作物生長所必需的元素按其需求量分為大、中、微量三種。這些元素在土壤中以不同形式存在，有些元素的形式不經(jīng)轉(zhuǎn)化是不能被植物吸收利用的。而元素的轉(zhuǎn)化必須在微生物的作用下才能進行。因此微生物的生命活動在礦質(zhì)營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化中起著十分重要的作用。
下面就微生物對元素中的氮N、磷P、鉀K、硫S、鐵Fe、猛Mn6種元素的轉(zhuǎn)化作用進行簡單介紹。
一、微生物在氮轉(zhuǎn)化中的作用
氮循環(huán)由6種轉(zhuǎn)化氮化合物的反應(yīng)組成，包括固氮、同化、氨化(脫氨)、硝化作用、反硝化作用及硝酸鹽還原。氮是生物有機體的主要組成元素，氮循環(huán)是重要的生物地球化學(xué)循環(huán)。
(1)固氮：固氮是大氣中氮被轉(zhuǎn)化成氨(銨)的生化過程。固氮微生物都具有固氮基因和由其編碼合成的固氮酶，生物固氮是只有微生物或有微生物參與才能完成的生化過程。
(2)氨化作用:氨化作用是有機氮化物轉(zhuǎn)化成氨的過程。它是通過微生物的胞外和胞內(nèi)酶系以及土壤動物釋放的酶催化的。首先是胞外酶降解含氮有機多聚體，然后形成的單聚體被微生物吸收到細胞內(nèi)代謝，產(chǎn)生的氨釋放到土壤中。氨化作用放出的氨可被微生物固定利用和進一步轉(zhuǎn)化。
(3)硝化作用：硝化作用是有氧條件下氨被氧化成硝酸鹽的過程。硝化作用是由兩群化能自養(yǎng)細菌進行的，先是亞硝酸單胞菌將氨氧化為亞硝酸;然后硝酸桿菌再將亞硝酸氧化為硝酸。氨和亞硝酸是它們的能源。
(4)硝酸鹽還原和反硝化作用：土壤中的硝酸鹽可以經(jīng)由不同途徑而被還原，包括同化還原和異化還原兩方面，還原產(chǎn)物可以是亞硝酸、氧化氮、氧化亞氮等。
同化還原是指微生物將吸收的硝酸鹽逐步還原成氨用于細胞物質(zhì)還原的過程。植物、真菌和細菌都能夠進行NO3-的同化還原，在同化硝酸酶系催化下先形成NO2-繼而還原成NH2OH,最后成為NH3，由細胞同化為有機態(tài)氮。
硝酸鹽的異化還原比較復(fù)雜，有不同途徑。因微生物和條件不同，可以只還原為NO和N2O，也可以還原為分子氮。只有細菌具備NO3-的異化還原作用。
反硝化作用即反硝化細菌在缺氧條件下，還原硝酸鹽，釋放出分子態(tài)氮(N2)或一氧化二氮(N2O)的過程，即脫氮作用。能夠進行反硝化作用的只有少數(shù)細菌。
二、微生物在磷循環(huán)中的作用
大氣中沒有磷素的氣態(tài)化合物，因此磷是一種典型的沉積循環(huán)，主要在土壤、植物和微生物之間進行。土壤微生物既參加了無機磷化合物的溶解作用和有機磷化物的礦化作用，也參加了可給性磷的固持作用。在作物生長的季節(jié)里，雖然土壤微生物的生物量比植物的生物量少很多，但微生物的含磷量卻比植物高10倍以上;而且在一季的時間內(nèi)，微生物能繁殖很多代，結(jié)果是被微生物吸收的磷往往超過了高等植物吸收的量。但微生物固持磷的時間不長，微生物細胞死亡后不久磷又會釋放出來。這對植物是有利的。短期的生物固持作用可使土壤磷免遭土壤礦物的長期固定。
在自然界中，磷的循環(huán)包括可溶性無機磷的同化、有機磷的礦化、不溶性磷的溶解等。
微生物分解含磷化合物的作用，基本上分為有機磷化合物的分解和無機磷化合物的分解兩個方面。前者主要是微生物產(chǎn)生的各種酶參與的結(jié)果。有機磷化合物在土壤這個復(fù)合體中變化十分復(fù)雜，往往形成一些極難分解的產(chǎn)物。這些復(fù)雜的物質(zhì)只有在微生物的相應(yīng)酶的作用下才能分解。
微生物促進磷有效化的另一重要方面，是對土壤中無機磷的溶解作用。微生物產(chǎn)生的酸，一類是無機酸，如碳酸、NO3-、SO42-。另一類是有機酸，微生物產(chǎn)生的有機酸大多種類都具有溶磷作用。
可以認為微生物在代謝過程中通過呼吸作用分解糖類等碳源，可以產(chǎn)生多種有機酸。這些有機酸在土壤中對無機磷化合物的溶解起著重要作用。
三、微生物在鉀循環(huán)中的作用
土壤里主要含鉀礦物有長石和云母等硅酸鹽。其中的鉀約占土壤總鉀量的98%，該類鉀難溶于水，只能在風(fēng)化后才釋放出一些有效鉀。
有一些微生物能分解長石和云母等硅酸鹽類礦物產(chǎn)生有效鉀，該類微生物稱為鉀細菌或硅酸鹽細菌。該類微生物解鉀的途徑可能有兩個：①鉀細菌接觸礦石后產(chǎn)生特殊的酶，破壞礦石結(jié)晶結(jié)構(gòu)，釋放出其中的養(yǎng)分②鉀細菌在礦石表面接觸后進行交換作用，釋放出其中的養(yǎng)分。
四、微生物在硫循環(huán)中的作用
硫是生物體合成蛋白質(zhì)以及某些維生素和輔酶等的必需元素。硫素不足，影響氮的同化，從而影響蛋白質(zhì)的含量和作物產(chǎn)量。
硫循環(huán)兼有氣態(tài)循環(huán)和沉積循環(huán)的特點，循環(huán)中的許多步驟都有專一性微生物參與。進入土壤的動植物殘體中含硫的有機質(zhì)主要是蛋白質(zhì)，其次是一些含硫的揮發(fā)性物質(zhì)。土壤中能分解含硫有機物質(zhì)的微生物種類很多，一般能引起含氮有機化合物的氨化微生物，都能分解含硫有機物產(chǎn)生硫化氫。含硫有機物在分解不徹底時，形成硫醇暫時積累，但在進一步氧化中，仍以硫化氫為最后產(chǎn)物。微生物分解的含硫有機化合物產(chǎn)生硫化氫，雖不能直接有利于植物的營養(yǎng)，而且在土壤中積累較多時，還對植物的根部有毒害作用，但含硫有機化合物的無機質(zhì)化是硫素物質(zhì)循環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，在生成硫化氫后，在微生物的作用下進行進一步氧化，形成硫酸，則可為植物提供硫素養(yǎng)料。
五、微生物在鐵轉(zhuǎn)化中的作用
鐵素主要存在于礦物中。土壤中的鐵主要是難溶的高價鐵(Fe3+)，它必須還原為低價(Fe2+)植物才能吸收。鐵素的循環(huán)作用包括氧化還原反應(yīng)、溶解作用和沉積作用。
許多微生物可以用Fe3+做電子受體。當(dāng)有H2S存在時，高價鐵可經(jīng)化學(xué)還原為FeS。所以，在自然界中鐵和硫的循環(huán)之間關(guān)系密切。
一些真菌和許多化能無機營養(yǎng)與有機營養(yǎng)細菌均能用Fe3+做電子受體進行能量代謝。
許多微生物產(chǎn)生一類稱為鐵載體的特異鐵結(jié)合物，能螯合鐵并輸入細胞內(nèi)部，當(dāng)它進入細胞后，鐵被釋放出來，鐵載體可再進行鐵的運轉(zhuǎn)，這是植物吸收鐵素的一種機制。
能夠產(chǎn)生鐵載體的細菌在土壤中具有競爭鐵素的優(yōu)勢。一些假單胞菌產(chǎn)生黃綠色螢光鐵載體，稱為假菌素，可以同鐵緊密結(jié)合，阻止其他生物的利用。于是使植物的某些病原菌處于缺鐵狀態(tài)，這對植物是有利的。
六、微生物在錳轉(zhuǎn)化中的作用
錳在土壤中以二價和四價狀態(tài)存在，還原態(tài)的二價錳為可溶性，能被植物吸收利用;氧化態(tài)的四價錳不溶解。土壤中錳的轉(zhuǎn)化決定于微生物、土壤酸度、氧和有機質(zhì)含量。許多微生物能氧化錳，在缺氧及酸性條件下常有利于錳的還原;在堿性條件下有利于錳的氧化。所以植物缺錳常與土壤反應(yīng)有關(guān)。
