自然界的物质处于由无机物转化成有要物，再由有机物转化成无机物的往复循环之中。光合生物通过光合作用将无机物转化成有机物，供给人及动物需要，微生物分解生物残体，将其转化为无机物，供给绿色植物。异养微生物是有机物分解（矿化）作用的主体。
一、微生物在碳素循环中的作用
碳素是生物体最重要的一种元素，也是细胞结构骨架的物质，植物组织及生物细胞含有大量碳素，约占干重的４０－５０％，而它的主要来源是大气中的ＣＯ２，但是大气中的ＣＯ２含量处于一种永远供应不足的状态，只有通过生物所推动的碳素循环，特别是微生物的分解作用，使不同形态的碳素相互转化，大气中的ＣＯ２才不会被耗竭，生命才能维持。
（一）自然界中的碳素循环
如图所示＜绿色植物和微生物通过光合作用固定自然界中的ＣＯ2，合成有机物碳化物，进而转化成各种有机物；植物和微生物进行呼吸作用获得能量，同时放了ＣＯ２，动物以植物和微生物为食，并在呼吸作用中释放出ＣＯ２。当动植物和微生物尸体等有机碳化物被微生物分解时，产生大量ＣＯ２，于是整个碳素循环完成，简单地说，碳素循环包括ＣＯ２的固定和ＣＯ２的再生。
（二）微生物在碳素循环中的作用
微生物在碳素循环中具有非常重要的作用，它们既参与固定ＣＯ２光合作用，又参与再生ＣＯ２的分解作用。
1、光合作用：参与光合作用的微生物主要是藻类，蓝细菌和光合细菌，它们通过光合作用，将大气中和水体中的ＣＯ２合成为有机碳化物。特别是在大多数水生环境中，主要的光合生物是微生物，在有氧区域以蓝细菌和藻类占优势；而在无氧区域则以光合细菌占优势。
2、分解作用：自然界有机碳化物的分解，主要是微生物的
作用陆地和水域的有氧条件中，通过好氧微生物分解被彻底氧化为ＣＯ２；在无氧条件中，通过厌氧微生物发酵被不完全氧化成有要酸、甲烷、氢和ＣＯ２。
能分解有机碳化物的微生物很多，主要有细菌、真菌和放线菌。
二、微生物在氮素循环中的作用
氮素是生物体合成及蛋白质的主要成份，是构成生物体的必需元素。虽然大气体积中约有７９％是分子态氮，但所有植物、
动物和大多数微生物都不能直接利用。初级生产者植物体需要的氨盐、硝酸盐等无机氮化物、在自然界为数不多，常常限制了植物体发展，只有将分子氮进行转化和循环，才能满足植物体对氮素营养的需要。因此氮素物质的相互转化和不断地循环，在自然界十分重要。
（一）自然界中的氮素循环
氮素循环包括许多转化作用，如图示：自然界的分子态氮，被某些自由生活的微生物固定形成氨并转化为有机氮化物；或被微生物与植物联合作用转变成可供植物直接利用的氮化物形式。存在于植物和微生物体内的氮化物被动物食用，并在动物体内被转变为动物蛋白质。当动植物，微生物尸体及排泄物等有机氮化物，主要是蛋白质或核酸，被各种分解时以ＮＨ３的形式释放出来供植物利用，或被氧化成为硝酸盐供植物吸收或被进一步还原为气态氮返回自然界。于是整个氮素循环完成，氮素循环包括固氮作用，氨化作用，硝化作用和反硝化作用。
（二）微生物在氮素循环中的作用
微生物参与氮素循环的所有过程，并在每一过程中都起主要作用。
1、固氮作用
分子态氮被还原成氨和其他氮化物的过程称为固氮作用。自然界氮的固定，有两种方式，一是非生物固氮，即通过闪电高温放电等固氮，这样形成的氮化物很少；二是生物固氮，即通过微生物的作用固氮，大气中９０％以上的分子态氮都是微生物的活性而固定成氮化物。
2、氨化作用
微生物分解有机氮化物产生氨的过程称为氨化作用。很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮衍生物，氨化作用产生的氨，一部分供微生物，植物同化，一部分被转变成硝酸盐。
3、硝化作用
微生物将ＮＨ３氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用；整个过程由两类细菌分两个阶段进行。第一阶段是ＮＨ３被氧化为亚硝酸盐，靠亚硝酸细菌完成，第二阶段是亚硝酸盐被氧化为硝酸盐，靠硝酸盐细菌完成。
硝化作用形成的硝酸盐，在有氧环境中，被植物微生物同化，但缺氧环境中，则被还原成分子态氮，从环境中消失。４、反硝化作用
微生物还原硝酸盐，释放出分子态氮和ＮＯ的过程称为反硝化作用,参与这一作用的细菌称为反硝化作用细菌。
三、硫素循环
硫是生物的重要的营养元素，它是一些必需ＡＡ和某些维生素，辅酶等的成份。
在自然界，硫素以元素Ｓ，Ｈ２Ｓ，硫酸盐和有机态硫的形式存在，而植物一般只能以无机盐类作为养料。因此，S素各种形式的循环转化，对植物营养非常重要。
（一）自然界中的硫素循环：如图示：自然界中的Ｓ和Ｈ２Ｓ经微生物氧化形成ＳＯ42-；ＳＯ42-被植物和微生物还原成有机硫化物，组成其本身；动物食用植物和微生物尸体中的有机硫化物，主是是含硫蛋白质，被微生物分解时，以Ｈ２Ｓ和Ｓ的形式返回自然界，整个硫素循环完成。另外，ＳＯ42-在缺氧环境中也可被微生物还原成Ｈ２Ｓ，概括地说，硫素循环可划分为分解作用，同化作用，无机硫的氧化作用和无机硫化物的还原作用。
(二)微生物在硫素循环中的作用
微生物参与Ｓ素循环的全过程，并起很重要作用。
1、分解作用：
动、植物和微生物尸体中的有机硫化物，被微生物降解成无机物的过程称为分解作用。“硫酸盐、Ｈ２Ｓ等”
2、同化作用
微生物利用硫酸盐和Ｈ２Ｓ，组成本身细胞物质的过程称为同化作用，细菌、放线菌、真菌中都有能利用硫酸盐作为硫源的种类。仅少数微生物同化Ｈ２Ｓ。
3、无机硫的氧化作用
无机硫的氧化作用是微生物氧化硫化氢、元素Ｓ或ＦeＳ等生成硫酸盐的过程。主要是硫细菌。
4、无机硫化物的还原作用
无机硫化物的还原作用是在厌氧条件下微生物将硫酸盐还原成Ｈ２Ｓ的过程。参与此过程的微生物是硫酸盐还原细菌。（脱硫弧菌属、脱硫肠状菌属）
四、其他元素的微生物转化
微生物在自然界以许多进行各种代谢，但基本上与氮素和硫素循环中的步骤和原则类似，总括起来为下列几类反应：
（一）有机质的分解作用
（二）无要离子的固定或同化作用
（三）无机离子和化合物的氧化作用
（四）氧化态还原态的还原作用
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