第八章 微生物在自然界物質(zhì)循環(huán)中的作用2

1、 4.3 4.3微生物微生物在自然界物質(zhì)循環(huán)中的作用在自然界物質(zhì)循環(huán)中的作用4.3 4.3 微生物在自然界物質(zhì)循環(huán)中的作用微生物在自然界物質(zhì)循環(huán)中的作用生物地球化學(xué)循環(huán)生物地球化學(xué)循環(huán)(biogeochemical cycles)是指生物圈中的各種化學(xué)元素，經(jīng)生物化學(xué)作用在生物是指生物圈中的各種化學(xué)元素，經(jīng)生物化學(xué)作用在生物圈中的轉(zhuǎn)化和運(yùn)動(dòng)。這種循環(huán)是地球化學(xué)循環(huán)的重要組圈中的轉(zhuǎn)化和運(yùn)動(dòng)。這種循環(huán)是地球化學(xué)循環(huán)的重要組成部分。成部分。 物質(zhì)循環(huán)有氧、碳、氮、硫、磷、鐵、錳及各種有毒物質(zhì)循環(huán)有氧、碳、氮、硫、磷、鐵、錳及各種有毒或無(wú)毒污染物的循環(huán)?；驘o(wú)毒污染物的循環(huán)。一是光合生物對(duì)無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物的同

2、化一是光合生物對(duì)無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物的同化二是后來(lái)進(jìn)行的異養(yǎng)生物的礦化。二是后來(lái)進(jìn)行的異養(yǎng)生物的礦化。實(shí)際上所有的生物都參與生物地球化學(xué)循環(huán)。實(shí)際上所有的生物都參與生物地球化學(xué)循環(huán)。微生物在有微生物在有機(jī)物的礦化中起決定性作用，地球上機(jī)物的礦化中起決定性作用，地球上90%以上有機(jī)物的礦以上有機(jī)物的礦化都是由細(xì)菌和真菌完成的。化都是由細(xì)菌和真菌完成的。 氧循環(huán)氧循環(huán) 大氣中氧含量豐富，約占空氣的大氣中氧含量豐富，約占空氣的21%。人和動(dòng)物呼吸、微生物分解有機(jī)物都需要氧。所消耗的人和動(dòng)物呼吸、微生物分解有機(jī)物都需要氧。所消耗的氧由陸地和水體中的植物及藻類進(jìn)行光合作用放氧，源氧由陸地和水體中的植物及藻類進(jìn)行光

3、合作用放氧，源源不斷地補(bǔ)充到大氣和水體中。源不斷地補(bǔ)充到大氣和水體中。 氧在水體的垂直方向分布不均勻。氧在水體的垂直方向分布不均勻。表層水有溶解氧，深層和底層缺氧。表層水有溶解氧，深層和底層缺氧。 在夏季溫暖地區(qū)的水體發(fā)生分層，溫暖而密度小的表層在夏季溫暖地區(qū)的水體發(fā)生分層，溫暖而密度小的表層水和冷而密度大的底層分開(kāi)，底層缺氧。水和冷而密度大的底層分開(kāi)，底層缺氧。 夏季湖泊水含氧量及水溫的分層情況夏季湖泊水含氧量及水溫的分層情況 4.3.1 4.3.1 碳循環(huán)碳循環(huán) 含碳物質(zhì)有二氧化碳、碳水化合物含碳物質(zhì)有二氧化碳、碳水化合物(如：糖、淀粉、纖維素等如：糖、淀粉、纖維素等)、脂肪、蛋白質(zhì)等。、

4、脂肪、蛋白質(zhì)等。 碳循環(huán)以二氧化碳為中心，二氧化碳被植物、藻類利用進(jìn)行光碳循環(huán)以二氧化碳為中心，二氧化碳被植物、藻類利用進(jìn)行光合作用，合成為植物性碳；合作用，合成為植物性碳；動(dòng)物吃植物就將植物性碳轉(zhuǎn)化為動(dòng)物性動(dòng)物吃植物就將植物性碳轉(zhuǎn)化為動(dòng)物性碳；碳；動(dòng)物和人呼吸放出二氧化碳；有機(jī)碳化合物被厭氧微生物和好動(dòng)物和人呼吸放出二氧化碳；有機(jī)碳化合物被厭氧微生物和好氧微生物分解所產(chǎn)生的二氧化碳放回到大氣。氧微生物分解所產(chǎn)生的二氧化碳放回到大氣。由于由于CO2同時(shí)也參與同時(shí)也參與氧循環(huán)，因此，實(shí)際上氧循環(huán)，因此，實(shí)際上C和和O循環(huán)是相互關(guān)聯(lián)的。循環(huán)是相互關(guān)聯(lián)的。 二氧化碳再一次被植物利用進(jìn)入循環(huán)二氧化碳再

5、一次被植物利用進(jìn)入循環(huán) ，CO2可以成為植物、藻可以成為植物、藻類的碳源，大氣中類的碳源，大氣中CO2的含量為的含量為0.032%（320ppm），這個(gè)值由于），這個(gè)值由于人類活動(dòng)大量產(chǎn)生人類活動(dòng)大量產(chǎn)生CO2進(jìn)入大氣中而在增加，造成所謂的氣候變暖。進(jìn)入大氣中而在增加，造成所謂的氣候變暖。由此帶來(lái)一系列的問(wèn)題，成為當(dāng)今世界最關(guān)注的熱點(diǎn)之一。由此帶來(lái)一系列的問(wèn)題，成為當(dāng)今世界最關(guān)注的熱點(diǎn)之一。4.3.1 4.3.1 碳循環(huán)碳循環(huán)碳碳素素循循環(huán)環(huán)光合作用藻光合作用藻類、綠色植類、綠色植物、藍(lán)細(xì)菌物、藍(lán)細(xì)菌（CH2O）n有機(jī)化合物有機(jī)化合物呼吸作用動(dòng)呼吸作用動(dòng)植物及微生植物及微生物物需氧需氧厭氧厭氧

6、CO2厭氧呼吸、發(fā)厭氧呼吸、發(fā)酵厭氧微生物，酵厭氧微生物，包括光合細(xì)菌包括光合細(xì)菌有機(jī)化合物有機(jī)化合物（CH2O）n光合光合細(xì)菌細(xì)菌沉積作用沉積作用產(chǎn)甲烷細(xì)菌產(chǎn)甲烷細(xì)菌甲基化合物甲基化合物甲烷氧化細(xì)菌甲烷氧化細(xì)菌CH4下面介紹幾種含碳化合物的轉(zhuǎn)化：下面介紹幾種含碳化合物的轉(zhuǎn)化： 一、碳的有機(jī)化一、碳的有機(jī)化-CO2-CO2的固定的固定 二氧化碳的固定是將二氧化碳還原為碳水化合物的生化反二氧化碳的固定是將二氧化碳還原為碳水化合物的生化反應(yīng)過(guò)程。應(yīng)過(guò)程。1 1、光合微生物的種類和特性：、光合微生物的種類和特性：光合微生物：藻類、藍(lán)細(xì)菌和光合細(xì)菌。光合微生物：藻類、藍(lán)細(xì)菌和光合細(xì)菌。2 2、化能合成

7、微生物的種類及特性、化能合成微生物的種類及特性化能合成微生物的種類：氫細(xì)菌、硝化細(xì)菌、化能合成微生物的種類：氫細(xì)菌、硝化細(xì)菌、有機(jī)物的礦化有機(jī)物的礦化-二氧化碳的再生二氧化碳的再生食物鏈的媒介作用食物鏈的媒介作用 4.3.2 4.3.2 氮循環(huán)氮循環(huán)自然界的氮素循環(huán)自然界的氮素循環(huán)是各種元素循環(huán)的是各種元素循環(huán)的中心，而微生物是中心，而微生物是整個(gè)氮素循環(huán)的中整個(gè)氮素循環(huán)的中心。心。氮元素的自然形態(tài)：氮元素的自然形態(tài)：（1）銨鹽、亞硝酸鹽、銨鹽、亞硝酸鹽、硝酸鹽、硝酸鹽、（2）有機(jī)含氮物、）有機(jī)含氮物、（3）氮?dú)狻＃┑獨(dú)?。?jù)統(tǒng)計(jì)全球生物圈每年生物固氮達(dá)據(jù)統(tǒng)計(jì)全球生物圈每年生物固氮達(dá)1.7 10

8、8噸，其中草原噸，其中草原3.5 107噸，林地噸，林地4.0 108噸，海洋噸，海洋3.6 108噸，其它土壤噸，其它土壤0.6 108噸。噸。根瘤菌屬每年可為每公頃土地固氮達(dá)根瘤菌屬每年可為每公頃土地固氮達(dá)250Kg。一、固氮作用一、固氮作用定義：定義：在固氮微生物的固氮酶催化作用下，把分子氮轉(zhuǎn)在固氮微生物的固氮酶催化作用下，把分子氮轉(zhuǎn)化為氨，進(jìn)而合成為有機(jī)氮化合物。這叫固氮作用。化為氨，進(jìn)而合成為有機(jī)氮化合物。這叫固氮作用。 固氮作用的三種途徑 1、自生固氮 效率低，遇結(jié)合態(tài)氮(NH4+)就失去固氮能力 2、共生固氮 固氮效率高，遇結(jié)合態(tài)氮(NH4+)仍有固氮能力 3、聯(lián)合固氮 介于中間

9、的一種簡(jiǎn)單而特殊的共生固氮二、氨化作用定義：定義：土壤或水體中的氨態(tài)氮經(jīng)化能自養(yǎng)菌的氧化而成為土壤或水體中的氨態(tài)氮經(jīng)化能自養(yǎng)菌的氧化而成為硝酸態(tài)氮的過(guò)程。硝酸態(tài)氮的過(guò)程。過(guò)程：過(guò)程：兩階段：（兩階段：（1）由亞硝化細(xì)菌參與，銨）由亞硝化細(xì)菌參與，銨亞硝酸；亞硝酸； （2）由硝化細(xì)菌參與，亞硝酸）由硝化細(xì)菌參與，亞硝酸硝酸。硝酸。意義：意義：是自然界氮素循環(huán)中不可缺少的一環(huán)，對(duì)農(nóng)業(yè)有益。是自然界氮素循環(huán)中不可缺少的一環(huán)，對(duì)農(nóng)業(yè)有益。硝酸鹽同化作用（硝酸鹽同化作用（assimilatory nitrate reduction）定義：定義：綠色植物和微生物在利用硝酸鹽的過(guò)程中，硝綠色植物和微生物在利

10、用硝酸鹽的過(guò)程中，硝酸鹽被重新還原成酸鹽被重新還原成NH4+后再被利用于合成各種含氮有后再被利用于合成各種含氮有機(jī)物，這就是硝酸鹽的同化作用。機(jī)物，這就是硝酸鹽的同化作用。三、硝化作用（三、硝化作用（nitrification）四、反硝化作用四、反硝化作用 定義：定義：由硝酸鹽還原成由硝酸鹽還原成NO2并進(jìn)一步還原成并進(jìn)一步還原成N2的過(guò)程的過(guò)程（廣義）。（廣義）。狹義的反硝化作用狹義的反硝化作用僅指由亞硝酸還原成僅指由亞硝酸還原成N2的的過(guò)程。過(guò)程。 條件：條件：厭氧（淹水的土壤或死水塘中）厭氧（淹水的土壤或死水塘中） 菌種：菌種：化能自養(yǎng)菌和部分異養(yǎng)菌。化能自養(yǎng)菌和部分異養(yǎng)菌。 如：如：B

11、acillus lichenoformis（地衣芽孢桿菌）、（地衣芽孢桿菌）、Paracoccus denitrificans（脫氮副球菌）、（脫氮副球菌）、Pseudomonas aeruginosa（銅綠假單胞菌）、（銅綠假單胞菌）、Ps. stutzeri（施氏假單胞菌）、（施氏假單胞菌）、Thiobacillus denitrificans（脫氮硫（脫氮硫桿菌）以及桿菌）以及Spirillum（螺菌屬）和（螺菌屬）和Moraxella（莫拉氏（莫拉氏菌屬）等。菌屬）等。 意義：意義：土壤中氮元素流失的重要原因之一。水稻田中施土壤中氮元素流失的重要原因之一。水稻田中施用化學(xué)氮肥，有效利用

12、率只有用化學(xué)氮肥，有效利用率只有25%左右。另外可以利用左右。另外可以利用水生性反硝化細(xì)菌去除污水中的硝酸鹽。水生性反硝化細(xì)菌去除污水中的硝酸鹽。生物固氮與化學(xué)固氮的比較生物固氮與化學(xué)固氮的比較 生物固氮生物固氮 化學(xué)固氮化學(xué)固氮生產(chǎn)條件生產(chǎn)條件 溫和（中溫、常壓）溫和（中溫、常壓） 高溫（高溫（500）（）（200500atm） 產(chǎn)量產(chǎn)量 根瘤菌屬根瘤菌屬250Kg/公頃公頃 非豆科植物共生固氮菌非豆科植物共生固氮菌 22Kg/公頃公頃 自生固氮菌自生固氮菌 0.52.5Kg/公頃公頃 共計(jì)：共計(jì)：1.7 108噸噸/年年 5.0 107噸噸/年年 其中：草原其中：草原3.5 107噸噸 林

13、地林地4.0 108噸噸 海洋海洋3.6 108噸噸 其它土壤其它土壤0.6 108噸噸4.3.3 4.3.3 硫素循環(huán)硫素循環(huán)在自然界中硫有三態(tài)：在自然界中硫有三態(tài)：元素硫、無(wú)機(jī)硫化物及含硫有機(jī)元素硫、無(wú)機(jī)硫化物及含硫有機(jī)化合物?；衔?。這三者在化學(xué)和生物作用下相互轉(zhuǎn)化著，構(gòu)成這三者在化學(xué)和生物作用下相互轉(zhuǎn)化著，構(gòu)成硫的循環(huán)。硫的循環(huán)。 生物體對(duì)硫的需要量約為氮的生物體對(duì)硫的需要量約為氮的1/10。硫循環(huán)與氮循環(huán)相似，各環(huán)節(jié)都有相應(yīng)的微生物參與。硫循環(huán)與氮循環(huán)相似，各環(huán)節(jié)都有相應(yīng)的微生物參與。菌種：菌種：1.植物和微生物植物和微生物2.腐敗微生物腐敗微生物3.好氧：貝日阿托氏菌屬、發(fā)硫菌屬、

14、硫桿菌屬好氧：貝日阿托氏菌屬、發(fā)硫菌屬、硫桿菌屬 厭氧：綠菌屬、著色菌屬厭氧：綠菌屬、著色菌屬4.脫硫弧菌屬、脫硫腸狀菌屬脫硫弧菌屬、脫硫腸狀菌屬5.脫硫單胞菌屬脫硫單胞菌屬Figure 27.7 硫循環(huán)硫循環(huán):硫的生物地球化學(xué)循環(huán)包括硫的生物地球化學(xué)循環(huán)包括:還原態(tài)無(wú)機(jī)硫化物的氧化還原態(tài)無(wú)機(jī)硫化物的氧化異化硫酸鹽還原異化硫酸鹽還原，同化硫酸鹽還原同化硫酸鹽還原硫化氫的釋放（脫硫作用）硫化氫的釋放（脫硫作用）。微生物參與所有這些循環(huán)過(guò)程微生物參與所有這些循環(huán)過(guò)程。 u硫的氧化硫的氧化l硫氧化硫氧化是還原態(tài)的無(wú)機(jī)硫化物是還原態(tài)的無(wú)機(jī)硫化物(如如S0、H2S、FeS2、S2O22-和和S4O62-

15、等等)被微生物氧化成硫酸被微生物氧化成硫酸的過(guò)程。的過(guò)程。l具有硫氧化能力的微生物在形態(tài)，生理上各具有硫氧化能力的微生物在形態(tài)，生理上各有不同的特點(diǎn)，一般可分為有不同的特點(diǎn)，一般可分為兩個(gè)不同兩個(gè)不同的生理的生理類群，包括類群，包括好氧或微好氧的化能營(yíng)養(yǎng)硫氧化好氧或微好氧的化能營(yíng)養(yǎng)硫氧化菌菌和和光營(yíng)養(yǎng)硫細(xì)菌。光營(yíng)養(yǎng)硫細(xì)菌。l此外異養(yǎng)微生物此外異養(yǎng)微生物(如曲霉、節(jié)桿菌、芽孢桿如曲霉、節(jié)桿菌、芽孢桿菌、微球菌等菌、微球菌等)也具有氧化硫能力。也具有氧化硫能力。 u硫酸鹽還原硫酸鹽還原l 和硝酸鹽相似，硫酸鹽也可以被微生物還原成和硝酸鹽相似，硫酸鹽也可以被微生物還原成H2S，這，這部分微生物稱為部

16、分微生物稱為硫酸鹽還原菌。硫酸鹽還原菌。l 硫酸鹽還原產(chǎn)物硫酸鹽還原產(chǎn)物H2S在胞內(nèi)被結(jié)合到細(xì)胞組分中稱為在胞內(nèi)被結(jié)合到細(xì)胞組分中稱為同同化硫酸鹽還原?；蛩猁}還原。l 硫酸鹽作為末端電子受體還原成不被同化的硫酸鹽作為末端電子受體還原成不被同化的H2S，稱為，稱為異化硫酸鹽還原，也稱為反硫化作用。異化硫酸鹽還原，也稱為反硫化作用。l 土壤淹水、河流、湖泊等水體處于缺氧狀態(tài)時(shí)，硫酸鹽、土壤淹水、河流、湖泊等水體處于缺氧狀態(tài)時(shí)，硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽和次亞硫酸鹽在微生物的還原作亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽和次亞硫酸鹽在微生物的還原作用下形成硫化氫。用下形成硫化氫。電子供體一般是丙酮酸，乳酸和分子電子

17、供體一般是丙酮酸，乳酸和分子氫。氫。l 主要的硫酸鹽主要的硫酸鹽(異化異化)還原菌包括還原菌包括脫硫桿菌、脫硫葉菌。脫硫桿菌、脫硫葉菌。 u硫化氫的釋放硫化氫的釋放(有機(jī)硫化物的礦化有機(jī)硫化物的礦化) l生物尸體和殘留物中含生物尸體和殘留物中含硫蛋白質(zhì)硫蛋白質(zhì)經(jīng)微生物經(jīng)微生物的作用釋放出的作用釋放出H2S、CH3SH(甲硫醇甲硫醇 )等含等含硫氣體。硫氣體。l一般的一般的腐生細(xì)菌腐生細(xì)菌都具有分解都具有分解有機(jī)硫化物有機(jī)硫化物能能力。力。第五節(jié)第五節(jié) 磷循環(huán)磷循環(huán)磷是一切生物的重要營(yíng)養(yǎng)元素。然而，植物和微生物不能直接利磷是一切生物的重要營(yíng)養(yǎng)元素。然而，植物和微生物不能直接利用用含磷有機(jī)物含磷有

18、機(jī)物和和不溶性的磷酸鈣不溶性的磷酸鈣，必須經(jīng)過(guò)，必須經(jīng)過(guò)微生物分解轉(zhuǎn)化為溶微生物分解轉(zhuǎn)化為溶解性的磷酸鹽解性的磷酸鹽才能吸收利用。才能吸收利用。 磷在土壤和水體中以磷在土壤和水體中以含磷有機(jī)物含磷有機(jī)物(例如核例如核酸、植酸及卵磷脂酸、植酸及卵磷脂)、無(wú)機(jī)磷化合物無(wú)機(jī)磷化合物(例例如磷酸鈣、磷酸鎂、如磷酸鈣、磷酸鎂、磷酸鈉及磷灰石礦石磷酸鈉及磷灰石礦石及及還原態(tài)還原態(tài)PH3三種狀三種狀態(tài)存在。態(tài)存在。 第六節(jié)第六節(jié) 鐵的循環(huán)鐵的循環(huán) 自然界中鐵以自然界中鐵以無(wú)機(jī)鐵化合物無(wú)機(jī)鐵化合物和和含鐵有機(jī)物含鐵有機(jī)物兩種狀態(tài)存在。兩種狀態(tài)存在。無(wú)機(jī)鐵化合物有溶解的二價(jià)亞鐵和不溶性的三價(jià)鐵。無(wú)機(jī)鐵化合物有溶

19、解的二價(jià)亞鐵和不溶性的三價(jià)鐵。二價(jià)的亞鐵鹽易被植物、微生物吸收利用，轉(zhuǎn)變?yōu)楹F有二價(jià)的亞鐵鹽易被植物、微生物吸收利用，轉(zhuǎn)變?yōu)楹F有機(jī)物。機(jī)物。鐵的循環(huán)主要在無(wú)機(jī)物或有機(jī)物中的鐵的循環(huán)主要在無(wú)機(jī)物或有機(jī)物中的FeFe2+2+與與FeFe3+3+之間的氧之間的氧化還原反應(yīng)?；€原反應(yīng)。 主要受主要受pHpH和氧化還原電位影響。和氧化還原電位影響。pHpH為中性和有氧為中性和有氧時(shí)，二價(jià)鐵氧化為三價(jià)的氫氧化物。無(wú)氧時(shí)，存在大量二價(jià)鐵。二時(shí)，二價(jià)鐵氧化為三價(jià)的氫氧化物。無(wú)氧時(shí)，存在大量二價(jià)鐵。二價(jià)鐵還能被鐵細(xì)菌氧化為三價(jià)鐵。價(jià)鐵還能被鐵細(xì)菌氧化為三價(jià)鐵。菌種：化能自養(yǎng)鐵細(xì)菌，如菌種：化能自養(yǎng)鐵細(xì)菌，如

20、 纖發(fā)菌屬、球衣菌屬和嘉利纖發(fā)菌屬、球衣菌屬和嘉利翁氏菌屬；翁氏菌屬； 化能自養(yǎng)硫細(xì)菌，如氧化亞鐵硫桿菌?；茏责B(yǎng)硫細(xì)菌，如氧化亞鐵硫桿菌。第六節(jié)第六節(jié) 鐵的循環(huán)鐵的循環(huán) 鐵細(xì)菌氧化亞鐵產(chǎn)生能量合成細(xì)胞物質(zhì)。鐵細(xì)菌氧化亞鐵產(chǎn)生能量合成細(xì)胞物質(zhì)。當(dāng)它們生活在鑄鐵水管中時(shí)，常因水管中有酸當(dāng)它們生活在鑄鐵水管中時(shí)，常因水管中有酸性水而將鐵轉(zhuǎn)化為溶解性的二價(jià)鐵，鐵細(xì)菌就轉(zhuǎn)性水而將鐵轉(zhuǎn)化為溶解性的二價(jià)鐵，鐵細(xì)菌就轉(zhuǎn)化二價(jià)鐵為三價(jià)鐵化二價(jià)鐵為三價(jià)鐵( (銹鐵銹鐵) )并沉積于水管壁上，越并沉積于水管壁上，越積越多，以致阻塞水管，故經(jīng)常要更換水管。積越多，以致阻塞水管，故經(jīng)常要更換水管。在含有機(jī)物和鐵鹽的陰

21、溝和水管中一般都有鐵在含有機(jī)物和鐵鹽的陰溝和水管中一般都有鐵細(xì)菌存在。細(xì)菌存在。 趨磁性細(xì)菌 趨磁性細(xì)菌是由美國(guó)學(xué)者趨磁性細(xì)菌是由美國(guó)學(xué)者Blakemore于于1975年在海年在海底泥中發(fā)現(xiàn)的底泥中發(fā)現(xiàn)的,他觀察到有些微生物持續(xù)不變地向他觀察到有些微生物持續(xù)不變地向一個(gè)方向游動(dòng)一個(gè)方向游動(dòng),它們聚集在一滴污水的某一邊緣，它們聚集在一滴污水的某一邊緣，這是一種趨光性反應(yīng)嗎這是一種趨光性反應(yīng)嗎?不是不是,因?yàn)椴还苈湓陲@微鏡因?yàn)椴还苈湓陲@微鏡片上的光怎樣分布片上的光怎樣分布,細(xì)菌總是游向同一個(gè)邊緣細(xì)菌總是游向同一個(gè)邊緣,甚至甚至當(dāng)顯微鏡被木盒蓋住、轉(zhuǎn)向或移放到其它房間時(shí)，當(dāng)顯微鏡被木盒蓋住、轉(zhuǎn)向或移

22、放到其它房間時(shí)，細(xì)菌仍然游向同一方向。細(xì)菌仍然游向同一方向。 趨磁性細(xì)菌的游泳方向受磁場(chǎng)的影響，由鞭毛趨磁性細(xì)菌的游泳方向受磁場(chǎng)的影響，由鞭毛(單單極生、雙極生極生、雙極生)進(jìn)行趨磁性運(yùn)動(dòng)。進(jìn)行趨磁性運(yùn)動(dòng)。1.趨磁性細(xì)菌趨磁性細(xì)菌 實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)把一小滴泥漿用暗場(chǎng)照明的顯實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)把一小滴泥漿用暗場(chǎng)照明的顯微鏡在低倍率（約微鏡在低倍率（約80倍）下放大檢查時(shí)，游倍）下放大檢查時(shí)，游動(dòng)的、折射光的細(xì)菌看起來(lái)像一些游動(dòng)的小動(dòng)的、折射光的細(xì)菌看起來(lái)像一些游動(dòng)的小光點(diǎn)。在只有地磁場(chǎng)而沒(méi)有其它磁場(chǎng)作用時(shí)，光點(diǎn)。在只有地磁場(chǎng)而沒(méi)有其它磁場(chǎng)作用時(shí)，一些細(xì)菌就持續(xù)不斷地向北游動(dòng)，并聚集在一些細(xì)菌就持續(xù)不斷地向

23、北游動(dòng)，并聚集在小水滴的北面的邊緣。如果把一條形磁鐵放小水滴的北面的邊緣。如果把一條形磁鐵放在附近，細(xì)菌就游向吸引羅盤針指向北端的在附近，細(xì)菌就游向吸引羅盤針指向北端的那一極。那一極。 引起趨磁性的內(nèi)因是：在細(xì)菌的細(xì)胞質(zhì)內(nèi)有一些引起趨磁性的內(nèi)因是：在細(xì)菌的細(xì)胞質(zhì)內(nèi)有一些50nm寬寬的小顆粒，每一顆粒是一個(gè)單磁疇。這樣的小顆粒稱為的小顆粒，每一顆粒是一個(gè)單磁疇。這樣的小顆粒稱為磁小體。它們通常是立方體或八面體、平行于細(xì)胞的長(zhǎng)磁小體。它們通常是立方體或八面體、平行于細(xì)胞的長(zhǎng)軸排列成單鏈或雙鏈。軸排列成單鏈或雙鏈。 趨磁性的最簡(jiǎn)單解釋是，一個(gè)正在游動(dòng)的細(xì)菌由于地趨磁性的最簡(jiǎn)單解釋是，一個(gè)正在游動(dòng)的細(xì)

24、菌由于地磁場(chǎng)施加于磁性小體的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩而被動(dòng)地指向。磁場(chǎng)施加于磁性小體的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩而被動(dòng)地指向。 例如，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)到幾個(gè)高斯時(shí)，細(xì)菌會(huì)很好地選取擇例如，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)到幾個(gè)高斯時(shí)，細(xì)菌會(huì)很好地選取擇方向且有較大的波動(dòng)速度。磁場(chǎng)較弱時(shí)，由于受熱擾方向且有較大的波動(dòng)速度。磁場(chǎng)較弱時(shí)，由于受熱擾動(dòng)影響，定向能力較弱，在磁場(chǎng)方向中游速就較慢。動(dòng)影響，定向能力較弱，在磁場(chǎng)方向中游速就較慢。 人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場(chǎng)導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。

25、物在地磁場(chǎng)導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。 2.2.趨磁性細(xì)菌趨磁性細(xì)菌 趨磁細(xì)菌是一類在外磁場(chǎng)的作用下能作定向運(yùn)動(dòng)趨磁細(xì)菌是一類在外磁場(chǎng)的作用下能作定向運(yùn)動(dòng)并在體內(nèi)形成納米磁性顆粒磁小體的細(xì)菌，其并在體內(nèi)形成納米磁性顆粒磁小體的細(xì)菌，其主要分布于土壤、湖泊和海洋等水底污泥中。趨主要分布于土壤、湖泊和海洋等水底污泥中。趨磁細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)磁小體的主要成分為磁細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)磁小體的主要成分為FeFe3 3O O4 4和和FeFe3 3S S4 4。 趨磁性細(xì)菌寄生在水中或水底的污泥中，只在水趨磁性細(xì)菌寄生在水中或水底的污泥中，只在水或沉積物的某一個(gè)深度繁殖。高于這個(gè)位置，氧或沉積物的某一個(gè)深度繁殖。高于

26、這個(gè)位置，氧氣過(guò)多會(huì)令它們無(wú)法承受；低于這個(gè)位置，氧氣氣過(guò)多會(huì)令它們無(wú)法承受；低于這個(gè)位置，氧氣又過(guò)于稀少。又過(guò)于稀少。在重力對(duì)它幾乎不起作用的情況下，有浮力的細(xì)胞在重力對(duì)它幾乎不起作用的情況下，有浮力的細(xì)胞是怎樣辨別上下的呢？是怎樣辨別上下的呢？ 這種細(xì)菌內(nèi)部有約這種細(xì)菌內(nèi)部有約20個(gè)磁力晶體組成的鏈，每個(gè)晶個(gè)磁力晶體組成的鏈，每個(gè)晶體直徑在體直徑在35到到120納米之間。這些晶體共同組成了納米之間。這些晶體共同組成了一個(gè)微型的羅盤。因?yàn)榈厍虼艌?chǎng)在大部分地方都是一個(gè)微型的羅盤。因?yàn)榈厍虼艌?chǎng)在大部分地方都是傾斜的，趨磁性細(xì)菌就根據(jù)磁場(chǎng)上下游動(dòng)到達(dá)它的傾斜的，趨磁性細(xì)菌就根據(jù)磁場(chǎng)上下游動(dòng)到達(dá)它的

27、目的地。有著相似構(gòu)造的人工磁力晶體目的地。有著相似構(gòu)造的人工磁力晶體. 3.趨磁細(xì)菌的用途趨磁細(xì)菌的用途 在信息存儲(chǔ)中的應(yīng)用：磁小體具有超微性（納在信息存儲(chǔ)中的應(yīng)用：磁小體具有超微性（納米級(jí)）、均勻性和無(wú)毒性，可生產(chǎn)品位高的磁米級(jí)）、均勻性和無(wú)毒性，可生產(chǎn)品位高的磁性生物材料，國(guó)外已開(kāi)始了高清晰、高保真的性生物材料，國(guó)外已開(kāi)始了高清晰、高保真的大容量超高密度磁記錄材料的開(kāi)發(fā)。大容量超高密度磁記錄材料的開(kāi)發(fā)。 在傳感技術(shù)中的應(yīng)用：日本研究人員已成功地在傳感技術(shù)中的應(yīng)用：日本研究人員已成功地將磁小體用于新型生物傳感器的研究開(kāi)發(fā)中。將磁小體用于新型生物傳感器的研究開(kāi)發(fā)中。將抗體固定在磁小體微粒上，可

28、定性或定量地將抗體固定在磁小體微粒上，可定性或定量地檢測(cè)多種蛋白抗原。檢測(cè)多種蛋白抗原。 在醫(yī)療衛(wèi)生上的應(yīng)用：作為酶、藥物或核酸（在醫(yī)療衛(wèi)生上的應(yīng)用：作為酶、藥物或核酸（DNADNA、RNARNA）的載體：把藥物或抗體等固定在磁小體上，在）的載體：把藥物或抗體等固定在磁小體上，在外磁場(chǎng)的作用下，變成外磁場(chǎng)的作用下，變成“運(yùn)載火箭運(yùn)載火箭”直接轟擊靶區(qū)直接轟擊靶區(qū)- -病灶，從而提高對(duì)癌細(xì)胞等的殺傷力。病灶，從而提高對(duì)癌細(xì)胞等的殺傷力。 制備磁化細(xì)胞：日本學(xué)者成功地將羊紅細(xì)胞與趨磁細(xì)制備磁化細(xì)胞：日本學(xué)者成功地將羊紅細(xì)胞與趨磁細(xì)菌的細(xì)胞利用原生質(zhì)體融合技術(shù)，獲得具有磁敏感性菌的細(xì)胞利用原生質(zhì)體融

29、合技術(shù)，獲得具有磁敏感性的融合子的融合子- -磁性紅細(xì)胞，在磁場(chǎng)的作用下，磁性紅細(xì)磁性紅細(xì)胞，在磁場(chǎng)的作用下，磁性紅細(xì)胞仍保持原來(lái)形態(tài)。胞仍保持原來(lái)形態(tài)。 趨磁細(xì)菌還可望用于廢水處理、發(fā)酵工業(yè)、人體內(nèi)廢趨磁細(xì)菌還可望用于廢水處理、發(fā)酵工業(yè)、人體內(nèi)廢物物“透析透析”，加工含鐵食品和飲料等領(lǐng)域，因此具有，加工含鐵食品和飲料等領(lǐng)域，因此具有巨大的不可估量的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)開(kāi)發(fā)前景。巨大的不可估量的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)開(kāi)發(fā)前景。 其它元素的循環(huán)其它元素的循環(huán)l錳錳l鈣鈣l硅硅l鉀鉀 思考題思考題1.什么叫生態(tài)系統(tǒng)什么叫生態(tài)系統(tǒng)?生態(tài)系統(tǒng)有什么功能生態(tài)系統(tǒng)有什么功能?什么叫生物圈，生態(tài)平衡什么叫生物圈，生態(tài)平衡?2.為什么說(shuō)土壤是微生物最好的天然培養(yǎng)基為什么說(shuō)土壤是微生物最好的天然培養(yǎng)基?