环境工程微生物学：第八章微生物在环境物质循环中的作用

1、1,第八章微生物在环境物质循环中的作用,2,8.1 氧循环,3,8.2 碳循环,4,8.2.1 纤维素的转化 (C6H10O5)140010000 棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水及城市垃圾等含有大量纤维素。 1. 纤维素的分解途径,5,2. 分解纤维素的微生物 细菌、放线菌和真菌 好氧性纤维素分解菌：粘细菌居多，有生孢食纤维菌、食纤维菌和堆囊粘菌，为G。此外还有镰状纤维菌与纤维弧菌。 厌氧性纤维素分解菌：主要是芽孢梭菌属，如产纤维二糖芽孢梭菌、嗜热纤维芽孢梭菌。 放线菌：土壤中有2.04.4的放线菌能分解纤维素，如白色、灰色及红色链霉菌，分解能力较细菌和真菌弱。 真菌：许多真菌具有很强的

2、纤维素分解能力，如木霉、镰刀霉、青霉、曲霉及毛霉等。,6,3. 纤维素酶所在部位 细胞表面酶：如细菌的纤维素酶 细胞胞外酶：如真菌和放线菌的纤维素酶,7,8.2.2 半纤维素的转化 半纤维素存在植物细胞壁中，由聚戊糖、聚己糖和聚糖醛酸组成。造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。 1. 分解途径,8,2. 分解半纤维素的微生物 能分解纤维素的微生物大多能分解半纤维素，如芽孢杆菌、放线菌和霉菌。 3. 半纤维素酶 胞外酶,9,8.2.3 果胶质的转化 果胶质存在于植物的细胞壁和细胞间质中。造纸废水、制麻废水中含有果胶质。天然果胶质不溶于水，称为原果胶。 1. 果胶质水解过程 原果胶H2O 可溶性果胶

3、聚戊糖 可溶性果胶H2O 果胶酸甲醇 果胶酸H2O 半乳糖醛酸,10,2. 水解产物的分解 水解产物：果胶酸、聚戊糖、半乳糖醛酸、甲醇 好氧条件：CO2和H2O 厌氧条件：丁酸、乙酸、醇类、 CO2和H2 3. 分解果胶质的微生物 细菌、放线菌和真菌 好氧菌：枯草芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌等 厌氧菌：蚀果胶梭菌、费新尼亚浸麻梭菌 真菌：青霉、曲霉、木霉、根霉等,11,8.2.4 淀粉的转化 (C6H10O5)1200 淀粉主要来自植物，它是植物的重要贮藏物质。淀粉厂废水、酒厂、印染废水、抗生素发酵废水及生活污水等含有淀粉。 淀粉的降解途径,1,2,3,4,12,降解淀粉的微生物 途径中：枯草芽孢杆

4、菌、根霉、曲霉 途径中：根霉、曲霉、酵母菌 途径中：丙酮丁醇梭状芽孢杆菌、丁醇梭状芽孢杆菌 途径中：丁酸梭状芽孢杆菌,13,参与催化淀粉降解的酶 (1)-淀粉酶 是一种内切酶，能够水解淀粉分子内部的-1,4-糖苷键，其产物的构型均为-构型，故称为-淀粉酶。经过该酶的作用，淀粉液的粘度下降，因而又称为液化型淀粉酶。 (2)-淀粉酶 是一种外切酶，由于该酶的作用部位是-位的糖苷键，故称为-淀粉酶。 (3)糖化淀粉酶 作用产物有两种：如果被作用的底物是直链淀粉，则产物为葡萄糖（该酶由此得名）；如果被水解的底物是支链淀粉，其产物是葡萄糖和带有-1,6-糖苷键的支链寡糖。 (4)淀粉酶 作用于支链淀粉中

5、直链和支链交接处的-1,6-糖苷键。,14,8.2.5 脂肪的转化 脂(固态)：饱和脂肪酸甘油 油(液态)：不饱和脂肪酸甘油 饱和脂肪酸：硬脂酸、棕榈酸、丁酸、丙酸和乙酸 不饱和脂肪酸：油酸、亚油酸和亚麻酸 毛纺厂废水、毛条厂废水、油脂厂废水、制革废水中含有大量油脂。,15,脂肪的水解 甘油的转化 脂肪酸的氧化 1mol硬脂酸含18个C，需要经过8次氧化作用，全部降解为9mol乙酰辅酶A，总共可产生147molATP。,TCA循环,16,8.2.6 木质素的转化 木质素是植物体的重要组分，含量仅次于纤维素和半纤维素。占植物干重的1520，木材的木质素含量高达30左右。 木质素的结构是以苯环为核

6、心带有丙烷支链的一种或多种芳香族化合物经氧化缩和而成。 造纸废水和人造纤维废水中含有木质素。 分解木质素的微生物：干朽菌、多孔菌、伞菌。,17,A链烷烃的降解 + O2 R-CH2- CH2-CH3 R- CH2-CH2-COOH -氧化CO2 + H2O CH2-COOH + R-COOH,8.2.7 烃类物质的转化 石油中含有烷烃(30)、环烷烃(46)和芳香烃(28%)。,18,B无支链环烷烃的降解 以环己烷为例,通常一些微生物只能将环烷变为环己酮，另一些微生物只能将环己酮氧化开链而不能氧化环己烷，两类以上微生物的协同作用下将污染物 彻底降解共代谢。,19,C.芳香烃化合物的转化 芳香烃

7、有酚、间甲酚、邻苯二酚、苯、二甲苯、萘、菲、蒽等。炼油厂、煤气厂、焦化厂及化肥厂的废水中含有芳香烃。 分解芳香烃的微生物： 酚、苯：荧光假单胞菌、铜绿色假单胞菌、苯杆菌 苯系物：甲苯杆菌 萘：铜绿色假单胞菌、溶条假单胞菌、诺卡氏菌 菲：菲杆菌、菲芽孢杆菌巴库变种等 苯并()芘：荧光假单胞菌、铜绿色假单胞菌、大肠埃希氏菌,20,苯、萘、菲、蒽的代谢途径,苯,邻苯二 酚,己二烯二 酸,酮基己二 酸,琥珀酸乙酰辅 酶A,CO2H2 O,萘,菲,蒽,21,氮循环包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用、及固氮作用。,8.3 氮循环,22,氮源有机污染物的转化,蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、腈化物、硝基化合物等

8、。,（一）蛋白质的转化 水中来源： 生活污水、屠宰废水、罐头食品加工废水、制革废水等 1降解蛋白质的微生物 种类很多 好 氧 细 菌 链球菌和葡萄球菌 好氧芽孢细菌枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌及马铃薯芽孢杆菌 兼 性 厌 氧 菌变形杆菌、假单胞菌 厌 氧 菌腐败梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌 此外，还有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及链霉菌(放线菌)。,23,2降解机理,N2,24,硝化作用 在有氧条件下，氨经亚硝酸菌和硝酸菌的作用转化为硝酸的过程。 微生物：硝化细菌，G，为好氧菌，适宜在中性和偏碱性环境中生长，不需要有机营养。,2NH33O22HNO22H2O619kJ,2HNO2 3

9、O22HNO3201kJ,25,反硝化作用 反硝化细菌将硝酸盐还原为氮气的过程。 反硝化作用的危害 会使土壤肥力降低； 影响二沉池的出水水质； 产生致癌物质亚硝酸胺，危害人体健康。,反硝化作用的三种结果 硝酸盐氨氨基酸、蛋白质及其它含氮物质； 硝酸盐氮气； 硝酸盐亚硝酸。,26,典型含氮有机物的转化,氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈类化合物及硝基化合物 水中来源：化工腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。 危 害：生物毒害 、环境积累 A降解这些物质的微生物 细 菌紫色杆菌、假单胞菌 放线菌诺卡氏菌 真 菌氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病镰刀霉)、木霉及担子菌等,27,B降解机理,a.

10、氰化物 5HCN + 5.5O2 5CO2 + H2O + 5NH3 b.有机腈,担子菌还能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶的作用下缩合成为氨基乙腈，进而合成为丙氨酸。 HCN CH3COH CH3CHNH2CN CH3CHNH2COOH 甲醛 氨基乙腈 丙氨酸,28,自然界中的硫素循环,8.4 硫循环,29,水生环境中的硫素循环,30,8.4.1 含硫有机化合物的转化 环境中的含硫有机物主要生物体蛋白质组成成分中的含硫氨基酸。 含硫有机物有氧条件下，最终产物为SO42； 缺氧条件下，为H2S和硫醇。 氨化微生物都能分解含硫有机物。,31,8.4.2 无机硫的转化 1. 硫化作用 在有氧条件下

11、，通过硫细菌的作用将还原态无机硫化物氧化为硫酸的过程。硫化细菌和硫磺细菌参与硫化作用。 (1) 硫化细菌 归属硫杆菌属，G，从氧化硫化氢、元素硫、硫代硫酸盐等中获得能量，产生硫酸，同化二氧化碳合成有机物。多数在细胞外积累硫，有些也在细胞内积累硫。广泛分布于土壤、淡水、海水、矿山排水中。生长最适温度2830，在偏酸性环境中生活。氧化硫为硫酸，可使环境pH下降至2以下，同时产生能量。,32, 氧化硫硫杆菌 氧化元素硫能力强、迅速，专性自养菌。 氧化亚铁硫杆菌 可氧化硫酸亚铁、硫代硫酸盐同时获得能量,2S3O22H2O2H2SO4能量,Na2S2O32O2H2ONa2SO4H2SO4能量,2H2S+

12、O22H2O+2S能量,4FeSO4O2H2SO42Fe2(SO4)32H2O,33,(2) 硫磺细菌 指将硫化氢氧化为硫，并将硫粒积累在细胞内的细菌。包括丝状硫磺细菌和光能自养的硫细菌。 丝状硫磺细菌 有贝日阿托氏菌属、透明颤菌属、辫硫菌属、亮发菌属和发硫菌属等。当环境中缺乏硫化氢时，就将积累的硫粒氧化为硫酸，从中获得能量。均为G。 当曝气池DO在1mg/L以下时，硫化物含量较多，贝日阿托氏菌和发硫菌过度生长引起活性污泥丝状膨胀。 光能自养硫细菌 含细菌叶绿素，在光照下，将硫化氢氧化为元素硫，在体内或体外积累硫粒。,34,2. 反硫化作用 指土壤淹水、河流、湖泊等水体缺氧时，硫酸盐、亚硫酸盐

13、、硫代硫酸盐和次亚硫酸盐在微生物的还原作用下，形成硫化氢的过程，也叫硫酸盐还原作用。 反硫化作用的危害：腐蚀水管、码头的钢桩,C6H12O63H2SO46CO26H2O3H2S能量,2CH3CHOHCOOHH2SO42CH3COOH2CO2H2S2H2O,35,8.5 磷循环,36,8.5.1 含磷有机物的转化 1. 核酸 核酸核苷酸(磷酸)核苷(核糖)嘧啶(或嘌呤) 氨 2. 磷脂 卵磷脂是含胆碱的磷酸脂，可被微生物卵磷脂酶水解为甘油、脂肪酸、磷酸和胆碱。胆碱可再分解为氨、二氧化碳、有机酸和醇。 3. 植素 植素是由植酸和钙、镁结合而成的盐类。植素在土壤中分解很慢，经微生物的植酸酶分解为磷酸和二氧化碳。,37,8.5.2 无机磷化合物的转化,不溶性 磷酸盐,磷酸或 可溶性磷酸盐,产酸微生物,与Mn结合,磷酸盐,PH3,厌氧,38,1. 酸性矿水的污染 2. 堵塞管道 3. 对生活饮用水的危害,8.6 铁锰的循环,39,酸性矿水形成机制,2FeS27O2 2H2O 2FeSO42H