第四章微生物与地球化学循环之碳循环.ppt

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环 生物体 生物圈 营养元素 营养元素 4000 土壤和枯落层1500 1600 岩石圈120000000 海洋38000 大气圈750 陆地生物圈500 800 燃烧5 光合40 60 呼吸作用100 120 海洋大气交换100 115 植物凋落40 65 碳库 109t 碳通量 109t a 全球碳素循环 相关的概念 周转速率 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CO2CO2 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sulfurbacteria 2 1 2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 能量 CO2 H2O CH2O 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 O2 CH2O 呼吸作用 CO2 H2O 发酵作用 醇 有机酸 H2 CO2 CH4 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有机物自身因素的影响非生物环境因子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物分解的影响 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 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 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 重金属含量都与有机物分解有关 有机物自身因素的影响 木质素 丹宁较多的针叶 木质素 丹宁较少的阔叶 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 砖红壤 赤红壤 草甸土 温度对微生物活动的影响 南 北 水分对微生物活动的影响 有机质含量高的水稻土 有机质含量低的旱土 通气状况对土壤微生物的影响 CH4多产生于湿地 粘粒状况 粘粒影响土壤通气性 从而间接影响土壤中微生物的活动 生物因素的影响 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影响 草原 农耕地 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动的影响 南 北 论文举例 题目 武夷山植被带土壤微生物量沿海拔梯度的变化目的 考查不同海拔高度的土壤微生物量思路 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生物量 分析生态因子与土壤微生物生物量的关系 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 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EBF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 稻系统稻田表面水质量效应及评价研究 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 松 稻系统 混 稻系统 对照 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 氮磷污染指标 有机污染指标 重金属污染指标 结果分析 通径分析 质量评价 研究结论 松 稻系统 混 稻系统 对照稻田 水样总N TN 水样总P TP 水样COD利用紫外分光光度法测定水样pH水体镉铅测定 用孔径30 50 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 DOC 测定 先用0 45 m滤膜抽滤水样 再用MultiN C3100型TOC N测定仪测定滤液有机碳 得到DOC含量 水体颗粒碳 waterparticleorganiccarbon WPOC 先用孔径30 50 m中速定量滤纸过滤水样 去除飘浮杂质 利用MultiN C3100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 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 表2不同时期不同系统稻田表面水TP DOC WPOC WTOC Cd Pb含量及pH值 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 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 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 镉 铅含量的有机质调节机制 稻田表面水颗粒有机质稳定性较强 它的含量决定稻田表面水COD值大小 胶体有机质在形成颗粒有机质的过程中