微生物在自然界物質(zhì)循環(huán)中的作用

微生物在自然界物質(zhì)循環(huán)中的作用第1頁/共59頁第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用第2頁/共59頁

一、碳源污染物的轉(zhuǎn)化包括:糖類、蛋白質(zhì)、脂類、石油和人工合成的有機化合物等。（一）糖類污染物提問：哪些糖類會成為污染物？難溶的多糖，且當(dāng)一些難溶解的多糖數(shù)量較大時才會使自凈時間大大增加，從而對環(huán)境造成污染。這類多糖主要是纖維素、半纖維素、果膠質(zhì)、木質(zhì)素、淀粉。第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用第3頁/共59頁1、纖維素的分解第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用(C6H10O5）n1014kg來源:棉紡印染廢水、造紙廢水、人造纖維廢水及城市垃圾等，其中均含有大量纖維素。Ａ．微生物分解途徑第4頁/共59頁微生物分解途徑第5頁/共59頁第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用(1)有氧、中溫條件a.真菌(木霉屬)

木材腐朽：褐腐：只分解木材中的纖維素剩下木質(zhì)素。

白腐：只分解木材中的木質(zhì)素剩下纖維素。b.細菌（食纖維菌屬)c.放線菌Ｂ、分解纖維素的微生物第6頁/共59頁(2)無氧中溫條件

細菌：纖維分解梭菌

真菌：木朽菌、層孔菌

放線菌：第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用(3)高溫條件：在60—70℃條件下生長，并分解纖維素。

細菌：熱纖維菌

放線菌：鏈霉菌屬、小單孢菌屬真菌：Ｂ、分解纖維素的微生物第7頁/共59頁第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用

纖維素單糖按作用場所分：

表面酶：分布于細胞表面,不能在其細胞培養(yǎng)液中起作用的酶（食纖維菌）。

胞外酶：分泌到胞外,在細胞生活環(huán)境中起作用的酶（真菌形成的纖維素酶）。內(nèi)切葡萄糖酶外切葡萄糖酶β-葡萄糖苷酶纖維素復(fù)合酶Ｃ、微生物分解纖維素的生化機制第8頁/共59頁第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用２、半纖維素的分解存在于植物細胞壁的雜多糖。造紙廢水和人造纖維廢水中含半纖維素。分解過程

TCA循環(huán)聚糖酶CO2+H2O

半纖維素單糖+糖醛酸

H2O各種發(fā)酵產(chǎn)物厭氧分解五碳糖、六碳糖、糖醛酸的組成的多糖第9頁/共59頁第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用分解半纖維素的微生物：真菌（雙孢蘑菇根霉、曲霉、小克銀漢霉、青霉及鐮刀霉）。放線菌（青銅色小單孢菌）細菌（許多芽孢桿菌、假單胞菌、節(jié)細菌）藻類第10頁/共59頁３、果膠物質(zhì)的分解第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用半乳糖醛酸以α-1，4糖苷鍵連成的多糖（1）、分解果膠的微生物細菌、放線菌、真菌等

水浸法：把麻類物質(zhì)浸入水中，利用厭氣微生物分解其中的果膠。

露浸法：把麻類物質(zhì)堆置并保持一定的濕度，利用好氧微生物分解果膠。（2）、果膠分解的應(yīng)用---麻類脫膠第11頁/共59頁４、木質(zhì)素的分解第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用木質(zhì)素存在于除苔蘚和藻類外所有植物的細胞壁中，由松柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度分枝多聚物。Lignin木質(zhì)素木質(zhì)素空腔纖維素第12頁/共59頁４、木質(zhì)素的分解第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用主要微生物：真菌中的擔(dān)子菌放線菌中的鏈霉菌第13頁/共59頁自然界中哪些微生物能夠進行木質(zhì)素的降解呢？確證的只有真菌中的黃孢原毛平革菌，疑似的只有軟腐菌。黃孢原平毛革菌(Phanerochaetechrysosprium)是白腐真菌的一種，隸屬于擔(dān)子菌綱、同擔(dān)子菌亞綱、非褶菌目、絲核菌科。白腐—樹皮上木質(zhì)素被該菌分解后漏出白色的纖維素部分。第14頁/共59頁第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用纖維素分解復(fù)合菌系PC1第15頁/共59頁第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用PC1對稻稈的分解第16頁/共59頁MC1處理8d后的稻稈第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用第17頁/共59頁第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用第18頁/共59頁MC1-1MC1-4MC1-2MC1-3MC1-5MC1-6第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用第19頁/共59頁第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用第20頁/共59頁第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用第21頁/共59頁５、幾丁質(zhì)的分解第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用N-乙酰氨基葡萄糖以β-1，4糖苷鍵連接而成的大分子主要微生物：細菌：嗜幾丁質(zhì)芽孢桿菌放線菌：鏈霉菌第22頁/共59頁（二）油脂的轉(zhuǎn)化水中來源：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+β氧化第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用第23頁/共59頁1．降解石油的微生物降解石油的微生物很多，據(jù)報道有200多種細菌

——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

——藍藻和綠藻（三）石油的轉(zhuǎn)化第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用第24頁/共59頁2．石油的降解機理B．無支鏈環(huán)烷烴的降解：以環(huán)己烷為例第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用

+O2R-CH2-CH2-CH3R-CH2-CH2-COOHβ-氧化

CO2+H2OCH2-COOH+R-COOHA．鏈烷烴的降解第25頁/共59頁第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用芳香烴普遍具有生物毒性，但在低濃度范圍內(nèi)它們可以不同程度的被微生物分解。已知降解不同芳香烴的細菌類別C．芳香烴第26頁/共59頁

苯和酚的代謝苯、萘、菲、蒽的降解為如下圖所示

苯的代謝第27頁/共59頁第28頁/共59頁菲的代謝第29頁/共59頁蒽的代謝第30頁/共59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，可表示如下第31頁/共59頁提問：為什么這些有機物難于生物降解？微生物缺乏相應(yīng)的水解酶二、人工合成的難降解碳源污染物的轉(zhuǎn)化難———對于自然生態(tài)環(huán)境系統(tǒng),如果一種化合物滯留可達幾個月或幾年之久,或在人工生物處理系統(tǒng),幾小時或幾天之內(nèi)還未能被分解或消除種類：穩(wěn)定劑、表面活性劑、人工合成的聚合物、殺蟲劑、除草劑以及各種工藝流程中的廢品等。第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用第32頁/共59頁1.氯苯類用途：穩(wěn)定劑（潤滑油、絕緣油、增塑劑、油漆、熱載體、油墨等都含有）危害：急性中毒，是一種致癌因子（米糠油事件）降解菌：產(chǎn)堿桿菌、不動桿菌、假單胞菌、芽孢桿菌以及沙雷氏菌的突變體通過共代謝完成氯苯的完全降解。第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用第33頁/共59頁2．洗滌劑可分為陰離子型、陽離子型、非離子型、兩性電解質(zhì)四類。我國目前生產(chǎn)的洗滌劑屬于陰離子型烷基苯磺酸鈉。較早開發(fā)的是非線性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸鹽（ABS）：ABS甲基分支干擾生物降解，鏈末端與4個碳原子相連的季碳原子抗攻擊的能力更強。第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用第34頁/共59頁降解洗滌劑的微生物細菌——假單胞菌、鄰單胞菌、黃單胞菌、產(chǎn)堿單胞菌、產(chǎn)堿桿菌、微球菌、大多數(shù)固氮菌放線菌——諾卡氏菌由于這些微生物的作用，雖然每年排放入環(huán)境中的洗滌劑數(shù)量逐年遞增，但環(huán)境中并沒有發(fā)生洗滌劑的明顯增加。因而洗滌劑一般不會引起環(huán)境的有機污染。洗滌劑目前存在的問題主要是洗滌劑中的添加劑聚磷酸鹽造成的水體富營養(yǎng)化問題。第一節(jié)碳素循環(huán)中微生物的作用第35頁/共59頁生物體有機態(tài)氮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異化還原作用第二節(jié)氮素循環(huán)中微生物的作用第36頁/共59頁第二節(jié)氮素循環(huán)中微生物的作用有機氮氨態(tài)氮亞硝態(tài)氮硝態(tài)氮氮氣植物及微生物的固定微生物微生物微生物微生物微生物蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素、胺類、腈化物、硝基化合物等。第37頁/共59頁第二節(jié)氮素循環(huán)中微生物的作用一、氨化作用有機態(tài)N被微生物降解形成NH3的過程(1)蛋白質(zhì)的氨化作用過程蛋白質(zhì)蛋白酶水解肽肽酶水解氨基酸降解NH3氧化脫氨基作用水解脫氨基作用還原脫氨基作用第38頁/共59頁第二節(jié)氮素循環(huán)中微生物的作用一、氨化作用(2)尿素的氨化CO(NH2)2+2H2O(NH4)2CO3尿酶2NH3+CO2+H2O第39頁/共59頁第二節(jié)氮素循環(huán)中微生物的作用一、氨化作用(2)尿素的氨化尿素細菌：

1、球菌：尿素生孢八疊球菌（芽孢）

2、芽孢桿菌：巴斯德尿素芽孢桿菌（唯一N源）第40頁/共59頁第二節(jié)氮素循環(huán)中微生物的作用一、氨化作用(2)尿素的氨化尿素細菌的生理特點：①喜堿性條件②以尿素、銨鹽為N源，以有機C為C源、能源第一、施尿素注意深施第二、尿素不要與堿性物質(zhì)同時施入農(nóng)業(yè)實踐對策（損失率：10-70%）第41頁/共59頁第二節(jié)氮素循環(huán)中微生物的作用一、氨化作用氨化作用有機氮無機氮微生物生長的氮源植物生長的氮源第42頁/共59頁第二節(jié)氮素循環(huán)中微生物的作用一、氨化作用微生物生長發(fā)育過程中，從外界吸收利用的營養(yǎng)物質(zhì)的C/N是有機質(zhì)的碳氮比C/N=12.5:1有機質(zhì)的碳氮比C/N=50:1??25：1C：N=25：1C：N=5：1有機物微生物第43頁/共59頁第二節(jié)氮素循環(huán)中微生物的作用一、氨化作用第44頁/共59頁第二節(jié)氮素循環(huán)中微生物的作用二、硝化作用將銨氧化形成硝酸的微生物學(xué)過程硝化作用化能自養(yǎng)型（好氧）異養(yǎng)型（厭氧、耐酸）1、硝化細菌和硝化作用的過程NH4+

NO2-NO3-硝酸細菌亞硝酸細菌第45頁/共59頁第二節(jié)氮素循環(huán)中微生物的作用二、硝化作用2、影響硝化作用的環(huán)境因素

(1)pH值：喜歡微堿性環(huán)境；

(2)溫度：4-40℃，最適：25-35℃；

(3)通氣：需要氧、CO2；

(4)濕度：過量-影響通氣，不足-引起細胞缺水。3、硝化作用的農(nóng)業(yè)意義淋溶、反硝化硝化作用的化學(xué)抑制第46頁/共59頁第二節(jié)氮素循環(huán)中微生物的作用三、反硝化作用微生物將硝酸還原為氨、N2O及N2的過程HNO3N2O或N2NH3硝酸鹽的同化還原作用硝酸鹽的異化還原作用（脫氮）1、反硝化作用的過程第47頁/共59頁第二節(jié)氮素循環(huán)中微生物的作用三、反硝化作用2、反硝化作用微生物大多數(shù)：異養(yǎng)、兼性厭氧極少數(shù)：化能自養(yǎng)型（脫氮硫桿菌）第48頁/共59頁第二節(jié)氮素循環(huán)中微生物的作用三、反硝化作用3、環(huán)境對反硝化作用的影響①通氣狀況——厭氧環(huán)境②pH值——微堿性③有機質(zhì)與NO-3含量——豐富*水稻干濕交替的栽培方式非常有利于反硝化形式脫氮。第49頁/共59頁第二節(jié)氮素循環(huán)中微生物的作用四、生物固氮土壤氮素損失的途徑:收獲、NH3、NO3-、N2O、N2

投入的途徑:施肥、降雨或灌溉、生物固氮等*生物固氮量：1.22~1.75萬噸/年第50頁/共59頁第二節(jié)氮素循環(huán)中微生物的作用四、生物固氮共生固氮作用100余屬細菌放線菌蘭細菌固氮微生物非豆科植物21個屬豆科植物700個屬生物固氮：

分子態(tài)氮在微生物體內(nèi)由固氮酶催化下還原為氨的過程。第51頁/共59頁第二節(jié)氮素循環(huán)中微生物的作用四、生物固氮（一）生物固氮作用的機理1、固N酶的結(jié)構(gòu)：鉬鐵蛋白和鐵蛋白（釩固氮酶）2、固N酶固氮的基本反應(yīng)1、能量（28ATP）2、電子供體3、電子載體（鐵氧還蛋白和黃素氧還蛋白）4、無氧環(huán)境(氧化電子載體或抑制固氮酶）3、固N酶作用的基本條件N2+8e+8H++28ATP2NH3+H2+28ADP+nPi第52頁/共59頁第二節(jié)氮素循環(huán)中微生物的作用四、生物固氮（二）生物固氮種類1、自生固氮：微生物獨立生活時進行固氮的現(xiàn)象。2、共生固氮：微生物與植物形成具有特殊結(jié)構(gòu)與功能的器官而進行固氮的現(xiàn)象。3、內(nèi)生固氮：生活在植物根的細胞內(nèi)或細胞間的某些細菌進行固氮作用的現(xiàn)象。4、聯(lián)合固氮：固氮微生物與植物根系聯(lián)合成松散的結(jié)構(gòu)進行固氮作用的現(xiàn)象。第53頁/共59頁第二節(jié)氮素循環(huán)中微生物的作用四、生物固氮（三）影響生物固氮作用的因素1、土壤化合態(tài)氮對自生和共生固氮作用的影響(1)對自生固氮的影響:抑制固氮酶活性—破壞電子傳遞(2)對共生固氮的影響:妨礙根瘤菌進入根毛影響根瘤的長大降低根瘤的固氮活性豐富的化合態(tài)氮抑制固氮作用第54頁/共59頁第二節(jié)氮素循環(huán)中微生物的作用四、生物固氮（三）影響生物固氮作用的因素2、氧氣對固氮作用的影響好氣固氮菌固氮的防氧保護：