地质微生物学 原书第5版PDF电子书下载

1 引言 1

参考文献 2

2 地球作为微生物的栖息地 5

2.1 地质构造的重要特征 5

2.2 生物圈 9

2.3 小结 10

参考文献 11

3 生物的起源和早期历史 14

3.1 起始 14

3.1.1 地球生命的起源——泛生论 14

3.1.2 地球生命的起源——重新出现 15

3.1.3 生命来源于水溶液中无生命的有机分子（有机汤理论） 15

3.1.4 表面代谢理论 16

3.1.5 生命起源于深海含硫的热熔液和含铁海水的交界处的单层硫泡沫中 17

3.2 前寒武纪生命的进化：生物和生物化学上的基准点 17

3.2.1 根据有机汤理论的进化理论 19

3.2.2 根据表面代谢理论的早期进化 22

3.3 证据 23

3.4 小结 25

参考文献 27

4 微生物的栖息地——岩石圈 31

4.1 岩石和矿石 31

4.2 矿物土壤 32

4.2.1 矿物土壤的起源 32

4.2.2 矿物土壤的结构特征 33

4.2.3 动物和植物对土壤进化的影响 34

4.2.4 微生物对土壤进化的影响 34

4.2.5 水对土壤的侵蚀作用 35

4.2.6 水在土壤进化中的影响 35

4.2.7 矿物土壤里的营养物 36

4.2.8 主要的土壤类型 37

4.2.9 微生物的类型及在矿物土壤中的分布 39

4.3 有机土壤 40

4.4 土壤表面下的情况 41

4.5 小结 42

参考文献 43

5 水圈作为微生物的栖息地 47

5.1 海洋 47

5.1.1 物理特性 47

5.1.2 海洋运动 49

5.1.3 海水的物理化学性质 51

5.1.4 海水和沉积物中的微生物分布 56

5.1.5 温度、液静压和盐度对微生物分布的影响 58

5.1.6 主要的浮游植物和浮游动物 59

5.1.7 浮游地质微生物 59

5.1.8 菌群 59

5.2 淡水湖 60

5.2.1 湖泊的某些物理和化学特性 61

5.2.2 湖底 63

5.2.3 肥沃的湖泊 63

5.2.4 湖泊演变 64

5.2.5 湖泊中的微生物量 64

5.3 河流 64

5.4 地下水 65

5.5 小结 67

参考文献 69

6 地质微生物作用过程：生理和生化概述 75

6.1 地质微生物作用体的类型 75

6.2 原核生物在地质微生物学上的生理学分类 76

6.3 在岩石圈、水圈无机物转化中微生物的角色 77

6.4 影响地质微生物学过程的微生物活动类型 78

6.5 微生物地质活动过程中作为催化剂的微生物 78

6.5.1 分解代谢反应——有氧呼吸 79

6.5.2 分解代谢反应——无氧呼吸 81

6.5.3 分解代谢反应——将不溶无机底物作为电子供体或受体的呼吸 82

6.5.4 分解代谢反应——发酵 83

6.5.5 发酵罐内进行的有氧呼吸、无氧呼吸分解代谢中能量是如何产生的 85

6.5.6 化能自养细菌（化能合成自养）产生还原力同化二氧化碳及合成有机碳 86

6.5.7 光能合成菌如何产生能量及还原力 86

6.5.8 合成代谢：高能键的能量捕获是怎样驱动能量消耗反应的 88

6.5.9 兼性厌氧、光合自养和异养微生物中碳的同化 90

6.6 有机质的微生物矿化作用 90

6.7 微生物新陈代谢的产物能够引起地质微生物转化 92

6.8 影响地质微生物活性的物理参数 92

6.9 小结 94

参考文献 94

7 地球微生物学非分子学方法 100

7.1 介绍 100

7.2 具有地质作用的微生物的检测和分离 101

7.2.1 现场观察地球微生物事件 101

7.2.2 分子生物学技术检测 102

7.3 样品 103

7.3.1 地面／地下的样品 103

7.3.2 水体中样品 103

7.3.3 样品储藏 104

7.3.4 样品中活性物质的分离和鉴定 105

7.4 原位地质微生物活性研究 105

7.5 进行中的地质微生物活动的原位考察 106

7.6 自然界中的地质微生物学过程在实验室重现 108

7.7 表面生长增殖的研究 110

7.8 有酶促和无酶促之间微生物的活力的差异实验 111

7.9 微生物转化反应产物的研究 112

7.10 小结 112

参考文献 112

8 地质微生物学的分子生物学方法 117

8.1 前言 117

8.2 哪些微生物在起作用？地质微生物的鉴定 117

8.2.1 非培养的生物学方法 117

8.2.2 新的培养技术 119

8.3 微生物在干什么？推断地质微生物的活动 119

8.3.1 单细胞同位素技术 120

8.3.2 单细胞代谢技术 121

8.3.3 同位素组合技术 122

8.3.4 基因组组合技术 123

8.3.5 代谢基因的表达或它们基因产物的探针检测 123

8.4 地质微生物是如何活动的？揭开地质微生物的代谢机制 124

8.4.1 基因学方法 124

8.4.2 生物信息方法 126

8.4.3 后续研究 126

8.5 小结 127

参考文献 127

9 碳酸盐的微生物合成与降解 133

9.1 地壳中碳的分布 133

9.2 生物合成的碳酸盐沉淀 134

9.2.1 碳酸盐沉淀的研究背景 134

9.2.2 微生物合成碳酸钙沉淀的基本原理 136

9.2.3 胞外碳酸盐沉淀的概况 138

9.2.4 光合细菌合成碳酸盐沉淀 141

9.2.5 鱼卵石形成的模型 141

9.2.6 微生物合成结构或胞内碳酸钙沉淀 143

9.2.7 结构碳酸钙合成的模式 145

9.2.8 碳酸盐的生物合成 145

9.3 碳酸盐的生物降解 148

9.3.1 石灰岩的生物降解 148

9.3.2 石灰石中的光合细菌、藻类和真菌 150

9.4 碳酸氢盐的合成与降解以及碳循环 151

9.5 小结 152

参考文献 152

10 硅元素影响下的地质微生物相互作用 159

10.1 硅元素的分布和化学性质 159

10.2 硅及其化合物在地质微生物学方面的重要性质 160

10.3 硅的生物浓缩作用 161

10.3.1 细菌 161

10.3.2 真菌 162

10.3.3 硅藻 163

10.4 硅的生物活动及硅酸根的其他组成形式（生物风化作用） 165

10.4.1 配体导致的增溶作用 165

10.4.2 酸导致的增溶作用 166

10.4.3 碱导致的增溶作用 168

10.4.4 细胞外多糖导致的增溶作用 168

10.4.5 聚硅酸盐的解聚作用 168

10.5 微生物在硅循环中的角色 168

10.6 小结 169

参考文献 169

11 铝的地质微生物学：微生物与铝土矿 175

11.1 简介 175

11.2 在铝土岩形成中的微生物作用 175

11.2.1 铝土盐的性质 175

11.2.2 生物在岩石表面材料的风化过程中的作用 176

11.2.3 风化阶段 176

11.2.4 铝土矿的成熟过程 177

11.2.5 来自不同位置的铝土矿中细菌还原Fe（Ⅲ） 179

11.2.6 细菌与铝土岩相互作用的其他发现 179

11.3 小结 180

参考文献 180

12 地质微生物与磷的相互作用 183

12.1 磷的生物重要性 183

12.2 磷在地壳中的存在 183

12.3 有机磷向无机磷的转化以及磷酸酯的合成 183

12.4 磷的同化作用 184

12.5 磷酸盐矿物的微生物增溶作用 185

12.6 磷酸盐的微生物固定作用 186

12.6.1 磷酸盐的沉积 187

12.6.2 磷灰石沉积物的出现 189

12.6.3 其他磷酸盐矿物的沉积 189

12.7 氧化形式的磷的微生物还原 190

12.8 还原形式的磷的微生物氧化 191

12.9 微生物在磷循环中的作用 191

12.10 小结 191

参考文献 192

13 地质微生物与氮元素重要的相互作用 197

13.1 生物圈中的氮 197

13.2 微生物与氮的相互作用 198

13.2.1 氨化 198

13.2.2 氮化 198

13.2.3 氨的氧化 199

13.2.4 亚硝酸盐氧化 199

13.2.5 异养微生物的硝化作用 199

13.2.6 厌氧菌的氨的氧化过程 199

13.2.7 反硝化作用 200

13.2.8 氮气的固定 201

13.3 微生物在氮循环中扮演的角色 202

13.4 小结 202

参考文献 202

14 砷和锑的地质微生物学相互作用 206

14.1 简介 206

14.2 砷 206

14.2.1 砷的分布 206

14.2.2 砷的一些化学性质 206

14.2.3 砷的毒性 207

14.2.4 还原形式的砷的微生物氧化作用 207

14.2.5 含砷的矿物质的相互作用 210

14.2.6 微生物对氧化状态的砷的还原作用 212

14.2.7 砷的呼吸作用 213

14.2.8 砷的氧化作用和还原作用的直接考察 216

14.3 锑 217

14.3.1 地壳表面锑的分布 217

14.3.2 微生物对含锑化合物的氧化作用 218

14.3.3 微生物对氧化状态的含锑化合物的还原作用 218

14.4 小结 218

参考文献 219

15 汞的地质微生物学 226

15.1 前言 226

15.2 地壳中汞的分布 226

15.3 人为因素产生的汞 227

15.4 环境中的汞 227

15.5 微生物与汞的特异作用 228

15.5.1 微生物对汞的非酶促甲基化 228

15.5.2 微生物对汞的酶促甲基化 229

15.5.3 联苯汞的微生物合成 229

15.5.4 汞离子的微生物还原 229

15.5.5 通过蓝藻转化Hg2＋生成黑辰砂（β-HgS） 230

15.5.6 有机汞的微生物降解 231

15.5.7 金属汞的氧化 231

15.6 汞转化过程中的基因调控 231

15.7 微生物转化汞的环境意义 232

15.8 汞的循环 233

15.9 小结 234

参考文献 234

16 铁的地质微生物学 239

16.1 地壳中铁的分布 239

16.2 铁的重要地质化学特性 239

16.3 铁对生物的重要性 240

16.3.1 细胞内铁的功能 240

16.3.2 铁的微生物同化作用 240

16.4 作为细菌能量来源的铁 241

16.4.1 嗜酸菌 241

16.4.2 细菌界：嗜温微生物 242

16.4.3 细菌类群：嗜热菌 253

16.4.4 古细菌界：中温菌 254

16.4.5 古细菌界：嗜热生物 254

16.4.6 细菌界：嗜中性的铁氧化剂 256

16.4.7 有鞘、包囊形成且无壁的铁细菌 256

16.5 亚铁的厌氧氧化 259

16.5.1 光合营养氧化过程 259

16.5.2 化能营养的氧化 259

16.6 生物呼吸作用的最终电子受体——Fe（Ⅲ） 260

16.6.1 伴随发酵过程的细菌还原Fe（Ⅲ）过程 261

16.6.2 Fe（Ⅲ）的呼吸作用：早期的记载 262

16.6.3 Fe（Ⅲ）的酶促还原反应代谢证据 264

16.6.4 Fe（Ⅲ）的呼吸作用：研究现状 266

16.6.5 从异化Fe（Ⅲ）还原菌向Fe（Ⅲ）氧化物表面的电子传递 269

16.6.6 异化铁还原过程的生物能量学 270

16.6.7 充当电子阱的Fe（Ⅲ）还原反应 270

16.6.8 利用真菌还原Fe（Ⅲ） 270

16.6.9 能发生异化铁还原的Fe（Ⅲ）化合物的类型 271

16.7 微生物对亚铁离子的非酶促氧化和对Fe（Ⅲ）的还原 272

16.7.1 非酶促氧化 272

16.7.2 非酶促还原 273

16.8 铁的微生物沉积 274

16.8.1 酶促过程 274

16.8.2 非酶促过程 274

16.8.3 铁的生物积累 275

16.9 铁细菌的概念 275

16.10 沉积铁矿公认的的生物来源 276

16.11 微生物从矿石，土壤和沉积物的矿物中转移铁 279

16.12 微生物与铁循环 280

16.13 小结 282

参考文献 283

17 锰的地质微生物学 304

17.1 地壳中锰的存在状态 304

17.2 锰的重要地质化学特性 304

17.3 锰的生物学意义 305

17.4 锰还原（氧化）细菌和真菌 305

17.4.1 锰氧化细菌和真菌 305

17.4.2 锰还原细菌和真菌 307

17.5 锰的生物氧化 308

17.5.1 锰的酶促氧化 309

17.5.2 锰氧化菌第Ⅰ组群 310

17.5.3 锰氧化菌第Ⅱ组群 315

17.5.4 锰氧化菌第Ⅲ组群 316

17.5.5 非酶促锰氧化过程 318

17.6 锰的生物还原 319

17.6.1 严格厌氧的酶促锰还原菌 319

17.6.2 利用厌氧和好氧条件下均具有活性的微生物进行锰氧化物还原 321

17.6.3 微生物还原Mn（Ⅲ） 325

17.6.4 锰的非酶促还原 326

17.7 锰的生物富集 327

17.8 土壤中和岩石表面的微生物锰沉积 328

17.8.1 土壤中 328

17.8.2 岩石 331

17.8.3 矿石 332

17.9 淡水环境中锰的微生物沉积 332

17.9.1 泉水中锰的微生物氧化 332

17.9.2 湖水中锰的微生物氧化 332

17.9.3 配水系统中锰的微生物氧化 336

17.10 海洋环境中锰的微生物沉积 337

17.10.1 海湾、河口和入海口等处锰的微生物氧化 338

17.10.2 海洋混合层中锰的氧化 339

17.10.3 海洋底部锰的氧化 339

17.10.4 热液喷口周围锰的氧化 344

17.10.5 海水层中锰的微生物沉积现象 346

17.11 土壤和矿床中锰的微生物固定作用 347

17.11.1 土壤 347

17.11.2 矿床 349

17.12 淡水环境中锰的微生物固定现象 349

17.13 海水环境中锰的微生物固定现象 350

17.14 锰的微生物还原和有机物的矿化 351

17.15 微生物在自然界锰循环中的作用 352

17.16 小结 355

参考文献 356

18 铬、钼、钒、铀及钋的地质微生物相互作用 375

18.1 铬的微生物相互作用 375

18.1.1 铬的存在状态 375

18.1.2 化学及生物学重要性质 375

18.1.3 利用微生物生成浸出剂对铬的活化 376

18.1.4 Cr（Ⅲ）的生物氧化 376

18.1.5 Cr（Ⅵ）的生物还原 376

18.1.6 原位铬酸盐还原活性 379

18.1.7 Cr（Ⅵ）还原反应的应用 379

18.2 钼的微生物相互作用 380

18.2.1 钼的存在状态及性质 380

18.2.2 微生物氧化及还原 380

18.3 钒的微生物相互作用 380

18.4 铀的微生物相互作用 381

18.4.1 铀的存在状态及性质 381

18.4.2 U（Ⅳ）的微生物氧化 382

18.4.3 U（Ⅵ）的微生物还原 382

18.4.4 铀污染的生物修复 383

18.5 钋与微生物的相互作用 384

18.6 微生物与钚的相互作用 384

18.7 小结 384

参考文献 385

19 硫的地质微生物学 392

19.1 硫在地壳中的存在状态 392

19.2 硫的重要地质微生物性质 392

19.3 硫的生物学重要性 393

19.4 有机硫化合物的矿化 393

19.5 硫的吸收 393

19.6 几种与硫及硫化合物反应的重要地质微生物细菌 394

19.6.1 还原性硫的氧化菌 394

19.6.2 氧化态硫还原菌 397

19.7 还原态硫微生物氧化的生理和生化特性 400

19.7.1 硫化物 400

19.7.2 单质硫 402

19.7.3 亚硫酸盐氧化 403

19.7.4 硫代硫酸盐氧化 404

19.7.5 连四硫酸盐的氧化 407

19.7.6 细菌域氧化还原性无机硫化合物的一般机理 407

19.8 利用还原态硫的自养菌和兼养菌的生长 407

19.8.1 细菌硫化物氧化过程中的能量耦合 407

19.8.2 利用还原态硫作为还原能的自养微生物CO2固定 408

19.8.3 自养菌CO2固定 408

19.8.4 混合自养菌 408

19.8.5 稀有群落 409

19.9 利用氧化态硫作为电子受体的厌氧呼吸作用 410

19.9.1 完全或部分氧化态硫的还原反应 410

19.9.2 异化硫酸盐还原反应的生物化学 410

19.9.3 硫同位素分馏 411

19.9.4 单质硫还原反应 413

19.9.5 硫代硫酸盐还原反应 414

19.9.6 除硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐或硫之外的最终电子受体 414

19.9.7 硫酸盐还原菌的氧耐受 414

19.10 硫酸盐还原菌中的自养菌、兼养菌和异养菌 415

19.10.1 自养菌 415

19.10.2 兼养菌 415

19.10.3 异养菌 416

19.11 自然硫的生物沉积 416

19.11.1 沉积类型 416

19.11.2 共生硫沉积实例 416

19.11.3 后生硫矿床的实例 421

19.12 硫循环中的微生物作用 424

19.13 小结 424

参考文献 425

20 地壳表面金属硫化物的生物合成和生物降解 442

20.1 引言 442

20.2 金属硫化物的自然成因 443

20.2.1 热液成因（非生物） 443

20.2.2 沉积金属硫矿物的生物起源 444

20.3 金属硫化物的形成机理 445

20.4 生物合成金属硫化物的证据 446

20.4.1 批培养 446

20.4.2 柱型实验：金属硫化物生物合成的模型 447

20.5 金属硫化物的生物氧化 448

20.5.1 金属硫化物生物氧化过程中的生物 448

20.5.2 直接氧化 450

20.5.3 间接氧化 453

20.5.4 黄铁矿的氧化 454

20.6 金属硫化物和沥青铀矿的生物滤过 456

20.6.1 金属硫化物矿石 456

20.6.2 铀矿的浸滤 460

20.6.3 花岗岩中异养生物对铀的反应 461

20.6.4 生物过滤动力学研究 461

20.6.5 与自然相对的工业化生物过滤 461

20.7 混合的金属硫化矿的生物提取 461

20.8 酸性矿山废水的形成 462

20.9 小结 465

参考文献 465

21 硒和碲的地质微生物学特性 475

21.1 地壳中的碲和硒 475

21.2 生物学特性 475

21.3 碲和硒的毒性 476

21.4 还原性硒的生物氧化 476

21.5 氧化硒化合物的生物还原 476

21.5.1 硒酸盐和亚硒酸盐的其他还原产物 479

21.5.2 环境中硒的还原作用 479

21.6 硒的循环 480

21.7 还原性碲的生物氧化作用 481

21.8 氧化性碲的生物还原作用 481

21.9 小结 481

参考文献 482

22 化石燃料的地质微生物学 486

22.1 简介 486

22.2 化石燃料的天然富集 486

22.3 甲烷 486

22.3.1 产甲烷生物 487

22.3.2 产甲烷菌的甲烷产生和碳元素同化作用 489

22.3.3 产甲烷过程的生物能学 492

22.3.4 产甲烷菌的碳元素固定 492

22.3.5 甲烷的微生物氧化 492

22.3.6 甲烷氧化的生物化学 496

22.3.7 甲烷营养型微生物的碳同化作用 496

22.3.8 甲烷在碳循环中的位置 497

22.4 泥炭 498

22.4.1 泥炭特性 498

22.4.2 微生物在泥炭形成中的作用 498

22.5 煤炭 499

22.5.1 煤炭的性质 499

22.5.2 微生物在煤炭形成过程中的作用 500

22.5.3 煤炭作为微生物的底物 500

22.5.4 煤炭的微生物脱硫 501

22.6 石油 502

22.6.1 石油的性质 502

22.6.2 微生物在石油形成过程中的作用 503

22.6.3 微生物在储油岩石油运移中的作用 503

22.6.4 二次及三次采油中的微生物 504

22.6.5 石油脱硫 504

22.6.6 石油的微生物降解 505

22.6.7 微生物在好氧及厌氧条件下降解石油的研究现状 505

22.6.8 微生物用于石油勘探 508

22.6.9 微生物与页岩油 508

22.7 小结 509

参考文献 510