第九章微生物在环境物质循环中的作用.ppt

第九章微生物在环境物质循环中作用,自然界的物质处于由无机物转化成有机物，再由有机物转化成无机物的往复循环之中。,无机物,有机物,光合作用,分解作用,生产者：从无机物合成有机物，如植物、微生物消费者：利用有机物进行生活，如动物分解者：分解有机物成无机物，如微生物,物质循环包括天然物质循环和污染物质的循环，其实从本质上看，并没有太大的区别，但是，污染物质的进入，会影响原有的物质循环的某些环节。,物质循环包括各种物质元素：O、C、N、P、S、Fe等。,推动物质进行循环的作用包括物理、化学和生物的作用，其中生物起到了主导的作用，而微生物在这当中又占了极重要的地位。,第一节氧循环,大气中的O2（包括水体）,呼吸作用,光合作用,CO2,O2在大气中分布均匀，而在水体中有垂直方向上的变化。无论是O2还是CO2，除了在大气中的含量以外，它们在水体（海洋）中的含量，也是不可忽视的。此循环的平衡，具有十分重要的意义，如维持大气中CO2的浓度。,第二节碳循环,自然界中含碳物质有CO2、碳水化合物、脂肪、蛋白质等。碳的循环是以CO2为中心的。,在碳循环中，CO2大部分来源于微生物分解有机物，另外，由于CO2同时也参与氧循环，因此，实际上C和O循环是相互关联的。,CO2可以成为植物、藻类的碳源，大气中CO2的含量0.032%，这个值由于人类活动大量产生CO2进入大气中而在增加，造成所谓的气候变暖。由此带来一系列的问题，成为当今世界最关注的热点之一。,碳素是生物体最重要的一种元素，它的主要来源是大气中的CO，只有通过生物所推动的碳素循环，特别是微生物的分解作用，使不同形态的碳素相互转化，大气中的CO才不会被耗竭，生命才能维持。,碳素循环包括CO的固定:绿色植物和微生物通过光合作用固定自然界中的CO，合成有机物碳化物,CO的再生:动物、植物和微生物进行呼吸作用获得能量，同时放了CO动、植物和微生物尸体等有机碳化物被微生物分解时，产生大量CO,分解过程：首先必须经过微生物胞外酶（水解酶）的作用，使之水解成可溶性的较简单的葡萄糖后，才能被微生物吸收分解。,(一)下面介绍几种含碳化合物的转化：,纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，(C6H10O5)n，n=1400-10000,来源：以树木、农作物为原料的工业生产，如造纸、印染等。,作用的微生物：细菌、放线菌和真菌。,一、纤维素的转化,纤维素酶2(C6H10O5)n+nH2OnC12H22O11（纤维二糖）,纤维二糖酶nC12H22O11+nH2O2nC6H12O6,葡萄糖被微生物吸收进入体内，进行好氧或厌氧的分解。,二、半纤维素的转化,存在于植物细胞壁内，是由多种戊糖或己糖组成的大分子缩聚物，组成中有聚戊糖（木糖和阿拉伯糖）、聚己糖（半乳糖、甘露糖）己聚糖醛酸（葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸）。,来源：造纸废水和人造纤维废水。,作用的微生物：能够分解纤维素的微生物大部分能分解半纤维素。,作用过程：水解半纤维素单糖+糖醛酸，进行好氧或厌氧分解。,三、果胶质的转化,由D-半乳糖醛酸以-1,4糖苷键构成的直链高分子化合物。存在于植物细胞中。天然的果胶不溶于水，称为原果胶。,来源：造纸、制麻等。,作用的微生物：细菌（如枯草杆菌、多粘芽孢杆菌)真菌（青霉，曲霉、木霉等）也有一些放线菌,分解过程：,水解（原果胶酶）原果胶可溶性果胶+聚戊糖水解果胶甲脂酶果胶酸+甲醇水解聚半乳糖酶半乳糖醛酸,四、淀粉的转化,淀粉分直链和支链两类。是由葡萄糖分子脱水缩合，以-D-1,4葡萄糖苷键（不分支）或-1,6键结合（分支）而成。广泛存在于植物种子和果实中。淀粉也是人类获取的主要食物来源之一。,来源：淀粉厂、酒厂等。,作用微生物：细菌（如枯草杆菌）和霉菌（如青霉、曲霉等）,分解过程：,糊精酶麦芽糖苷酶葡萄糖苷酶淀粉糊精麦芽糖葡萄糖,五、脂肪的转化,脂肪是甘油和高级脂肪酸所形成的脂，存在于动植物体内，是人和动物的能量来源，也是许多微生物的碳源和能源。组成脂肪的脂肪酸几乎都有偶数个碳原子。,饱和脂肪酸+甘油在常温下为固态，称为脂,不饱和脂肪酸+甘油在常温下为液态，称为油,来源：毛纺厂、油脂厂、制革厂等,作用微生物：脂肪是比较稳定的化合物，但仍有微生物可以降解它。如细菌中的荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌等，真菌中的青霉、白地霉、曲霉、镰刀霉及解脂假丝酵母等，某些放线菌和分枝杆菌。,分解过程：,脂肪酶脂肪+3H2O甘油+3高级脂肪酸,ATP甘油-磷酸甘油磷酸二羟丙酮丙酮酸，进入TCA环,脂肪酸：通过氧化途径得到氧化。从脂肪酸上断下一个个的乙酰辅酶A，进入TCA环，每次2个碳原子，直到全部转化。如果是奇数的脂肪酸，最后还有丙酸。,在脂肪的降解过程中，能产生大量的能量。,如以18个碳原子的硬脂酸为例，经8次氧化可得到9mol的乙酰辅酶A和8molFADH2的和8molNADH2的，每mol乙酰辅酶A经TCA得到12ATP,1molFADH2可得到2ATP,1molNADH2可得到3ATP，除去开始时消耗的1ATP，最终可得到912+82+83-1=147mol的ATP。,（二）微生物在碳素循环中的作用,微生物在碳素循环中具有非常重要的作用，它们既参与固定CO光合作用，又参与再生CO的分解作用。,1、光合作用：参与光合作用的微生物主要是藻类，蓝细菌和光合细菌，它们通过光合作用，将大气中和水体中的合成为有机碳化物。特别是在大多数水生环境中，主要的光合生物是微生物，在有氧区域以蓝细菌和藻类占优势；而在无氧区域则以光合细菌占优势。,2、分解作用：自然界有机碳化物的分解，主要是微生物的作用。陆地和水域的有氧条件中，通过好氧微生物分解被彻底氧化为CO；在无氧条件中，通过厌氧微生物发酵被不完全氧化成有要酸、甲烷、氢和CO。,能分解有机碳化物的微生物很多，主要有细菌、真菌和放线菌。,氮素是生物体合成及蛋白质的主要成份，是构成生物体的必需元素。大气体积中约有是分子态氮，但所有植物、动物和大多数微生物都不能直接利用。初级生产者植物体需要的氨盐、硝酸盐等无机氮化物、在自然界为数不多，常常限制了植物体发展，只有将分子氮进行转化和循环，才能满足植物体对氮素营养的需要。因此氮素物质的相互转化和不断地循环，在自然界十分重要。,第三节氮循环,自然界中的氮元素有：分子氮（空气中的N2）、有机氮（蛋白质等）、无机氮（NH4+、NO3-等）。,在生物的协同作用下，三种形式的氮互相转化，构成循环。其中，微生物在转化中起着重要作用。,一、蛋白质水解与氨基酸转化,1蛋白质的水解,蛋白质是生物细胞的主要成分，由许多氨基酸连接而成（几几百万的分子量）。蛋白质的分解，首先也是水解，才能进入微生物细胞内。,能够分解蛋白质的微生物很多,细菌、真菌、放线菌等。,蛋白酶蛋白酶蛋白酶肽酶蛋白质胨胨肽氨基酸,2氨基酸转化,（1）脱氨,氨化作用：有机氮化合物在脱氮微生物的作用下脱氨基产生氨。,例如：氨基酸不含氮的有机物（酸）+NH3经脱氨基后形成的有机酸和脂肪酸，在微生物的作用下继续分解。,（2）脱羧,氨基酸脱去羧酸基（CO2），产生胺。多由腐败细菌和霉菌引起，二元胺对人有毒。胺是合成细胞成分的重要的起始物，尤其使诸如NAD等辅酶的合成。例如：CH3CHNH2COOH(丙氨酸)CH3CH2NH2（乙胺）+CO2,二、尿素的氨化,人、畜尿中含有尿素，印染工业中的印花浆用尿素作膨化剂和溶剂，故印染废水中含有尿素。尿素能被许多微生物（尿素细菌）转化成氨，如尿八联球菌、尿小球菌、尿素芽孢杆菌等。,尿酶CO(NH2)2+2H2O(NH4)2CO32NH3+CO2+H2O碳酸铵，很不稳定,三、硝化作用,在有氧的条件下，经亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用，氨转化成硝酸。分二步进行：,2NH3+3O22HNO2+2H2O+619KJ亚硝酸细菌2HNO2+O22HNO3+201KJ硝酸细菌,四、反硝化作用,反硝化作用：在缺氧条件下，硝酸盐被还原为氮气的过程。,发生反硝化的条件是：硝酸盐存在（提供电子受体）、有机物存在（提供能量）、缺氧。,反应过程，有三种结果：HNO3NH3HNO3N2HNO3HNO2,在环境工程中，涉及的反硝化作用主要是：NO3N2,反硝化作用的意义：土壤中发生反硝化作用，会降低土壤的肥力；污水生物处理的二沉池中发生反硝化作用，产生的氮气会把池底的沉淀污泥带上浮起,影响出水水质;利用反硝化作用，可以去除水中的氮（生物脱氮）。,五、固氮作用,空气中有大量的氮气，但植物和大多数微生物都不能直接利用它。在固氮微生物的固氮酶的作用下，把分子氮转化成氨，进而合成有机氮化合物，称为固氮作用。,固氮微生物：细菌（根瘤菌、固氮菌等）和蓝藻,N2+6e-+6H+nATP2NH3+nADP+nPi固氮酶,固氮酶对O2敏感，所以好氧固氮菌在体内形成独特的防护机制，保护固氮酶的活性。,第四节硫循环,含硫的化合物有：含硫有机物（蛋白质中的SH基等）无机硫化合物硫元素,硫是生物的重要的营养元素，它是一些必需氨基酸、某些维生素、辅酶等的成份。,在自然界，硫素以元素，硫酸盐和有机态硫的形式存在，而植物一般只能以无机盐类作为养料。因此，S素各种形式的循环转化，对植物营养非常重要。,硫循环,（一）自然界中的硫素循环,硫素循环可划分为分解作用，同化作用，无机硫的氧化作用和无机硫的还原作用,微生物参与素循环的全过程，并起很重要作用。,有机硫化物,硫酸盐,元素,分解作用,分解作用,同化作用,同化作用,无机硫的氧化作用,无机硫的氧化作用,无机硫的还原作用,1、分解作用：动、植物和微生物尸体中的有机硫化物，被微生物降解成无机物（硫酸盐、等）的过程称为分解作用。,2、同化作用微生物利用硫酸盐和，组成本身细胞物质的过程称为同化作用，细菌、放线菌、真菌中都有能利用硫酸盐作为硫源的种类。仅少数微生物同化。,3、无机硫的氧化作用无机硫的氧化作用是微生物氧化硫化氢、元素或e等生成硫酸盐的过程。主要是硫细菌。,4、无机硫的还原作用无机硫化物的还原作用是在厌