第八章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用PPT課件

1、微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的角微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的角色色1. 微生物是有機(jī)物的主要分解者2. 微生物是物質(zhì)循環(huán)中的重要成員3. 微生物是生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者4. 微生物是物質(zhì)和能量的貯存者5. 微生物是地球生物演化中的先行者第1頁/共64頁 大氣中的O2（包括水體）呼吸作用CO2光和作用第2頁/共64頁 O2在大氣中分布均勻，而在水體中有垂直方向上的變化。 無論是O2還是CO2 ，除了在大氣中的含量以外，它們在水體（海洋）中的含量，也是不可忽視的。 此循環(huán)的平衡，具有十分重要的意義，如維持大氣中CO2的濃度。第3頁/共64頁第二節(jié) 碳循環(huán) 碳循環(huán)以二氧化碳為中心，二氧化碳被植物、藻類利用進(jìn)行光合作用

2、，合成植物性碳；動(dòng)物以以植物性碳為食，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)物性碳；動(dòng)物和人呼吸放出二氧化碳，有機(jī)碳化合物別厭氧和好氧微生物分解所產(chǎn)生的二氧化碳均回到大氣。而后，二氧化碳再一次被植物利用進(jìn)入循環(huán)。第4頁/共64頁碳素循環(huán)光合作用藻類、綠色植物、藍(lán)細(xì)菌（CH2O）n有機(jī)化合物呼吸作用動(dòng)植物及微生物需氧厭氧CO2厭氧呼吸、發(fā)酵厭氧微生物，包括光合細(xì)菌有機(jī)化合物（CH2O）n光合細(xì)菌沉積作用產(chǎn)甲烷細(xì)菌甲基化合物甲烷氧化細(xì)菌CH4第5頁/共64頁第6頁/共64頁第7頁/共64頁 什么是纖維素？ 纖維素是葡萄糖的高分子聚合物，每個(gè)纖維素分子含140010000個(gè)葡萄糖基（1-4糖苷鍵）。棉紡印染廢水、造紙廢水、人

3、造纖維廢水及城市垃圾等，其中均含有大量纖維素。纖維素在微生物酶的催化下沿下列途徑分解：含碳化合物的轉(zhuǎn)化第8頁/共64頁 纖纖 維維 素素 酶酶 纖纖 維維 二二 糖糖 酶酶纖纖 維維 素素 纖纖 維維 二二 糖糖 葡葡 萄萄 糖糖 糖糖 酵酵 解解 A TP 好好 氧氧 分分 解解 H2O CO2葡葡 萄萄 糖糖 丙丙 酮酮 丁丁 醇醇 發(fā)發(fā) 酵酵 丙丙 酮酮 + 丁丁 醇醇 + CO2 + H2 厭厭 氧氧 發(fā)發(fā) 酵酵 丁丁 酸酸 發(fā)發(fā) 酵酵 丁丁 酸酸 + 乙乙 酸酸 + CO2 + H2三三 羧羧 酸酸循循 環(huán)環(huán)厭厭氧氧發(fā)發(fā)酵酵第9頁/共64頁 好氧細(xì)菌粘細(xì)菌、鐮狀纖維菌和纖維弧菌 厭氧

4、細(xì)菌產(chǎn)纖維二糖芽孢梭菌、無芽孢厭氧分解菌及嗜熱纖維芽孢梭菌。 放 線 菌鏈霉菌屬。 真 菌青霉菌、曲霉、鐮刀霉、木霉及毛霉。第10頁/共64頁 存在于植物細(xì)胞壁的雜多糖。造紙廢水和人造纖維廢水中含半纖維素。 好氧分解 聚糖酶 CO2 + H2O 半纖維素 單糖 + 糖醛酸 H2O 各種發(fā)酵產(chǎn)物 厭氧分解 分解纖維素的微生物大多數(shù)能分解半纖維素。 許多芽孢桿菌、假單胞菌、節(jié)細(xì)菌及放線菌能分解半纖維素。霉菌有根霉、曲霉、小克銀漢霉、青霉及鐮刀霉。 2分解半纖維素的微生物第11頁/共64頁 什么是淀粉？ 葡糖糖高聚物（1-4糖苷鍵 直鏈； 1-6糖苷鍵 支鏈；） 水中來源：以糧食作原料的工廠廢水 例

5、如淀粉廠廢水、酒廠廢水，印染廢水、抗生素發(fā)酵廢水及生活污水等均含有淀粉。 淀粉如何被微生物降解？ 首先在微生物分泌的淀粉酶作用下水解為葡萄糖，然后被吸收作為微生物的能源物質(zhì)氧化產(chǎn)能。 具有淀粉酶的微生物主要有：枯草芽孢桿菌和根霉、曲霉。其他微生物則主要進(jìn)行淀粉水解產(chǎn)物葡萄糖的進(jìn)一步分解。第12頁/共64頁 什么是木質(zhì)素？ 木質(zhì)素是植物木質(zhì)化組織中的帶有氧基丙烷支鏈的一種或多種芳香族聚合物。極難降解，有毒污染水環(huán)境。 水中來源： 造紙和人造纖維廢水 降解微生物： 真菌（主要）干朽菌、蘑菇 細(xì) 菌 （少） 假單胞菌的個(gè)別種 相比而言真菌分解木質(zhì)素比細(xì)菌快，但與糖類分解的速度相比則慢得多。第13頁/

6、共64頁 脂肪是甘油與脂肪酸所形成的酯，存在于動(dòng)、植物體中，是人和動(dòng)物的能量來源，可作為微生物的碳源和能源。 水中來源：毛紡、毛條廠廢水、油脂廠廢水、肉聯(lián)廠廢水、制革廠廢水含有大量油脂 降解油脂較快的微生物： 細(xì) 菌 熒光桿菌、綠膿桿菌、靈桿菌 絲狀菌 放線菌、分支桿菌 真 菌 青霉、乳霉、曲霉 途徑：水解+氧化第14頁/共64頁 什么是石油？ 石油是含有烷烴（30%）、環(huán)烷烴（46%）、芳香烴（28%）及少量非烴化合物的復(fù)雜混合物。石油污染主要出現(xiàn)在采油區(qū)和石油運(yùn)輸事故現(xiàn)場以及石化行業(yè)的工業(yè)廢水中。 石油中的各種成分由于分子結(jié)構(gòu)不同，降解速度也不一樣，降解速度大小上有以下規(guī)律。第15頁/共6

7、4頁 鏈中等長度（C10C24）鏈很長的（C24以上）短鏈 （因有生物毒性） 直鏈支鏈（支鏈多的支鏈少的） 不飽和飽和 烷烴芳烴 鏈末端有季碳原子的烴以及多環(huán)芳烴極難降解或不降解第16頁/共64頁 降解石油的微生物很多，據(jù)報(bào)道有200多種 細(xì) 菌 假單胞菌、棒桿菌屬、微球菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬放線菌 諾卡氏菌 酵母菌 假絲酵母 霉 菌 青霉屬、曲霉屬 藻 類 藍(lán)藻和綠藻第17頁/共64頁 + O2R-CH2- CH2-CH3 R- CH2-CH2-COOH -氧化 CO2 + H2O CH2-COOH + R-COOH第18頁/共64頁 以環(huán)己烷為例 通常一些微生物只能將環(huán)烷變?yōu)榄h(huán)己酮， 另一些微生

8、物只能將環(huán)己酮氧化開鏈而不能氧化環(huán)己烷，兩種微生物的協(xié)同作用下將環(huán)己烷才能被徹底降解。 OH O O +O2 +2H 2H +O2 +2H H2O H2O + H2O -2H HOOC-（CH2）4-COOH HOOC-（CH2）4-CH2OH 氧氧化化 CO2 + H2O OH第19頁/共64頁 種 類：酚、間甲酚、鄰苯二酚、苯、二甲苯、異丙苯、異丙甲苯、萘、菲、蒽等 水中來源：煉油廠、煤氣廠、焦化廠、化肥廠等的廢水 芳香烴普遍具有生物毒性，但在一定濃度范圍內(nèi)它們可以不同程度的被微生物分解。 以下是目前已知降解不同芳香烴的細(xì)菌類別 苯苯類類 酚酚類類萘萘菲菲 蒽蒽微微生生物物名名 稱稱熒熒光

9、光假假單單胞胞菌菌、銅銅綠綠色色假假單單胞胞菌菌及及苯苯桿桿菌菌銅銅 綠綠 色色 假假 單單 胞胞菌菌、溶溶條條假假單單胞胞菌菌、諾諾卡卡氏氏菌菌、球球形形小小球球菌菌、無無色色桿桿菌菌及及分分枝枝桿桿菌菌菲菲桿桿菌菌、菲菲芽芽孢孢桿桿菌菌熒熒光光假假單單腦腦菌菌和和銅銅綠綠色色假假單單胞胞茵茵、小小球球菌菌及及大大腸腸埃埃希希氏氏菌菌第20頁/共64頁 苯、萘、菲、蒽的降解為如下圖所示 第21頁/共64頁第22頁/共64頁第23頁/共64頁第24頁/共64頁 酚也是先被氧化為鄰苯二酚，這樣各類芳香烴在降解的后半段是相同的，可表示如下 苯苯 酚酚 氧氧化化酶酶 酶酶 萘萘 鄰鄰苯苯二二酚酚 酮

10、酮基基己己二二酸酸 菲菲 + O2 + O2 +2H 蒽蒽 琥琥珀珀酸酸 三三羧羧酸酸循循環(huán)環(huán) CO2 + H2O 乙乙酰酰輔輔酶酶A第25頁/共64頁 自然界中氮素蘊(yùn)藏量豐富，以三種形態(tài)存在：分子氮自然界中氮素蘊(yùn)藏量豐富，以三種形態(tài)存在：分子氮N2N2，占大氣的，占大氣的78%78%； 有機(jī)氮化合物；有機(jī)氮化合物； 無機(jī)氮化合物（氨氮和硝氮）。無機(jī)氮化合物（氨氮和硝氮）。 盡管分子氮和有機(jī)氮含量多，但植物不能直接利用，只能利用無機(jī)氮。微生物、植物和盡管分子氮和有機(jī)氮含量多，但植物不能直接利用，只能利用無機(jī)氮。微生物、植物和動(dòng)物三者的協(xié)同作用下將三種形態(tài)的氮相互轉(zhuǎn)化，構(gòu)成氮循環(huán)，其中微生物起著

11、重要作動(dòng)物三者的協(xié)同作用下將三種形態(tài)的氮相互轉(zhuǎn)化，構(gòu)成氮循環(huán)，其中微生物起著重要作用。用。第26頁/共64頁 自然界的氮素循環(huán)是各種元素循環(huán)的中心，這是由于氮元素在整個(gè)生物界中所處的重要地位所決定的。微生物又是整個(gè)氮素循環(huán)的中心，尤其是一些固氮微生物更可稱作開辟整個(gè)生物圈氮素營養(yǎng)源的“先鋒隊(duì)”。 氮元素在自然界中的存在形式主要有以下五種：銨鹽、亞硝酸鹽、硝酸鹽、有機(jī)含氮物和氮?dú)狻?在以上五種形式的氮素進(jìn)行循環(huán)轉(zhuǎn)化過程中，微生物起著關(guān)鍵的作用。第27頁/共64頁生物體有機(jī)酸NO3-NH4+NO2-NON2O大氣N2同化作用氨化作用硝化作用硝化作用反硝化作用生物固氮同化作用還原作用自然界中的氮素循

12、環(huán)第28頁/共64頁氮素循環(huán)氮素循環(huán)（1 1）生物固氮）生物固氮（2 2）硝化作用）硝化作用（3 3）同化性硝酸鹽）同化性硝酸鹽還原作用還原作用（4 4）氨化作用）氨化作用（5 5）銨鹽同化作用）銨鹽同化作用（6 6）異化性硝酸鹽）異化性硝酸鹽還原作用還原作用（7 7）反硝化作用）反硝化作用（8 8）亞硝酸氨化作）亞硝酸氨化作用用工業(yè)固氮有機(jī)氮化物硝化作用NO3-NH4+NO2-NO2N2NO2固氮作用反硝化作用同化硝酸鹽的還原作用第29頁/共64頁硝化作用反硝化作用同化作用分解作用固氮第30頁/共64頁 蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素、胺類、腈化物、硝基化合物等。 水中來源： 生活污水、屠宰廢水、罐頭

13、食品加工廢水、制革廢水等第31頁/共64頁 種類很多 好 氧 細(xì) 菌 鏈球菌和葡萄球菌 好氧芽孢細(xì)菌枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌及馬鈴薯芽孢桿菌 兼 性 厭 氧 菌變形桿菌、假單胞菌 厭 氧 菌腐敗梭狀芽孢桿菌、生孢梭狀芽孢桿菌 此外，還有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及鏈霉菌(放線菌)。第32頁/共64頁 （好好氧氧菌菌） O2氧氧化化脫脫氨氨蛋蛋白白質(zhì)質(zhì) 胨胨 肽肽 進(jìn)進(jìn)入入細(xì)細(xì)胞胞 羧羧酸酸+NH3+H2S H2還還原原脫脫氨氨 （厭厭氧氧菌菌）| 細(xì)細(xì)胞胞外外水水解解 | 氨氨化化作作用用 | 氧氧化化羧羧酸酸 CO2 + H2O 作作為為氮氮源源參參與與同同化化代代謝謝NH3

14、亞亞硝硝化化細(xì)細(xì)菌菌 硝硝化化細(xì)細(xì)菌菌NH3 HNO2 HNO3 硝硝酸酸鹽鹽 + O2 + O2| 硝硝化化作作用用 | 硫硫磺磺細(xì)細(xì)菌菌 硫硫化化細(xì)細(xì)菌菌H2S S H2SO4 硫硫酸酸鹽鹽 + O2 + O2反硝化N2第33頁/共64頁1.脫氨作用：有機(jī)氮化合物在氨化微生物的脫氨基作用下產(chǎn)生氨。 脫氨方式：氧化脫氨、還原脫氨、水解脫氨、 減飽和脫氨氧化脫氨：在好氧微生物作用下進(jìn)行還原脫氨：由專性厭氧菌和兼性厭氧菌在厭氧條件 下進(jìn)行第34頁/共64頁水解脫氨：減飽和脫氨：在、位減飽和為不飽和酸 氨基酸脫氨基后形成的有機(jī)酸和脂肪酸可在好氧或厭氧條件下，在不同的微生物作用下繼續(xù)分解。2.2.脫

15、羧作用第35頁/共64頁CO(NH2)2+2H2O (NH4)2CO3尿酶2NH3+CO2+H2O二、 尿素的氨化第36頁/共64頁尿素細(xì)菌： 1 1、球菌：尿素生孢八疊球菌 2 2、芽孢桿菌：巴斯德尿素芽孢桿菌尿素細(xì)菌的生理特點(diǎn)： 喜好堿性條件。以尿素、銨鹽為N N源，以有機(jī)C C為C C源、能源。第37頁/共64頁三、硝化作用氨在有氧的條件下，經(jīng)亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌的作用轉(zhuǎn)化為硝酸的過程。硝化作用化能自養(yǎng)型異 養(yǎng) 型1 1、硝化細(xì)菌和硝化作用的過程N(yùn)HNH3 3 NO NO2 2- - NO NO3 3- -硝酸細(xì)菌亞硝酸細(xì)菌第38頁/共64頁2 2、硝化作用的意義 生活污水和工業(yè)廢水如味

16、精廢水、賴氨酸廢水等含有相當(dāng)高濃度的氨氮。先將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽（硝化作用），再通過反硝化作用將硝酸氮還原為氮?dú)庖绯鏊?。?9頁/共64頁四、 反硝化作用微生物還原硝酸為亞硝酸、氨和N2的作用HNO3 N2O 或 N2NH3兼性厭氧菌在厭氧條件下進(jìn)行1、反硝化作用的結(jié)果HNO2細(xì)菌、放線菌、真菌利用第40頁/共64頁2 2、反硝化作用微生物 大多數(shù)：異養(yǎng)兼厭氧性 極少數(shù)：化能自養(yǎng)型（脫氮硫桿菌）3 3、反硝化作用的應(yīng)用 土壤中發(fā)生反硝化作用會(huì)使土壤肥力降低； 若在污水生物處理系統(tǒng)中的二次沉淀池發(fā)生反硝化作用，產(chǎn)生的氮?dú)庥沙氐咨仙莸剿鏁r(shí)會(huì)把池底的沉淀污泥帶上浮起，使出水含有多量的泥花，影響出

17、水的水質(zhì)。第41頁/共64頁 有些污水經(jīng)生物處理后出水硝酸鹽含量高，在排入水體后，若水體缺氧發(fā)生反硝化作用，會(huì)產(chǎn)生致癌物質(zhì)亞硝酸胺，造成二次污染，危害人體健康。第42頁/共64頁 在固氮微生物固氮酶的作用下，把分子氮轉(zhuǎn)化為氨，進(jìn)而合成為有機(jī)氮化合物。固氮條件1.1.固氮酶2.2.能量：平均每還原1mol1mol氮為2mol2mol的氨，需要24molATP24molATP，其中9molATP9molATP提供3 3對電子用于還原作用，15molATP15molATP用于催化反應(yīng)3.3.氮源：N N2 2, ,當(dāng)供給NHNH3 3、尿素和硝酸鹽時(shí)固氮作用停止。4.4.固氮微生物生長的環(huán)境條件：中

18、性和偏堿性第43頁/共64頁5.5.氧的影響：在較低氧分壓下固氮效果好 好氧固氮菌生長需要氧，固氮卻不需要。 固氮菌對O O2 2敏感，從好氧固氮菌菌體內(nèi)分離的固氮酶，一遇氧就發(fā)生不可逆失活。好氧固氮菌為了在生長過程中同時(shí)固氮，它們在長期進(jìn)化中形成了保護(hù)固氮酶的防氧機(jī)制，使固氮作用正常進(jìn)行。第44頁/共64頁 氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈類化合物及硝基化合物 水中來源：化工腈綸廢水、國防工業(yè)廢水、電鍍廢水等。 危 害：生物毒害 、環(huán)境積累 細(xì) 菌紫色桿菌、假單胞菌 放線菌諾卡氏菌 真 菌氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病鐮刀霉)、木霉及擔(dān)子菌等 第45頁/共64頁 5HCN + 5

19、.5O2 5CO2 + H2O + 5NH3 ORCH2CN （RCH2C-NH2） RCH2COOH + NH3 CO2 + H2OH2OH2O擔(dān)子菌還能利用甲醛、氨水和氫氰酸在腈合成酶的作用下縮合成為氨基乙腈，進(jìn)而合成為丙氨酸。 HCN CH3COH CH3CHNH2CN CH3CHNH2COOH 第46頁/共64頁第四節(jié) 硫循環(huán) 硫是生命物質(zhì)所必需的元素，其需要量大約是氮素的十分之一（在生物體內(nèi)CNS=100101）。硫元素在自然界中的貯量十分豐富。硫素循環(huán)類似于氮素循環(huán)，其各個(gè)環(huán)節(jié)都有相應(yīng)的微生物參與。第47頁/共64頁第48頁/共64頁 （1）同化性硫酸鹽還原作用 由植物和微生物引起

20、?？砂蚜蛩猁}轉(zhuǎn)變成還原態(tài)的硫化物，然后再固定到蛋白質(zhì)等的成分中。 （2）脫硫作用（desulfuration） 指在厭氧條件下，通過一些腐敗微生物的作用，把生物體的蛋白質(zhì)或其他含硫有機(jī)物中的硫礦化成H2S的作用。 第49頁/共64頁 （3）硫化作用：在好氧條件下，H2S可由Beggiatoa、Thiothrix（發(fā)硫菌屬）等細(xì)菌氧化成硫或硫酸，游離的硫還可被硫化細(xì)菌Thiobacillus（硫桿菌屬）的一些種氧化成硫酸。而在厭氧條件下，H2S可被光合細(xì)菌Chlorobium（綠菌屬）的一些種氧化成硫，或被Chro-matium（著色菌屬）的一些種氧化成硫酸。 第50頁/共64頁 （4）異化性硫

21、酸鹽還原作用： 在厭氧條件下，硫酸可通過Desulfovibrio（脫硫弧菌屬）、Desul-fotomaculum（脫硫腸狀菌屬）等細(xì)菌還原成H2S。 （5）異化性硫還原作用： 硫通過Desulfuromonas（脫硫單胞菌屬）等的一些菌種還原成H2S的過程，稱異化性硫還原作用。第51頁/共64頁有機(jī)硫化物反硫化作用H2SS2SO42-硫的生物循環(huán) 第52頁/共64頁第53頁/共64頁第五節(jié) 磷的生物循環(huán) 1.有機(jī)磷化物的分解(解磷作用) 2.不溶性無機(jī)磷化物的轉(zhuǎn)化(溶磷作用) 3.有效磷的微生物固定第54頁/共64頁含磷礦物風(fēng)化作用PO43-不溶性磷酸鹽有機(jī)磷化物土壤固定微生物溶磷作用植物

22、微生物同化作用微生物解磷作用磷的生物循環(huán)第55頁/共64頁（一）根際微生物根際微生物什么叫根際 也稱根圈（rhizosphere），指生長中的植物根系直接影響的土壤范圍，包括表面至幾毫米的土壤區(qū)域。 它是植物根系有效吸收養(yǎng)料和水分的范圍，也是根系分泌作用旺盛的部位，因而是微生物和植物相互作用的界面。第六節(jié)第六節(jié) 微生物微生物- -植物生態(tài)系植物生態(tài)系第56頁/共64頁 根際釋放物質(zhì)的類型： （1）滲出物 （2）分泌物 （3）植物黏液 （4）粘質(zhì) （5）溶胞產(chǎn)物第57頁/共64頁根際效應(yīng)根際效應(yīng) （1）概念）概念 根際同根際外土壤中的根際同根際外土壤中的微生物群落相比，生活在植物根際中的微微生物

23、群落相比，生活在植物根際中的微生物，在數(shù)量、種類和活性上有明顯不同，生物，在數(shù)量、種類和活性上有明顯不同，表現(xiàn)出特異性，這種現(xiàn)象稱為根際效應(yīng)。表現(xiàn)出特異性，這種現(xiàn)象稱為根際效應(yīng)。 （2）根土比）根土比-反應(yīng)根圈效應(yīng)的重要反應(yīng)根圈效應(yīng)的重要指標(biāo)指標(biāo) 根土比是指根圈中的微生物數(shù)量同相根土比是指根圈中的微生物數(shù)量同相應(yīng)的無根系影響的土壤中的微生物數(shù)量之應(yīng)的無根系影響的土壤中的微生物數(shù)量之比。比。 不同的植物和土壤的特性不一樣，根不同的植物和土壤的特性不一樣，根土比差異較大。土比差異較大。第58頁/共64頁根際微生物對植物的影響根際微生物對植物的影響 （1 1）有利影響）有利影響 A.A.改善植物的營養(yǎng)改善植物的營養(yǎng) 代謝產(chǎn)物（糖類、有代謝產(chǎn)物（糖類、有機(jī)酸有機(jī)酸、氨基酸以及維生素和生長素類物機(jī)酸有機(jī)酸、氨基酸以及維生素和生長素類物質(zhì)。質(zhì)。 B.B.根際微生物分泌的維生素、氨基酸、生根際微生物分泌的維生素、氨基酸、生長刺激素等生長調(diào)節(jié)物質(zhì)能促進(jìn)植物的生長。長刺激素等生長調(diào)節(jié)物質(zhì)能促進(jìn)植物的生長。