微生物第八章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用

2023/2/61第八章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第一節(jié)氧循環(huán)第二節(jié)碳循環(huán)第三節(jié)氮循環(huán)第四節(jié)硫循環(huán)環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)2023/2/62①主要物質(zhì)的循環(huán)；②微生物對(duì)有機(jī)物的降解過(guò)程。各種物質(zhì)元素：O、C、N、P、S、Fe等。天然物質(zhì)循環(huán)污染物質(zhì)的循環(huán)

推動(dòng)物質(zhì)進(jìn)行循環(huán)的作用包括物理、化學(xué)和生物的作用，其中生物起到了主導(dǎo)的作用，而微生物在這當(dāng)中又占了極重要的地位。污染物質(zhì)的進(jìn)入，會(huì)影響原有的物質(zhì)循環(huán)的某些環(huán)節(jié)。2023/2/63氧循環(huán)(oxygencycle)H2O+CO2→H2CO3→

HCO3-+H+↑CO2HCO3-→CO32

-Ca2+→CaCO3O2水體臭氧層沉積物火山作用4FeO+O2→2FeO3CO2CO↑O2+2COCO2O2O3O2OO2HOHH2OH2OOCO2高能紫外輻射第一節(jié)氧循環(huán)環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)2023/2/64第二節(jié)碳循環(huán)環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)2023/2/65化泥碳煤大氣中CO2CO2碳化作用石油水生植物光合作用腐爛燃料呼吸作用光合作用腐爛擴(kuò)散碳循環(huán)(carboncycle)環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)2023/2/66幾種含碳化合物的轉(zhuǎn)化環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)纖維素的轉(zhuǎn)化半纖維素果膠質(zhì)淀粉的轉(zhuǎn)化脂肪的轉(zhuǎn)化烴類(lèi)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化2023/2/67幾種含碳化合物的轉(zhuǎn)化1.纖維素的轉(zhuǎn)化

環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)2023/2/68環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)C6H12O6CH3COCOOHCH3CO~SCoA乙酰輔酶ATCA循環(huán)CO2底物水平磷酸化ATPCoA~SHCO2CO23412023/2/69幾種含碳化合物的轉(zhuǎn)化1.纖維素的轉(zhuǎn)化

厭氧發(fā)酵環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)2023/2/610分解纖維素的微生物

纖維二糖芽孢梭菌，無(wú)芽孢厭氧分解菌，嗜熱纖維芽孢菌好氧粘細(xì)菌生孢食纖維菌（球形和橢形），食纖維菌及堆囊粘菌鐮狀纖維菌，纖維弧菌G-厭氧青霉菌，曲霉，鐮刀霉，木霉，毛霉鏈霉菌屬、諾卡氏菌屬真菌放線菌細(xì)菌環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)2023/2/6112.半纖維素芽孢桿菌、假單胞菌、節(jié)細(xì)菌、放線菌。霉菌中的根霉、小克銀漢霉、青霉和鐮刀霉。分解半纖維素的微生物環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)2023/2/6123.果膠質(zhì)環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)2023/2/613有好氧菌：枯草芽孢桿菌，多粘芽孢桿菌，浸軟芽孢桿菌，不生芽孢的軟腐歐式桿菌。厭氧菌：蝕果膠梭菌和費(fèi)新尼亞浸麻梭菌。真菌：青霉，曲霉，木霉，小克銀漢霉，根霉，毛霉，芽枝孢霉放線菌分解果膠質(zhì)的微生物環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)2023/2/614①淀粉的分解A.淀粉液化型淀粉酶

麥芽糖、雙糖

B.淀粉糖化型淀粉

麥芽糖或葡萄糖

4.淀粉的轉(zhuǎn)化環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)2023/2/615環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)2023/2/6165.脂肪的轉(zhuǎn)化環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)分解分解2023/2/6175.脂肪的轉(zhuǎn)化甘油的轉(zhuǎn)化環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)2023/2/618脂肪酸的β－氧化

環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)RCOSCOA第二次β氧化脂肪酸的活化2023/2/619脂肪酸通常通過(guò)β－氧化過(guò)程氧化。以硬脂酸為例，1mol硬脂酸含有18mol個(gè)碳原子，需要經(jīng)過(guò)8次β－氧化全部降解為9mol乙酰輔酶A，總反應(yīng)式：環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)1mol18C硬脂酸經(jīng)β氧化后獲得8×2+8×3+12×9-1=147mol2023/2/620分解脂類(lèi)物質(zhì)的微生物主要是：好氧菌：假單胞菌（熒光假單胞菌和銅綠色假單胞菌），分枝桿菌，無(wú)色桿菌，芽孢桿菌等。真菌：青霉，曲霉，枝孢霉和粉孢霉。厭氧菌：產(chǎn)色莢膜梭菌。環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)2023/2/6216.烴類(lèi)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)烷烴、烯烴、芳香烴在微生物作用下的轉(zhuǎn)化。烷烴甲基營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌、甲烷氧化彎曲菌、甲基孢囊菌、甲基桿菌、甲基單胞菌；真菌：頭孢菌、青霉菌。涉及烷烴加氧酶多種脫氫酶微生物：

乙烷，丙烷，丁烷的氧化，轉(zhuǎn)化模式類(lèi)似，某些甲烷氧化菌在氧化甲烷的同時(shí)可將其同時(shí)共氧化，或者由另一種專(zhuān)門(mén)的菌分解。2023/2/622環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)通過(guò)末端的氧化或次末端的氧化或兩端的氧化高級(jí)烷烴的氧化CH3(CH2)nCH2COSCoA

氧化烷烴的微生物有甲烷假單胞菌，分枝桿菌，頭孢霉，青霉等。2023/2/623環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)降解烯烴的微生物有蠟小球菌，銅綠色板毛菌。H3CRCH=CH2烯烴的氧化2023/2/624環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)芳香烴化合物的轉(zhuǎn)化

分解苯和酚的微生物有熒光假單胞菌，銅綠色假單胞菌及苯桿菌。

2023/2/625分解芳香化合物的微生物分解苯，甲苯和二甲苯的有分枝桿菌，芽孢桿菌和諾卡氏菌。分解萘的細(xì)菌有銅綠色假單胞菌，溶條假單胞菌，諾卡氏菌，球形小球菌，無(wú)色桿菌，分枝桿菌等。分解菲的細(xì)菌有菲桿菌，菲芽孢桿菌的巴庫(kù)變種和古里變種。分解苯并芘的有熒光假單胞菌和銅綠色假單胞菌，小球菌及大腸埃希氏菌。

環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)2023/2/626環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)烴類(lèi)的降解，烯烴>烷烴>芳烴>多環(huán)芳烴；正構(gòu)烷烴比異構(gòu)烷烴容易；直鏈烷烴比支鏈烷烴容易降解；苯比烷基苯和多環(huán)芳烴更難降解。

烴類(lèi)分解難易程度2023/2/627環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)第三節(jié)氮循環(huán)

自然界中的氮蘊(yùn)藏量豐富，主要以三種形態(tài)存在：分子氮，占大氣的78％；有機(jī)氮化合物；無(wú)機(jī)氮化合物，氨氮和硝酸氮。

2023/2/628氮循環(huán)(nitrogencycle)陸地陸地其它動(dòng)植物藍(lán)藻淺層死有機(jī)物溶解死有機(jī)物土壤中無(wú)機(jī)氮庫(kù)丟失于深層沉積中動(dòng)植物活體共生或自由生活的固氮微生物死有機(jī)體陸地河流帶走生物固氮大氣庫(kù)N2大氣庫(kù)HN3,NO,NO2N2O工業(yè)固氮（汽車(chē),化肥,電廠）脫氮閃電化學(xué)反應(yīng)海洋火山作用降水大氣環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)2023/2/629環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)氨化2023/2/630環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)蛋白質(zhì)的分解蛋白質(zhì)蛋白酶

多肽

肽酶

氨基酸胨好氧細(xì)菌：枯草芽孢桿菌，巨大芽孢桿菌，蕈狀芽孢桿菌，蠟狀芽孢桿菌；鏈球菌和葡萄球菌;兼性厭氧：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;真菌:曲霉，毛霉，木霉等;放線菌：鏈霉菌。分解蛋白質(zhì)的微生物脫氨基過(guò)程脫氨基酶2023/2/631環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)2.氨基酸的轉(zhuǎn)化

有機(jī)氮化合物在氨化微生物的脫氨基作用下，產(chǎn)生氨，稱(chēng)為氨化作用。

脫氨的作用有氧化脫氨，還原脫氨，水解脫氨，減飽和脫氨。

氨化作用脫羧作用2023/2/632環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)氧化脫氨好氧菌作用2023/2/633環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)還原脫氨厭氧、兼性菌作用2023/2/634Stickland反應(yīng)——是兩個(gè)氨基酸之間的一個(gè)氨基酸作為氫(電子)供體，另一個(gè)氨基酸作為氫(電子)受體時(shí)的氧化-還原脫氨基反應(yīng)。ADP+PiATP環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)已知能進(jìn)行Stickland反應(yīng)的細(xì)菌都是專(zhuān)性厭氧的梭菌，如：生孢梭菌、肉毒梭菌、雙酶梭菌和斯氏梭菌等。2023/2/635環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)水解脫氨：氨基酸水解脫氨后生成羥酸。2023/2/636環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)減飽和脫氨：氨基酸在脫氨基時(shí)，在α-β鍵減飽和成為不飽和酸。2023/2/637環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)脫羧作用-氨基酸轉(zhuǎn)化為胺微生物：大腸桿菌、糞鏈球菌、腐敗性梭狀芽孢桿菌、產(chǎn)氣桿菌、變形桿菌2023/2/6383.尿素的轉(zhuǎn)化

微生物：尿八疊球菌（球菌中唯一能形成芽孢的種）、尿小球菌、尿素芽孢桿菌。脲酶2023/2/639環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)4.硝化作用

氨基酸脫下的氨，在有氧的條件下，經(jīng)亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的作用轉(zhuǎn)化為硝酸，稱(chēng)為硝化作用。反應(yīng)1由亞硝化菌作用：亞硝酸單胞菌屬、亞硝酸球菌屬、亞硝酸螺菌屬、亞硝酸葉菌屬、亞硝酸弧菌等；反應(yīng)2由硝化菌作用：硝化桿菌屬，硝化球菌屬。共性：好氧菌，適宜在中性和偏堿性的環(huán)境中生長(zhǎng)，化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)型

在硅膠固體培養(yǎng)基中長(zhǎng)成細(xì)小，稠密的褐色，黑色和淡褐色的菌落

由淡褐色轉(zhuǎn)變成黑色的菌落

當(dāng)pH=9.5以上時(shí)硝化細(xì)菌受到抑制，而在pH＝6.0以下時(shí)亞硝化細(xì)菌被抑制；最適宜溫度30℃，低于5或高于40時(shí)不能活動(dòng)。

2023/2/640環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)氨化硝化意義：植物攝取氮的最為普遍形態(tài)是硝酸鹽。水稻等植物可利用氨態(tài)氮，然而這一氮形態(tài)對(duì)其它植物是有毒的。當(dāng)肥料以銨鹽或氨形態(tài)施入土壤時(shí)，上述微生物將他們轉(zhuǎn)變成一般植物可利用的硝態(tài)氮。2023/2/641環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)

兼性厭氧的硝酸鹽還原菌將硝酸鹽還原為氮?dú)?，這叫反硝化。5.反硝化作用有三種情形：大多數(shù)細(xì)菌和放線菌和真菌將硝酸鹽為氮素營(yíng)養(yǎng)，通過(guò)硝酸還原酶將硝酸還原成氨，進(jìn)而合成自身的氨基酸，蛋白質(zhì)和其它含氮物質(zhì)。2023/2/642環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)兼性厭氧的反硝化菌在厭氧條件下，將硝酸還原為氮?dú)?。反硝化?xì)菌：施氏假單胞菌，脫氮假單胞菌，熒光假單胞菌，色桿菌屬中的紫色桿菌，脫氮色桿菌。2023/2/643環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)硝酸鹽還原為亞硝酸反硝化意義：反硝化過(guò)程中形成的氮?dú)?、水等氣態(tài)無(wú)機(jī)氮的情況是造成土壤氮素?fù)p失、土肥力下降的重要原因之一。在污水處理工程中卻常作為脫氮的方式。2023/2/644環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)氨化2023/2/645環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)在固氮微生物的固氮酶的作用下，把分子氮轉(zhuǎn)化為氨，進(jìn)而合成為有機(jī)氮的化合物，叫做固氮作用。

6.固氮作用特點(diǎn)：高耗能反應(yīng)，消耗ATP。需特殊的酶系統(tǒng)——固氮酶有組分I—鉬鐵蛋白,真正的固氮酶,具有催化活性;組分II,鐵蛋白,傳遞電子。不同來(lái)源的鐵蛋白和鉬鐵蛋白結(jié)合在一起具有固氮酶活性。2023/2/646固氮微生物好氧菌：根瘤菌，圓褐固氮菌，黃色固氮菌，雀稗固氮菌，拜葉林克氏菌屬，萬(wàn)氏固氮菌。厭氧菌：巴氏固氮梭菌能固氮，硫酸還原菌光合細(xì)菌：紅螺菌屬，小著色菌及球菌屬等在光照下厭氧生活也能固氮。固氮藍(lán)藻中的有異形胞的固氮絲狀藍(lán)藻，例如魚(yú)腥藻屬，念珠藻屬等。環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)固氮酶對(duì)O2敏感,好氧固氮菌在生長(zhǎng)過(guò)程中同時(shí)固氮，它們?cè)陂L(zhǎng)期的進(jìn)化中形成了保護(hù)固氮酶的放氧機(jī)制，使固氮作用正常進(jìn)行。2023/2/6471.好氧性自生固氮菌的抗氧保護(hù)機(jī)制呼吸保護(hù)、構(gòu)象保護(hù)（耐氧蛋白）2.藍(lán)細(xì)菌固氮酶的抗氧保護(hù)機(jī)制異形胞、時(shí)間差（白天光合夜晚固氮）3.豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保護(hù)機(jī)制根瘤菌以只能生長(zhǎng)不能分裂的類(lèi)菌體（bacteroids）形式存在于豆科植物的根瘤中。豆血紅蛋白就像一種緩沖劑，可在根瘤中調(diào)節(jié)氧的濃度，使它穩(wěn)定在對(duì)固氮酶最合適的范圍內(nèi)。2023/2/648環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)第四節(jié)硫的微生物轉(zhuǎn)化大多數(shù)微生物能利用硫酸鹽作為唯一的硫源，同化成含有-S-S基或者-SH基的蛋白質(zhì)有機(jī)物。2023/2/6491.有機(jī)硫的異化分解。環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)

有機(jī)硫在好氧條件下轉(zhuǎn)化為SO42-；在厭氧條件下轉(zhuǎn)化為H2S，CH3SH。厭氧條件下好氧條件下2023/2/650環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)2.硫化作用：有氧條件下，硫細(xì)菌的作用下將H2S氧化為S進(jìn)而再氧化為H2SO4。

H2S→S→SO42-2H2S+O2→2H2O+2S2S＋3O2

＋2H2O→2H2SO4

兩類(lèi)細(xì)菌參與硫化：硫化細(xì)菌和硫磺細(xì)菌2023/2/651環(huán)境微生物基礎(chǔ)教學(xué)課件天津工業(yè)大學(xué)硫桿菌屬，G-，氧化H2S，S為硫酸，土壤中存在，在體外積累S。硫化細(xì)菌好氧：氧化硫硫桿菌、排硫桿菌、氧化亞鐵硫桿菌、新型硫桿菌厭氧：脫氮硫桿菌2023/2/652嗜酸性的氧化亞鐵硫桿菌（Thiobacillusferrooxidans）從亞鐵到高鐵狀態(tài)的鐵氧化，氧化還原態(tài)硫產(chǎn)酸（主要是硫酸）FeSO4+O2+2H2SO4→2Fe2(SO4)3+2H2OS2O32-+5/2O2→2SO42-2023/2/653在富含F(xiàn)eS2的煤礦中繁殖，產(chǎn)生大量的硫酸和Fe(OH)3，從而造成嚴(yán)重的環(huán)境