第8章 微生物在环境物质循环中的作用 12l有机污染物的生物净化机理净化本质微生物转化为无机物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 细菌是其中的主力军 原理：好氧有机物呼吸 废水中的有机物：碳水化合物、脂肪、蛋白质；酮、酚、醛、酮、烃、腈等（工业废水）。3有机物的分解好氧条件下的最终分解：C CO2N NH3 HNO2 HNO3S H2SO4P H3PO44厌氧条件下的最终分解C RCOOH CH4+CO2N NH3S H2S58.1 氧循环 (Oxygen cycle) 68.2 碳循环 (Carbon cycle)碳循环以CO2为中心7Carbon cycle8CO2有机质98.2.1 纤维素的转化(C6H10O5)140010000。 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）的作用，使之水解成可溶性的较简单的葡萄糖后 ，才能被微生物吸收分解。1. 纤维素的分解途径 102. 分解纤维素的微生物细菌、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。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2.04.4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。113. 纤维素酶所在部位v 细胞表面酶：如细菌的纤维素酶v 细胞胞外酶：如真菌和放线菌的纤维素酶128.2.2 半纤维素的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. 分解途径132. 分解半纤维素的微生物能分解纤维素的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148.2.3 果胶质的转化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。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-1，4糖苷键连成的多糖152. 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16水浸法：把麻类物质浸入水中，利用厌 气微生物分解其中的果胶。露浸法：把麻类物质堆置并保持一定 的湿度，利用好氧微生物分解果胶。4、果胶分解的应用-麻类脱胶178.2.4 淀粉的转化(C6H10O5)1200淀粉主要来自植物，它是植物的重要贮藏物质 。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。淀粉的降解途径123418降解淀粉的微生物途径中：枯草芽孢杆菌、根霉、曲霉途径中：根霉、曲霉、酵母菌途径中：丙酮丁醇梭状芽孢杆菌、丁醇梭状芽孢杆菌途径中：丁酸梭状芽孢杆菌19参与催化淀粉降解的酶(1)-淀粉酶 是一种内切酶，能够水解淀粉分子内部 的-1,4-糖苷键，其产物的构型均为-构型，故 称为-淀粉酶。经过该酶的作用，淀粉液的粘度下 降，因而又称为液化型淀粉酶。 (2)-淀粉酶 是一种外切酶，由于该酶的作用部位是 -位的糖苷键，故称为-淀粉酶。 (3)糖化淀粉酶 作用产物有两种：如果被作用的底物 是直链淀粉，则产物为葡萄糖（该酶由此得名）； 如果被水解的底物是支链淀粉，其产物是葡萄糖和 带有-1,6-糖苷键的支链寡糖。 (4)淀粉酶 作用于支链淀粉中直链和支链交接处的- 1,6-糖苷键。 208.2.5 脂肪的转化v 脂(固态)：饱和脂肪酸甘油v 油(液态)：不饱和脂肪酸甘油v 饱和脂肪酸：硬脂酸、棕榈酸、丁酸、丙酸和乙酸v 不饱和脂肪酸：油酸、亚油酸和亚麻酸v 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。21脂肪的水解甘油的转化脂肪酸的氧化v1mol硬脂酸含18个C，需要经过8次氧化 作用，全部降解为9mol乙酰辅酶A，总共可 产生147molATP。TCA 循环22238.2.6 木质素的转化它很难降解！v 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1520， 木材的木质素含量高达30左右。v 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 。v 造纸废水和人造纤维废水中含有木质素。v分解木质素的微生物：干朽菌、多孔菌、伞 菌。24Lignin Lignin 木质素木质素木质素 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，由松柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度分枝多聚物。25自然界中哪些微生物能够进行木质素的降解呢？ 确证的只有真菌中的黄孢原毛平革菌，疑似的只有软 腐菌。黄孢原平毛革菌黄孢原平毛革菌 (Phanerochaete chrysosprium) 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。*木质素降解的意义何在呢？如何实现工业化白腐菌降 解木质素呢？268.2.7 烃类物质的转化石油中含有烷烃(30)、环烷烃(46)和芳香 烃(28%)。 1. 烷烃的转化微生物：甲烷假单胞菌、分枝杆菌、头孢霉、 青霉。272. 芳香烃化合物的转化芳香烃有酚、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 化肥厂的废水中含有芳香烃。 分解芳香烃的微生物： 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()芘：荧光假单胞菌、铜绿色假单胞菌、大 肠埃希氏菌28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ACO2H2O萘菲蒽29苯和酚的代谢苯和酚的代谢 苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所示苯的代谢苯的代谢30萘萘 的的 代代 谢谢31菲的代谢菲的代谢32蒽的代谢蒽的代谢338.3 氮循环 氮的存在形态：分子氮、有机氮 （蛋白质等）、无机氮（NH4+ 、NO3-等） 34v氮循环包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用、及固氮作用。vLead line of N cycle? 35碳循环368.3.1 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：链霉菌含氮有机物有：蛋白质、氨基酸、尿素、胺、腈化物、硝基化合物等。372. 氨基酸的转化(氨化作用 Ammonification) (1)脱氨作用：有机氮化合物在氨化微生物的脱 氨基作用(Deamination)下产生氨的过程称为 氨化作用(Ammonifier) 。 v 氧化脱氨v还原脱氨38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39v 水解脱氨v 减饱和脱氨(2) 脱羧作用40氨化细菌 参与氨化作用的细菌好氧性：荧光假单胞菌、灵 杆菌 厌氧性：腐败梭菌 兼性菌：变形杆菌。418.3.2 尿素的氨化v用酚红可检验此反应，呈红色说明有氨产生 。 v 分解尿素的微生物：尿八叠球菌、尿小球菌 等。 v 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428.3.3 硝化作用(Nitrification) 在有氧条件下，氨经亚硝酸菌和硝酸菌 (Nitrite bacteria and Nitrate bacteria)的作用 转化为硝酸的过程。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。2NH33O22HNO22H2O619kJ2HNO2 3O22HNO3201kJTotal: NH4+2O22H + NO3-H2O 201kJ4344硝化作用的分析： v 硝化细菌严格好氧，曝气池DO应在2-3mg/L ； v1g氨氮完全硝化耗氧4.57g（NOD）； v1g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，应保证污水中足够碱度 ； v硝化细菌为化能自养菌，应控制硝化池BOD5 小于80mg/L （否则异养菌占优势）； v硝化细菌世代时间长，一般为几天，平均3.3 天，因此，污泥龄应较长。458.3.4 反硝化作用(Denitrification) 硝酸盐在缺氧时，在兼性厌氧的反硝化细 菌（硝酸盐还原菌）作用下，还原为亚硝酸 盐和氮气的过程。反应式: 2NO3-10H + 2OH - N24H2O反硝化作用的危害 （农业上） 会使土壤肥力降低； （污水处理）影响二沉池的出水水质； （水体中）产生致癌物质亚硝酸胺，危 害人体健康。46反硝化作用的三种结果 硝酸盐氨氨基酸、蛋白质及其它含氮物质 ；（同化反硝化） 硝酸盐氮气；（异化反硝化） 硝酸盐亚硝酸。 （异化反硝化）类类型 含有反硝化细细菌种的一些属有机营营养型 假单单胞菌属、产产碱杆菌属、芽孢孢杆菌属、 土壤杆菌属、黄杆菌属、芽生杆菌属、 盐盐杆菌属、慢生根瘤菌属 化能无机营营养型 硫杆菌属、硫微螺菌属、亚亚硝化单单胞菌属 光能营营养型 红红假单单胞菌属 混合型 副球菌属、布兰汉兰汉 氏菌属、奈氏球菌属47反硝化作用的分析： v发生条件：(亚)硝酸盐与有机物同时存在；低DO v反硝化细菌兼性厌氧，曝气池DO应35； v1g硝酸盐氮完全反硝化产生3.75g碳酸盐碱度；v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-C5H7NO2N2CO2NH3-OH-v因此，污水缺乏有机物时容易导致内源反硝化，使 细胞物质减少。488.3.5 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。N26e6HnATP2NH3nADPnPi 49固氮作用分类： (1) 自生固氮自生固氮微生物可以在环境中自由生活，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。 50蛋白质的转化降解机理蛋白