微生物在环境物质循环中的作用.ppt

第八章 微生物在环境物质循环中的作用,微生物对自然环境中的氧、碳、氮、硫、磷、铁、锰等物质的降解、转化起着极重要的作用。它们还能降解对环境污染的有害物质，对一些重金属的转化起到解毒的作用。微生物与植物、动物配合维持生态系统的平衡。,内容提示,微生物在环境物质循环中的作用,环境中的物质，除了人烟稀少、无工业的地区保留纯净的天然性状（糖类、蛋白质、脂肪）外，一般都或多或少受到废物或毒物的污染。所以，物质循环包括天然物质和污染物质的循环。物质循环有氧、碳、氮、硫、磷、铁、锰及各种有毒或无毒污染物的循环。促使上述物质循环的有物理作用、化学作用和生物作用，生物作用占主导，微生物在生物作用中占极重要的地位。,第一节氧 循 环第二节碳 循 环第三节氮 循 环第四节硫 循 环第五节磷 循 环第六节铁 循 环第七节锰 循 环第八节汞 循 环,第一节氧循环,植物、藻类光合作用 CO2 O2 人、动物、植物、微生物呼吸作用,大气中氧含量丰富，约占空气体积分数21。人和动物呼吸、微生物分解有机物都需要氧。所消耗的氧由陆地和水体中的植物及藻类进行光合作用放氧，源源不断地补充到大气和水体中。,图8-1 冬季和夏季湖泊水含氧量及温度分布情况,氧在水体的垂直方向分布不均匀。表层水有溶解氧，深层和底层缺氧，当涨潮或湍流发生时，表层水和深层水充分混和，氧可能被转送到深水层。在夏季温暖地区的水体发生分层，温暖而密度小的表层水和冷而密度大的底层分开，底层缺氧。秋末、初冬时，表层水变冷，比底层水重，水发生“翻底”(图8-1)。温暖地区湖泊的氧一年四季有周期性变化。,温度,温度,碳是构成生物体的主要元素，占生活物质总量的25%，没有碳就没有了生命。生命有机体所需的碳，最初来源于大气中的CO2。自然界碳的存在形式：无机碳：二氧化碳、一氧化碳；有机碳：甲烷、糖类(如：糖、淀粉、纤维素)、脂肪、蛋白质等。碳循环以二氧化碳为中心，二氧化碳被植物、藻类利用进行光合作用，合成为植物性碳；动物吃植物就将植物性碳转化为动物性碳；动物和人呼吸放出二氧化碳，有机碳化合物被厌氧微生物和好氧微生物分解所产生的二氧化碳均回到大气。而后，二氧化碳再一次被植物利用进入循环(图8-2a)和(图8-2b)。,第二节碳循环,1、自然界中碳循环,图 82 碳循环,碳循环以二氧化碳为中心,插图p27图2.8水域的分层现象徐亚同p66碳循环示意图5-1王家玲,二氧化碳是植物、藻类和光合细菌的唯一碳源，若以大气中二氧化碳的含量为0.032%为例，其储藏量约有6000108t，全球(陆地、海洋、河流、湖泊)植物每年消耗大气中CO2约(600700)108t，10年就可将大气中CO2用尽。由于，人、动物呼吸、微生物分解有机物产生大量CO2，源源不断补充至大气。海洋、陆地、大气和生物圈之间碳长期自然交换的结果，使大气中的CO2保持相对平衡、稳定。因此，在过去的10 000年期间里，CO2含量变化极小，持续维持在28010-6左右。自18世纪工业革命以来，由于石油和煤燃烧量日益增加，排放的CO2等温室气体含量正在大幅度增加。因而使大气圈中CO2浓度逐年增加，见图8-3和图8-4。,图8-3 洛阿山（夏威夷）和南极几个监测站近1000年大气CO2变化曲线,图8-4 基林曲线（洛阿山观测站CO2变化曲线）,以CO2为代表的温室气体的大量排放，导致了全球性的“温室效应”，并由此引发了一系列环境问题，直接影响了人们的生产和生活。由于CO2含量的持续增高，20世纪全球表面温度上升了0.30.6,海平面上升1025 cm。到21世纪中叶，全球温度将增加1.54。在整个生态系中，有机物厌氧发酵产生甲烷和二氧化碳，产甲烷菌将二氧化碳转化为甲烷，甲烷氧化菌将甲烷氧化成二氧化碳。大气中的甲烷含量以大约1的速度逐年递增。在过去的300年中，从0.710-6上升到（1.61.7）10-6（体积分数）。甲烷来自水稻田、反刍动物、煤矿、污水处理厂、垃圾废弃物填埋场、沼泽地等。一氧化碳来自石油、煤的燃烧、汽车尾气。,2.微生物在碳素循环中的作用,a.合成作用：如藻类、篮细菌和光合细菌，它们通过光合作用，将大气中和水体中的CO2合成为有机碳化物。b.分解作用：将有机碳分解为无机碳 例1：淀粉糊精麦芽糖葡萄糖 CO2+H2O,三羧酸循环,例2：纤维素在微生物酶的催化下沿下列途径分解：,本节内容课后自习,分解纤维素的微生物有：细菌（黏细菌等）、放线菌（链霉菌属）、真菌（青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉等）。,第三节氮素循环,自然界氮存在的形态分子氮：N2（占大气的78%）有机氮化合物：蛋白质、氨基酸、尿素等无机氮化合物：NH3N、NxN,包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用及固氮作用，见图8-6。,图8-6 氮循环,2.自然界中的氮素循环,3.微生物在氮素循环中的作用,3.1 氨化作用 概念：微生物分解有机氮化物产生氨的过程称为氨化作用。蛋白质胨肽氨基酸 NH3有机酸 氨化微生物：巨大芽孢杆菌、枯草芽饱杆菌等。,3.2 硝化作用,概念：微生物将氨氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用。分两步进行：（）亚硝化作用（亚硝酸菌起作用）：2NH3+3O22HNO2+2H2O+619kJ（）硝化作用（硝酸菌起作用）：2HNO2+O2 2HNO3+201kJ,3.3 反硝化作用（脱氮作用）,概念：微生物还原硝酸盐，释放出分子态氮和一氧化二氮的过程称为反硝化作用。微生物为反硝化细菌。土壤、水体和污水生物处理构筑物中的硝酸盐在缺氧的情况下，会发生反硝化作用。,反硝化作用有三种结果：,（1）硝酸盐还原成氨（同化反硝化作用）大多数细菌、放线菌及真菌利用硝酸盐为氮素营养，通过硝酸还原酶的作用将硝酸还原成氨，进而合成氨基酸、蛋白质和其他含氮物质。,（2）硝酸盐还原为氮气（异化反硝化作用）反硝化细菌(兼性厌氧菌)在厌氧条件下进行。,（3）硝酸盐还原为亚硝酸,反硝化细菌,施氏假单胞菌(Pseudomonas Stutzeri)脱氮假单胞菌(Ps.denitrificans)荧光假单胞菌(Ps.fluorescens)色杆菌属中的紫色杆菌(Chromobacterium violaceum)脱氮色杆菌(Chrom.denitrificans),反硝化作用的不利影响：,若在土壤发生反硝化作用会使土壤肥力降低；若在污水生物处理系统中的二次沉淀池发生反硝化作用，产生的氮气由池底上升逸到水面时会把池底的沉淀污泥带上浮起，使出水含有多量的泥花，影响出水的水质；有些污(废)水经生物处理后出水硝酸盐含量高，在排入水体后，若水体缺氧发生反硝化作用，产生致癌物质亚硝酸胺，造成二次污染，危害人体健康。因此，必须采用脱氮工艺去除废水中的硝酸盐后再排入水体才安全。反硝化作用的利用：反硝化作用在污（废）水生物脱氮处理中起积极作用。,3.4 固氮作用,概念：在固氮微生物的固氮酶催化作用下，把分子氮转化为氨，进而合成为有机氮化合物。这叫固氮作用。各类固氮微生物进行固氮的基本反应式相同。N2+6e-+6H+nATP 2NH3+nADP+nPi 固氮微生物：根瘤菌、篮细菌、光合细菌等。,图8-7 两种固氮菌a：拜叶林克氏菌（Beijerinckia）；b.c：万氏固氮菌（Azotobacter vinelandii）,固氮菌,固氮的光合细菌和固氮蓝细菌,光合细菌：红螺菌(Rhodospirillum)小着色菌(Chromatium minus)绿菌属(Chlorobium)等在光照下厌氧生活时也能固氮。固氮蓝细菌多见于有异形胞的固氮丝状蓝细菌：鱼腥蓝细菌属(Anabuena)念珠蓝细菌属(Nostoc)柱孢蓝细菌属(Cylindrospernum)单歧蓝细菌属(Tolypothrix)颤蓝细菌属(Oscillatoria)拟鱼腥蓝细菌属(Anabaenopsis)眉蓝细菌属(Calothrix)藻类：织线藻属(Plectonema)席藻属(Phormidium)它们在异形胞中进行固氮。,在自然界中硫有三态：单质硫、无机硫化物及含硫有机化合物。这三者在化学和生物作用下相互转化着，构成硫的循环(图8-8)。在水生环境中，硫酸盐的来源或是化学作用产生，或来自污（废）水，或是硫细菌氧化硫或硫化氢产生。硫酸盐被植物、藻类吸收后转化为含硫有机化合物，如含SH基的蛋白质，在厌氧条件下进行腐败作用产生硫化氢，硫化氢被无色硫细菌氧化为硫，并进一步氧化为硫酸盐，硫酸盐在厌氧条件下，被硫酸盐还原菌(例如脱硫弧菌)还原为硫化氢，硫化氢又能被光合细菌用作供氢体，氧化为硫或硫酸盐。自然界的硫就是这样往复循环着。,第四节硫素循环,1、自然界中的硫素循环,图88 硫的循环,参与硫循环的微生物有：脱硫细菌、好氧的贝日阿托氏菌属、发硫菌属、硫杆菌和不产氧光合细菌，厌氧的绿菌属、着色菌属，脱硫弧菌属、脱硫单胞菌属、嗜热古菌和蓝细菌。,2.微生物在硫素循环中的作用,2.1 分解作用例：H2S、硫醇蛋白质SO42-,腐解,缺氧,分解,有氧,2.2 同化作用,微生物利用SO42-、H2S组成本身细胞物质。2.3 无机硫氧化作用（硫化作用）H2S S SO42-微生物种类：硫化细菌、硫磺细菌,O2,O2,2.4 无机硫化物的还原作用（反硫化作用）,SO42-H2S微生物种类：硫酸盐还原细菌：脱硫弧菌属等,硫化氢对管道的腐蚀,第五节磷素循环,磷在自然界（土壤、水体）的存在形态有机磷化物：核酸、植酸、卵磷脂等无机磷：磷酸钙、钠、镁盐等还原态磷：PH3,图8-10 磷循环,2.自然界中的磷素循环,3.微生物在磷素循环中的作用,3.1 有机磷化物的转化例：核酸的转化核酸 核苷酸 核苷 腺嘌呤 次黄嘌呤 NH3+CO2,微生物水解,磷酸,核糖,（或其他碱基）,NH3,3.2 无机磷化物的转化Ca3(PO4)2+2CH3CHOHCOOH 2CaHPO4+Ca(CH3CHOHCOO)2磷酸钙有机酸溶解性磷酸盐Ca3(PO4)22H2SO4 Ca(H2PO4)2+2CaSO4（硫细菌产生）溶解性磷酸盐,