第08環(huán)境工程微生物學(xué)

第二章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用下篇

本章的重點內(nèi)容

主要物質(zhì)的循環(huán)(碳氮磷)微生物對有機物的降解過程本章的主要內(nèi)容氧循環(huán)(自學(xué))

碳循環(huán)(1.5學(xué)時)

氮循環(huán)(1.5學(xué)時)

硫循環(huán)

磷循環(huán)(1學(xué)時)

鐵錳的循環(huán)

第二節(jié)碳循環(huán)

一、碳源污染物的轉(zhuǎn)化包括:

糖類、脂類、烴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)、淀粉。1．纖維素的轉(zhuǎn)化β葡萄糖高聚物，每個纖維素分子含1400~10000個葡萄糖基（β1-4糖苷鍵）。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．微生物分解途徑三羧酸循環(huán)酒精的研究B．分解纖維素的微生物好氧性纖維素分解菌：粘細菌居多，有生孢食纖維菌、食纖維菌和堆囊粘菌，為G－。此外還有鐮狀纖維菌與纖維弧菌。厭氧性纖維素分解菌：主要是芽孢梭菌屬，如產(chǎn)纖維二糖芽孢梭菌、嗜熱纖維芽孢梭菌。放線菌：土壤中有2.0％～4.4％的放線菌能分解纖維素，如白色、灰色及紅色鏈霉菌，分解能力較細菌和真菌弱。真菌：許多真菌具有很強的纖維素分解能力，如木霉、鐮刀霉、青霉、曲霉及毛霉等。

需要時可以向有菌種庫的研究機構(gòu)購買或自行篩選。

細胞表面酶：如細菌的纖維素酶,結(jié)合在細胞質(zhì)膜上

細胞胞外酶：如真菌和放線菌的纖維素酶,可分泌到培養(yǎng)基中。C．分解纖維素的酶秸稈飼料化利用是將秸稈經(jīng)微生物發(fā)酵轉(zhuǎn)化生產(chǎn)飼料，該種飼料適口性好，易消化，含豐富營養(yǎng)價值，可作為畜、禽、魚等的尚好飼料。秸稈制酒精技術(shù)秸稈制取酒精的工藝為：洗滌、蒸煮軟化、糖化發(fā)酵、蒸餾取酒等工序。D．應(yīng)用秸稈發(fā)酵制酒精的研究

1、直接發(fā)酵法

本方法的特點是基于同一微生物糖化發(fā)酵纖維素生產(chǎn)乙醇，不需要經(jīng)過酸解或酶解前處理過程。直接發(fā)酵法中常用的微生物是熱纖維梭菌，它能分解纖維素并使產(chǎn)生纖維二糖、葡萄糖、果糖等發(fā)酵，水解發(fā)酵的最適溫度為56～64℃，最是PH值為6.4～7.4。呂福英等分離出能直接發(fā)酵纖維素生產(chǎn)乙醇的高純富集物，利用其能直接將木質(zhì)纖維素材料發(fā)酵成乙醇。

2、間接發(fā)酵法

間接發(fā)酵法即糖化、發(fā)酵二段發(fā)酵法，該法是目前研究最多的一種方法，首先利用纖維素酶水解纖維素，酶解后的糖液作為發(fā)酵碳源，利用酵母或細菌發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。

研究內(nèi)容

①從學(xué)校附近長期被腐爛稻草覆蓋的地方采集土樣，然后通過一系列的方法，分離出若干株纖維素降解菌。

②從分離出的菌株中篩選出一株活性最高的菌株。

③對這株菌進行單影響因素的研究。

④通過單影響因素研究，以正交實驗的方法，確定這株菌的最優(yōu)培養(yǎng)基（氮源、起始PH、無機鹽）。采樣富集培養(yǎng)目的菌種的分離與篩選酶活力初步測定單影響因素研究正交實驗總結(jié)技術(shù)路線2．半纖維素的轉(zhuǎn)化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。A．微生物分解途徑

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。許多芽孢桿菌、假單胞菌、節(jié)細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。A．微生物分解途徑

B．分解半纖維素的微生物

C．分解半纖維素的酶

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（二）脂肪的轉(zhuǎn)化脂肪的水解甘油的轉(zhuǎn)化脂肪酸的β－氧化

1mol硬脂酸含18個C，需要經(jīng)過8次β－氧化作用，全部降解為9mol乙酰輔酶A，總共可產(chǎn)生147molATP。

TCA循環(huán)（二）脂肪的轉(zhuǎn)化1．烴的降解機理A．鏈烷烴的降解

+O2R-CH2-CH2-CH3R-CH2-CH2-COOHβ-氧化

CO2+H2OCH2-COOH+R-COOHB．無支鏈環(huán)烷烴的降解：以環(huán)己烷為例

（三）烴類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化苯、萘、菲、蒽的降解為如下圖所示

苯的代謝C．芳香烴萘的代謝菲的代謝蒽的代謝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，可表示如下各類芳香烴在降解過程中的共同點是什么?2．降解烴的微生物降解烴的微生物很多，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）烴類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化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Lignin木質(zhì)素木質(zhì)素空腔纖維素木質(zhì)素存在于除苔蘚和藻類外所有植物的細胞壁中，（四）木質(zhì)素的轉(zhuǎn)化木質(zhì)素模式圖木質(zhì)素的轉(zhuǎn)化木質(zhì)素是植物體的重要組分，含量僅次于纖維素和半纖維素。占植物干重的15～20％，木材的木質(zhì)素含量高達30％左右。木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)是以苯環(huán)為核心帶有丙烷支鏈的一種或多種芳香族化合物經(jīng)氧化縮和而成。造紙廢水和人造纖維廢水中含有木質(zhì)素。自然界中哪些微生物能夠進行木質(zhì)素的降解呢？干朽菌、多孔菌、傘菌等的一些種，厚孢毛霉和松栓菌黃孢原平毛革菌(Phanerochaetechrysosprium)是白腐真菌的一種，隸屬于擔子菌綱、同擔子菌亞綱、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。

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。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。*兩類以上微生物的協(xié)同作用下將污染物徹底降解——共代謝多氯聯(lián)苯(polychlorinatedbiphenyl)類降解菌：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。多氯聯(lián)苯類降解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。危害：ABS可以在天然水體中存留800h以上，使這得接納他的水體長時間保持，產(chǎn)生大量泡沫，引起水體缺氧。為使洗滌劑易于生物降解，人們將ABS的結(jié)構(gòu)改變?yōu)榫€性的直鏈烷基苯磺酸鹽（LAS）：由于減少了分支，它的生物分解速度大為提高。A．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——諾卡氏菌解釋LAS降解機理B．洗滌劑的降解機理LAS的結(jié)構(gòu)TCA碳素循環(huán)光合作用藻類、綠色植物、藍細菌（CH2O）n有機化合物呼吸作用動植物及微生物需氧厭氧CO2厭氧呼吸、發(fā)酵厭氧微生物，包括光合細菌有機化合物（CH2O）n光合細菌沉積作用產(chǎn)甲烷細菌甲基化合物甲烷氧化細菌CH4纖維素結(jié)構(gòu)燃燒秸桿氮循環(huán)包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用、及固氮作用。

第三節(jié)氮循環(huán)有機態(tài)N被微生物降解形成NH3的過程1.蛋白質(zhì)物質(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（一）氨化作用(1)蛋白質(zhì)水解蛋白質(zhì)→胨→肽→氨基酸分解蛋白質(zhì)的微生物好氧細菌：枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、蕈狀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菌：鏈球菌、葡萄球菌真菌：曲霉、毛霉、木霉放線菌：鏈霉菌(2)氨基酸的轉(zhuǎn)化1)脫氨作用氧化脫氨還原脫氨

斯提克蘭反應(yīng)：專性厭氧菌和兼性厭氧菌,以一種氨基酸作為供氫體，另一種氨基酸作為受氫體，二者偶聯(lián)進行氧化還原脫羧脫氨作用。丙氨酸甘氨酸乙酸

水解脫氨減飽和脫氨2)脫羧作用

2尿素的氨化用酚紅可檢驗此反應(yīng)，呈紅色說明有氨產(chǎn)生。分解尿素的微生物：尿八疊球菌、尿小球菌等。尿素分解時不放出能量，故不能作為能源，只能作為氮源。尿酶——在有氧條件下，氨經(jīng)亞硝酸菌和硝酸菌的作用轉(zhuǎn)化為硝酸的過程。2NH3＋3O2→2HNO2＋2H2O＋619kJ2HNO2＋3O2→2HNO3＋201kJ（二）硝化作用1、硝化細菌和硝化作用的過程2、硝化作用微生物硝化細菌，G－，為好氧菌，適宜在中性和偏堿性環(huán)境中生長，不需要有機營養(yǎng)，化能自養(yǎng)型。4.硝化作用的意義生活污水和工業(yè)廢水如味精廢水、賴氨酸廢水等含有相當高濃度的氨氮。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氣溢出水面。3、影響硝化作用的環(huán)境因素

(1)pH值：適宜微堿性

(2)溫度：4-40℃，最適：25-35℃(3)通氣：需氧

(4)濕度：過量影響通氣，不足引起細胞缺水。

(5)營養(yǎng)類型：化能自養(yǎng)型。反硝化細菌將硝酸鹽還原為氮氣的過程。HNO3N2O或N2NH3

兼性厭氧菌在厭氧條件下進行1、反硝化作用的結(jié)果HNO2

細菌、放線菌、真菌利用（三）反硝化作用討論是否是反硝化作用反硝化作用，

狹義的指將硝酸鹽還原為分子態(tài)氮的過程，稱為脫氮作用；

廣義的指將硝酸鹽還原為較簡單的氮化合物的過程，除了脫氮作用外，還包括硝酸鹽還原作用（指脫氮作用以外的還原作用，例如硝酸鹽還原為亞硝酸鹽的作用）。

多種細菌和真菌都具有硝酸鹽還原酶，可以將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽。方程式如下：

NHO3+2H------------>HNO2+H2O

(需要硝酸還原酶的作用)

而脫氮作用，則常常與無氮有機物的氧化反應(yīng)伴隨發(fā)生，例如：

C6H12O6+6H2O---------->6CO2+24H

24H+4NO3--------------->12H2O+2N2

總的反應(yīng)方程式為：

C6H12O6+4NO3------------->6CO2+6H2O+2N2+420cal

很多細菌可以引起脫氮作用，主要是一些革蘭氏陰性的無芽胞桿菌，如熒光桿菌，斯圖采爾桿菌。它們一般是兼性需氧的細菌，脫氮作用常常是在厭氧條件下發(fā)生。而且，有些化學(xué)能自養(yǎng)型細菌也可以在厭氧的條件下引起脫氮作用，比如，反硝化硫化細菌可以用硝酸鹽來氧化硫，從而將硝酸鹽還原，方程式如下：

5S+2CaCO3+6KNO3-3K2SO4+2CaSO4+2CO2+3N2+660cal

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、反硝化作用的應(yīng)用①土壤中發(fā)生反硝化作用會使土壤肥力降低；②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)生的氮氣由池底上升逸到水面時會把池底的沉淀污泥帶上浮起，使出水含有多量的泥花，影響出水的水質(zhì)。③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，高濃度的硝酸鹽對生物有毒害作用，發(fā)生反硝化作用，保持了淡水的飲用性和生物圈中氮的循環(huán)．——在固氮微生物的固氮酶催化作用下，把分子氮轉(zhuǎn)化為氨，進而合成有機氮化合物的過程。固氮的基本反應(yīng)式固氮微生物：根瘤菌、圓褐固氮菌、光合細菌等。N2＋6e＋6H＋＋nATP→2NH3＋nADP＋nPi（四）固氮作用固氮條件1.固氮酶2.能量：平均每還原1mol氮為2mol的氨，需要24molATP，其中9molATP提供3對電子用于還原作用，15molATP用于催化反應(yīng)3.氮源：N2,當供給NH3、尿素和硝酸鹽時固氮作用停止。4.固氮微生物生長的環(huán)境條件：中性和偏堿性.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O2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固氮，它們在長期進化中形成了保護固氮酶的防氧機制，固氮正常進行。(五)典型含氮有機物的轉(zhuǎn)化氰化物、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)、木霉及擔子菌等A．降解這些物質(zhì)的微生物B．降解機理a.氰化物5HCN+5.5O25CO2+H2O+5NH3b.有機腈擔子菌還能利用甲醛、氨水和氫氰酸在腈合成酶的作用下縮合成為α—氨基乙腈，進而合成為丙氨酸。

HCNCH3COHCH3CHNH2CNCH3CHNH2COOH

甲醛α—氨基乙腈丙氨酸第四節(jié)硫循環(huán)大氣中的SO2火山爆發(fā)分解者動植物遺體碎屑、排出物土壤或水體中的SO42-降水生產(chǎn)者吸收燃燒消費者攝入石油等化石燃料一、含硫有機物的轉(zhuǎn)化動、植物和微生物機體中含硫有機物主要是蛋白質(zhì)。能夠分解含氮有機物的都能分解含硫有機物，產(chǎn)生硫化氫。二、無機硫的轉(zhuǎn)化1.硫化作用

有氧條件下，通過硫細菌的作用將H2S氧化為元素S，再進而氧化為硫酸。2.硫化細菌革蘭氏陰性桿菌，從氧化含硫無機物過程中獲得能量，產(chǎn)生硫酸。硫桿菌廣泛分布于土壤、淡水、海水中，不同種類的硫桿菌要求的環(huán)境pH不同，氧化硫硫桿菌2.0～3.5，氧化亞鐵硫桿菌2.5～5.8，排硫桿菌—中性和偏堿性3.硫磺細菌將H2S氧化為S，并將硫粒積累在細胞內(nèi)。①絲狀硫磺細菌：貝日阿托氏菌發(fā)硫菌辮硫菌屬亮發(fā)菌透明顫菌屬在生活污水和含硫工業(yè)廢水的生物處理過程中出現(xiàn)。含硫化物較多時，貝日阿托氏菌和發(fā)硫菌過度生長引起活性污泥絲狀膨脹。②光能自養(yǎng)硫細菌含細菌葉綠素，在光照下，將H2S氧化為S。4.反硫化作用水體處于缺氧狀態(tài)時，含硫無機鹽在微生物的還原作用下形成H2S。在混凝土排水管和鑄鐵排水管中，如有硫酸鹽存在，管底常因缺氧而產(chǎn)生H2S。H2S上升到污水表層或逸出空氣層，與污水表面溶解氧相遇，H2S被硫化細菌或硫磺細菌氧化為硫酸，使混凝土管和鑄鐵管受到腐蝕。第五節(jié)磷循環(huán)第五節(jié)磷循環(huán)生物體中的含磷有機物有核酸、磷脂、植素。1)核酸核酸核苷酸核苷＋磷酸

嘧啶＋核糖氨5.1含磷有機物的轉(zhuǎn)化核酸酶水解核苷酸酶核苷酶水解脫氨基2)磷脂

卵磷脂是含膽堿的磷酸脂，可被微生物卵磷脂酶水解為甘油、脂肪酸、磷酸和膽堿。膽堿再分解為氨、二氧化碳、有機酸和醇。3)植素植素是由植酸和鈣、鎂結(jié)合而成的鹽類。植素在土壤中分解很慢，經(jīng)微生物的植酸酶分解為磷酸和二氧化碳。5.2磷酸鹽的轉(zhuǎn)化

洗滌劑中的磷酸鹽為可溶性的磷酸鈉土壤中的磷酸鹽則主要是難溶的磷酸鈣微生物產(chǎn)酸土壤中的難溶磷酸鹽可溶性磷酸鹽洗滌劑中的可溶性磷酸鹽卵磷脂、核酸、ATP

厭氧條件下，磷酸鹽還可以被梭狀芽孢桿菌、大腸桿菌等還原為PH3。（自燃—鬼火）+8HH3PO4PH3↑4H2O第六節(jié)鐵、錳的循環(huán)所有的生物都需要鐵，而且要求溶解性的二價亞鐵鹽，二價和三價鐵的轉(zhuǎn)化受pH和氧化還原電位影響。pH為中性和有氧時，二價鐵氧化為三價鐵的氫氧化物。無氧時，存在大量二價鐵。二價鐵還能被鐵細菌氧化為三價鐵。在含有機物和鐵鹽的水管中一般都有鐵細菌存在。常因水管中有酸性水而將鐵轉(zhuǎn)化為溶解性的二價鐵，鐵細菌就轉(zhuǎn)化二價鐵為三價鐵（銹鐵）沉積于水管壁上。趨磁性細菌1.發(fā)現(xiàn)

1975年,有人用顯微鏡研究鹽澤的泥漿沉淀物時,觀察到有些微生物持續(xù)不變地向一個方向游動,它們聚集在一滴污水的某一邊緣.這是一種趨光性反應(yīng)嗎?不是,因為不管落在顯微鏡片上的光怎樣分布,細菌總是游向同一個邊緣,甚至當顯微鏡被木盒蓋住、轉(zhuǎn)向或移放到其它房間時，細菌仍然游向同一方向。這究竟是怎么一回事呢？它的這種運動與地球的磁場有關(guān)嗎

實際上這是一種趨磁性行為。實驗證明：當把一小滴泥漿用暗場照明的顯微鏡在低倍率（約80倍）下放大檢查時，游動的、折射光的細菌看起來像一些游動的小光點。在只有地磁場而沒有其它磁場作用時，一些細菌就持續(xù)不斷地向北游動，并聚集在小水滴的北面的邊緣。如果把一條形磁鐵放在附近，細菌就游向吸引羅盤針指向北端的那一極。

引起趨磁性的內(nèi)因是：在細菌的細胞質(zhì)內(nèi)有一些