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地球具有密闭系统之功能，使所有质量维持恒定。不过，物质之化学状态不断改变，产生简单之化学元素，以至由此等元素构成复杂之化合物。有些生命形式，尤其植物与许多微生物以简单之无机化合物为营养，动物则需更复杂之有机化合物。地球上之生命端赖自元素状态以至无机化合物之化学物质进行重循环，而后转有机化合物，并返回其元素状态。生化反应乃将有机化合物分解为无机化合物，或其组成元素，是谓矿质化（mineralization）。微生物主司此类化学转变，以下以氮、碳与硫等解释其现象。
自我测验
1. 地球上资源为何需重循环？
2. 矿质化过程中，所发生为何？
二、 氮与氮化合物之生化转变
氮与含氮化含物之全程变化，可藉一系列之反应综合之，是谓氮循环（nitrogen cycle），如28~11所示。於此循环中，空气中之氮气先转为氨，而后成为胺基酸，供含氮复杂有机化合物如蛋白之生物合成。蛋白再分解为较简单之化合物，如胜太与胺基酸。由此再转变为无机氮化合物如氨、亚硝酸盐与硝酸盐。硝酸盐可转为空气中之氮气，终於完成循环。
1.氮之固定
定氮作用（nitrogen fixation）乃将空气中之氮气转为氨，而氨为胺基酸合成所需之物质。氨虽可藉工业合成，惟成本昂贵，仅适用於工业化国家，且产量约仅全球每年定氮总量之1/3，其余2/3则藉微生物固定之。但所有生活微生物中仅部分菌种具定氮能力。
（1）定氮酉每复合物（Nierogenase complex）
定氮细菌含定氮酉每，系2种酉每之复合物，一为含铁蛋白，另一为含钼蛋白，二者联合催化下列反应：
N2＋6H＋＋6e－＋12ATP—›2NH3＋12ADP＋12Pi
空气中的氮 氨 磷酸盐
所产生之氨一般以铵盐（NH4+）形式存在，乃氨溶於水而形成：
NH3+H2O—›NH4++OH定氮酉每所催化之反应不仅需电子来源俾将N2还原为NH3；也需ATP形式之大量能量。惟定氮酉每极易为氧所抑制。有些定氮菌属於厌气菌，一般生活於无氧环境中。然而有些气菌则需以各种方法驱除氧气防止与细胞内之定氮酉每接触。例如定氮菌（Azptpbacter）於细胞表面迅速呼吸（立即将氧还原为水），使细胞内维持无氧状态。另一方面需气定氮菌如黏液德克斯氏菌（Derxia gummosa）具有正常之呼吸速率，但细胞外环绕一厚荚膜，此荚膜可减缓空气中之氧扩至细胞内。
多年来微生物学难於测定细菌之定氮酉每且经费昂贵，直到1960年代研究者发现一迅速廉价之方法是谓乙烯还原试验（acetylene rdeuction test）。此种简易试验之原理，系依据定氮酉每与含三共价键之化合物如乙炔相互作用，产生如下之反应。
乙炔HC≡CH+2H—›乙烯H2C-CH2
与氮之比较反应为：N≡N+6H—›2NH3
试验时欲测定定氮酉每活性之细菌加入含乙炔气体之密闭容器中，经保温30分钟至数日后，取出气体检体以气相层析法（gas chromatography）分析是否形成乙烯，以所产生之乙烯量表示该菌之定氮酉每活性。
（2）非共生性定氮
定氮菌可分为自由或独立生活於土壤中之非共生性氮菌（nonsymbiotic nitrogen fixer），以及与植物共营生活始能定氮之共生性定氮菌（symbiotic nitrogen fixer）。
据估计非共生性定氮菌每年之定氮量介於20~50磅／公亩。此过程对於氾滥稻田、瘠土或新岩石表面、处女地或开垦之乾旱土壤等颇富重要性。能进行非共生性定氮之细菌如表28~3所列，其中最重要者为定氮菌属（Azotobacter）之菌种与蓝细菌，二者属於需气菌；以及巴斯德氏梭状芽胞杆菌（Clostridium pasteurianum），乃产生芽胞之厌气菌，此等细菌均广布於土壤中。
（3）共生性定氮
共生性定氮对农业特具重要性，许多植物与定氮菌共营生活，受益匪浅。如根瘤菌与豆科植物（Rhizobium-legume），并列菌与水洋齿植物（Anabaena azollae -Azolla），法兰克氏菌与赤杨树（Frankia-alder tree）及其他系统。
效果最佳，研究最澈底之共生性定氮系统为生长於大豆、碗豆及苜蓿等豆科植物根部结节之根瘤菌。根瘤菌-豆科植物系统为达有效定氮，需选择适当之根瘤菌菌株，如图28~12所示。据过去估计豆科作物之氮量每公亩介於50~500磅。
根瘤菌能侵入植物宿主之根毛细胞，建立互利共生关系，如图28~13所示。最初细菌於根毛细胞引起感染线（infection thread），感染线则使细菌穿入根部组织之深处，并感染深层细胞。受感染根部细胞变大，加速分裂速率，以致形成细胞之大集团，是谓根瘤（root nodule）。根瘤菌於根瘤将氮固定为氨，部分之氨则供植物合成胺基酸。反之，植物不仅供细菌营养，也保护定氮酉每，防止受氧之作用。保护方式乃於菌体外包围能结合氧之红色色素是谓豆血红素（leghemoglobin），此色素之性质与动物血液之血红素相似，可限制接触细菌之氧量。
并列菌-水羊齿植物系统参予水羊齿与蓝细胞（并列菌）之间之共生，如图28~14所示。此共生对於氮源营养不足之稻田颇具重要性。水羊齿能生长於田区，定氮蓝细胞则提供氨予水洋齿，以合成胺基酸与蛋白。当羊齿死后其蛋白经微生物之分解，供水稻生长所需之无机氮。
法兰克氏菌-赤杨树系统中，法兰克氏菌属之放线菌生长於赤杨树与某些灌木之根瘤内。此根瘤虽已发现百年以上，直至1987年Frank氏始分离出纯培养，且显示定氮能力。赤杨树能生长於瘠土，可能与法兰克氏菌共生，提供氮源营养。
最近尚发现草、小麦、玉米及其他植物与定氮螺旋菌属（Azospirillum）之菌种间之共生性定氮作用。定氮螺旋菌侵入根组织，固定氮气，供给植物，并自植物取得营养。本系统不形成根瘤，依此发现推测共生性定氮作用可能包括更广之植物范围。
（4）定氮作用与遗传工程
微生物学者利用分子生物学技术，使基因之特徵发挥定氮作用。该基因不仅包括定氮酉每复合体，也包括其他参予调节定氮酉每活性之基因。遗传工程之进步，曾推测可能有激励方法可加强定氮能力或嵌入其他植物。整组定氮基因今已选殖自肺炎杆菌（Klebsiella pneumonia），并转移至大肠杆菌。沿此研究线索，发展细菌以其他植物维生，且行定氮，可能扩展定氮之利用。谷类作物之共生性定氮发展与根瘤菌-豆科植物系统相似，能显著增强作物产量。
2.蛋白分解作用
植物利用共生性或非共生性定氮所产生之氨合成其胺基酸，以至最后之植物蛋白。动物则食用植物，将植物蛋白转为动物蛋白。待动植物死亡后，於土壤分解之际，释出蛋白所含之氮，而释出过程之第一步骤为蛋白分解（proteolysis），也即蛋白之酉每分解。
蛋白分解作用乃微生物分泌蛋白酉每，将蛋白分解为较小单位之反应。每一单位称为胜太（peptide），含两个或以上之胺基酸。胜太次为胜太酉每（peptidase）所作用，释出个别胺基酸。全程反应可综合如下：
蛋白 蛋白酉每 胜太 胜太酉每 胺基酸
多数霉菌及部分细菌，尤其梭状芽胞杆菌属、假单胞菌属及杆菌属等之菌种皆能产生强力之蛋白酉每，胜太酉每更广布於微生物。蛋白 （peptone）乃肉类、酪蛋白或大豆蛋白等经部分分解所得产物，为培养基之共同成分，可立即供应异营性微生物所需之氮源。
1.胺基酸之分解：胺化作用
蛋白分解过程中所释出之胺基酸经脱胺基作用（deamination），即除去含氮之胺基（-NH2）。微生物可藉各种反应进行胺基酸之脱胺基作用，但其中之一产物常为氨。例如丙胺酸（alanine）之脱胺基作用，依下式反应之：
NH2 O
｜ ｜
CH3-CH-COOH+1/2O2—›CH3-C-COOH+NH3
丙胺酸 丙酮酸 氨
氨之产生是谓氨化作用（ammonification），故脱胺基作用之结果为氨化作用。
2.硝化作用
氨化作用发生后，有些细菌能藉硝化作用（nitrification）将氨转为硝酸盐。
19世纪拿破仑战争期间，法国无法输入硝石以供火药之制造，解决困境，法国制作由土壤与动物废物、植物物质、灰粉及其他材料等混合而成之堆肥床，并将堆肥之混合物时时搅动，使通气，经长期孵育后，以热水自堆肥混合物中萃取粗制硝石。硝酸盐之产生系硝化菌之作用，但当时尚不能了解微生物所负角色。迄至1877年始发现硝化作用乃一生物反应过程，1890年苏俄微生物学家Sergei Winogradsky氏终於分离出硝化菌之纯培养。
硝化作用分为两步骤，各步骤分别参予不同之细菌。
步骤1：藉氨氧化菌，将氨氧化为亚硝酸盐
2NH3+3O2→2HNO2+2H2O
亚硝酸
↓离子化
H++NO2-
亚硝酸 盐离子
步骤2：藉亚硝酸氧化菌，将亚硝酸盐氧化为硝酸盐
硝酸盐
NO2-+½O→NO-3
亚硝酸盐离子 硝酸盐离子
硝化菌（氨氧化菌与亚硝酸盐氧化菌）为需气性革兰氏阴性自营菌。自二氧化碳获得碳源，并氧化NN3或NO2-获得所需能量以固定二氧化碳。
硝化菌为土壤、下水道及水环境之一般栖息菌，但於实验室中不易分离出。此乃因生长缓慢，於土壤及其他环境中之菌数稀少。故微生物学家企图分离出纯培养之前，先以强化法增加混合菌群之数目。硝化菌之强化培养基如表28~4所列，此培养基全为无机物，以氨或亚硝酸盐作为生长所需之唯一氮源。
氨氧化菌包括各种不同形态，如杆状、球状、螺旋状或小叶状等。以电子显微镜观察时，细胞内一般具有延伸之膜系统。部分菌种为欧州亚硝酸单胞菌（Nitrosomonas europaea）、纤细亚硝酸弧菌（Nitrosovibrio tenuis）与亚硝酸亚硝酸球菌（Nitrococcus nitrous），所有属名均附字首”亚硝酸”（Nitroso-）。
亚硝酸氧化菌之形态与氨氧化菌相似，仅曾分离出少数菌种，如温诺格雷斯基硝酸菌（Nitrobacter winogradskyi）与纤细硝酸棘突菌（Nitrospina gracilis），所有属名均附字首”硝酸”（Nitro-）。
3.同化性硝酸盐还原：硝酸盐还原为氨
硝化作用形成硝酸盐后，许多异营性细菌能藉同化性硝酸盐还原将其再度转为氨。典型过程於需气性状态下进行，且供给氨予细胞，俾合成胺基酸。同化性硝酸盐还原包括数个反应，但总反应如下：
NO3-+18e-+9H+→NH3+3H2O
硝酸盐 氨
4.脱氮作用：硝酸盐还原为氮气
有些细菌能将硝酸盐还原为氮气，其过程是谓脱氮作用，仅发生於厌气状态如浸水土壤。硝酸盐作为电子传递系统中之最终电子接受者，电子传递系统所释出之能量则用於合成ATP。硝酸盐还原为氮气之脱氮过程中发生一系列反应，并形成各种中间产物
2NO3－→2NO2－→2NO－→N2O－→N2
硝酸盐 亚硝酸盐 一氧化氮 氧化氮 氮
许多微生物均能进行脱氮作用，如田园菌属（Agrobacterium）、产碱菌属（Alcaligenes）及假单胞菌属等属之菌种。对於能量之产生，脱氮作用有益於细菌，但自农业观点则不利。因自土壤丧失氮之成分，以致减少植物生长所需之营养。
环境条件对脱氮作用程度具有显著影响，如土壤中含大量有机物质、升高温度（25至60℃）、及中性或碱性pH等均可促进反应。
自我测验
1. 氮循环由那些系列反应所构成？
2. 何谓定氮作用？定氮酉每吹催化何反应？
3. 非共生性与共生性定氮作用有何不同？
4. 列举3例之共生性定氮作用？
5. 下列反应过程为何：蛋白分解作用，脱胺基作用，氨化作用，硝化作用，同化性硝酸盐还原，与脱氮作用？
三、 二氧化碳与其他碳化合物之生化转变
二氧化碳与其他碳化合物之生化转变也如氮循环，可视为环状序列反应，如图28~15所示。光合作用之际空气中之二氧化碳固定为简单有机化合物，由此简单化合物再合成复杂化合物如纤维素。最后此等复杂化合物仍分解为较小分子，小分子经氧化形成二氧化碳，完成循环。据美国农业部估计，一公亩土壤表面上含20吨之二氧化碳，而生活於同区域之生物则将20吨之二氧化碳返回大气中。
1. 二氧化碳固定
二氧化碳固定（carbon dioxide fixation）乃将二氧化碳转为有机化合物，一般反应可表示如下：
酉每
CO2+4H－→（CH2O）n+H2O
醣类
绿色植物为二氧化碳固定作用之最重要因子，他如藻类、蓝细胞、绿色与紫色光营菌等也能固定二氧化碳。此等微生物为自营性，大多以卡耳文氏循环（Calvin cycle；第12章），进行固定反应。许多异营性菌也稍具固定能力，惟不能以其作为主要碳源。下列为部分异营性菌固定二氧化碳之一例：
酉每
CH3COCOOH+CO2－→HOOCCH2COCOOHC
丙酮酸 草醋酸
2. 纤维素分解
植物利用二氧化碳固定所形成之部分醣类藉以合成复杂有机化合如纤维素，乃一种非水溶性长链葡萄糖聚合物。木材一般含40~50％纤维素，其他重要成份为木质（20~30％）与半纤维素（10~30％）。当植物死亡时，此等复杂物质为土壤微生物所分解。如林地，於天然植物系统以下之土壤，其有机物质含量几乎年年维持不变。此乃因死亡植物物质於土壤中之沈积量与土壤微生物分解物质之能力构成平衡之故，如图28~16所示。
纤维素为植物最豊富之有机物质，易受土壤中之许多细菌或霉菌所分解。此类微生物最初先以纤维素酉每分解为纤维乙醣（cellobiose），乃含两葡萄糖单位之双醣类。
纤维素酉每
纤维素－－－－－→许多纤维乙醣分子
次以β-葡萄糖甘酉每（β-glucosidase）将纤维乙醣分解为葡萄糖。
β葡萄糖甘酉每
纤维乙醣－－－－－－→葡萄糖
葡萄糖再经许多微生物所代谢，其完全氧化则产生CO2与H2O
酉每
葡萄糖＋6O2－→6CO2+6H2O
其他重要之植物组织物质如半纤维与木质等，其分解途径也与上述相似。二氧化碳之产生不仅源自醣类之分解，他如蛋白分解产生之胺基酸与脂质分解产生之脂肪酸，再经分解均可产生二氧化碳。
自我测验
1.碳循环之步骤或序列反应为何？
2.二氧化碳如何转变为有机化合物？
3.纤维素经微生物分解后之产物为何？
四、 硫与硫合物之生化转变
硫循环也如氮与碳，参予微生物之反应，如图28~17所示。有些微生物氧化各种硫化合物，有些则进行还原。硫循环之部分生化反应可综合如下：
1.植物或动物不能利用元素状态之硫，然而有些细菌能将硫氧化为硫酸盐（SO42-），乃各种生物皆易利用之硫形式。例如硫氧化硫杆菌（Thiobacillus thiooxidans）系一自营菌，能进行如下之反应：
2S +2H2O+3O2→2H2SO4
元素硫 硫酸
↓离子化
2H++SO42-
硫酸离子
上式为需气性、化学自营性反应，产生酸，使碱性土壤之pH值下降。此现象对於链霉菌引起之马铃薯斑点病与腐烂病颇具控制作用，因低pH值可抑制链霉菌之生长。
2..植物利用硫酸盐之硫以合成含硫胺基酸（胱胺酸、半胱胺酸及甲硫胺酸），此类胺基酸为部分蛋白之必需成分。当植物死亡后，土壤微生物分解植物蛋白，释出胺基酸。胺基酸再经脱硫酉每（desulfurase）之分解引起如下之反应，式中硫以硫化氢（H2S）之形式释出。
CH2SH CH3
HC-NH2+H2O→C＝O+NH3+H2S
COOH COOH
胱胺酸 丙酮酸
3.硫酸盐藉各种土壤微生物可还原为硫化氢，例如脱硫肠状菌属（Desulfotomaculum）系厌气菌，能进行如下之反应：
酉每
8H+CaSO4－→H2S+Ca（OH）2+2H2O
硫酸钙 氢氧化钙
4.绿光营菌与紫光营菌之部分菌种能氧化硫酸盐还原或胺基酸分解时所产生之硫化氢，此氧化过程则产生元素硫。
酉每、光
CO2+2H2S－－－→（CH2O）+H2O+2S
醣类
自我测验
1. 硫循环中之一系列反应为何？
2. 元素硫之形式发生何变化，始能为动植物所利用？
3. 硫化氢如何源自植物或动物蛋白？
4. 如何自硫化氢形成元素硫？
五、 其他元素及其化合物之生化转变
上文已提及氮、碳及硫等循环之化学变化，此等变化之中心主题乃化合物之不断合成、分解及重新合成，呈循环状态。每一元素之化学状态虽改变，但元素之全球总供应量仍维持不变。
生命所以必需之铁、磷，及其他元素也呈相似之循环式运行。於各元素之循环中。微生物主司元素化学状态之改变，俾於循环中之次一步骤能为生物所利用。
自我测验
1. 与氮碳循环相似之周期性反应尚有那些元素？
2. 微生物於此等循环中，为何具重要性？
六、除草剂与杀虫剂之生物分解
除草剂（herbicide）乃能致死植物，尤其杂草之化学物质。杀虫剂（pesticide）顾名思义，指能杀死害虫之化学物质。以土壤而论，虫害指伤及作物之昆虫、霉菌与线虫。因此依害虫之类别，此类化学物质可再分为杀昆虫剂（insecticide），杀霉菌剂（fungicide），及杀线虫剂（nematicide）等。
作物虽大规模应用杀虫剂与除草剂以改善产量，但此等物质对环境与人类健康，也产生短期或长期之影响问题。是否为土壤微生物所分解？如是，则速度如何？对土壤微生物有否影响？如有，系短暂性或长久性影响？是否构成污染，自土壤进入河川，影响水生植物或鱼类生命？是否危及人类健康？此乃土壤学学者、生物学家、环境专家及一般大众所关切之问题。
理想之杀虫剂应迅速破坏害虫，且尽可能分解为无毒物质。因土壤犹如水槽，能接受杀虫剂，故端赖土壤微生物分解杀虫剂之化学成分。
据最近之研究推测，一般土壤细菌经遗传工程处理之菌株，可能加速杀虫剂之分解，如图28~18所示；此外，代替化学杀虫剂之可行方法，乃藉微生物侵袭与毁灭昆虫（发现28~2），有关此问题将於31章说明。
发现28~2杀生物剂：昆虫之生物管制：
1939年引用DDT管制昆虫后，即开始其他杀虫药物之发展与生产，迄至1962年Rachel Carson於其著作－沈默之春天，确定DDT对环境之影响时，已事隔多年。1972年联邦政府实施DDT及其他有机氯化合物之禁用，因其对动物与环境普遍具有不良影响。
因现代农业广泛利用化学杀虫剂涉及高度伤害，对环境之实际影响逐渐扩大，故唤醒大众警觉性。如地下水之污染与河川之污染导致水生植物之伤害，昆虫对此类药物产生抗药性，同时化学杀虫剂之广泛应用，导致所需剂量增加。
管制伤害植物之昆虫，有另一可行方法，乃应用微生物感染并致死特异昆虫，但不伤及植物。苏林吉亚杆菌（Bacillus thuringiensis；一般以Bt代号表示）於商业上已使用多年，藉以管制鳞翅类昆虫（lepidopterous insect）如蛾、蝴蝶及叩头虫。附图乃甘蓝菜以苏林吉亚杆菌治疗，也用於管制吉普赛蛾，此蛾对甘蓝菜极具破坏性；吉普赛蛾也曾破坏大森林。甲虫杆菌（Bacillus popillae）与缓慢病杆菌（Bacillus lentimorbus）用以管制日本甲虫。有些新品种之草皮利用支顶孢菌属（Acremonium）之霉菌防护觅食昆虫。据最近威斯康新之研究，自土壤中分离出富有管制凋萎与腐根之细菌，此等疾病为霉菌引起，感染苜蓿与大豆。
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