生物圈的繁荣发展

1、 v生物圈的繁荣发展，能量来源主要依赖于太阳，而元素生物圈的繁荣发展，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。来源主要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原始生命的摇篮第三节第三节 微生物与自然界物质循环微生物与自然界物质循环地球的进化地球的进化v化学进化：化学进化：由无机小

2、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，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并进一步演变为原始生命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。和分

3、解）两个环节。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。即出现了食物链。生态系统。即出现了食物链。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 v大气中的大气中的CO2（0.032%）周转利用最快。大气中的）周转利用最快。大气中的CO2只够只够绿色植物约绿色植物约20年使用。年使用。v微

4、生物在碳素循环中的作用：把有机物中的碳元素尽快矿化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。地球上约上约90%的的CO2是由微生物分解作用形成的。是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，木材占式积累于木本和草本植物躯干中，木材占60%，其中，其中75%是是纤维素、约纤维素、约20%是木质素和木聚糖、蛋白质仅占是木质素和木聚糖、蛋白质仅占1%左右。左右。在草本植物中多糖

5、含量更高。分解纤维素的任务就是由土壤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。中的一些特殊微生物来完成的。一、碳素循环一、碳素循环碳、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。 分解纤维素的微生物主要是担子菌亚门非褶菌目的真菌、其分解纤维素的微

6、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。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，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。糖醛酸等。n

7、 分解纤维素的微生物分解纤维素的微生物二、氮素循环二、氮素循环氮元素的自然形氮元素的自然形态：铵盐、亚硝酸态：铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐、有机盐、硝酸盐、有机含氮物、氮气。含氮物、氮气。（一）生物固氮（一）生物固氮据据7070年代中期的统年代中期的统计全球生物圈每年计全球生物圈每年生物固氮达生物固氮达2.42.4 10108 8吨，其中吨，其中6060由陆由陆生固氮生物完成，生固氮生物完成，4040由海洋固氮生由海洋固氮生物完成。物完成。 根瘤菌属每年可根瘤菌属每年可为每公顷土地固氮为每公顷土地固氮达达250Kg250Kg。（二）硝化作用（二）硝化作用（nitrification）v定义：氨态氮经

8、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（化亚硝酸，由亚硝化细菌（化能自养菌）参与；（能自养菌）参与；（2）亚硝酸）亚硝酸硝酸。由硝化细菌（化硝酸。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。一环，对农业无益。（三）同化性硝酸盐还原作用（三）同化性硝酸盐还原作用（assimilatory nitrate reduction） 定义：绿色植物和微生物在利用硝酸盐的过程中，硝酸盐定义：绿色植物和微生物在利

9、用硝酸盐的过程中，硝酸盐被重新还原成被重新还原成NH4+后再被利用于合成各种含氮有机物的后再被利用于合成各种含氮有机物的过程。过程。（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：Pseudomonas fluorescens（荧（荧光假单胞菌），光假单胞菌），Bacillus megaterium（巨大芽孢杆菌），（巨大芽孢杆菌），B. subti

10、lis和和B. mycoides（蕈状芽孢杆菌），（蕈状芽孢杆菌），Clostridium putrificum（腐败梭菌）。（腐败梭菌）。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）（脲芽孢八叠球菌）和和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）（嗜几丁杆菌）和和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

11、机物必须经过微生物降解才能被植物利用。（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。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（六）异化性硝酸盐还原作用（ dissimilatory nitrate reduction ）d定义：硝酸离子作为呼吸链的末端电子受体被还原为亚定义：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。硝酸的反应。d菌种：兼性厌氧菌，行无氧呼吸的菌种。菌种：兼性

12、厌氧菌，行无氧呼吸的菌种。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（广的过程（广义）。狭义的反硝化作用仅指由亚硝酸还原成义）。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 lichenoformis（地衣芽孢杆菌）、（地衣芽孢杆菌）、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

13、）、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，有效利用率只有学氮肥，有效利用率只有25%左右。另外可以利用水生性反左右。另外可以利用水生性反硝化细菌去除污水中的硝酸盐。硝化细菌去除污水中的硝酸盐。（七）反硝化作用（脱氮作用，（七）反硝化作用（脱氮作用，denitrification）

14、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。硝酸的氨化作用。v菌种：菌种：Aeromonas（气单胞菌属）、（气单胞菌属）、Bacillus（芽孢杆菌（芽孢杆菌属）、属）、Enterobacter（肠杆菌属）、（肠杆菌属）、Flavobacterium（黄（黄杆菌属）、杆菌属）、Nocardia（诺卡氏菌属）、（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）亚硝酸氨化作用三、硫素循环与细菌沥滤三、硫素循环与细菌沥滤SO

15、42S 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，最终以巯基形式固定在蛋白质等成分中。可形式固定在蛋白质等成分中。可由植物和微生物引起。由植物和微生物引起。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，把生物体中蛋白微生物的作用，把生物体中蛋白

16、质等含硫有机物中的硫分解成质等含硫有机物中的硫分解成H2S等含硫气体的作用。等含硫气体的作用。（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的作用。的作用。（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）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能溶解土壤中的磷酸钙或磷灰石的微生物较多。靠产酸灰石的微生物较多。靠产酸作用促进磷酸钙溶解。如硝作用促进磷酸钙溶解。如硝化细菌和硫化细菌。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水体中的可溶性磷酸盐浓度过大造成水体富营养化，进过大造成水体富营养化，进而严重污染水源。而严重污染水源