生物及其代谢

生物及其代谢第1页，课件共27页，创作于2023年2月第2章生物及其代谢本章内容2.1生物2.2新陈代谢2.3与环境生物技术密切

相关的代谢途径2.4主要元素循环《环境生物技术》课件第2页，课件共27页，创作于2023年2月2.1生物

自然界是由生物和非生物的物质和能量组成的。有生命特征的有机体叫做生物，无生命的包括物质和能量叫做非生物。生物是生物技术的主角，包括微生物、植物和动物，多种多样的生物不仅维持了自然界的持续发展，而且构成了人类赖以生存和发展的基本条件。新陈代谢及遗传性是生物最重要和基本的特征，也是生命现象的基础。《环境生物技术》课件第3页，课件共27页，创作于2023年2月2.1.1微生物微生物主要包括无细胞结构且不能独立生活的病毒，属原核细胞的细菌(真细菌和古细菌)、放线菌、蓝细菌(蓝藻)、支原体、衣原体及立克次体，属真核细胞的真菌、单细胞藻类及原生动物等。生物膜是指包覆在某个物体表面上的微生物群落集合，是微生物群落的一个典型例子，它可能由好几百个物种组成。环境生物技术对生物膜特别感兴趣，因为它们是很多污染治理设施中常见的关键组成部分。《环境生物技术》课件第4页，课件共27页，创作于2023年2月2.1.2植物

目前，人们已知的植物约有30万种，常见的如乔木、灌木、藤类、青草、蕨类、地衣及绿藻等。绿色植物的光合作用是地球上最为普遍、规模最大的反应过程，是农业生产的基础，在理论和实践上都具有重大意义。植物在环境污染治理上的主要作用有两类：植物修复和植物监测。《环境生物技术》课件第5页，课件共27页，创作于2023年2月植物修复是利用植物来转移、容纳或转化污染物使其对环境无害，修复对象主要是重金属、有机物或放射性元素污染的土壤、水体和空气。植物能够给予人类视觉的享受，利用植物进行污染处理的地方看上去更有生机，因而得到了公众的普遍接受。植物作为大气污染的指示生物，能对短期污染和长期污染作出急性和累积反应，既灵敏可靠，又简单易行。实践证明，草本植物、木本植物及地衣、苔藓等受到污染物的作用后能较灵敏和快速地产生明显反应。《环境生物技术》课件第6页，课件共27页，创作于2023年2月2.1.2动物动物(animal)是多细胞真核生命体中的一大类群。动物在环境污染治理中的作用主要有：监测、富集和净化。利用动物指示环境污染，早在我国古代就已有应用，如隋代巢元方著《诸病源候论》(公兀610年)就记载了以鸡或鸭试古井有无毒气的方法。《环境生物技术》课件第7页，课件共27页，创作于2023年2月水污染指示生物一般采用底栖生物中的环节动物、软体动物、甲壳动物以及水生昆虫等。它们个体大，在水中相对位移小、生命周期较长，能够反映环境污染特点，已经成为水体污染指示生物的重要研究对象。例如，颤蚓类为耐有机污染种类，普遍出现于污染水体中，特别是在严重有机污染水体中数量多、种类单纯，可以用单位面积颤蚓数量作为水体污染程度的指标(表2—2)。《环境生物技术》课件第8页，课件共27页，创作于2023年2月多数软体动物对重金属有明显的富集作用。螺蛳对水体中的重金属有很强的富集能力，体内的重金属含量是水体的800~200000倍。对Cu和Zn的富集程度最高，对Pb的富集较弱，对Cr和Cd的富集较差。造成这种现象的主要原因可能是水体中重金属是以不同的结合态存在的，对水生生物的可给性不同。螺蛳为底栖刮食的生物，以残渣形态沉淀在水底的重金属最容易被螺蛳摄入体内。一些研究指出，螺类不但从溶液中而且也从沉积物中吸收重金属，对溶解态、离子交换态、碳酸盐结合态的重金属积累能力强，对结晶态的重金属积累能力最弱。《环境生物技术》课件第9页，课件共27页，创作于2023年2月水生动物还可以对污染环境起到净化的作用。研究螺对太湖五里湖湾水体透明度、总磷、氨氮、溶解氧等作用发现，它能使水体透明度从0.5m左右提高到1.3m，使湖内水体浊度迅速降低，降解总磷的幅度能达到50％，经分析为一种铜锈环棱螺的絮凝作用所致。由于水生动物在整个生态系统中处于重要的位置，它的数量和组成将较大影响生物净化效果。从生态位和食物链角度，选择对生态系统不会造成大破坏的水生动物进行放养，探讨对水生生态系统的影响，有助于建立更加完善的水体生物净化体系。《环境生物技术》课件第10页，课件共27页，创作于2023年2月2．2新陈代谢＆一切生命现象的基本特征是新陈代谢(metabolism)，简称代谢，它包括生物体内进行的所有化学反应。＆新陈代谢分为合成代谢和分解代谢两大类。＆分解代谢与合成代谢包括物质代谢和能量代谢。＆尽管分解代谢不断为合成代谢提供小分子物质和能量，但分解与合成却常常在细胞或组织的不同部位进行，分解与合成的很多具体反应是不可逆的，由不同的酶担负催化作用。《环境生物技术》课件第11页，课件共27页，创作于2023年2月图2-1物质代谢过程简图《环境生物技术》课件第12页，课件共27页，创作于2023年2月2.3与环境生物技术密切相关的代谢途径

2．3．1糖酵解《环境生物技术》课件糖酵解途径在动植物和许多微生物中普遍存在，是摄入生物体内的葡萄糖最初经历的酶促分解过程。第13页，课件共27页，创作于2023年2月2.3.2TCA循环

《环境生物技术》课件真核生物的线粒体和原核生物的细胞质是三羧酸循环的场所。第14页，课件共27页，创作于2023年2月2.3.3乙醛酸循环

＆植物和微生物细胞内脂肪酸氧化分解为乙酰CoA之后，在乙醛酸体(glyoxysome)内生成琥珀酸、乙醛酸和苹果酸，琥珀酸可用于糖的合成，该过程称为乙醛酸循环(glyoxylicacidcycle，GAC)，见图2—4。《环境生物技术》课件第15页，课件共27页，创作于2023年2月2.3.4脂类代谢＆脂类是三脂酰甘油(甘油三酯)和类脂的总称，是一大类不溶于水而易溶于有机溶剂的化合物。

＆甘油三酯在激素敏感脂肪酶的催化下水解生成自由脂肪酸(FFA)和甘油。脂肪酸进入细胞后，首先在线粒体外或胞浆中被活化，形成脂酰CoA，然后进入线粒体进行氧化，经过脱氢、水化、再脱氢和硫解四步反应，变成乙酰CoA，一部分用来合成新的脂肪酸和其他生物分子，大部分则进入三羧酸循环完全氧化。＆

类脂则包括磷脂(甘油磷脂和鞘磷脂)、糖脂(脑苷脂和神经节苷脂)、胆固醇及胆固醇酯。甘油磷脂通过体内各种磷脂酶将其分解为脂肪酸、甘油、磷酸等，然后再进一步降解，胆固醇主要通过转化作用，转变为胆汁酸、类固醇激素、维生素D3等化合物，再进行代谢，或经粪便直接排出体外。《环境生物技术》课件第16页，课件共27页，创作于2023年2月2.3.5蛋白质代谢＆蛋白质代谢以氨基酸为核心，外界蛋白只有降解为氨基酸才能被机体利用，体内蛋白也要先分解为氨基酸才能继续氧化分解或转化。游离氨基酸可合成自身蛋白，可氧化分解放出能量，可转化为糖类或脂类，也可合成其他生物活性物质。

《环境生物技术》课件第17页，课件共27页，创作于2023年2月2.3.6能量代谢＆生物体内物质代谢过程中所伴随的能量释放、转移和利用等，称为能量代谢。＆生物体能量来自糖类、脂肪和蛋白质三种营养物质，这些能源物质分子结构中的碳氢键蕴藏着化学能，在氧化过程中碳氢键断裂，生成H2O和CO2，同时释放出蕴藏的能量。这些能量的50％以上迅速转化为热能，用于维持体温稳定，并向体外散发。其余则以高能磷酸键的形式储存于体内，供机体利用。＆高能磷酸键化学物主要是腺苷三磷酸(ATP)和鸟苷三磷酸(GTP)，此外，还可有高能硫酯键等。《环境生物技术》课件第18页，课件共27页，创作于2023年2月2.3.6能量代谢＆

大部分化学能的释放是通过磷酸基团的水解来实现的。形成这些分子的能量来源于食物的分解代谢或光合作用。污染物进入分解代谢途径，也可以成为生物体的“食物"。＆从“食物“分子传递到ATP有两种完全不同的路径：一种是ATP在细胞质内的合成过程，就是磷酸基团直接传递到ADP上，通过化学键储存这一反应的能量；另一种包含一个相当复杂的系统，包括电子和质子(或氢离子)的传递，这些主要来源于分解代谢途径中的一些物质的氧化过程。《环境生物技术》课件第19页，课件共27页，创作于2023年2月2.4主要元素循环

自然界中，生物不断地从地球获得所需要的各种化学元素，通过自养生物的吸收，进入生态系统，被其他生物重复利用，最后再归还于环境中，这就是物质循环，又称生物地球化学循环。微生物是自然界有机物质无机化的最彻底者，只有通过微生物的分解或还原作用，才不致使自然界数量有限的各种化学元素被固定在有机物中而无法参与物质循环。因此，微生物在自然界物质循环中具有非常重要的作用。《环境生物技术》课件第20页，课件共27页，创作于2023年2月2.4.1氧循环

大气中氧含量丰富，约占空气的21％。人和动物呼吸、微生物分解有机物都需要氧，所消耗的氧由陆地和水体中的植物及藻类进行光合作用产生，源源不断地补充到大气和水体中(图2—6)。《环境生物技术》课件第21页，课件共27页，创作于2023年2月2.4.2碳循环《环境生物技术》课件碳是一切生物体中最基本的成分，有机体干重的45％以上是碳。碳的主要循环形式是从大气的CO2蓄库开始，经过生产者(包括绿色植物、微型藻类、蓝细菌及光合细菌等)的光合作用，把碳固定成糖类、脂类和蛋白质，然后经过消费者和分解者，在呼吸和残体腐败分解后，再回到大气蓄厍中。第22页，课件共27页，创作于2023年2月2.4.3氮循环《环境生物技术》课件自然界的氮素主要有三种形式：分子氮、有机氮(如氨基酸、蛋白质、核酸等)和无机氮(如铵盐、硝酸盐等)。氮循环主要由这三种形式的氮转化反应所组成，包括固氮、氨化(脱氮)、硝化反硝化及硝酸盐还原等(图2—8)。第23页，课件共27页，创作于2023年2月2.4.4硫循环《环境生物技术》课件硫是一些必需氨基酸和某些维生素、辅酶等的成分其需要量大约是氮素的十分之一。硫元素在自然界中的储量十分丰富，主要蓄库是岩石圈。硫素循环类似于氮素循环，其各个环节都有相应的微生物参与，可概括地划分为脱硫、同化、硫化和反硫化等。第24页，课件共27页，创作于2023年2月2.4.5磷循环《环境生物技术》课件磷元素在一切生命形式中都及其重要，它主要以磷酸的形式存在于生物体中。细胞内含磷成分最多的是RNA分子。此外，DNA、ATP和细胞膜上的磷脂等都是重要的含磷有机物。自然界中磷元素转化主要通过三个途径进行：有机磷的矿化作用、难溶性无机磷的可溶化作用和磷的同化作用(图2一10)。第25页，课件共27页，创作于2023年2月2.4.

6铁循环和锰循环《环境生物技术》课件铁细菌主要有铁锈嘉利翁菌(Gallionellaferuginea)、多孢泉发菌(Crenothrizcolyspora)、纤发菌属(Brtothrixleptothrix)、球衣菌属(Sphaerotilus)能引起亚铁化合物氧化成高价铁化合物而沉淀。硫化细菌如氧化亚铁硫杆菌、氧化亚铁铁细菌(Ferrobacillusferroozcidans)、氧化亚铁钩端螺旋菌等也能在酸性有氧条件下氧化一种结晶态的硫化亚铁——黄铁矿粒而产生硫酸和亚铁离子。锰元素也是生物体必需的微量元