和有机物分解的人类活动对土壤微生物活性和有机物分解的 影响影

7、响 草原草原 农耕地农耕地 土壤有机质含量土壤有机质含量 砖红壤 赤红壤 草甸土 气候变化对微生物活气候变化对微生物活 动的影响动的影响 南南 北北 论文举例 题目：武夷山植被带土壤微生物量沿海拔梯题目：武夷山植被带土壤微生物量沿海拔梯 度的变化度的变化 目的：考查不同海拔高度的土壤微生物量目的：考查不同海拔高度的土壤微生物量 思路：不同海拔高度采取土样思路：不同海拔高度采取土样 分析不同海拔生态因子及土壤微生物分析不同海拔生态因子及土壤微生物 生物量生物量 分析生态因子与土壤微生物生物量的分析生态因子与土壤微生物生物量的 关系关系 得到结论得到结论 结果 常绿阔叶林 ( EBF) 、 针叶林

8、(CF) 、 亚高山矮林(DF) 高山草甸(AM） 结论 u随着海拔的升高,土壤微生物量逐渐变大,其中AM 的年平均土壤微生物量显著大于DF、CF和EBF u年平均土壤微生物量与土壤总有机碳、全氮、全 硫含量以及土壤湿度呈显著正相关,而与土壤碳氮 比、pH值、土壤温度、凋落物量、土壤呼吸速率、 细根生物量相关不显著,表明土壤有机碳、全氮、 全磷和土壤湿度可能是调控土壤微生物量沿海拔 梯度变化的主要生态因子。 论文举例 题目：湘北丘陵林湘北丘陵林-稻系统稻田表面水质量效应及评稻系统稻田表面水质量效应及评 价研究价研究 目的：了解丘陵林-稻系统对稻田表面水质量的影响，即： （1）林地屏障作用丘陵林

9、-稻复合系统中的稻田是否具有 阻断污水灌溉、屏蔽病虫传播的环境优势？ （2）林-稻系统稻田表面水质量状况如何？ （3）表面水有机污染的稻田机制 ？ （4）稻田表面水Cd、Pb存在状态及迁移机制又如何？ 研究思路 选择试验地选择试验地 松-稻系统 混-稻系统 对照 采集水样采集水样 不同时期灌溉水 不同时期稻田表面水 分析质量指标分析质量指标 氮磷污染指标 有机污染指标 重金属污染指标 结果分析结果分析 通径分析 质量评价 研究结论研究结论 松-稻系统混-稻系统 对照稻田 水样总水样总N（TN） 水样总水样总P（TP） 水样水样COD利用紫外分光光度法测定 水样水样pH 水体镉铅水体镉铅测定：用

10、孔径3050 m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（水溶性碳（DOC）测定：先用0.45 m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。 水体颗粒碳水体颗粒碳（water particle organic carbon, WPOC）：先用孔径30 50 m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。 分析指标及方法分析指标及方法 采样时 期 系统

11、 类型 TN /mgL- 1 TP /mgL -1 pH DOC /mgL-1 WPOC /mgL- 1 COD /mgL-1 重金属/ gL-1 CdPb 非稻季 混-稻 0.9806.729.790.761.72.40.01 松-稻 3.3806.633.483.287.34.86.36 对照 13.570.967.213.032.520.90.69.05 稻季 混-稻 2.4806.538.558.7221.017.244.3 松-稻 5.361.997.013.548.8421.115.446.3 对照11.790.947.144.799.2626.40.04.3 表1 林-稻系统山塘

12、水及对照灌溉水不同时期TN、TP、DOC、 WPOC、COD、Cd、Pb含量及pH值 图1 不同林稻系统不同时期稻田水水溶性氮含量及组成 无机氮 采样 时期 系统 类别 TP/m gL-1 COD/m gL-1 重金属heavy metal pH 水体有机碳WOC / mgL-1 Cd/ gL-1 Pb/gL -1 DOC WPOC WTOC 非稻 季 混稻0 4.13.1 b 1.00. 9 b 8.24. 0b 6.67 0.28 13.6 2.0a 1.11. 4 14.7 1.0 松稻0 20.111. 7a 4.84. 4ab 26.25. 1a 7.22 0.50 1.42. 4

13、b 5.43. 9 6.85. 1 对照0 6.96.9 b 6.11. 6a 10.91. 6b 7.13 0.05 12.3 4.0a 2.72. 2 15.0 8.3 稻季 混稻 0.220. 17 19.610. 0 17.4 1.0b 42.60. 8b 6.87 0.13 12.2 1.4a 8.73. 8 20.9 5.2a 松稻 0.460. 35 26.08. 6 19.3 2.2b 49.76. 5ab 6.91 0.16 1.01. 3 b 10.5 3.0 11.5 1.4b 对照 0.180. 17 29.110. 0 29.3 0.9a 52.71. 1 a 6.9

14、9 0.05 8.04. 9 a 12.6 3.5 20.6 3.6a 表2不同时期不同系统稻田表面水TP、DOC、WPOC、 WTOC、Cd、Pb含量及pH值 pHDOCWPOC pH-0.741*0.066 COD0.145-0.1300.926* Cd-0.1380.0980.879* Pb-0.124-0.0860.873* 注： *表示自变量对因变量的影响达0.01极显著水平；通径分析样本数为19。 表3 稻田表面水pH、DOC、WPOC对pH、COD、 Cd、Pb的直接通径系数：揭示机制关系直接通径系数：揭示机制关系 水质分级 非稻季 混稻0.100.000.690.210.00

15、松稻0.200.130.010.310.35 对照0.020.000.000.100.88 稻季 混稻0.100.120.130.130.53 松稻0.000.180.180.010.62 对照0.120.090.120.120.55 表4 林稻系统及对照不同时期稻田表面水不同水质级别质量隶属度 莫不数学 （1）林-稻系统隔绝污水灌溉，使系统内氮污染、有机物污染、水体镉铅污染（风险）低 于平原区稻田。 （2）在稻季，林-稻系统对外源病虫害的相对屏障作用降低了系统内稻田农药施用量，减 轻了稻田表面水的有机污染和水体镉铅污染。但林-稻系统光照较弱不利于降低稻田表面 水磷素含量。 （3）松-稻系统湿地松纯林及林地施肥施农药等人为管理活动增加了系统稻田表面水氮磷 污染、有机污染及重金属镉铅污染的风险。 （4）稻田表面水有机质循环机制机制：稻田生物有机质融入稻田表面水后分解成小分子水溶 性有机质和稻田内源胶体有机质，水溶性有机质或分解成气体（CO2、CH4、H2等）逸散， 或相互作用形成新的内源胶体有机质；稻田内源胶体及外源胶体有机质与金属阳离子、悬 浮的粘土矿物络合而絮凝聚合形成聚合有机质悬浮颗粒，悬浮颗粒在粒径增大的过程中最 终沉入水底土壤。 （5）稻