碳元素是構(gòu)成生物體各種有機物質(zhì)的主要元素，約占有機物干重的50％。碳素循環(huán)是自然界基本、重要的物質(zhì)循環(huán)，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(huán)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(yīng)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(xiàn)。光合作用是地球上重要的生物化學過程之一，其實質(zhì)是轉(zhuǎn)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(yǎng)菌也可固定c02。
(2)co2的再生 由綠色植物和微生物等自養(yǎng)生物轉(zhuǎn)化c02生成的有機碳，通過食物鏈在生態(tài)系中轉(zhuǎn)移。食物鏈各營養(yǎng)級機體的呼吸作用釋放出co2，機體的排泄物和尸體被異養(yǎng)微生物*氧化為co2并釋放至大氣中，供自養(yǎng)生物利用。自然界的碳素循環(huán)不是獨立進行的，與氧、氫循環(huán)相耦聯(lián)。
有機物分解過程涉及的微生物和發(fā)生的生化反應(yīng)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(yǎng)微生物分解，終代謝產(chǎn)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(fā)酵，有機物的分解幾乎*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(zhì)降解不*，產(chǎn)物主要是有機酸、醇、co2、h2等。產(chǎn)甲烷細菌利用有機物厭氧分解中產(chǎn)生的h2和co2作為底物進行代謝活動，從而使有機物繼續(xù)分解；生成的ch4逸入好氧環(huán)境中，被甲烷氧化菌氧化為co2。
自然界碳循環(huán)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(zhì)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(huán)
綠色植物從空氣中獲得二氧化碳，經(jīng)過光合作用轉(zhuǎn)化為葡萄糖，再綜合成為植物體的碳化合物，經(jīng)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(nèi)的一部分碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳釋放入大氣，另一部分則構(gòu)成生物的機體或在機體內(nèi)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終排入大氣。大氣中的二氧化碳這樣循環(huán)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(jīng)過悠長的年代，在熱能和壓力作用下轉(zhuǎn)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(huán)發(fā)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(fā)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(yǎng)細菌是上述有機質(zhì)的主要分解者。進入土壤的有機質(zhì)分為可溶性及不溶性兩大類?？扇苄杂袡C質(zhì)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(shù)微生物直接吸收、代謝。不溶性有機質(zhì)數(shù)量較大，主要為蛋白質(zhì)、核酸、油脂、淀粉、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素以及幾丁質(zhì)等。這些物質(zhì)分別靠土壤中具有相應(yīng)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(zhì)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(zhuǎn)化形成腐殖質(zhì)，構(gòu)成土壤有機質(zhì)主體。腐殖質(zhì)仍可被微生物分解，不過相當緩慢。微生物分解有機質(zhì),一部分碳構(gòu)成微生物細胞結(jié)構(gòu),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(zhì)又遭分解，釋放出二氧化碳。