4.3 微生物在自然界物质循环中的作用

1、4.3 微生物在自然界物质循环中作用,主要内容： 碳循环 氮循环 硫循环 磷循环,第一节 碳循环,一、碳循环,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。 在碳循环过程中， 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。,碳循环,二、微生物在碳循环中的作用,微生物在碳循环中的作用，主要体现在两个方面， 一是通过光合作用和化能合成作用来固定CO2， 二是通过分解作用再生CO2。 含碳有机物的种类极其多样，不同有机物能被不同微生物分解，在自然界中参与有机物分解的主要是

2、细菌、真菌和放线菌。,第二节 氮循环,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、氮循环的过程,二、微生物在氮循环中的作用,（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

3、合物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 CH3CH2NH2 + CO2 (丙氨酸 ) (乙胺) H2N(CH2)4CHNH2COOH H2N(CH2)5NH2 (赖氨酸) (尸胺),（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

4、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 (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。（消耗溶解氧） 硝化分二步进行： 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,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

5、程，有三种结果： HNO3NH3 HNO3N2 HNO3HNO2 环境工程最关心的反硝化作用：在缺氧条件下，硝酸盐被还原为氮气的过程。,在环境工程中，涉及反硝化作用的主要是： 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,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 固氮酶 N2 + 6e- + 6H + nATP 2NH

6、3 + nADP + nPi 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。,一、概念：是指固氮微生物将大气中的氮还原成氨的过程 二、固氮微生物的种类,共生固氮微生物自生固氮微生物,共生固氮微生物,1、概念：是指与一些绿色植物 互利共生的固氮微生物. 2、代表生物：根瘤菌（属于细菌）共生特性：不同的根瘤菌，各自只能侵入一 种或多种特定种类的豆科植物 共生关系：豆科植物为根瘤菌提供有机物， 根瘤菌为豆科植物提供氨,根瘤与根瘤菌,根瘤菌是与豆科等植物互利共生的一类细菌。能够将大气中的氮还原为氨供给豆科植物，同时又从豆科植物体中获取有机物。豆科植物开花之前，根瘤菌的固氮

7、能力最强。 根瘤是根瘤菌侵入豆科植物根部后不断繁殖，刺激根内薄壁细胞，导致这些细胞强烈的分裂和生长，从而使根部局部膨大形成瘤状突起，即根瘤。,自生固氮微生物,1、概念：是指在土壤中能够独立进行固氮的微生物 2、代表生物：圆褐固氮菌（属于细菌）：具有较强的固氮能力，并且能够分泌生长素，促进植物生长和果实发育,共生固氮微生物 根瘤菌,自生固氮微生物 圆褐固氮菌,2.只有侵入到特定种类的豆科植物的根内时才具有固氮能力。,1.土壤中独立存在时有无固氮能力？,3.根内根细胞内？,根内根细胞内,NH3,有机物,3080,同化作用的方式？,5.新陈代谢的类型：异养需氧型,异养型,2 .新陈代谢的类型： 异养

8、需氧型,3.分泌生长素，促进植物的生长和果实的发育。,（六）氨的同化作用,生物生长需要从外界获得氮素营养，即进行同化作用。 植物或微生物的氮元素，可以来自氨化作用产生的氨，也可以是固氮作用产生的氨；另一来源是硝酸盐，自然界的土壤、水体中，均含有硝酸盐，植物、微生物可以此为氮源，它们吸收硝酸盐，在缺氧条件下，由硝酸还原酶作用，进行反硝化作用（亦称为同化硝酸盐还原作用），把硝酸盐还原成氨。 植物、微生物等获得氨后，进一步合成菌体蛋白等细胞物质。,第三节 硫循环,一、硫循环的过程,含硫的化合物有：含硫有机物（蛋白质中的SH基等），无机硫化合物，元素硫,二、微生物在硫循环过程中的作用,微生物参与了硫素

9、循环的各个过程，并起着很重要的作用。 含硫有机物的转化（脱硫作用） 生物体内的含硫有机物主要是含硫的蛋白质和氨基酸，如蛋氨酸、半胱氨酸、胱氨酸等。它们在微生物的作用下被分解脱巯基产生硫化氢。 能分解含硫有机物很多，引起含氮有机物分解的微生物都能分解含硫有机物产生硫化氢。,2. 硫化作用 硫化作用，也称无机硫的氧化作用，它是在有氧条件下，通过硫细菌的作用将硫化氢转化为元素硫，再进而氧化成硫酸的过程。 参与硫化作用的微生物有硫化和硫磺细菌。 硫化细菌一般在细胞外积累硫。 硫磺细菌一般将硫粒积累在细胞内（也有在细胞外的）的细菌。,3. 反硫化作用 当环境条件处于缺氧状态时，硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸

10、盐和次亚硫酸盐在微生物的作用下，还原成硫化氢，这个过程称为反硫化作用（或称硫酸盐还原作用）。 4. 同化作用 由植物和微生物引起。生物吸收的硫酸盐被转变成还原态的硫化物（也称为同化硫酸盐还原作用），然后再固定到蛋白质等成分中（主要以巯基形式存在）。,第四节 磷循环,磷是生物体的重要元素 含磷的化合物有： 含磷有机物（核酸、磷脂等） 无机磷化合物 可溶的 不可溶，如Ca3(PO4)2，不能被植物吸收利用 气体（PH3）磷化氢是一种无色、高毒、易燃的储存于钢瓶内的液化压缩气体。该气体比空气重并有类似臭鱼的味道。,一、磷的循环过程,无机磷可以为植物所吸收利用，在食物链中传递，而一部分则以不溶性形式沉淀下来，离开了循环。这就是磷循环是不完全循环的原因所在。,二、磷循环过程中微生物的作用,有机膦的矿化作用 许多异养微生物在分解有机碳化物的同时也能分解有机磷化物。包括细菌、放线菌和真菌的一些种类