成信工环境工程微生物学教案第10章 微生物对污染物的降解与其在环境物质循环中的作用

第10章微生物对污染物的降解与其在环境物质循环中的作用

一、基本要求

⑴理解微生物对纤维素、半纤甦素、淀粉、脂肪、木质素、色类的降解与转化（碳循环）；

⑵理解微生物对蛋白质水解与氨基酸转化、尿素的氨化、硝化作用、反硝化作用、固氮作用（碳循环）

等（磷循环、硫循环）内容；

⑶掌握影响微生物对环境污染物降解能力的因素。

二、教学重点与难点

重点：影响微生物对环境污染物降解能力的因素

三、教学内容

（一）微生物对环境污染物的降解能力及影响因素

1、微生物对物质降解与转化的特点

（1）微生物个体微小，比表面积大，代谢速率大；

（2）种类繁多，分布广泛，代谢类型多样；

（3）微生物具有多种降解酶；

（4）微生物繁殖快，易变异，适应性强；

（5）微生物具有巨大的降解能力；

质粒（Plasmid）：染色体外遗传物质，是在原核微生物中除染色体外，还存在的一种较小的携带少

量遗传基因的环状DNA分子。

质粒可用来培育优良菌种，或用作基因工程中基因转移的载体。例如：多功能超级细菌的构建

诱导酶

突变体

2、微生物对污染物降解与转化的途径

（1）自然界中化学物质的降解的3种方式：这三种方式往往综合交叉进行。

光降解

化学降解

生物降解（Biodegradation）：指由于生物的作用，把污染物大分子转会为小分子，实现污染物的分

解或降解。其中微生物所起的降解作用最大，故也称为微生物降解。

（2）微生物代谢活动中的化学作用（实质是酶反应）

氧化作用

还原作用

脱陵作用

水解作用

脱氨基作用等

3、影响微生物对物质降解转化作用的因素

（1）影响微生物对物质降解转化作用的因素之一

①微生物的代谢活性

不同种类微生物对同一底物的反应不同；

微生物在不同的生长时期的活性是不相同的，在对数期代谢最旺盛，活性最强。

微生物的种类组成决定化合物降解的方向和速度，同时微生物的种类组成又与环境中的化学物质有

关。

②微生物的适应性

驯化（Domestication）：是一种定向选育微生物的方法与过程，通过人工措施使微生物逐步适应某

特定条件，最后获得具有较高耐受力和代谢活性的菌株.

（2）影响微生物对物质降解转化作用的因素之二

①化合物的结构

燃类：链燃的易降解性大于环燃，直链嫌大于支链烧，不饱和烧大于饱和烧，支链烷基越多，越不

易被降解

当主链上的C被S、N、0取代时，对生物氧化的阻抗上升

当C原子上的H被烷基或芳基取代时，会生成生物氧化的阻抗物。

官能团的性质和数量

分子量大小

②环境因素

温度、酸碱度、营养、氧、底物浓度（3）影响微生物对物质降解转化作用的因素之三

共代谢（Co-Metabolism）：微生物在利用生长基质A时（从中获得能量、碳源或其他任何营养），

同时非生长基质B（不能从中获得能量或营养）也伴随着发生氧化或其它反应。

在纯培养下，共代谢只是一种截止式转化，但在混合培养和自然环境条件下，转化可为其它微生物

进行的共代谢或其他生物对某种物质的降解铺平道路，使其代谢产物可继续降解，故污染物在有合适的

底物和环境条件下可通过共代谢作用而降解。

微生物对污染物的降解

1、无毒污染物的降解

（1）.纤维素的转化・B葡萄糖高聚物，每个纤维素分子含1400〜10000个葡萄糖基（61-4糖昔键）。

•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。

①微生物分解途径②分解纤维素的微生物好氧细菌一一粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌

厌辄细菌——产纤维二糖芽布梭菌、无芽胞厌氧分解菌及嗜热纤维芽抱梭菌。

放线菌一链霉菌属。

真菌——青霉菌、曲霉、镶刀霉、木霉及毛霉。

半纤维素的转化油脂的转化水中来源：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：

细菌一一荧光杆菌、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+B氧化毒污染物的降解

（二）微生物在环境物质循环口的作用

1、碳素生物循环

（1）碳素循环途径

csnojh

植物、第矣、光含细

（CHjOLCO2

微生物、其它生物

CJ

CO2—CH4

微生物

（2）淀粉的分解（直链）

淀粉的分解（直链）

・苒、斌鳗苜、曲重、椎震、"，（014）,愕浣检切g分子商斗机e.

Slarrh-Kluo>*rp«』》mrr

黑呼近杭迄十卡解电饨北.麦孑仲.初苕柳（力明

Sliirch—，ludprf)mrr

淀粉的分解（支链）

(ttl-6)FigureI

Am>lope<>(in

(3)纤维素的分解

(4)木质素的分解

（5）脂肪的分解

产.-COO-R!(pHzOHRi-COOH

产!-COO-R2H2OHR2-COOH

R3-COOH

CH2.COO.R3CH20H

五、几丁质的分解

几丁质与纤维素/淀粉（葡萄檐）的区别

CH1TI*舒生物GLUCOSE

)-CARBONO*Hy4i*o2tn■OxyseaNitrogen

（6）复杂含碳化合物的分解

总站杲:

任何大然有

机物最终都将披

分解成CO2,但是

总有一部分有机

物存¥于土壤中.

成为全球酸术体

芹之一.

(7)甲烷的形成及其机制

NHgHQH+汨74月z+2U/CW+2H*♦1936kJ

4H/2CQTCHQ+2*O-13069kJ

2CH3CH2OH+C2OTCH4+2cH3coCT+2ZT

2、氮素生物循环

(1)氮素循环途径

硝酸呼吸

•NO3--

7

Nitrate同化还原

镁厌气氧化

Nitrite

>N0<反硝化

六Hydroxylamine为肖化

SideNO[NH;OH]

A：硝酸异化还原成钱

Anaerobic

ammonium固氮

N搬sN2Ooxidation

Ammonia

N三N

生物固氮

Dinitroge演

细胞氮

R-NH2

CH4CH3OH

Nitriteoxidisers

COCO

Growth.

AssimilationCO---------->Boiomass

OrganicCBiomassn

Growth

AssimilationOrganicC----------►Biomass

Xenobiotics--------------->Biomass

Growth

CO----------►Biomass

（2）微生物的作用

①生物固氮

②氨化作用③硝化作用

④硝酸盐还原和反硝化作用

3、硫素生物循环

（1）硫素循环途径

图4-13自然界中的硫索循环

双线表示植物与微生物共同进行的反应,

单线表示仅由微生物进行的反应

（2）微生物的作用

①同化作用

②硫的氧化

③硫酸盐还原

④有机硫化物的矿化（脱硫作月）

4、磷素生物循环

（1）磷素循环途径

鸟类有

机微生物矿化作用」-