《第二篇第二章微生物在环境物质循环中的作用资料ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二篇第二章微生物在环境物质循环中的作用资料ppt课件（85页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章微生物在环境物质循环中的作用 1 主要物质的循环 氧 碳 氮 硫 磷 2 微生物对有机物的降解过程 主要内容 重点 难点 授课学时 重点 微生物对含碳 含氮 含硫等物质的分解与转化作用 难点 物质在微生物作用下的好氧 厌氧分解与转化作用微生物在碳循环和氮循环中的生物作用 授课学时 2学时 天然物质循环污染物质循环包括各种物质元素 O C N P S Fe等推动物质进行循环的作用 物理作用化学作用生物作用 第一节氧循环 大气 水体中的O2 呼吸作用 CO2 光合作用 O2在大气中分布均匀 而在水体中有垂直方向上的变化 P198图2 2 1夏季湖泊含氧量及水温的分层情况 含碳物质有CO2 碳
2、水化合物 脂肪 蛋白质等 碳的循环是以CO2为中心的 第二节碳循环 碳循环 碳循环 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 CO2 厌氧呼吸 发酵厌氧微生物 包括光合细菌 异养 有机化合物 CH2O n 光合细菌 自养 沉积作用 产甲烷细菌 甲基化合物 甲烷氧化细菌 CH4 水体 需氧 厌氧 一 纤维素的转化纤维素是葡萄糖的高分子聚合物 C6H10O5 n n 1400 10000来源 以树木 农作物为原料的工业生产 如造纸 印染等 作用的微生物 细菌 放线菌和真菌 分解过程 首先经过微生物胞外酶 水解酶 的作用 使之水解成可溶性的较简单的葡萄糖后 才能
3、被微生物吸收分解 几种含碳化合物的转化 细菌 放线菌和真菌 纤维素的转化 分解纤维素的微生物 好氧细菌 粘细菌 镰状纤维菌和纤维弧菌厌氧细菌 产纤维二糖芽孢梭菌 无芽孢厌氧分解菌及嗜热纤维芽孢梭菌 放线菌 链霉菌属 真菌 青霉菌 曲霉 镰刀霉 木霉及毛霉 需要时可以向有菌种库的研究机构购买或自行筛选 纤维素酶所在的部位 细菌 结合在细胞质膜上 是表面酶 真菌 放线菌 胞外酶 二 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 分解过程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分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素 三 果胶质的转化
4、 果胶质存在于植物的细胞壁和细胞间质中 造纸废水 制麻废水中含有果胶质 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 原果胶酶 果胶甲酯酶 聚半乳糖酶 2 水解产物的分解水解产物 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 分解果胶质的微生物细菌 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 四 淀粉的转化P201 1 淀粉的种类直链淀粉支链淀粉 C6H10O5 1200淀粉主要来自植物淀粉厂废水 酒厂 印染废
5、水 抗生素发酵废水及生活污水等含有淀粉 1 2 淀粉的降解途径途径1 枯草杆菌 根霉 曲霉将淀粉分解为CO2途径2 根霉和曲霉 酵母菌先将淀粉转化为葡萄糖接着由酵母菌将葡萄糖发酵为乙醇和CO2途径3 梭状芽孢杆菌参与发酵途径4 丁酸梭状芽孢杆菌参与发酵途径 2 3 4 五 脂肪的转化P203 由饱和脂肪酸和甘油组成的 常温下呈固态的称为脂 由不饱和脂肪酸和甘油组成 在常温下呈液态的称为油 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脂肪较快的微生物 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 氧化 脂肪的水解甘油的
6、转化脂肪酸的 氧化 TCA循环 18碳硬脂酸8FADH2 8NADH2 9CH3CO SCoATCAATPH2OCO2 以硬脂酸为例 1mol硬脂酸含18个碳原子 需要经过8次 氧化作用 全部降解为9mol乙酰辅酶A 18碳硬脂酸完全氧化可产生的能量 1mol乙酰辅酶A经三羧酸循环氧化产生12molATP1molFADH2经呼吸链氧化产生2molATP1molNADH2经呼吸链氧化产生3molATP总共产生17molATP开始激活硬脂酸时消耗 1molATP净得16molATP 第一步 P103 1mol硬脂酸完全氧化 共得能量 16 17 7 12 147molATP 第一次 氧化 最后一次
7、 氧化 注 1mol葡萄糖 38molATP 18碳硬脂酸8FADH2 8NADH2 9CH3CO SCoA 8 2 16 8 3 24 12 9 108 共得148molATP 硬脂酸在开始被激活时消耗1molATP 所以净得147molATP Lignin木质素 木质素空腔纤维素 六 木质素的转化 木质素存在于除苔藓和藻类外所有植物的细胞壁中 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
8、菌分解后漏出白色的纤维素部分 七 烃类物质的转化 微生物 甲烷假单胞菌 分枝杆菌 头孢霉 青霉 1 烷烃的转化 芳香烃 酚 苯 萘 菲 蒽等 炼油厂 煤气厂 焦化厂及化肥厂的废水中含有芳香烃 已知降解不同芳香烃的细菌类别 2 芳香烃化合物的转化 苯的代谢 萘的代谢 菲的代谢 蒽的代谢 苯 萘 菲 蒽的代谢途径 苯 邻苯二酚 己二烯二酸 酮基己二酸 琥珀酸 乙酰辅酶A CO2 H2O 萘 菲 蒽 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 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
9、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 共代谢研究进展及其成果对环保的应用现状 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 A
10、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 诺卡氏菌由于这些微生物的作用 虽然每年排放入环境中的洗涤剂数量逐年递增 但环境中并没有发生洗涤剂的明显增加 因而洗涤剂一般不会引起环境的有机污染 洗涤剂目前存在的问题主要是洗涤剂中的添加剂聚磷酸盐造成的水体富营养化问题 共代谢研究进展及其成果对环保的应用现状 共代谢 co metabolism 指微生物在有它可利用的唯一碳源存在时 对它原来不能利用的物质也能分解代谢的现象 例如 甲烷假单胞菌 甲烷 乙烷 丙烷和丁烷 氧化为乙酸 丙酸 丁酸 共代谢作用是1959年 美国德克萨斯大学 Lead
11、better和Foster发现的 当培养基中存在一种或多种用于微生物生长的烃类时微生物对作为辅助物质的 非用于生长的烃类的氧化作用一级基质 二级基质 1 生物在正常生长代谢过程中对二级基质的共同氧化厌氧微生物食物链系统 葡萄糖的存在可为相关的微生物提供碳源和能源 另外 葡萄糖经相关微生物的代谢还可为受试有机物的开环提供必须的还原力和各种辅酶 厌氧条件下废水中活性染料 活性翠蓝 的生物降解 发现以活性翠蓝为单一碳源时 厌氧菌不能降解活性翠蓝 但当进水中补充葡萄糖后 厌氧菌对葡萄糖和活性翠蓝产生了共代谢作用 活性翠蓝被降解 2 微生物间的协同作用 指有些污染物的降解并不导致微生物的生长和能量的产生
12、 它们只是在微生物利用一级基质时被微生物产生的酶降解或转化为不完全氧化产物 这种不完全氧化产物进而被另一种微生物利用并彻底降解普通的脱硫弧菌属 铜绿假单胞菌属在用苯甲酸单独培养时 均不能利用苯甲酸 在含有苯甲酸和SO42 的基质中共同培养时苯甲酸即可彻底被生物降解 同时SO42 被还原为H2S生物膜或颗粒污泥的形成能有效地发挥微生物间的协同作用 提高难降解物质的生物降解率 3 一级基质不存在时休眠细胞对二级基质的利用用氯苯 邻二氯苯 间二氯苯 对二氯苯 1 2 4 三氯苯溶液驯化污泥 内源呼吸阶段 用这些污泥对这5种有机物进行降解 发现用氯苯 邻二氯苯 间二氯苯溶液驯化的污泥 能够有效地相互降
13、解 诱导的酶系统具有一个共同特征 即要求被作用的二级基质苯环上至少具有一个 连续三空结构 对二氯苯 1 2 4 三氯苯缺乏 连续三空结构 因而不能被由上述3种有机物驯化的污泥降解 用这2种有机物驯化的污泥诱导的酶系统 只要求二级基质苯环上至少具有一个 连续二空结构 即可 所以用这2种有机物驯化的污泥能够降解所有受试的5种有机物 第三节氮循环P207 一 蛋白质水解与氨基酸转化 1 蛋白质水解水中来源 生活污水 屠宰废水 罐头食品加工废水 制革废水等 土壤中 动植物残体的腐败 1 降解蛋白质的微生物好氧细菌 链球菌和葡萄球菌好氧芽孢细菌 枯草芽孢杆菌 巨大芽孢杆菌 蜡状芽孢杆菌及马铃薯芽孢杆菌兼
14、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 降解机理 2 氨基酸转化 1 脱氨作用 有机氮化合物在氨化微生物的脱氨基作用下产生氨 氧化脱氨 好氧微生物 还原脱氨 专性厌氧菌和兼性厌氧菌 斯提克兰反应 生芽孢杆菌对糖的代谢能力差 只能以一种氨基酸作为供氢体 以另一种氨基酸作为受氢体进行氧化还原反应 从而得到能量的现象 丙氨酸 甘氨酸 乙酸 水解脱氨 减饱和脱氨 在 位键减饱和为不饱和酸 2 脱羧作用 二 尿素的氨化 印染废水 生活污水 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
15、尿小球菌等 尿素细菌的生理特点 喜好碱性条件 以尿素 铵盐为N源 以有机碳为C源 能源 尿素分解时不放出能量 故不能作为能源 只能作为氮源 三 硝化作用 氨在有氧的条件下 经亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用转化为硝酸的过程 1 硝化细菌和硝化作用的过程 微生物 亚硝化细菌 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 自养型 2 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 四 反硝化作用硝酸被还原为亚硝酸 氨和N2的作用 反硝化作用的危害 会使土壤肥力降低 影响二沉
16、池的出水水质 产生致癌物质亚硝酸胺 危害人体健康 HNO3 N2O或N2 NH3 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 五 固氮作用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 固氮作用分类 1 自生固氮自生固氮微生物 在环境中自由生活 能独立进行固氮作用 在固氮酶的参与下 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 组成自身蛋白质 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的情况下 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的根际 并不侵入根毛生成根瘤 固氮效率较高 如雀稗固氮菌 固氮条件1 固氮酶2 能量 平均每还原1mol氮 需要24molATP3 氮源 N2 当供给NH3 尿素和硝酸盐时固氮作用停止 4 固氮微生物生长环境条件 中性和偏碱性5 氧的影响 在较
