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(dòng)，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(guò)生物化學(xué)作用轉(zhuǎn)化為生命物質(zhì)，同時(shí)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(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程，稱為生物地球化學(xué)循環(huán)

生物體生物圈營(yíng)養(yǎng)元素營(yíng)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(kù)（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(shí)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(cè)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(duì)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(dòng)和全球變暖對(duì)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(wú)害或低害物分離過(guò)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(guò)影響微生物活性和物理化學(xué)反應(yīng)條件來(lái)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(duì)微生物活動(dòng)的影響南北水分對(duì)微生物活動(dòng)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(duì)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(dòng)

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(dòng)物群落的種類、數(shù)量、活性等人類活動(dòng)對(duì)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(duì)微生物活動(dòng)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(píng)價(jià)研究

目的：了解丘陵林-稻系統(tǒng)對(duì)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(chóng)傳播的環(huán)境優(yōu)勢(shì)？（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(yàn)地松-稻系統(tǒng)混-稻系統(tǒng)對(duì)照采集水樣不同時(shí)期灌溉水不同時(shí)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(píng)價(jià)研究結(jié)論松-稻系統(tǒng)混-稻系統(tǒng)對(duì)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(cè)定水樣pH水體鎘鉛測(cè)定：用孔徑30～50μm中速定量濾紙過(guò)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(cè)定。水溶性碳（DOC）測(cè)定：先用0.45μm濾膜抽濾水樣，再用MultiN/C3100型TOC/N測(cè)定儀測(cè)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(guò)濾水樣，去除飄浮雜質(zhì)，利用MultiN/C3100型TOC/N測(cè)定儀測(cè)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(shí)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(duì)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(duì)照11.790.947.144.799.2626.40.04.3表1林-稻系統(tǒng)山塘水及對(duì)照灌溉水不同時(shí)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(shí)期稻田水水溶性氮含量及組成無(wú)機(jī)氮采樣時(shí)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(duì)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(duì)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(shí)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(duì)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(duì)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(jí)ⅠⅡⅢⅣⅤ非稻季混稻0.100.000.690.210.00松稻0.200.130.010.310.35對(duì)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(duì)照0.120.090.120.120.55表4林—稻系統(tǒng)及對(duì)照不同時(shí)期稻田表面水不同水質(zhì)級(jí)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(xiǎn)）低于平原區(qū)稻田。（2）在稻季，林-稻系統(tǒng)對(duì)外源病蟲(chóng)害的相對(duì)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(dòng)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(xiǎn)。（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(yáng)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(guò)程中最終沉入水底土壤。（5