微生物在环境物质转化中的作用

    自然界的物质处于由无机物转化成有机物，再由有机物转化成无机物的往复循环之中。光合生物通过光合作用将无机物转化成有机物，供给人及动物需要，微生物分解生物残体，将其转化为无机物，供给绿色植物。异养微生物是有机物分解(矿化)作用的主体。

    1．微生物在碳素循环中的作用

    碳素是生物体最重要的一种元素，也是细胞结构骨架的物质，植物组织及生物细胞含有大量碳素，占干重的40％～50％，而它的主要来源是大气中的CO₂。但是大气中的CO₂含量处于一种永远供应不足的状态．只有通过生物所推动的碳素循环，特别是微生物的分解作用，使不同形态的碳素相互转化，大气中的CO₂才不会被耗竭，生命才能维持。 绿色植物和微生物通过光合作用固定自然界中的CO₂，合成有机物碳化物，进而转化成各种有机物；植物和微生物进行呼吸作用获得能量，同时释放了CO₂，动物以植物和微生物为食，并在呼吸作用中释放出CO₂。当动植物和微生物尸体等有机碳化物被微生物分解时，产生大量CO_2，于是整个碳素循环完成，简单地说，碳素循环包括CO₂的固定和CO₂的再生。微生物在碳素循环中具有非常重要的作用，它们既参与固定CO₂的光合作用，又参与再生CO₂的分解作用。

    (1)光合作用参与光合作用的微生物主要是藻类、蓝细菌和光合细菌，它们通过光合作用，将大气和水体中的CO₂合成为有机碳化物。特别是在大多数水生环境中，主要的光合生物是微生物，在有氧区域以蓝细菌和藻类占优势；而在无氧区域则以光合细菌占优势。

    (2)分解作用 自然界有机碳化物的分解，主要是微生物的作用。陆地和水域的有氧条件中，通过好氧微生物分解被彻底氧化为CO₂；在无氧条件中，通过厌氧微生物发酵被不完全氧化成有机酸、甲烷、氢和CO₂。能分解有机碳化物的微生物很多，主要有细菌、真菌和放线菌。

    2．微生物在氮素循环中的作用

    氮素是生物体合成及蛋白质的主要成分，是构成生物体的必需元素。虽然大气体积中约有79％是分子态氮，但所有植物、动物和大多数微生物都不能直接利用。初级生产者植物体需要的氨盐、硝酸盐等无机氮化物在自然界为数不多，常常限制了植物体发展，只有将分子氮进行转化和循环，才能满足植物体对氮素营养的需要。因此，氮素物质的相互转化和不断地循环，在自然界十分重要。自然界中的氮素循环包括许多转化作用，自然界的分子态氮被某些自由生活的微生物固定形成氨并转化为有机氮化物，或被微生物与植物联合作用转变成可供植物直接利用的氮化物形式。存在于植物和微生物体内的氮化物被动物食用，并在动物体内被转变为动物蛋白质。当动植物和微生物尸体及排泄物等有机氮化物被分解时以NH₃的形式释放出来供植物利用，或被氧化成为硝酸盐供植物吸收，或被进一步还原为气态氮返回自然界。于是整个氮素循环完成，氮素循环包括固氮作用、氨化作用、硝化作用和反硝化作用。

    (1)固氮作用 分子态氮被还原成氨和其他氮化物的过程称为固氮作用。自然界氮的固定，有两种方式：一是非生物固氮，即通过闪电高温放电等固氮，这样形成的氮化物很少；二是生物固氮，即通过微生物的作用固氮。

 
    (2)氨化作用 微生物分解有机氮化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，氨化作用产生的氨，一部分供微生物和植物同化，一部分被转变成硝酸盐。

 
    (3)硝化作用 微生物将NH₃氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用，整个过程由两类细菌分两个阶段进行：第一阶段是NH₃被氧化为亚硝酸盐，靠亚硝酸细菌完成；第二阶段是亚硝酸盐被氧化为硝酸盐，靠硝酸盐细菌完成。硝化作用形成的硝酸盐，在有氧环境中被植物、微生物同化，但缺氧环境中则被还原成分子态氮，从环境中消失。

    (4)反硝化作用 微生物还原硝酸盐，释放出分子态氮和NO的过程称为反硝化作用，参与这一作用的细菌称为反硝化作用细菌。

    3．微生物在硫素循环中的作用

 
    硫是生物重要的营养元素，它是一些必需氨基酸和某些维生素、辅酶等的成分。在自然界，硫素以元素S、H₂S、硫酸盐和有机态硫的形式存在，而植物一般只能以无机盐类作为养料。因此，硫素各种形式的循环转化对植物营养非常重要。自然界中的S和H₂S经微生物氧化形成SO₄^2-；SO₄^2-一被植物和微生物还原成有机硫化物，组成其本身；动物食用植物和微生物尸体中的有机硫化物，主要是含硫蛋白质，被微生物分解时，以H₂S和S的形式返回自然界，整个硫素循环完成。另外，SO₄^2-在缺氧环境中也可被微生物还原成H₂S。概括地说，硫素循环可划分为分解作用、同化作用、无机硫的氧化作用和无机硫化物的还原作用。

    (1)分解作用动、植物和微生物尸体中的有机硫化物，被微生物降解成无机物的过程称为分解作用。

    (2)同化作用微生物利用硫酸盐和H₂S，组成本身细胞物质的过程称为同化作用，细菌、放线菌、真菌中都有能利用硫酸盐作为硫源的种类。仅少数微生物同化H₂S。

    (3)无机硫的氧化作用 无机硫的氧化作用是微生物氧化H₂S、元素S或FeS等生成硫酸盐的过程。主要通过硫细菌完成。

    (4)无机硫化物的还原作用无机硫化物的还原作用是在厌氧条件下微生物将硫酸盐还原成H₂S的过程。参与此过程的微生物是硫酸盐还原细菌。

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