第五章：微生物在物質(zhì)循環(huán)中的作用(修改課件)

1、第六章第六章 微生物在環(huán)境微生物在環(huán)境 物質(zhì)循環(huán)中的作用物質(zhì)循環(huán)中的作用天然物質(zhì)、人工合成物質(zhì)天然物質(zhì)、人工合成物質(zhì)l有機(jī)污染物的生物凈化機(jī)理 凈化本質(zhì)凈化本質(zhì)微生物轉(zhuǎn)化為微生物轉(zhuǎn)化為依靠依靠好氧分解與厭氧分解好氧分解與厭氧分解 厭氧細(xì)菌厭氧細(xì)菌發(fā)酵、厭氧無機(jī)鹽呼吸發(fā)酵、厭氧無機(jī)鹽呼吸 細(xì)菌是其中的主力軍細(xì)菌是其中的主力軍 好氧有機(jī)物呼吸好氧有機(jī)物呼吸 第一節(jié)第一節(jié) 碳素生物循環(huán)碳素生物循環(huán) 一、微生物分解有機(jī)物的一般途徑 （一）復(fù)雜有機(jī)物分解為簡單有機(jī)物 （二）簡單有機(jī)物的有氧分解 1、完全氧化 2、不完全氧化 （三）簡單有機(jī)物的無氧分解機(jī)甲烷的生產(chǎn) 1、簡單有機(jī)物的無氧分解 糖類和其它的簡

2、單有機(jī)物在厭氧條件下通過發(fā)酵和無氧呼吸產(chǎn)生不完全氧化和還原態(tài)度產(chǎn)物如有機(jī)酸類、醇類、醛類等 2、甲烷的生產(chǎn) （1）甲烷產(chǎn)生菌 （2）甲烷生產(chǎn)的基質(zhì)：以CO2為電子受體，H2為電子供體，將CO2還原為CH4 還可以利用CO,CH3OH,CHOOH,CH3CHOOH,甲胺、二甲胺 包括包括: 糖類、蛋白質(zhì)、脂類、石油和人工合成的有機(jī)化糖類、蛋白質(zhì)、脂類、石油和人工合成的有機(jī)化合物等合物等。 提問：提問：哪些糖類會(huì)成為污染物？哪些糖類會(huì)成為污染物？ 難溶的多糖難溶的多糖，且當(dāng)一些難溶解的多糖數(shù)量較大時(shí)才會(huì)使自，且當(dāng)一些難溶解的多糖數(shù)量較大時(shí)才會(huì)使自凈時(shí)間大大增加，從而對(duì)環(huán)境造成污染。凈時(shí)間大大增加，

3、從而對(duì)環(huán)境造成污染。這類多糖主要是這類多糖主要是纖維素、半纖維素、果膠質(zhì)、木質(zhì)素、淀粉纖維素、半纖維素、果膠質(zhì)、木質(zhì)素、淀粉。 葡萄糖高聚物葡萄糖高聚物，每個(gè)纖維素分子含每個(gè)纖維素分子含140010000個(gè)個(gè)葡萄糖基（葡萄糖基（1-4糖苷鍵）。糖苷鍵）。棉紡印染廢水、造紙廢水、人造纖維廢水及城棉紡印染廢水、造紙廢水、人造纖維廢水及城市垃圾等，其中均含有大量纖維素。市垃圾等，其中均含有大量纖維素。微生物微生物 纖維素分解酶 1、C1酶 水解未降解的天然纖維素 2、-1,4-葡萄糖酶 不能水解天然的纖維素，只能切割部分降解的多糖。 3、-葡萄糖苷酶 好氧細(xì)菌好氧細(xì)菌粘細(xì)菌、噬纖維菌屬、生孢噬纖維菌

4、屬和粘細(xì)菌、噬纖維菌屬、生孢噬纖維菌屬和 纖維弧菌、纖維單胞菌屬纖維弧菌、纖維單胞菌屬 厭氧細(xì)菌厭氧細(xì)菌產(chǎn)纖維二糖產(chǎn)纖維二糖芽孢梭菌芽孢梭菌、無芽孢厭氧分解菌、無芽孢厭氧分解菌 及嗜熱纖維芽孢梭菌。及嗜熱纖維芽孢梭菌。 放放 線線 菌菌諾卡氏菌、小單胞菌、鏈霉菌屬。諾卡氏菌、小單胞菌、鏈霉菌屬。 真真 菌菌青霉菌、曲霉、根霉、鐮刀霉、木霉及毛青霉菌、曲霉、根霉、鐮刀霉、木霉及毛 霉、葡萄穗霉和嗜熱霉等。霉、葡萄穗霉和嗜熱霉等。 需要時(shí)可以向需要時(shí)可以向有菌種庫的研究機(jī)構(gòu)購買有菌種庫的研究機(jī)構(gòu)購買或或自行篩選自行篩選 存在于植物細(xì)胞壁的存在于植物細(xì)胞壁的雜多糖雜多糖。造紙廢水和人造。造紙廢水和人

5、造纖維廢水中含半纖維素。纖維廢水中含半纖維素。 TCA循環(huán)循環(huán) 聚糖酶聚糖酶 CO2 + H2O 半纖維素半纖維素 單糖單糖 + 糖醛酸糖醛酸 H2O 各種發(fā)酵產(chǎn)物各種發(fā)酵產(chǎn)物 厭氧分解厭氧分解 分解纖維素的微生物大多數(shù)能分解半纖維素分解纖維素的微生物大多數(shù)能分解半纖維素。許多芽孢桿菌、假單胞菌、節(jié)細(xì)菌及放線菌能分解半纖維素。霉菌許多芽孢桿菌、假單胞菌、節(jié)細(xì)菌及放線菌能分解半纖維素。霉菌有根霉、曲霉、小克銀漢霉、青霉及鐮刀霉。有根霉、曲霉、小克銀漢霉、青霉及鐮刀霉。木質(zhì)素木質(zhì)素 空腔空腔 纖維素纖維素木質(zhì)素存在于除苔蘚和藻類外所有植物的細(xì)胞壁中，由松柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度由松柏醇、

6、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度分枝多聚物。分枝多聚物。自然界中哪些微生物能夠進(jìn)行木質(zhì)素的降解呢？自然界中哪些微生物能夠進(jìn)行木質(zhì)素的降解呢？ 確證的只有確證的只有真菌中的黃孢原毛平革菌真菌中的黃孢原毛平革菌，疑似的只有，疑似的只有軟軟腐菌。腐菌。(Phanerochaete chrysosprium)是是白腐真菌白腐真菌的一種，隸屬于的一種，隸屬于擔(dān)子菌綱、同擔(dān)子菌亞綱、擔(dān)子菌綱、同擔(dān)子菌亞綱、非褶菌目、絲核菌科。非褶菌目、絲核菌科。白腐白腐樹皮上木質(zhì)素被該菌分解后漏出白色白色的纖維素部分。* *木質(zhì)素降解的意義何在呢？如何實(shí)現(xiàn)工業(yè)化白腐菌降木質(zhì)素降解的意義何在呢？如何實(shí)現(xiàn)工業(yè)化白腐菌降解木質(zhì)素呢

7、？解木質(zhì)素呢？ 水中來源：水中來源：毛紡、毛條廠廢水、毛紡、毛條廠廢水、油脂廠廢水、肉聯(lián)廠廢水、制革油脂廠廢水、肉聯(lián)廠廢水、制革廠廢水含有大量油脂廠廢水含有大量油脂 降解油脂較快的微生物：降解油脂較快的微生物： 細(xì)細(xì) 菌菌 熒光桿菌、綠膿桿菌、熒光桿菌、綠膿桿菌、靈桿菌靈桿菌 絲狀菌絲狀菌 放線菌、分支桿菌放線菌、分支桿菌 真真 菌菌 青霉、乳霉、曲霉青霉、乳霉、曲霉 途徑：途徑：水解水解+ +氧化氧化 降解石油的微生物很多，據(jù)報(bào)道有降解石油的微生物很多，據(jù)報(bào)道有200多種多種 細(xì)細(xì) 菌菌 假單胞菌、棒桿菌屬、微球菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬假單胞菌、棒桿菌屬、微球菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬放線菌放線菌 諾卡氏菌諾

8、卡氏菌 酵母菌酵母菌 假絲酵母假絲酵母 霉霉 菌菌 青霉屬、曲霉屬青霉屬、曲霉屬 藻藻 類類 藍(lán)藻和綠藻藍(lán)藻和綠藻 + O2R-CH2- CH2-CH3 R- CH2-CH2-COOH -氧化氧化 CO2 + H2O CH2-COOH + R-COOH OH O O +O2 +2H 2H +O2 +2H H2O H2O + H2O -2H HOOC-（CH2）4-COOH HOOC-（CH2）4-CH2OH 氧化氧化 CO2 + H2O OH以環(huán)己烷為例以環(huán)己烷為例 芳香烴普遍具有生物毒性，但在低濃度范圍內(nèi)它們可芳香烴普遍具有生物毒性，但在低濃度范圍內(nèi)它們可以不同程度的被微生物分解。以不同程度

9、的被微生物分解。已知降解不同芳香烴的細(xì)菌類別已知降解不同芳香烴的細(xì)菌類別 苯類苯類 酚類酚類萘萘菲菲 蒽蒽微生物微生物名名 稱稱熒光假單胞熒光假單胞菌、銅綠色菌、銅綠色假單胞菌及假單胞菌及苯桿菌苯桿菌銅 綠 色 假 單 胞銅 綠 色 假 單 胞菌、溶條假單胞菌、溶條假單胞菌、諾卡氏菌、菌、諾卡氏菌、球形小球菌、無球形小球菌、無色桿菌及分枝桿色桿菌及分枝桿菌菌菲桿菲桿菌、菲菌、菲芽孢桿芽孢桿菌菌熒光假單胞熒光假單胞菌和銅綠色菌和銅綠色假單胞菌、假單胞菌、小球菌及大小球菌及大腸埃希氏菌腸埃希氏菌 苯、萘、菲、蒽的降解為如下圖所示苯、萘、菲、蒽的降解為如下圖所示 酚也是酚也是先被氧化為鄰苯二酚先被氧

10、化為鄰苯二酚，這樣各類芳香烴在降解，這樣各類芳香烴在降解的后半段是相同的，可表示如下的后半段是相同的，可表示如下 提問：提問：為什么這些有機(jī)物難于生物降解？為什么這些有機(jī)物難于生物降解？ 微生物缺乏相應(yīng)的水解酶微生物缺乏相應(yīng)的水解酶 難難對(duì)于對(duì)于自然生態(tài)環(huán)境自然生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)系統(tǒng),如果一種化合物如果一種化合物滯留滯留可達(dá)幾個(gè)月或幾年可達(dá)幾個(gè)月或幾年之久之久,或在或在人工生物處理系人工生物處理系統(tǒng)統(tǒng), 幾小時(shí)或幾天之內(nèi)還未能被分解或消除幾小時(shí)或幾天之內(nèi)還未能被分解或消除 種類：種類：穩(wěn)定劑、表面活性劑、人工合成的聚合物、殺蟲劑、除草劑以及各種工藝流程中的廢品等。1. 氯苯類氯苯類 用用 途途：穩(wěn)定

11、劑穩(wěn)定劑（潤滑油、絕緣油、增塑劑、油漆、熱（潤滑油、絕緣油、增塑劑、油漆、熱載體、油墨等都含有）載體、油墨等都含有） 危危 害：害：急性中毒，是急性中毒，是一種致癌因子一種致癌因子（米糠油事件）（米糠油事件） 降降 解解 菌：菌：產(chǎn)堿桿菌、不動(dòng)桿菌、產(chǎn)堿桿菌、不動(dòng)桿菌、假單胞菌假單胞菌、芽孢桿菌以、芽孢桿菌以及沙雷氏菌的突變體及沙雷氏菌的突變體 * *共代謝研究進(jìn)展及其成果對(duì)環(huán)保的應(yīng)用現(xiàn)共代謝研究進(jìn)展及其成果對(duì)環(huán)保的應(yīng)用現(xiàn)狀狀？可分為可分為陰離子型、陽離子型、非離子型、兩性電解質(zhì)陰離子型、陽離子型、非離子型、兩性電解質(zhì)四類。四類。我國目前生產(chǎn)的洗滌劑屬于我國目前生產(chǎn)的洗滌劑屬于。較早。較早開發(fā)

12、的是非線性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸鹽（開發(fā)的是非線性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸鹽（ABS）：）： CH3 CH3 CH3 | | | NaSO3 C CH2 CHCH2 C CH3 | | CH3 CH3 3甲基分支干擾生物降解甲基分支干擾生物降解，鏈末端與，鏈末端與4個(gè)碳原子相連的季碳個(gè)碳原子相連的季碳原子抗攻擊的能力更強(qiáng)原子抗攻擊的能力更強(qiáng)。 細(xì)細(xì) 菌菌假單胞菌假單胞菌、鄰單胞菌、黃單胞菌、產(chǎn)堿單胞、鄰單胞菌、黃單胞菌、產(chǎn)堿單胞菌、產(chǎn)堿桿菌、微球菌、大多數(shù)固氮菌菌、產(chǎn)堿桿菌、微球菌、大多數(shù)固氮菌 放線菌放線菌諾卡氏菌諾卡氏菌 由于這些微生物的作用，雖然每年排放入環(huán)境中的洗滌由于這些微生物的作

13、用，雖然每年排放入環(huán)境中的洗滌劑數(shù)量逐年遞增，但環(huán)境中并沒有發(fā)生洗滌劑的明顯增劑數(shù)量逐年遞增，但環(huán)境中并沒有發(fā)生洗滌劑的明顯增加。加。因而洗滌劑一般不會(huì)引起環(huán)境的有機(jī)污染因而洗滌劑一般不會(huì)引起環(huán)境的有機(jī)污染。洗滌劑目前存在的問題主要是洗滌劑中的添加劑聚磷酸洗滌劑目前存在的問題主要是洗滌劑中的添加劑聚磷酸鹽造成的水體鹽造成的水體富營養(yǎng)化富營養(yǎng)化問題問題 。 COOH C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C 末末端端氧氧化化 -氧氧化化、脫脫磺磺基基 苯苯甲甲酸酸 CH2COOH 開開環(huán)環(huán)分分解解 SO3- 苯苯乙乙酸酸CO2 + H2O蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素、胺類、腈化物、硝基化合物等。蛋白質(zhì)

14、、氨基酸、尿素、胺類、腈化物、硝基化合物等。 水中來源：水中來源： 生活污水、屠宰廢水、罐頭食品加工廢水、制生活污水、屠宰廢水、罐頭食品加工廢水、制革廢水等革廢水等 好好 氧氧 細(xì)細(xì) 菌菌 鏈球菌和葡萄球菌鏈球菌和葡萄球菌 好氧芽孢細(xì)菌好氧芽孢細(xì)菌枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌 兼兼 性性 厭厭 氧氧 菌菌變形桿菌、假單胞菌變形桿菌、假單胞菌 厭厭 氧氧 菌菌腐敗梭狀芽孢桿菌、生孢梭狀芽孢桿菌腐敗梭狀芽孢桿菌、生孢梭狀芽孢桿菌 此外，還有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及鏈霉菌此外，還有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及鏈霉菌(放線菌放線菌)。第二節(jié)第二節(jié) 氮循環(huán)氮循環(huán)反硝化反硝化N2 氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈類化合物腈類化合物及及硝硝基化合物基化合物 水中來源：水中來源：化工腈綸廢水、國防工業(yè)廢水、電鍍廢水等?；る婢]廢水、國防工業(yè)廢水、電鍍廢水等。 危危 害：害：生物毒害生物毒害 、環(huán)境積累、環(huán)境積累 細(xì)細(xì) 菌菌紫色桿菌、假單胞菌紫色桿菌、假單胞菌