新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用

1新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第1頁有機(jī)污染物生物凈化機(jī)理

凈化本質(zhì)——微生物轉(zhuǎn)化為無機(jī)物

依靠——好氧分解與厭氧分解厭氧分解厭氧細(xì)菌原理：發(fā)酵、厭氧無機(jī)鹽呼吸好氧分解細(xì)菌是其中主力軍

原理：好氧有機(jī)物呼吸

廢水中有機(jī)物：碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)；酮、酚、醛、酮、烴、腈等（工業(yè)廢水）。2新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第2頁有機(jī)物分解好氧條件下最終分解：CCO2NNH3HNO2HNO3

SH2SO4

PH3PO43新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第3頁厭氧條件下最終分解

CRCOOHCH4+CO2NNH3

SH2S4新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第4頁8.1氧循環(huán)(Oxygencycle)

5新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第5頁8.2碳循環(huán)(Carboncycle)碳循環(huán)以CO2為中心6新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第6頁Carboncycle7新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第7頁CO2有機(jī)質(zhì)8新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第8頁8.2.1纖維素轉(zhuǎn)化

(C6H10O5)1400～10000。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(jīng)過微生物胞外酶（水解酶）作用，使之水解成可溶性較簡單葡萄糖后，才能被微生物吸收分解。1.纖維素分解路徑

9新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第9頁2.分解纖維素微生物細(xì)菌、放線菌和真菌好氧性纖維素分解菌：粘細(xì)菌（G－）居多，有生孢食纖維菌、食纖維菌和堆囊粘菌。另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(chǎn)纖維二糖芽孢梭菌、嗜熱纖維芽孢梭菌。放線菌：土壤中有2.0％～4.4％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(xì)菌和真菌弱。真菌：許多真菌含有很強(qiáng)纖維素分解能力，如木霉、鐮刀霉、青霉、曲霉及毛霉等。10新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第10頁3.纖維素酶所在部位細(xì)胞表面酶：如細(xì)菌纖維素酶

細(xì)胞胞外酶：如真菌和放線菌纖維素酶11新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第11頁8.2.2半纖維素轉(zhuǎn)化半纖維素存在植物細(xì)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.分解路徑12新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第12頁2.分解半纖維素微生物能分解纖維素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13新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第13頁8.2.3果膠質(zhì)轉(zhuǎn)化果膠質(zhì)存在于植物細(xì)胞壁和細(xì)胞間質(zhì)中。造紙廢水、制麻廢水中含有果膠質(zhì)。天然果膠質(zhì)不溶于水，稱為原果膠。1.果膠質(zhì)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α-1，4糖苷鍵連成多糖14新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第14頁2.水解產(chǎn)物分解水解產(chǎn)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(zhì)微生物細(xì)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(fèi)新尼亞浸麻梭菌真菌：青霉、曲霉、木霉、根霉等15新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第15頁

水浸法：把麻類物質(zhì)浸入水中，利用厭氣微生物分解其中果膠。露浸法：把麻類物質(zhì)堆置并保持一定濕度，利用好氧微生物分解果膠。4、果膠分解應(yīng)用---麻類脫膠16新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第16頁8.2.4淀粉轉(zhuǎn)化

(C6H10O5)1200淀粉主要來自植物，它是植物主要貯藏物質(zhì)。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。淀粉降解路徑123417新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第17頁降解淀粉微生物路徑①中：枯草芽孢桿菌、根霉、曲霉路徑②中：根霉、曲霉、酵母菌路徑③中：丙酮丁醇梭狀芽孢桿菌、丁醇梭狀芽孢桿菌路徑④中：丁酸梭狀芽孢桿菌18新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第18頁參加催化淀粉降解酶(1)α-淀粉酶是一個內(nèi)切酶，能夠水解淀粉分子內(nèi)部α-1,4-糖苷鍵，其產(chǎn)物構(gòu)型均為α-構(gòu)型，故稱為α-淀粉酶。經(jīng)過該酶作用，淀粉液粘度下降，因而又稱為液化型淀粉酶。(2)β-淀粉酶是一個外切酶，因為該酶作用部位是β-位糖苷鍵，故稱為β-淀粉酶。(3)糖化淀粉酶作用產(chǎn)物有兩種：假如被作用底物是直鏈淀粉，則產(chǎn)物為葡萄糖（該酶由此得名）；假如被水解底物是支鏈淀粉，其產(chǎn)物是葡萄糖和帶有α-1,6-糖苷鍵支鏈寡糖。(4)淀粉酶作用于支鏈淀粉中直鏈和支鏈交接處α-1,6-糖苷鍵。19新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第19頁8.2.5脂肪轉(zhuǎn)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。20新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第20頁脂肪水解甘油轉(zhuǎn)化脂肪酸β－氧化

1mol硬脂酸含18個C，需要經(jīng)過8次β－氧化作用，全部降解為9mol乙酰輔酶A，總共可產(chǎn)生147molATP。TCA循環(huán)21新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第21頁22新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第22頁8.2.6木質(zhì)素轉(zhuǎn)化它極難降解！木質(zhì)素是植物體主要組分，含量僅次于纖維素和半纖維素。占植物干重15～20％，木材木質(zhì)素含量高達(dá)30％左右。木質(zhì)素結(jié)構(gòu)是以苯環(huán)為關(guān)鍵帶有丙烷支鏈一個或各種芳香族化合物經(jīng)氧化縮和而成。造紙廢水和人造纖維廢水中含有木質(zhì)素。分解木質(zhì)素微生物：干朽菌、多孔菌、傘菌。23新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第23頁Lignin木質(zhì)素木質(zhì)素空腔纖維素木質(zhì)素存在于除苔蘚和藻類外全部植物細(xì)胞壁中，由松柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成高度分枝多聚物。24新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第24頁自然界中哪些微生物能夠進(jìn)行木質(zhì)素降解呢？確證只有真菌中黃孢原毛平革菌，疑似只有軟腐菌。黃孢原平毛革菌(Phanerochaetechrysosprium)是白腐真菌一個，隸屬于擔(dān)子菌綱、同擔(dān)子菌亞綱、非褶菌目、絲核菌科。白腐—樹皮上木質(zhì)素被該菌分解后漏出白色纖維素部分。*木質(zhì)素降解意義何在呢？怎樣實現(xiàn)工業(yè)化白腐菌降解木質(zhì)素呢？25新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第25頁8.2.7烴類物質(zhì)轉(zhuǎn)化石油中含有烷烴(30％)、環(huán)烷烴(46％)和芳香烴(28%)。1.烷烴轉(zhuǎn)化

微生物：甲烷假單胞菌、分枝桿菌、頭孢霉、青霉。26新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第26頁2.芳香烴化合物轉(zhuǎn)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、焦化廠及化肥廠廢水中含有芳香烴。分解芳香烴微生物：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(α)芘：熒光假單胞菌、銅綠色假單胞菌、大腸埃希氏菌27新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第27頁苯、萘、菲、蒽代謝路徑苯鄰苯二酚己二烯二酸酮基己二酸琥珀酸＋乙酰輔酶ACO2＋H2O萘菲蒽28新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第28頁苯和酚代謝苯、萘、菲、蒽降解為以下列圖所表示

苯代謝29新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第29頁萘代謝30新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第30頁菲代謝31新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第31頁蒽代謝32新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第32頁8.3氮循環(huán)

氮存在形態(tài)：分子氮、有機(jī)氮（蛋白質(zhì)等）、無機(jī)氮（NH4+、NO3-等）

33新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第33頁氮循環(huán)包含氨化作用、硝化作用、反硝化作用、及固氮作用。LeadlineofNcycle?

34新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第34頁碳循環(huán)35新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第35頁8.3.1蛋白質(zhì)水解與氨基酸轉(zhuǎn)化

1.蛋白質(zhì)水解(Hydrolization)蛋白質(zhì)→胨→肽→氨基酸分解蛋白質(zhì)微生物好氧細(xì)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(jī)物有：蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素、胺、腈化物、硝基化合物等。36新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第36頁2.氨基酸轉(zhuǎn)化(氨化作用Ammonification)(1)脫氨作用：有機(jī)氮化合物在氨化微生物脫氨基作用(Deamination)下產(chǎn)生氨過程稱為氨化作用(Ammonifier)。氧化脫氨還原脫氨

37新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第37頁斯提克蘭反應(yīng)：生芽孢桿菌對糖代謝能力差，只能以一個氨基酸作為供氫體，以另一個氨基酸作為受氫體進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，從而得到能量現(xiàn)象。丙氨酸甘氨酸乙酸38新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第38頁水解脫氨減飽和脫氨(2)脫羧作用

39新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第39頁氨化細(xì)菌參加氨化作用細(xì)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。40新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第40頁8.3.2尿素氨化用酚紅可檢驗此反應(yīng)，呈紅色說明有氨產(chǎn)生。分解尿素微生物：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41新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第41頁8.3.3硝化作用(Nitrification)——在有氧條件下，氨經(jīng)亞硝酸菌和硝酸菌(NitritebacteriaandNitratebacteria)作用轉(zhuǎn)化為硝酸過程。微生物：硝化細(xì)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(jī)營養(yǎng)。2NH3＋3O2→2HNO2＋2H2O＋619kJ2HNO2＋3O2→2HNO3＋201kJTotal:NH4+＋2O2→2H+＋

NO3-＋H2O＋

201kJ42新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第42頁43新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第43頁硝化作用分析：硝化細(xì)菌嚴(yán)格好氧，曝氣池DO應(yīng)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(xì)菌對pH十分敏感，應(yīng)確保污水中足夠堿度；硝化細(xì)菌為化能自養(yǎng)菌，應(yīng)控制硝化池BOD5小于80mg/L（不然異養(yǎng)菌占優(yōu)勢）；硝化細(xì)菌世代時間長，普通為幾天，平均3.3天，所以，污泥齡應(yīng)較長。44新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第44頁8.3.4反硝化作用(Denitrification)——硝酸鹽在缺氧時，在兼性厭氧反硝化細(xì)菌（硝酸鹽還原菌）作用下，還原為亞硝酸鹽和氮?dú)膺^程。反應(yīng)式:2NO3-＋10H+

→2OH-＋

N2＋4H2O反硝化作用危害①（農(nóng)業(yè)上）會使土壤肥力降低；②（污水處理）影響二沉池出水水質(zhì)；③（水體中）產(chǎn)生致癌物質(zhì)亞硝酸胺，危害人體健康。45新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第45頁反硝化作用三種結(jié)果①硝酸鹽→氨→氨基酸、蛋白質(zhì)及其它含氮物質(zhì)；（同化反硝化）②硝酸鹽→氮?dú)猓唬ó惢聪趸巯跛猁}→亞硝酸。（異化反硝化）類型含有反硝化細(xì)菌種一些屬有機(jī)營養(yǎng)型

假單胞菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、芽孢桿菌屬、

土壤桿菌屬、黃桿菌屬、芽生桿菌屬、

鹽桿菌屬、慢生根瘤菌屬

化能無機(jī)營養(yǎng)型

硫桿菌屬、硫微螺菌屬、亞硝化單胞菌屬光能營養(yǎng)型

紅假單胞菌屬

混合型

副球菌屬、布蘭漢氏菌屬、奈氏球菌屬46新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第46頁反硝化作用分析：發(fā)生條件：(亞)硝酸鹽與有機(jī)物同時存在；低DO反硝化細(xì)菌兼性厭氧，曝氣池DO應(yīng)<0.5mg/L；反硝化細(xì)菌化能異養(yǎng)，要求BOD5/TN>3～5；1g硝酸鹽氮完全反硝化產(chǎn)生3.75g碳酸鹽堿度；反硝化類型：同化反硝化：NO3-→NO2-→NH2OH→有機(jī)體異化反硝化：NO3-→NO2-→N2O→N2內(nèi)源反硝化：NO3-＋C5H7NO2→N2＋CO2＋NH3-＋OH-所以，污水缺乏有機(jī)物時輕易造成內(nèi)源反硝化，使細(xì)胞物質(zhì)降低。47新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第47頁8.3.5固氮作用——在固氮微生物固氮酶催化作用下，把分子氮轉(zhuǎn)化為氨，進(jìn)而合成有機(jī)氮化合物過程。固氮基本反應(yīng)式固氮微生物：根瘤菌、圓褐固氮菌、光合細(xì)菌等。N2＋6e＋6H＋＋nATP→2NH3＋nADP＋nPi48新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第48頁固氮作用分類：(1)自生固氮自生固氮微生物能夠在環(huán)境中自由生活，能獨(dú)立進(jìn)行固氮作用。在固氮酶參加下，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，組成本身蛋白質(zhì)。只有在死亡后，機(jī)體被分解才會向環(huán)境釋放氨。如拜氏菌屬、光合細(xì)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根際，并不侵入根毛生成根瘤，固氮效率較高。如雀稗固氮菌。49新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第49頁蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化降解機(jī)理反硝化N2↑50新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第50頁氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈類化合物及硝基化合物

水中起源：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(xì)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赤霉菌(茄科病鐮刀霉)、木霉及擔(dān)子菌等A．降解這些物質(zhì)微生物8.3.6其它含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化51新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第51頁B．降解機(jī)理a.氰化物5HCN+5.5O25CO2+H2O+5NH3b.有機(jī)腈52新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第52頁污、廢水深度處理——脫氮微生物學(xué)原理53新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第53頁8.4硫循環(huán)

硫存在形態(tài)：單質(zhì)硫、有機(jī)硫、無機(jī)硫

54新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第54頁自然界中硫素循環(huán)55新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第55頁水生環(huán)境中硫素循環(huán)56新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第56頁8.4.1含硫有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化含硫有機(jī)物主要是蛋白組成中含硫氨基酸。含硫有機(jī)物①有氧條件下，最終產(chǎn)物為SO42－；②缺氧條件下，為H2S和硫醇。氨化微生物都能分解含硫有機(jī)物。57新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第57頁8.4.2無機(jī)硫轉(zhuǎn)化1.硫化作用——在有氧條件下，經(jīng)過硫細(xì)菌作用將還原態(tài)無機(jī)硫氧化為硫酸過程。硫化細(xì)菌和硫磺細(xì)菌參加硫化作用。(1)硫化細(xì)菌

歸屬硫桿菌屬，G－，從氧化硫化氫、元素硫、硫代硫酸鹽等中取得能量，產(chǎn)生硫酸，同化二氧化碳合成有機(jī)物。多數(shù)在細(xì)胞外積累硫，有些也在細(xì)胞內(nèi)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28～30℃，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(chǎn)生能量。58新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第58頁①氧化硫硫桿菌——氧化元素硫能力強(qiáng)、快速，專性自養(yǎng)菌。

②氧化亞鐵硫桿菌——可氧化硫酸亞鐵、硫代硫酸鹽同時取得能量2S＋3O2＋2H2O→2H2SO4＋能量Na2S2O3＋2O2＋H2O→Na2SO4＋H2SO4＋能量2H2S+O2→2H2O+2S＋能量4FeSO4＋O2＋H2SO4→2Fe2(SO4)3＋2H2O59新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第59頁(2)硫磺細(xì)菌指將硫化氫氧化為硫，并將硫粒積累在細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌。包含絲狀硫磺細(xì)菌和光能自養(yǎng)硫細(xì)菌。①絲狀硫磺細(xì)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(dāng)環(huán)境中缺乏硫化氫時，就將積累硫粒氧化為硫酸，從中取得能量。均為G－。當(dāng)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)硫菌過分生長引發(fā)活性污泥絲狀膨脹。②光能自養(yǎng)硫細(xì)菌含細(xì)菌葉綠素，在光照下，將硫化氫氧化為元素硫，在體內(nèi)或體外積累硫粒。60新版微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第60頁2.反硫化作