知識(shí)資料第二章知識(shí)資料環(huán)境工程微生物學(xué)(十九)(新版)

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。PAGE第頁(yè)/共頁(yè)（1）自生固氮自生同氮細(xì)菌有100多種，既有好氧細(xì)菌（固氮菌，Azotobacter）和兼性好氧細(xì)菌（固氮螺菌，AzosPirillum），也有厭氧細(xì)菌（梭狀芽抱桿菌，Clostridium）。一些放線(xiàn)菌和藍(lán)細(xì)菌也能舉行固氮作用。因?yàn)樗猩锒夹枰潭☉B(tài)氮，所以固氮菌分布廣泛。自生固氮微生物的固氮能力較低，1－2kgN／（hm2·年）。藍(lán)細(xì)菌是水體環(huán)境的主要固氮微生物，因?yàn)樗鼈兡芘e行光合作用，固氮能力比非光能營(yíng)養(yǎng)型自生固氮菌高l－2個(gè)數(shù)量級(jí)。（2）聯(lián)合固氮。固氮細(xì)菌生長(zhǎng)于植物根際，與植物聯(lián)合，可提高固氮能力。（3）共生固氮（symbioticnitrogenixation）。植物與固氮菌建立共生關(guān)系后，固氮效率大大提高。迄今研究得最多的是根瘤菌與豆科植物的共生固氮，其固氮能力為200－300ksN／（hm2·年）。3．氨的同化將氨合成細(xì)胞物質(zhì)的生物過(guò)程稱(chēng)為氨的同化（ammoniaassimilation）。生物固氮的產(chǎn)物NH3）可被細(xì)胞用干合成氨基酸而進(jìn)人蛋白質(zhì)；合成瞟吟和嚼陡而進(jìn)人核酸；合成N－乙酷胞壁酸（細(xì)胞壁成分）而進(jìn)人細(xì)菌細(xì)胞壁。微生物同化氨的生化途徑有以下兩種。（1）氨與α－酮戊二酸結(jié)合形成谷氨酸。這個(gè)反應(yīng)受環(huán)境中氨濃度的控制。當(dāng)氨濃度較高（＞0．lmmol／L或＞0．5mg／kg土壤）而且細(xì)胞內(nèi)存在NADH時(shí)，氨與。－酮戊二酸結(jié)合形成谷氨酸。通常，土壤和水體中的氨濃度都不高，因此這一途徑的作用不大。（2）氨與谷氨酸結(jié)合形成谷氨酚氨。4．氨化作用將有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氨的生物反應(yīng)，稱(chēng)為氨化作用（ammonification）。生物死亡后，機(jī)體破壞，細(xì)胞壁、蛋白質(zhì)、核酸、腺酸等含氮有機(jī)物被分解而釋放氨。在天然界，氨化作用是含氮有機(jī)物礦化，實(shí)現(xiàn)氮素被生物循環(huán)使用的重要環(huán)節(jié)。在微生物的作用下，蛋白質(zhì)水解成多肽，再水解成氨基酸，即蛋白質(zhì)→多肽→氨基酸氨基酸可被攝人細(xì)胞，經(jīng)過(guò)多種途徑脫除氨基生成相應(yīng)的有機(jī)酸，并釋放氨。釋放的氨又會(huì)被微生物再次同化。氨的同化作用（生物固定）與氨化作用（礦化作用）畢竟以哪個(gè)為主？通常，當(dāng)?shù)芟拗茣r(shí)，以生物固定為主；反之，則以礦化作用為主。氮是否成為限制因子，與環(huán)境中的碳氮比（C／N比）有關(guān)。構(gòu)成細(xì)菌細(xì)胞的C／N比為4－5，真菌為10，囫圇土壤微生物的平均C／廠比為8。當(dāng)C／N比等于8時(shí)，生物固定與礦化作用理應(yīng)達(dá)到平衡。但是，微生物吸收的有機(jī)物質(zhì)除用于構(gòu)建細(xì)胞外，大量用于產(chǎn)能。在所利用的有機(jī)碳中，惟獨(dú)40％結(jié)合進(jìn)生物體，其余均以二氧化碳釋放。若將土壤微生物的平均C／N比乘上系數(shù)2．5，則剛好與實(shí)際情況相符。因此，C／N比等于20不僅是生物固定與礦化作用達(dá)到平衡的理論值，也是實(shí)際看見(jiàn)值。當(dāng)施用C／N比小于20的有機(jī)肥料時(shí)，礦化作用強(qiáng)于生物固定，可釋放部分氨氮。然而，當(dāng)施用C／N比大于20的有機(jī)肥料時(shí)，生物同定超過(guò)礦化作用，不但不能提供氨氮，反而還需從環(huán)境中補(bǔ)缺，對(duì)植物生長(zhǎng)不利。因此，對(duì)于秸稈、落葉等碳氮比較高的有機(jī)肥料，可加人人糞和硫酸鉸等富含速效氮的物質(zhì)，以降低碳氮比，提高肥效。5．硝化作用將氨氧化為亞硝酸和硝酸的生物過(guò)程，稱(chēng)為硝化作用。硝化作用分兩步舉行。亞硝化（氨氧化）細(xì)菌將氨氧化成亞硝酸，但不能繼續(xù)氧化成硝酸。反之，硝化（亞硝酸氧化）細(xì)菌將亞硝酸氧化成硝酸，但不能氧化氨。至今還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)能夠把氨直接氧化成硝酸的微生物。氨和亞硝酸鹽依次是亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌舉行自養(yǎng)生長(zhǎng)的唯一能源。從熱力學(xué)上看，這兩種硝化基質(zhì)均為低級(jí)能源。催化氨氧化成亞硝酸的細(xì)菌是亞硝上細(xì)菌，包括亞硝化單胞菌屬（Nitrosomon。）、亞硝化球菌屬（NitTOSOcOCC。）和亞硝化螺菌屬（Nit。SOspi。）3個(gè)屬。催化亞硝酸氧化成硝酸的是硝化細(xì)菌，包括硝化桿菌屬（NitrobaCter）、硝化球菌屬（Nitrococc。）、硝化棘菌屬（NitrosPina）和硝化螺菌屬（Nitopira）。多年來(lái)，向來(lái)認(rèn)為亞硝化細(xì)菌是鄭重的好氧化能自養(yǎng)菌其生理特性為：在供氧充足的情況下，將氨（通過(guò)羥胺）氧化成亞硝酸，從中取得能量合成ATP和NADH。，進(jìn)而同化二氧化碳而生長(zhǎng)。簡(jiǎn)言之，需氧、氨為能源、二氧化碳為碳源。深人研究發(fā)現(xiàn)，亞硝化細(xì)菌對(duì)環(huán)境的應(yīng)變能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的想像。例如，在氧分壓較低時(shí)，歐洲亞硝化單胞菌可同時(shí)利用氧和亞硝酸鹽作電子受體；隨著氧濃度的降低，亞硝酸鹽的消耗比例增大；在無(wú)氧時(shí)，亞硝酸鹽可單獨(dú)作電子受體。又如，在以亞硝酸鹽單獨(dú)作電子受體時(shí)，歐洲亞硝化單胞茵可利用氫、氨和有機(jī)物等多種基質(zhì)作電子供體，其中，以氨為電子供體、亞硝酸鹽為電于受體的反應(yīng)稱(chēng)為厭氧氨氧化。硝化細(xì)菌也曾持久被看成是鄭重的好氧性化能自養(yǎng)菌。普通認(rèn)為它們的生理特性是：在供氧充足的情況下，將亞硝酸氧化成硝酸，從中取得能量合成ATP和NADH。，進(jìn)而同化二氧化碳而生長(zhǎng)，也即“好氧”。事實(shí)上，它們也能“好氧（、”和“缺氧（NO。）／化能（有機(jī)質(zhì)）／異養(yǎng)（有機(jī)質(zhì)）”。6．反硝化作用反硝化作用（denitrifieation）是指硝酸鹽被細(xì)胞吸收后，被用作電子受體而還原為氮?dú)獾纳镞^(guò)程。1）反硝化細(xì)菌不像硝化細(xì)菌，在分類(lèi)學(xué)上反硝化細(xì)菌沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的類(lèi)群，它們凝聚于眾多不同的細(xì)菌屬中。就生物的多樣性而言，沒(méi)有一種無(wú)機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化可與反硝化作用相提并論。天然界最普遍的反硝化細(xì)菌是假單胞菌，第二為產(chǎn)堿桿菌。相對(duì)于這兩個(gè)屬而言，其他反硝化菌的浮上頻率較低，惟獨(dú)在某些異常的環(huán)境中才居優(yōu)勢(shì)。在土壤中，熒光假單胞菌居絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。反硝化細(xì)菌的能源譜較寬，化學(xué)能（包括有機(jī)物質(zhì)和無(wú)機(jī)物質(zhì)）和光能均可。其中，有機(jī)物質(zhì)是許多反硝化菌的主要能源。反硝化細(xì)菌多為兼性厭氧菌，在能量代謝中，可以利用氧氣或硝酸鹽作為總算電子受體。氧氣受到限制時(shí)，硝酸鹽取代氧氣的功能。固然硝酸鹽與氧氣都從呼吸鏈采納電子；但以硝酸鹽作為電子受體時(shí)，基質(zhì)釋放的能量下降。以硫酸鹽取代硝酸鹽時(shí)，基質(zhì)釋放的能量也會(huì)下降。因?yàn)榛|(zhì)釋能上的差異，硫酸鹽還原細(xì)菌對(duì)基質(zhì)（有機(jī)物質(zhì)）的競(jìng)爭(zhēng)能力不如反硝化細(xì)菌，所以在污水處理系統(tǒng)中，即使缺氧（沒(méi)有氧氣，但有硝酸鹽），硫酸鹽也不會(huì)被還原為硫化氫而產(chǎn)生臭味。2）反硝化反應(yīng)按照已有的研究結(jié)果，反硝化作用分4步舉行：NO3一→NO2一→NO→N2O→N2。硝酸鹽還原反應(yīng)由硝酸還原酶催化。該酶以?xún)煞N形態(tài)存在：一種游離于細(xì)胞壁與細(xì)胞膜之間，稱(chēng)為膜外硝酸還原酶，該酶對(duì)氧氣穩(wěn)定，有氧時(shí)也具催化活性；另一種鑲嵌于細(xì)胞膜內(nèi)，稱(chēng)為膜內(nèi)硝酸還原酶（memhranenitratereductase），基質(zhì)惟獨(dú)進(jìn)人細(xì)胞才干受此酶作用。兩種硝酸還原酶的作用產(chǎn)物均為亞硝酸鹽。亞硝酸鹽還原反應(yīng)由亞硝酸還原酶催化。該酶分布于細(xì)胞壁與細(xì)胞膜之間，有兩種類(lèi)型：一種為二聚體，含c和d1型血紅素，稱(chēng)為血紅素型亞硝酸還原酶；另一種為三聚體，含兩種銅活性中央，稱(chēng)為銅型亞硝酸還原酶。在很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，向來(lái)認(rèn)為一氧化二氮是亞硝酸還原酶的作用產(chǎn)物。直至20世紀(jì)80年代末期，才證實(shí)并采納一氧化氮為該酶的作用產(chǎn)物。因?yàn)橐谎趸獎(jiǎng)《荆谎趸亩逊e可殺死細(xì)胞，因此即使擁有亞硝酸還原酶，但缺失一氧化氮還原酶，對(duì)細(xì)菌具有自殺作用。一氧化氮還原反應(yīng)由一氧化氮還原酶催化。該酶結(jié)合干細(xì)胞膜內(nèi)，是4個(gè)脫氮酶中最后被分離的酶。它的作用產(chǎn)物是一氧化二氮。一氧化氮對(duì)細(xì)胞具有毒性，而一氧化二氮沒(méi)有毒性，并能抑制后續(xù)反應(yīng)，將有限的電子擴(kuò)散用于一氧化氮還原是反硝化細(xì)菌免遭一氧化氮毒害的保護(hù)機(jī)制之一。另一個(gè)保護(hù)機(jī)制是，一氧化氮還原酶對(duì)一氧化氮具有極高的親和力，可使一氧化氮濃度維持在μmol/L水平（低于毒害臨界值）。一氧化二氮還原反應(yīng)由