2025年大学《地球化学》专业题库- 微生物地球化学循环过程与机制

2025年大学《地球化学》专业题库——微生物地球化学循环过程与机制考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项字母填入括号内。）1.在缺氧环境下，将硫酸盐还原成硫化物的微生物过程称为？A.硝化作用B.反硝化作用C.硫酸盐还原作用D.固氮作用2.下列哪种微生物代谢类型主要通过光合作用固定无机碳？A.化能自养菌B.化能异养菌C.光能自养菌D.光能异养菌3.微生物产生的胞外聚合物（EPS）在地球化学过程中主要作用之一是？A.直接氧化还原金属元素B.促进营养物质在生物膜内循环C.作为电子传递的桥梁D.阻止元素在生物膜内外迁移4.以下哪个元素循环主要受氮固定和反硝化作用等微生物过程的高度控制？A.碳循环B.硫循环C.氮循环D.磷循环5.在土壤和水体中，将氨氮（NH₄⁺）氧化成亚硝酸盐（NO₂⁻）的过程主要是由哪种微生物类群完成的？A.硝化细菌/古菌（AOB/AOA）B.反硝化细菌C.厌氧氨氧化菌D.硫酸盐还原菌6.全球碳循环中，海洋浮游微生物通过光合作用固定的碳，大部分最终去向是？A.被海洋动物摄食并进入食物链B.通过微生物分解作用释放回大气C.沉降到深海沉积物中成为有机碳库D.被海洋鱼类带到近岸海域7.稳定同位素技术常用于追踪微生物地球化学过程，例如使用δ¹³C值可以区分哪种代谢类型的微生物？A.化能自养与化能异养B.光能自养与化能自养C.光能异养与化能异养D.好氧与厌氧微生物8.在厌氧条件下，硫酸盐（SO₄²⁻）还原为硫化物（S²⁻）的过程会改变沉积物的氧化还原电位（Eh）？A.向更正极方向移动B.向更负极方向移动C.不发生明显变化D.只在特定金属硫化物存在时才改变9.下列哪项不是影响土壤中氮循环速率的主要环境因素？A.温度B.土壤水分含量C.土壤有机质含量D.土壤的磁化率10.宏基因组学研究的对象是样品中所有微生物的总基因集合，其主要优势在于？A.可以直接测定微生物个体功能B.能够揭示样品中潜在的生命活动，即使微生物无法培养C.只能研究光合细菌D.可以精确计算微生物的细胞数量二、填空题（每空1分，共15分。请将正确答案填入横线上。）1.微生物通过__________作用，将大气中的氮气（N₂）转化为可被生物利用的含氮化合物。2.在反硝化过程中，亚硝酸盐（NO₂⁻）被进一步还原，最终产物可以是氮气（N₂）或一氧化二氮（__________）。3.能够在极端pH（高酸或高碱）环境下生存和代谢的微生物称为__________微生物。4.微生物介导的__________是土壤和沉积物中磷循环的关键过程之一，许多细菌和真菌参与其中。5.在光合作用中，水（H₂O）被氧化释放氧气（O₂），同时产生的氢原子用于还原二氧化碳（CO₂），这一过程与地球大气__________的形成密切相关。6.控制微生物地球化学循环速率的环境因子除了温度、pH和氧化还原电位外，还包括__________、光照和营养物质有效性等。7.利用__________技术可以对微生物群落进行物种鉴定和丰度分析，无需进行微生物培养。8.某些微生物能够通过氧化无机硫化物（如FeS、MnS）或还原有机硫化物来获取能量，这些过程对地球化学中的__________循环具有重要影响。9.在缺氧水生环境中，铁（Fe）通常以__________形态存在，而好氧环境下则主要是Fe³⁺形态。10.微生物产生的__________可以包裹矿物颗粒，改变矿物表面性质，影响元素的吸附和溶解。三、名词解释（每题5分，共20分。请给出每个名词的准确定义。）1.化能自养2.硝化作用3.微生物介导的矿物溶解4.宏转录组学四、简答题（每题7分，共21分。请简要回答下列问题。）1.简述硝化作用过程中的两个主要步骤及其参与的微生物类群。2.解释微生物如何在缺氧环境中完成碳的固定和氧化过程。3.比较光能自养微生物和化能自养微生物在获取能量和固定碳方面的主要区别。五、论述题（每题13分，共26分。请结合实例或原理，深入论述下列问题。）1.论述温度和氧化还原电位（Eh）如何共同影响微生物群落结构和地球化学循环的速率。2.结合具体元素循环的实例，阐述现代微生物地球化学研究方法（如稳定同位素、分子生物学技术）在理解微生物驱动地球化学过程中的作用和意义。试卷答案一、选择题1.C2.C3.B4.C5.A6.C7.B8.B9.D10.B二、填空题1.固氮2.N₂O3.极端4.磷矿溶解5.氧气6.氧气7.16S/18SrRNA基因测序8.硫9.Fe²⁺10.胞外聚合物（EPS）三、名词解释1.化能自养：指某些微生物利用无机物质的氧化释放的能量，来合成有机物，并利用二氧化碳（CO₂）或碳酸盐作为碳源的自养代谢类型。2.硝化作用：指将氨氮（NH₄⁺）氧化成亚硝酸盐（NO₂⁻），然后再氧化成硝酸盐（NO₃⁻）的两个连续过程的总称。主要由硝化细菌和硝化古菌完成。3.微生物介导的矿物溶解：指微生物通过分泌有机酸、酶或其他代谢产物，或者通过改变细胞膜电位等方式，加速或促进岩石、矿物中元素（尤其是常量或微量元素）的溶解过程。4.宏转录组学：指对环境样品中所有微生物转录出的RNA（主要是mRNA）进行高通量测序，以研究特定条件下微生物群落的功能活性、基因表达规律和代谢过程的一种研究技术。四、简答题1.硝化作用包括两个主要步骤：第一步，氨氮（NH₄⁺）在亚硝化细菌（如Nitrosomonas,AOB）或亚硝化古菌（如Nitrosopumilus,AOA）中，被氧化成亚硝酸盐（NO₂⁻），同时释放出氢离子（H⁺）。第二步，亚硝酸盐（NO₂⁻）在硝化细菌（如Nitrobacter,NOB）中，被进一步氧化成硝酸盐（NO₃⁻），同时释放出气体氮（N₂O）。这两个步骤是地球化学氮循环中的关键环节，且通常是限速步骤。2.在缺氧环境中，微生物主要依靠氧化还原电位较低的化合物来获取能量，从而完成碳的固定和氧化。例如，一些厌氧光合细菌（如绿硫细菌、绿非硫细菌）利用光能，在无氧条件下（如黑暗的深水环境）氧化硫化氢（H₂S）或硫磺（S）等还原性无机物，产生氧气或硫酸盐作为电子受体，同时将二氧化碳（CO₂）还原成有机物（如甲烷CH₄或乙酸CH₃COOH）。3.光能自养微生物（如光合细菌、蓝细菌）利用光能作为直接能源，并将无机碳（主要是CO₂）固定成有机物。化能自养微生物则利用无机物（如H₂,H₂S,CO,NO₂⁻等）氧化释放的能量作为能源，同样将无机碳（主要是CO₂）固定成有机物。主要区别在于能量来源不同：前者是光能，后者是无机化学能。五、论述题1.温度是影响微生物生长代谢速率和酶活性的关键因素。通常在一定范围内，温度升高，微生物代谢速率加快，地球化学循环速率也相应提高；超过最适温度，酶变性失活，代谢速率急剧下降。氧化还原电位（Eh）反映了环境中的电子得失状态，直接决定了哪些氧化还原反应可以发生。不同的微生物类群适应不同的Eh环境，并参与特定的氧化还原反应。例如，硫酸盐还原菌在Eh较低的厌氧环境中活动，将SO₄²⁻还原为S²⁻；好氧微生物则在Eh较高的环境中活动，进行有机物氧化或无机物氧化。因此，温度和Eh共同决定了哪些微生物能够存活和活动，以及它们能进行哪些地球化学过程，从而共同调控了循环的速率和方向。例如，在温暖且Eh较高的土壤表层，硝化作用可能占主导；而在寒冷且Eh较低的沉积物深处，硫酸盐还原作用可能更为活跃。2.现代微生物地球化学研究方法在理解微生物驱动的地球化学循环中发挥着不可替代的作用。稳定同位素技术（如δ¹³C,δ¹⁵N,δ³³S等）通过分析生物体或其代谢产物中的同位素比率差异，可以追踪元素的来源、迁移路径和转化过程。例如，通过测定不同微生物群落或其形成的矿物中的碳同位素组成，可以区分光合作用、化能自养作用或不同类型有机物分解对碳循环的贡献。分子生物学技术（如宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白质组学）则允许研究人员在不培养微生物的情况下，直接研究样品中所有微生物的遗传物质或功能分