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