碳元素是構成生物體各種有機物質的主要元素，約占有機物干重的50％。碳素循環是自然界最基本、最重要的物質循環，主要包括空氣中CO2通過光合作用形成有機化合物，以及有機物被分解為CO2釋放到大氣中的作用。微生物在碳素循環中的作用極其重要，既參與固定CO2的光合作用，又參與再生CO2的分解作用。
(1)C02的固定 CO2固定是CO2逐步被還原為碳水化合物的生化反應過程，主要通過綠色植物和藻類、藍細菌、光合細菌等微生物的光合作用束實現。光合作用是地球上最重要的生物化學過程之一，其實質是轉化光能為化學能，把空氣中的CO2還原為細胞有機碳。此外，硝化細菌、硫化細菌等化能自養菌也可固定C02。
(2)CO2的再生 由綠色植物和微生物等自養生物轉化C02生成的有機碳，通過食物鏈在生態系中轉移。食物鏈各營養級機體的呼吸作用釋放出CO2，機體的排泄物和尸體被異養微生物徹底氧化為CO2并釋放至大氣中，供自養生物利用。自然界的碳素循環不是獨立進行的，與氧、氫循環相耦聯。
有機物分解過程涉及的微生物和發生的生化反應在很大程度上取決于氧氣的有無。在有氧條件下，有機物被好氧和兼性厭氧的異養微生物分解，最終代謝產物為CO2和水，參與分解的微生物包括真菌、細菌和放線菌。在厭氧條件下，除發酵，有機物的分解幾乎完全是細菌的作用。微生物在厭氧條件下分解有機物釋放能量少，細胞得率低，有機物分解速率慢，基質降解不徹底，產物主要是有機酸、醇、CO2、H2等。產甲烷細菌利用有機物厭氧分解中產生的H2和CO2作為底物進行代謝活動，從而使有機物繼續分解；生成的CH4逸入好氧環境中，被甲烷氧化菌氧化為CO2。
自然界碳循環的基本過程如下：大氣中的二氧化碳（CO2）被陸地和海洋中的植物吸收,然后通過生物或地質過程以及人類活動，又以二氧化碳的形式返回大氣中。
1、有機體和大氣之間的碳循環
綠色植物從空氣中獲得二氧化碳，經過光合作用轉化為葡萄糖，再綜合成為植物體的碳化合物，經過食物鏈的傳遞，成為動物體的碳化合物。植物和動物的呼吸作用把攝入體內的一部分碳轉化為二氧化碳釋放入大氣，另一部分則構成生物的機體或在機體內貯存。動、植物死后,殘體中的碳,通過微生物的分解作用也成為二氧化碳而最終排入大氣。大氣中的二氧化碳這樣循環一次約需20年。
一部分（約千分之一）動、植物殘體在被分解之前即被沉積物所掩埋而成為有機沉積物。這些沉積物經過悠長的年代，在熱能和壓力作用下轉變成礦物燃料——煤、石油和天然氣等。當它們在風化過程中或作為燃料燃燒時，其中的碳氧化成為二氧化碳排入大氣。人類消耗大量礦物燃料對碳循環發生重大影響。
2、大氣和海洋之間的二氧化碳交換
二氧化碳可由大氣進入海水，也可由海水進入大氣。這種交換發生在氣和水的界面處，由于風和波浪的作用而加強。這兩個方向流動的二氧化碳量大致相等，大氣中二氧化碳量增多或減少，海洋吸收的二氧化碳量也隨之增多或減少。
土壤中的真菌和異養細菌是上述有機質的主要分解者。進入土壤的有機質分為可溶性及不溶性兩大類。可溶性有機質包括簡單的糖類、有機酸和氨基酸等，其分子量不大，可被大多數微生物直接吸收、代謝。不溶性有機質數量較大，主要為蛋白質、核酸、油脂、淀粉、纖維素、半纖維素、木質素以及幾丁質等。這些物質分別靠土壤中具有相應酶活性的微生物群進行分解。例如，纖維素誘導纖維素分解菌合成纖維酶，分泌至細胞外，將纖維素分解成纖維二糖，然后進一步分解成單糖，單糖像其他可溶性物質一樣，可進入微生物的細胞代謝。難分解的芳香族化合物通過微生物的轉化形成腐殖質，構成土壤有機質主體。腐殖質仍可被微生物分解，不過相當緩慢。微生物分解有機質,一部分碳構成微生物細胞結構,被暫時固定；一部分碳通過呼吸作用變成二氧化碳釋放。待微生物死亡后，有機質又遭分解，釋放出二氧化碳。 |
