微生物在自然界物質循環中的作用

自然界的物質循環主要可歸納為兩個方麵：一是無機物的有機質化，即生物合成作用；另一個是有機物的無機質化，即礦化作用或分解作用。這兩個過程又對立、又統一，構成了自然界的物質循環。在物質循環過程中，以高等綠色植物為主的生產者，在無機物的有機質化過程中起著主要的作用；以異養型微生物為主的分解者，在有機質的礦化過程中起著主要作用。如果沒有微生物的作用，自然界各類元素及物質，就不可能周而複始地循環利用，自然界的生態平衡就不可能保持，人類社會也將不可能生存發展。

一、微生物在碳素循環中的作用

    碳素是構成各種生物體最基本的元素，沒有碳就沒有生命，碳素循環包括 CO₂ 的固定和 CO₂ 的再生。綠色植物和微生物通過光合作用固定自然界中的 CO₂ 合成有機碳化物，進而轉化為各種有機物；植物和微生物進行呼吸作用獲得能量，同時釋放出 CO₂ 。動物以植物和微生物為食物，並在呼吸作用中釋放出 CO₂ 。當動、植物和微生物屍體等有機碳化物被微生物分解時，又產生大量 CO₂ 。另有一小部分有機物由於地質學的原因保留下來，形成了石油、天然氣、煤炭、等寶貴的化石燃料，貯藏在地層中。當被開發利用後，經過燃燒，又複形成 CO₂ 而回歸到大氣中。

    微生物參與了固定 CO₂ 合成有機物的過程，但數量和規模遠遠不及綠色植物。而在分解作用中，則以微生物為首要。據統計地球上有 90 ％的 CO₂ 是靠微生物的分解作用而形成的。經光合作用固定的 CO₂ ，大部分以纖維素、半纖維素、澱粉、木質素等形成存在，不能直接被微生物利用。對於這些複雜的有機物，微生物首先分泌腦外酶將其降解成簡單的有機物再吸收利用。由於微生物種類及所處條件不一，進入體內的分解轉化過程也各不相同。在有氧條件下，通過好氧和兼性厭氧微生物分解，被徹底氧化為 CO₂ ；在無氧條件下，通過厭氧和兼性厭氧微生物的作用產生有機酸、 CH₄ 、 H₂ 和 CO₂ 等。

二、微生物在氮素循環中的作用

    氮素是核酸及蛋白質的主要成分，是構成生物體的必需元素。雖然大氣體積中約有 78 ％是分子態氮，但所有植物、動物和大多數微生物都不能直接利用。初級生產者植物需要的銨鹽、硝酸鹽等無機氮化物，在自然界中為數不多，是初級生產者最主要的生長限製因子。隻有將分子態氮進行轉化和循環，才能滿足植物體對氮素營養的需要。因此氮素物質的相互轉化和不斷地循環，在自然界十分重要。

( 一 ) 自然界中的氮素循環

    氮素循環包括許多轉化作用，包括空氣中的氮氣被微生物及微生物與植物的共生體固定成氨態氮，並轉化成有機氮化物；存在於植物和微生物體內的氮化物被動物食用，並在動物體內被轉變為動物蛋白質；當動植物和微生物的屍體及其排泄物等有機氮化物被各種微生物分解時，又以氨的形式釋放出來；氨在有氧的條件下，通過硝化作用氧化成硝酸，生成的銨鹽和硝酸鹽可被植物和微生物吸收利用；在無氧條件下，硝酸鹽可被還原成為分子態氮返回大氣中，這樣氮素循環完成。氮素循環包括微生物的固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用以及植物和微生物的同化作用。

( 二 ) 微生物在氮素循環的作用

1 ．固氮作用

    分子態氮被還原成氨或其他氮化物的過程稱為固氮作用。自然界氮的固定有兩種方式，一是非生物固氮，即通過雷電、火山爆發和電離輻射等因氮，此外還包括人類發明的以鐵作催化劑，在高溫 ( 500 ℃ ) 、高壓 (30.3975MPa) 下的化學固氮，非生物固氮形成的氮化物很少。二是生物固氮，即通過微生物的作用固氮，大氣中 90 ％以上的分子態氮，隻能由微生物的話性而固定成氮化物。能夠固氮的微生物，均為原核生物，主要包括細菌、放線菌和藍細菌。在固氮生物中，貢獻最大的是與豆科植物疫麵而瘤菌屬，其次是與非豆科植物共生的放線菌弗蘭克氏菌屬，再次是各種藍組菌，最後是一些自生固氮菌。化學固氮曾為農業生產仔萬於巨大的貢獻，但是，它的生產需要高溫條件和高壓設備，材料和能源消耗過大，因此產品價格高且不斷上漲。對自然界氮素循環中的因氮作用具有決定意義的是生物固氮作用。

2 ．氨化作用

    微生物分解含氮有機物產生氨的過程稱為氨化作用。含氮有機物的種類很多，主要是蛋白質尿素、尿酸和殼多糖等。

    氨化作用在農業生產上十分重要，施入土壤中的各種動植物殘體和有機肥料，包括綠肥、堆肥和廄肥等都富含含氮有機物，它們須通過各類微生物的作用，尤其須先通過氨化作用才能成為植物能吸收和利用的氮素養料。

3 ．硝化作用

    微生物將氨氧化成硝酸鹽的過程稱為硝化作用。硝化作用分兩個階段進六，第一個階段是氨被氧化為亞硝酸鹽，靠亞硝化細菌完成，主要有亞硝化單胞菌屬、亞硝化葉菌屬等的一些種類。第二階段是亞硝酸鹽被氧化為硝酸鹽，靠硝化細菌完成，主要有硝化杆菌屬、硝化刺菌屬和硝化球菌屬的一些種類。硝化作用在自然界氮素循環中是不可缺少的一環，但對農業生產並無多大利益。

4 ．同化作用

    銨鹽和硝酸鹽是植物和微生物良好的無機氮類營養物質，它們可被植物和微生物吸收利用，合成氨基酸、蛋白質、核酸和其他含氮有機物。

5 ．反硝化作用

    微生物還原硝酸鹽，釋放出分子態氮和一氧化二氮的過程稱為反硝化作用。反硝化作用一般隻在厭氧條件下進行。

    反硝化作用是造成土壤氮素損失的重要原因之一。在農業上常采用中耕鬆土的辦法，以抑製反硝化作用。但從整個氮素循環來說，反硝化作用還是有利的，否則自然界氮素循環將會中斷，硝酸鹽將會在水體中大量積累，對人類的健康和水生生物的生存造成很大的威脅。

三、微生物在硫素循環中的作用

    硫是生命物質所必需的元素，它是一些必需氨基酸和某些維生素、輔酶等的成分，其需要量大約是氮素的 l ／ 10 。

( 一 ) 自然界中的硫素循環

    自然界中的硫和硫化氫經微生物氧化形成 SO^4- ； SO^4- 被植物和微生物同化還原成有機硫化物，組成其自身；動物食用植物、微生物，將其轉變成動物有機硫化物；當動植物和微生物屍體的有機硫化物，主要是含硫蛋白質，被微生物分解時，以 H₂S 和 S 的形式返回自然界。另外， SO^4- 在缺氧環境中可被微生物還原成 H₂S 。概括地講。硫素循環可劃分為脫硫作用、同化作用、硫化作用和反硫化作用。

( 二 ) 微生物在硫素循環中的作用

    微生物參與了硫素循環的各個過程，並在其中起很重要的作用。

1 ．脫硫作用

    動植物和微生物屍體中的含硫有機物被微生物降解成 H₂S 的過程稱為脫硫作用。

2 ．硫化作用

    即硫的氧化作用，是指硫化氫、元素硫或硫化亞鐵等在微生物的作用下被氧化生成硫酸的過程。自然界能氧化無機硫化物的微生物主要是硫細菌。

3 ．同化作用

    由植物和微生物引起。可把硫酸鹽轉變成還原態的硫化物，然後再固定到蛋白質等成分中。

4 ．反硫化作用

    硫酸鹽在厭氧條件下被微生物還原成 H₂S 的過程稱為反硫化作用。

    微生物不僅在自然界的硫素循環中發揮了巨大的作用，而且還硫礦的形成，地下金屬管道、艦船、建築物基礎的腐蝕，銅、鈾等金屬的細菌瀝濾以及農業生產聳彭有著密切的關係。在農業生產上，由微生物硫化作用所形成的硫酸，不僅可作為植物的硫素營養源，而且還有助於土壤中礦質元素的溶解，對農業生產有促進作用。在通氣不良的土壤中所進行的反硫化作用，會使土壤中 H₂S 含量提高，對植物根部有毒害作用。