第八章 微生物在环境物质 循环中作用n包括天然物质循环和污染物质的循环，其 实从本质上看，并没有太大的区别，但是 ，污染物质的进入，会影响原有的物质循 环的某些环节。 n各种物质元素：O、C、N、P、S、Fe等。 n推动物质进行循环的作用包括物理、化学 和生物的作用，其中生物起到了主导的作 用，而微生物在这当中又占了极重要的地 位。 第一节第一节 碳循环碳循环碳在陆陆地和水生境的循环环 微生物在碳素循环中的作用微生物在碳素循环中具有非常重要的作用，它们既参与固定CO光合 作用，又参与再生CO的分解作用。1、光合作用：参与光合作用的微生物主要是藻类，蓝细菌和光合细 菌，它们通过光合作用，将大气中和水体中的CO合成为有机碳化物。特别是在大多数水生环境中，主要的光合生物是微生物，在有氧区 域以蓝细菌和藻类占优势；而在无氧区域则以光合细菌占优势。2、分解作用：自然界有机碳化物的分解，主要是微生物的作用。陆地和水域的有氧条件中，通过好氧微生物分解被彻底氧化为CO ； 在无氧条件中，通过厌氧微生物发酵被不完全氧化成有酸、甲烷、氢 和CO。一 、 碳水化合物的转化单糖：葡萄糖 二糖：蔗糖、乳糖、麦芽糖 多糖：淀粉、纤维素、半纤维素难溶的多糖，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、木质素、淀粉。提问：哪些糖类会成为污染物？1纤维素的转化n葡萄糖高聚物，每个纤维素分子含140010000个葡萄糖基（-1，4糖苷键）。n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。-1,4-糖苷键纤维素的分子结构（1 1）微生物微生物分解途径分解途径（2）分解纤维素的微生物n好氧细菌粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌n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。n放 线 菌链霉菌属。n真 菌青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。n需要时可以向有菌种库的研究机构购买或自行筛选。2半纤维素的转化n存在于植物细胞壁中。造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。n分解过程好氧分解 EMPTCA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n分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。n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。二、 脂肪的转化脂肪是甘油和高级脂肪酸所形成的脂，存在于动植物体内，脂肪是甘油和高级脂肪酸所形成的脂，存在于动植物体内， 是人和动物的能量来源，也是许多微生物的碳源和能源。是人和动物的能量来源，也是许多微生物的碳源和能源。脂肪脂肪酶甘油脂肪酸简单的酸+CO2+H2OCO2+H2O饱饱和脂肪酸 + 甘油 在常温下为为固态态，称为为脂 不饱饱和脂肪酸 + 甘油 在常温下为为液态态，称为为油 来源：毛纺纺厂、油脂厂、制革厂等 作用微生物：脂肪是比较稳较稳 定的化合物，但仍有微 生物可以降解它。如细细菌中的荧荧光杆菌、绿脓绿脓 杆 菌、灵杆菌等，真菌中的青霉、白地霉、曲霉、 镰镰刀霉及解脂假丝丝酵母等，某些放线线菌和分枝杆 菌。 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮丙酮酸，进入丙酮酸，进入TCATCA循环循环 第三节节 氮循环环自然界中的氮元素有：分子氮（空气中的N2）有机氮（氨基酸、蛋白质质、核酸等）无机氮（NH4+、NO3-等）氮素循环包括：固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用氮循环氮循环工业 固氮高能 固氮生物 固氮有机氮有机氮 合成合成氨化作用氨化作用硝化作用硝化作用反硝化作用反硝化作用OO2 2不足不足硝化细菌硝化细菌反硝化细菌反硝化细菌亚硝 酸盐1、生物固氮- 大气中的N2通 过某些原核微 生物的固氮作 用合成为化合 态氮。 2、硝化作用- 土壤或水体中 的氨态氮经化 能自养菌的氧 化而成为硝酸 态氮的过程。 3、氨化作用- -有机氮经微 生物的氨化 作用释放出 氨。4、反硝化作用 -硝酸和亚 硝酸又可在 无氧条件下 经微生物的 反硝化作用 ，最终变成 N2或N2O，返 回至大气中 。一、生物固氮作用一、生物固氮作用 什么叫做生物固氮什么叫做生物固氮？固氮微生物固氮微生物将大气中的将大气中的N N2 2还原为还原为NHNH3 3的过程。的过程。共生固氮微生物共生固氮微生物自生固氮微生物自生固氮微生物根瘤菌根瘤菌豆科植物豆科植物 放线菌放线菌非豆科植物非豆科植物 蓝藻蓝藻水生蕨类等水生蕨类等圆褐固氮菌（好氧）圆褐固氮菌（好氧） 梭菌（厌氧）梭菌（厌氧） 鱼腥藻等为代表的固氮蓝藻鱼腥藻等为代表的固氮蓝藻 固氮微生物有哪些种类？固氮微生物有哪些种类？铁蛋白铁蛋白 铁钼蛋白铁钼蛋白e-e- + + HH+ +ATPATPADP+PiADP+Pi固氮酶固氮酶NHNH3 3 固氮过程：固氮过程： N2N2蓝细蓝细 菌细细胞的特化形式：（1）静息孢子：壁厚，休眠细胞，富含储藏物，抗不良环境 （2）异形孢：固氮静息孢子异形孢营养细胞二、蛋白质的转化R-CH-COOH NH2R代表不同的基团氨基酸1.蛋白质的氨化氨化作用：由有机氮化物转化为氨态氮的过程（NH3、NH4+） 肽蛋白酶 水解肽酶 水解蛋白质氨基酸（1）蛋白质初步水解成氨基酸（2）氨基酸脱氨基产生氨水解脱氨（产生氨、羟基酸、醇）RCHNH2COOH+H2ORCH(OH)COOH+NH3RCHNH2COOH+H2ORCH2OH+CO2+NH3氧化脱氨基（产生氨、脂肪酸或酮酸） RCHNH2COOH+O2RCOOH+CO2+NH3还原脱氨基（产生氨、脂肪酸）RCHNH2COOH+2H+RCH2COOH+NH3RCHNH2COOH+2H+RCH3+CO2+NH3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。问题：参加的有哪些微生物呢？三、硝化作用1. 硝化作用概念 在有氧气时，微生物将氨氧化为硝酸的作用2. 参加硝化作用的微生物 硝化细菌亚硝酸细菌硝酸细菌两类细菌相伴而生，作用相连。硝化细菌的特性： （1）革兰氏阴性菌，不生芽孢 ，球状或短杆状（2）强好氧性 ，中温性（最适30，5-40 范围活动）（3）中性或碱性环境。不能在强酸环境生活。 （4）对毒物敏感。很少的锰对其有毒害。问题：硝化细菌有哪些特性？3. 硝化作用的过程（1）亚硝酸形成阶段2NH3 + 3O2亚硝酸细菌2HNO2 + 2H2O + ATP亚硝酸细菌：亚硝酸单胞菌属、亚硝酸球菌属 亚硝酸螺菌属、亚硝酸叶菌属（2） 硝酸形成阶段2HNO2 + O2硝酸细菌2HNO3 + ATP硝酸细菌：硝酸杆菌属、硝酸刺菌属、硝酸球菌属HNO2毒性很强，累积起来对植物有毒害。 HNO3是植物吸收利用的有效氮素养料。4. 硝化作用进行的条件 O2 NH3 碱性物质（如NaHCO3，中和产生的亚硝酸和硝酸） 不需有机物存在蛋白质最终被氧化成： CO2、H2O、HNO3、H2SO4四、反硝化作用概念：硝酸盐在通气不良环境中（缺氧），被 反硝化细菌还原成NO2-、 NO、N2O、N2 的过程。 1. 反硝化过程C6H12O6 + 4NO3-6H20 + 6CO2 + 2N2 +ATP缺氧N2NO3-NO2-NON2O反硝化细菌（硝酸还原菌和亚 硝酸还原菌）2. 反硝化作用的微生物类类型 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、奈氏球菌属反硝化细菌：进行反硝化作用的微生物。50多属 。 兼性厌氧菌。反硝化细菌的部分属群3. 反硝化作用发生的条件 NO3- 有机物质存在 氧气 0.5 mg/L（O2的存在主要是抑制了呼吸作用中的异化性硝酸盐还盐还 原酶的合成， 而对对同化作用中的同化型硝酸盐还盐还 原酶不发发生影响） 最适pH中性或微碱性 中温型25有机硫化物硫酸盐H2S元素分解作用分解作用分解作用分解作用同化作用同化作用无机硫的氧化作用无机硫的氧 化作用无机硫的还原作用一、分解作用（含硫有 机物的分解）：动、植物和微生物尸体 中的有机硫化物，被微 生物降解成无机物（硫 酸盐、H2S等）的过程称 为分解作用。微生物：氨化微生物第四节 硫循环有机硫化物硫酸盐H2S元素分解作用分解作用同化作用同化作用同化作用同化作用无机硫的氧化作用无机硫的氧 化作用无机硫的还原作用二、同化作用微生物利用硫酸盐和H2S ，组成本身细胞物质的过 程称为同化作用，细菌、 放线菌、真菌中都有能利 用硫酸盐作为硫源的种类 。仅少数微生物同化H2S 。三、无机硫的氧化作用无机硫的氧化作用是微生物氧化H2S 、元素或FeS等生成硫酸盐的过程。主要是硫细菌。硫细菌有两大类：1、无色的化能营养型：硫杆菌，自养型，不生芽孢，短杆，多以端生鞭毛运动；丝状硫磺细菌，自养型。2、有色的光能营养型紫硫菌和绿硫菌有机硫化物硫酸盐H2S元素分解作用分解作用同化作用同化作用无机硫的氧化作用无机硫的氧化作用无机硫的氧无机硫的氧 化作用化作用无机硫的还原作用四、无机硫的还原作用(硫酸盐还原或反硫化作用)无机硫化物的还原作用是在厌氧条件下微生物将硫酸盐还原成H2S的过程。参与此过程的微生物是硫酸盐还原细菌。（脱硫弧菌属、脱硫肠状菌属） 有机硫化物硫酸盐H2S元素分解作用分解作用同化作用同化作用无机硫的氧化作用无机硫的氧 化作用无机硫的还原作用无机硫的还原作用生物有机磷不溶性磷酸盐磷酸或可溶性 磷酸盐与土壤中 的盐基结 合产酸微生物的 作用或磷肥的 生产植物与微生物 的吸收同化微生物的分 解作用图 微生物在自然界中磷元素的循环作用三种基本过程：有 机磷转化成溶解性 无机磷(有机磷矿化 )，溶解性无机磷 变成有机磷(磷的同 化) ,不溶性无机 磷变成溶解性无机 磷(磷的有效化). 微生物参与磷循环的 所有过程，但在这 些过程中，微生物 不改变磷的价态， 因此微生物所推动 的磷循环可看成是 一种转化。自学： 第五节节 磷循环自学： 第六节 铁循环1. 铁化物的氧化和沉淀O2Fe2+ Fe3+铁细菌2. 铁化物的还原和溶解Fe3+ Fe2+ 缺氧3. 铁的吸收微生物可以产生非专一性和专一性的铁螯合体作为结合铁和转运铁的化微生物可以产生非专一性和专一性的铁螯合体作为结合铁和转运铁的化 合物。通过合物。通过铁螯合化合物铁螯合化合物使铁活跃以保持它的溶解性和可利用性。使铁活跃以保持它的溶解性和可利用性。