微生物在環(huán)境物質循環(huán)中的作用.ppt

1,第8章微生物在環(huán)境物質循環(huán)中的作用,2,3,有機污染物的生物凈化機理凈化本質微生物轉化為無機物依靠好氧分解與厭氧分解,厭氧分解厭氧細菌原理：發(fā)酵、厭氧無機鹽呼吸,好氧分解細菌是其中的主力軍原理：好氧有機物呼吸,廢水中的有機物：碳水化合物、脂肪、蛋白質；酮、酚、醛、酮、烴、腈等（工業(yè)廢水）。,4,有機物的分解,好氧條件下的最終分解：CCO2NNH3HNO2HNO3SH2SO4PH3PO4,5,厭氧條件下的最終分解,CRCOOHCH4+CO2NNH3SH2S,6,8.1氧循環(huán)(Oxygencycle),7,8.2碳循環(huán)(Carboncycle),碳循環(huán)以CO2為中心,8,Carboncycle,9,10,8.2.1纖維素的轉化(C6H10O5)140010000。棉紡印染廢水、造紙廢水、人造纖維廢水及城市垃圾等含有大量纖維素。必須經過微生物胞外酶（水解酶）的作用，使之水解成可溶性的較簡單的葡萄糖后，才能被微生物吸收分解。1.纖維素的分解途徑,11,2.分解纖維素的微生物細菌、放線菌和真菌好氧性纖維素分解菌：粘細菌（G）居多，有生孢食纖維菌、食纖維菌和堆囊粘菌。此外還有鐮狀纖維菌與纖維弧菌。厭氧性纖維素分解菌：主要是芽孢梭菌屬，如產纖維二糖芽孢梭菌、嗜熱纖維芽孢梭菌。放線菌：土壤中有2.04.4的放線菌能分解纖維素，如白色、灰色及紅色鏈霉菌，分解能力較細菌和真菌弱。真菌：許多真菌具有很強的纖維素分解能力，如木霉、鐮刀霉、青霉、曲霉及毛霉等。,12,3.纖維素酶所在部位細胞表面酶：如細菌的纖維素酶細胞胞外酶：如真菌和放線菌的纖維素酶,13,8.2.2半纖維素的轉化半纖維素存在植物細胞壁中，由聚戊糖、聚己糖和聚糖醛酸組成。造紙廢水和人造纖維廢水中含半纖維素。1.分解途徑,14,2.分解半纖維素的微生物能分解纖維素的微生物大多能分解半纖維素，如芽孢桿菌、放線菌和霉菌。3.半纖維素酶胞外酶,15,8.2.3果膠質的轉化果膠質存在于植物的細胞壁和細胞間質中。造紙廢水、制麻廢水中含有果膠質。天然果膠質不溶于水，稱為原果膠。1.果膠質水解過程原果膠H2O可溶性果膠聚戊糖可溶性果膠H2O果膠酸甲醇果膠酸H2O半乳糖醛酸,半乳糖醛酸是以-1，4糖苷鍵連成的多糖,16,2.水解產物的分解水解產物：果膠酸、聚戊糖、半乳糖醛酸、甲醇好氧條件：CO2和H2O厭氧條件：丁酸、乙酸、醇類、CO2和H23.分解果膠質的微生物細菌、放線菌和真菌好氧菌：枯草芽孢桿菌、多粘芽孢桿菌等厭氧菌：蝕果膠梭菌、費新尼亞浸麻梭菌真菌：青霉、曲霉、木霉、根霉等,17,水浸法：把麻類物質浸入水中，利用厭氣微生物分解其中的果膠。露浸法：把麻類物質堆置并保持一定的濕度，利用好氧微生物分解果膠。,4、果膠分解的應用-麻類脫膠,18,8.2.4淀粉的轉化(C6H10O5)1200淀粉主要來自植物，它是植物的重要貯藏物質。淀粉廠廢水、酒廠、印染廢水、抗生素發(fā)酵廢水及生活污水等含有淀粉。淀粉的降解途徑,1,2,3,4,19,降解淀粉的微生物途徑中：枯草芽孢桿菌、根霉、曲霉途徑中：根霉、曲霉、酵母菌途徑中：丙酮丁醇梭狀芽孢桿菌、丁醇梭狀芽孢桿菌途徑中：丁酸梭狀芽孢桿菌,20,參與催化淀粉降解的酶(1)-淀粉酶是一種內切酶，能夠水解淀粉分子內部的-1,4-糖苷鍵，其產物的構型均為-構型，故稱為-淀粉酶。經過該酶的作用，淀粉液的粘度下降，因而又稱為液化型淀粉酶。(2)-淀粉酶是一種外切酶，由于該酶的作用部位是-位的糖苷鍵，故稱為-淀粉酶。(3)糖化淀粉酶作用產物有兩種：如果被作用的底物是直鏈淀粉，則產物為葡萄糖（該酶由此得名）；如果被水解的底物是支鏈淀粉，其產物是葡萄糖和帶有-1,6-糖苷鍵的支鏈寡糖。(4)淀粉酶作用于支鏈淀粉中直鏈和支鏈交接處的-1,6-糖苷鍵。,21,8.2.5脂肪的轉化脂(固態(tài))：飽和脂肪酸甘油油(液態(tài))：不飽和脂肪酸甘油飽和脂肪酸：硬脂酸、棕櫚酸、丁酸、丙酸和乙酸不飽和脂肪酸：油酸、亞油酸和亞麻酸毛紡廠廢水、毛條廠廢水、油脂廠廢水、制革廢水中含有大量油脂。,22,脂肪的水解甘油的轉化脂肪酸的氧化1mol硬脂酸含18個C，需要經過8次氧化作用，全部降解為9mol乙酰輔酶A，總共可產生147molATP。,TCA循環(huán),23,24,8.2.6木質素的轉化它很難降解！木質素是植物體的重要組分，含量僅次于纖維素和半纖維素。占植物干重的1520，木材的木質素含量高達30左右。木質素的結構是以苯環(huán)為核心帶有丙烷支鏈的一種或多種芳香族化合物經氧化縮和而成。造紙廢水和人造纖維廢水中含有木質素。分解木質素的微生物：干朽菌、多孔菌、傘菌。,25,Lignin木質素,木質素空腔纖維素,木質素存在于除苔蘚和藻類外所有植物的細胞壁中，由松柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度分枝多聚物。,26,自然界中哪些微生物能夠進行木質素的降解呢？,確證的只有真菌中的黃孢原毛平革菌，疑似的只有軟腐菌。,黃孢原平毛革菌(Phanerochaetechrysosprium)是白腐真菌的一種，隸屬于擔子菌綱、同擔子菌亞綱、非褶菌目、絲核菌科。白腐樹皮上木質素被該菌分解后漏出白色的纖維素部分。,*木質素降解的意義何在呢？如何實現工業(yè)化白腐菌降解木質素呢？,27,8.2.7烴類物質的轉化石油中含有烷烴(30)、環(huán)烷烴(46)和芳香烴(28%)。1.烷烴的轉化微生物：甲烷假單胞菌、分枝桿菌、頭孢霉、青霉。,28,2.芳香烴化合物的轉化芳香烴有酚、間甲酚、鄰苯二酚、苯、二甲苯、萘、菲、蒽等。煉油廠、煤氣廠、焦化廠及化肥廠的廢水中含有芳香烴。分解芳香烴的微生物：酚、苯：熒光假單胞菌、銅綠色假單胞菌、苯桿菌苯系物：甲苯桿菌萘：銅綠色假單胞菌、溶條假單胞菌、諾卡氏菌菲：菲桿菌、菲芽孢桿菌巴庫變種等苯并()芘：熒光假單胞菌、銅綠色假單胞菌、大腸埃希氏菌,29,苯、萘、菲、蒽的代謝途徑,苯,鄰苯二酚,己二烯二酸,酮基己二酸,琥珀酸乙酰輔酶A,CO2H2O,萘,菲,蒽,30,苯和酚的代謝,苯、萘、菲、蒽的降解為如下圖所示,苯的代謝,31,萘的代謝,32,菲的代謝,33,蒽的代謝,34,8.3氮循環(huán),氮的存在形態(tài)：分子氮、有機氮（蛋白質等）、無機氮（NH4+、NO3-等）,35,氮循環(huán)包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用、及固氮作用。LeadlineofNcycle?,36,碳循環(huán),37,8.3.1蛋白質水解與氨基酸轉化1.蛋白質水解(Hydrolization)蛋白質胨肽氨基酸分解蛋白質的微生物好氧細菌：枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、蕈狀芽孢桿菌等兼性厭氧菌：變形桿菌、假單胞菌厭氧菌：腐敗梭狀芽孢桿菌、生孢梭狀芽孢桿菌致病菌：鏈球菌、葡萄球菌真菌：曲霉、毛霉、木霉放線菌：鏈霉菌,含氮有機物有：蛋白質、氨基酸、尿素、胺、腈化物、硝基化合物等。,38,2.氨基酸的轉化(氨化作用Ammonification)(1)脫氨作用：有機氮化合物在氨化微生物的脫氨基作用(Deamination)下產生氨的過程稱為氨化作用(Ammonifier)。氧化脫氨還原脫氨,39,斯提克蘭反應：生芽孢桿菌對糖的代謝能力差，只能以一種氨基酸作為供氫體，以另一種氨基酸作為受氫體進行氧化還原反應，從而得到能量的現象。,丙氨酸,甘氨酸,乙酸,40,水解脫氨減飽和脫氨(2)脫羧作用,41,氨化細菌參與氨化作用的細菌,好氧性：熒光假單胞菌、靈桿菌厭氧性：腐敗梭菌兼性菌：變形桿菌。,42,8.3.2尿素的氨化用酚紅可檢驗此反應，呈紅色說明有氨產生。分解尿素的微生物：尿八疊球菌、尿小球菌等。尿素分解時不放出能量，故不能作為能源，只能作為氮源。,尿素酶,自行分解,43,8.3.3硝化作用(Nitrification)在有氧條件下，氨經亞硝酸菌和硝酸菌(NitritebacteriaandNitratebacteria)的作用轉化為硝酸的過程。微生物：硝化細菌，G，為好氧自養(yǎng)菌，適宜在中性和偏堿性環(huán)境中生長，不需要有機營養(yǎng)。,2NH33O22HNO22H2O619kJ,2HNO23O22HNO3201kJ,Total:NH4+2O22H+NO3-H2O201kJ,44,45,硝化作用的分析：硝化細菌嚴格好氧，曝氣池DO應在2-3mg/L；1g氨氮完全硝化耗氧4.57g（NOD）；1g氨氮完全硝化消耗7.14g碳酸鹽堿度，硝化細菌對pH十分敏感，應保證污水中足夠堿度；硝化細菌為化能自養(yǎng)菌，應控制硝化池BOD5小于80mg/L（否則異養(yǎng)菌占優(yōu)勢）；硝化細菌世代時間長，一般為幾天，平均3.3天，因此，污泥齡應較長。,46,8.3.4反硝化作用(Denitrification)硝酸鹽在缺氧時，在兼性厭氧的反硝化細菌（硝酸鹽還原菌）作用下，還原為亞硝酸鹽和氮氣的過程。,反應式:2NO3-10H+2OH-N24H2O,反硝化作用的危害（農業(yè)上）會使土壤肥力降低；（污水處理）影響二沉池的出水水質；（水體中）產生致癌物質亞硝酸胺，危害人體健康。,47,反硝化作用的三種結果硝酸鹽氨氨基酸、蛋白質及其它含氮物質；（同化反硝化）硝酸鹽氮氣；（異化反硝化）硝酸鹽亞硝酸。（異化反硝化）,48,反硝化作用的分析：發(fā)生條件：(亞)硝酸鹽與有機物同時存在；低DO反硝化細菌兼性厭氧，曝氣池DO應35；1g硝酸鹽氮完全反硝化產生3.75g碳酸鹽堿度；反硝化類型：同化反硝化：NO3-NO2-NH2OH有機體異化反硝化：NO3-NO2-N2ON2內源反硝化：NO3-C5H7NO2N2CO2NH3-OH-因此，污水缺乏有機物時容易導致內源反硝化，使細胞物質減少。,49,8.3.5固氮作用在固氮微生物的固氮酶催化作用下，把分子氮轉化為氨，進而合成有機氮化合物的過程。固氮的基本反應式固氮微生物：根瘤菌、圓褐固氮菌、光合細菌等。,N26e6HnATP2NH3nADPnPi,50,固氮作用分類：(1)自生固氮自生固氮微生物可以在環(huán)境中自由生活，能獨立進行固氮作用。在固氮酶的參與下，將分子氮固定成氨，但并不釋放到環(huán)境中去，而是合成氨基酸，組成自身蛋白質。只有在死亡后，機體被分解才會向環(huán)境釋放氨。如拜氏菌屬、光合細菌等。(2)共生固氮共生固氮微生物只有在與其它生物緊密生活在一起的情況下，才能固氮或才能有效地固氮。固氮效率高。如根瘤菌。(3)聯(lián)合固氮固氮微生物僅存在于植物的根際，并不侵入根毛生成根瘤，固氮效率較高。如雀稗固氮菌。,51,蛋白質的轉化降解機理,N2,52,氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈類化合物及硝基化合物水中來源：化工腈綸廢水、國防工業(yè)廢水、電鍍廢水等。危害：生物毒害、環(huán)境積累細菌紫色桿菌、假單胞菌放線菌諾卡氏菌真菌氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病鐮刀霉)、木霉及擔子菌等,A降解這些物質的微生物,8.3.6其它含氮物質的轉化,53,B降解機理,a.氰化物5HCN+5.5O25CO2+H2O+5NH3b.有機腈,54,污、廢水深度處理脫氮的微生物學原理,55,8.4硫循環(huán),硫的存在形態(tài)：單質硫、有機硫、無機硫,56,自然界中的硫素循環(huán),57,水生環(huán)境中的硫素循環(huán),58,8.4.1含硫有機化合物的轉化含硫有機物主要是蛋白組成中的含硫氨基酸。含硫有機物有氧條件下，最終產物為SO42；缺氧條件下，為H2S和硫醇。氨化微生物都能分解含硫有機物。,59,8.4.2無機硫的轉化1.硫化作用在有氧條件下，通過硫細菌的作用將還原態(tài)無機硫氧化為硫酸的過程。硫化細菌和硫磺細菌參與硫化作用。(1)硫化細菌歸屬硫桿菌屬，G，從氧化硫化氫、元素硫、硫代硫酸鹽等中獲得能量，產生硫酸，同化二氧化碳合成有機物。多數在細胞外積累硫，有些也在細胞內積累硫。廣泛分布于土壤、淡水、海水、礦山排水中。生長最適溫度2830，在偏酸性環(huán)境中生活。氧化硫為硫酸，可使環(huán)境pH下降至2以下，同時產生能量。,60,氧化硫硫桿菌氧化元素硫能力強、迅速，專性自養(yǎng)菌。氧化亞鐵硫桿菌可氧化硫酸亞鐵、硫代硫酸鹽同時獲得能量,2S3O22H2O2H2SO4能量,Na2S2O32O2H2ONa2SO4H2SO4能量,2H2S+O22H2O+2S能量,4FeSO4O2H2SO42Fe2(SO4)32H2O,61,(2)硫磺細菌指將硫化氫氧化為硫，并將硫粒積累在細胞內的細菌。包括絲狀硫磺細菌和光能自養(yǎng)的硫細菌。絲狀硫磺細菌有貝日阿托氏菌屬、透明顫菌屬、辮硫菌屬、亮發(fā)菌屬和發(fā)硫菌屬等。當環(huán)境中缺乏硫化氫時，就將積累的硫粒氧化為硫酸，從中獲得能量。均為G。當曝氣池DO在1mg/L以下時，硫化物含量較多，貝日阿托氏菌和發(fā)硫菌過度生長引起活性污泥絲狀膨脹。光能自養(yǎng)硫細菌含細菌葉綠素，在光照下，將硫化氫氧化為元素硫，在體內或體外積累硫粒。,62,2.反硫化作用指土壤淹水、河流、湖泊等水體缺氧時，硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽和次亞硫酸鹽在微生物的還原作用下，形成硫化氫的過程，也叫硫酸鹽還原作用。反硫化作用的危害：腐蝕水管、碼頭的鋼樁,C6H12O63H2SO46CO26H2O3H2S能量,2CH3CHOHCOOHH2SO42CH3COOH2CO2H2S2H2O,63,8.5磷循環(huán),64,磷循環(huán)磷的生物地球化學循環(huán)包括三種基本過程：有機磷轉化成溶解性無機磷(有機磷礦化)，不溶性無機磷變成溶