清華大學(xué)微生物學(xué)第八章 微生物的生態(tài)2

第三節(jié)微生物的地球化學(xué)作用微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的角色微生物與生物地球化學(xué)循環(huán)碳循環(huán)氮循環(huán)硫循環(huán)磷循環(huán)CO2+H2OCO2+CH2O醇有機(jī)酸

CO2+H2CH4光合作用發(fā)酵作用呼吸作用化石燃料一、碳素循環(huán)圖8-5碳、氫、氧在自然界的循環(huán)二、氮素循環(huán)哪些生物能進(jìn)行生物固氮？生物體有機(jī)酸NO3-NH4+NO2-NON2O大氣N2同化作用氨化作用硝化作用硝化作用反硝化作用生物固氮同化作用還原作用圖8-6自然界中的氮素循環(huán)生物固氮：據(jù)統(tǒng)計(jì)全球生物圈每年生物固氮達(dá)2.4108噸，其中草原3.5107噸，林地4.0108噸，海洋3.6108噸，其它土壤0.6108噸。根瘤菌屬每年可為每公頃土地固氮達(dá)250Kg。硝化作用（nitrification）定義：土壤或水體中的氨態(tài)氮經(jīng)化能自養(yǎng)菌的氧化而成為硝酸態(tài)氮的過程。過程：兩階段——（1）由亞硝化細(xì)菌參與，氨→亞硝酸；（2）由硝化細(xì)菌參與，亞硝酸→硝酸。意義：是自然界氮素循環(huán)中不可缺少的一環(huán)，對(duì)農(nóng)業(yè)無益。氨化作用（ammonnification）定義：含氮有機(jī)物經(jīng)微生物的分解產(chǎn)生氨的作用。含氮有機(jī)物的種類：蛋白質(zhì)、尿素、尿酸、幾丁質(zhì)等。分解蛋白質(zhì)的微生物種類：Proteusvulgaris（普通變形桿菌），Bacillusmegaterium（巨大芽孢桿菌），Clostridiumputrificum（腐敗梭菌）。分解尿素的細(xì)菌：Sporosarcinaureae（脲芽孢八疊球菌）和Bacilluspasteurii（巴氏芽孢桿菌）。分解幾丁質(zhì)的細(xì)菌：Bacteriumchitinophilum（嗜幾丁桿菌）等。意義：含氮有機(jī)物必須經(jīng)過微生物降解才能被植物利用。反硝化作用定義：由硝酸鹽還原成NO2–并進(jìn)一步還原成N2的過程（廣義）。狹義的反硝化作用僅指由亞硝酸還原成N2的過程。條件：厭氧（淹水的土壤或死水塘中）。菌種：少數(shù)異養(yǎng)和化能自養(yǎng)菌。如：Pseudomonasaeruginosa（銅綠假單胞菌）、Ps.stutzeri（施氏假單胞菌）、Thiobacillusdenitrificans（脫氮硫桿菌）以及Spirillum（螺菌屬）和Moraxella（莫拉氏菌屬）等。意義：土壤中氮元素流失的重要原因之一。水稻田中施用化學(xué)氮肥，有效利用率只有25%左右。另外可以利用水生性反硝化細(xì)菌去除污水中的硝酸鹽。三、硫素循環(huán)生物體有機(jī)硫SO42-H2S原素S①硫酸鹽還原②脫硫作用③硫氧化作用③硫氧化作用同化作用⑤異化性硫還原④異化性硫酸鹽還原（二）細(xì)菌瀝濾利用化能自養(yǎng)的硫化細(xì)菌對(duì)礦物中的硫或硫化物的氧化作用，讓其不斷制造和再生酸性浸礦劑，使所需要的銅等金屬不斷地從低品位的礦石中溶解出來，成為硫酸銅等金屬鹽類的溶液，然后再通過電動(dòng)序較低的鐵等金屬（一般用廢鐵粉）加以置換，也可用離子交換等方法，以取得其中銅等有色金屬或其他稀有金屬。

（二）細(xì)菌瀝濾（二）細(xì)菌瀝濾（1）溶礦

①黃銅礦：CuFeS2+2Fe2（SO4）3+2H2O+3O2→CuSO4+5FeSO4+2H2SO4②赤銅礦：Cu2O+Fe2（SO4）3+H2SO4→2CuSO4+FeSO4+H2O③輝銅礦：Cu2S+2Fe2（SO4）3→2CuSO4+4FeSO4+S（二）細(xì)菌瀝濾（2）置換

CuSO4+Fe→FeSO4+Cu↓（3）再生浸礦劑Thiobacillusferrooxidans（氧化亞鐵硫桿菌）（二）細(xì)菌瀝濾細(xì)菌瀝濾特別適合于次生硫化礦和氧化礦的浸取，浸取率達(dá)70～80％。也可用于錳、砷、鎳、鋅和鉬等硫化礦物和鈾等若干稀有元素的提取。優(yōu)點(diǎn)：投資少、建設(shè)快、成本低、操作簡(jiǎn)便、規(guī)?？纱罂尚?，尤其適合于貧礦、廢礦、尾礦或火冶爐渣中金屬的浸出缺點(diǎn)：周期長(zhǎng)、礦種有限以及不適宜高寒地區(qū)使用等。四.磷素循環(huán)第四節(jié)微生物與環(huán)境保護(hù)環(huán)境污染，主要是指生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、機(jī)能受到外來有害物質(zhì)的影響或破壞，無法進(jìn)行正常的物質(zhì)循環(huán)。這種情況在水體環(huán)境的污染中尤為明顯，它常表現(xiàn)為無法進(jìn)行水體的自凈作用。一、水體的污染——富營(yíng)養(yǎng)化（１）概念富營(yíng)養(yǎng)化是湖泊分類和演化學(xué)的一個(gè)概念，它指的是當(dāng)湖泊水中的N、P等植物營(yíng)養(yǎng)物（如氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、尿素、磷酸鹽）的濃度超過一定數(shù)值時(shí)引起的湖泊生態(tài)系統(tǒng)的一種惡性循環(huán)。危害：赤潮一、水體的污染——富營(yíng)養(yǎng)化危害：赤潮危害：赤潮危害：赤潮危害：水花一、水體的污染——富營(yíng)養(yǎng)化危害：水花危害：水花二、用微生物治理污染（一）污水的微生物處理污水污水生物處理原理污水生物處理類型污水當(dāng)進(jìn)入水體的外來污染物質(zhì)數(shù)量，超過了水體的自凈能力，并達(dá)到破壞水體原有用途的程度，即為水污染。水源的污染是危害最廣、最大的污染。污水的種類很多，有生活污水、工業(yè)有機(jī)污水（如屠宰、造紙、淀粉和發(fā)酵工業(yè)等的污水）、工業(yè)有毒污水（農(nóng)藥、炸藥、石油化工、電鍍、印染、制革等工業(yè)污水）和其他污水等。其中所含的各種有害物質(zhì)，例如農(nóng)藥、炸藥（TNT、黑索金等）、多氯聯(lián)苯（PCB）、多環(huán)芳烴（致癌劑）、酚、氰和丙烯腈等的污染后果尤為嚴(yán)重。在污水處理方法中，最關(guān)鍵、最有效和最常用的方法是微生物處理法。

污水處理及微生物的作用

其基本原理是污水在充分曝氣條件下，通過需氧微生物的旺盛代謝活動(dòng)，氧化分解有機(jī)污染物，使污水凈化。(1)生化耗氧量（biochemicaloxygendemand,BOD）是指在特定時(shí)間和溫度下，微生物好氧過程中氧化一升污水中的有機(jī)物所需氧的毫克數(shù)(單位為mg/L)。(2)化學(xué)需氧量（chemicaloxygendemand,,COD）,是表示水體中有機(jī)物含量的一個(gè)簡(jiǎn)便的間接指標(biāo),指1L污水中所含有的有機(jī)物在強(qiáng)氧化劑將它氧化后,所消耗氧的毫克數(shù)(單位為mg/L)(3)總需氧量（totaloxygendemand,,TOD），指污水中能被氧化的物質(zhì)（主要是有機(jī)物）在高溫下燃燒變成穩(wěn)定氧化物時(shí)所需的氧量。污水處理中幾個(gè)常用的名詞解釋：（4）溶解氧量（dissolvedoxygen，DO），指溶于水體中的分子態(tài)氧，是評(píng)價(jià)水質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。（5）懸浮物含量（suspendsolid，SS），指水中不溶解性固態(tài)物質(zhì)的含量。（6）總有機(jī)碳含量（totalorganiccarbon，TOC），指水體內(nèi)所含有機(jī)物中的全部有機(jī)碳的量。污水處理中幾個(gè)常用的名詞解釋：2.用于污水處理的特種微生物

p264外生物質(zhì)：天然條件下不存在，人工合成的化學(xué)物質(zhì)，不易降解。持久性有機(jī)污染物：具有環(huán)境持久性（難以降解）、生物積累性（可通過食物鏈傳遞和積累）、高生物學(xué)毒性和長(zhǎng)距離遷移性的人工合成有機(jī)污染物。3.污水處理的方法和裝置3.污水處理的方法和裝置活性污泥，是指一種由活細(xì)菌、原生動(dòng)物和其他微生物群體與污水中的懸浮有機(jī)物、膠狀物和吸附物質(zhì)在一起構(gòu)成的凝絮團(tuán)，在污水處理中具有很強(qiáng)的吸附、分解和利用有機(jī)物或毒物的能力。它對(duì)生活污水的BOD5去除率可達(dá)95％左右，懸浮固體去除率也達(dá)95％左右（1）完全混合曝氣法（2）生物轉(zhuǎn)盤法這是一種由許多質(zhì)地輕、耐腐蝕的塑料等圓板作平行和等距離的緊密排列，其圓心由一根橫軸相串聯(lián)而成。每片圓盤的下半部都浸沒在盛有污水的半圓柱形橫槽中，而上半部則敞露在空氣中，整串圓盤借電動(dòng)機(jī)而緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)。在生物轉(zhuǎn)盤的開始階段，需要讓其表面著生一層生物膜，稱為“掛膜”。待生物膜形成后，隨盤片不停地旋轉(zhuǎn)，使污水中的有機(jī)物不斷被生物膜吸附、充氧和氧化、分解，從而使污水不斷得到凈化。盤片上過多生長(zhǎng)且老化的生物膜，會(huì)隨著圓盤的旋轉(zhuǎn)而使污水對(duì)其產(chǎn)生剪切力，從而促使老膜剝落，隨即又在盤上形成新的生物膜。

成都污水處理二廠鳥瞰圖污水處理過程中的曝氣池二、固體有機(jī)垃圾的微生物處理慕尼黑的這座現(xiàn)代化的發(fā)酵處理廠建造在Kirchstockach這座BTA垃圾處理廠匯集了能夠代表垃圾處理未來方向二、固體有機(jī)垃圾的微生物處理二、固體有機(jī)垃圾的微生物處理由于使用這種兩級(jí)系統(tǒng)，有60-80%的有機(jī)物干物質(zhì)被分解，厭氧消化比較完全產(chǎn)出的足量的生物燃?xì)?，這些氣體輸送到兩臺(tái)CHP熱電聯(lián)供裝置進(jìn)行發(fā)電并產(chǎn)出熱能。除滿足工廠自身的電力需求外，多余的電力則供應(yīng)到公共電網(wǎng)中。由于垃圾的輸送及處理車間都是全封閉所以臭味很少。二、固體有機(jī)垃圾的微生物處理BIOGAS—從垃圾到車用燃料的完美轉(zhuǎn)化三、沼氣發(fā)酵與環(huán)境保護(hù)（一）沼氣發(fā)酵的意義（二）沼氣發(fā)酵的3個(gè)階段（三）甲烷形成的生化機(jī)制三、沼氣發(fā)酵與環(huán)境保護(hù)（一）沼氣發(fā)酵的意義在地球上的生物量中，以植物秸稈和其他動(dòng)、植物殘?bào)w的含量為最高，這是一類可再生資源（renewableresource）或永續(xù)資源。在實(shí)踐上，這一巨大的生物資源有兩類效果截然不同的利用方式。

（一）沼氣發(fā)酵的意義第一類是傳統(tǒng)的一步利用即燃燒的方式，只能快速地取得其中10％左右的熱能，并獲得少量肥效較差的草木灰肥料。久而久之，由于土壤缺乏氮肥和有機(jī)物，就會(huì)降低肥力、破壞結(jié)構(gòu)和引起砂質(zhì)化等一系列惡性循環(huán)。（一）沼氣發(fā)酵的意義第二類是現(xiàn)代合理的梯級(jí)利用方式，即先將秸稈打碎供牲畜作飼料，然后將畜糞進(jìn)行沼氣發(fā)酵，把有機(jī)物中的90％左右的化學(xué)能釋放利用，經(jīng)沼氣發(fā)酵后的固體殘?jiān)€可當(dāng)作良好的有機(jī)肥料（甚至還可充當(dāng)部分飼料）。這種方式充分發(fā)揮了秸稈等生物量的飼料、燃料和肥料的三項(xiàng)功能，不但促進(jìn)了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，還能達(dá)到改良土壤、提高肥力的效果，因此，是一種能達(dá)到良性循環(huán)的一項(xiàng)農(nóng)業(yè)生態(tài)工程沼氣發(fā)酵正是其中的關(guān)鍵步驟。

沼氣發(fā)酵是有機(jī)物在隔絕空氣并在一定溫度、濕度條件下由多種厭氣性有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌參與的發(fā)酵過程，分三個(gè)過程。(A)水解階段；(B)產(chǎn)酸階段；（C）產(chǎn)氣階段。四、用微生物監(jiān)測(cè)環(huán)境污染四、用微生物監(jiān)測(cè)環(huán)境污染1.用腸道菌群作為水體質(zhì)量的指標(biāo)2.致突變物與致癌物的微生物檢測(cè)

------艾姆斯（Ames）試驗(yàn)法3.發(fā)光細(xì)菌檢測(cè)3.發(fā)光細(xì)菌檢測(cè)發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光強(qiáng)度是菌體健康狀況的一種反映。在正常情況下，這類細(xì)菌在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的發(fā)光能力很強(qiáng)。在環(huán)境不良或存在有毒物質(zhì)時(shí)，其發(fā)光能力減弱，衰減程度與毒物的毒