微生物第八章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用

2023/2/61第八章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第一節(jié)氧循環(huán)第二節(jié)碳循環(huán)第三節(jié)氮循環(huán)第四節(jié)硫循環(huán)環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學2023/2/62①主要物質(zhì)的循環(huán)；②微生物對有機物的降解過程。各種物質(zhì)元素：O、C、N、P、S、Fe等。天然物質(zhì)循環(huán)污染物質(zhì)的循環(huán)

推動物質(zhì)進行循環(huán)的作用包括物理、化學和生物的作用，其中生物起到了主導的作用，而微生物在這當中又占了極重要的地位。污染物質(zhì)的進入，會影響原有的物質(zhì)循環(huán)的某些環(huán)節(jié)。2023/2/63氧循環(huán)(oxygencycle)H2O+CO2→H2CO3→

HCO3-+H+↑CO2HCO3-→CO32

-Ca2+→CaCO3O2水體臭氧層沉積物火山作用4FeO+O2→2FeO3CO2CO↑O2+2COCO2O2O3O2OO2HOHH2OH2OOCO2高能紫外輻射第一節(jié)氧循環(huán)環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學2023/2/64第二節(jié)碳循環(huán)環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學2023/2/65化泥碳煤大氣中CO2CO2碳化作用石油水生植物光合作用腐爛燃料呼吸作用光合作用腐爛擴散碳循環(huán)(carboncycle)環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學2023/2/66幾種含碳化合物的轉(zhuǎn)化環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學纖維素的轉(zhuǎn)化半纖維素果膠質(zhì)淀粉的轉(zhuǎn)化脂肪的轉(zhuǎn)化烴類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化2023/2/67幾種含碳化合物的轉(zhuǎn)化1.纖維素的轉(zhuǎn)化

環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學2023/2/68環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學C6H12O6CH3COCOOHCH3CO~SCoA乙酰輔酶ATCA循環(huán)CO2底物水平磷酸化ATPCoA~SHCO2CO23412023/2/69幾種含碳化合物的轉(zhuǎn)化1.纖維素的轉(zhuǎn)化

厭氧發(fā)酵環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學2023/2/610分解纖維素的微生物

纖維二糖芽孢梭菌，無芽孢厭氧分解菌，嗜熱纖維芽孢菌好氧粘細菌生孢食纖維菌（球形和橢形），食纖維菌及堆囊粘菌鐮狀纖維菌，纖維弧菌G-厭氧青霉菌，曲霉，鐮刀霉，木霉，毛霉鏈霉菌屬、諾卡氏菌屬真菌放線菌細菌環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學2023/2/6112.半纖維素芽孢桿菌、假單胞菌、節(jié)細菌、放線菌。霉菌中的根霉、小克銀漢霉、青霉和鐮刀霉。分解半纖維素的微生物環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學2023/2/6123.果膠質(zhì)環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學2023/2/613有好氧菌：枯草芽孢桿菌，多粘芽孢桿菌，浸軟芽孢桿菌，不生芽孢的軟腐歐式桿菌。厭氧菌：蝕果膠梭菌和費新尼亞浸麻梭菌。真菌：青霉，曲霉，木霉，小克銀漢霉，根霉，毛霉，芽枝孢霉放線菌分解果膠質(zhì)的微生物環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學2023/2/614①淀粉的分解A.淀粉液化型淀粉酶

麥芽糖、雙糖

B.淀粉糖化型淀粉

麥芽糖或葡萄糖

4.淀粉的轉(zhuǎn)化環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學2023/2/615環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學2023/2/6165.脂肪的轉(zhuǎn)化環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學分解分解2023/2/6175.脂肪的轉(zhuǎn)化甘油的轉(zhuǎn)化環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學2023/2/618脂肪酸的β－氧化

環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學RCOSCOA第二次β氧化脂肪酸的活化2023/2/619脂肪酸通常通過β－氧化過程氧化。以硬脂酸為例，1mol硬脂酸含有18mol個碳原子，需要經(jīng)過8次β－氧化全部降解為9mol乙酰輔酶A，總反應式：環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學1mol18C硬脂酸經(jīng)β氧化后獲得8×2+8×3+12×9-1=147mol2023/2/620分解脂類物質(zhì)的微生物主要是：好氧菌：假單胞菌（熒光假單胞菌和銅綠色假單胞菌），分枝桿菌，無色桿菌，芽孢桿菌等。真菌：青霉，曲霉，枝孢霉和粉孢霉。厭氧菌：產(chǎn)色莢膜梭菌。環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學2023/2/6216.烴類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學烷烴、烯烴、芳香烴在微生物作用下的轉(zhuǎn)化。烷烴甲基營養(yǎng)型細菌、甲烷氧化彎曲菌、甲基孢囊菌、甲基桿菌、甲基單胞菌；真菌：頭孢菌、青霉菌。涉及烷烴加氧酶多種脫氫酶微生物：

乙烷，丙烷，丁烷的氧化，轉(zhuǎn)化模式類似，某些甲烷氧化菌在氧化甲烷的同時可將其同時共氧化，或者由另一種專門的菌分解。2023/2/622環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學通過末端的氧化或次末端的氧化或兩端的氧化高級烷烴的氧化CH3(CH2)nCH2COSCoA

氧化烷烴的微生物有甲烷假單胞菌，分枝桿菌，頭孢霉，青霉等。2023/2/623環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學降解烯烴的微生物有蠟小球菌，銅綠色板毛菌。H3CRCH=CH2烯烴的氧化2023/2/624環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學芳香烴化合物的轉(zhuǎn)化

分解苯和酚的微生物有熒光假單胞菌，銅綠色假單胞菌及苯桿菌。

2023/2/625分解芳香化合物的微生物分解苯，甲苯和二甲苯的有分枝桿菌，芽孢桿菌和諾卡氏菌。分解萘的細菌有銅綠色假單胞菌，溶條假單胞菌，諾卡氏菌，球形小球菌，無色桿菌，分枝桿菌等。分解菲的細菌有菲桿菌，菲芽孢桿菌的巴庫變種和古里變種。分解苯并芘的有熒光假單胞菌和銅綠色假單胞菌，小球菌及大腸埃希氏菌。

環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學2023/2/626環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學烴類的降解，烯烴>烷烴>芳烴>多環(huán)芳烴；正構(gòu)烷烴比異構(gòu)烷烴容易；直鏈烷烴比支鏈烷烴容易降解；苯比烷基苯和多環(huán)芳烴更難降解。

烴類分解難易程度2023/2/627環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學第三節(jié)氮循環(huán)

自然界中的氮蘊藏量豐富，主要以三種形態(tài)存在：分子氮，占大氣的78％；有機氮化合物；無機氮化合物，氨氮和硝酸氮。

2023/2/628氮循環(huán)(nitrogencycle)陸地陸地其它動植物藍藻淺層死有機物溶解死有機物土壤中無機氮庫丟失于深層沉積中動植物活體共生或自由生活的固氮微生物死有機體陸地河流帶走生物固氮大氣庫N2大氣庫HN3,NO,NO2N2O工業(yè)固氮（汽車,化肥,電廠）脫氮閃電化學反應海洋火山作用降水大氣環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學2023/2/629環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學氨化2023/2/630環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學蛋白質(zhì)的分解蛋白質(zhì)蛋白酶

多肽

肽酶

氨基酸胨好氧細菌：枯草芽孢桿菌，巨大芽孢桿菌，蕈狀芽孢桿菌，蠟狀芽孢桿菌；鏈球菌和葡萄球菌;兼性厭氧：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;真菌:曲霉，毛霉，木霉等;放線菌：鏈霉菌。分解蛋白質(zhì)的微生物脫氨基過程脫氨基酶2023/2/631環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學2.氨基酸的轉(zhuǎn)化

有機氮化合物在氨化微生物的脫氨基作用下，產(chǎn)生氨，稱為氨化作用。

脫氨的作用有氧化脫氨，還原脫氨，水解脫氨，減飽和脫氨。

氨化作用脫羧作用2023/2/632環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學氧化脫氨好氧菌作用2023/2/633環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學還原脫氨厭氧、兼性菌作用2023/2/634Stickland反應——是兩個氨基酸之間的一個氨基酸作為氫(電子)供體，另一個氨基酸作為氫(電子)受體時的氧化-還原脫氨基反應。ADP+PiATP環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學已知能進行Stickland反應的細菌都是專性厭氧的梭菌，如：生孢梭菌、肉毒梭菌、雙酶梭菌和斯氏梭菌等。2023/2/635環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學水解脫氨：氨基酸水解脫氨后生成羥酸。2023/2/636環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學減飽和脫氨：氨基酸在脫氨基時，在α-β鍵減飽和成為不飽和酸。2023/2/637環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學脫羧作用-氨基酸轉(zhuǎn)化為胺微生物：大腸桿菌、糞鏈球菌、腐敗性梭狀芽孢桿菌、產(chǎn)氣桿菌、變形桿菌2023/2/6383.尿素的轉(zhuǎn)化

微生物：尿八疊球菌（球菌中唯一能形成芽孢的種）、尿小球菌、尿素芽孢桿菌。脲酶2023/2/639環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學4.硝化作用

氨基酸脫下的氨，在有氧的條件下，經(jīng)亞硝化細菌和硝化細菌的作用轉(zhuǎn)化為硝酸，稱為硝化作用。反應1由亞硝化菌作用：亞硝酸單胞菌屬、亞硝酸球菌屬、亞硝酸螺菌屬、亞硝酸葉菌屬、亞硝酸弧菌等；反應2由硝化菌作用：硝化桿菌屬，硝化球菌屬。共性：好氧菌，適宜在中性和偏堿性的環(huán)境中生長，化能無機營養(yǎng)型

在硅膠固體培養(yǎng)基中長成細小，稠密的褐色，黑色和淡褐色的菌落

由淡褐色轉(zhuǎn)變成黑色的菌落

當pH=9.5以上時硝化細菌受到抑制，而在pH＝6.0以下時亞硝化細菌被抑制；最適宜溫度30℃，低于5或高于40時不能活動。

2023/2/640環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學氨化硝化意義：植物攝取氮的最為普遍形態(tài)是硝酸鹽。水稻等植物可利用氨態(tài)氮，然而這一氮形態(tài)對其它植物是有毒的。當肥料以銨鹽或氨形態(tài)施入土壤時，上述微生物將他們轉(zhuǎn)變成一般植物可利用的硝態(tài)氮。2023/2/641環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學

兼性厭氧的硝酸鹽還原菌將硝酸鹽還原為氮氣，這叫反硝化。5.反硝化作用有三種情形：大多數(shù)細菌和放線菌和真菌將硝酸鹽為氮素營養(yǎng)，通過硝酸還原酶將硝酸還原成氨，進而合成自身的氨基酸，蛋白質(zhì)和其它含氮物質(zhì)。2023/2/642環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學兼性厭氧的反硝化菌在厭氧條件下，將硝酸還原為氮氣。反硝化細菌：施氏假單胞菌，脫氮假單胞菌，熒光假單胞菌，色桿菌屬中的紫色桿菌，脫氮色桿菌。2023/2/643環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學硝酸鹽還原為亞硝酸反硝化意義：反硝化過程中形成的氮氣、水等氣態(tài)無機氮的情況是造成土壤氮素損失、土肥力下降的重要原因之一。在污水處理工程中卻常作為脫氮的方式。2023/2/644環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學氨化2023/2/645環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學在固氮微生物的固氮酶的作用下，把分子氮轉(zhuǎn)化為氨，進而合成為有機氮的化合物，叫做固氮作用。

6.固氮作用特點：高耗能反應，消耗ATP。需特殊的酶系統(tǒng)——固氮酶有組分I—鉬鐵蛋白,真正的固氮酶,具有催化活性;組分II,鐵蛋白,傳遞電子。不同來源的鐵蛋白和鉬鐵蛋白結(jié)合在一起具有固氮酶活性。2023/2/646固氮微生物好氧菌：根瘤菌，圓褐固氮菌，黃色固氮菌，雀稗固氮菌，拜葉林克氏菌屬，萬氏固氮菌。厭氧菌：巴氏固氮梭菌能固氮，硫酸還原菌光合細菌：紅螺菌屬，小著色菌及球菌屬等在光照下厭氧生活也能固氮。固氮藍藻中的有異形胞的固氮絲狀藍藻，例如魚腥藻屬，念珠藻屬等。環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學固氮酶對O2敏感,好氧固氮菌在生長過程中同時固氮，它們在長期的進化中形成了保護固氮酶的放氧機制，使固氮作用正常進行。2023/2/6471.好氧性自生固氮菌的抗氧保護機制呼吸保護、構(gòu)象保護（耐氧蛋白）2.藍細菌固氮酶的抗氧保護機制異形胞、時間差（白天光合夜晚固氮）3.豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保護機制根瘤菌以只能生長不能分裂的類菌體（bacteroids）形式存在于豆科植物的根瘤中。豆血紅蛋白就像一種緩沖劑，可在根瘤中調(diào)節(jié)氧的濃度，使它穩(wěn)定在對固氮酶最合適的范圍內(nèi)。2023/2/648環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學第四節(jié)硫的微生物轉(zhuǎn)化大多數(shù)微生物能利用硫酸鹽作為唯一的硫源，同化成含有-S-S基或者-SH基的蛋白質(zhì)有機物。2023/2/6491.有機硫的異化分解。環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學

有機硫在好氧條件下轉(zhuǎn)化為SO42-；在厭氧條件下轉(zhuǎn)化為H2S，CH3SH。厭氧條件下好氧條件下2023/2/650環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學2.硫化作用：有氧條件下，硫細菌的作用下將H2S氧化為S進而再氧化為H2SO4。

H2S→S→SO42-2H2S+O2→2H2O+2S2S＋3O2

＋2H2O→2H2SO4

兩類細菌參與硫化：硫化細菌和硫磺細菌2023/2/651環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學課件天津工業(yè)大學硫桿菌屬，G-，氧化H2S，S為硫酸，土壤中存在，在體外積累S。硫化細菌好氧：氧化硫硫桿菌、排硫桿菌、氧化亞鐵硫桿菌、新型硫桿菌厭氧：脫氮硫桿菌2023/2/652嗜酸性的氧化亞鐵硫桿菌（Thiobacillusferrooxidans）從亞鐵到高鐵狀態(tài)的鐵氧化，氧化還原態(tài)硫產(chǎn)酸（主要是硫酸）FeSO4+O2+2H2SO4→2Fe2(SO4)3+2H2OS2O32-+5/2O2→2SO42-2023/2/653在富含F(xiàn)eS2的煤礦中繁殖，產(chǎn)生大量的硫酸和Fe(OH)3，從而造成嚴重的環(huán)境