第六章 微生物与生物地球化学循环之磷循环剖析
生物地球化学循环的机制
生物地球化学循环的机制生物地球化学循环是指地球上生物体与环境中各种物质之间不断发生的转化和循环过程。
这些物质包括碳、氮、磷、硫等元素，通过生物体的吸收、转化和释放，维持着地球生态系统的平衡。
本文将分别探讨碳循环、氮循环、磷循环和硫循环的机制。
1. 碳循环碳是生命的基础元素，它通过光合作用和呼吸作用在生物体与环境之间循环。
当植物进行光合作用时，吸收二氧化碳并释放氧气，将碳元素固定为有机化合物。
这些有机化合物被植物和动物吸收，并通过呼吸作用释放二氧化碳。
在生物体死亡或有机物分解的过程中，部分有机碳被还原为二氧化碳释放到大气中，形成完整的碳循环。
2. 氮循环氮是构成生物体内蛋白质和核酸的重要元素，氮循环是生命活动中不可或缺的一部分。
氮循环包括氮的固氮、氨化、硝化、反硝化等一系列反应。
在固氮过程中，一些特定的微生物将气态氮固定为氨或硝酸盐，这些化合物被植物吸收利用。
植物被动物摄食后，氮进入动物体内，并通过排泄物释放。
死亡的生物体经由分解作用形成氨，再由细菌氧化为硝酸盐，最终通过还原作用得到气态氮，使氮循环得以完成。
3. 磷循环磷是构成生物体骨骼、核酸和能量储存分子的关键元素。
磷的循环主要涉及磷的吸收、利用和释放过程。
磷从土壤中被植物吸收，植物通过生长将磷元素积累起来。
当植物被动物食用后，磷进入动物体内。
通过动物的死亡和排泄物，磷回归到土壤，再被植物吸收利用。
这个循环过程使磷得以不断重复利用。
4. 硫循环硫是构成蛋白质和酶等生命组成物质的重要元素，硫的循环包括硫的固定、释放和转化等过程。
硫化微生物通过硫化作用将无机硫形成有机硫，有机硫进入生物体内。
动植物利用有机硫合成所需的有机化合物，当生物体分解或死亡时，硫又被还原为无机硫释放到环境中。
这些无机硫又可以再次被硫化微生物固定为有机硫，完成硫的循环。
综上所述，生物地球化学循环是通过生物体的吸收、转化和释放不同元素实现的一系列循环过程。
其中，碳循环、氮循环、磷循环和硫循环是生态系统中最为重要的循环过程，它们相互关联、相互影响，共同维持着地球生态系统的稳定和平衡。
微生物在环境物质循环和污染物转化中的作用—磷、硫、铁和锰的循环
4 反硫化作用
反硫化作用是指在厌氧条件下微生物将硫酸盐还原为 H2S的过程。该过程是在通气不良条件下主要由硫酸盐还原 菌（或名反硫化菌）所引起。反硫化作用具有高度特异性， 主要是由脱硫弧菌属、脱硫弯杆菌等厌氧型异养菌的作用。 如图所示，脱硫肠状菌是一类厌氧的产芽孢菌，能在厌氧环 境中，能还原硫酸盐和亚硫酸盐为H2S。
小结
在微生物的硫化和反硫化及同化作用下，实现自然界 硫素的良性循环。
磷素循环
元素磷是所有生物细胞都必不可少的。磷存在于一切核 苷酸结构中，三磷酸腺苷（ATP）与生物体内能量转化密切相 关。在生物圈内，磷主要以如下三种状态存在：
（1）以可溶解状态存在于水溶液中；
（2）在生物体内与大分子结合；
（3）不溶解的磷酸盐大部分存在于沉积物内。
的转化。反之则限制磷的转化。例如秋季池塘中水温逐渐下 降，藻类死亡，被异养微生物分解，释放出无机磷。释出的 无机磷须待来年气温转暖，水温合适后才能被细菌和藻类同 化。
磷的循环
•生物有机磷
•植 物 与 微 生 物的吸收同化
•微生物的分 解作用
•磷酸酶
•微生物代谢产 生的有机酸、 NO3-、SO42-
1 磷循环原理
磷循环包括可溶性无机磷的同化、有机磷的矿化及难溶性 磷的溶解等。
同化作用：生物吸收 异化作用：有机磷被微生物转化成无机磷 微生物对磷的转化起着重要作用。含磷废水排放到水中， 天然水体中可溶性磷酸盐浓度过大会造成藻类和蓝细菌大量繁 殖，即水体富营养化。
（1）可溶磷的同化
可溶性的无机磷化物被微生物同化为有机磷，成为活细 胞的组分。在水体中，磷的同化作用主要是由藻类进行的， 并在食物链中传递。
微生物在其它物质循环 中的原理和应用
磷循环的过程及特点
磷循环的过程及特点
过程：磷循环始于岩石的风化作用，磷元素从岩石中释放出来。
随后，这些磷元素被植物通过根部吸收，进入生物小循环。
植物体内的磷元素通过食物链传递，最终到达动物和人类。
在生物体内，磷元素被用于构成细胞结构、能量转换和储存等生物活动。
然后，通过生物的排泄物和死亡残体，磷元素重新进入环境。
此外，环境中的磷元素还可以通过地表径流进入江河、海洋，从而完成磷的地理大循环。
特点：磷循环是一种生物地球化学循环，其特点是磷元素在生物圈和地球的其他部分（如岩石、水体、大气等）之间不断循环流动。
这种循环保证了磷元素在生态系统中的持续利用。
然而，磷的循环与碳、氮循环相比，具有较大的局限性。
磷在土壤中的移动性很小，容易被固定，因此土壤常常成为磷的主要库。
此外，磷的循环速度较慢，这限制了植物对磷的利用率。
生物与地球系统的磷循环
自我调节机制：地球系统 中的磷循环具有自我调节 机制，如磷元素的沉淀、 溶解、吸附等物理化学过 程，以及生物的吸收、排 泄等生理过程，这些过程 共同维持着磷循环的平衡。
人类活动对磷循环的影响
农业活动：过量使用磷肥，导致土壤和水体中磷含量增加，影响磷循环平衡。 工业生产：排放含磷废水，造成水体富营养化，破坏磷循环平衡。 城市化进程：城市扩张导致土地利用方式的改变，影响磷的循环和迁移，破坏磷循环平衡。 交通排放：汽车尾气中的含磷化合物排放到空气中，影响大气中的磷循环平衡。
样品处理：对采集的样品进行预处理，如清洗、破碎、混合等，以便进行 后续的分析和测定。
实验设计与分析方法
实验目的：研究生物与地球系统中磷循环的规律和机制 实验材料：土壤、水体、生物等 实验方法：化学分析、同位素示踪、微生物分离培养等 数据分析：统计分析、图表绘制、模型建立等
数据处理与模型构建
数据采集：利用各种技术 手段获取磷循环相关数据
磷的储存：主要以磷酸盐的形式储存在土壤中 磷的转化途径：包括有机磷化物、无机磷化物和溶解态磷等多种形式之间 的相互转化 磷的迁移：通过水、风、动物和植物等途径在生物地球化学循环中迁移
磷的归宿
磷的来源：岩石风化、沉积物 矿化等
磷的迁移：通过水体、土壤、 生物等介质进行迁移
磷的转化：被微生物、植物等 吸收利用，转化为有机磷
磷循环失衡对环境和生物的影响
磷循环失衡导致 水体富营养化， 引发蓝藻等水生
生物大量繁殖
磷循环失衡影响 土壤质量，导致 土壤肥力下降， 影响农作物生长
磷循环失衡影响 生态系统稳定性，
导致生物多样性 减少
磷循环失衡加剧 气候变化，影响
全球环境
添加标题
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
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
生物地球化学循环研究
生物地球化学循环研究生物地球化学循环，是指地球上各种生物元素与无机元素之间相互转化的过程，是维持全球生态平衡的重要因素之一。
近年来，随着全球环境问题的日益严重，对生物地球化学循环的研究也越来越深入，为人类探索全球环境变化提供了重要的科学数据支持。
一、生物地球化学循环的基本过程生物地球化学循环通常分为三个过程，即生物固定、物质循环和生物释放。
简单来说，就是植物通过光合作用将二氧化碳、水和养分转化为有机物质；然后有机物质通过食物链逐层转化，在各个生物体间循环；最后，生物体死亡后，有机物质被微生物分解为无机物质，供下一轮生物固定。
二、生物地球化学循环的关键元素生物地球化学循环中，碳、氮、磷是最为重要的元素。
碳元素是生物体构成有机物的基础，通过二氧化碳固定到有机物中，并在呼吸和分解过程中释放出来，影响大气中的缺氧气体；氮元素是构成核酸和蛋白质的基础，在土壤中的循环能够维持作物生长的良性循环；磷元素是细胞质膜和ATP等重要分子的组成成分，在海洋中的循环对海洋生物的生长起着重要作用。
三、生物地球化学循环的研究方法近年来，随着科技水平的提升，研究生物地球化学循环的方法也越来越多样化。
其中，同位素示踪技术被广泛应用。
同位素是指同一元素中质子数相同、中子数不同的不同种类，它可以被用来追踪不同应用场合的元素，探究元素的来源、传输路径和作用过程。
四、生物地球化学循环的应用生物地球化学循环在许多领域都有广泛的应用。
在人类农业生产中，针对不同植物和土壤的养分需要有特定的养分调控方案，了解生物地球化学循环有助于调整养分平衡；在环境保护方面，密切关注生物体内的有毒污染物传输路径和污染物转化过程，寻找低风险的污染清理方式。
五、未来趋势随着全球气候变化的加剧，对生物地球化学循环的研究将成为解决环境问题的重要突破口。
未来的研究方向可能包括进一步开发新的研究技术和方法，将生物地球化学循环的过程和结果与生态学和生物学等学科进行更紧密的结合，以推动对全球气候变化和可持续发展的全面认识。
微生物地球化学循环的研究
微生物地球化学循环的研究微生物地球化学循环是指微生物参与地球上各种元素的转化和循环过程。
微生物作为地球上最古老、最丰富的生物群体，发挥着至关重要的作用。
本文将从微生物参与的关键元素循环、影响因素和应用前景三个方面来探讨微生物地球化学循环的研究。
一、微生物参与的关键元素循环1.碳循环碳是地球上最重要的元素之一，微生物在碳的循环过程中发挥着重要作用。
首先，微生物通过光合作用和化学合成作用吸收和固定大量的二氧化碳，将其转化为有机物。
其次，微生物参与有机物的分解和降解过程，将有机碳释放到环境中，使之再次循环。
此外，微生物还参与甲烷和二氧化碳的产生与消耗，对温室效应的控制起到至关重要的作用。
2.氮循环氮是生物体内重要的组成成分，而微生物在氮的循环过程中发挥着重要角色。
首先，微生物能够将大气中的氮气转化为氨，即固氮作用。
其次，微生物参与氨的氧化和还原过程，将氨转化为亚氨酸、亚硝酸盐和硝酸盐，进而参与生物体的酶和蛋白质的合成。
微生物还可通过反硝化作用将硝酸盐还原为氮气，促进氮的循环。
3.磷循环磷是生物体内重要的能量储备和结构组分，微生物参与磷的循环过程中发挥着重要作用。
首先，微生物通过磷酸盐的溶解和矿物质的分解，释放出磷酸盐。
其次，微生物参与磷的吸收和固定过程，将磷酸盐转化为有机磷化合物。
微生物还能够通过固磷和溶磷作用调节磷的有效性和生物可利用性。
二、微生物地球化学循环的影响因素微生物地球化学循环的研究不仅需要了解微生物的生理特性和代谢途径，还需要考虑到环境中的影响因素。
以下是几个常见的影响因素：1.环境温度微生物的活性和代谢速率都受到环境温度的影响。
不同的微生物在不同的温度下具有最适宜的生长和代谢条件，因此温度是微生物地球化学循环的重要影响因素之一。
2.土壤pH值微生物的生理特性和代谢途径受土壤pH值的影响很大。
土壤pH值的变化会导致微生物种群结构和代谢途径的改变，从而影响微生物地球化学循环过程。
3.氧气浓度氧气可以作为微生物代谢的供氧剂和电子受体，对微生物地球化学循环过程起到重要的调节作用。
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微生 物酶
核糖+磷酸+嘌呤+嘧啶
有机磷化物被矿 化过程中是否有 磷释放，取决于 其C/P：C/P<200，
释磷 C/P200～300不释 磷 C/P>300，吸磷
植酸
微生 物酶
磷酸+环已烷
植酸的分子结构
磷脂酸+水
微生 物酶
醇类+磷酸
卵磷脂
微生 物酶
甘油+磷酸+脂肪酸
2.2 难溶性磷化合物的溶解
微生物与生物地球 化学循环之磷循环
讲授内容
1 磷素循环概述 2 微生物在磷素循环各环节中的作用机制 3 当前主要研究方向 4 论文举例
磷素循环概述
几类主要磷库
陆地生物 2.6×109t 土壤 9.6～16×1010t 海洋沉积物 8.4×1014t 海洋生物 5～12×107t
岩矿 1.9×1010t
微生物产酸 溶解作用
难溶性磷化合物 （钙磷、铁铝磷）
磷酸+其它产物
微生物氧化还原反应 Fe3 +→ Fe2+
铁磷
磷酸+其它产物
磷酸+其它产物
脱硫弧菌
硫铁矿
2.3 磷的微生物同化作用
小分子有 机磷化物 微生物吸收同化 PO43-
同化条件：自身C/P>100/1；环境N/P> 10/1
3 当前主要研究方向
1990 年大田试验前土壤基本肥力性状
有机碳 全氮
15.4 g· kg -1 1.88 g· kg -1
全磷
0.60 g· kg -1
速效磷 pH
16.2 5.74
Al-P
31.6 mg·kg 1
Fe-P
104.8 mg ·kg
-1
Ca-P
O-P
有机磷
166.3 mg· kg 1.
67.4m · 129.9 mg ·kg Kg -1 -1
海洋溶解 8.0×1010t
有机磷
植物与 微生物 吸收 可溶性 磷酸盐
产酸微生 物作用 难溶性 磷酸盐 与土壤盐 基结合
微生物 作用
自然界磷的转化与循环
2 微生物在磷素循环各环节中的作用机制
有机磷的矿化作用
难溶性磷化合物的溶解 磷的微生物同化作用
2.1 有机磷的矿化作用
核糖核酸
• 微生物量磷与供磷
无机磷、 有机磷
吸收
微生物体
矿化 吸收
植物体
• 微生物量磷与环境 磷污染
无机磷、 有机磷
吸收
微生物体
矿化
面源污染
论文举例
• 题目：不同施肥模式下稻田土壤微生物生 物量磷对土壤有机碳和磷素变化的响应 • 目的：揭示稻田土壤微生物生物量磷对环 境变化的反应 • 思路：不同施肥试验→采土样→分析指标 →结论
明MB-P主要同化于有机磷。
3）相关分析表明, 土壤MB-P与Al-P、Ca-P呈显著正相关( P < 0.05) , 但 与Fe-P、O-P的相关性未达到显著水平.土壤微生物对稻田土壤Al-P、
Fe-P、Ca-P和O-P的利用可能是促进其向有效磷方向 转化的关键途径
4）当MB-C /MB-P值较小时,土壤微生物释放磷的潜力较大,从 而发挥补充有效磷库的功能;而当MB-C /MB-P值过高时,微生物 处于缺磷状态,趋于吸收土壤中的有效磷,从而与作物竞争土壤中 的有效磷。
MB-P与其它指标的相关性
Olsen-P MB-P ＊＊
有机P ＊＊
Al-P ＊＊
Ca-P ＊
MB-C ＊＊
＊ ＊——极显著相关；＊——显著相关
分析与结论
1）相关分析表明,土壤MB-P ( y)与Olsen-P ( x) 之间存在显著的线性相 关关系,其回归方程为y (mgkg- 1 ) = 0.5039x2 (mg ·kg- 1 ) + 15.66 ( R =0.824, P < 0.05) 但是在土壤Olsen-P含量低于7.0mg· kg- 1的情况下,无论是否存在有机养 分循环利用处理,土壤MB-P含量都显著高于土壤Olsen-P ( P< 0.05) ;在 土壤Olsen-P含量较高情况下( > 15.0mg· kg- 1 ) ,MB-P占土壤全磷比例 与Olsen-P占土壤全磷比例接近.说明MB-P是土壤有效磷的重要来源。 2）相关分析表明,土壤MB-P ( y)与有机磷( x)呈极显著的相关关系, 表
试验设计
1)不施化肥,收获物全部移出系统(CK) 2)不施化肥,收获物中养分循环利用(C) 3)施化肥N,收获物移出系统(N) 4)在施化肥N的基础上,收获物中养分循环利用(N +C) 5)施化肥N、P,收获物移出系统(NP) 6)在施化肥N、P的基础上,收获物中养分循环利用(NP+C) 7)施化肥N、P、K,收获物移出系统(NPK) 8)在施化肥N、P、K的基础上,收获物中养分循环利用 (NPK +C).