自然界的物質處於由無機物轉化成有要物，再由有機物轉化成無機物的往複循環之中。光合生物通過光合作用將無機物轉化成有機物，供給人及動物需要，微生物分解生物殘體，將其轉化為無機物，供給綠色植物。異養微生物是有機物分解（礦化）作用的主體。
一、微生物在碳素循環中的作用
碳素是生物體最重要的一種元素，也是細胞結構骨架的物質，植物組織及生物細胞含有大量碳素，約占幹重的４０－５０％，而它的主要來源是大氣中的ＣＯ２，但是大氣中的ＣＯ２含量處於一種永遠供應不足的狀態，隻有通過生物所推動的碳素循環，特別是微生物的分解作用，使不同形態的碳素相互轉化，大氣中的ＣＯ２才不會被耗竭，生命才能維持。
（一）自然界中的碳素循環
如圖所示＜綠色植物和微生物通過光合作用固定自然界中的ＣＯ2，合成有機物碳化物，進而轉化成各種有機物；植物和微生物進行呼吸作用獲得能量，同時放了ＣＯ２，動物以植物和微生物為食，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，產生大量ＣＯ２，於是整個碳素循環完成，簡單地說，碳素循環包括ＣＯ２的固定和ＣＯ２的再生。
（二）微生物在碳素循環中的作用
微生物在碳素循環中具有非常重要的作用，它們既參與固定ＣＯ２光合作用，又參與再生ＣＯ２的分解作用。
1、光合作用：參與光合作用的微生物主要是藻類，藍細菌和光合細菌，它們通過光合作用，將大氣中和水體中的ＣＯ２合成為有機碳化物。特別是在大多數水生環境中，主要的光合生物是微生物，在有氧區域以藍細菌和藻類占優勢；而在無氧區域則以光合細菌占優勢。
2、分解作用：自然界有機碳化物的分解，主要是微生物的
作用陸地和水域的有氧條件中，通過好氧微生物分解被徹底氧化為ＣＯ２；在無氧條件中，通過厭氧微生物發酵被不完全氧化成有要酸、甲烷、氫和ＣＯ２。
能分解有機碳化物的微生物很多，主要有細菌、真菌和放線菌。
二、微生物在氮素循環中的作用
氮素是生物體合成及蛋白質的主要成份，是構成生物體的必需元素。雖然大氣體積中約有７９％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。初級生產者植物體需要的氨鹽、硝酸鹽等無機氮化物、在自然界為數不多，常常限製了植物體發展，隻有將分子氮進行轉化和循環，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，如圖示：自然界的分子態氮，被某些自由生活的微生物固定形成氨並轉化為有機氮化物；或被微生物與植物聯合作用轉變成可供植物直接利用的氮化物形式。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，微生物屍體及排泄物等有機氮化物，主要是蛋白質或核酸，被各種分解時以ＮＨ３的形式釋放出來供植物利用，或被氧化成為硝酸鹽供植物吸收或被進一步還原為氣態氮返回自然界。於是整個氮素循環完成，氮素循環包括固氮作用，氨化作用，硝化作用和反硝化作用。
（二）微生物在氮素循環中的作用
微生物參與氮素循環的所有過程，並在每一過程中都起主要作用。
1、固氮作用
分子態氮被還原成氨和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，即通過閃電高溫放電等固氮，這樣形成的氮化物很少；二是生物固氮，即通過微生物的作用固氮，大氣中９０％以上的分子態氮都是微生物的活性而固定成氮化物。
2、氨化作用
微生物分解有機氮化物產生氨的過程稱為氨化作用。很多細菌、真菌和放線菌都能分解蛋白質及其含氮衍生物，氨化作用產生的氨，一部分供微生物，植物同化，一部分被轉變成硝酸鹽。
3、硝化作用
微生物將ＮＨ３氧化成硝酸鹽的過程稱為硝化作用；整個過程由兩類細菌分兩個階段進行。第一階段是ＮＨ３被氧化為亞硝酸鹽，靠亞硝酸細菌完成，第二階段是亞硝酸鹽被氧化為硝酸鹽，靠硝酸鹽細菌完成。
硝化作用形成的硝酸鹽，在有氧環境中，被植物微生物同化，但缺氧環境中，則被還原成分子態氮，從環境中消失。４、反硝化作用
微生物還原硝酸鹽，釋放出分子態氮和ＮＯ的過程稱為反硝化作用,參與這一作用的細菌稱為反硝化作用細菌。
三、硫素循環
硫是生物的重要的營養元素，它是一些必需ＡＡ和某些維生素，輔酶等的成份。
在自然界，硫素以元素Ｓ，Ｈ２Ｓ，硫酸鹽和有機態硫的形式存在，而植物一般隻能以無機鹽類作為養料。因此，S素各種形式的循環轉化，對植物營養非常重要。
（一）自然界中的硫素循環：如圖示：自然界中的Ｓ和Ｈ２Ｓ經微生物氧化形成ＳＯ42-；ＳＯ42-被植物和微生物還原成有機硫化物，組成其本身；動物食用植物和微生物屍體中的有機硫化物，主是是含硫蛋白質，被微生物分解時，以Ｈ２Ｓ和Ｓ的形式返回自然界，整個硫素循環完成。另外，ＳＯ42-在缺氧環境中也可被微生物還原成Ｈ２Ｓ，概括地說，硫素循環可劃分為分解作用，同化作用，無機硫的氧化作用和無機硫化物的還原作用。
(二)微生物在硫素循環中的作用
微生物參與Ｓ素循環的全過程，並起很重要作用。
1、分解作用：
動、植物和微生物屍體中的有機硫化物，被微生物降解成無機物的過程稱為分解作用。“硫酸鹽、Ｈ２Ｓ等”
2、同化作用
微生物利用硫酸鹽和Ｈ２Ｓ，組成本身細胞物質的過程稱為同化作用，細菌、放線菌、真菌中都有能利用硫酸鹽作為硫源的種類。僅少數微生物同化Ｈ２Ｓ。
3、無機硫的氧化作用
無機硫的氧化作用是微生物氧化硫化氫、元素Ｓ或ＦeＳ等生成硫酸鹽的過程。主要是硫細菌。
4、無機硫化物的還原作用
無機硫化物的還原作用是在厭氧條件下微生物將硫酸鹽還原成Ｈ２Ｓ的過程。參與此過程的微生物是硫酸鹽還原細菌。（脫硫弧菌屬、脫硫腸狀菌屬）
四、其他元素的微生物轉化
微生物在自然界以許多進行各種代謝，但基本上與氮素和硫素循環中的步驟和原則類似，總括起來為下列幾類反應：
（一）有機質的分解作用
（二）無要離子的固定或同化作用
（三）無機離子和化合物的氧化作用
（四）氧化態還原態的還原作用
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