微生物在环境物质循环中的作用

1、主要内容： 主要物质的循环 微生物对有机物的降解过程w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。 w包括各种物质元素：O、C、N、P、S、Fe等。 w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。 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

2、浓度。 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的含量为0.032%（320ppm），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。 下面介绍几种含碳化合物的转化： 一、纤维素的转化 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

3、。 作用的微生物：细菌、放线菌和真菌。 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。 纤维素酶 2(C6H10O5)n + nH2O n C12H22O11（纤维二糖） 纤维二糖酶 n C12H22O11 + nH2O 2n C6H12O6 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

4、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

5、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

6、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8mol FADH2的和8mol NADH2的，每mol乙酰辅酶A经TCA得到12ATP,1mol FADH2可得到2ATP,1mol NADH2可得到3A

7、TP，除去开始时消耗的1ATP，最终可得到912+82+83-1=147mol的ATP。 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。 蛋白酶 蛋白酶 蛋白酶 肽酶 蛋白质 月示 胨 肽氨基酸 能够分解蛋白质的微生物很多，细菌、真菌、放线菌等。2氨基酸转化 （1）脱氨 氨化作用：有机氮化合物

8、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

9、 (NH4)2CO3 2NH3 + 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 + 3O2 2HNO2 + 2H2O + 619KJ 亚硝酸细菌 2HNO2 + O2 2HNO3 + 201KJ 硝酸细菌 亚硝酸细菌和硝酸细菌是好氧的，世代时间很长（从十几小时到几天）。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： HNO3NH3 HNO3N2 HNO3HNO2 在环境工程中，

10、 涉及的反硝化作用主要是：NO3-N2 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 + nATP 2NH3 + 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。含