第四章微生物與地球化學(xué)循環(huán)之碳循環(huán)教材

微生物與地球化學(xué)循環(huán)

之碳循環(huán)講授內(nèi)容1生物地球化學(xué)循環(huán)的概念2微生物在生物地球化學(xué)碳循環(huán)中的作用機(jī)制3當(dāng)前的有關(guān)研究方向4論文舉例1生物地球化學(xué)循環(huán)的概念

在地球表層生物圈中，生物有機(jī)體經(jīng)由生命活動，從其生存環(huán)境的介質(zhì)中吸取元素及其化合物(常稱礦物質(zhì))，通過生物化學(xué)作用轉(zhuǎn)化為生命物質(zhì)，同時排泄部分物質(zhì)返回環(huán)境，并在其死亡之后又被分解成為元素或化合物(亦稱礦物質(zhì))返回環(huán)境介質(zhì)中。這一個循環(huán)往復(fù)的過程，稱為生物地球化學(xué)循環(huán)

生物體生物圈營養(yǎng)元素營養(yǎng)元素4000土壤和枯落層1500～1600巖石圈120000000海洋38000大氣圈750陸地生物圈500～800燃燒5光合40～60呼吸作用100～120海洋大氣交換100～115植物凋落40～65碳庫（109t）碳通量（109t/a）全球碳素循環(huán)相關(guān)的概念：周轉(zhuǎn)速率、周轉(zhuǎn)時間2微生物在碳循環(huán)中的作用機(jī)制2.1微生物固定CO2

CO2+H2O+能量→CH2O+副產(chǎn)物2.1.2光能自養(yǎng)微生物利用光能固定CO2合成碳水化合物CO2+H2O+光能→

CH2O+副產(chǎn)物葉綠體自養(yǎng)微生物——光能自養(yǎng)微生物硫細(xì)菌sulfurbacteria2.1.2化能自養(yǎng)微生物硝化細(xì)菌nitrifyingNH4+

→NO3-CO2+H2O+能量CH2O硝化細(xì)菌H2S→S+能量CO2+H2OCH2O硫細(xì)菌2微生物在碳循環(huán)中的作用機(jī)制2.2微生物分解有機(jī)質(zhì)O2+CH2O呼吸作用CO2+H2O發(fā)酵作用醇，有機(jī)酸，H2,CO2CH4天然氣等化石燃料2微生物在碳循環(huán)中的作用機(jī)制微生物分解有機(jī)質(zhì)土壤呼吸測定微生物好氣性呼吸微生物分解有機(jī)質(zhì)厭氧發(fā)酵沼氣池3當(dāng)前的有關(guān)研究方向3.1主要研究方向——土壤微生物對有機(jī)碳的分解應(yīng)用型研究，如：（1）新型生物質(zhì)能源，如纖維素生產(chǎn)酒精、沼氣；（2）新材料，如椰棕纖維的應(yīng)用；（3）環(huán)境修復(fù)，如污水處理、石油污染土壤修復(fù)3.2土壤碳循環(huán)微生物影響因素研究

有機(jī)物自身因素的影響

非生物環(huán)境因子的影響

生物因素的影響3.3人類活動和全球變暖對土壤微生物活性和有機(jī)物分解的影響纖維素生產(chǎn)酒精流程圖有機(jī)污染物微生物無害或低害物分離過濾再生水+可回收有機(jī)物生活廢水的處理石油污染土壤的修復(fù)石油殘留根際微生物植物根際分泌物污染物降解有機(jī)物自身因素的影響氮濃度、磷濃度、木質(zhì)素和纖維素濃度、C/N比、木質(zhì)素/N比、C/P比等；有機(jī)物中磷的濃度、P+Ca、木質(zhì)素+丹寧、碳水化合物包括纖維素、重金屬含量都與有機(jī)物分解有關(guān)有機(jī)物自身因素的影響木質(zhì)素+丹寧較多的針葉木質(zhì)素+丹寧較少的闊葉非生物環(huán)境因子的影響非生物環(huán)境包括物理的和化學(xué)的因素,如溫度、水分、通氣狀況、pH值、粘粒狀況等。非生物因子通過影響微生物活性和物理化學(xué)反應(yīng)條件來控制土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)速率。土壤有機(jī)質(zhì)含量磚紅壤赤紅壤草甸土溫度對微生物活動的影響南北水分對微生物活動的影響有機(jī)質(zhì)含量高的水稻土有機(jī)質(zhì)含量低的旱土通氣狀況對土壤微生物的影響CH4多產(chǎn)生于濕地粘粒狀況粘粒影響土壤通氣性，從而間接影響土壤中微生物的活動

生物因素的影響

雞叢菌與白蟻生物因素是指參與分解的異養(yǎng)微生物和土壤動物群落的種類、數(shù)量、活性等人類活動對土壤微生物活性和有機(jī)物分解的影響草原農(nóng)耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量磚紅壤赤紅壤草甸土氣候變化對微生物活動的影響南北論文舉例題目：武夷山植被帶土壤微生物量沿海拔梯度的變化目的：考查不同海拔高度的土壤微生物量思路：不同海拔高度采取土樣→分析不同海拔生態(tài)因子及土壤微生物生物量→分析生態(tài)因子與土壤微生物生物量的關(guān)系→得到結(jié)論結(jié)果常綠闊葉林(EBF)、針葉林(CF)、亞高山矮林(DF)高山草甸(AM）結(jié)論隨著海拔的升高,土壤微生物量逐漸變大,其中AM的年平均土壤微生物量顯著大于DF、CF和EBF年平均土壤微生物量與土壤總有機(jī)碳、全氮、全硫含量以及土壤濕度呈顯著正相關(guān),而與土壤碳氮比、pH值、土壤溫度、凋落物量、土壤呼吸速率、細(xì)根生物量相關(guān)不顯著,表明土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和土壤濕度可能是調(diào)控土壤微生物量沿海拔梯度變化的主要生態(tài)因子。論文舉例題目：湘北丘陵林-稻系統(tǒng)稻田表面水質(zhì)量效應(yīng)及評價研究

目的：了解丘陵林-稻系統(tǒng)對稻田表面水質(zhì)量的影響，即：（1）林地屏障作用丘陵林-稻復(fù)合系統(tǒng)中的稻田是否具有阻斷污水灌溉、屏蔽病蟲傳播的環(huán)境優(yōu)勢？（2）林-稻系統(tǒng)稻田表面水質(zhì)量狀況如何？（3）表面水有機(jī)污染的稻田機(jī)制？（4）稻田表面水Cd、Pb存在狀態(tài)及遷移機(jī)制又如何？

研究思路選擇試驗地松-稻系統(tǒng)混-稻系統(tǒng)對照采集水樣不同時期灌溉水不同時期稻田表面水分析質(zhì)量指標(biāo)氮磷污染指標(biāo)有機(jī)污染指標(biāo)重金屬污染指標(biāo)結(jié)果分析通徑分析質(zhì)量評價研究結(jié)論松-稻系統(tǒng)混-稻系統(tǒng)對照稻田水樣總N（TN）水樣總P（TP）水樣COD利用紫外分光光度法測定水樣pH水體鎘鉛測定：用孔徑30～50μm中速定量濾紙過濾水樣，去除飄浮雜質(zhì)，再用稀HCl處理溶解水樣懸浮有機(jī)顆粒，最后用石墨爐原子光譜法測定。水溶性碳（DOC）測定：先用0.45μm濾膜抽濾水樣，再用MultiN/C3100型TOC/N測定儀測定濾液有機(jī)碳，得到DOC含量。水體顆粒碳（waterparticleorganiccarbon,WPOC）：先用孔徑30～50μm中速定量濾紙過濾水樣，去除飄浮雜質(zhì)，利用MultiN/C3100型TOC/N測定儀測定水體總有機(jī)碳含量，水體總有機(jī)碳含量減去水溶性碳含量，得到水體顆粒碳含量。分析指標(biāo)及方法采樣時期系統(tǒng)類型TN/mg·L-1TP/mg·L-1pHDOC/mg·L-1WPOC/mg·L-1COD/mg·L-1重金屬/μg·L-1CdPb非稻季混-稻0.9806.729.790.761.72.40.01松-稻3.3806.633.483.287.34.86.36對照13.570.967.213.032.520.90.69.05稻季混-稻2.4806.538.558.7221.017.244.3松-稻5.361.997.013.548.8421.115.446.3對照11.790.947.144.799.2626.40.04.3表1林-稻系統(tǒng)山塘水及對照灌溉水不同時期TN、TP、DOC、WPOC、COD、Cd、Pb含量及pH值圖1不同林—稻系統(tǒng)不同時期稻田水水溶性氮含量及組成無機(jī)氮采樣時期系統(tǒng)類別TP/mg·L-1COD/mg·L-1重金屬heavymetalpH水體有機(jī)碳WOC/mg·L-1Cd/μg·L-1Pb/μg·L-1DOCWPOCWTOC非稻季混稻04.1±3.1b1.0±0.9b8.2±4.0b6.67±0.2813.6±2.0a1.1±1.414.7±1.0松稻020.1±11.7a4.8±4.4ab26.2±5.1a7.22±0.501.4±2.4b5.4±3.96.8±5.1對照06.9±6.9b6.1±1.6a10.9±1.6b7.13±0.0512.3±4.0a2.7±2.215.0±8.3稻季混稻0.22±0.1719.6±10.017.4±1.0b42.6±0.8b6.87±0.1312.2±1.4a8.7±3.820.9±5.2a松稻0.46±0.3526.0±8.619.3±2.2b49.7±6.5ab6.91±0.161.0±1.3b10.5±3.011.5±1.4b對照0.18±0.1729.1±10.029.3±0.9a52.7±1.1a6.99±0.058.0±4.9a12.6±3.520.6±3.6a表2不同時期不同系統(tǒng)稻田表面水TP、DOC、WPOC、WTOC、Cd、Pb含量及pH值pHDOCWPOCpH-0.741**0.066COD0.145-0.1300.926**Cd-0.1380.0980.879**Pb-0.124-0.0860.873**注：**——表示自變量對因變量的影響達(dá)0.01極顯著水平；通徑分析樣本數(shù)為19。表3稻田表面水pH、DOC、WPOC對pH、COD、Cd、Pb的直接通徑系數(shù)：揭示機(jī)制關(guān)系水質(zhì)分級ⅠⅡⅢⅣⅤ非稻季混稻0.100.000.690.210.00松稻0.200.130.010.310.35對照0.020.000.000.100.88稻季混稻0.100.120.130.130.53松稻0.000.180.180.010.62對照0.120.090.120.120.55表4林—稻系統(tǒng)及對照不同時期稻田表面水不同水質(zhì)級別質(zhì)量隸屬度莫不數(shù)學(xué)（1）林-稻系統(tǒng)隔絕污水灌溉，使系統(tǒng)內(nèi)氮污染、有機(jī)物污染、水體鎘鉛污染（風(fēng)險）低于平原區(qū)稻田。（2）在稻季，林-稻系統(tǒng)對外源病蟲害的相對屏障作用降低了系統(tǒng)內(nèi)稻田農(nóng)藥施用量，減輕了稻田表面水的有機(jī)污染和水體鎘鉛污染。但林-稻系統(tǒng)光照較弱不利于降低稻田表面水磷素含量。（3）松-稻系統(tǒng)濕地松純林及林地施肥施農(nóng)藥等人為管理活動增加了系統(tǒng)稻田表面水氮磷污染、有機(jī)污染及重金屬鎘鉛污染的風(fēng)險。（4）稻田表面水有機(jī)質(zhì)循環(huán)機(jī)制：稻田生物有機(jī)質(zhì)融入稻田表面水后分解成小分子水溶性有機(jī)質(zhì)和稻田內(nèi)源膠體有機(jī)質(zhì)，水溶性有機(jī)質(zhì)或分解成氣體（CO2、CH4、H2等）逸散，或相互作用形成新的內(nèi)源膠體有機(jī)質(zhì)；稻田內(nèi)源膠體及外源膠體有機(jī)質(zhì)與金屬陽離子、懸浮的粘土礦物絡(luò)合而絮凝聚合形成聚合有機(jī)質(zhì)懸浮顆粒，懸浮顆粒在粒徑增大的過程中最終沉入水底土壤。（5