第四章成巖階段有機(jī)質(zhì)的微生物分解和演變

1、第四章第四章 成巖階段有機(jī)質(zhì)的成巖階段有機(jī)質(zhì)的 微生物分解和演變微生物分解和演變一、微生物的作用一、微生物的作用二、腐殖質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)二、腐殖質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)三、縮合作用三、縮合作用腐殖質(zhì)的形成腐殖質(zhì)的形成四、腐殖質(zhì)的演化及成巖階段產(chǎn)物四、腐殖質(zhì)的演化及成巖階段產(chǎn)物 上覆壓力不大，溫度不高(低于50-60)，富含孔隙水，無機(jī)礦物與有機(jī)質(zhì)混雜，底棲生物尤其是微生物活躍，組成了復(fù)雜的體系。 它們與新的埋藏環(huán)境不相適應(yīng)，將在內(nèi)部發(fā)生一系列生物化學(xué)、物理化學(xué)作用，改變沉積物的原始性質(zhì)，以達(dá)到新的穩(wěn)定和平衡。1、無機(jī)礦物經(jīng)受了壓實(shí)、定向、礦物轉(zhuǎn)化、重結(jié)晶作用等固結(jié)成巖。2、湖沼中堆積的大量高等

2、植物殘?bào)w經(jīng)過泥炭階段形成了褐煤。3、沉積物中分散有機(jī)質(zhì)，在早期低溫低壓下不足以發(fā)生普遍的化學(xué)反應(yīng)，而以作用為主。 大部分原始有機(jī)質(zhì)被微生物分解和選擇性吸收，剩余的組分和參與的微生物殘?bào)w一起，經(jīng)還原、縮聚等作用形成了腐植質(zhì)和干酪根。 地球上生物可分為三大類動(dòng)物、植物和原生生物。 原生生物即普通所指的微生物任何顯微尺度顯微尺度的生物。 原生生物原核生物和真核生物， 原核生物包括和藍(lán)細(xì)菌(藍(lán)藻)； 真核生物包括原生動(dòng)物、藻、粘菌。 原核是沒有核膜、核仁等結(jié)構(gòu)的染色質(zhì)體。 真核是有核膜、核仁、染色體等結(jié)構(gòu)。 對(duì)地質(zhì)體內(nèi)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行改造的主要是以腐生為主的和。只有異養(yǎng)腐生的細(xì)菌和真菌，它們以有機(jī)質(zhì)為養(yǎng)料，

3、并使部分有機(jī)物礦質(zhì)化，以便重新被光合生物所利用。這類微生物在有機(jī)質(zhì)的改造和在有機(jī)碳的生物-地化循環(huán)中，起了十分重要的作用。 按照細(xì)菌生活的環(huán)境，可將其分為(好氣性細(xì)菌)和(嫌氣性細(xì)菌)。 必須在有氧環(huán)境里生活。在有氧情況下它們將葡萄分解為二氧化碳和水，釋放出大量能量，這一過程稱有氧呼吸。 只能生活在缺氧環(huán)境下，如甲烷菌、硫酸鹽還原菌等。它們可利用葡萄糖中的結(jié)合氧，將其分解為二氧化碳和其它代謝產(chǎn)物，釋放出少量能量。這一過程稱為發(fā)酵或無氧呼吸。 有許多細(xì)菌是兼性的，可在不同環(huán)境下采用不同的呼吸方式。從生物進(jìn)化上說，最早出現(xiàn)是厭氧細(xì)菌，以后才有光合細(xì)菌和喜氧細(xì)菌。 微生物體積小，細(xì)胞能與環(huán)境直接接觸

4、，有利于細(xì)胞吸收大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和排除廢物，因而代謝作用迅速、活動(dòng)力強(qiáng)； 微生物生殖率大、世代時(shí)間短，能在短時(shí)間內(nèi)繁殖大量的群體，有利于適應(yīng)變化劇烈的新環(huán)境，能在環(huán)境相差極大的空間中生長(zhǎng)和繁殖。 微生物生存條件： 溫度可以從-10到105 壓力高達(dá)1000atm 介質(zhì)pH值可從1到11，最適宜的pH值范圍是6.5到8。 細(xì)菌可以在淡水和高飽和鹽溶液中大量繁殖。 在一些極端環(huán)境，如火山熱泉、冰凍極區(qū)、酸性熱泉、高鹽湖中都有細(xì)菌存在。微生物生長(zhǎng)最重要的限制因子是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。只在有大量有機(jī)物質(zhì)存在，這種或那種群落的微生物就會(huì)大量生、繁殖。 土壤是微生物生存的基地，是最適合它們生長(zhǎng)、繁殖的棲所。微生物分布：

5、 土壤表層，無論在數(shù)量上和種類上都比深層土內(nèi)多。 在水體及水底淤泥和沉積物中，也大量分布著多種微生物。 分布于水表層和上層大都是好氣型微生物。 而在深水或滯水水底、水底細(xì)粒沉積物中大都是嫌氣型生物。 在沉積物上部幾十米范圍內(nèi)微生物活動(dòng)十分活躍，但隨深度增加其數(shù)量急劇減少，而且可以由好氣性細(xì)菌活動(dòng)為主轉(zhuǎn)變?yōu)橄託庑约?xì)菌活動(dòng)為主。深度(cm)嫌氣型細(xì)菌好氣型細(xì)菌嫌氣/好氣031 160 00074 000 0001:644614 000314 0001:2114168 90056 0001:624263 10010 4001:344465 70028 1001:566682 3004 2001:2加

6、利福尼亞洲圣地亞哥灣近代沉積中細(xì)菌數(shù)量 微生物的代謝途徑十分錯(cuò)綜復(fù)雜，但從方向上分兩大類： 分解途徑分子結(jié)構(gòu)由大變小被簡(jiǎn)單化吸收利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 合成途徑分子結(jié)構(gòu)由小變大被復(fù)雜化生成新的細(xì)胞物質(zhì) 有機(jī)化合物是異養(yǎng)微生物的主要碳源和能源 細(xì)菌、真菌等通過細(xì)胞表面以吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，故營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)必須是小分子溶質(zhì)才能透過細(xì)胞質(zhì)膜而進(jìn)入細(xì)胞。自然界和沉積物中的各種有機(jī)化合物都可被不同類型的異養(yǎng)微生物利用作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但大部分大分子化合物必須由胞外酶分解成小分子化合物后，才能跨膜運(yùn)輸，被微生物細(xì)胞所吸收。有機(jī)有機(jī)大分子大分子有機(jī)有機(jī)小分子小分子微生物微生物吸收吸收胞外酶分解跨膜運(yùn)輸細(xì)胞膜 不同的微生物分泌不同的胞

7、外酶，可分解利用不同的有機(jī)物。 一些簡(jiǎn)單的作為微生物主要碳源和能源的化合物，如葡萄糖、果糖等幾乎所有微生物都能利用。而纖維素、半纖維素、甲殼素、果膠質(zhì)、木質(zhì)素、芳香化合物、無機(jī)化合物等只能為具?；饷傅膶；⑸锼?。 小分子化合物經(jīng)過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞后，還要由酶來降解中間產(chǎn)物再合成多種氨基酸、核苷酸、脂肪酸和糖類等進(jìn)而合成蛋白質(zhì)、核酸、類脂和多糖等。有機(jī)營(yíng)有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)養(yǎng)物質(zhì)新的微生物新的微生物細(xì)胞物質(zhì)細(xì)胞物質(zhì)一系列復(fù)雜的生化轉(zhuǎn)變?cè)谏锶?有機(jī)圈中，微生物是無處不在、無所不能。 根據(jù)異養(yǎng)假說，。 在生態(tài)系統(tǒng)中，。 。 對(duì)生物元素地化循環(huán)貢獻(xiàn)：。 改造、代謝有機(jī)質(zhì)。 參與（或促進(jìn)）形成。從起源

8、意義上說，沒有微生物就沒有生命和生命的進(jìn)化。從起源意義上說，沒有微生物就沒有生命和生命的進(jìn)化。在動(dòng)物、植物、微生物在動(dòng)物、植物、微生物“三足鼎立三足鼎立”的生態(tài)系統(tǒng)中，異養(yǎng)的生態(tài)系統(tǒng)中，異養(yǎng)微生物是必不可少的成員微生物是必不可少的成員分解者分解者與的區(qū)別在于： a. 有氧呼吸有氧參加，最終使有機(jī)質(zhì)徹底氧化成CO2和H2O。也就是它既大量消耗有機(jī)質(zhì)，又大量消耗氧。前者對(duì)有機(jī)質(zhì)沉積、保存有害；后者造成無氧還原環(huán)境，對(duì)其它有機(jī)質(zhì)沉積保存有利。 而發(fā)酵和無氧呼吸沒有氧參與，分解主要產(chǎn)物仍是有機(jī)物。特別是發(fā)酵作用可以說主要是改造有機(jī)質(zhì)，而不是消耗有機(jī)質(zhì)。故還原環(huán)境及在其中進(jìn)行的發(fā)酵作用有利于有機(jī)質(zhì)的沉積

9、和保存。 b. 有氧呼吸比發(fā)酵效率約高10倍。 c. 在氧化環(huán)境下幾乎所有有機(jī)質(zhì)都能降解。在還原環(huán)境的發(fā)酵作用只能部分被發(fā)酵氧化。 氮素的循環(huán)：氮是生物蛋白質(zhì)、核酸、酶的重要元素成分。雖然分子態(tài)氮(N2)是豐富的，約占地球大氣成分約80%，但在化學(xué)性質(zhì)上是惰性的，不能為大多數(shù)生物直接利用。它們需要的是化合態(tài)氮源硝酸、亞硝酸、氨等，而這些在土壤和水中都是比較貧乏的，常成為生物生長(zhǎng)發(fā)育的限制因子。將分子態(tài)氮轉(zhuǎn)化成化合態(tài)氮的固氮作用是氮素循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。細(xì)菌是完成這一過程的最主要生物類群。90%以上的固氮作用由細(xì)菌代謝完成。最重要的非共生固氮作用者是蘭細(xì)菌。生物殘?bào)w的蛋白質(zhì)和核酸經(jīng)微生物分解形成氨，

10、氨經(jīng)?；脷饧?xì)菌氧化成亞硝酸，亞硝酸再氧化成硝酸。硝酸鹽是供植物利用的主要有效含氮物質(zhì)，氨轉(zhuǎn)化成硝酸的作用稱硝化作用。另一類?；?xì)菌，可使硝酸還原成氮?dú)?稱反硝化作用 ) 又返回大氣。實(shí)線氮原子的氧化作用虛線氮原子的還原作用硫素循環(huán)硫素循環(huán)：硫酸鹽是水中普遍存在的礦物質(zhì)。大多數(shù)的微生物利用：硫酸鹽是水中普遍存在的礦物質(zhì)。大多數(shù)的微生物利用硫酸鹽硫酸鹽作為作為主要的硫源主要的硫源。在細(xì)胞蛋白質(zhì)和酶中都含有硫。在生理上。在細(xì)胞蛋白質(zhì)和酶中都含有硫。在生理上是僅次于磷的重要礦質(zhì)元素。元素硫和硫化氫也只有先氧化成硫酸是僅次于磷的重要礦質(zhì)元素。元素硫和硫化氫也只有先氧化成硫酸鹽才能為生物所利用。而硫氧化

11、細(xì)菌則可將硫化氫氧化成硫酸根為鹽才能為生物所利用。而硫氧化細(xì)菌則可將硫化氫氧化成硫酸根為生物提供硫源。生物提供硫源。另一類硫酸鹽還原菌可將水體和孔隙水中的硫酸鹽還原成硫化氫，另一類硫酸鹽還原菌可將水體和孔隙水中的硫酸鹽還原成硫化氫，造成強(qiáng)還原環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)的沉積和保存。造成強(qiáng)還原環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)的沉積和保存。在還原環(huán)境中，只有部分硫能進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞中。大部分在還原環(huán)境中，只有部分硫能進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞中。大部分S S2-2-可與金屬可與金屬元素結(jié)合成金屬硫化物。在粘土軟泥中鐵很豐富。元素結(jié)合成金屬硫化物。在粘土軟泥中鐵很豐富。S S2-2-與與FeFe結(jié)合成水結(jié)合成水硫鐵礦和隕硫鐵礦，最后轉(zhuǎn)化為

12、硫鐵礦和隕硫鐵礦，最后轉(zhuǎn)化為黃鐵礦黃鐵礦(FeS(FeS2 2) )實(shí)線硫原子的氧化作用虛線硫原子的還原作用 改造、代謝有機(jī)質(zhì)改造、代謝有機(jī)質(zhì) 一方面各類微生物在酶的催化下對(duì)幾乎所有有機(jī)質(zhì)具有非凡的聯(lián)合分具有非凡的聯(lián)合分解吸收能力解吸收能力，其中包括生油能力不強(qiáng)的大量纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等高等植物的主要成分。另一方面，也是在酶催化下，微生物又以驚人的速以驚人的速度合成新細(xì)胞物質(zhì)度合成新細(xì)胞物質(zhì)，進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖。 微生物的生物化學(xué)組成結(jié)構(gòu)，與高等植物生化組成大不相同。 微生物是高類脂、高蛋白質(zhì)；而高等植物則是高纖維素、高木質(zhì)素。 也就是說，通過微生物代謝活動(dòng)，使沉積物中不太有利生油的有機(jī)質(zhì)通過

13、微生物代謝活動(dòng)，使沉積物中不太有利生油的有機(jī)質(zhì)改造成更加有利生油的有機(jī)質(zhì)改造成更加有利生油的有機(jī)質(zhì)。 參與或促進(jìn)形成甲烷氣、腐植質(zhì)和干酪根。參與或促進(jìn)形成甲烷氣、腐植質(zhì)和干酪根。 在年青沉積物中，由大分子生物化合物降解的產(chǎn)物（糖類、氨基酸、脂肪酸等）的含量隨深度增加而迅速減少。 這是由于：。 同時(shí)，一些不能水解和不溶于有機(jī)溶劑的組分越來越豐富，占沉積物中有機(jī)質(zhì)的75%95%，這就是土壤中的（Humic Material）。 腐殖質(zhì)是土壤、現(xiàn)代沉積物中主要有機(jī)組成，土壤中碳的60%70%存在于腐殖質(zhì)中。它是生物（主要是植物）殘?bào)w經(jīng)細(xì)菌分解后聚合的有機(jī)物，既沒有固定的元素組成沒有固定的元素組成，也

14、沒有特定的化學(xué)性質(zhì)沒有特定的化學(xué)性質(zhì)。 腐殖質(zhì)通常分為三類： 富啡酸（FA）、胡敏酸（HA）、胡敏素 腐殖酸腐殖酸對(duì)有機(jī)質(zhì)的演化提供重要信息對(duì)有機(jī)質(zhì)的演化提供重要信息 現(xiàn)代分析技術(shù)（電子顯微鏡、X衍射、核磁共振等）對(duì)腐殖酸研究表明： 腐殖酸不是單一的純有機(jī)化合物，而是 腐殖酸主要由C、H、O、N、S元素組成。不同的腐殖質(zhì)其元素含量變化很大。 對(duì)腐殖質(zhì)的研究主要集中于腐殖酸上不同沉積環(huán)境中形成的腐殖酸，其元素含量有一定差別。0.05 可將近代可將近代沉積物有機(jī)質(zhì)沉積物有機(jī)質(zhì)分為兩類：分為兩類： 主要來源主要來源于于高等植物高等植物，在土壤、泥炭在土壤、泥炭中的是真正腐中的是真正腐殖質(zhì)。殖質(zhì)。 而

15、主要來而主要來源于源于水生生物水生生物，在還原環(huán)境下在還原環(huán)境下形成的物質(zhì)可形成的物質(zhì)可稱為腐泥質(zhì)。稱為腐泥質(zhì)。 ：腐殖酸或多或少溶于堿性、弱酸性及中性溶液，如NaOH、KOH、(NH4)2PO4、草酸、酒石酸，也溶于醇、醛、酮、吡啶等有機(jī)溶劑。 腐殖酸由極小球狀微粒組成，粒徑810nm，具有膠體特性。其表面積大、粘度較高、吸附力強(qiáng)，可吸附其它分子和粒子。 ：由于腐殖酸中酸性基團(tuán)上活潑氫的存在使其具有弱酸性，其酸性強(qiáng)度取決于羧基和酚羥基的含量。 富啡酸強(qiáng)于胡敏酸富啡酸強(qiáng)于胡敏酸 縮合作用縮合作用 羧基較少羧基較少 中性胡敏素中性胡敏素 ：加熱腐殖酸，隨溫度升高，碳含量增加，氧含量減少。2504

16、00：側(cè)鏈斷裂；500以上腐殖酸“核”分解；540不再含氧。 ：沒有固定的分子量。 湖泊腐殖酸分子量約6400，沼澤泥炭腐殖酸分子量約7600。從富啡酸到胡敏酸分子量逐漸增加，富啡酸約6262000，胡敏酸20002000000。 一般認(rèn)為：腐殖質(zhì)是生物體（尤其是高等植物）的殘?bào)w被微生物分解成小分子化合物，這些小分子化合物部分被微生物吸收，剩余部分在微生物作用和參與下發(fā)生縮合作用，形成腐殖（泥）物質(zhì)。NH2CH2COOHNCH2COOHONHCH2COOHOONHCH2COOHNCHCOOHOHNHCH2COOHCHOCOOHNH2OHNHCH2COOHOHOHNH2CH2COOH4H+ 4e

17、中間產(chǎn)物縮合褐色含氮聚合物H-C=O 丨 (CHOH)n 丨 CH2OHR-N-H 丨H-C-OH 丨 (CHOH)n 丨 CH2OHR-N CH 丨 (CHOH)n 丨 CH2OH=R-N-H 丨H-C 丨 (CHOH)n-1O 丨H-C 丨 CH2OHRNH2H2O醛糖加成合成物席夫堿N-取代的葡萄胺R-N-H H-C 丨H-C-OH 丨 (CHOH)n-1 丨 CH2OH=+ H+R-N-H 丨H-C C-OH 丨 (CHOH)n-1 丨 CH2OH=- H+R-N-H 丨 CH2 丨 C=O 丨 (CHOH)n-1 丨 CH2OH席夫堿陽離子烯醇N-取代的1-氨基1-脫氧2-酮糖重排脫水作用裂解作用裂變褐色含氧聚合物和共聚物 從FAHA，CO；羧基、酚羥基消去，酸度；失去氨基，N；芳香縮合度，分子量。最后轉(zhuǎn)化為不溶于有機(jī)溶劑和堿溶液的中性聚合物胡敏素。 以高等植物為主來源的有機(jī)質(zhì)經(jīng)過腐殖化作用腐殖型干酪根。 以水生生物為主來源的有機(jī)質(zhì)經(jīng)過腐泥化作用腐泥型干酪根。結(jié)結(jié) 論論1指沉積有機(jī)質(zhì)在青年沉積物固結(jié)成巖過程中，在低溫低壓條件下經(jīng)歷的以和為主的一系列演化。2微生物分泌各種具高催化效率、高專一化的胞外酶將各種有機(jī)質(zhì)分解成小分子單體，被微生物吸收。結(jié)結(jié) 論論3體積小、形態(tài)簡(jiǎn)單；種類繁多、高度專一；適應(yīng)力強(qiáng)、無處不在；代謝力強(qiáng)、繁殖迅速，因而是生命起源的，生態(tài)