微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用

關(guān)于微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第1頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三

生物地球化學(xué)循環(huán)：生物參與的自然界的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程。細(xì)菌、真菌：分解者

第2頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三第一節(jié)氧循環(huán)大氣中氧含量約占空氣體積分?jǐn)?shù)的21%人和動(dòng)物呼吸、微生物分解有機(jī)物都需要氧氣所消耗的氧由陸地和水體中的植物及藻類進(jìn)行光合作用釋放補(bǔ)充第3頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三第4頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三含碳物質(zhì)：二氧化碳、一氧化碳、甲烷、糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等第二節(jié)碳素循環(huán)第5頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三第6頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三第7頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三1）光合作用2）發(fā)酵3）甲烷產(chǎn)生作用4）有氧降解（呼吸作用）第8頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三第9頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三第10頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三以CO2為代表的溫室氣體的大量排放，導(dǎo)致了全球性的“溫室效應(yīng)”，并由此引發(fā)了一系列環(huán)境問題。由于CO2持續(xù)增高，20世紀(jì)地球表面溫度上升了0.3~0.6℃，海平面上升10~25cm。到21世紀(jì)中葉，全球溫度將增加1.5~4℃。第11頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三大氣甲烷含量以大約1%的速度逐年遞增，在過去的300年中從0.7×10-6

上升到1.6×10-6~1.7×10-6

（體積分?jǐn)?shù)）。甲烷來自水稻、反芻動(dòng)物、煤礦、污水處理廠、垃圾填埋場(chǎng)、沼澤地。CO來自石油、煤的燃燒、汽車尾氣等。第12頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三一、纖維素的轉(zhuǎn)化葡萄糖的高分子聚合物分子式：(C6H10O5)(1400~10000).以樹木、農(nóng)作物秸稈為原料的工業(yè)生產(chǎn)廢水含有大量纖維素。第13頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三第14頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三分解纖維素的微生物：細(xì)菌、放線菌和真菌。細(xì)菌的纖維素酶：表面酶真菌和放線菌的纖維素酶：胞外酶第15頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三分解纖維素的微生物細(xì)菌：粘細(xì)菌、鐮狀纖維菌、纖維弧菌真菌：青霉菌、曲霉、鐮刀霉、木霉及毛霉放線菌：鏈霉菌屬第16頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三二.半纖維素的轉(zhuǎn)化半纖維素為雜聚糖，存在于植物細(xì)胞壁中造紙廢水和人造纖維廢水含半纖維素土壤微生物分解半纖維素的速率比分解纖維素快第17頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三分解纖維素的微生物大多數(shù)能分解半纖維素芽孢桿菌假單胞菌節(jié)細(xì)菌放線菌霉菌第18頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三三.果膠質(zhì)的轉(zhuǎn)化果膠質(zhì)是由D-半乳糖醛酸以a-1,4糖苷鍵構(gòu)成。造紙、制麻廢水多含有果膠質(zhì)（一）果膠質(zhì)的水解過程第19頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三水解產(chǎn)物（果膠酸、聚戊糖、半乳糖醛酸、甲醇等）的分解在好氧條件下分解為二氧化碳和水厭氧條件下進(jìn)行丁酸發(fā)酵：產(chǎn)物有丁酸、乙酸、醇類、二氧化碳和水第20頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三分解果膠質(zhì)的微生物：好氧菌：枯草芽孢桿菌、多粘芽孢桿菌厭氧菌：蝕果膠梭菌、費(fèi)新尼亞浸麻梭菌真菌：青霉、曲霉、小克銀漢霉、芽枝孢霉、根霉、毛霉放線菌第21頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三四.淀粉的轉(zhuǎn)化淀粉種類：淀粉有直鏈淀粉和支鏈淀粉兩類葡萄糖脫水縮合以a-1,4糖苷鍵組成直鏈淀粉除了a-1,4糖苷鍵，還有a-1,6糖苷鍵構(gòu)成分支淀粉廠、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第22頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三淀粉的分解途徑丁酸梭狀芽孢桿菌丙酮丁酸梭狀芽孢桿菌丁酸梭狀芽孢桿菌淀粉還可以在磷酸化酶催化下分解，使淀粉中的葡萄糖分子一個(gè)一個(gè)分解下來。第23頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三五.脂肪的轉(zhuǎn)化脂肪是甘油和高級(jí)脂肪酸所形成。飽和脂肪酸和甘油組成的常溫下呈固態(tài)的稱為脂由不飽和脂肪酸和甘油組成的常溫下呈液態(tài)的稱為油毛紡廠廢水、油脂廠廢水、制革廢水含有大量油脂。第24頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三甘油的轉(zhuǎn)化丙酮酸乙酰輔酶A二氧化碳和水1-磷酸葡萄糖第25頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三脂肪酸的?-氧化第26頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三六.木質(zhì)素的轉(zhuǎn)化木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)一般認(rèn)為是以苯環(huán)為核心帶有丙烷支鏈的多種芳香族化合物經(jīng)氧化縮合而成。造紙和人造纖維廢水含有大量木質(zhì)素。分解木質(zhì)素的微生物：擔(dān)子菌綱中的一些種，厚孢毛霉，松栓霉，假單胞菌中的個(gè)別種。第27頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三七、烴類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化石油中含有烷烴（30%）、環(huán)烷烴（46%）及芳香烴（28%）。第28頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三石油的微生物降解1、降解機(jī)理A.鏈烷烴的微生物降解①微生物攻擊鏈烷烴的末端甲基，由混合功能氧化酶催化，生成伯醇，在進(jìn)一步氧化成為醛和脂肪酸，脂肪酸接著通過β-氧化進(jìn)一步代謝。第29頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三A.鏈烷烴的微生物降解②有些微生物攻擊鏈烷烴的次末端，在鏈內(nèi)的碳原子上插入氧。首先生成仲醇，再進(jìn)一步氧化，生成酮，再代謝為酯，酯鍵裂解生成伯醇和脂肪酸。醇繼續(xù)氧化成醛、羧酸、接著通過β-氧化進(jìn)一步代謝。第30頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三B.不具備末端甲基的環(huán)烷烴的微生物降解（類似于上述次末端氧化的機(jī)制）如環(huán)己烷，由混合功能氧化酶的羥化作用生成環(huán)己醇，后者脫氫生成酮，再進(jìn)一步氧化，一個(gè)氧插入環(huán)而生成內(nèi)酯，內(nèi)酯開環(huán)，一端的羥基被氧化成醛基，再氧化成羧基，生成的二羧酸通過β-氧化進(jìn)一步代謝。第31頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三常見的是能轉(zhuǎn)化環(huán)己烷為環(huán)己酮的微生物不能內(nèi)酯化和開環(huán)而能將環(huán)己酮內(nèi)酯化和開環(huán)的微生物卻不能轉(zhuǎn)化環(huán)己烷為環(huán)己酮?？梢娢⑸镏g的互生關(guān)系和共代謝在環(huán)烷烴的生物降解中起著重要的作用。第32頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三以環(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，另一些微生物只能將環(huán)己酮氧化開鏈而不能氧化環(huán)己烷，兩類以上微生物的協(xié)同作用下將污染物徹底降解。第33頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三C.芳香烴D.多環(huán)芳烴苯的代謝鄰位開環(huán)第34頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三萘的代謝第35頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三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36頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三第三節(jié)氮循環(huán)第37頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三第38頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三1)生物固氮2）硝化作用（亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌）3）硝酸鹽同化作用4）氨化作用（蛋白的水解和脫氨）5）氨鹽同化作用6）硝酸的異化還原7）反硝化作用（硝酸鹽還原為氮?dú)猓?）亞硝酸氨化作用第39頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三1)生物固氮：在固氮微生物的作用下把分子氮轉(zhuǎn)化為氨，進(jìn)而合成為有機(jī)氮化合物的過程。固氮生物共生固氮菌--Rhizobium根瘤菌屬非豆科植物的共生固氮放線菌—Frankia

弗蘭克氏菌屬各種藍(lán)細(xì)菌自生固氮菌，如Azotobacter固氮菌屬第40頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三2)硝化作用：在土壤或水體中的氨態(tài)氮經(jīng)化能自氧細(xì)菌（亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌）的氧化轉(zhuǎn)化成為硝酸態(tài)氮的過程。第41頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三3)硝酸鹽同化作用：幾乎一切綠色植物和多種微生物都可利用硝酸鹽作氮素營(yíng)養(yǎng)源，在利用過程中，硝酸鹽被重新還原成NH4+后再被利用于合成各種含氮有機(jī)物，這就是硝酸鹽同化作用。第42頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三4)氨化作用：即含氮有機(jī)物經(jīng)微生物分解產(chǎn)生氨的作用。5)銨鹽同化作用：由所有綠色植物和許多微生物進(jìn)行的以銨鹽為營(yíng)養(yǎng)，合成氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸和其他含氮有機(jī)物的作用。第43頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三6)異化性硝酸鹽還原作用：指硝酸離子作為呼吸鏈的末端電子受體從而被還原為亞硝酸的反應(yīng)。（硝酸鹽呼吸，厭氧呼吸）第44頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三7)反硝化作用（脫氮作用）：兼性厭氧的硝酸鹽還原細(xì)菌將硝酸鹽還原為氮?dú)獾倪^程。反硝化作用一般只發(fā)生在厭氧條件下少數(shù)異養(yǎng)和化能自養(yǎng)微生物可進(jìn)行反硝化作用。第45頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三8）亞硝酸氨化作用：亞硝酸通過異化性還原可以經(jīng)羥氨而轉(zhuǎn)變成氨，這就叫亞硝酸氨化作用。第46頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三一、蛋白質(zhì)的水解和氨基酸的轉(zhuǎn)化（一）蛋白質(zhì)水解生活污水、屠宰廢水、罐頭食品加工廢水、乳品加工廢水、制革廢水均含蛋白質(zhì)和氨基酸。蛋白質(zhì)水解過程第47頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三分解蛋白質(zhì)的微生物好氧細(xì)菌：枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌等兼性厭氧菌：變形桿菌、假單胞菌厭氧菌：腐敗梭狀芽孢桿菌、生孢梭狀芽孢桿菌致病鏈球菌、葡萄球菌真菌：曲霉、毛霉和木霉第48頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三（二）氨基酸的轉(zhuǎn)化1.脫氨作用即氨化作用。氨化作用：即含氮有機(jī)物經(jīng)微生物分解產(chǎn)生氨的作用。脫氨方式：

氧化脫氨還原脫氨水解脫氨減飽和脫氨第49頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三第50頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三斯提克蘭反應(yīng)第51頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三③水解脫氨：氨基酸水解脫氨后生成羧酸。第52頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三第53頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三②脫羧作用：氨基酸脫羧作用多數(shù)由腐敗細(xì)菌和霉菌引起，經(jīng)脫羧后生成胺。氨基酸的轉(zhuǎn)化第54頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三二、尿素的氨化生活污水、印染廢水含尿素。尿素含氮47%在污水處理中，當(dāng)缺氮時(shí)可加尿素補(bǔ)充氮源。脲酶第55頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三三、硝化作用在土壤或水體中的氨態(tài)氮經(jīng)化能自養(yǎng)細(xì)菌（亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌）的氧化轉(zhuǎn)化成為硝酸的過程。第56頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三四、反硝化作用反硝化作用（脫氮作用）：兼性厭氧的硝酸鹽還原細(xì)菌將硝酸鹽還原為氮?dú)獾倪^程。反硝化作用一般只發(fā)生在厭氧條件下少數(shù)異養(yǎng)和化能自養(yǎng)微生物可進(jìn)行反硝化作用。第57頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三反硝化細(xì)菌有：施氏假單胞菌、脫氮假單胞菌、熒光假單胞菌、紫色色桿菌、脫氮色桿菌等第58頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三五、固氮作用生物固氮：在固氮微生物的作用下把分子氮轉(zhuǎn)化為氨，進(jìn)而合成為有機(jī)氮化合物的過程。固氮生物共生固氮菌--Rhizobium根瘤菌屬非豆科植物的共生固氮放線菌—Frankia

弗蘭克氏菌屬各種藍(lán)細(xì)菌自生固氮菌，如Azotobacter固氮菌屬第59頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三第四節(jié)硫循環(huán)1）同化性硫酸鹽還原作用2）脫硫作用（含硫蛋白的分解）3）硫化作用（H2S或S氧化為S或硫酸）4）硫酸鹽的異化還原（無氧呼吸）5）硫的異化還原第60頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三一、含硫有機(jī)物的轉(zhuǎn)化以-SH形式組成含硫氨基酸，含硫有機(jī)物存在于生物體的蛋白質(zhì)中。第61頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三脫硫作用（含硫蛋白的分解）：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62頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三二、無機(jī)硫的轉(zhuǎn)化第63頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三（一）硫化作用：即硫的氧化作用。在有氧條件下，通過硫細(xì)菌將硫化氫氧化為硫酸的過程。參與硫化作用的微生物硫化細(xì)菌硫磺細(xì)菌第64頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三1.硫化細(xì)菌：氧化硫硫桿菌氧化亞鐵硫桿菌第65頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三第66頁，講稿共75頁，2023年5月2日，星期三它能從氧化硫酸亞鐵、硫代硫酸鹽中獲得能量，還能將硫酸亞鐵氧化成硫酸高鐵硫酸及硫酸高鐵溶液是有效浸溶劑生成的硫酸銅通過置換、萃取、電解或離子交換等方法回收金