第08环境工程微生物学

第二章微生物在环境物质循环中的作用下篇

本章的重点内容

主要物质的循环(碳氮磷)微生物对有机物的降解过程本章的主要内容氧循环(自学)

碳循环(1.5学时)

氮循环(1.5学时)

硫循环

磷循环(1学时)

铁锰的循环

第二节碳循环

一、碳源污染物的转化包括:

糖类、脂类、烃和人工合成的有机化合物等。（一）糖类污染物提问：哪些糖类会成为污染物？难溶的多糖，且当一些难溶解的多糖数量较大时才会使自净时间大大增加，从而对环境造成污染。这类多糖主要是纤维素、半纤维素、果胶质、淀粉。1．纤维素的转化β葡萄糖高聚物，每个纤维素分子含1400~10000个葡萄糖基（β1-4糖苷键）。来源：棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水及城市垃圾等，其中均含有大量纤维素。A．微生物分解途径三羧酸循环酒精的研究B．分解纤维素的微生物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2.0％～4.4％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纤维素分解能力，如木霉、镰刀霉、青霉、曲霉及毛霉等。

需要时可以向有菌种库的研究机构购买或自行筛选。

细胞表面酶：如细菌的纤维素酶,结合在细胞质膜上

细胞胞外酶：如真菌和放线菌的纤维素酶,可分泌到培养基中。C．分解纤维素的酶秸秆饲料化利用是将秸秆经微生物发酵转化生产饲料，该种饲料适口性好，易消化，含丰富营养价值，可作为畜、禽、鱼等的尚好饲料。秸秆制酒精技术秸秆制取酒精的工艺为：洗涤、蒸煮软化、糖化发酵、蒸馏取酒等工序。D．应用秸秆发酵制酒精的研究

1、直接发酵法

本方法的特点是基于同一微生物糖化发酵纤维素生产乙醇，不需要经过酸解或酶解前处理过程。直接发酵法中常用的微生物是热纤维梭菌，它能分解纤维素并使产生纤维二糖、葡萄糖、果糖等发酵，水解发酵的最适温度为56～64℃，最是PH值为6.4～7.4。吕福英等分离出能直接发酵纤维素生产乙醇的高纯富集物，利用其能直接将木质纤维素材料发酵成乙醇。

2、间接发酵法

间接发酵法即糖化、发酵二段发酵法，该法是目前研究最多的一种方法，首先利用纤维素酶水解纤维素，酶解后的糖液作为发酵碳源，利用酵母或细菌发酵生产乙醇。

研究内容

①从学校附近长期被腐烂稻草覆盖的地方采集土样，然后通过一系列的方法，分离出若干株纤维素降解菌。

②从分离出的菌株中筛选出一株活性最高的菌株。

③对这株菌进行单影响因素的研究。

④通过单影响因素研究，以正交实验的方法，确定这株菌的最优培养基（氮源、起始PH、无机盐）。采样富集培养目的菌种的分离与筛选酶活力初步测定单影响因素研究正交实验总结技术路线2．半纤维素的转化存在于植物细胞壁的杂多糖。造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。A．微生物分解途径

TCA循环聚糖酶CO2+H2O半纤维素单糖+糖醛酸

H2O各种发酵产物厌氧分解。许多芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌及放线菌能分解半纤维素。霉菌有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。A．微生物分解途径

B．分解半纤维素的微生物

C．分解半纤维素的酶

水中来源：毛纺、毛条厂废水、油脂厂废水、肉联厂废水、制革厂废水含有大量油脂降解油脂较快的微生物：细菌——荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌丝状菌——放线菌、分支杆菌真菌——青霉、乳霉、曲霉途径：水解+β氧化（二）脂肪的转化脂肪的水解甘油的转化脂肪酸的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（二）脂肪的转化1．烃的降解机理A．链烷烃的降解

+O2R-CH2-CH2-CH3R-CH2-CH2-COOHβ-氧化

CO2+H2OCH2-COOH+R-COOHB．无支链环烷烃的降解：以环己烷为例

（三）烃类物质的转化苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所示

苯的代谢C．芳香烃萘的代谢菲的代谢蒽的代谢酚也是先被氧化为邻苯二酚，这样各类芳香烃在降解的后半段是相同的，可表示如下各类芳香烃在降解过程中的共同点是什么?2．降解烃的微生物降解烃的微生物很多，据报道有200多种细菌——假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产碱杆菌属放线菌——诺卡氏菌酵母菌——假丝酵母霉菌——青霉属、曲霉属藻类——蓝藻和绿藻（三）烃类物质的转化芳香烃普遍具有生物毒性，但在低浓度范围内它们可以不同程度的被微生物分解。已知降解不同芳香烃的细菌类别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所有植物的细胞壁中，（四）木质素的转化木质素模式图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15～20％，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。自然界中哪些微生物能够进行木质素的降解呢？干朽菌、多孔菌、伞菌等的一些种，厚孢毛霉和松栓菌黄孢原平毛革菌(Phanerochaetechrysosprium)是白腐真菌的一种，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的纤维素部分。

提问：为什么这些有机物难于生物降解？微生物缺乏相应的水解酶二、人工合成的难降解碳源污染物的转化难———对于自然生态环境系统,如果一种化合物滞留可达几个月或几年之久,或在人工生物处理系统,几小时或几天之内还未能被分解或消除种类：稳定剂、表面活性剂、人工合成的聚合物、杀虫剂、除草剂以及各种工艺流程中的废品等。1.氯苯类用途：稳定剂（润滑油、绝缘油、增塑剂、油漆、热载体、油墨等都含有）危害：急性中毒，是一种致癌因子（米糠油事件）降解菌：产碱杆菌、不动杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌以及沙雷氏菌的突变体通过共代谢完成氯苯的完全降解。*两类以上微生物的协同作用下将污染物彻底降解——共代谢多氯联苯(polychlorinatedbiphenyl)类降解菌：产碱杆菌、不动杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌以及沙雷氏菌的突变体通过共代谢完成氯苯的完全降解。多氯联苯类降解2．洗涤剂可分为阴离子型、阳离子型、非离子型、两性电解质四类。我国目前生产的洗涤剂属于阴离子型烷基苯磺酸钠。较早开发的是非线性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸盐（ABS）：ABS甲基分支干扰生物降解，链末端与4个碳原子相连的季碳原子抗攻击的能力更强。危害：ABS可以在天然水体中存留800h以上，使这得接纳他的水体长时间保持，产生大量泡沫，引起水体缺氧。为使洗涤剂易于生物降解，人们将ABS的结构改变为线性的直链烷基苯磺酸盐（LAS）：由于减少了分支，它的生物分解速度大为提高。A．降解洗涤剂的微生物细菌——假单胞菌、邻单胞菌、黄单胞菌、产碱单胞菌、产碱杆菌、微球菌、大多数固氮菌放线菌——诺卡氏菌解释LAS降解机理B．洗涤剂的降解机理LAS的结构TCA碳素循环光合作用藻类、绿色植物、蓝细菌（CH2O）n有机化合物呼吸作用动植物及微生物需氧厌氧CO2厌氧呼吸、发酵厌氧微生物，包括光合细菌有机化合物（CH2O）n光合细菌沉积作用产甲烷细菌甲基化合物甲烷氧化细菌CH4纤维素结构燃烧秸杆氮循环包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用、及固氮作用。

第三节氮循环有机态N被微生物降解形成NH3的过程1.蛋白质物质的氨化作用过程蛋白质蛋白酶水解肽肽酶水解氨基酸降解NH3氧化脱氨基作用水解脱氨基作用还原脱氨基作用（一）氨化作用(1)蛋白质水解蛋白质→胨→肽→氨基酸分解蛋白质的微生物好氧细菌：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(2)氨基酸的转化1)脱氨作用氧化脱氨还原脱氨

斯提克兰反应：专性厌氧菌和兼性厌氧菌,以一种氨基酸作为供氢体，另一种氨基酸作为受氢体，二者偶联进行氧化还原脱羧脱氨作用。丙氨酸甘氨酸乙酸

水解脱氨减饱和脱氨2)脱羧作用

2尿素的氨化用酚红可检验此反应，呈红色说明有氨产生。分解尿素的微生物：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。尿酶——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。2NH3＋3O2→2HNO2＋2H2O＋619kJ2HNO2＋3O2→2HNO3＋201kJ（二）硝化作用1、硝化细菌和硝化作用的过程2、硝化作用微生物硝化细菌，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，化能自养型。4.硝化作用的意义生活污水和工业废水如味精废水、赖氨酸废水等含有相当高浓度的氨氮。先将氨氮转化为硝酸盐（硝化作用），再通过反硝化作用将硝酸氮还原为氮气溢出水面。3、影响硝化作用的环境因素

(1)pH值：适宜微碱性

(2)温度：4-40℃，最适：25-35℃(3)通气：需氧

(4)湿度：过量影响通气，不足引起细胞缺水。

(5)营养类型：化能自养型。反硝化细菌将硝酸盐还原为氮气的过程。HNO3N2O或N2NH3

兼性厌氧菌在厌氧条件下进行1、反硝化作用的结果HNO2

细菌、放线菌、真菌利用（三）反硝化作用讨论是否是反硝化作用反硝化作用，

狭义的指将硝酸盐还原为分子态氮的过程，称为脱氮作用；

广义的指将硝酸盐还原为较简单的氮化合物的过程，除了脱氮作用外，还包括硝酸盐还原作用（指脱氮作用以外的还原作用，例如硝酸盐还原为亚硝酸盐的作用）。

多种细菌和真菌都具有硝酸盐还原酶，可以将硝酸盐还原为亚硝酸盐。方程式如下：

NHO3+2H------------>HNO2+H2O

(需要硝酸还原酶的作用)

而脱氮作用，则常常与无氮有机物的氧化反应伴随发生，例如：

C6H12O6+6H2O---------->6CO2+24H

24H+4NO3--------------->12H2O+2N2

总的反应方程式为：

C6H12O6+4NO3------------->6CO2+6H2O+2N2+420cal

很多细菌可以引起脱氮作用，主要是一些革兰氏阴性的无芽胞杆菌，如荧光杆菌，斯图采尔杆菌。它们一般是兼性需氧的细菌，脱氮作用常常是在厌氧条件下发生。而且，有些化学能自养型细菌也可以在厌氧的条件下引起脱氮作用，比如，反硝化硫化细菌可以用硝酸盐来氧化硫，从而将硝酸盐还原，方程式如下：

5S+2CaCO3+6KNO3-3K2SO4+2CaSO4+2CO2+3N2+660cal

2、反硝化作用微生物大多数：异养兼厌氧性极少数：化能自养型（脱氮硫杆菌）3、反硝化作用的应用①土壤中发生反硝化作用会使土壤肥力降低；②若在污水生物处理系统中的二次沉淀池发生反硝化作用，产生的氮气由池底上升逸到水面时会把池底的沉淀污泥带上浮起，使出水含有多量的泥花，影响出水的水质。③有些污水经生物处理后出水硝酸盐含量高，在排入水体后，高浓度的硝酸盐对生物有毒害作用，发生反硝化作用，保持了淡水的饮用性和生物圈中氮的循环．——在固氮微生物的固氮酶催化作用下，把分子氮转化为氨，进而合成有机氮化合物的过程。固氮的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＋nPi（四）固氮作用固氮条件1.固氮酶2.能量：平均每还原1mol氮为2mol的氨，需要24molATP，其中9molATP提供3对电子用于还原作用，15molATP用于催化反应3.氮源：N2,当供给NH3、尿素和硝酸盐时固氮作用停止。4.固氮微生物生长的环境条件：中性和偏碱性.5.氧的影响：在较低氧分压下固氮效果好,好氧固氮菌生长需要氧，固氮却不需要。固氮菌对O2敏感，从好氧固氮菌菌体内分离的固氮酶，一遇氧就发生不可逆失活。好氧固氮菌为了在生长过程中同时固氮，它们在长期进化中形成了保护固氮酶的防氧机制，固氮正常进行。(五)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A．降解这些物质的微生物B．降解机理a.氰化物5HCN+5.5O25CO2+H2O+5NH3b.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α—氨基乙腈，进而合成为丙氨酸。

HCNCH3COHCH3CHNH2CNCH3CHNH2COOH

甲醛α—氨基乙腈丙氨酸第四节硫循环大气中的SO2火山爆发分解者动植物遗体碎屑、排出物土壤或水体中的SO42-降水生产者吸收燃烧消费者摄入石油等化石燃料一、含硫有机物的转化动、植物和微生物机体中含硫有机物主要是蛋白质。能够分解含氮有机物的都能分解含硫有机物，产生硫化氢。二、无机硫的转化1.硫化作用

有氧条件下，通过硫细菌的作用将H2S氧化为元素S，再进而氧化为硫酸。2.硫化细菌革兰氏阴性杆菌，从氧化含硫无机物过程中获得能量，产生硫酸。硫杆菌广泛分布于土壤、淡水、海水中，不同种类的硫杆菌要求的环境pH不同，氧化硫硫杆菌2.0～3.5，氧化亚铁硫杆菌2.5～5.8，排硫杆菌—中性和偏碱性3.硫磺细菌将H2S氧化为S，并将硫粒积累在细胞内。①丝状硫磺细菌：贝日阿托氏菌发硫菌辫硫菌属亮发菌透明颤菌属在生活污水和含硫工业废水的生物处理过程中出现。含硫化物较多时，贝日阿托氏菌和发硫菌过度生长引起活性污泥丝状膨胀。②光能自养硫细菌含细菌叶绿素，在光照下，将H2S氧化为S。4.反硫化作用水体处于缺氧状态时，含硫无机盐在微生物的还原作用下形成H2S。在混凝土排水管和铸铁排水管中，如有硫酸盐存在，管底常因缺氧而产生H2S。H2S上升到污水表层或逸出空气层，与污水表面溶解氧相遇，H2S被硫化细菌或硫磺细菌氧化为硫酸，使混凝土管和铸铁管受到腐蚀。第五节磷循环第五节磷循环生物体中的含磷有机物有核酸、磷脂、植素。1)核酸核酸核苷酸核苷＋磷酸

嘧啶＋核糖氨5.1含磷有机物的转化核酸酶水解核苷酸酶核苷酶水解脱氨基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。5.2磷酸盐的转化

洗涤剂中的磷酸盐为可溶性的磷酸钠土壤中的磷酸盐则主要是难溶的磷酸钙微生物产酸土壤中的难溶磷酸盐可溶性磷酸盐洗涤剂中的可溶性磷酸盐卵磷脂、核酸、ATP

厌氧条件下，磷酸盐还可以被梭状芽孢杆菌、大肠杆菌等还原为PH3。（自燃—鬼火）+8HH3PO4PH3↑4H2O第六节铁、锰的循环所有的生物都需要铁，而且要求溶解性的二价亚铁盐，二价和三价铁的转化受pH和氧化还原电位影响。pH为中性和有氧时，二价铁氧化为三价铁的氢氧化物。无氧时，存在大量二价铁。二价铁还能被铁细菌氧化为三价铁。在含有机物和铁盐的水管中一般都有铁细菌存在。常因水管中有酸性水而将铁转化为溶解性的二价铁，铁细菌就转化二价铁为三价铁（锈铁）沉积于水管壁上。趋磁性细菌1.发现

1975年,有人用显微镜研究盐泽的泥浆沉淀物时,观察到有些微生物持续不变地向一个方向游动,它们聚集在一滴污水的某一边缘.这是一种趋光性反应吗?不是,因为不管落在显微镜片上的光怎样分布,细菌总是游向同一个边缘,甚至当显微镜被木盒盖住、转向或移放到其它房间时，细菌仍然游向同一方向。这究竟是怎么一回事呢？它的这种运动与地球的磁场有关吗

实际上这是一种趋磁性行为。实验证明：当把一小滴泥浆用暗场照明的显微镜在低倍率（约80倍）下放大检查时，游动的、折射光的细菌看起来像一些游动的小光点。在只有地磁场而没有其它磁场作用时，一些细菌就持续不断地向北游动，并聚集在小水滴的北面的边缘。如果把一条形磁铁放在附近，细菌就游向吸引罗盘针指向北端的那一极。

引起趋磁性的内因是：在细菌的细胞质内有一些