第四章微生物与地球化学循环之碳循环

1、微生物与地球化学循环之碳循环讲授内容 1 生物地球化学循环的概念 2 微生物在生物地球化学碳循环中的作用机制 3 当前的有关研究方向 4 论文举例1 生物地球化学循环的概念 在地球表层生物圈中，生物有机体经由生命活动，从其生存环境的介质中吸取元素及其化合物(常称矿物质)，通过生物化学作用转化为生命物质，同时排泄部分物质返回环境，并在其死亡之后又被分解成为元素或化合物(亦称矿物质)返回环境介质中。这一个循环往复的过程，称为生物地球化学循生物地球化学循环环 生物体生物圈生物圈营养元素营养元素4000土壤和枯落层15001600岩石圈120 000 000海洋38 000大气圈750陆地生物圈500

2、800燃烧5光合4060呼吸作用100120海洋大气交换100115植物凋落4065碳库（109t）碳通量（109t/a）全球碳素循环全球碳素循环相关的概念：相关的概念：周转速率、周转速率、周转时间周转时间2 微生物在碳循环中的作用机制2.1 微生物固定CO2 CO2+H2O+能量CH2O+副产物2.1.2 光能自养微生物利用光能固定CO2合成碳水化合物CO2+H2O+光能 CH2O+副产物叶绿体自养微生物光能自养微生物硫细菌sulfur bacteria 2.1.2 化能自养微生物化能自养微生物硝化细菌nitrifying NH4+ NO3-CO2+H2O+能量CH2O硝化细菌H2S S +

3、能量CO2+H2OCH2O硫细菌2 微生物在碳循环中的作用机制2.2 微生物分解有机质微生物分解有机质O2+CH2O呼吸作用CO2+H2O发酵作用醇，有机酸，H2, CO2CH4天然气等化石燃料2 微生物在碳循环中的作用机制微生物分解有机质土壤呼吸测定微生物好气性呼吸微生物分解有机质厌氧发酵沼气池3 当前的有关研究方向3.1 主要研究方向土壤微生物对有机碳的分解应用型研究，如：（1）新型生物质能源，如纤维素生产酒精、沼气；（2）新材料，如椰棕纤维的应用；（3）环境修复，如污水处理、石油污染土壤修复3.2 土壤碳循环微生物影响因素研究土壤碳循环微生物影响因素研究l 有机物自身因素的影响有机物自身

4、因素的影响l 非生物环境因子的影响非生物环境因子的影响l 生物因素的影响生物因素的影响3.3 人类活动和全球变暖对土壤微生物活性和有机人类活动和全球变暖对土壤微生物活性和有机物分解的影响物分解的影响纤维素生产酒精流程图纤维素生产酒精流程图有机污染物微生物无害或低害物分离过滤再生水+可回收有机物生活废水的处理生活废水的处理石油污染土壤的修复石油污染土壤的修复石油残留根际微生物植物根际分泌物污染物降解有机物自身因素的影响有机物自身因素的影响 氮浓度、磷浓度、木质素和纤维素浓度、C /N 比、木质素/N 比、C /P比等；有机物中磷的浓度、P + Ca、木质素+丹宁、碳水化合物包括纤维素、重金属含量

5、都与有机物分解有关有机物自身因素的影响有机物自身因素的影响木质素木质素+丹宁较多的针叶丹宁较多的针叶木质素木质素+丹宁较少的阔叶丹宁较少的阔叶非生物环境因子的影响非生物环境因子的影响 非生物环境包括物理的和化学的因素,如温度、水分、通气状况、pH值、粘粒状况等。非生物因子通过影响微生物活性和物理化学反应条件来控制土壤有机碳的周转速率。土壤有机质含量土壤有机质含量砖红壤赤红壤草甸土温度对微生物活动温度对微生物活动的影响的影响南南北北水分对微生物活动的影响水分对微生物活动的影响有机质含量高的水稻土有机质含量高的水稻土有机质含量低的旱土有机质含量低的旱土通气状况对土壤微生物的影响 CH4多产生于湿地

6、粘粒状况粘粒影响土壤通气粘粒影响土壤通气性，从而间接影响性，从而间接影响土壤中微生物的活土壤中微生物的活动动生物因素的影响生物因素的影响 鸡丛菌与白蚁鸡丛菌与白蚁生物因素是指参与分解的异养微生物和土壤动物群落的种类、数量、活性等人类活动对土壤微生物活性和有机物分解的人类活动对土壤微生物活性和有机物分解的影响影响草原草原农耕地农耕地土壤有机质含量土壤有机质含量砖红壤赤红壤草甸土气候变化对微生物活气候变化对微生物活动的影响动的影响南南北北论文举例题目：武夷山植被带土壤微生物量沿海拔梯题目：武夷山植被带土壤微生物量沿海拔梯度的变化度的变化目的：考查不同海拔高度的土壤微生物量目的：考查不同海拔高度的土

7、壤微生物量思路：不同海拔高度采取土样思路：不同海拔高度采取土样 分析不同海拔生态因子及土壤微生物分析不同海拔生态因子及土壤微生物生物量生物量 分析生态因子与土壤微生物生物量的分析生态因子与土壤微生物生物量的关系关系 得到结论得到结论结果常绿阔叶林( EBF) 、针叶林(CF) 、亚高山矮林(DF)高山草甸(AM）结论u随着海拔的升高,土壤微生物量逐渐变大,其中AM的年平均土壤微生物量显著大于DF、CF和EBFu年平均土壤微生物量与土壤总有机碳、全氮、全硫含量以及土壤湿度呈显著正相关,而与土壤碳氮比、pH值、土壤温度、凋落物量、土壤呼吸速率、细根生物量相关不显著,表明土壤有机碳、全氮、全磷和土壤

8、湿度可能是调控土壤微生物量沿海拔梯度变化的主要生态因子。论文举例题目：湘北丘陵林湘北丘陵林-稻系统稻田表面水质量效应及评稻系统稻田表面水质量效应及评价研究价研究 目的：了解丘陵林-稻系统对稻田表面水质量的影响，即：（1）林地屏障作用丘陵林-稻复合系统中的稻田是否具有阻断污水灌溉、屏蔽病虫传播的环境优势？ （2）林-稻系统稻田表面水质量状况如何？ （3）表面水有机污染的稻田机制 ？（4）稻田表面水Cd、Pb存在状态及迁移机制又如何？ 研究思路选择试验地选择试验地松-稻系统混-稻系统对照采集水样采集水样不同时期灌溉水不同时期稻田表面水分析质量指标分析质量指标氮磷污染指标有机污染指标重金属污染指标结

9、果分析结果分析通径分析质量评价研究结论研究结论松-稻系统混-稻系统对照稻田水样总水样总N（TN）水样总水样总P（TP）水样水样COD利用紫外分光光度法测定水样水样pH水体镉铅水体镉铅测定：用孔径3050 m中速定量滤纸过滤水样，去除飘浮杂质，再用稀HCl处理溶解水样悬浮有机颗粒，最后用石墨炉原子光谱法测定。水溶性碳（水溶性碳（DOC）测定：先用0.45 m滤膜抽滤水样，再用MultiN/C 3100型TOC/N测定仪测定滤液有机碳，得到DOC含量。水体颗粒碳水体颗粒碳（water particle organic carbon, WPOC）：先用孔径3050 m中速定量滤纸过滤水样，去除飘浮杂

10、质，利用MultiN/C 3100型TOC/N测定仪测定水体总有机碳含量，水体总有机碳含量减去水溶性碳含量，得到水体颗粒碳含量。分析指标及方法分析指标及方法采样时期系统类型TN/mgL-1TP/mgL-1pHDOC/mgL-1WPOC/mgL-1COD/mgL-1重金属/ gL-1CdPb非稻季 混-稻0.9806.729.790.761.72.40.01 松-稻3.3806.633.483.287.34.86.36 对照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.

11、8421.115.446.3对照11.790.947.144.799.2626.40.04.3表1 林-稻系统山塘水及对照灌溉水不同时期TN、TP、DOC、WPOC、COD、Cd、Pb含量及pH值图1 不同林稻系统不同时期稻田水水溶性氮含量及组成 无机氮采样时期系统类别TP/mgL-1COD/mgL-1重金属heavy metalpH水体有机碳WOC / mgL-1Cd/gL-1Pb/gL-1DOCWPOCWTOC非稻季混稻0 4.13.1b1.00.9 b 8.24.0b 6.670.2813.62.0a1.11.414.71.0松稻0 20.111.7a4.84.4ab 26.25.1a7

12、.220.501.42.4 b5.43.96.85.1对照0 6.96.9b6.11.6a10.91.6b7.130.0512.34.0a2.72.215.08.3稻季混稻0.220.1719.610.017.41.0b 42.60.8b 6.870.1312.21.4a8.73.820.95.2a松稻0.460.3526.08.619.32.2b49.76.5ab6.910.161.01.3 b10.53.011.51.4b对照0.180.1729.110.029.30.9a52.71.1 a6.990.058.04.9 a12.63.520.63.6a表2不同时期不同系统稻田表面水TP、D

13、OC、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： *表示自变量对因变量的影响达0.01极显著水平；通径分析样本数为19。 表3 稻田表面水pH、DOC、WPOC对pH、COD、Cd、Pb的直接通径系数：揭示机制关系直接通径系数：揭示机制关系水质分级非稻季混稻0.100.000.690.210.00松稻0.200.130.010.310.35对照0.020.000.000.100.88稻季混稻0.100.120.130.130.5

14、3松稻0.000.180.180.010.62对照0.120.090.120.120.55表4 林稻系统及对照不同时期稻田表面水不同水质级别质量隶属度 莫不数学（1）林-稻系统隔绝污水灌溉，使系统内氮污染、有机物污染、水体镉铅污染（风险）低于平原区稻田。（2）在稻季，林-稻系统对外源病虫害的相对屏障作用降低了系统内稻田农药施用量，减轻了稻田表面水的有机污染和水体镉铅污染。但林-稻系统光照较弱不利于降低稻田表面水磷素含量。（3）松-稻系统湿地松纯林及林地施肥施农药等人为管理活动增加了系统稻田表面水氮磷污染、有机污染及重金属镉铅污染的风险。（4）稻田表面水有机质循环机制机制：稻田生物有机质融入稻田表面水后分解成小分子水溶性有机质和稻田内源胶体有机质，水溶性有机质或分解成气体（CO2、CH4、H2等）逸散，或相互作用形成新的内源胶体有机质；稻田内源胶体及外源胶体有机质与金属阳离子、悬浮的粘土矿物络合而絮凝聚合形成聚合有机质悬浮颗粒，悬浮颗粒在粒径增大的过程中最终沉入水底土壤。（5）稻田表面水COD、