新版微生物在环境物质循环中的作用

1新版微生物在环境物质循环中的作用第1页有机污染物生物净化机理

净化本质——微生物转化为无机物

依靠——好氧分解与厌氧分解厌氧分解厌氧细菌原理：发酵、厌氧无机盐呼吸好氧分解细菌是其中主力军

原理：好氧有机物呼吸

废水中有机物：碳水化合物、脂肪、蛋白质；酮、酚、醛、酮、烃、腈等（工业废水）。2新版微生物在环境物质循环中的作用第2页有机物分解好氧条件下最终分解：CCO2NNH3HNO2HNO3

SH2SO4

PH3PO43新版微生物在环境物质循环中的作用第3页厌氧条件下最终分解

CRCOOHCH4+CO2NNH3

SH2S4新版微生物在环境物质循环中的作用第4页8.1氧循环(Oxygencycle)

5新版微生物在环境物质循环中的作用第5页8.2碳循环(Carboncycle)碳循环以CO2为中心6新版微生物在环境物质循环中的作用第6页Carboncycle7新版微生物在环境物质循环中的作用第7页CO2有机质8新版微生物在环境物质循环中的作用第8页8.2.1纤维素转化

(C6H10O5)1400～10000。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。必须经过微生物胞外酶（水解酶）作用，使之水解成可溶性较简单葡萄糖后，才能被微生物吸收分解。1.纤维素分解路径

9新版微生物在环境物质循环中的作用第9页2.分解纤维素微生物细菌、放线菌和真菌好氧性纤维素分解菌：粘细菌（G－）居多，有生孢食纤维菌、食纤维菌和堆囊粘菌。另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2.0％～4.4％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：许多真菌含有很强纤维素分解能力，如木霉、镰刀霉、青霉、曲霉及毛霉等。10新版微生物在环境物质循环中的作用第10页3.纤维素酶所在部位细胞表面酶：如细菌纤维素酶

细胞胞外酶：如真菌和放线菌纤维素酶11新版微生物在环境物质循环中的作用第11页8.2.2半纤维素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.分解路径12新版微生物在环境物质循环中的作用第12页2.分解半纤维素微生物能分解纤维素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13新版微生物在环境物质循环中的作用第13页8.2.3果胶质转化果胶质存在于植物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＋聚戊糖可溶性果胶＋H2O果胶酸＋甲醇果胶酸＋H2O半乳糖醛酸

半乳糖醛酸是以α-1，4糖苷键连成多糖14新版微生物在环境物质循环中的作用第14页2.水解产物分解水解产物：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H23.分解果胶质微生物细菌、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15新版微生物在环境物质循环中的作用第15页

水浸法：把麻类物质浸入水中，利用厌气微生物分解其中果胶。露浸法：把麻类物质堆置并保持一定湿度，利用好氧微生物分解果胶。4、果胶分解应用---麻类脱胶16新版微生物在环境物质循环中的作用第16页8.2.4淀粉转化

(C6H10O5)1200淀粉主要来自植物，它是植物主要贮藏物质。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。淀粉降解路径123417新版微生物在环境物质循环中的作用第17页降解淀粉微生物路径①中：枯草芽孢杆菌、根霉、曲霉路径②中：根霉、曲霉、酵母菌路径③中：丙酮丁醇梭状芽孢杆菌、丁醇梭状芽孢杆菌路径④中：丁酸梭状芽孢杆菌18新版微生物在环境物质循环中的作用第18页参加催化淀粉降解酶(1)α-淀粉酶是一个内切酶，能够水解淀粉分子内部α-1,4-糖苷键，其产物构型均为α-构型，故称为α-淀粉酶。经过该酶作用，淀粉液粘度下降，因而又称为液化型淀粉酶。(2)β-淀粉酶是一个外切酶，因为该酶作用部位是β-位糖苷键，故称为β-淀粉酶。(3)糖化淀粉酶作用产物有两种：假如被作用底物是直链淀粉，则产物为葡萄糖（该酶由此得名）；假如被水解底物是支链淀粉，其产物是葡萄糖和带有α-1,6-糖苷键支链寡糖。(4)淀粉酶作用于支链淀粉中直链和支链交接处α-1,6-糖苷键。19新版微生物在环境物质循环中的作用第19页8.2.5脂肪转化

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。20新版微生物在环境物质循环中的作用第20页脂肪水解甘油转化脂肪酸β－氧化

1mol硬脂酸含18个C，需要经过8次β－氧化作用，全部降解为9mol乙酰辅酶A，总共可产生147molATP。TCA循环21新版微生物在环境物质循环中的作用第21页22新版微生物在环境物质循环中的作用第22页8.2.6木质素转化它极难降解！木质素是植物体主要组分，含量仅次于纤维素和半纤维素。占植物干重15～20％，木材木质素含量高达30％左右。木质素结构是以苯环为关键带有丙烷支链一个或各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。分解木质素微生物：干朽菌、多孔菌、伞菌。23新版微生物在环境物质循环中的作用第23页Lignin木质素木质素空腔纤维素木质素存在于除苔藓和藻类外全部植物细胞壁中，由松柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成高度分枝多聚物。24新版微生物在环境物质循环中的作用第24页自然界中哪些微生物能够进行木质素降解呢？确证只有真菌中黄孢原毛平革菌，疑似只有软腐菌。黄孢原平毛革菌(Phanerochaetechrysosprium)是白腐真菌一个，隶属于担子菌纲、同担子菌亚纲、非褶菌目、丝核菌科。白腐—树皮上木质素被该菌分解后漏出白色纤维素部分。*木质素降解意义何在呢？怎样实现工业化白腐菌降解木质素呢？25新版微生物在环境物质循环中的作用第25页8.2.7烃类物质转化石油中含有烷烃(30％)、环烷烃(46％)和芳香烃(28%)。1.烷烃转化

微生物：甲烷假单胞菌、分枝杆菌、头孢霉、青霉。26新版微生物在环境物质循环中的作用第26页2.芳香烃化合物转化芳香烃有酚、间甲酚、邻苯二酚、苯、二甲苯、萘、菲、蒽等。炼油厂、煤气厂、焦化厂及化肥厂废水中含有芳香烃。分解芳香烃微生物：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(α)芘：荧光假单胞菌、铜绿色假单胞菌、大肠埃希氏菌27新版微生物在环境物质循环中的作用第27页苯、萘、菲、蒽代谢路径苯邻苯二酚己二烯二酸酮基己二酸琥珀酸＋乙酰辅酶ACO2＋H2O萘菲蒽28新版微生物在环境物质循环中的作用第28页苯和酚代谢苯、萘、菲、蒽降解为以下列图所表示

苯代谢29新版微生物在环境物质循环中的作用第29页萘代谢30新版微生物在环境物质循环中的作用第30页菲代谢31新版微生物在环境物质循环中的作用第31页蒽代谢32新版微生物在环境物质循环中的作用第32页8.3氮循环

氮存在形态：分子氮、有机氮（蛋白质等）、无机氮（NH4+、NO3-等）

33新版微生物在环境物质循环中的作用第33页氮循环包含氨化作用、硝化作用、反硝化作用、及固氮作用。LeadlineofNcycle?

34新版微生物在环境物质循环中的作用第34页碳循环35新版微生物在环境物质循环中的作用第35页8.3.1蛋白质水解与氨基酸转化

1.蛋白质水解(Hydrolization)蛋白质→胨→肽→氨基酸分解蛋白质微生物好氧细菌：枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蕈状芽孢杆菌等兼性厌氧菌：变形杆菌、假单胞菌厌氧菌：腐败梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌致病菌：链球菌、葡萄球菌真菌：曲霉、毛霉、木霉放线菌：链霉菌含氮有机物有：蛋白质、氨基酸、尿素、胺、腈化物、硝基化合物等。36新版微生物在环境物质循环中的作用第36页2.氨基酸转化(氨化作用Ammonification)(1)脱氨作用：有机氮化合物在氨化微生物脱氨基作用(Deamination)下产生氨过程称为氨化作用(Ammonifier)。氧化脱氨还原脱氨

37新版微生物在环境物质循环中的作用第37页斯提克兰反应：生芽孢杆菌对糖代谢能力差，只能以一个氨基酸作为供氢体，以另一个氨基酸作为受氢体进行氧化还原反应，从而得到能量现象。丙氨酸甘氨酸乙酸38新版微生物在环境物质循环中的作用第38页水解脱氨减饱和脱氨(2)脱羧作用

39新版微生物在环境物质循环中的作用第39页氨化细菌参加氨化作用细菌好氧性：荧光假单胞菌、灵杆菌厌氧性：腐败梭菌兼性菌：变形杆菌。40新版微生物在环境物质循环中的作用第40页8.3.2尿素氨化用酚红可检验此反应，呈红色说明有氨产生。分解尿素微生物：尿八叠球菌、尿小球菌等。尿素分解时不放出能量，故不能作为能源，只能作为氮源。尿素酶自行分解41新版微生物在环境物质循环中的作用第41页8.3.3硝化作用(Nitrification)——在有氧条件下，氨经亚硝酸菌和硝酸菌(NitritebacteriaandNitratebacteria)作用转化为硝酸过程。微生物：硝化细菌，G－，为好氧自养菌，适宜在中性和偏碱性环境中生长，不需要有机营养。2NH3＋3O2→2HNO2＋2H2O＋619kJ2HNO2＋3O2→2HNO3＋201kJTotal:NH4+＋2O2→2H+＋

NO3-＋H2O＋

201kJ42新版微生物在环境物质循环中的作用第42页43新版微生物在环境物质循环中的作用第43页硝化作用分析：硝化细菌严格好氧，曝气池DO应在2-3mg/L；1g氨氮完全硝化耗氧4.57g（NOD）；1g氨氮完全硝化消耗7.14g碳酸盐碱度，硝化细菌对pH十分敏感，应确保污水中足够碱度；硝化细菌为化能自养菌，应控制硝化池BOD5小于80mg/L（不然异养菌占优势）；硝化细菌世代时间长，普通为几天，平均3.3天，所以，污泥龄应较长。44新版微生物在环境物质循环中的作用第44页8.3.4反硝化作用(Denitrification)——硝酸盐在缺氧时，在兼性厌氧反硝化细菌（硝酸盐还原菌）作用下，还原为亚硝酸盐和氮气过程。反应式:2NO3-＋10H+

→2OH-＋

N2＋4H2O反硝化作用危害①（农业上）会使土壤肥力降低；②（污水处理）影响二沉池出水水质；③（水体中）产生致癌物质亚硝酸胺，危害人体健康。45新版微生物在环境物质循环中的作用第45页反硝化作用三种结果①硝酸盐→氨→氨基酸、蛋白质及其它含氮物质；（同化反硝化）②硝酸盐→氮气；（异化反硝化）③硝酸盐→亚硝酸。（异化反硝化）类型含有反硝化细菌种一些属有机营养型

假单胞菌属、产碱杆菌属、芽孢杆菌属、

土壤杆菌属、黄杆菌属、芽生杆菌属、

盐杆菌属、慢生根瘤菌属

化能无机营养型

硫杆菌属、硫微螺菌属、亚硝化单胞菌属光能营养型

红假单胞菌属

混合型

副球菌属、布兰汉氏菌属、奈氏球菌属46新版微生物在环境物质循环中的作用第46页反硝化作用分析：发生条件：(亚)硝酸盐与有机物同时存在；低DO反硝化细菌兼性厌氧，曝气池DO应<0.5mg/L；反硝化细菌化能异养，要求BOD5/TN>3～5；1g硝酸盐氮完全反硝化产生3.75g碳酸盐碱度；反硝化类型：同化反硝化：NO3-→NO2-→NH2OH→有机体异化反硝化：NO3-→NO2-→N2O→N2内源反硝化：NO3-＋C5H7NO2→N2＋CO2＋NH3-＋OH-所以，污水缺乏有机物时轻易造成内源反硝化，使细胞物质降低。47新版微生物在环境物质循环中的作用第47页8.3.5固氮作用——在固氮微生物固氮酶催化作用下，把分子氮转化为氨，进而合成有机氮化合物过程。固氮基本反应式固氮微生物：根瘤菌、圆褐固氮菌、光合细菌等。N2＋6e＋6H＋＋nATP→2NH3＋nADP＋nPi48新版微生物在环境物质循环中的作用第48页固氮作用分类：(1)自生固氮自生固氮微生物能够在环境中自由生活，能独立进行固氮作用。在固氮酶参加下，将分子氮固定成氨，但并不释放到环境中去，而是合成氨基酸，组成本身蛋白质。只有在死亡后，机体被分解才会向环境释放氨。如拜氏菌属、光合细菌等。(2)共生固氮共生固氮微生物只有在与其它生物紧密生活在一起情况下，才能固氮或才能有效地固氮。固氮效率高。如根瘤菌。(3)联合固氮固氮微生物仅存在于植物根际，并不侵入根毛生成根瘤，固氮效率较高。如雀稗固氮菌。49新版微生物在环境物质循环中的作用第49页蛋白质转化降解机理反硝化N2↑50新版微生物在环境物质循环中的作用第50页氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈类化合物及硝基化合物

水中起源：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赤霉菌(茄科病镰刀霉)、木霉及担子菌等A．降解这些物质微生物8.3.6其它含氮物质转化51新版微生物在环境物质循环中的作用第51页B．降解机理a.氰化物5HCN+5.5O25CO2+H2O+5NH3b.有机腈52新版微生物在环境物质循环中的作用第52页污、废水深度处理——脱氮微生物学原理53新版微生物在环境物质循环中的作用第53页8.4硫循环

硫存在形态：单质硫、有机硫、无机硫

54新版微生物在环境物质循环中的作用第54页自然界中硫素循环55新版微生物在环境物质循环中的作用第55页水生环境中硫素循环56新版微生物在环境物质循环中的作用第56页8.4.1含硫有机化合物转化含硫有机物主要是蛋白组成中含硫氨基酸。含硫有机物①有氧条件下，最终产物为SO42－；②缺氧条件下，为H2S和硫醇。氨化微生物都能分解含硫有机物。57新版微生物在环境物质循环中的作用第57页8.4.2无机硫转化1.硫化作用——在有氧条件下，经过硫细菌作用将还原态无机硫氧化为硫酸过程。硫化细菌和硫磺细菌参加硫化作用。(1)硫化细菌

归属硫杆菌属，G－，从氧化硫化氢、元素硫、硫代硫酸盐等中取得能量，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28～30℃，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。58新版微生物在环境物质循环中的作用第58页①氧化硫硫杆菌——氧化元素硫能力强、快速，专性自养菌。

②氧化亚铁硫杆菌——可氧化硫酸亚铁、硫代硫酸盐同时取得能量2S＋3O2＋2H2O→2H2SO4＋能量Na2S2O3＋2O2＋H2O→Na2SO4＋H2SO4＋能量2H2S+O2→2H2O+2S＋能量4FeSO4＋O2＋H2SO4→2Fe2(SO4)3＋2H2O59新版微生物在环境物质循环中的作用第59页(2)硫磺细菌指将硫化氢氧化为硫，并将硫粒积累在细胞内细菌。包含丝状硫磺细菌和光能自养硫细菌。①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，就将积累硫粒氧化为硫酸，从中取得能量。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分生长引发活性污泥丝状膨胀。②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。60新版微生物在环境物质循环中的作用第60页2.反硫化作