【內(nèi)容提要】

本章介紹各種元素的地球生物化學循環(huán)。由微生物推動的碳素的地球生物化學循環(huán)中，二氧化碳和水由植物和光合微生物、藻類等固定為有機碳化合物，異養(yǎng)型微生物又將各種有機物進行分解和轉(zhuǎn)化。在生物物質(zhì)的釋放中，微生物所分解的物質(zhì)種群、數(shù)量和程度都遠遠超過其他生物。它們是自然界物質(zhì)生物循環(huán)的主要推動者。淀粉、纖維素、半纖維素、果膠、木質(zhì)素等的分解轉(zhuǎn)化都有賴于微生物的生命活動。氮素的地球生物化學循環(huán)由有機氮的氨化作用、氨的硝化作用（包括氨的厭氧氧化）和硝酸鹽、亞硝酸鹽的反硝化作用及大氣氮的生物固定作用組成。氨化作用有各種不同的方式。硝化作用可分為亞硝化作用和硝化作用兩個過程，相應(yīng)參與的微生物也有亞硝酸細菌和硝酸細菌。反硝化作用可分為同化型反硝化作用和異化型反硝化作用。生物固氮是植物所需氮素的重要來源，可分為自生固氮、共生固氮、聯(lián)合固氮等不同方式，其中根瘤菌和豆科植物的共生固氮是最重要的形式，不管何種形式，固氮的生物化學過程都是相同的。硫、磷、鉀和其他元素的地球生物化學循環(huán)都有著各自的特點。

碳、氫、氧、氮、硫、磷、鐵、錳、鉀、鈣等，都是組成生物體的必需化學元素。生物只有不斷地從環(huán)境中獲取這些元素才能生長、發(fā)育和繁殖。但地球上這些元素特別是能被有效利用的部分的貯存量終究是有限的，而生命的延續(xù)和發(fā)展卻是無盡的。這些元素的供求矛盾只有在物質(zhì)的不斷循環(huán)中才能得以解決。物質(zhì)生物地球化學循環(huán)，即生物所推動的物質(zhì)循環(huán)，為有限的營養(yǎng)元素的無限循環(huán)使用創(chuàng)造了極其重要的條件。

物質(zhì)生物循環(huán)可以歸結(jié)為化學元素的生物固定（吸收至生物體內(nèi)，用于組成各種細胞物質(zhì)）和生物釋放（生物體分解，釋放各種細胞組分，其中的有機物質(zhì)最終轉(zhuǎn)化為無機物質(zhì)）這兩個相互對立的轉(zhuǎn)化過程。碳素是有機物質(zhì)的骨架，在物質(zhì)生物循環(huán)中起著十分獨特的核心作用。在自然界，化學元素的生物固定是從碳素開始的。綠色植物和無機營養(yǎng)型微生物（包括藻類和少數(shù)細菌）利用光能或化學能將二氧化碳和水還原為碳水化合物（含碳、氫、氧三種元素），不僅實現(xiàn)了無機態(tài)碳至有機態(tài)碳的轉(zhuǎn)化，也實現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化和貯存。碳水化合物可在細胞內(nèi)進一步轉(zhuǎn)化并結(jié)合氮、磷、硫等其他元素，合成生物體的各種有機組分，并逐步積累能量。與此同時，植物和有機營養(yǎng)型微生物也進行著分解作用，使有機物質(zhì)重新轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和各種無機物質(zhì)，并釋放其貯存的能量。由于這些生物的合成作用大大超過分解作用，其生命活動的凈結(jié)果是在自然界中積累生物物質(zhì)，即生物固定了各種化學元素。動物和有機營養(yǎng)型微生物則以植物和微生物為食，從中獲得生活所需的能量和組成機體的物質(zhì)成分。其生命活動的凈結(jié)果是導致積累于自然界中的生物物質(zhì)的分解和消失，即生物釋放各種化學元素。在生物物質(zhì)的釋放中，微生物所分解的物質(zhì)種群、數(shù)量和程度都遠遠超過其他生物。它們是自然界物質(zhì)生物循環(huán)的主要推動者。

微生物在元素的生物地球化學循環(huán)中主要推動著有機物的分解過程、無機離子的生物同化過程即生物固定過程、無機離子和化合物的氧化過程和各種氧化態(tài)元素的還原過程。

實際上各種元素的生物地球化學循環(huán)都不是獨立的，而是相互伴隨、交織和影響的，從而構(gòu)成各種復雜關(guān)系。