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微生物与物质循环生 态 系 统 的重要功能
能量流 动生食食物 链 （ grazing food chain）
腐食食物 链 （ detritus food chain）
物 质 循 环能量元素,O,C,H,N
营养 元素,P,K,Na,Ca,Mg,S等微量元素,Fe,Mn,Co等
微生物在 碳 循 环 中的作用
Carbon cycle/recycle
Summary of aerobic and aerobic transformations of carbon
Carbon Cycle
微生物在 碳 素循 环 中的作用
有机 残 体成分的周 转
有机 残 体在土壤中的分解速度及 产 物动 植物 残 体 进 入土壤后迅速遭微生物分解,开 始 时 分解迅速，几个 月后分解速率降至 较 低水平,较难 分解的部分 残 留在土壤中，易分解的物 质 如糖 类,淀粉,纤维 素等在微生物 矿 化 过 程中有一部分 碳组成了微生物 细 胞和微生物 产 物，也存留在土壤中。
有机 残 体降解中微生物 类 群的交替 过 程有机 质 分解的不同 时 期,发 育着不同 类 型的微生物，其 优势 群不断 交替 变 化。
有机 质 分解 过 程中物 质转 化 与 C/N比的 关 系碳氮 磷硫等 营养 元素在微生物分解 残 替 过 程中的去向 —是被微生物固定 还 是 释 放到土壤供植物利用，在很大程度上取 决 于有机 残 体的 C/N比。 较 低的 C/N比有利于 释 放供植物利用，而 较 高的 C/N比 则 可能引起 氮 素不足而 导 致分解速率降低或影 响 植物生 长 。
土壤有机 质 的形成土壤有机 质 由正在分解的 残 留物，担 负 分解 残 留物的生物所形成的副 产 品，微生物本身和抗性更强的土壤腐 质 酸 盐 所 组 成。
微生物在 氮 素循 环 中的作用微生物在 氮 素循 环 中占有十分重要的地位,许 多 氮 的 转 化 过 程都是由微生物 来 完成的。 氮 的主要 转 化 过 程包括：
氮 素的 矿 化和固定 (Nitrogen mineralizat
ion and Ammonium fixation)
硝化作用（ Nitrification）
硝酸 还 原作用（ Nitrate Reduction）
反硝化作用（ Denitrification）
固 氮 作用（ Nitrogen fixation）
Nitrogen Cycle/Recycle
Nitrogen Cycle
Biogeochemical Cycles:
Nitrogen
The Global Nitrogen Cycles
氮 素的 矿 化作用和生物固定作用
有机 氮 的 矿 化作用是指土壤有机 质 碎屑中的 氮 素，如可溶性 氨 基酸、短 肽,蛋白 质 和不溶性蛋白 质,结构性含 氮 物 质 如几丁 质 和 肽 葡聚糖以及核酸等，在土壤动 物和微生物的作用下，由 难 以被植物吸收利用的有机 态 降解 转 化成可被植物吸收利用的 NH4+的 过 程。 氮矿 化速率 决 定了土壤中用于植物生 长 的 氮 素的可利用性，是生 态 系 统氮 素循 环 最重要的 过 程之一。
氮 素固定 过 程是 将 NH4+结 合成 氨 基酸的 过 程。 该过 程取 决 于微生物生 长时对氮 的需求，也 与 基 质碳 的有效性和非生物 参数紧 密相 关 。 真 菌的 C,N比 较 大，一般范 围变动 于 15:1-4.5,1，而 细 菌的 C,N比 较 小,变动 范 围 通常在 3,1-5,1之 间 。 业 已 证 明，土壤微生物的 C,N比通常 为 5,1-8,1。
NH4+可能的去向
大部分 NH4+能被植物吸收，且常常是溶液中的一 种 主要 氮 源。
NH4+吸附在交 换 性 复 合体上,它 能被土壤溶液中的其 它阳 离子所置 换 。
进 入黏土的 层间 位置，不能被交 换 反 应所置 换 。
与 土壤有机 质 反 应 形成 醌 -NH2络 合物。
NH3挥发
硝化作用 转 化 为 NO2-及 NO3-
影 响 生 态 系 统 土壤 氮矿 化的因素
环 境因子
土壤 温 度和水分：土壤 温,湿 度是影 响总氮矿 化的最重要的 环 境因子,对氮矿 化速率有强烈的控制作用，且呈正相 关 。 氮矿 化 对温 度的反 应 强于 湿 度。土壤升 温 引起微生物 种类,数 量及活性的增加，而低 温 和干燥 对 微生物 种类,数 量和活性有限制作用。
土壤理化性 质
土壤 质 地和土壤 团 聚体：土壤 质 地通 过 影 响 好 氧 菌活 动 或粘粒 与有机 质 的 结 合等 对 有机 质 提供保 护,从 而影 响氮矿 化。砂土的 氮矿 化高于壤土和黏土；砂土中微生物生物量的 C/N比也高于壤土和黏土，且 与单 位微生物生物量 氮 的 矿 化率呈正相 关 。不同大小干燥土壤 团 聚体中有机 氮 的 矿 化不同。可 矿 化有机 氮库 的大小依赖 于土壤 团 聚体的大小和 稳 定性,团 聚体越小,稳 定性越弱，有机 质 越易被微生物降解，可 矿 化有机 氮库 越大。粘粒 /腐殖 质 比越高的土壤,氮矿 化越低。
影 响 生 态 系 统 土壤 氮矿 化的因素
土壤理化性 质
土壤有机 质 的存在 状况,当 有机 质,微生物 残 体被降解 时,细 胞 质 迅速降解，而 细 胞壁物 质则矿 化 较 慢；
有机 质 片段越大 矿 化越 难 。
土 层 深度,pH值 和 盐碱 度,氮矿 化一般 随 土 层 深度增加而降低，因土壤透 气 性逐 渐 降低，可供降解的有机质减 少而微生物 数 量迅速下降。 pH值 升高促 进氮矿 化增加，而土壤 盐 度增加,氮矿 化量下降。
影 响 生 态 系 统 土壤 氮矿 化的因素
凋落物 状况
群落 类 型和植物 组 成
凋落物基 质 C/N比：一般 来说,土壤 氮矿 化 与 凋落物 C
/N比呈 负 相 关 。低 C/N比（小于 25）的凋落物 与 高 C/
N比（大于 25）的凋落物相比,氮矿 化速率更高。
凋落物 质 量 —木 质 素 /氮 素比（ L/N）：凋落物 L/N增加，
氮矿 化速率下降。
土壤 动 物和微生物
土壤 动 物：土壤 动 物常增加有机 质 的分解和 氮 素 矿 化。
土壤微生物：
硝化作用
硝化作用就是把 氨转 化 为 硝酸 盐 的 过 程,这个过 程是通 过 微生物 来实现 的。首先由 亚 硝化 单 胞菌 属 （ Nitrosomonas）把 氨转 化成 亚硝酸 盐,再由硝化杆菌 属 （ Nitrobacter）把亚 硝酸 盐转 化 为 硝酸 盐 。 这两类细 菌是 专 性需 氧 微生物，在大多 数 生 长环 境中 它们 是生长 在一起的，由 亚 硝酸 盐 到硝酸 盐 的 转 化速度很快，因此 亚 硝酸 盐 的含量很低。
硝化作用 过 程
NO2 NO N2O
NH3 NH2OH NO2-[NOH] NO3-
AMO:氨单加氧酶
HAO：羟氨氧化还原酶
NOR：亚硝酸氧化还原酶
NH4+
AMO HAO NOR
硝化作用的微生物 学
化能自 养 硝化 细 菌：
亚 硝化 单 胞菌； 亚 硝化螺菌； 亚 硝化球菌； 亚 硝化叶菌；硝化杆菌；硝化刺菌；硝化球菌
化能 异养 硝化菌细 菌,Arthrobacter sp.; Azotobacter sp.;Pseu
domonas fluorescens; Aerobacter aerogenes;
Bacillus megaterium; Proteue sp.
放 线 菌,Streptomyces; nocardia
真 菌,Aspergillus fleavus; Neurospora crossa;
Penicillium sp.
影 响 硝化作用的因素
酸度,NO3-产 量 与 pH值 之 间 有 显 著相 关 性，最适 pH值 在 6.
6-8.0之 间 。一般 来说,农业 土壤的硝化速率在 pH低于 6.0
时 明 显 降低,pH低于 4.5时则 可忽略不 计 。 pH大 时,NH4+
抑制 NO2-向 NO3-的 转 化。
通 气 性：通 气 是必需的。
湿 度,湿 度影 响 土壤通 气状况,因而也影 响 NO3-的 产 量。最适 湿 度因土壤而 异,大多 数 情 况 下 湿 度在 -0.1-1兆帕 时,
硝化作用易于 进 行。
温 度,温 度 对 硝化作用影 响 很大,5℃ 以下和 40℃ 以上，反应 很慢。最适 温 度范 围为 30-35℃ 。
硝酸 还 原作用
硝酸 还 原作用是同硝化作用相反的 过 程。一些 细 菌,真 菌和 蓝细 菌在 氨 基酸和蛋白 质 的合成 过 程中,将 NO3-还 原成 -NH2 。 亚 硝酸盐 和 羟胺 （ NH2OH）是其中 间产 物； O2不抑制 该过 程。但 NH4+的存在或 还 原性含 氮 有机代 谢 物 会 抑制 这个过 程。
反硝化作用
微生物 将 NO3-还 原成 NO2-,并进 一步 还 原 为 逸散到大 气 中的 气态 的 N2O和 N2的 过 程 称为 反硝化作用。
土壤反硝化作用的 产 生 条 件：
存在具有代 谢 能力的反硝化微生物合适的 电 子供体嫌 气条 件或 O2的有效性受到限制
N的 氧 化物，如 NO3-,NO2-,NO或 N2O作 为 末端 电 子受体。
反硝化作用 过 程
NO3- NO2- N2ONO N2Nar
Nir NosNor
Nar:硝酸还原酶 ； Nir：亚硝酸还原酶 ；
Nor：一氧化氮还原酶 ； Nos：氧化亚氮还原酶能 进 行反硝化作用的 细 菌 属
产碱 菌 属 （ Alcaligenes） 通常分离于土壤
土壤杆菌 属 （ Agrobacterium） 某些 种 是植物病原体
固 氮 螺菌 属 （ Azospzrillum） 通常 与 牧草 联 合固 氮
芽 孢 杆菌 属 （ Bacillus） 有嗜 热 反硝化菌的 报 道
黄 杆菌 属 （ Flavobacterium） 已分离到反硝化 细 菌的 种
盐 杆菌 属 （ Halobacterium） 生 长 需要高 浓 度 盐
生 丝 微菌 属 （ Hyphomicrobium） 能在 单碳 基 质 上生 长
副球菌 属 （ Paracoccus） 能在有机和无机 营养 上生 长
丙酸杆菌 属 （ Propionibacterium） 能 进 行反硝化作用的 发 酵 细 菌
假 单孢 菌 属 （ Pseudomonas） 通常分离于土壤
根瘤菌 属 （ Rhizobium） 能 与 豆科作物共生固 氮
红 假 单孢 菌 属 （ Rhodopseudomonas） 光合自 养 生物
硫杆菌 属 （ Thiobacillus） 通常以化能自 养 生 长影 响 反硝化作用速率的因素
土壤硝酸 盐 含量,当 NO 3 -浓 度超 过 20ugN/ml时,反硝化反 应 按零级动 力 学 方程 进 行，即反映速率 与 NO 3量无 关 ；在 NO 3浓 度 较 低 时,
似乎是按一 级动 力 学 方程 进 行。 当 NO 3浓 度 较 高 时,产 物中 N2占 优势 ； 当 NO 3含量 较 低 时,产 物中常常是 N2O占 优势 。
碳 的有效性：土壤有机 质总 量和反硝化 势 之 间 存在一定的相 关 性，
而反硝化 势与 易分解有机 质 之 间 的相 关 性更好。
土壤含水量：土壤水分含量 较 高，影 响 了土壤中空 气 的 扩 散,则 反硝化 势显 著增加。在 给 定土壤含水量的情 况 下，土壤 氧气 量增加，
则 反硝化 势减 弱。一般 来说,在田 间条 件下，只要耗 氧 量不是特 别高,则当 水分含量低于田 间 持水量的 60%时,反硝化作用就不能 进行或很弱。
土壤 pH和 温 度：大多 数 反硝化菌在 pH6-8时 生 长 最好,当 pH低于 5
时,反硝化速率 变 慢，但仍很强,当 pH低于 4时,反硝化作用就可忽略不 计 或根本不能 进 行。反硝化作用能 够进 行的最低 温 度 为 5 ℃,
最高 温 度 为 75 ℃ 。
生物固 氮 作用
在 环 境中,氮 素的主要 贮库 是以 气态氮 存在于大 气 中,约 占大 气 体 积 的 80%.一般 来说,存在于大 气 中的 氮 素生物是不能直接利用的,因此,
氮 素循 环 中最 关键 的是把 气态氮 固定下 来,
成 为 无机的 氮 化物,
具有固 氮 作用的微生物只限于原核生物，其中包括各 个 不同 类 群的微生物,至今 没 有 见 到真 核生物能 够 固 氮,
固氮生物和联合体 （ 1 ）
联合类型 代表性原核生物菌属固氮菌属拜叶林克氏属、德克斯属好氧根瘤菌属芽孢杆菌属、克雷伯氏菌属固氮螺菌属兼氧硫杆菌属梭菌属脱硫弧菌属厌氧脱硫肠状菌属沙门氏菌属有机营养菌遗传工程沙雷氏菌属、埃希氏菌属念珠藻属、束毛藻属鱼腥藻属蓝细菌粘杆藻属红假单胞菌属紫色非硫细菌红螺菌属着色菌属绿菌属非共生光能营养菌紫绿色硫细菌荚硫菌属固氮生物和联合体 （ 2 ）
联合类型 代表性原核生物菌属固氮螺菌属有机营养菌 根际固氮菌属、芽孢杆菌属非根瘤 叶际 克雷伯氏菌属、拜叶林克氏菌属豆科植物 根瘤菌属非豆科植物 根瘤菌属非豆科植物，放线菌 弗兰克氏菌属根瘤非豆科植物,G unn e r a 念珠藻属念珠藻属、真枝藻属地衣眉藻属藓类 念珠藻属苔类 软珠藻属裸子植物 念珠藻属水蕨类 鱼腥藻属联合光能营养菌
E ndo c yno s e s 念珠藻属微生物在磷 转 化中的作用
The Phosphorus Cycle:
Relatively simple and fast cycle,at the usual alk
aline pH of seawater,organic phosphates are e
asily hydrolyzed to inorganic phosphate
Alkaline phosphatase,enzyme of algae and bac
teria that converts organic phosphate into inorg
anic phosphate,which is subsequently taken u
p; can occur intra- or extracellularly
Limitation,most marine systems are less P,mo
re N limited; freshwater and coastal areas can
be severely P-limited
Organic P
Algae
Phosphatic
Rock
Micro / Macro
Zoopolankton
Bacteria
PHOSPHORUS CYCLE
Inorganic
P
Dead Cells Useable Phosphates
Waste
Feeding
Guano & bone
Remains
Weathering
Organic P
Compounds
Bacteria
Inorganic P
Compounds
Microbial
Loop /
Breakdown
Dead Tissue
微生物在硫 转 化中的作用
Redox cycle
for Sulfur
Sulfur Recycle
Aerobic and anaerobic sulfur transformations
The global sulfur cycle
Ecology of Sulfate-Reducing C
ommunities
Polymers
Oligomers
Monomers
Organic
Acids
Acetate
CO2
H2
Alcohols
CO2
Sulfate
Reduction
Methanogenesis
CO2
SO42-
H2S
MeS(s)
Me2+
CH4 +
CO2
Enzymatic
Hydrolysis
Fermentation
Hydrolytic processes
Fermentative processes
Methanogenic processes
Sulfate-reduction processes
Biogeochemical cycles,iron
Bacterial iron reduction and oxidation
Fe2+ + 1/4O2 + 2OH-1 + 1/2H2O Fe(OH)
3
Ferrous iron oxidation at acid pH:
Thiobacillus ferrooxidans,
an iron-oxidizing bacterium,
is strict acidophile,a small
number of cells can be
responsible for precipitating
a large amount of iron.
Pyrite oxidation
One of the most common forms of iron a
nd sulfur in nature is pyrite (FeS2),in mini
ng operation,a slow chemical reaction o
ccurs:
FeS2 + 31/2O2 + H2O Fe2+ + 2SO42- + 2H+
Fe2+ Thiobacillus ferrooxidans Fe3+
FeS2 + 14Fe3+ + 8H2O 15Fe2+ + 2SO42-
+ 16H+
Spontaneous
Role of iron-oxidizing bacteria in the oxidation of the mineral pyrite
Soil Enzymes
E + S ES E + P
Enzyme (E) – A protein produced by a
cell to act as a catalyst
Substrate (S) – A compound acted upon
by an enzyme
Definition of Enzymes
Enzyme
Substrate
+
Substrate
Product
Enzyme
Substrate
Enzymes are proteins that allow reactions to pr
oceed at faster rates by reducing the energy o
f activation of the reaction:
土壤中酶的来源
植物、土壤动物和土壤微生物
土壤中积累的酶的存在方式,
体外酶（ Free enzymes）（ Exoenzymes)
体内酶（ Endoenzymes）
(cytoplasm,periplasm)
Kiss et al,1975
酶的类型
构建酶 (Constitutive enzymes)
在细胞中常用的酶,总是存在的
引导酶 (Inducible enzymes )
在细胞中存在基因编码,但只是在需要时才产生土壤酶的存在状态
土壤酶可以被土壤中的蛋白酶所破坏
土壤酶也可能被粘粒或腐殖质所保护,在土壤中酶和粘粒或腐殖质形成多聚复合体,可以抵抗变性
Location of Enzymes in Soils
( i )
( i i )
(V
D e a d i n t a c t c e l l
( i v )
( i i i )
( v i )
( i x )( x )
L y s i s
D
e
a
t h
L y
s i s
R e s t i n g s t r u c t u r e
L i v i n g c e l l
S e c r e t i o n
E x t r a c e l l u l a r e n z y m e s
G
r
o
w
t
h
/
D
e
v
i
s
i
o
n
( v i i )
D e a d d i s i n t e g r a t e d
c e l l
E n z y m e - s u b s t r a t e
c o m p l e x
C l a y m i n e r a l s
C l a y - e n z y m e c o m p l e xH u m u s - e n z y m e c o m p l e x
H u m i c a c i d s
R e l e a
s e
( v i i )
( v i i )
( v i )
( v i i i )
A d s o r b e d e n z y m e s
E n t r a p e d e n z y m e s
L i v i n g c e l l s
( I )
( V )
(i) Intracellular enzymes
(ii) Periplasmatic enzymes
(iii) Enzymes attached to outer
surface of cell membranes
(iv) Enzymes released during
cell growth and division
(v) Enzymes within non-
proliferating cells (spores,
cysts,seeds,endospores)
(vi) Enzymes attached to dead
cells and cell debris
(vii) Enzymes leaking from intact
cells or released from lysed
cells
(viii) Enzymes temporarily
associated in enzyme-
substrate complexes
(ix) Enzymes absorbed to
surfaces of clay minerals
(x) Enzymes complexed with
humic colloids
Prepared by my colleague Dr,Klose according
to Burns 1982,Nannipieri 1994
Resting structure
Dead intact cell
Living cell
Dead
disintegrated cell
Extracellular
enzymes
Living cell
Enzyme-substrate complex
Clay minerals
Clay-enzyme
complex
Humus-enzyme
complex
Humic acids
土壤酶及其催化的生化反 应
水解酶 类
o 羧 基 酯 酶：水解 羧 基 酯,产羧 酸及其他 产 物。
o 芳基 酯 酶：水解芳基 酯,产 芳基化合物及其他。
o 脂酶：水解甘油三脂,产 甘油和脂肪酸。
o 磷酸脂酶：水解磷酸脂,产 磷酸及其他。
o 淀粉酶：水解淀粉 为 葡萄糖。
o 纤维 素酶：水解 纤维 素，生成 纤维 二糖。
o 木聚糖酶：水解木聚糖 产 木糖。
o 葡聚糖酶：水解葡聚糖 产 葡萄糖。
o 转 化酶：水解蔗糖 产 葡萄糖和果糖。
o 蛋白酶：水解蛋白,产肽 和 氨 基酸。
o 脲 酶：水解尿素生成 CO2和 NH3。
o ATP酶：水解 ATP生成 ADP。
土壤酶及其催化的生化反 应
氧 化 还 原酶 类
o 脱氢 酶：促有机物 脱氢,起 传递氢 的作用。
o 葡萄糖 氧 化酶,氧 化葡萄糖成葡萄糖酸。
o 尿酸 氧 化酶：催化尿酸成 为 尿囊素。
o 联苯酚氧 化酶和磷 苯 二 酚氧 化酶：促 酚类 物 质氧化生成 醌 。
o 过氧 化 氢 酶：促 过氧 化 氢 生成水和 氧气 。
o 过氧 化物酶：催化 过氧 化 氢,氧 化 酚类,胺类 成醌 。
o 硫酸 盐还 原酶：促 SO42-为 SO32-，再成硫化物。
o 硝酸 盐还 原酶：催化 NO3-为 NO2-。
o 亚 硝酸 盐还 原酶：催化 NO2-还 原成 NH2（ OH）
土壤酶及其催化的生化反 应
转 移酶 类
o 葡聚糖蔗糖酶和果聚糖蔗糖酶,进 行糖基 转 移。
o 氨 基 转 移酶,进 行 氨 基 转 移。
裂解酶 类
o 天冬 氨 酸 脱羧 酶：裂解天冬 氨 酸 为 b-丙氨 酸和 CO2。
Carbon mineralization:
b-Glucosidase catalyzes the final limiting step
of cellulose degradation
Selected enzyme reactions
O-R + H
2
O
+ R -OH
O
H OH
2
C
HO
HO
OH
R =
OH
NO
2
O
H OH
2
C
HO
HO
OH
p -n it ro phe ny l- b -D- gluc os ide b - gluc os ide p -n it ro phe nol
O-R + H
2
O
+ R-OH
O
HOH
2
C
HO
HO
OH
R =
OH
NO
2
O
HOH
2
C
HO
HO
OH
p -nitrophenyl- b -D- glucoside b - glucoside p -nitrophenol
b-glucosidase
Selected enzyme reactions
Nitrogen mineralization
i.e.=Proteins
RNH2 NH4+ NO2-
Ammonification Nitrification
NO3- + energy
Aminization
Amino acid mineralization in soils
(begins by the release of amino acids
from organic matter)
Amino acid
(RNH2)
AmmonificationAmino acid
NH4+ NO2- NO3- + EArylamidase
activity
Amidohydrolases
activity:
e.g.,
L-Glutaminase activity
L-Asparaginase activity
L-Aspartase activity
Nitrification
L-Leucine b-naphthylamide
(Substrate for assay)
Arylamidase
NHCCHCH2CH(CH3)2
NH2
O
+ H2O
b-Naphthylamine
+
HOOC
CHCH2CH(CH3)2
NH2
Leucine
NH2
Arylamidase Activity
L-Asparaginase activity
+ H2O HC NH2 + NH3.
CH2
COOH
HC NH2
CH2
CO
NH2
L-Asparaginase
COOH COOH
L-Aspartase activity
+ NH3.C H
CH
COOH
COOK
L-Aspartase
CH2
COOH
COOK
HC NH2 + H2O
L-Glutaminase activity
L-Glutaminase+ H2O
COOH
CH2
NH2
CH2
CO
H C NH2 + NH3.
COOH
CH2
CH2
COOH
H C NH2
Amidase activity
NH3 + RCOOHAmidaseRCONH2 + H2O
b-Glucosiminidase Activity in Soils
b-Glucosaminidase
OHO
HO NH
C=O
CH3
O-R
O OHO
HO+ H2O
HO + R-OHOH
N -acetyl-b-D-glucosaminide p-nitrophenolp-Nitrophenyl-N-acetyl- b -D- glucosaminide
NO2R =
NH
C=O
CH3
(Substrate for assay)
Urease activity
CO2 + 2NH3
Urease
H2O
NH2C NH2
O
Phosphorus mineralization
Selected enzyme reactions
+ H2O phosphatase
Acid or alkaline
+ ROHRO P O
O
O
HO P O
O
O
Phosphodiesterase
OH
OR2
+ H2OO P OR1
OH
OR2
+ R1OHO P OH
Sulfur mineralization
Selected enzyme reactions
O-R + H
2
O
+ R -OH
O
H OH 2 C
HO
HO
OH
R =
OH
NO
2
O
H OH 2 C
HO
HO
OH
p -n it ro phe ny l- b -D- gluc os ide b - gluc os ide p -n it ro phe nol
ROH + H + + SO4 2-.ArylsulfataseROSO3_ + H2O
Arylsulfatase is believed to be partly responsible for S
cycling in soils as it is involved in the mineralization of
organic sulfur compounds to inorganic forms (SO42-) for
plant uptake (Tabatabai,1994),
R= aryl group
Substrate for assay= p-nitrophenyl sulfate
Limiting Nutrients
Limiting nutrients,can be nitrate (nitrogen),pho
sphate,iron (bioavailable iron!),silicate (for dia
toms,silicoflagellates,radiolaria)
Si-Cycle,simplest,only inorganic forms; organi
sm include Si in their skeletons,which is dissol
ved after their death; silica frustle of diatoms is
covered by organic matrix,which first has to be
degraded by bacteria
The Nitrogen Cycle
Complex because nitrogen occurs in different inorganic
(NH4,NO3,NO2,N2) and organic (PON,DON) forms th
at are mostly biologically transformed
Dominant forms:
– nitrate,taken up by phytoplankton (especially diatoms)
– ammonia,produced by bacteria,protozoa,zooplankton and con
sumed by bacteria and phytoplankton (all)
N often limiting nutrient in marine systems for phytoplank
ton production
Nitrification,conversion of NH4 to NO2 to NO3 by nitrifyi
ng bacteria; uses oxygen!
Denitrification,conversion of NO3 to NO2 to N2 by bacte
ria; releases oxygen but net loss of nitrogen to water col
umn!
Nitrogen fixation,conversion of atmospheric N2 into org
anic nitrogen by bacteria and cyanobacteria
Nitrogen FixationNitrogen Fixers,What role?
N2 + 6H+ + 6e- --> 2NH3 Using the enzyme Nitrogenase
The low-nitrogen waters of the open ocean (& eastern Indian Ocean) are
often dominated by microscopic algae known as "nitrogen-fixers",who obtain
their nitrogen directly from the air,as nitrogen gas,short- circuiting the
nitrogen limitation in the ocean.
These species also have a requirement for dissolved iron which,since it is
delivered from wind-blown dust from land,may often be limiting in open
ocean regions
N-fixation,requires low oxygen,h
igh light & low nitrate
Low oxygen / high light:
– Utilizes specialized cells ca
lled heterocysts
– Forms bundles
Low nitrate:
– Open ocean
Absolute magnitude of N
-fixation poorly constrain
ed
New and Regenerated Production
Concept,Refers to the origin of nitrogen used by phytopla
nkton:
– Ammonium,originates from recycling by bacteria,the microbial fo
od web or zooplankton
– Nitrate & N2,originates from inputs from deeper water layers,from
land/river,or the atmosphere
New Production“,relies on nitrate from upwelling,river/la
nd,fixation of atmospheric N2
Regenerated Production“,relies on NH4 recycled within t
he euphotic zone
f-ratio,ratio of new production to total production,
f = NP / (NP + RP) = NP / P
f-ratio ranges from 0.1 in oligotrophic,open ocean waters
to 0.8 in upwelling areas
Sedimentation of PON ~ f-ratio
Energetics and carbon flow in
microbial metabolism
(Fig,5.23,p,130,Madigan et al.)
ME2heterotroph
autotroph
Important points from last lecture
1,Chemolithotrophic bacteria and archaea oxidize
reduced inorganic compounds to obtain energy,
2,Many reduced inorganic compounds can be used
by microbes,each specializing on a compound or
class of compounds.
3,Chemolithotrophs often live at interfaces between
the aerobic and anaerobic worlds.
4,Chemolithotrophs use CO2 via the Calvin-Benson
Cycle and thus are also ―chemoautotrophs‖
5,Geomicrobiology is a new field,a subdiscipline of
microbial ecology
1
Correction,Anaerobic degradation of methane
Apparent reaction
CH4 + SO42-? HCO3- + HS- + H2O
DG0‘ = -40 kJ/mol
Who is using the CH4
One answer is the methanogens:
Some methanogen produces CH4—but others
may consume it by,reverse methanogenesis”
2
Methanogens:,reverse methanogenesis”
CH4? acetate and/or H2
acetate and/or H2 + SO42-?
HCO3- + HS- + H2O
Sulfate reducers
Explains need for syntrophic relationship,rapid use
of acetate and H2 by sulfate reducer helps drive the
reaction,
3
But lots of unknowns
Valentine,D,L,2002,Biogeochemistry and microbial ecology
of methane oxidation in anoxic environments,a review,
Antonie Van Leeuwenhoek Int J,Gen,Mol,Microbiol,81:
271-282.
Kotelnikova,S,2002,Microbial production and oxidation of
methane in deep subsurface,58,367-395.
Valentine,D,L.,and W,S,Reeburgh,2000,New perspectives
on anaerobic methane oxidation,2,477-484.
4
What is the difference between a sulfate
reducer and a sulfur* oxidizer?
They are as different as animals and plants
*May not be just elemental sulfur (So),but
any reduced sulfur,including H2S,
5
Sulfate reduction,anaerobic respiration
2CH2O + SO4 2-? 2CO2 + H2S + 2OH-
H2S + 1/2 O2---> So + H2O
Sulfide (sulfur) oxidation,chemolithotrophy
Because of the need for both reduced S (here
HS-) and O2,where do many chemolithotrophs
live?
7
At interfaces between aerobic and anaerobic world
Another type of chemolithotrophy,
Nitrification
Two step process:
NH4+ is oxidized,i.e,it is the e-donor
NH4+ + 1 1/2 O2 = NO2- + 2H+ + H2O 1)
and then NO2- is oxidized further,
NO2- + 1/2 O2 = NO3- 2)
Traditionally,members of the beta-proteobacteria
First Step,Nitrosomonas and Nitrosococcus
Second Step,Nitrobacter
9
Energy yield from nitrification,Not much!
NH4+ oxidation (reaction 1),-259 kJ/mol
NO2- oxidation (reaction 2),-75.6 kJ/mol
Benchmarks,
ADP + Pi = ATP Delta Go' = +30 kJ mol-1
For aerobic heterotrophy:
C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O -2823 kJ mol-1
10
Although a two step process,‖nitrification" and
"nitrifiers" generally refer to the complete oxidation
of NH4+ to NO3-,
But info about the two steps helps to explain nitrite
(NO2-) distributions with depth in the ocean
11
12
Note subsurface
maximum in
NO2-,generally
right at bottom of
euphotic zone
13
From Chap 14
Light inhibits nitrite oxidation
So,second reaction,NO2- oxidization,is
inhibited by light,allowing NO2- to build up
slightly,
NH4+ + 1 1/2 O2 = NO2- + 2H+ + H2O 1)
NO2- + 1/2 O2 = NO3- 2)
Bess Ward doesn’t believe this and says nitrite max
could be due to phytoplankton excretion
14
,Usually‖,electron acceptor is O2
Ammonium (NH4+) builds up in anoxic sediments
Organic material + sulfate?CO2 + NH4+ + HS-
Aerobic nitrifiers cannot use NH4+,Why not?
15
There is no O2
Anaerobic ammonium oxidation (anammox)
First found in sewage treatment plant in Holland
Long term decline in ammonium concentrations
without oxygen!
Strous et al,Nature 400,446–449 (1999)
Later found in anaerobic sediments
Thamdrup,B.,and T,Dalsgaard,2002,Appl,Environ,
Microbiol,68,1312-1318.
16
Anaerobic ammonium oxidation
Suggested for sewage:
NH4+ + NO3- = N2 + 2H2O
Deficits in ammonium,relative to other byproducts of
organic matter degradation in sediments:
5NH4+ + 3NO3- = 4N2 + 9H2O + 2H+
24-67% of N removal in the Baltic and North Sea!
17
Much lower (<10%) in the Thames Estuary
Trimmer et al,2003 AEM 69 (11),6447-6454
Not important in really organic rich
environments?
Usually,ammonium does build up in anoxic
sediments,so overall ammonium oxidation is
mostly an aerobic process,
18
Anaerobic ammonium oxidation
Weird group of bacteria,Planctomyces,a
genus in the phylum Planctomycetes
Not terribly
abundant
No
peptidoglycan!
19
1,Obvious,N limits production in many oceanic
regimes,many times.
2,N can be used to follow C fluxes,Important even
when N is not limiting,
3,N20,a greenhouse gas,is produced during
nitrification and denitrification,
4,Changes in fixed N over geological time scales
Why is the N cycle important?
20
CO 2
Autotrophs Grazers
NH
4
+
DOM
Nitrification
NO
3
- Sinking
Particles
NH
4
+
CO 2
Heterotrop hic Bacteria
( ( ( ( ( (( ((( ( ( ( (
Mixed
layer
(euphotic
zone)
21
A simple
version of the
N cycle,
aerobic
N2
N2 fixation
NO3-
Aphotic
zone
100 m
Forms of N (excluding N2) in the oceans
Dissolved organic nitrogen (DON)
often the biggest pool! 5-30 uM-N
Dissolved inorganic nitrogen (DIN)
Ammonium,0-1 uM,
Nitrate 0-10 uM
Nitrite 0-1 uM
Urea low (<1 uM)
22
Who uses dissolved inorganic nitrogen (DIN)—as
N source for biosynthesis?
Phytoplankton,including cyanobacteria
Heterotrophic bacteria
Archaea,presumably
23
Heterotrophic bacteria account for (on average):
1,24-46% of PO3- uptake (mostly in lakes).
2,42% of ammonium uptake (oceans)
3,16% of nitrate uptake (oceans)
Nitrate has to be reduced and is energetically expensive.
See chapter 9
24
Why is NH4+ favored over NO3-?
Oxidation state of N in protein,-3
Oxidation state of N in DIN:
-3
NO3- +5
So,need to reduce NO3- which requires several NADH
(energy) to use NO3-
25
NH4+
Why do especially heterotrophic bacteria favor NH4+
DOM concentrations and quality are low,if
not limiting for heterotrophic bacteria
26
What compounds are excreted?
Excretion or Mineralization of N by grazers and
bacteria
Mineralization,release of inorganic compounds from organic
material
NH4+ (ammonium)---> NH3 (ammonia)+ H+
Urea,NH2 -CH2- NH2
Ammonium most important by far
28
Sinking of Particulate Organic N or advection
of DON to deep waters.
Dissolution or release by detritivores,bacteria
and archeae of NH4+
Organic N---> NH4+
No nitrate or nitrite formed during this process.
29
So,ammonium is released during the mineralization
of sinking particles,but ammonium is not measurable
(< 5 nM) in deep waters,ever!
What happens to the ammonium?
30
Oxidized by nitrifiers to nitrate,Nitrification
Generally,thought to be important right below
euphotic zone; nitrifiers inhibited by light
Some evidence that nitrifiers may be important in
surface waters,but we’ll ignore here (complicates
things),See Chapter 14
Certainly important in soils,etc.
Nitrate uptake as a measure of ―new
production‖ and ―export production‖
Examine sinking particles and C export from
surface layer
Measure of how much C the oceans are taking
up
31
CO 2
Autotrophs Grazers
NH
4
+
DOM
Nitrification
NO
3
- Sinking
Particles
NH
4
+
CO 2
Heterotrop hic Bacteria
( ( ( ( ( (( ((( ( ( ( (
Mixed
layer
(euphotic
zone)
32
NO3-
Aphotic
zone
100 m
In open
ocean,
without
external
inputs (e.g,
land),only
―new‖
nitrogen is
nitrate,from
below the
euphotic
zone
Nitrate uptake as a measure of ―new
production‖ and ―export production‖
Assume:
1,Nitrification is the only reaction that
produces NO3- (safe assumption)
2,NO3- formed only below euphotic zone
(maybe not)
3,N2 fixation is small compared to other rates
(maybe not)
33
NO3-
NO3- N in Microbes and DON Sinking organic N
NH4+ Sunk organic N
Very simple N cycle Estimated ―export
production‖
Measured new production
34
How can NO3- uptake be used to estimate N
export?
Consider a steady-state ocean,
1,All pools are constant
2,Diffusion and upwelling of N (N going up)
must equal export out (N going down)
35
Therefore
1,NO3- uptake = NO3- input into euphotic zone,to
make sure surface layer NO3- stays constant.
2,NO3- input into euphotic zone = N export out of
euphotic zone,
N must balance
If so,then
3,NO3- uptake = new production = N export at
steady state.
36
Much work on new production and its control,Why care
so much?
New production (NO3- uptake) can be used to estimate N
export,which is turn can be used to estimate C export out of
euphotic zone
C export = N export * C/N of organic material being
exported,
N export and C export are hard to measure directly,harder
than NO3- uptake.
37
微生物与物质循环生 态 系 统 的重要功能
能量流 动生食食物 链 （ grazing food chain）
腐食食物 链 （ detritus food chain）
物 质 循 环能量元素,O,C,H,N
营养 元素,P,K,Na,Ca,Mg,S等微量元素,Fe,Mn,Co等
微生物在 碳 循 环 中的作用
Carbon cycle/recycle
Summary of aerobic and aerobic transformations of carbon
Carbon Cycle
微生物在 碳 素循 环 中的作用
有机 残 体成分的周 转
有机 残 体在土壤中的分解速度及 产 物动 植物 残 体 进 入土壤后迅速遭微生物分解,开 始 时 分解迅速，几个 月后分解速率降至 较 低水平,较难 分解的部分 残 留在土壤中，易分解的物 质 如糖 类,淀粉,纤维 素等在微生物 矿 化 过 程中有一部分 碳组成了微生物 细 胞和微生物 产 物，也存留在土壤中。
有机 残 体降解中微生物 类 群的交替 过 程有机 质 分解的不同 时 期,发 育着不同 类 型的微生物，其 优势 群不断 交替 变 化。
有机 质 分解 过 程中物 质转 化 与 C/N比的 关 系碳氮 磷硫等 营养 元素在微生物分解 残 替 过 程中的去向 —是被微生物固定 还 是 释 放到土壤供植物利用，在很大程度上取 决 于有机 残 体的 C/N比。 较 低的 C/N比有利于 释 放供植物利用，而 较 高的 C/N比 则 可能引起 氮 素不足而 导 致分解速率降低或影 响 植物生 长 。
土壤有机 质 的形成土壤有机 质 由正在分解的 残 留物，担 负 分解 残 留物的生物所形成的副 产 品，微生物本身和抗性更强的土壤腐 质 酸 盐 所 组 成。
微生物在 氮 素循 环 中的作用微生物在 氮 素循 环 中占有十分重要的地位,许 多 氮 的 转 化 过 程都是由微生物 来 完成的。 氮 的主要 转 化 过 程包括：
氮 素的 矿 化和固定 (Nitrogen mineralizat
ion and Ammonium fixation)
硝化作用（ Nitrification）
硝酸 还 原作用（ Nitrate Reduction）
反硝化作用（ Denitrification）
固 氮 作用（ Nitrogen fixation）
Nitrogen Cycle/Recycle
Nitrogen Cycle
Biogeochemical Cycles:
Nitrogen
The Global Nitrogen Cycles
氮 素的 矿 化作用和生物固定作用
有机 氮 的 矿 化作用是指土壤有机 质 碎屑中的 氮 素，如可溶性 氨 基酸、短 肽,蛋白 质 和不溶性蛋白 质,结构性含 氮 物 质 如几丁 质 和 肽 葡聚糖以及核酸等，在土壤动 物和微生物的作用下，由 难 以被植物吸收利用的有机 态 降解 转 化成可被植物吸收利用的 NH4+的 过 程。 氮矿 化速率 决 定了土壤中用于植物生 长 的 氮 素的可利用性，是生 态 系 统氮 素循 环 最重要的 过 程之一。
氮 素固定 过 程是 将 NH4+结 合成 氨 基酸的 过 程。 该过 程取 决 于微生物生 长时对氮 的需求，也 与 基 质碳 的有效性和非生物 参数紧 密相 关 。 真 菌的 C,N比 较 大，一般范 围变动 于 15:1-4.5,1，而 细 菌的 C,N比 较 小,变动 范 围 通常在 3,1-5,1之 间 。 业 已 证 明，土壤微生物的 C,N比通常 为 5,1-8,1。
NH4+可能的去向
大部分 NH4+能被植物吸收，且常常是溶液中的一 种 主要 氮 源。
NH4+吸附在交 换 性 复 合体上,它 能被土壤溶液中的其 它阳 离子所置 换 。
进 入黏土的 层间 位置，不能被交 换 反 应所置 换 。
与 土壤有机 质 反 应 形成 醌 -NH2络 合物。
NH3挥发
硝化作用 转 化 为 NO2-及 NO3-
影 响 生 态 系 统 土壤 氮矿 化的因素
环 境因子
土壤 温 度和水分：土壤 温,湿 度是影 响总氮矿 化的最重要的 环 境因子,对氮矿 化速率有强烈的控制作用，且呈正相 关 。 氮矿 化 对温 度的反 应 强于 湿 度。土壤升 温 引起微生物 种类,数 量及活性的增加，而低 温 和干燥 对 微生物 种类,数 量和活性有限制作用。
土壤理化性 质
土壤 质 地和土壤 团 聚体：土壤 质 地通 过 影 响 好 氧 菌活 动 或粘粒 与有机 质 的 结 合等 对 有机 质 提供保 护,从 而影 响氮矿 化。砂土的 氮矿 化高于壤土和黏土；砂土中微生物生物量的 C/N比也高于壤土和黏土，且 与单 位微生物生物量 氮 的 矿 化率呈正相 关 。不同大小干燥土壤 团 聚体中有机 氮 的 矿 化不同。可 矿 化有机 氮库 的大小依赖 于土壤 团 聚体的大小和 稳 定性,团 聚体越小,稳 定性越弱，有机 质 越易被微生物降解，可 矿 化有机 氮库 越大。粘粒 /腐殖 质 比越高的土壤,氮矿 化越低。
影 响 生 态 系 统 土壤 氮矿 化的因素
土壤理化性 质
土壤有机 质 的存在 状况,当 有机 质,微生物 残 体被降解 时,细 胞 质 迅速降解，而 细 胞壁物 质则矿 化 较 慢；
有机 质 片段越大 矿 化越 难 。
土 层 深度,pH值 和 盐碱 度,氮矿 化一般 随 土 层 深度增加而降低，因土壤透 气 性逐 渐 降低，可供降解的有机质减 少而微生物 数 量迅速下降。 pH值 升高促 进氮矿 化增加，而土壤 盐 度增加,氮矿 化量下降。
影 响 生 态 系 统 土壤 氮矿 化的因素
凋落物 状况
群落 类 型和植物 组 成
凋落物基 质 C/N比：一般 来说,土壤 氮矿 化 与 凋落物 C
/N比呈 负 相 关 。低 C/N比（小于 25）的凋落物 与 高 C/
N比（大于 25）的凋落物相比,氮矿 化速率更高。
凋落物 质 量 —木 质 素 /氮 素比（ L/N）：凋落物 L/N增加，
氮矿 化速率下降。
土壤 动 物和微生物
土壤 动 物：土壤 动 物常增加有机 质 的分解和 氮 素 矿 化。
土壤微生物：
硝化作用
硝化作用就是把 氨转 化 为 硝酸 盐 的 过 程,这个过 程是通 过 微生物 来实现 的。首先由 亚 硝化 单 胞菌 属 （ Nitrosomonas）把 氨转 化成 亚硝酸 盐,再由硝化杆菌 属 （ Nitrobacter）把亚 硝酸 盐转 化 为 硝酸 盐 。 这两类细 菌是 专 性需 氧 微生物，在大多 数 生 长环 境中 它们 是生长 在一起的，由 亚 硝酸 盐 到硝酸 盐 的 转 化速度很快，因此 亚 硝酸 盐 的含量很低。
硝化作用 过 程
NO2 NO N2O
NH3 NH2OH NO2-[NOH] NO3-
AMO:氨单加氧酶
HAO：羟氨氧化还原酶
NOR：亚硝酸氧化还原酶
NH4+
AMO HAO NOR
硝化作用的微生物 学
化能自 养 硝化 细 菌：
亚 硝化 单 胞菌； 亚 硝化螺菌； 亚 硝化球菌； 亚 硝化叶菌；硝化杆菌；硝化刺菌；硝化球菌
化能 异养 硝化菌细 菌,Arthrobacter sp.; Azotobacter sp.;Pseu
domonas fluorescens; Aerobacter aerogenes;
Bacillus megaterium; Proteue sp.
放 线 菌,Streptomyces; nocardia
真 菌,Aspergillus fleavus; Neurospora crossa;
Penicillium sp.
影 响 硝化作用的因素
酸度,NO3-产 量 与 pH值 之 间 有 显 著相 关 性，最适 pH值 在 6.
6-8.0之 间 。一般 来说,农业 土壤的硝化速率在 pH低于 6.0
时 明 显 降低,pH低于 4.5时则 可忽略不 计 。 pH大 时,NH4+
抑制 NO2-向 NO3-的 转 化。
通 气 性：通 气 是必需的。
湿 度,湿 度影 响 土壤通 气状况,因而也影 响 NO3-的 产 量。最适 湿 度因土壤而 异,大多 数 情 况 下 湿 度在 -0.1-1兆帕 时,
硝化作用易于 进 行。
温 度,温 度 对 硝化作用影 响 很大,5℃ 以下和 40℃ 以上，反应 很慢。最适 温 度范 围为 30-35℃ 。
硝酸 还 原作用
硝酸 还 原作用是同硝化作用相反的 过 程。一些 细 菌,真 菌和 蓝细 菌在 氨 基酸和蛋白 质 的合成 过 程中,将 NO3-还 原成 -NH2 。 亚 硝酸盐 和 羟胺 （ NH2OH）是其中 间产 物； O2不抑制 该过 程。但 NH4+的存在或 还 原性含 氮 有机代 谢 物 会 抑制 这个过 程。
反硝化作用
微生物 将 NO3-还 原成 NO2-,并进 一步 还 原 为 逸散到大 气 中的 气态 的 N2O和 N2的 过 程 称为 反硝化作用。
土壤反硝化作用的 产 生 条 件：
存在具有代 谢 能力的反硝化微生物合适的 电 子供体嫌 气条 件或 O2的有效性受到限制
N的 氧 化物，如 NO3-,NO2-,NO或 N2O作 为 末端 电 子受体。
反硝化作用 过 程
NO3- NO2- N2ONO N2Nar
Nir NosNor
Nar:硝酸还原酶 ； Nir：亚硝酸还原酶 ；
Nor：一氧化氮还原酶 ； Nos：氧化亚氮还原酶能 进 行反硝化作用的 细 菌 属
产碱 菌 属 （ Alcaligenes） 通常分离于土壤
土壤杆菌 属 （ Agrobacterium） 某些 种 是植物病原体
固 氮 螺菌 属 （ Azospzrillum） 通常 与 牧草 联 合固 氮
芽 孢 杆菌 属 （ Bacillus） 有嗜 热 反硝化菌的 报 道
黄 杆菌 属 （ Flavobacterium） 已分离到反硝化 细 菌的 种
盐 杆菌 属 （ Halobacterium） 生 长 需要高 浓 度 盐
生 丝 微菌 属 （ Hyphomicrobium） 能在 单碳 基 质 上生 长
副球菌 属 （ Paracoccus） 能在有机和无机 营养 上生 长
丙酸杆菌 属 （ Propionibacterium） 能 进 行反硝化作用的 发 酵 细 菌
假 单孢 菌 属 （ Pseudomonas） 通常分离于土壤
根瘤菌 属 （ Rhizobium） 能 与 豆科作物共生固 氮
红 假 单孢 菌 属 （ Rhodopseudomonas） 光合自 养 生物
硫杆菌 属 （ Thiobacillus） 通常以化能自 养 生 长影 响 反硝化作用速率的因素
土壤硝酸 盐 含量,当 NO 3 -浓 度超 过 20ugN/ml时,反硝化反 应 按零级动 力 学 方程 进 行，即反映速率 与 NO 3量无 关 ；在 NO 3浓 度 较 低 时,
似乎是按一 级动 力 学 方程 进 行。 当 NO 3浓 度 较 高 时,产 物中 N2占 优势 ； 当 NO 3含量 较 低 时,产 物中常常是 N2O占 优势 。
碳 的有效性：土壤有机 质总 量和反硝化 势 之 间 存在一定的相 关 性，
而反硝化 势与 易分解有机 质 之 间 的相 关 性更好。
土壤含水量：土壤水分含量 较 高，影 响 了土壤中空 气 的 扩 散,则 反硝化 势显 著增加。在 给 定土壤含水量的情 况 下，土壤 氧气 量增加，
则 反硝化 势减 弱。一般 来说,在田 间条 件下，只要耗 氧 量不是特 别高,则当 水分含量低于田 间 持水量的 60%时,反硝化作用就不能 进行或很弱。
土壤 pH和 温 度：大多 数 反硝化菌在 pH6-8时 生 长 最好,当 pH低于 5
时,反硝化速率 变 慢，但仍很强,当 pH低于 4时,反硝化作用就可忽略不 计 或根本不能 进 行。反硝化作用能 够进 行的最低 温 度 为 5 ℃,
最高 温 度 为 75 ℃ 。
生物固 氮 作用
在 环 境中,氮 素的主要 贮库 是以 气态氮 存在于大 气 中,约 占大 气 体 积 的 80%.一般 来说,存在于大 气 中的 氮 素生物是不能直接利用的,因此,
氮 素循 环 中最 关键 的是把 气态氮 固定下 来,
成 为 无机的 氮 化物,
具有固 氮 作用的微生物只限于原核生物，其中包括各 个 不同 类 群的微生物,至今 没 有 见 到真 核生物能 够 固 氮,
固氮生物和联合体 （ 1 ）
联合类型 代表性原核生物菌属固氮菌属拜叶林克氏属、德克斯属好氧根瘤菌属芽孢杆菌属、克雷伯氏菌属固氮螺菌属兼氧硫杆菌属梭菌属脱硫弧菌属厌氧脱硫肠状菌属沙门氏菌属有机营养菌遗传工程沙雷氏菌属、埃希氏菌属念珠藻属、束毛藻属鱼腥藻属蓝细菌粘杆藻属红假单胞菌属紫色非硫细菌红螺菌属着色菌属绿菌属非共生光能营养菌紫绿色硫细菌荚硫菌属固氮生物和联合体 （ 2 ）
联合类型 代表性原核生物菌属固氮螺菌属有机营养菌 根际固氮菌属、芽孢杆菌属非根瘤 叶际 克雷伯氏菌属、拜叶林克氏菌属豆科植物 根瘤菌属非豆科植物 根瘤菌属非豆科植物，放线菌 弗兰克氏菌属根瘤非豆科植物,G unn e r a 念珠藻属念珠藻属、真枝藻属地衣眉藻属藓类 念珠藻属苔类 软珠藻属裸子植物 念珠藻属水蕨类 鱼腥藻属联合光能营养菌
E ndo c yno s e s 念珠藻属微生物在磷 转 化中的作用
The Phosphorus Cycle:
Relatively simple and fast cycle,at the usual alk
aline pH of seawater,organic phosphates are e
asily hydrolyzed to inorganic phosphate
Alkaline phosphatase,enzyme of algae and bac
teria that converts organic phosphate into inorg
anic phosphate,which is subsequently taken u
p; can occur intra- or extracellularly
Limitation,most marine systems are less P,mo
re N limited; freshwater and coastal areas can
be severely P-limited
Organic P
Algae
Phosphatic
Rock
Micro / Macro
Zoopolankton
Bacteria
PHOSPHORUS CYCLE
Inorganic
P
Dead Cells Useable Phosphates
Waste
Feeding
Guano & bone
Remains
Weathering
Organic P
Compounds
Bacteria
Inorganic P
Compounds
Microbial
Loop /
Breakdown
Dead Tissue
微生物在硫 转 化中的作用
Redox cycle
for Sulfur
Sulfur Recycle
Aerobic and anaerobic sulfur transformations
The global sulfur cycle
Ecology of Sulfate-Reducing C
ommunities
Polymers
Oligomers
Monomers
Organic
Acids
Acetate
CO2
H2
Alcohols
CO2
Sulfate
Reduction
Methanogenesis
CO2
SO42-
H2S
MeS(s)
Me2+
CH4 +
CO2
Enzymatic
Hydrolysis
Fermentation
Hydrolytic processes
Fermentative processes
Methanogenic processes
Sulfate-reduction processes
Biogeochemical cycles,iron
Bacterial iron reduction and oxidation
Fe2+ + 1/4O2 + 2OH-1 + 1/2H2O Fe(OH)
3
Ferrous iron oxidation at acid pH:
Thiobacillus ferrooxidans,
an iron-oxidizing bacterium,
is strict acidophile,a small
number of cells can be
responsible for precipitating
a large amount of iron.
Pyrite oxidation
One of the most common forms of iron a
nd sulfur in nature is pyrite (FeS2),in mini
ng operation,a slow chemical reaction o
ccurs:
FeS2 + 31/2O2 + H2O Fe2+ + 2SO42- + 2H+
Fe2+ Thiobacillus ferrooxidans Fe3+
FeS2 + 14Fe3+ + 8H2O 15Fe2+ + 2SO42-
+ 16H+
Spontaneous
Role of iron-oxidizing bacteria in the oxidation of the mineral pyrite
Soil Enzymes
E + S ES E + P
Enzyme (E) – A protein produced by a
cell to act as a catalyst
Substrate (S) – A compound acted upon
by an enzyme
Definition of Enzymes
Enzyme
Substrate
+
Substrate
Product
Enzyme
Substrate
Enzymes are proteins that allow reactions to pr
oceed at faster rates by reducing the energy o
f activation of the reaction:
土壤中酶的来源
植物、土壤动物和土壤微生物
土壤中积累的酶的存在方式,
体外酶（ Free enzymes）（ Exoenzymes)
体内酶（ Endoenzymes）
(cytoplasm,periplasm)
Kiss et al,1975
酶的类型
构建酶 (Constitutive enzymes)
在细胞中常用的酶,总是存在的
引导酶 (Inducible enzymes )
在细胞中存在基因编码,但只是在需要时才产生土壤酶的存在状态
土壤酶可以被土壤中的蛋白酶所破坏
土壤酶也可能被粘粒或腐殖质所保护,在土壤中酶和粘粒或腐殖质形成多聚复合体,可以抵抗变性
Location of Enzymes in Soils
( i )
( i i )
(V
D e a d i n t a c t c e l l
( i v )
( i i i )
( v i )
( i x )( x )
L y s i s
D
e
a
t h
L y
s i s
R e s t i n g s t r u c t u r e
L i v i n g c e l l
S e c r e t i o n
E x t r a c e l l u l a r e n z y m e s
G
r
o
w
t
h
/
D
e
v
i
s
i
o
n
( v i i )
D e a d d i s i n t e g r a t e d
c e l l
E n z y m e - s u b s t r a t e
c o m p l e x
C l a y m i n e r a l s
C l a y - e n z y m e c o m p l e xH u m u s - e n z y m e c o m p l e x
H u m i c a c i d s
R e l e a
s e
( v i i )
( v i i )
( v i )
( v i i i )
A d s o r b e d e n z y m e s
E n t r a p e d e n z y m e s
L i v i n g c e l l s
( I )
( V )
(i) Intracellular enzymes
(ii) Periplasmatic enzymes
(iii) Enzymes attached to outer
surface of cell membranes
(iv) Enzymes released during
cell growth and division
(v) Enzymes within non-
proliferating cells (spores,
cysts,seeds,endospores)
(vi) Enzymes attached to dead
cells and cell debris
(vii) Enzymes leaking from intact
cells or released from lysed
cells
(viii) Enzymes temporarily
associated in enzyme-
substrate complexes
(ix) Enzymes absorbed to
surfaces of clay minerals
(x) Enzymes complexed with
humic colloids
Prepared by my colleague Dr,Klose according
to Burns 1982,Nannipieri 1994
Resting structure
Dead intact cell
Living cell
Dead
disintegrated cell
Extracellular
enzymes
Living cell
Enzyme-substrate complex
Clay minerals
Clay-enzyme
complex
Humus-enzyme
complex
Humic acids
土壤酶及其催化的生化反 应
水解酶 类
o 羧 基 酯 酶：水解 羧 基 酯,产羧 酸及其他 产 物。
o 芳基 酯 酶：水解芳基 酯,产 芳基化合物及其他。
o 脂酶：水解甘油三脂,产 甘油和脂肪酸。
o 磷酸脂酶：水解磷酸脂,产 磷酸及其他。
o 淀粉酶：水解淀粉 为 葡萄糖。
o 纤维 素酶：水解 纤维 素，生成 纤维 二糖。
o 木聚糖酶：水解木聚糖 产 木糖。
o 葡聚糖酶：水解葡聚糖 产 葡萄糖。
o 转 化酶：水解蔗糖 产 葡萄糖和果糖。
o 蛋白酶：水解蛋白,产肽 和 氨 基酸。
o 脲 酶：水解尿素生成 CO2和 NH3。
o ATP酶：水解 ATP生成 ADP。
土壤酶及其催化的生化反 应
氧 化 还 原酶 类
o 脱氢 酶：促有机物 脱氢,起 传递氢 的作用。
o 葡萄糖 氧 化酶,氧 化葡萄糖成葡萄糖酸。
o 尿酸 氧 化酶：催化尿酸成 为 尿囊素。
o 联苯酚氧 化酶和磷 苯 二 酚氧 化酶：促 酚类 物 质氧化生成 醌 。
o 过氧 化 氢 酶：促 过氧 化 氢 生成水和 氧气 。
o 过氧 化物酶：催化 过氧 化 氢,氧 化 酚类,胺类 成醌 。
o 硫酸 盐还 原酶：促 SO42-为 SO32-，再成硫化物。
o 硝酸 盐还 原酶：催化 NO3-为 NO2-。
o 亚 硝酸 盐还 原酶：催化 NO2-还 原成 NH2（ OH）
土壤酶及其催化的生化反 应
转 移酶 类
o 葡聚糖蔗糖酶和果聚糖蔗糖酶,进 行糖基 转 移。
o 氨 基 转 移酶,进 行 氨 基 转 移。
裂解酶 类
o 天冬 氨 酸 脱羧 酶：裂解天冬 氨 酸 为 b-丙氨 酸和 CO2。
Carbon mineralization:
b-Glucosidase catalyzes the final limiting step
of cellulose degradation
Selected enzyme reactions
O-R + H
2
O
+ R -OH
O
H OH
2
C
HO
HO
OH
R =
OH
NO
2
O
H OH
2
C
HO
HO
OH
p -n it ro phe ny l- b -D- gluc os ide b - gluc os ide p -n it ro phe nol
O-R + H
2
O
+ R-OH
O
HOH
2
C
HO
HO
OH
R =
OH
NO
2
O
HOH
2
C
HO
HO
OH
p -nitrophenyl- b -D- glucoside b - glucoside p -nitrophenol
b-glucosidase
Selected enzyme reactions
Nitrogen mineralization
i.e.=Proteins
RNH2 NH4+ NO2-
Ammonification Nitrification
NO3- + energy
Aminization
Amino acid mineralization in soils
(begins by the release of amino acids
from organic matter)
Amino acid
(RNH2)
AmmonificationAmino acid
NH4+ NO2- NO3- + EArylamidase
activity
Amidohydrolases
activity:
e.g.,
L-Glutaminase activity
L-Asparaginase activity
L-Aspartase activity
Nitrification
L-Leucine b-naphthylamide
(Substrate for assay)
Arylamidase
NHCCHCH2CH(CH3)2
NH2
O
+ H2O
b-Naphthylamine
+
HOOC
CHCH2CH(CH3)2
NH2
Leucine
NH2
Arylamidase Activity
L-Asparaginase activity
+ H2O HC NH2 + NH3.
CH2
COOH
HC NH2
CH2
CO
NH2
L-Asparaginase
COOH COOH
L-Aspartase activity
+ NH3.C H
CH
COOH
COOK
L-Aspartase
CH2
COOH
COOK
HC NH2 + H2O
L-Glutaminase activity
L-Glutaminase+ H2O
COOH
CH2
NH2
CH2
CO
H C NH2 + NH3.
COOH
CH2
CH2
COOH
H C NH2
Amidase activity
NH3 + RCOOHAmidaseRCONH2 + H2O
b-Glucosiminidase Activity in Soils
b-Glucosaminidase
OHO
HO NH
C=O
CH3
O-R
O OHO
HO+ H2O
HO + R-OHOH
N -acetyl-b-D-glucosaminide p-nitrophenolp-Nitrophenyl-N-acetyl- b -D- glucosaminide
NO2R =
NH
C=O
CH3
(Substrate for assay)
Urease activity
CO2 + 2NH3
Urease
H2O
NH2C NH2
O
Phosphorus mineralization
Selected enzyme reactions
+ H2O phosphatase
Acid or alkaline
+ ROHRO P O
O
O
HO P O
O
O
Phosphodiesterase
OH
OR2
+ H2OO P OR1
OH
OR2
+ R1OHO P OH
Sulfur mineralization
Selected enzyme reactions
O-R + H
2
O
+ R -OH
O
H OH 2 C
HO
HO
OH
R =
OH
NO
2
O
H OH 2 C
HO
HO
OH
p -n it ro phe ny l- b -D- gluc os ide b - gluc os ide p -n it ro phe nol
ROH + H + + SO4 2-.ArylsulfataseROSO3_ + H2O
Arylsulfatase is believed to be partly responsible for S
cycling in soils as it is involved in the mineralization of
organic sulfur compounds to inorganic forms (SO42-) for
plant uptake (Tabatabai,1994),
R= aryl group
Substrate for assay= p-nitrophenyl sulfate
Limiting Nutrients
Limiting nutrients,can be nitrate (nitrogen),pho
sphate,iron (bioavailable iron!),silicate (for dia
toms,silicoflagellates,radiolaria)
Si-Cycle,simplest,only inorganic forms; organi
sm include Si in their skeletons,which is dissol
ved after their death; silica frustle of diatoms is
covered by organic matrix,which first has to be
degraded by bacteria
The Nitrogen Cycle
Complex because nitrogen occurs in different inorganic
(NH4,NO3,NO2,N2) and organic (PON,DON) forms th
at are mostly biologically transformed
Dominant forms:
– nitrate,taken up by phytoplankton (especially diatoms)
– ammonia,produced by bacteria,protozoa,zooplankton and con
sumed by bacteria and phytoplankton (all)
N often limiting nutrient in marine systems for phytoplank
ton production
Nitrification,conversion of NH4 to NO2 to NO3 by nitrifyi
ng bacteria; uses oxygen!
Denitrification,conversion of NO3 to NO2 to N2 by bacte
ria; releases oxygen but net loss of nitrogen to water col
umn!
Nitrogen fixation,conversion of atmospheric N2 into org
anic nitrogen by bacteria and cyanobacteria
Nitrogen FixationNitrogen Fixers,What role?
N2 + 6H+ + 6e- --> 2NH3 Using the enzyme Nitrogenase
The low-nitrogen waters of the open ocean (& eastern Indian Ocean) are
often dominated by microscopic algae known as "nitrogen-fixers",who obtain
their nitrogen directly from the air,as nitrogen gas,short- circuiting the
nitrogen limitation in the ocean.
These species also have a requirement for dissolved iron which,since it is
delivered from wind-blown dust from land,may often be limiting in open
ocean regions
N-fixation,requires low oxygen,h
igh light & low nitrate
Low oxygen / high light:
– Utilizes specialized cells ca
lled heterocysts
– Forms bundles
Low nitrate:
– Open ocean
Absolute magnitude of N
-fixation poorly constrain
ed
New and Regenerated Production
Concept,Refers to the origin of nitrogen used by phytopla
nkton:
– Ammonium,originates from recycling by bacteria,the microbial fo
od web or zooplankton
– Nitrate & N2,originates from inputs from deeper water layers,from
land/river,or the atmosphere
New Production“,relies on nitrate from upwelling,river/la
nd,fixation of atmospheric N2
Regenerated Production“,relies on NH4 recycled within t
he euphotic zone
f-ratio,ratio of new production to total production,
f = NP / (NP + RP) = NP / P
f-ratio ranges from 0.1 in oligotrophic,open ocean waters
to 0.8 in upwelling areas
Sedimentation of PON ~ f-ratio
Energetics and carbon flow in
microbial metabolism
(Fig,5.23,p,130,Madigan et al.)
ME2heterotroph
autotroph
Important points from last lecture
1,Chemolithotrophic bacteria and archaea oxidize
reduced inorganic compounds to obtain energy,
2,Many reduced inorganic compounds can be used
by microbes,each specializing on a compound or
class of compounds.
3,Chemolithotrophs often live at interfaces between
the aerobic and anaerobic worlds.
4,Chemolithotrophs use CO2 via the Calvin-Benson
Cycle and thus are also ―chemoautotrophs‖
5,Geomicrobiology is a new field,a subdiscipline of
microbial ecology
1
Correction,Anaerobic degradation of methane
Apparent reaction
CH4 + SO42-? HCO3- + HS- + H2O
DG0‘ = -40 kJ/mol
Who is using the CH4
One answer is the methanogens:
Some methanogen produces CH4—but others
may consume it by,reverse methanogenesis”
2
Methanogens:,reverse methanogenesis”
CH4? acetate and/or H2
acetate and/or H2 + SO42-?
HCO3- + HS- + H2O
Sulfate reducers
Explains need for syntrophic relationship,rapid use
of acetate and H2 by sulfate reducer helps drive the
reaction,
3
But lots of unknowns
Valentine,D,L,2002,Biogeochemistry and microbial ecology
of methane oxidation in anoxic environments,a review,
Antonie Van Leeuwenhoek Int J,Gen,Mol,Microbiol,81:
271-282.
Kotelnikova,S,2002,Microbial production and oxidation of
methane in deep subsurface,58,367-395.
Valentine,D,L.,and W,S,Reeburgh,2000,New perspectives
on anaerobic methane oxidation,2,477-484.
4
What is the difference between a sulfate
reducer and a sulfur* oxidizer?
They are as different as animals and plants
*May not be just elemental sulfur (So),but
any reduced sulfur,including H2S,
5
Sulfate reduction,anaerobic respiration
2CH2O + SO4 2-? 2CO2 + H2S + 2OH-
H2S + 1/2 O2---> So + H2O
Sulfide (sulfur) oxidation,chemolithotrophy
Because of the need for both reduced S (here
HS-) and O2,where do many chemolithotrophs
live?
7
At interfaces between aerobic and anaerobic world
Another type of chemolithotrophy,
Nitrification
Two step process:
NH4+ is oxidized,i.e,it is the e-donor
NH4+ + 1 1/2 O2 = NO2- + 2H+ + H2O 1)
and then NO2- is oxidized further,
NO2- + 1/2 O2 = NO3- 2)
Traditionally,members of the beta-proteobacteria
First Step,Nitrosomonas and Nitrosococcus
Second Step,Nitrobacter
9
Energy yield from nitrification,Not much!
NH4+ oxidation (reaction 1),-259 kJ/mol
NO2- oxidation (reaction 2),-75.6 kJ/mol
Benchmarks,
ADP + Pi = ATP Delta Go' = +30 kJ mol-1
For aerobic heterotrophy:
C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O -2823 kJ mol-1
10
Although a two step process,‖nitrification" and
"nitrifiers" generally refer to the complete oxidation
of NH4+ to NO3-,
But info about the two steps helps to explain nitrite
(NO2-) distributions with depth in the ocean
11
12
Note subsurface
maximum in
NO2-,generally
right at bottom of
euphotic zone
13
From Chap 14
Light inhibits nitrite oxidation
So,second reaction,NO2- oxidization,is
inhibited by light,allowing NO2- to build up
slightly,
NH4+ + 1 1/2 O2 = NO2- + 2H+ + H2O 1)
NO2- + 1/2 O2 = NO3- 2)
Bess Ward doesn’t believe this and says nitrite max
could be due to phytoplankton excretion
14
,Usually‖,electron acceptor is O2
Ammonium (NH4+) builds up in anoxic sediments
Organic material + sulfate?CO2 + NH4+ + HS-
Aerobic nitrifiers cannot use NH4+,Why not?
15
There is no O2
Anaerobic ammonium oxidation (anammox)
First found in sewage treatment plant in Holland
Long term decline in ammonium concentrations
without oxygen!
Strous et al,Nature 400,446–449 (1999)
Later found in anaerobic sediments
Thamdrup,B.,and T,Dalsgaard,2002,Appl,Environ,
Microbiol,68,1312-1318.
16
Anaerobic ammonium oxidation
Suggested for sewage:
NH4+ + NO3- = N2 + 2H2O
Deficits in ammonium,relative to other byproducts of
organic matter degradation in sediments:
5NH4+ + 3NO3- = 4N2 + 9H2O + 2H+
24-67% of N removal in the Baltic and North Sea!
17
Much lower (<10%) in the Thames Estuary
Trimmer et al,2003 AEM 69 (11),6447-6454
Not important in really organic rich
environments?
Usually,ammonium does build up in anoxic
sediments,so overall ammonium oxidation is
mostly an aerobic process,
18
Anaerobic ammonium oxidation
Weird group of bacteria,Planctomyces,a
genus in the phylum Planctomycetes
Not terribly
abundant
No
peptidoglycan!
19
1,Obvious,N limits production in many oceanic
regimes,many times.
2,N can be used to follow C fluxes,Important even
when N is not limiting,
3,N20,a greenhouse gas,is produced during
nitrification and denitrification,
4,Changes in fixed N over geological time scales
Why is the N cycle important?
20
CO 2
Autotrophs Grazers
NH
4
+
DOM
Nitrification
NO
3
- Sinking
Particles
NH
4
+
CO 2
Heterotrop hic Bacteria
( ( ( ( ( (( ((( ( ( ( (
Mixed
layer
(euphotic
zone)
21
A simple
version of the
N cycle,
aerobic
N2
N2 fixation
NO3-
Aphotic
zone
100 m
Forms of N (excluding N2) in the oceans
Dissolved organic nitrogen (DON)
often the biggest pool! 5-30 uM-N
Dissolved inorganic nitrogen (DIN)
Ammonium,0-1 uM,
Nitrate 0-10 uM
Nitrite 0-1 uM
Urea low (<1 uM)
22
Who uses dissolved inorganic nitrogen (DIN)—as
N source for biosynthesis?
Phytoplankton,including cyanobacteria
Heterotrophic bacteria
Archaea,presumably
23
Heterotrophic bacteria account for (on average):
1,24-46% of PO3- uptake (mostly in lakes).
2,42% of ammonium uptake (oceans)
3,16% of nitrate uptake (oceans)
Nitrate has to be reduced and is energetically expensive.
See chapter 9
24
Why is NH4+ favored over NO3-?
Oxidation state of N in protein,-3
Oxidation state of N in DIN:
-3
NO3- +5
So,need to reduce NO3- which requires several NADH
(energy) to use NO3-
25
NH4+
Why do especially heterotrophic bacteria favor NH4+
DOM concentrations and quality are low,if
not limiting for heterotrophic bacteria
26
What compounds are excreted?
Excretion or Mineralization of N by grazers and
bacteria
Mineralization,release of inorganic compounds from organic
material
NH4+ (ammonium)---> NH3 (ammonia)+ H+
Urea,NH2 -CH2- NH2
Ammonium most important by far
28
Sinking of Particulate Organic N or advection
of DON to deep waters.
Dissolution or release by detritivores,bacteria
and archeae of NH4+
Organic N---> NH4+
No nitrate or nitrite formed during this process.
29
So,ammonium is released during the mineralization
of sinking particles,but ammonium is not measurable
(< 5 nM) in deep waters,ever!
What happens to the ammonium?
30
Oxidized by nitrifiers to nitrate,Nitrification
Generally,thought to be important right below
euphotic zone; nitrifiers inhibited by light
Some evidence that nitrifiers may be important in
surface waters,but we’ll ignore here (complicates
things),See Chapter 14
Certainly important in soils,etc.
Nitrate uptake as a measure of ―new
production‖ and ―export production‖
Examine sinking particles and C export from
surface layer
Measure of how much C the oceans are taking
up
31
CO 2
Autotrophs Grazers
NH
4
+
DOM
Nitrification
NO
3
- Sinking
Particles
NH
4
+
CO 2
Heterotrop hic Bacteria
( ( ( ( ( (( ((( ( ( ( (
Mixed
layer
(euphotic
zone)
32
NO3-
Aphotic
zone
100 m
In open
ocean,
without
external
inputs (e.g,
land),only
―new‖
nitrogen is
nitrate,from
below the
euphotic
zone
Nitrate uptake as a measure of ―new
production‖ and ―export production‖
Assume:
1,Nitrification is the only reaction that
produces NO3- (safe assumption)
2,NO3- formed only below euphotic zone
(maybe not)
3,N2 fixation is small compared to other rates
(maybe not)
33
NO3-
NO3- N in Microbes and DON Sinking organic N
NH4+ Sunk organic N
Very simple N cycle Estimated ―export
production‖
Measured new production
34
How can NO3- uptake be used to estimate N
export?
Consider a steady-state ocean,
1,All pools are constant
2,Diffusion and upwelling of N (N going up)
must equal export out (N going down)
35
Therefore
1,NO3- uptake = NO3- input into euphotic zone,to
make sure surface layer NO3- stays constant.
2,NO3- input into euphotic zone = N export out of
euphotic zone,
N must balance
If so,then
3,NO3- uptake = new production = N export at
steady state.
36
Much work on new production and its control,Why care
so much?
New production (NO3- uptake) can be used to estimate N
export,which is turn can be used to estimate C export out of
euphotic zone
C export = N export * C/N of organic material being
exported,
N export and C export are hard to measure directly,harder
than NO3- uptake.
37
