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,微生物在生态系统中的角色,微生物是有机物的主要分解者,微生物是物质循环中的重要成员,微生物是生态系统中的初级生产者,微生物是物质和能量的贮存者,微生物是地球生物演化中的先行者,第一节 氧循环,大气中的O2（包括水体）,呼吸作用,CO2,光和作用,O2在大气中分布均匀，而在水体中有垂直方向上的变化。无论是O2还是CO2，除了在大气中的含量以外，它们在水体（海洋）中的含量，也是不可忽视的。此循环的平衡，具有十分重要的意义，如维持大气中CO2的浓度。,第二节 碳循环,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，合成植物性碳；动物以以植物性碳为食，将其转变为动物性碳；动物和人呼吸放出二氧化碳，有机碳化合物别厌氧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。,碳素循环,光合作用藻类、绿色植物、蓝细菌,（CH2O）n有机化合物,呼吸作用动植物及微生物,需氧,厌氧,CO2,厌氧呼吸、发酵厌氧微生物，包括光合细菌,有机化合物（CH2O）n,光合细菌,沉积作用,产甲烷细菌,甲基化合物,甲烷氧化细菌,CH4,一纤维素的转化什么是纤维素？纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，每个纤维素分子含140010000个葡萄糖基（1-4糖苷键）。来源：棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水及城市垃圾等，其中均含有大量纤维素。1.纤维素的分解途径纤维素在微生物酶的催化下沿下列途径分解：,含碳化合物的转化,2分解纤维素的微生物,好氧细菌粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌厌氧细菌产纤维二糖芽孢梭菌、无芽孢厌氧分解菌及嗜热纤维芽孢梭菌。放 线 菌链霉菌属。真 菌青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。,二半纤维素的转化,存在于植物细胞壁的杂多糖。造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。1半纤维素的分解过程 好氧分解 聚糖酶 CO2+H2O 半纤维素 单糖+糖醛酸 H2O 各种发酵产物 厌氧分解2分解半纤维素的微生物分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。许多芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌及放线菌能分解半纤维素。霉菌有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。,三淀粉的转化,什么是淀粉？葡糖糖高聚物（1-4糖苷键 直链；1-6糖苷键 支链；）水中来源：以粮食作原料的工厂废水例如淀粉厂废水、酒厂废水，印染废水、抗生素发酵废水及生活污水等均含有淀粉。淀粉如何被微生物降解？首先在微生物分泌的淀粉酶作用下水解为葡萄糖，然后被吸收作为微生物的能源物质氧化产能。具有淀粉酶的微生物主要有：枯草芽孢杆菌和根霉、曲霉。其他微生物则主要进行淀粉水解产物葡萄糖的进一步分解。,四木质素的转化,什么是木质素？木质素是植物木质化组织中的带有氧基丙烷支链的一种或多种芳香族聚合物。极难降解，有毒污染水环境。水中来源：造纸和人造纤维废水降解微生物：真菌（主要）干朽菌、蘑菇 细 菌（少）假单胞菌的个别种相比而言真菌分解木质素比细菌快，但与糖类分解的速度相比则慢得多。,五.脂肪的转化,脂肪是甘油与脂肪酸所形成的酯，存在于动、植物体中，是人和动物的能量来源，可作为微生物的碳源和能源。水中来源：毛纺、毛条厂废水、油脂厂废水、肉联厂废水、制革厂废水含有大量油脂降解油脂较快的微生物：细 菌 荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌 丝状菌 放线菌、分支杆菌 真 菌 青霉、乳霉、曲霉途径：水解+氧化,六.烃类化合物的转化,什么是石油？石油是含有烷烃（30%）、环烷烃（46%）、芳香烃（28%）及少量非烃化合物的复杂混合物。石油污染主要出现在采油区和石油运输事故现场以及石化行业的工业废水中。1石油成分的生物降解性石油中的各种成分由于分子结构不同，降解速度也不一样，降解速度大小上有以下规律。,A链长度 链中等长度（C10C24）链很长的（C24以上）短链（因有生物毒性）B链结构 直链支链（支链多的支链少的）不饱和饱和 烷烃芳烃 链末端有季碳原子的烃以及多环芳烃极难降解或不降解,2降解石油的微生物,降解石油的微生物很多，据报道有200多种细 菌 假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产碱杆菌属放线菌 诺卡氏菌酵母菌 假丝酵母霉 菌 青霉属、曲霉属藻 类 蓝藻和绿藻,3石油烃的降解机理,A链烷烃的降解+O2R-CH2-CH2-CH3 R-CH2-CH2-COOH-氧化 CO2+H2O CH2-COOH+R-COOH,B无支链环烷烃的降解 以环己烷为例 通常一些微生物只能将环烷变为环己酮，另一些微生物只能将环己酮氧化开链而不能氧化环己烷，两种微生物的协同作用下将环己烷才能被彻底降解。,C芳香烃,种 类：酚、间甲酚、邻苯二酚、苯、二甲苯、异丙苯、异丙甲苯、萘、菲、蒽等水中来源：炼油厂、煤气厂、焦化厂、化肥厂等的废水芳香烃普遍具有生物毒性，但在一定浓度范围内它们可以不同程度的被微生物分解。以下是目前已知降解不同芳香烃的细菌类别,a.苯和酚的代谢,苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所示 苯的代谢,萘的代谢,菲的代谢,酚也是先被氧化为邻苯二酚，这样各类芳香烃在降解的后半段是相同的，可表示如下,第三节 氮循环,自然界中氮素蕴藏量丰富，以三种形态存在：分子氮N2，占大气的78%；有机氮化合物；无机氮化合物（氨氮和硝氮）。尽管分子氮和有机氮含量多，但植物不能直接利用，只能利用无机氮。微生物、植物和动物三者的协同作用下将三种形态的氮相互转化，构成氮循环，其中微生物起着重要作用。,自然界的氮素循环是各种元素循环的中心，这是由于氮元素在整个生物界中所处的重要地位所决定的。微生物又是整个氮素循环的中心，尤其是一些固氮微生物更可称作开辟整个生物圈氮素营养源的“先锋队”。氮元素在自然界中的存在形式主要有以下五种：铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐、有机含氮物和氮气。在以上五种形式的氮素进行循环转化过程中，微生物起着关键的作用。,生物体有机酸,NO3-,NH4+,NO2-,NO,N2O,大气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,还原作用,自然界中的氮素循环,氮素循环（1）生物固氮（2）硝化作用（3）同化性硝酸盐还原作用（4）氨化作用（5）铵盐同化作用（6）异化性硝酸盐还原作用（7）反硝化作用（8）亚硝酸氨化作用,工业固氮,有机氮化物,硝化作用,NO3-,NH4+,NO2-,NO2,N2,NO2,固氮作用,反硝化作用,同化硝酸盐的还原作用,硝化作用,反硝化作用,同化作用,分解作用,固氮,一、蛋白质水解与氨基酸转化,蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、腈化物、硝基化合物等。,（一）蛋白质的水解水中来源：生活污水、屠宰废水、罐头食品加工废水、制革废水等,1降解蛋白质的微生物种类很多好 氧 细 菌 链球菌和葡萄球菌好氧芽孢细菌枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌及马铃薯芽孢杆菌 兼 性 厌 氧 菌变形杆菌、假单胞菌 厌 氧 菌腐败梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌此外，还有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及链霉菌(放线菌)。,2降解机理,N2,（二）氨基酸转化,1.脱氨作用：有机氮化合物在氨化微生物的脱氨基作用下产生氨。脱氨方式：氧化脱氨、还原脱氨、水解脱氨、减饱和脱氨氧化脱氨：在好氧微生物作用下进行还原脱氨：由专性厌氧菌和兼性厌氧菌在厌氧条件 下进行,水解脱氨：减饱和脱氨：在、位减饱和为不饱和酸 氨基酸脱氨基后形成的有机酸和脂肪酸可在好氧或厌氧条件下，在不同的微生物作用下继续分解。2.脱羧作用,CO(NH2)2+2H2O(NH4)2CO3,尿酶,2NH3+CO2+H2O,二、尿素的氨化,尿素细菌：1、球菌：尿素生孢八叠球菌 2、芽孢杆菌：巴斯德尿素芽孢杆菌,尿素细菌的生理特点：喜好碱性条件。以尿素、铵盐为N源，以有机C为C源、能源。,三、硝化作用,氨在有氧的条件下，经亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用转化为硝酸的过程。,硝化作用,化能自养型,异 养 型,1、硝化细菌和硝化作用的过程,2、硝化作用的意义 生活污水和工业废水如味精废水、赖氨酸废水等含有相当高浓度的氨氮。先将氨氮转化为硝酸盐（硝化作用），再通过反硝化作用将硝酸氮还原为氮气溢出水面。,四、反硝化作用,微生物还原硝酸为亚硝酸、氨和N2的作用,HNO3,N2O 或 N2,NH3,兼性厌氧菌在厌氧条件下进行,1、反硝化作用的结果,HNO2,细菌、放线菌、真菌利用,2、反硝化作用微生物 大多数：异养兼厌氧性 极少数：化能自养型（脱氮硫杆菌）,3、反硝化作用的应用 土壤中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，会产生致癌物质亚硝酸胺，造成二次污染，危害人体健康。,五、固氮作用,在固氮微生物固氮酶的作用下，把分子氮转化为氨，进而合成为有机氮化合物。固氮条件1.固氮酶2.能量：平均每还原1mol氮为2mol的氨，需要24molATP，其中9molATP提供3对电子用于还原作用，15molATP用于催化反应3.氮源：N2,当供给NH3、尿素和硝酸盐时固氮作用停止。4.固氮微生物生长的环境条件：中性和偏碱性,5.氧的影响：在较低氧分压下固氮效果好 好氧固氮菌生长需要氧，固氮却不需要。固氮菌对O2敏感，从好氧固氮菌菌体内分离的固氮酶，一遇氧就发生不可逆失活。好氧固氮菌为了在生长过程中同时固氮，它们在长期进化中形成了保护固氮酶的防氧机制，使固氮作用正常进行。,六、其它含氮有机物的转化,氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈类化合物及硝基化合物 水中来源：化工腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。危 害：生物毒害、环境积累A降解这些物质的微生物细 菌紫色杆菌、假单胞菌放线菌诺卡氏菌真 菌氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病镰刀霉)、木霉及担子菌等,B降解机理,a.氰化物5HCN+5.5O2 5CO2+H2O+5NH3b.有机腈,担子菌还能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶的作用下缩合成为氨基乙腈，进而合成为丙氨酸。HCN CH3COH CH3CHNH2CN CH3CHNH2COOH 甲醛 氨基乙腈 丙氨酸,第四节 硫循环,硫是生命物质所必需的元素，其需要量大约是氮素的十分之一（在生物体内CNS=100101）。硫元素在自然界中的贮量十分丰富。硫素循环类似于氮素循环，其各个环节都有相应的微生物参与。,（1）同化性硫酸盐还原作用 由植物和微生物引起。可把硫酸盐转变成还原态的硫化物，然后再固定到蛋白质等的成分中。（2）脱硫作用（desulfuration）指在厌氧条件下，通过一些腐败微生物的作用，把生物体的蛋白质或其他含硫有机物中的硫矿化成H2S的作用。,（3）硫化作用：在好氧条件下，H2S可由Beggiatoa、Thiothrix（发硫菌属）等细菌氧化成硫或硫酸，游离的硫还可被硫化细菌Thiobacillus（硫杆菌属）的一些种氧化成硫酸。而在厌氧条件下，H2S可被光合细菌Chlorobium（绿菌属）的一些种氧化成硫，或被Chro-matium（着色菌属）的一些种氧化成硫酸。,（4）异化性硫酸盐还原作用：在厌氧条件下，硫酸可通过Desulfovibrio（脱硫弧菌属）、Desul-fotomaculum（脱硫肠状菌属）等细菌还原成H2S。（5）异化性硫还原作用：硫通过Desulfuromonas（脱硫单胞菌属）等的一些菌种还原成H2S的过程，称异化性硫还原作用。,有机硫化物,反硫化作用,H2S,S2,SO42-,硫的生物循环,第五节 磷的生物循环,1.有机磷化物的分解(解磷作用)2.不溶性无机磷化物的转化(溶磷作用)3.有效磷的微生物固定,含磷矿物,风化作用,PO43-,不溶性磷酸盐,有机磷化物,土壤固定,微生物溶磷作用,植物微生物同化作用,微生物解磷作用,磷的生物循环,（一）根际微生物,什么叫根际 也称根圈（rhizosphere），指生长中的植物根系直接影响的土壤范围，包括表面至几毫米的土壤区域。它是植物根系有效吸收养料和水分的范围，也是根系分泌作用旺盛的部位，因而是微生物和植物相互作用的界面。,第六节 微生物-植物生态系,根际释放物质的类型：（1）渗出物（2）分泌物（3）植物黏液（4）粘质（5）溶胞产物,根际效应（1）概念 根际同根际外土壤中的微生物群落相比，生活在植物根际中的微生物，在数量、种类和活性上有明显不同，表现出特异性，这种现象称为根际效应。（2）根土比-反应根圈效应的重要指标 根土比是指根圈中的微生物数量同相应的无根系影响的土壤中的微生物数量之比。不同的植物和土壤的特性不一样，根土比差异较大。,根际微生物对植物的影响（1）有利影响 A.改善植物的营养 代谢产物（糖类、有机酸有机酸、氨基酸以及维生素和生长素类物质。B.根际微生物分泌的维生素、氨基酸、生长刺激素等生长调节物质能促进植物的生长。C.根际微生物分泌的抗菌素类物质，有利于作物避免土著性病原菌的侵染。D.产生铁载体（siderophore）,这些是一些植物促长细菌(PG PR)的重要功能之一。,（2）有害影响 A.引起作物病害。B.某些有害微生物虽无致病性，但它们产生的有毒物质能抑制种子的发芽、幼苗的生长和根系的发展。C.竞争有限养分。,（二）附生微生物 附生微生物是指直接着生在植物地上部分表面的微生物，附生在根表面的微生物，通常称根表微生物。（1）叶面的附生微生物以细菌为主，其次是酵母菌类和少数丝状真菌，放线菌则是很少的。乳酸杆菌是叶面广泛存在的附生细菌，研制泡菜利用的天然接种剂。（2）成熟的浆果表面有大量糖类分泌物，是酵母菌的天然附生环境。如葡萄酒发酵；水果腐烂。（3）根表微生物,自古以来，植物作为天然的生产者，动物作为消费者，微生物作为分解者，通过这三者之间巧妙的生态平衡，物质循环、能量循环周流不息，人类及其他生物世世代代生息繁衍，但20世纪以来，固体废弃物越来越多，生活污水和工业废水大量排放，生态平衡遭到破坏，微生物的负担超过了其净化能力，出现严重的生态灾难。,出路只有一条，即将污染物的排放量控制在微生物净化能力许可的范围之内。要达到这一要求必须实现固体废弃物无害化、减量化、资源化和生活污水、工业废水的达标排放。各国制定的污废水排放标准依据就是水体中微生物的净化能力。要达到这一标准除了物理化学方法外，生物处理法也是一种十分有效的处理方法，它是人们在认识自然净化规律，改造自然中能动性的充分体现。,