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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