第十章微生物與元素地球化學(xué)循環(huán)

1、第十章 微生物與元素地球化學(xué)循環(huán)內(nèi)容提要：本章介紹各種元素的地球生物化學(xué)循環(huán)。由微生物推動的碳素的地球生物化學(xué)循環(huán)中，二氧化碳和水由植物和光合微生物、藻類等固定為有機(jī)碳化合物，異養(yǎng)型微生物又將各種有機(jī)物進(jìn)行分解和轉(zhuǎn)化。 在生物物質(zhì)的釋放中，微生物所分解的物質(zhì)種群、數(shù)量和程度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他生物。它們是自然界物質(zhì)生物循環(huán)的主要推動者。淀粉、纖維素、半纖維素、果膠、木質(zhì)素等的分解轉(zhuǎn)化都有賴于微生物的生命活動。氮素的 地球生物化學(xué)循環(huán)由有機(jī)氮的氨化作用、氨的硝化作用（包括氨的厭氧氧化）和硝酸鹽、亞硝酸鹽的反硝化作用和大氣氮的生物固定作用組成。氨化作用由各種不同的方式。硝化作用可分為亞硝化作用和硝化作用

2、兩個過程，相應(yīng)的參與的微生物也有亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌。反硝化作用可分為同化型反硝化作用和異化型反硝化作用。生物固氮是植物所需氮素的重要來源，可分為自生固氮、共生固氮、聯(lián)合固氮等不同方式，其中根瘤菌和豆科植物的共生固氮是最重要的形式，不管何種形式，固氮的生物化學(xué)過程都是相同的。硫、磷、鉀和其它元素的地球生物化學(xué)循環(huán)都有著各自的特點(diǎn)。 碳、氫、氧、氮、硫、磷、鐵、錳、鉀、鈣等，都是組成生物體的必需化學(xué)元素。生物只有不斷地從環(huán)境中獲取這些元素才能生長、發(fā)育和繁殖。但地球上這些元素特別是能被有效利用的部分的貯存量終究是有限的，而生命的延續(xù)和發(fā)展卻是無盡的。這些元素的供求矛盾只有在物質(zhì)的不斷循環(huán)中才能得

3、以解決。物質(zhì)生物地球化學(xué)循環(huán)，即生物所推動的物質(zhì)循環(huán)，為有限的營養(yǎng)元素的循環(huán)使用創(chuàng)造了極其重要的條件。 物質(zhì)生物循環(huán)可以歸結(jié)為化學(xué)元素的生物固定（吸收至生物體內(nèi)，用于組成各種細(xì)胞物質(zhì)）和生物釋放（生物體分解，釋放各種細(xì)胞組分，其中的有機(jī)物質(zhì)最終轉(zhuǎn)化為無機(jī)物質(zhì)）這兩個相互對立的轉(zhuǎn)化過程。碳素是有機(jī)物質(zhì)的骨架，在物質(zhì)生物循環(huán)中起著十分獨(dú)特的核心作用。在自然界，化學(xué)元素的生物固定是從碳素開始的。綠色植物和無機(jī)營養(yǎng)型微生物（包括藻類和少數(shù)細(xì)菌）利用光能或化學(xué)能將二氧化碳和水還原為碳水化合物（含碳、氫、氧三種元素），不僅實現(xiàn)了無機(jī)態(tài)碳至有機(jī)態(tài)碳的轉(zhuǎn)化，也實現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化和貯存。碳水化合物可在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)一步

4、轉(zhuǎn)化并結(jié)合氮、磷、硫等其他元素，合成生物體的各種有機(jī)組分，并逐步積累能量。與此同時，植物和有機(jī)營養(yǎng)型微生物也進(jìn)行著分解作用，使有機(jī)物質(zhì)重新轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和各種無機(jī)物質(zhì)，并釋放其貯存的能量。由于這些生物的合成作用大大超過分解作用，其生命活動的凈結(jié)果是在自然界中積累生物物質(zhì)，即生物固定了各種化學(xué)元素。動物和有機(jī)營養(yǎng)型微生物則以植物和微生物為食，從中獲得生活所需的能量和組成機(jī)體的物質(zhì)成分。其生命活動的凈結(jié)果是導(dǎo)致積累于自然界中的生物物質(zhì)的分解和消失，即生物釋放各種化學(xué)元素。在生物物質(zhì)的釋放中，微生物所分解的物質(zhì)種群、數(shù)量和程度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他生物。它們是自然界物質(zhì)生物循環(huán)的主要推動者。 微生物在元

5、素的生物地球化學(xué)循環(huán)中主要推動著有機(jī)物的分解過程，無機(jī)離子的生物同化過程即生物固定過程，無機(jī)離子和化合物的氧化過程和各種氧化態(tài)元素的還原過程。 實際上各種元素的生物地球化學(xué)循環(huán)都不是獨(dú)立的，而是相互伴隨、交織和影響的，構(gòu)成各種復(fù)雜關(guān)系。 第一節(jié) 微生物與含碳化合物的分解微生物在碳素，確切地說是碳、氫、氧三種元素組成的有機(jī)物轉(zhuǎn)化中的作用（見圖 10-1 ）。 圖 10-1 自然界的碳素循環(huán)一、淀粉的分解 淀粉主要來自植物，它是植物的重要貯藏物質(zhì)。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，淀粉是由葡萄糖通過糖苷鍵聚合而成的大分子，可細(xì)分為直鏈淀粉和支鏈淀粉。在直鏈淀粉中，葡萄糖單元彼此以 -1 ， 4- 糖苷鍵連接。支鏈淀

6、粉帶有分支，其中的葡萄糖單元除了以 -1 ， 4- 糖苷鍵結(jié)合外，在直鏈與支鏈的交接處以 -1 ， 6- 糖苷鍵連接。在自然界，直鏈淀粉約占 10%20% ，支鏈淀粉約占 80%90% 。淀粉是易被微生物利用的有機(jī)物質(zhì)。 能夠利用淀粉的微生物種類很多。細(xì)菌中的枯草桿菌，真菌中的曲霉、根霉和毛霉都是很強(qiáng)的淀粉分解菌。放線菌中的小單孢菌、諾卡氏菌和鏈霉菌也能分解淀粉，但能力相對較弱。微生物分解淀粉的方式是：先分泌胞外淀粉酶，將淀粉水解成雙糖和單糖，然后再攝入體內(nèi)利用。淀粉不能直接透過細(xì)胞膜，如沒有淀粉酶，微生物就不能利用淀粉。 淀粉酶是一類水解淀粉糖苷鍵的酶，有如下 4 種： (1) 、 - 淀粉

7、酶 此酶是一種內(nèi)切酶，能夠水解淀粉分子內(nèi)部的 -1 ， 4- 糖苷鍵，但不能對 -1 ， 6- 糖苷鍵以及靠近 -1 ， 6- 糖苷鍵的 -1 ， 4- 糖苷鍵產(chǎn)生作用。它的水解產(chǎn)物是麥芽糖，以及含多個葡萄糖單元的直鏈寡糖和支鏈寡糖。由于這些產(chǎn)物的構(gòu)型均為 - 構(gòu)型，故稱為 - 淀粉酶。經(jīng)過該酶的作用，淀粉液的粘度下降，因而又稱為液化性淀粉酶。 (2) 、 - 淀粉酶 此酶是一種外切酶，能夠從淀粉分子的非還原性末端開始，以雙糖為單位，逐步水解 -1 ， 4- 糖苷鍵，生成麥芽糖。但不能作用于淀粉分子中的 -1 ， 6- 糖苷鍵，也不能越過 -1 ， 6- 糖苷鍵去水解 -1 ， 4- 糖苷鍵。

8、在水解過程中，遇到 -1 ， 6- 糖苷鍵即停止作用。它的水解產(chǎn)物是麥芽糖和極限糊精。由于該酶的作用部位是 - 位的糖苷鍵，故稱為 - 淀粉酶。 (3) 、糖化淀粉酶 這種酶能夠從淀粉的非還原性末端開始，以葡萄糖為單位，依次水解 -1 ， 4- 糖苷鍵，生成葡萄糖。雖然不能作用于淀粉中的 -1 ， 6- 糖苷鍵，卻能越過 -1 ， 6- 糖苷鍵去水解 -1 ， 4- 糖苷鍵。該酶的作用產(chǎn)物有兩種：如果被作用的底物是直鏈淀粉，則產(chǎn)物為葡萄糖（該酶由此得名）；如果被水解的底物是支鏈淀粉，其產(chǎn)物是葡萄糖和帶有 -1 ， 6- 糖苷鍵的支鏈寡糖。 (4) 、淀粉酶 此酶作用于支鏈淀粉中直鏈和支鏈交接處

9、的 -1 ， 6- 糖苷鍵，故能水解淀粉經(jīng) - 淀粉酶和 - 淀粉酶作用后留下的糊精。由于支水解 -1 ， 6- 糖苷鍵，異淀粉酶自身的作用產(chǎn)物也是糊精。兩者的差別在于所含的糖苷鍵不同。 淀粉分解菌（糖化菌）在食品發(fā)酵上有著廣泛的應(yīng)用。例如，在白酒生產(chǎn)中，常用淀粉（如番薯干、大米等）作原料，總是先用糖化菌（如曲霉、毛霉、根霉）將淀粉水解，然后再加酵母菌進(jìn)行酒精發(fā)酵。如果沒有糖化菌的水解作用，酵母菌就不能進(jìn)行酒精發(fā)酵，因為后者不能直接利用淀粉。 二、己糖的分解 各種多糖均可水解轉(zhuǎn)化為單糖和雙糖，并被微生物進(jìn)一步分解。 （一）己糖的需氧分解 1 、己糖的完全氧化 大多數(shù)好氧微生物通過呼吸可將有機(jī)營

10、養(yǎng)物質(zhì)氧化為 CO 2 和水。由于 CO 2 分子中的碳處于最高氧化狀態(tài)，這類代謝被稱為“完全氧化”。與之相應(yīng)，也有“不完全氧化”。在不完全氧化過程中，部分有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)被氧化為 CO 2 和水，還有部分被轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物而分泌至體外。在完全氧化中，除部分基質(zhì)被轉(zhuǎn)化成細(xì)胞物質(zhì)外，沒有有機(jī)產(chǎn)物的分泌。條件適宜時，每利用 100 份己糖，好氧微生物約消耗 80 份用于提供能量，并以 CO 2 的形式釋放其中的碳素，其余 20 份用于合成細(xì)胞組分。 2 、己糖的有氧發(fā)酵 由于種種原因，如酶系統(tǒng)不完整、養(yǎng)分不平衡或供氧不足等，有些好氧微生物在代謝己糖的過程中，可進(jìn)行不完全氧化，將某個中間產(chǎn)物積累并分泌至體外。

11、由于不完全氧化的產(chǎn)物如乙酸、檸檬酸、葡萄糖酸、乳酸等類似于發(fā)酵作用產(chǎn)生的有機(jī)酸如丙酸、丁酸、乳酸等，而且在工業(yè)生產(chǎn)中，兩者所用的技術(shù)和裝置也相似，因此這類微生物學(xué)過程也稱為發(fā)酵。但它有別于微生物生理學(xué)和生物化學(xué)意義上的“發(fā)酵”，這是在有氧條件下進(jìn)行的，而不是在無氧條件下進(jìn)行的。醋酸發(fā)酵和檸檬酸發(fā)酵是兩種具有重要經(jīng)濟(jì)價值的有氧發(fā)酵。 （ 1 ）醋酸發(fā)酵和廣義醋酸發(fā)酵 醋酸發(fā)酵是將糖或醇類轉(zhuǎn)化為醋酸（乙酸）的微生物學(xué)過程。假如把酒精含量低的黃酒和葡萄酒等飲料酒敞口放在溫暖的空氣中，幾天后就能出現(xiàn)酒變酸、液面長膜等明顯的醋酸發(fā)酵特征。其生物化學(xué)反應(yīng)為： 醋酸發(fā)酵是工業(yè)化生產(chǎn)食用醋和冰醋酸的重要基礎(chǔ)。

12、其他帶有醇基和醛基的有機(jī)物，也常發(fā)生類似的這種生物氧化作用，其差別在于其他醇、醛被氧化時所積累的中間產(chǎn)物是相應(yīng)的有機(jī)酸。例如，某些乙酸細(xì)菌能夠使葡萄糖氧化成葡萄糖酸，造成水果酸敗。這類與醋酸發(fā)酵相似的生物氧化作用，稱為廣義醋酸發(fā)酵。 乙酸細(xì)菌天然棲息于植物體表面，只要存在含糖物質(zhì)，就能發(fā)現(xiàn)與酵母菌一起生長的乙酸細(xì)菌。乙酸細(xì)菌能夠使糖或醇進(jìn)行“不完全氧化”而形成有機(jī)酸，并將其作為終產(chǎn)物而分泌至體外。據(jù)此，可把乙酸細(xì)菌分為僅暫時積累乙酸的完全氧化菌（ peroxidans ）和不能進(jìn)一步代謝的乙酸的不完全氧化菌（ suboxidans ）兩種類群。能夠進(jìn)行醋酸發(fā)酵和廣義醋酸發(fā)酵的細(xì)菌分別歸入醋酸桿

13、菌屬（ Acetobacter ）和葡萄糖桿菌屬（ Gluconobacter ）。前者是完全氧化菌，后者是不完全氧化菌。醋酸桿菌屬的典型種是紋膜醋酸菌（ Acetobacter aceti ，圖 10-2 ）。該菌是橢圓形的短桿菌，革蘭是染色反映陰性，端生鞭毛，不生芽孢，好氧性，在液面上繁殖形成菌膜，此時菌體呈長鏈狀。 圖 10-2 紋膜醋酸菌（ Acetobacter aceti ） （ 2 ）檸檬酸發(fā)酵 檸檬酸發(fā)酵是指在有氧條件下，己糖轉(zhuǎn)化為檸檬酸并積累于環(huán)境中的微生物學(xué)過程。通常，檸檬酸僅僅是己糖好氧分解的中間產(chǎn)物，邊產(chǎn)生邊轉(zhuǎn)化，不會在環(huán)境中積累。然而，有些霉菌卻能在好氧代謝己糖時，在

14、環(huán)境中積累檸檬酸。己糖轉(zhuǎn)化為檸檬酸的生化反應(yīng)為： 檸檬酸發(fā)酵中常常伴有草酸的形成。草酸是檸檬酸繼續(xù)氧化的產(chǎn)物。 環(huán)境的 pH 值對上述反應(yīng)具有調(diào)節(jié)作用。當(dāng) pH 較低時，發(fā)酵的產(chǎn)物以檸檬酸為主。 pH 值升高后，則以草酸為主。此外也受溫度的影響。溫度偏高，檸檬酸產(chǎn)量降低，草酸產(chǎn)量增加。 能夠進(jìn)行檸檬酸發(fā)酵的微生物有曲霉屬（ Aspergillus ）、青霉屬（ Penicillium ）、及桔霉屬（ Citromyces ）的某些種，其中以黑曲霉（ Aspergillus niger ）的產(chǎn)酸能力最強(qiáng)，是目前常用的檸檬酸發(fā)酵菌。 （二）、己糖的厭氧分解 在無氧條件下，厭氧微生物和兼性厭氧微生物

15、可對己糖進(jìn)行多種發(fā)酵作用。 1 、酒精發(fā)酵 在無氧條件下酵母菌將己糖轉(zhuǎn)化為酒精的過程，稱為酒精發(fā)酵。發(fā)酵過程的微生物學(xué)原理詳見第十四章 微生物與人類可持續(xù)發(fā)展。 酒精發(fā)酵在工業(yè)上的應(yīng)用可分為三類： 釀制飲料酒，原料為水果或漿果，菌種為果實表面附生的天然酵母。葡萄酒、蘋果酒和獼猴桃酒等的生產(chǎn)均屬此類。 釀制食用酒，原料為淀粉質(zhì)糧食，菌種是生產(chǎn)菌種。釀成的酒既可直接飲用如黃酒，也可蒸餾成烈性酒。 制造工業(yè)酒精，原料為糧食，菌種是生產(chǎn)菌種。其生產(chǎn)工序與 相同，但不重視風(fēng)味。 2 、乳酸發(fā)酵 在無氧條件下乳酸細(xì)菌將己糖轉(zhuǎn)化成乳酸的過程，稱為乳酸發(fā)酵，可分為正型和異型乳酸發(fā)酵。正型乳酸 發(fā)酵（ homo

16、lactic fermentation ）過程是：葡萄糖經(jīng) EMP 途徑生成丙酮酸，丙酮酸在乳酸脫氫酶的作用下，丙酮酸作為受氫體被還原為乳酸，從而再生 NAD + ，因只有 2 分子乳酸為唯一終產(chǎn)物，故稱同型乳酸發(fā)酵。德氏乳桿菌（ Lactobacillus delbruckii ），嗜酸乳桿菌（ L. acidophilus ），干酪乳桿菌（ L.casei ），植物乳桿菌（ L.plantarum ）等均進(jìn)行同型乳酸發(fā)酵。 正型乳酸發(fā)酵的生化發(fā)應(yīng)為： 異型乳酸發(fā)酵 （ heterolactic fermentation ）以葡萄糖為底物發(fā)酵后除乳酸外還產(chǎn)生乙醇、乙酸和 CO 2 等多種代謝

17、產(chǎn)物的，稱為異型乳酸發(fā)酵。 一些行異型 乳酸 發(fā)酵的乳酸桿菌，因缺乏 EMP 途徑中的若干重要酶 醛縮酶和異構(gòu)酶 ， 其葡萄糖的降解完全以 HMP 途徑為基礎(chǔ)，進(jìn)而行 異型乳酸發(fā)酵。常見的有 腸膜明串珠菌 （ Leuconostoc mesenteroides ） 、乳脂乳桿菌 （ Lactobacillus cremoris ） 、短乳桿菌 （ L.brevis ） 、發(fā)酵乳桿菌 （ L.fermentum ） 和兩歧雙歧桿菌 （ Bifidobacterium bifidum ） 等 。 不同的微生物進(jìn)行的異型乳酸發(fā)酵，其中某些菌其發(fā)酵途徑和產(chǎn)物還有所不同。例如，腸膜明串珠菌（ Leuco

18、nostoc mesenteroides ）以葡萄糖為底物的發(fā)酵產(chǎn)物為乳酸、乙醇和 CO 2 ，并產(chǎn)生 1 分子 ATP 和 1 分子 H 2 O 。 乳酸發(fā)酵在農(nóng)產(chǎn)品加工中有著廣泛的應(yīng)用。例如，利用德氏乳酸桿菌（ Lactobacillus delbruckii ）或嗜酸乳酸桿菌，可將鮮牛乃加工成酸奶，不僅能夠降低鮮奶的含糖量，增加多種氨基酸和維生素，而且還能延長牛奶的保存期，不致腐敗。又如，乳酸發(fā)酵可應(yīng)用于腌制泡菜，將新鮮易爛的蔬菜加工成可長時間保存的腌制菜。泡菜的加工原理是：乳酸細(xì)菌只能利用單糖和雙糖，不能分解蔬菜中的復(fù)雜有機(jī)物，因此其本身不會引起蔬菜腐爛。乳酸細(xì)菌具有乳酸發(fā)酵能力，附生

19、在菜葉表面的乳酸細(xì)菌可將新鮮蔬菜葉中的可溶性糖分轉(zhuǎn)化成乳酸，通過乳酸對環(huán)境的酸化，抑制其他腐敗微生物的生長，起到抗腐爛的作用。乳酸發(fā)酵也常用于青貯飼料的生產(chǎn)。 3 、丁酸發(fā)酵 丁酸發(fā)酵是丁酸發(fā)酵菌在嚴(yán)格厭氧條件下，將己糖轉(zhuǎn)化為丁酸、乙酸、二氧化碳和氫的過程。其生化反應(yīng)為： 丁酸梭菌 2C 6 H 12 O 6-2CH 3 CH 2CH 2COOH CH 3COOH 2CO 2 2H 2丁酸梭狀芽孢桿菌（ Clostridium butyricum ，圖 10-4 ）是丁酸發(fā)酵菌的代表。梭狀芽孢桿菌屬細(xì)菌革蘭氏染色反應(yīng)陽性。有鞭毛，能運(yùn)動。嚴(yán)格厭氧，細(xì)胞較大，寬 0.71.5 m m ，長度不一

20、，通常為 510 m m ，生芽孢，芽孢橢圓形或圓柱形，位于細(xì)胞的一端或中央，因其直徑大于菌體的寬度而使菌體呈梭形或鼓槌形。細(xì)胞內(nèi)含有淀粉粒，用碘處理呈深藍(lán)色，適宜生長的溫度為 3040 o C ，能利用不同的氮化物做氮源，少數(shù)能固定分子態(tài)氮。 圖 10-3 乳鏈球菌（Streptococcus lactis）圖 10-4 丁酸梭狀芽孢桿菌（Clostridium butyricum）除丁酸梭菌外，該屬細(xì)菌的其他種也能產(chǎn)生丁酸，但產(chǎn)物略有不同。如丙酮丁醇梭菌 （ C.acetobutylicum ）的發(fā)酵產(chǎn)物有二氧化碳、氫、乙醇、丁醇、乙酰甲基甲醇、乙酸、丁酸和丙酮等。丁醇梭菌（ C. but

21、ylicum ）的發(fā)酵產(chǎn)物則有二氧化碳、氫、異丙醇、丁醇、乙酸、丁酸等。 在自然界中，丁酸發(fā)酵菌的分布很廣。土壤、堆肥、廄肥以及污水中都有為數(shù)不少的丁酸發(fā)酵菌存在。丁酸發(fā)酵菌的大量繁殖常會引起食品和飼料的腐爛。但是，丁酸發(fā)酵菌不耐酸，只要控制條件使乳酸發(fā)酵先進(jìn)行，就可用乳酸來抑制丁酸發(fā)酵菌的發(fā)育，從而達(dá)到長期防腐。 三、 纖維素的分解 纖維素是植物細(xì)胞壁的主要成分，約占植物總重量的一半，是自然界最豐富的有機(jī)化合物。與淀粉一樣，纖維素也由葡萄糖單元聚合而成。兩者的區(qū)別在于淀粉以 - 糖苷鍵連接，而纖維素則以 - 糖苷鍵連接。此外，纖維素分子比淀粉大，更難溶于水。 （一）、纖維素的微生物分解過程

22、纖維素不能直接透過細(xì)胞質(zhì)膜，只有在微生物合成的纖維素酶作用下，水解成單糖后，才能被吸收至細(xì)胞內(nèi)利用。纖維素酶有細(xì)胞表面酶和胞外酶兩種。細(xì)菌纖維素酶一般為細(xì)胞表面酶，位于細(xì)胞膜上，分解纖維素時，細(xì)菌必須附著在纖維素表面。真菌和放線菌的纖維素酶為胞外酶，它們可以在胞外環(huán)境中起作用，菌體無需直接與纖維素表面接觸。根據(jù)對真菌的研究，纖維素酶是多種作用于纖維素的酶的總稱，它包括如下三種酶： 、 C 1 酶（內(nèi) - - 葡聚糖酶） 此酶主要水解纖維素分子內(nèi)的 - 糖苷鍵，產(chǎn)生帶有自由末端的長鏈片段。一種微生物能分泌一種以上的 C 1 同功酶。 、 C X 酶（外 - - 葡聚糖酶） 此酶作用于纖維素分子的

23、末端，產(chǎn)生纖維二糖。與 C 1 酶一樣，一種微生物也能分泌出多種結(jié)構(gòu)不同而功能相同的 C X 酶。 、 - 葡萄糖苷酶 此酶能將纖維二糖、纖維三糖及低分子量的寡糖水解成葡萄糖。 纖維酶對纖維素的水解過程可表示為： （二）、分解纖維素的微生物 能夠分解纖維素的微生物很多。既有好氧性微生物，也有厭氧性微生物；既有細(xì)菌，也有放線菌和真菌。 1 、好氧性纖維素分解微生物 （ 1 ）好氧性纖維素分解細(xì)菌 食纖維菌屬（ Cytophata ）和生孢食纖維菌屬（ Sporocytophata ）是土壤中常見的好氧性纖維素分解細(xì)菌。在濾紙上生長時，濾紙表面會出現(xiàn)淡黃色或其他顏色的菌落，并有粘液。肉眼可見，在長

24、有菌落之處濾紙已溶解變薄。用光學(xué)顯微鏡檢查則可發(fā)現(xiàn)，在各個發(fā)育階段菌落中的細(xì)菌呈現(xiàn)不同的形態(tài)。幼齡時，細(xì)胞彎曲，兩頭尖銳；以后逐漸縮短變粗，細(xì)胞呈弧形彎曲，類似食纖維菌。有的細(xì)菌還能形成小孢囊，并產(chǎn)生不耐熱的孢子，類似生孢食纖維菌（圖 10-5 ）。 好氧纖維素分解細(xì)菌還有多囊菌屬（ Polyangium ）、鐮狀纖維菌屬（ Cellfacicula ）與纖維弧菌屬（ Cellvibrio ）。多囊菌屬的細(xì)菌呈桿狀，常由幾個至幾百個孢囊堆積成子實體，在濾紙上，能產(chǎn)生各種不同的顏色，具有很強(qiáng)的纖維素分解能力。鐮狀纖維菌屬細(xì)菌革蘭氏染色反應(yīng)陰性。短桿菌，微彎曲，兩端尖銳，端生鞭毛，在纖維素硅酸鹽培

25、養(yǎng)基上產(chǎn)生綠色、淡黃色或淡褐色粘液。纖維弧菌屬的細(xì)菌革蘭是染色反應(yīng)陰性，小桿狀，兩端圓形，單生鞭毛，大部分種能在纖維素上產(chǎn)生黃色或褐色色素。 圖 10-5 食纖維菌（ Cytophata ）和生孢食纖維菌（ Sporocytophata ） （ 2 ）分解纖維素的放線菌 許多放線菌能夠分解纖維素。土壤放線菌有 2.0%4.4% 能分解纖維素，其中包括白色鏈霉菌（ Streptomyces albus ）、灰色鏈霉菌（ Streptomyces griseus ）、紅色鏈霉菌（ Streptomyces ruber ）等。放線菌的纖維素分解能力較弱，不及細(xì)菌和真菌。 （ 3 ）分解纖維素的真菌

26、許多真菌具有很強(qiáng)的纖維素分解能力。其中主要有木霉、鐮刀霉、青霉、曲霉、毛霉、葡萄孢霉（ Botrytis ）等屬的一些種。在森林的枯枝落葉中，占優(yōu)勢的纖維素分解菌是擔(dān)子菌。在潮濕土壤中，真菌也是纖維素分解的優(yōu)勢菌群。 （二）厭氧性纖維素分解微生物 厭氧性纖維素分解微生物主要是芽孢梭菌屬的一些種，如奧氏梭菌（ C.omeilianskii ），它是中溫性細(xì)菌，適宜的生長溫度為 33 o C37 o C ；另外還有一些與奧氏梭菌區(qū)別很小的嗜熱性種，如熱纖梭菌（ C. thermocellum ）、溶解梭菌（ C. dissolvens ）等。熱纖梭菌可以直接分解纖維素為乙醇，萊姆德（ Lamed

27、）等發(fā)現(xiàn)在熱纖梭菌表面存在著分散而不連續(xù)的細(xì)胞表面細(xì)胞器纖維素體，其中含有一種高分子量、連接纖維素的多個纖維素酶的蛋白質(zhì)復(fù)合體，具有纖維素水解活性。細(xì)菌細(xì)胞首先通過這種纖維素體強(qiáng)烈粘附在纖維素上。在其他分解纖維素的厭氧微生物細(xì)胞表面也觀察到不同的結(jié)構(gòu)附屬物，這些結(jié)構(gòu)與細(xì)菌和纖維素之間的粘附，連接甚至水解有著某種直接或間接的關(guān)聯(lián)。 （三）纖維素分解微生物的生活條件 各種好氧性纖維素分解細(xì)菌對纖維素有不同程度的專一性。食纖維菌和生孢食纖維菌對纖維素的專一性較強(qiáng)，只能利用纖維素及其水解產(chǎn)物（纖維二糖）作為碳源和能源。多囊菌和纖維弧菌等對纖維素的專一性較弱，不僅能利用纖維素及其水解產(chǎn)物，而且也能利用各

28、種單糖、雙糖和淀粉等作為碳源和能源。好氧性纖維素分解細(xì)菌能利用硝酸鹽、氨鹽、天冬酰胺及蛋白胨等，其中以硝酸鹽最佳，但對氮源的要求不嚴(yán)。在 10 o C15 o C 的條件下，好氧性纖維素分解細(xì)菌即可良好生長，最適溫度為 22 o C30 o C ，最適 pH 值為 77.5 。 厭氧性纖維素分解細(xì)菌對碳源也有不同程度的專一性，且只能利用復(fù)雜的含氮有機(jī)物作為氮源。后一現(xiàn)象可能與其生長需要某些維生素有關(guān)。厭氧性纖維素分解細(xì)菌有嗜熱性和中溫性厭氧纖維素分解細(xì)菌兩類。適宜在中性至堿性的環(huán)境中生活，對堿性條件的適應(yīng)能力較強(qiáng)。 不同土壤中的纖維素分解強(qiáng)度有明顯差異。不同土壤特別是土壤有機(jī)質(zhì)對纖維分解菌進(jìn)行

29、長期選擇以及微生物對土壤條件定向適應(yīng)，土壤纖維分解菌的種類和數(shù)量具有相對穩(wěn)定性。因此，可用來指示土壤有機(jī)質(zhì)的含量及其分解強(qiáng)度和土壤熟化程度。 四、半纖維素的分解 在植物體內(nèi)，半纖維素的含量僅次于纖維素。一年生作物中，半纖維素約占 25%40% 。木材中，約占 25%35% 。半纖維素是由各種五碳糖、六碳糖及糖醛酸組成的大分子聚合物。結(jié)構(gòu)上可分為僅含一種單糖如木聚糖、半乳聚糖、甘露聚糖等的同聚糖和有多種單糖或糖醛酸同時存在的異聚糖兩類。但實際上許多半纖維素的結(jié)構(gòu)至今尚未探明。 分解半纖維素的微生物較多，分解速度也比纖維素快。細(xì)菌、放線菌和真菌均有分解半纖維素的種。芽孢桿菌屬的一些種能夠分解甘露聚

30、糖、半乳聚糖和木聚糖，鏈孢霉屬的一些種能夠利用甘露聚糖、木聚糖；木霉、鐮孢霉、曲霉、青霉、交鏈孢霉等屬的一些種可分解阿拉伯木聚糖和阿拉伯膠等。 半纖維素也不能直接透過細(xì)胞質(zhì)膜，只有在胞外酶（聚糖酶）將其水解為單糖以后，才能被進(jìn)一步利用。聚糖酶既有結(jié)構(gòu)酶，也有誘導(dǎo)酶。可把半纖維素酶歸納為三種類型： 內(nèi)切酶，它能任意切割半纖維素基本結(jié)構(gòu)單元之間的聯(lián)結(jié)鍵，將大分子破碎成不同大小的片段。 外切酶，它能從半纖維素的一端開始，依次切下一個單糖或二糖，經(jīng)內(nèi)切酶水解后，半纖維素可出現(xiàn)很多末端，有利于外切酶的進(jìn)一步作用。 糖苷酶，它的作用是水解寡糖或二糖，產(chǎn)生單糖或糖醛酸。糖苷酶對底物有一定的專一性，并常以其底

31、物命名。一種微生物可以含有多種不同的半纖維素酶，因此可以分解多種半纖維素。 五、果膠質(zhì)的分解 果膠質(zhì)是植物毗鄰細(xì)胞之間的胞間層組分，占植物體干重的 15%30% 。果膠質(zhì)由 D- 半乳糖醛酸通過 -1 ， 4- 糖苷鍵連接的直鏈構(gòu)成。鏈上的羧基可部分或全部被甲醇酯化，也可部分或全部與陽離子結(jié)合。不含甲基酯的果膠質(zhì)稱為果膠酸，含甲基酯的果膠質(zhì)稱果膠酯，后者可進(jìn)一步與鈣離子結(jié)合成不溶于水的原果膠。植物體內(nèi)的原果膠常與多縮戊糖結(jié)合。 1 、果膠質(zhì)的分解過程 微生物對果膠質(zhì)的分解需借助其分泌的果膠質(zhì)酶。果膠質(zhì)酶主要有三類，即果膠質(zhì)酯酶，果膠質(zhì)水解酶和果膠質(zhì)裂解酶。 果膠質(zhì)酯酶 這類酶的作用是水解甲基酯

32、鍵，使果膠酯轉(zhuǎn)化為果膠酸和甲醇。即： 這一反應(yīng)雖不能使果膠質(zhì)徹底分解，但為隨后的分解創(chuàng)造了條件。 果膠質(zhì)水解酶 這類酶能水解 -1 ， 4- 糖苷鍵，可分為兩種： 如果水解果膠酯的速度比果膠酸快，則稱為聚甲基酯半乳糖醛酶。 如果水解果膠酸的速度比水解果膠酯快，則稱為聚半乳糖醛酸酶。水解果膠酯的產(chǎn)物是 D- 甲基酯半乳糖醛單元及其寡聚體，水解果膠酸的產(chǎn)物則是 D- 半乳糖醛酸單元及其寡聚體。 （ 3 ）果膠質(zhì)裂解酶 這類酶將果膠質(zhì)裂解為變態(tài)的半乳糖醛酸單元，也可分為兩種： 分解果膠酯比果膠酸快的稱為果膠酯裂解酶。 分解果膠酸比果膠酯快的稱為果膠酸裂解酶。 果膠質(zhì)酶的最終產(chǎn)物是果膠質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元及其

33、寡聚體，具體決定于微生物種類。 2 、分解果膠質(zhì)的微生物 細(xì)菌、放線菌、真菌中都有分解果膠質(zhì)的種群。細(xì)菌中，好氧性細(xì)菌以芽孢桿菌居多，如枯草桿菌，多粘芽孢桿菌（ Bacillus polymyxa ），浸軟芽孢桿菌 ( Bacillus carotovora ) 。厭氧性細(xì)菌主要有蝕果膠梭菌 ( Clostridium pectinovorum ) 和費(fèi)氏梭菌（ Clostridium felsinneum ）。前一種梭菌是大桿菌，芽孢端生，菌體呈鼓槌狀，菌落無色。后一種梭菌較小，芽孢近端生，使菌體呈梭狀，菌落黃色或橙黃色。分解果膠質(zhì)的真菌有青霉、曲霉、木霉、枝孢霉（ Cladosprium

34、）、根霉、毛霉等屬的一些種。在草堆和林地落葉層中，?；钴S著一些放線菌，分解其中的果膠質(zhì)。在麻類植物中，纖維通過果膠質(zhì)與其他組織結(jié)合存在于莖桿的韌皮部內(nèi)。果膠質(zhì)的微生物分解實質(zhì)上就是利用果膠質(zhì)分解微生物去除其中的原果膠質(zhì)和薄壁細(xì)胞而獲得麻纖維的過程。我國民間采用的堆積脫膠法、糞堆堆積法、水池浸泡法、保溫加營養(yǎng)法等許多脫膠制麻方法，都是基于微生物分解果膠質(zhì)的原理進(jìn)行的。 六、木質(zhì)素及其他芳香族化合物的分解 1 、木質(zhì)素的分解 木質(zhì)素是植物體的重要組分，含量僅次于纖維素和半纖維素。一般占植物干重的 15%20% ，木材的木質(zhì)素含量可高達(dá) 30% 左右。在植物細(xì)胞壁中，木質(zhì)素與纖維素緊密結(jié)合，其含量對

35、纖維素的生物分解有很大影響。木質(zhì)素含量達(dá) 20%30% 時，纖維素的分解速度明顯減慢，至 40% 時，由于木質(zhì)素屏蔽了纖維素，使微生物不能直接與其接觸，而難于被分解。 木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，至今尚未完全清楚。紫外光譜分析證明，木質(zhì)素是芳香族化合物的多聚體，其基本結(jié)構(gòu)單元是苯丙烷（ C6-C8 ）型的結(jié)構(gòu)，以醚鍵（ -C-O-C- ）和（ C-C ）鍵結(jié)合成大分子聚合物，分子量可達(dá) 1 萬至幾萬 Da 。 木質(zhì)素的分解速度相當(dāng)緩慢。研究表明，將玉米秸桿施入土壤后，其中的可溶性有機(jī)質(zhì)、纖維素和半纖維素可被逐漸分解， 6 個月后總干重下降 2/3 ，但木質(zhì)素僅下降 1/3 。木質(zhì)素的分解在 01

36、50 天內(nèi)，木質(zhì)素不斷減少，而 150300 天期間，木質(zhì)素減少有限，但其中的甲氧基（ -OCH 3 ）數(shù)量明顯下降，羥基（ -OH ）數(shù)量直線上升。這表明在分解后期，雖然木質(zhì)素在量上變化不大，但其分子結(jié)構(gòu)仍在改變。在厭氧條件下，木質(zhì)素的分解速度更慢，然而其甲氧基（ -OCH 3 ）的消失卻更快。 擔(dān)子菌是分解木質(zhì)素能力最強(qiáng)的微生物類群，其中多孔菌（ Polyporus abietinus ）和多孔菌（ Polyporus subacoda ）能以木質(zhì)素作為唯一碳源。在森林的枯枝敗葉中，擔(dān)子菌是木質(zhì)素的主要分解者（表 10-1 ）。腐蝕木材時，擔(dān)子菌不僅分解木質(zhì)素，也同時分解纖維素和半纖維素等

37、物質(zhì)?？煞譃楹指桶赘瘍煞N類型。褐腐是指這類真菌主要降解木材中的纖維素和半纖維素組分，較少侵蝕木質(zhì)素而使殘留物呈褐色的腐爛。相反，白腐則是指擔(dān)子菌主要侵蝕木材中的木質(zhì)素，較少降解纖維素而使殘留物呈白色的腐爛。 表 10-1 真菌對膠皮糖香樹木質(zhì)素的分解 除擔(dān)子菌外，某些其他真菌也能分解木質(zhì)素，如乳酸鐮刀菌（ Fusarium lactis ）、雪腐鐮刀菌（ Fusarium nirale ）、木素木霉（ Trichoderma ligorum ），以及交鏈孢霉、曲霉、青霉中的一些種。 毫無疑問，木質(zhì)素不僅能被真菌降解，也能被細(xì)菌降解。活躍的好氧性木質(zhì)素分解細(xì)菌有假單胞菌屬、節(jié)桿菌屬 ( Art

38、hrobacter ) 、小球菌屬 ( Micrococcus ) 以及黃單胞菌屬 ( Xanthomonas ) 中的一些菌株。 木質(zhì)素分解的生化途徑尚不清楚。用純木質(zhì)素作基質(zhì)時，培養(yǎng)液中可檢出多種簡單的芳香族化合物，常見的有香草酸、對 - 羥基苯甲酸、對 - 羥基肉桂酸、阿魏酸、 4- 羥基 -3- 甲氧基苯丙酮酸、香草醛、愈創(chuàng)木酚、甘油等。 2 、其他芳香族化合物的降解 土壤中存在的芳香族化合物數(shù)量不大，但種類很多。如木質(zhì)素分解中即可產(chǎn)生如香草酸、阿魏酸、香草醛等多種芳香族化合物。稻草腐解時可釋放出 - 羥基苯甲酸、香草酸、 - 香豆酸、丁香酸等。植物組織中則含有黃酮類化合物、生物堿、萜

39、烯、單寧等。此外，真菌和放線菌的黑素是以芳香環(huán)為單元的聚合物。許多農(nóng)藥、除草劑、石油污染物等中也含有此類化合物。 各類簡單芳香族化合物均能在土壤中分解。涉及的微生物分布廣泛，但專一性不強(qiáng)。細(xì)菌主要有假單胞菌屬、分枝桿菌屬 ( Mycobacterium ) 、不動桿菌屬 ( Acinetobacter ) 、節(jié)桿菌屬和芽孢桿菌屬。放線菌有諾卡氏菌屬和鏈霉菌屬，其中前者可能起著重要作用。細(xì)菌中的苯桿菌（ Bacterium bensoli ）可氧化苯、甲苯和二甲苯。甲苯苯桿菌（ Bacterium toluolicum ）除了能分解苯、甲苯和二甲苯外，還能分解乙苯和異丙苯等。一些假單胞菌、鞘氨醇

40、單胞菌（ Sphingomonas ）、鞘氨醇桿菌 ( Sphingobacterium ) 等則能分解萘、菲、蒽等多環(huán)芳香族化合物。真菌中的青霉、曲霉、鏈孢霉、雜色云芝（ Coriolus versicolor ）等都能分解芳香族化合物，其中包括單寧等物質(zhì)。芳香族化合物的生物降解有一些共同步驟，起始階段都是改變或去除苯環(huán)上的可置換基團(tuán)，并導(dǎo)入羥基，常產(chǎn)生兒茶酚、原兒茶酚和龍膽酸等共同中間產(chǎn)物，這些中間產(chǎn)物被開環(huán)分解，最終徹底氧化為二氧化碳和水。 七、脂肪、碳?xì)浠衔锛?C1 化合物的微生物學(xué)氧化 1 、脂肪的分解 脂肪是甘油和高級脂肪酸所形成的酯。土壤中的脂肪類物質(zhì)主要來自植物殘體，也有一小

41、部分來源于動物及微生物。在一般作物莖葉中，脂肪類物質(zhì)含量約占干物質(zhì)重量的 0.5%2% 。在某些含脂肪特別豐富的果實和種子中則可達(dá) 50% 以上。 分解脂肪的微生物均具有脂肪酶。在脂肪酶的作用下，脂肪被水解為甘油和高級脂肪酸。甘油可作為微生物的碳源和能源而進(jìn)一步分解。脂肪酸則相對穩(wěn)定，脂肪酸的分解通常按照 - 氧化的方式進(jìn)行。在此過程中，高級脂肪酸被逐步分解成許多單個乙酸。在有氧條件下，乙酸被微生物氧化分解為 CO 2 和水。在無氧條件下，乙酸則可被厭氧微生物轉(zhuǎn)化為 CH 4 和 CO 2 。 分解脂肪的好氧性細(xì)菌有假單胞菌、色桿菌（ Chromobacterium ）、無色桿菌 ( Achr

42、omobacter ) 、黃桿菌 ( Flavobacterium ) 及芽孢桿菌。真菌有曲霉、芽枝霉和青霉。放線菌中能分解脂肪的種也為數(shù)不少。 2 、脂肪族碳?xì)浠衔锏难趸?環(huán)境中碳?xì)浠衔锏膩碓摧^廣。可來自植物殘體，據(jù)估計，植物組織中有 0.02% 為碳?xì)浠衔锛捌漕愃莆?；也可來自微生物，土壤中的?xì)菌、藻類、真菌能合成多種碳?xì)浠衔?。此外，也可來自殺蟲劑、除草劑以及油井和輸油管道的滲漏物。 各種碳?xì)浠衔锞杀晃⑸锓纸?。直?n- 烷烴，特別是（ 1119 ） C 鏈的烷烴可被很快降解。其降解途徑為： 在此過程中，先由單加氧酶催化 C1 甲基形成醇，爾后通過醛形成羧酸，再按 - 氧化的方

43、式，依次割下乙酸分子。 C11C19 的 n- 烷烴可被多種細(xì)菌、酵母和絲狀真菌分解。細(xì)菌有假單胞菌、小球菌、棒狀桿菌和分枝桿菌。酵母菌有假絲酵母、球擬酵母、紅酵母、畢氏酵母和德國巴利酵母。絲狀真菌有小克銀漢霉、青霉、曲霉、鐮刀霉和芽枝孢霉。樹脂枝孢霉（ Cladosporium resinae ）分布很廣，是某些環(huán)境中分解碳?xì)浠衔锏膬?yōu)勢菌。 在常溫下 C20 以上的 n- 烷烴為固體，不易被生物降解，但支鏈烷烴和環(huán)烷烴化合物仍可分別被分枝桿菌和假單胞菌所氧化。 環(huán)境條件對碳?xì)浠衔锏慕到庥忻黠@的影響。在 0 o C55 o C 的溫度范圍，升高溫度可加快降解速率。易生物降解的基質(zhì)能刺激微生

44、物生長，從而促進(jìn)碳?xì)浠衔锏姆纸狻５S多菌株對酸敏感，在 pH5.0 的條件下幾乎不生長。 分解碳?xì)浠衔锏奈⑸锊粌H是環(huán)境污染物的凈化者，同時又能將碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化成良好的菌體蛋白，即石油蛋白，因而近年來受到關(guān)注。 3 、 C1 化合物的微生物氧化 自然界存在不少還原型 C1 化合物。有的化合物（如 CH 3 -O-CH 3 ）雖包含一個以上碳原子，但因其不含 C-C 鍵，也歸入 C1 化合物。 C1 化合物生物降解具有明顯意義：它們種類較多，有的數(shù)量也很大，其生物降解是碳素循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。某些 C1 化合物具有生物毒性，生物降解是清除其毒性的有效方法。在利用 C1 化合物的過程中，甲基營養(yǎng)菌

45、可合成單細(xì)胞蛋白，它是一個價廉的飼料蛋白源，具有較大的開發(fā)價值。 （ 1 ）氧化 C1 化合物的微生物 利用還原態(tài) C1 化合物的微生物屬于異養(yǎng)菌，但它們在生化性狀上有別于以多碳化合物為基質(zhì)的化能異養(yǎng)菌。首先，將 C1 化合物轉(zhuǎn)化為 CO 2 的產(chǎn)能途徑無需三羧酸循環(huán)；另外，將基質(zhì)轉(zhuǎn)化為細(xì)胞物質(zhì)的途徑也多種多樣。根據(jù)其對營養(yǎng)物質(zhì)要求的不同，這些甲基營養(yǎng)型微生物可區(qū)分為專性甲基營養(yǎng)菌（或甲烷氧化菌）和兼性甲基營養(yǎng)菌（包括光能自養(yǎng)和化能自養(yǎng)菌）等類型。 （ 2 ）甲基營養(yǎng)菌的生理生化特征 甲基營養(yǎng)菌（和某些酵母菌）能利用甲醇、甲基胺、二甲基醚、甲醛和甲酸。以甲烷作為唯一碳源和能源可富集甲基單胞菌（

46、 Methylomonas ）、甲基球菌（ Methylococcus ）和甲基彎曲菌（ Methylosinus ）。專性甲基營養(yǎng)菌只有以甲烷、甲醇或二甲基醚作基質(zhì)才能生長，不能利用糖、有機(jī)酸或其他醇類。 甲烷氧化菌從甲烷的氧化中獲取生活所需生活所需的能量。在生物氧化中，甲烷經(jīng)過甲醇、甲醛和甲酸，最終被轉(zhuǎn)化為二氧化碳。其中，甲烷至甲醇的氧化是在甲烷單加氧酶的催化下進(jìn)行的。 細(xì)胞組分的合成通常從甲烷氧化的中間產(chǎn)物甲醛開始。其合成方式有多種，最常見的是固定甲醛的單磷酸核酮糖循環(huán)和絲氨酸途徑。 自養(yǎng)型甲基營養(yǎng)菌可將生長基質(zhì)氧化成二氧化碳，從中取得能量，并以卡爾文（ Calvin ）循環(huán)同化細(xì)胞碳。

47、 八、厭氧環(huán)境中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化 沼澤、濕地、池塘、海洋的底部和水田土壤、牛羊等動物的瘤胃等等，都是厭氧環(huán)境。厭氧環(huán)境中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化與好氧環(huán)境中的有機(jī)物分解不僅生物化學(xué)過程、產(chǎn)物，而且參與的微生物都有著明顯的不同。厭氧環(huán)境中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化實際上即是沼氣發(fā)酵過程，即厭氧環(huán)境中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化的最終產(chǎn)物是甲烷和二氧化碳，另外還有少量的氨和硫化氫。參與厭氧環(huán)境有機(jī)物轉(zhuǎn)化的微生物之間最大的特點(diǎn)是發(fā)生種間分子氫轉(zhuǎn)移和營養(yǎng)上、環(huán)境條件上的相互協(xié)同作用。產(chǎn)甲烷細(xì)菌是參與厭氧環(huán)境有機(jī)物轉(zhuǎn)化的微生物生物鏈上的最后一個成員，也是這個過程的核心成員。由于其所形成的甲烷在水中的溶解度很低、易逸出環(huán)境而使厭氧環(huán)境的有機(jī)物轉(zhuǎn)化得以

48、連續(xù)不斷進(jìn)行。 關(guān)于沼氣發(fā)酵過程的微生物學(xué)原理、生物化學(xué)和應(yīng)用技術(shù)等在第十四章第二節(jié)清潔能源的微生物生產(chǎn)中闡述。 第二節(jié) 微生物與氮素地球生物化學(xué)循環(huán)氮素是生物有機(jī)體的重要組成元素之一。氮在大氣中所占比例約為 79% 多，在地球上最大儲庫為火成巖，達(dá) 14 10 21 g ，在沉積物和沉積巖中儲量為 4 10 21 g ，海洋中和陸地上的無機(jī)氮貯量僅為有機(jī)氮貯量的 1/10 左右，而有機(jī)氮貯量則大約僅為大氣氮數(shù)量的 1 左右。海洋生物氮總量為 5 10 14 g ，相當(dāng)于其有機(jī)氮貯量的 1 ，陸地生物氮總量為 1.5 10 16 g ，相當(dāng)于其有機(jī)氮貯量的 1% 左右。 氮在自然界中以多種形態(tài)

49、存在，這些形態(tài)處于不斷的循環(huán)轉(zhuǎn)化之中。這些不同形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，除了物理的和化學(xué)的一些因素之外，微生物起著重要的促進(jìn)和推動作用。 大氣中的 N 2 通過某些原核微生物的固氮作用合成為化合態(tài)氮；化合態(tài)氮可進(jìn)一步被植物和微生物的同化作用轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮；有機(jī)氮經(jīng)微生物的氨化作用釋放出氨；氨在有氧條件經(jīng)微生物的硝化作用氧化為硝酸，在厭氧條件下厭氧氧化為 N 2 ；硝酸和亞硝酸又可在無氧條件下經(jīng)微生物的反硝化作用，最終變成 N 2 或 N 2 O ，返回至大氣中，如此構(gòu)成氮素生物地球化學(xué)循環(huán)，見圖 10-6 。 圖 10-6 由微生物推動的氮素循環(huán) 一、氨化作用 所謂氨化作用（ amonification

50、），是指含氮有機(jī)物經(jīng)微生物分解產(chǎn)生氨的過程。這個過程又稱為有機(jī)氮的礦化作用 (mineralization of organic nitrogen) 。 來自動物、植物、微生物的蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素、幾丁質(zhì)、以及核酸中的嘌呤和嘧啶等含氮有機(jī)物，均可通過氨化作用而釋放氨，供植物和微生物利用。 （一）、蛋白質(zhì)的氨化作用 1 、蛋白質(zhì)的分解過程 蛋白質(zhì)是由 20 種氨基酸構(gòu)成的大分子化合物，不能直接透過細(xì)胞膜而進(jìn)入微生物體內(nèi)。蛋白質(zhì)的分解通常分為二個階段：首先，在微生物所分泌的蛋白酶作用下，蛋白質(zhì)水解成各種氨基酸；然后，在體內(nèi)脫氨基酶的作用下氨基酸被分解釋放出氨。 （ 1 ）、蛋白質(zhì)的水解 蛋白質(zhì)水

51、解過程是在蛋白酶和肽酶的聯(lián)合催化下完成的。蛋白酶又稱內(nèi)肽酶，能夠水解蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的肽鍵，形成蛋白胨及各種短肽。蛋白酶有一定的專一性，不同蛋白質(zhì)的水解需要相應(yīng)蛋白酶的催化。肽酶又稱 外肽酶 ，只能從肽鏈的一端水解，每次水解釋放一個氨基酸。不同的肽酶也有一定的專一性。有的要求在肽鏈的一端存在自由氨基；有的則要求存在自由羧基。前者稱為氨肽酶，后者稱為羧肽酶。 （ 2 ）、氨基酸的脫氨基作用 蛋白質(zhì)水解形成的氨基酸可吸收至微生物細(xì)胞內(nèi)，并進(jìn)行各種脫氨基作用。脫氨基作用有下列各種形式： 各種氨基酸脫氨基作用的共同產(chǎn)物是氨，同時也產(chǎn)生有機(jī)酸、醇、碳?xì)浠衔锖投趸嫉?。如果是含硫氨基酸，則在脫氨作用的同

52、時，脫硫形成硫化氫或硫醇，產(chǎn)生惡臭。具體的脫氨基途徑取決于底物、作用的微生物及環(huán)境條件。 2 、蛋白質(zhì)氨化微生物 能夠分解蛋白質(zhì)的微生物很多，但分解速度各不相同。 分解蛋白質(zhì)能力強(qiáng)并釋放出氨的微生物稱為氨化微生物。氨化細(xì)菌可以下列各菌為代表： （ 1 ）、兼性厭氧的無芽孢桿菌 熒光假單胞菌 ( Pseudomonas fluorescens ) ，粘質(zhì)賽氏桿菌 ( Serratia marcescens ) 和普通變形桿菌 (Proteus vulgaris ) 是不生芽孢的革蘭氏陰性桿菌，兼性厭氧，在有氧和無氧條件下都能進(jìn)行強(qiáng)烈的氨化作用。熒光假單胞菌細(xì)胞單生或端生鞭毛，能運(yùn)動，革蘭氏染色陰

53、性、小桿菌，產(chǎn)生淡綠色可溶性熒光色素，在厭氧條件下能夠以硝酸鹽作最終受氫體，其形態(tài)見圖 10-7 所示。粘質(zhì)賽氏桿菌細(xì)胞單生、周生鞭毛能運(yùn)動，革蘭氏染色陰性，也為小桿菌。能夠產(chǎn)生不具溶性的紅色素，使菌落成為鮮紅色。 圖 10-7 熒光假單胞菌 ( Pseudomonas fluorescens ) 菌體形態(tài) （ 2 ）、好氧性芽孢桿菌 能夠進(jìn)行氨化作用的好氧芽孢桿菌有巨大芽孢桿菌 ( Bacillus megaterium ) ，蠟質(zhì)芽孢桿菌霉?fàn)?變種和枯草桿菌等 ( 圖 10-8A ， B) 。巨大芽孢桿菌和蠟質(zhì)芽孢桿菌霉?fàn)钭兎N的細(xì)胞寬度一般在 1.22.0 m m 以下，后者的菌落形成絲狀

54、，有點(diǎn)象霉菌菌落。 （ 3 ）、厭氧芽孢桿菌 腐敗梭菌 ( Clostridium putrificum ) 是一種分解蛋白質(zhì)能力很強(qiáng)的厭氧細(xì)菌，芽孢端生、膨大，菌體呈鼓槌狀 ( 圖 10-8C) ，分解蛋白質(zhì)時產(chǎn)生惡臭。能夠進(jìn)行 Stickland 反應(yīng)脫氨的細(xì)菌均是專性厭氧的梭狀芽孢桿菌，但并不是所有的梭狀芽孢桿菌都能進(jìn)行 Stickland 反應(yīng)，見表 10-2 。 圖 10-8 霉?fàn)钛挎邨U菌 (Bacillus cereus var. mycoides ) （ A ）、枯草芽孢桿菌 ( B.subtilis ) (B) 和腐敗梭菌 ( Clostridium putrificum )

55、(C) 真菌在蛋白質(zhì)的分解中也占有重要地位。交鏈胞霉屬 ( Alternaria ) 、曲霉屬 ( Aspergillus ) 、毛霉屬 ( Mucor ) 、青霉屬 ( Penicillium ) 、根霉屬 ( Rhizopus ) 及木霉屬 ( Trichoderma ) 等屬的真菌研究得較為深入。真菌在某些土壤特別是酸性土壤的蛋白質(zhì)分解中起著主要作用。 大量的放線菌也分泌胞外蛋白酶，從土壤中分離到的放線菌有 15 17% 能產(chǎn)蛋白酶。嗜熱性放線菌在堆肥高溫階段的蛋白質(zhì)分解中是十分活躍的類群。 表 10-2 以能否進(jìn)行 Stickland 反應(yīng)分類的梭狀芽孢桿菌 （二）、核酸的氨化作用 核

56、酸是動、植物及微生物尸體的主要成分之一，可以被微生物所分解。核酸分解時，先由胞外核糖核酸酶或胞外脫氧核糖核酸酶將大分子降解，形成單核苷酸。單核苷酸脫磷 酸成為核苷，然后將嘌呤或嘧啶與糖分開。嘌呤和嘧啶可被多種微生物，如諾卡氏菌 ( Nocardia ) 、假單胞菌、小球菌 ( Micrococcus ) 和梭狀芽孢桿菌等，進(jìn)一步分解，形成含氮產(chǎn)物氨基酸、尿素及氨。 （三）、尿素和尿酸的氨化作用 每個成年人一晝夜排出尿素約 30g ，全年計約 11kg ，動物排出的尿素則更多。地球上人和動物每年所排出的尿達(dá)數(shù)千萬噸。此外，尿素是化學(xué)肥料的一個重要品種，也是核酸分解的產(chǎn)物。在適宜的溫度下，尿素可被

57、迅速分解。 分解尿素的微生物廣泛分布在土壤和污水池中，特別在糞尿池及堆糞場上。大多數(shù)細(xì)菌、放線菌、真菌都有尿酶，能分解尿素產(chǎn)生氨： 常見的分解尿素的微生物有：芽孢桿菌、小球菌、假單胞菌、克氏桿菌 ( Klebsiella ) 、棒狀桿菌 ( Corynebacterium ) 、梭狀芽孢桿菌。某些真菌和放線菌也能分解尿素。有一小群細(xì)菌特別被稱為尿細(xì)菌，它們不但能夠耐高濃度尿素，而且還能夠耐高濃度尿素水解時產(chǎn)生的強(qiáng)堿性。如巴斯德尿素芽孢桿菌 ( Urobacillus pasteurii ) ，在 1L 溶液中培養(yǎng)時，能分解 140g 尿素。土壤施用尿素肥料時，尿素顆粒附近的 pH 值可超過 8

58、.0 ，有時達(dá) 9.0 。在此堿性條件下，產(chǎn)生的氨氣極易揮發(fā)損失。 人和動物尿中的尿酸和馬尿酸，在微生物作用下可被分解，生成的氨基酸按脫氨的規(guī)律轉(zhuǎn)化。馬尿酸的分解如下： （四）、幾丁質(zhì)的氨化作用 幾丁質(zhì)廣泛存在于自然界。昆蟲翅膀，許多真菌細(xì)胞壁，特別是很多擔(dān)子菌含有這種物質(zhì)。幾丁質(zhì)是一種含氮多聚糖，其基本結(jié)構(gòu)單位是 N- 乙酰葡萄糖胺，連成長鏈。幾丁質(zhì)與纖維素結(jié)構(gòu)類似，只是纖維素中每個葡萄糖單位中的一個羥基被乙酰胺所取代。純幾丁質(zhì)含氮 6.9% ，被微生物分解時既可作為碳源，也可作為氮源。幾丁質(zhì)不溶于水和有機(jī)酸，也不溶于濃堿及稀酸，只能溶于濃酸或被微生物分解。幾丁質(zhì)在土壤中分解的速度和纖維素差不多，但比蛋白質(zhì)和核酸慢。 能夠分