歡迎來到生態系統循環的世界！

在生態系統中，水、碳和氮等物質會不斷在生物（植物、動物和微生物）與非生物環境（空氣、土壤和水）之間循環。

理解這些循環（cycles）對於了解生態系統如何維持生命，以及人類活動如何破壞這些自然平衡至關重要。

第 1 部分：分解者的角色

分解者（Decomposers）是分解死亡有機物質和廢棄物的微生物（主要是細菌和真菌）。

為什麼分解者不可或缺？

1. 營養素和礦物質循環：

當生物死亡或產生廢物時，重要的礦物質和氮化合物都被鎖在有機物質內。

分解者會分解這些物質，將礦物離子（mineral ions）（如銨和硝酸鹽）釋放回土壤中，以便植物吸收。

2. 碳循環：

分解者會進行有氧呼吸作用（aerobic respiration），分解碳化合物並將二氧化碳（\( \text{CO}_2 \)）釋放回大氣中，供光合作用使用。

第 2 部分：水循環

在太陽熱能的驅動下，水在地球表面和大氣之間不斷流動。

水循環的關鍵過程

蒸發（Evaporation）：來自太陽的熱能使湖泊、河流和海洋中的液態水轉變成水蒸氣，並上升到大氣中。

蒸騰作用（Transpiration）：水分從植物葉片表面透過氣孔蒸發進入大氣。

凝結（Condensation）：當溫暖的水蒸氣上升並冷卻時，會重新凝結成微小的液態水滴，形成雲。

降水（Precipitation）：水以雨、雪、雨夾雪或冰雹的形式落回地球表面。

第 3 部分：碳循環

碳透過特定的生物和化學過程在生物、大氣、土壤和海洋之間流動。

1. 將二氧化碳從大氣中「移出」

光合作用（Photosynthesis）：綠色植物和藻類從大氣中吸收 \( \text{CO}_2 \) 並將其固定為碳水化合物（葡萄糖），將光能轉化為化學能。這些碳成為植物生物量（biomass）的一部分。

2. 透過食物鏈傳遞碳

攝食（Feeding）：當初級消費者吃掉植物時，碳化合物會沿著食物鏈轉移到次級和三級消費者體內。

3. 將二氧化碳「放回」大氣中

呼吸作用（Respiration）：植物、動物和分解者都會進行有氧呼吸，分解葡萄糖並釋放 \( \text{CO}_2 \) 作為廢物：
\( \text{glucose} + \text{oxygen} \rightarrow \text{carbon dioxide} + \text{water} \)

分解作用（Decomposition）：分解者分解死亡的動植物遺骸，進行呼吸作用並釋放 \( \text{CO}_2 \)。

燃燒（Combustion）：燃燒化石燃料（煤、石油、天然氣）或生物量（木材、森林）會氧化碳，將 \( \text{CO}_2 \) 釋放回大氣中。

重要提示：燃燒化石燃料和森林砍伐等人類活動增加了大氣中的 \( \text{CO}_2 \)，加劇了溫室效應並導致全球暖化。

第 4 部分：氮循環 （只限卷二 / Paper 2 Only）

所有生物都需要氮來製造蛋白質、氨基酸和 DNA。雖然氮氣約佔大氣的 78%，但植物和動物無法直接吸收這種不活潑形式的氮。

氮循環依賴特定群體的細菌在不同形式之間轉化氮：

1. 固氮細菌（Nitrogen-Fixing Bacteria）

將空氣中不活潑的氮氣（\( \text{N}_2 \)）轉化為土壤中的氨或硝酸鹽。

一些固氮細菌在土壤中自由生活，而另一些則以互利共生關係生活在豆科植物（如豌豆、大豆和三葉草）的根瘤（root nodules）內。

備註：閃電也可以直接固氮，促使氮和氧發生反應，形成隨雨水沖入土壤的硝酸鹽。

2. 分解者（真菌和細菌）

分解動物廢物（尿素、糞便）和死亡有機物質，將有機氮化合物（如蛋白質）轉化為土壤中的氨／銨離子。

3. 硝化細菌（Nitrifying Bacteria）

將氨／銨離子轉化為亞硝酸鹽，然後將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽（\( \text{NO}_3^- \)）。

植物可以透過根毛細胞以主動轉運方式從土壤中吸收硝酸鹽，以合成氨基酸和蛋白質。

4. 反硝化細菌（Denitrifying Bacteria）

將土壤中的硝酸鹽轉化回氮氣（\( \text{N}_2 \)），並釋放到大氣中。

反硝化細菌通常在缺氧條件下活躍，例如未通氣或積水的土壤。

課程提示：你不需要記憶氮循環中細菌的特定屬名或種名；只需了解常見群體的名稱及其作用即可。

總結表：氮循環中的關鍵細菌

細菌群體：固氮細菌（Nitrogen-fixing bacteria）
過程／轉化：氮氣（\( \text{N}_2 \)）\( \rightarrow \) 氨／硝酸鹽

細菌群體：分解者（Decomposers）
過程／轉化：死亡物質中的蛋白質和廢物 \( \rightarrow \) 氨／銨離子

細菌群體：硝化細菌（Nitrifying bacteria）
過程／轉化：銨離子 \( \rightarrow \) 亞硝酸鹽 \( \rightarrow \) 硝酸鹽

細菌群體：反硝化細菌（Denitrifying bacteria）
過程／轉化：土壤中的硝酸鹽 \( \rightarrow \) 氮氣（\( \text{N}_2 \)）