微生物的生态-生工.ppt

第八章微生物的生态,Section 1 微生物在自然界的分布与菌种资源的开发,一、微生物在自然界中的分布,1.土壤是微生物良好的生活场所,2.土壤中的微生物,细菌,放线菌,真菌,藻类 和 原生动物,3.微生物在土壤中的分布的影响因素,（一）陆生生境的微生物,4.根圈微生物,1.土壤是微生物良好的生活场所,土壤是微生物良好的生活场所,1、为微生物提供了良好的 源、源、能源,2、为微生物提供有机物 无机盐 微量元素,4、土壤p值范围5.58.5之间,5、温度 季节与昼夜温差不大,6、土壤颗粒空隙间充满着空气和水分,7、适宜的渗透压,3、满足了微生物对水分的要求,细菌,生物量：单位体积内活细胞的重量,每克肥土可含25亿个细菌,以每亩半尺深耕作层土壤重30万斤计,细菌活重约100450斤,2.土壤中的微生物,放线菌,多分布在有机物较丰富的碱性土壤中,（几万几百万）克土壤,土壤中放线菌数量仅次于细菌,由于菌体大，其生物量与细菌接近,真菌,真菌主要分布在接近地面的土层中,以丝状体和孢子体形式存在于土壤中,(几千几十万个)/每克土壤，,由于菌体粗大，其生物量不低于细菌，放线菌，为0.6mgg土壤，菌丝最长可达米。如酵母在果园土壤里含量几十万个g土壤。,藻类和原生动物,藻 类（万个克土）原生动物（万个克土）,纤毛虫，鞭毛虫、肉足虫等为主，它们以其它微生物和有机物碎片为食，对其它几类微生物的数量起调节作用。,土壤中各种微生物含量 细菌（108）放线菌*（107）霉菌*（106）酵母菌（105）藻类（104）原生动物（103）,通过土壤微生物的代谢活动，可改变土壤的理化性质，进行物质转化，因此，土壤微生物是构成土壤肥力的重要因素,1）土壤微生物的数量和分布主要受到营养物、含水量、氧、温度、pH等因子的影响，并随土壤类型的不同而有很大变化。2）土壤微生物的数量和分布受季节影响；3）微生物的数量也与于土层的深度有关，一般土壤表层微生物最多，随着土层的加深，微生物的数量逐步减少。,3.土壤中的微生物分布特点,根圈：也称根际，指生长中的植物根系直接影响的土壤范围。根际效应：植物根际对微生物数量和种类的影响称为根际效应（rhizosphere effect）。在数量方面常用根土比（R/S ratio）即根际微生物数量与非根际土壤微生物数量的比值来表示。R/S值一般为520，有时可高达100以上，该值随植物种类、生育期和土壤类型等而变化,4.根圈微生物,根圈微生物对植物生长的有益影响：1.改善植物的营养:：根圈微生物旺盛的代谢作用和所产生的酶类，加强了有机物质的分解，促进了营养元素的转化，提高了土壤中磷素与其他矿质养料的可给性。2.根圈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。3.根圈微生物分泌的抗菌素等物质，有利于作物避免土著性病原菌的侵染。4.产生铁载体:铁载体是微生物在缺铁性胁迫条件下产生的一种特殊的、对微量三价铁离子具有超强络合力的有机化合物。铁载体包括氧肟酸盐,儿茶酚盐等,不利影响1.引起作物病害2.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育。3.竞争有限养分。,微生物的水域环境,水中无机盐,水中有机物,pH值,温度,光线,（二）水生生境的微生物,细菌总数不得超过：100个/毫升,饮用水消毒常用方法：加入液态氯或次氯酸盐,大肠菌群指数不得超过：3个/升,我国相关法规对饮用水微生物指标的规定,空气干燥，不利于微生物生命活动不是微生物生长繁殖的场所但却飘浮着相当数量的微生物，来自地面、动植物、尘土。,（三）大气生境的微生物,空气中的微生物的数量是大气污染程度的标志之一,（四）极端环境下的微生物,嗜热菌、嗜冷菌、嗜酸菌、嗜碱菌、嗜盐菌、嗜压菌、抗辐射的微生物,（五）动物、植物体表、体内以及工 农业产品,二、菌种资源的开发,1、采集菌样2、富集培养3、纯种分离4、性能测定,1、采集菌样,例如在腐木和堆肥中纤维素和木质素分解菌较多；在果实、蜜饯表面酵母菌较多；在蔬菜、牛奶中乳酸菌较多；在动物肠道和粪便中，革兰氏阴性无芽孢厌养菌和肠道细菌较多；在谷物种子上曲霉、青霉和镰孢霉较多；而在油田、炼油厂附近的土壤中，则以石油分解微生物较多。,现以从土壤中筛选抗生素产生菌为例来介绍采样中必须考虑到的几个问题。,（1）土壤中有机物的含量 有机物含量高，土质就肥，一般在其中微生物数量也越多，反之亦然。过于肥沃的土壤，往往细菌的含量过多，而放线菌却比较少。因此，在寻找拮抗性放线菌时，一般可采集一些园土或耕作过的农田土。而要分离拮抗性真菌时，由于它们对碳水化合物需要量较大，故可到植物残体丰富的枯枝落叶层下的土壤或沼泽土中去寻找。,（2）采土的深度 土壤的深度不同，其通气、养分和水分的分布情况也不同。表层的土壤由于直接受日光曝晒，故较干燥，微生物也不易大量繁殖。在离地面520cm处的土壤，微生物含量最高。,（3）采土方法 选择好适当地点后，用小铲子除去表土，取520cm处的土样几十克，盛入事先灭过菌的防水纸袋内。采好的土样应尽快分离。在采土的时候，一个地区采土的点不能太少，否则就不能代表该地区的微生物类群。,（4）采土的季节 以春秋两季为宜。这时土壤中的养分、水分和温度都较适宜，微生物的数量也最多。采土时尤应注意土壤中的含水量，水分过多会造成厌氧环境，不利于放线菌的生长繁殖。真菌虽需要较高的相对湿度，但基质中的水分却不宜过多。因此要避免在雨季采集土样。此外，土壤的pH也应适当注意，细菌和放线菌在中性或微碱性土壤中居多，而真菌则在偏酸性的土壤中较丰富。,（5）植被情况 植被的种类对微生物的分布有着密切的关系。例如，在冬天灌水的水稻田土壤中，以真菌Cephalosporium（头孢霉属）的种类较多。但总的说来，这方面的规律还知道得很少,2、富集培养,又称增殖培养。就是利用加富培养基的原理，在所采集的土壤等含菌样品中加入某些特殊营养物，并创造一些有利于待分离对象生长的条件，使样品中少数能分解利用这类营养物的微生物乘机大量繁殖，从而有利于分离它们。根据微生物的营养特性可以知道，如果自然菌样中含有某一物质较多，则其中含有能分解这一物质的微生物一般也较多。如果原有菌样中这类微生物不多，则可人为地加入相应的基质以促使它们生长繁殖。,例如，通常可在土壤中加入一些石油以促使其中少数能利用石油作碳源的微生物数量剧增；又如，在土样中加入纤维素也可以富集纤维素分解微生物，等等。但是，这类富集方法，一般不适用于分离能产生某些物质的微生物。例如，不可能把谷氨酸加入到土壤样品中去，以使产谷氨酸的微生物大量繁殖。不过，如果我们已知道所要分离微生物的某些特殊生理特性，也可以采用有利于这种微生物而不利于其他无关微生物的营养和培养条件，以达到富集培养的目的,3、纯种分离、筛选,目的:经过富集的微生物虽然在数量上占优势,但是得到的培养物还是多种微生物的混合物,所以需要进行菌种的分离。常用的分离方法有：（1）稀释分离法(倾注平板；涂布平板）（2）平板划线分离法,菌种的初筛 分离得到的菌种，需要进一步筛选选择产物合成能力较高的菌株。生产性能的测定即通过初筛和复筛来确定。初筛：从分离得到的大量微生物中将具有目的产物合成能力的微生物筛选出来的过程。,方法：1、平板筛选例：水解酶菌株在培养基中加入该酶的底物作为唯一的碳源或氮源，适温培养后根据水解圈和菌落的大小来判断产酶活力的大小。2、摇瓶发酵筛选 接近发酵条件，易于扩大培养。特点：简单快速，活性只能相对比较，不能得到确切的产量。,（4）筛选,从菌体形态变异分析平皿快速检测法摇瓶培养法,（1）从菌体形态变异分析 有些菌体的形态变异与产量的 变异存在着一定的相关性。如在灰黄霉素产生菌荨麻青霉的育种中，曾发现菌落的棕红色变深者往往产量有所提高。,（2）平皿快速检测法A、纸片培养显色法:浸有指示剂滤纸B、变色圈法:直接用显色剂或指示剂C、透明圈法:混浊底物被分解后形成透明圈。如可溶性淀粉、碳酸钙等。D、生长圈法:利用某些具有特殊营养要求的微生物作为工具菌E、抑制圈法,产淀粉酶菌株的筛选,产蛋白酶菌株的筛选,产普鲁兰酶菌株的筛选,纤维素酶产生菌的筛选,刚果红染料进入产纤维素酶真菌，产纤维素酶真菌首先分解纤维素物质为含有葡聚糖等结构的多聚糖类物质，多聚糖与刚果红形成多聚糖-刚果红复合物，复合物不仅被吸附在菌丝外，而且能被进一步转运吸收至菌丝内部。通过进一步的降解，多聚糖被分解而加以利用，而刚果红则被保留在菌丝体内，使菌落呈现红色。,因此，初筛工作以量为主，测定的精确性还在其次；初筛手段应尽可能快速、简单。,菌种的复筛 一般用摇瓶发酵培养，发酵液用精确的分析方法测定。复筛过程可以结合各种培养条件进行筛选，以便初步掌握适合野生型菌株的培养条件，为育种服务。复筛的目的：确认符合要求的菌株；复筛以质为主，应精确测定每个菌株的生产指标。,4、性能测定,1）微生物生物学特征的初步鉴定；2）产物的定性或定量分析；3）前期评价（生长特性、毒性、效价、稳定性等）；4）工艺指标试验（培养液粘度、菌体聚集度等）。,Section2微生物与生物环境间的关系,在自然界中，各种微生物极少单独存在，总是较多地聚在一起，也常常与其他生物出现在一个限定的空间内，它们之间可能发生相互作用，并由此构成微生物以及微生物与其他生物间非常复杂而多样化的关系。一、互生定义：两种生物可以独立生活。也可以形成相互的联合，对一方有利，或双方都有利。（一）微生物间的互生关系 固氮菌和纤维素分解菌，两者互生关系较为典型，固氮菌可利用纤维素分解菌产生的有机酸作为碳源和能源而大量繁殖，并进行固氮；使纤维素分解菌也避免因为自身代谢产物积累过多而中毒；同时可利用固氮菌前提的氮素营养物质，生长更加旺盛。增强了分解纤维素的能力。由于它们的互生关系，提高了土壤的肥力。,（二）微生物与人及动物间的互生关系 人及动物与其正常菌群即是互生关系。如双岐杆菌，乳酸杆菌等能合成多种人体生长发育必须的维生素，如B族维生素（维生素B1、B2、B6、B12），维生素K，烟酸、泛酸等，还能利用蛋白质残渣合成非必需氨基酸，如天冬门氨酸、丙氨酸、缬氨酸和苏氨酸等，并参与糖类和蛋白质的代谢，同时还能促进铁、镁、锌等矿物元素的吸收。这些营养物质对人类的健康有着重要作用，一旦缺少会引起多种疾病。,正常菌群：生活在健康动物各部位，数量大、种类较稳定且一般是有益无害的微生物，称为正常菌群。正常菌群与人体的关系：一般能维持平衡，菌群内部的各种微生物之间，也是相互制约而维持相对稳定。,变化情况：正常菌群是相对的、可变的、有条件的。机体防御机能减弱时，一部分正常菌群会成为病原微生物；正常菌群在非正常部位时也可引起疾病；由于外界因素的影响，破坏了各种微生物之间的相互制约关系，正常菌群也会引起疾病（菌群失调症）。,无菌动物（germ-free animal）：体内外检查不到任何正常菌群的动物悉生生物（gnotobiotics）：已经人为接种某已知纯种微生物的无菌动物,（三）微生物与高等植物之间的互生关系 根际微生物与高等植物间也为互生关系。植物根在生 长过程中，向周围土壤中分泌各种有机物质，并有些脱落 物，都为微生物提供所需的营养物质，植物发达的根系改 善了土壤结构，水分和空气条件，有利于微生物的生长。,二、共生定义：两种微生物紧密地生活在一起，彼此依赖，相互为对方创造有利的生存条件特点：在生理上相互分工，互换代谢活动的产物；在组织上形成了新的结构，一旦彼此分离，各自就不能很好地生活。,（一）微生物间的共生典型的例子是地衣。地衣组成：真菌（子囊菌，担子菌）、单细胞藻类（绿藻，蓝藻）地衣的结构：形成有固定形态的叶状结构，真菌无规则地缠绕藻类细胞，或二者组成一定的层次排列。,地衣的代谢：地衣中的真菌和藻类已形成特殊形态的整体了，在生理上相互依存，真菌营异养生活，藻类制造养料，真菌提供水分、无机盐供藻类光合作用。,（二）微生物与植物间的共生体1、根瘤：豆科植物与固氮菌共生、非豆科植物与放线 菌共生2、菌根菌和植物菌根：有些真菌能够在一些植物的根上发育，菌丝体着生根的表面或侵入根内，形成两种生物的共生体菌根。能够与植物共生形成菌根的真菌，称为菌根菌。菌根菌包括藻状菌，子囊菌和半知菌。以担子菌为最多。能与真菌共生的植物有2000种,侵入线,根瘤的形成过程,菌根作用：帮助植物吸收水分和养料；调节植物代谢；增强植物抗病能力菌根的种类：（1）外生菌根：主要分布于木本的乔、灌木；可形成菌套；或哈蒂氏网（2）内生菌根：最常见和最重要的是泡囊-丛枝状菌根,内生菌根：菌丝体存在于根皮层薄壁细胞之间，并且进入细胞内部，而在根系较少，因此具内生菌根的植物，一般都保留着根毛。由于它们具有与植物共生的高度专一性，迄今尚未分离获得纯培养体,（三）微生物与动物共生 1、微生物与昆虫的共生：外共生：例如白蚁与其肠道内的微生物之间的共生食木质的白蚁自身并不能分解纤维素，必须依赖肠道内共生的原生动物和细菌通过厌氧发酵过程来分解纤维素。内共生：昆虫与其细胞内的共生性细菌这些细胞内的共生性细菌能为宿主提供B族维生素，使昆虫能以缺乏维生素的植物为生。,2、瘤胃微生物 牛羊等反刍动物，草是主要饲料，但它们本身没有分解纤维素的能力，而是靠瘤胃微生物帮助分解，使纤维素变成能被牛羊吸收的糖类。反刍动物有四个胃，前两个胃叫瘤胃和网胃，后两个胃叫瓣胃和皱胃，瘤胃和网胃是草料暂时贮存，分解，加工的场所，pH5.86.8之间，适宜微生物生长，有大量的纤维素、淀粉、脂肪分解菌。当草料到达瘤胃和网胃时，首先是纤维素菌将纤维素分解为纤维二糖、葡萄糖被其他微生物吸收利用转化，产生乳酸，丁酸、脂肪酸等有机酸和CO2；CH4等气体，前两个胃没有消化完的草料进入后两胃，由其分泌蛋白酶消化分解产生氨基酸、维生素等。被动物体吸收利用。,三、寄生定义：一种生物侵入另一种生物体内吸取自己所需要的营养物质进行生长繁殖，在一定的条件下对后者造成损害或死亡的现象类型：专性寄生（寄生物离开寄主不能生活）兼性寄生（寄生物可离开寄主营腐生生活）或细胞内寄生、细胞外寄生,（一）微生物间的寄生关系1、噬菌细菌：一种细菌可以寄生在另一种细菌体内，如食菌蛭弧 菌能寄生在大肠杆菌等许多-菌体内。2、真菌间：一种真菌寄生在另一种真菌间较普遍，其方式：（1）寄生物先分泌毒素，引起寄主活力衰退，然后再缠绕致死（2）有些寄生真菌不分泌毒素，由菌丝将寄主的菌丝紧紧地缠绕 起来，由接触部位侵入寄主菌丝内，吸收营养使之死亡。,（二）微生物对植物的寄生 微生物对植物的寄生很普遍，这是植物发生病害的重要原因，能引起植物病害的微生物称为植物病原微生物。植物或染病微生物发病后，出现变色，组织坏死，萎蔫和畸形等症状，能引起植物病害的有真菌、细菌、病毒等。,1、植物病害中以真菌病害为主，占95%担子菌纲病原菌能引起小麦铁锈病，和黑穗病。半知菌类可引起棉花炭疽病，立枯病，黄萎病，水稻稻瘟病等。藻菌纲可引起马铃薯与蕃茄晚疫病。子囊菌纲可引起大麦和苹果白粉病等。2、细菌性植物病害占。大多为无芽孢，具鞭毛-菌。假单胞杆菌属，黄杆菌属，土壤杆菌属，棒杆菌属和欧文氏菌属等，这些病原菌主要从植物气孔等自然孔口和伤口侵入植物体内，寄生在组织细胞间或导管中，引起传染病害。,（三）微生物对人与动物的寄生微生物在人体和动物体内寄生引起人与动物的传染病，这些微生物称为动物病原微生物。常见的畜禽传染病有炭疽病，口蹄疫，猪瘟，鸡瘟病等。病原微生物寄生在有益的动植物体内会给人们造成经济损失，寄生有害在动物体内，则对人类是有益的，可以加以利用。如微生物寄生在有害昆虫体内，引起害虫致病死亡，对农产品发展是有利的，昆虫病原菌包括细菌真菌病毒等几类。目前利用微生物消灭农业害虫已成为微生物防治的一个重要方面。现被人们利用的微生物有苏云金杆菌等细菌、白僵菌等真菌及昆虫病毒等。,四、拮抗定义：一种微生物生命活动中，通过产生某些代谢产物或改变环境条件，能抑制其它微生物的生长繁殖，或毒害杀死其它微生物的现象。类型：1、非特异拮抗关系如乳酸菌能产生乳酸，能抑制腐败菌的生长，酸菜泡菜不易烂就因如此。这种抑制作用没有特定专一性，对不耐酸的菌都有抑制作用。2、特异拮抗关系一种微生物在生命活动中，能产生某种或某类特殊代谢产物，具有选择性地抑制或杀死其它种微生物前种菌称为抗生菌，后者称为敏感菌，拮抗性物质称抗生素。如青霉素产生与病原菌之间关系。,五、捕食定义：一种大型的生物直接捕捉、吞食其他小型生物来满足生存需要的现象类型：1、原生动物：捕食水体和土壤中的细菌，放线菌，真菌的孢子及单细胞藻类为食2、捕食性真菌：捕食线虫,6、竟争,一种微生物生命活动中，通过产生某些代谢产物或改变环境条件，能抑制其它微生物的生长繁殖，或毒害杀死其它微生物的现象。,Section 3 微生物与自然界物质循环,一、碳循环,二、氮循环,三、硫循环,六、其他元素的微生物转化,四、磷循环,五、铁循环,Section 3 微生物与自然界物质循环,一、碳循环,碳素循环包括CO的固定:绿色植物和微生物通过光合作用固定自然界中的CO，合成有机物碳化物,CO的再生:动物、植物和微生物进行呼吸作用获得能量，同时放了CO 动、植物和微生物尸体等有机碳化物被微生物分解时，产生大量CO,微生物在碳素循环中具有非常重要的作用，它们既参与固定CO光合作用，又参与再生CO的分解作用。1、光合作用：参与光合作用的微生物主要是藻类，蓝细菌和光合细菌，它们通过光合作用，将大气中和水体中的合成为有机碳化物。特别是在大多数水生环境中，主要的光合生物是微生物，在有氧区域以蓝细菌和藻类占优势；而在无氧区域则以光合细菌占优势。2、分解作用：自然界有机碳化物的分解，主要是微生物的作用。陆地和水域的有氧条件中，通过好氧微生物分解被彻底氧化为CO2；在无氧条件中，通过厌氧微生物发酵被不完全氧化成有要酸、甲烷、氢和CO。能分解有机碳化物的微生物很多，主要有细菌、真菌和放线菌。,微生物在氮素循环中的作用 氮素是生物体合成及蛋白质的主要成份，是构成生物体的必需元素。大气体积中约有79是分子态氮，但所有植物、动物和大多数微生物都不能直接利用。初级生产者植物体需要的氨盐、硝酸盐等无机氮化物、在自然界为数不多，常常限制了植物体发展，只有将分子氮进行转化和循环，才能满足植物体对氮素营养的需要。因此氮素物质的相互转化和不断地循环，在自然界十分重要。,二、氮循环,自然界中的氮素循环及微生物在氮素循环中的作用,氮素循环包括：固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用微生物参与氮素循环的所有过程，并在每一过程中都起主要作用。,1、固氮作用 分子态氮被还原成氨和其他氮化物的过程称为固氮作用。自然界氮的固定，有两种方式:一是非生物固氮，即通过闪电、高温放电等固氮，这样形成的氮化物很少；二是生物固氮，即通过微生物的作用固氮，大气中以上的分子态氮都是微生物的活性而固定成氮化物。,生物固氮与化学固氮的比较,生物固氮化学固氮生产条件温和（中温、常压）高温（500）高压（200500atm）产量根瘤菌属250Kg/公顷非豆科植物共生固氮菌 22Kg/公顷自生固氮菌 0.52.5Kg/公顷共计：1.7 108吨/年5.0 107吨/年其中：草原3.5 107吨 林地4.0 108吨 海洋3.6 108吨 其它土壤0.6 108吨,2、氨的同化 植物从土壤中吸收铵,或由硝酸盐还原形成铵后会立即被同化为氨基酸。氨的同化在根、根瘤和叶部进行,已确定在所有的植物组织中,氨同化是通过谷氨酸合成酶循环进行的。在这个循环中有两种重要的酶参与催化作用,它们分别是谷氨酰胺合酶(glutamine synthase，GS)和谷氨酸合成酶(glutamate synthetase，GOGAT)。,3、氨化作用微生物分解有机氮化物产生氨的过程称为氨化作用。很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮衍生物，氨化作用产生的氨，一部分供微生物，植物同化，一部分被转变成硝酸盐。含氮有机物的种类：蛋白质、尿素、尿酸、几丁质等分解蛋白质的微生物种类：Pseudomonas fluorescens（荧光假单胞菌），Proteus vulgaris（普通变形杆菌），Bacillus megaterium（巨大芽孢杆菌），B.subtilis和B.mycoides（蕈状芽孢杆菌），Clostridium putrificum（腐败梭菌）。分解尿素的细菌如Sporosarcina ureae（脲芽孢八叠球菌）和Bacillus pasteurii（巴氏芽孢杆菌）。分解几丁质的细菌如Bacterium chitinophilum（嗜几丁杆菌）和Chromobacterium chitinochroma（几丁色色杆菌）等。意义：含氮有机物必须经过微生物降解才能被植物利用。,4、硝化作用微生物将氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用；整个过程由两类细菌分两个阶段进行。第一阶段是被氧化为亚硝酸盐，靠亚硝酸细菌完成，第二阶段是亚硝酸盐被氧化为硝酸盐，靠硝酸盐细菌完成。硝化作用形成的硝酸盐，在有氧环境中，被植物微生物同化。意义：是自然界氮素循环中不可缺少的一环，对农业无益。,5、硝酸盐的还原大多数植物虽能吸收NH4+,但在一般田间条件下,NO3-是植物吸收的主要形式。NO3-进入细胞后,就被硝酸还原酶和亚硝酸还原酶还原成铵。在此还原过程中,每形成一个分子NH4+,要求供给8个电子。硝酸盐还原(nitrate reduction)的过程如下:,同化型硝酸还原硝酸盐作为氮源,同化和异化型硝酸还原酶的区别：同化型硝酸还原酶：不受ATP的抑制，对氧气不敏感，以NADPH为辅基。存在于细胞质内。当硝酸盐作为环境中的唯一氮源时，它被诱导合成。该酶含有黄素和金属钼原子，以NAD(P)H为其辅酶 异化型硝酸还原酶：受到ATP和氧气的抑制，受硝酸诱导。以NADH为辅基。存在于细胞膜上。由两个不同的亚基组成，-亚基的分子量为155 000，-亚基分子量为63 000，它的辅因子由黄素、金属钼和铁硫蛋白组成，其辅酶是NADH。异化型酶存在于许多兼性好氧性细菌，多为与膜结构结合的不溶性的一般含铁及钼分子量数十万，以细胞色素为电子供体.,6、异化性硝酸盐还原作用（dissimilatory nitrate reduction）,定义：硝酸粒子作为呼吸链的末端电子受体被还原为亚硝酸的反应。有时亚硝酸可进一步通过亚硝酸铵化作用（nitrite ammonification）而产生氨或进一步通过反硝化作用（denitrification）产生氮气、NO或N2O。菌种：兼性厌氧菌，行无氧呼吸的菌种。,7、反硝化作用,定义：由硝酸盐还原成NO2并进一步还原成N2的过程（广义）。狭义的反硝化作用仅指由亚硝酸还原成N2的过程。条件：厌氧（淹水的土壤或死水塘中）。菌种：大部分反硝化细菌是异养菌，例如脱氮小球菌、反硝化假单胞菌等，它们以有机物为碳源和能源，进行无氧呼吸。少数反硝化细菌为自养菌，如脱氮硫杆菌，它们氧化硫或硝酸盐获得能量，同化二氧化碳，以硝酸盐为呼吸作用的最终电子受体。意义：反硝化作用使硝酸盐还原成氮气，从而降低了土壤中氮素营养的含量，土壤中氮元素流失的重要原因之一，对农业生产不利，水稻田中施用化学氮肥，有效利用率只有25%左右。农业上常进行中耕松土，以防止反硝化作用。反硝化作用是氮素循环中不可缺少的环节，可使土壤中因淋溶而流入河流、海洋中的NO3-减少，消除因硝酸积累对生物的毒害作用。,8、亚硝酸氨化作用,定义：亚硝酸通过异化性还原可以经羟胺而转变成氨，叫做亚硝酸的氨化作用。菌种：Aeromonas（气单胞菌属）、Bacillus（芽孢杆菌属）、Enterobacter（肠杆菌属）、Flavobacterium（黄杆菌属）、Nocardia（诺卡氏菌属）、Vibrio（弧菌属）和 Staphylococcus（葡萄球菌属）等。,三、硫素循环硫是生物的重要的营养元素，它是一些必需氨基酸、某些维生素、辅酶等的成份。在自然界，硫素以元素，硫酸盐和有机态硫的形式存在，而植物一般只能以无机盐类作为养料。因此，S素各种形式的循环转化，对植物营养非常重要。（一）自然界中的硫素循环,硫素循环可划分为分解作用，同化作用，无机硫的氧化作用和无机硫的还原作用微生物参与素循环的全过程，并起很重要作用。,有机硫化物,硫酸盐,元素,分解作用,分解作用,同化作用,同化作用,无机硫的氧化作用,无机硫的氧化作用,无机硫的还原作用,1、分解作用：动、植物和微生物尸体中的有机硫化物，被微生物降解成无机物（硫酸盐、等）的过程称为分解作用。2、同化作用微生物利用硫酸盐和H2S，组成本身细胞物质的过程称为同化作用，细菌、放线菌、真菌中都有能利用硫酸盐作为硫源的种类。仅少数微生物同化。,3、无机硫的氧化作用 无机硫的氧化作用是微生物氧化硫化氢、元素或e等生成硫酸盐的过程。主要是硫细菌。4、无机硫的还原作用无机硫化物的还原作用是在厌氧条件下微生物将硫酸盐还原成H2S的过程。参与此过程的微生物是硫酸盐还原细菌。（脱硫弧菌属、脱硫肠状菌属）,有机硫化物,硫酸盐,元素,分解作用,分解作用,同化作用,同化作用,无机硫的氧化作用,无机硫的氧化作用,无机硫的还原作用,Section 4 微生物与环境保护,BOD5值COD值沼气发酵,一、环境污染与污染物 1.定义 所谓环境污染，主要指土壤或水体等生态系统的结构和功能受外来有害因素的破环而失去了平衡，导致物质流、能量流无法正常运转的现象。引起生态系统不平衡的因素自然因素：火山爆发、地震、台风、洪水、海啸、旱灾、虫灾、流行病等自然灾害。人为因素：不合理的利用自然资源、三废、农药、化肥的施用等。,2.环境中的主要污染物 污染物是人们倾入自然界，对人和环境有不利影响的物质。（1）无毒有机物:主要是一些农付 产品的废物，其中成分有淀粉、纤维素、果胶、多糖、脂肪、蛋白质等均为微生物的营养物质，易被降解。（2）有毒有机物:主要是工厂的“三废”，有苯酚、多环芳烃、有机农药、多氯联苯等，有些微生物能降解。（3）无毒无机物:主要是一些无机化合物，是植物的营养物质，例如，含N、P等化合物。（4）有毒无机物:主要是来源于“三废”，例如，铅、砷等有毒的重金属、氰化物等。,二、微生物对污染物的降解和转化1.微生物对无毒有机物的降解 微生物的新陈代谢。2.微生物对有毒有机物的降解 有毒有机物一般很难被生物降解，它们在自然界中残存时间很长，造成污染。,农药,石油,洗涤剂,多氯联苯,氰和腈,3.微生物对重金属的转化 一些重金属，例如，砷、铅、镉等对人有害，称为金属毒物。微生物对金属毒物不能降解，只能通过转化，改变金属在环境中的存在状态，从而改变其毒性 很多微生物的细胞表面有特殊结构，这些结构可以吸附重金属离子，从而达到减少溶液中重金属离子的浓度。例如，有些酵母菌可以吸附如铅、金、银、镍、铀等很多重金属，或它们的离子，吸附的重金属之多，甚至可以相当于细胞重量的90%。肺炎克氏杆菌对镉的吸附（从中可见细胞表面吸附的镉颗粒）：,三、污水的微生物处理 水源的污染是危害最大、最广的环境污染。1)水体的污染(污水）生活污水 农牧业污水(农作物栽培、牲畜饲养、农产品加工等过程排出的废水)工业有机污水（如屠宰、造纸、淀粉和发酵工厂污水）工业有毒污水（如农药、炸药、石油、化工、电镀、印染、制革和制药厂污水）。,2)污水有机物污染指标：A.BOD5：即五日生化好氧量。指在20下，1L污水中所含的有机物，在进行微生物氧化时，五日内所消耗的分子氧的毫克数。水中有机物含量的一个间接指标一级水：BOD5值小于1mg/L二级水：BOD5值小于3mg/L三级水：BOD5值小于4mg/L严重污染：BOD5值大于10mg/L,B.COD：即化学好氧量。指使用强氧化剂使1L污水中的有机物质迅速进行化学氧化时所消耗氧的毫克数。表示水体中有机物含量的一个更简便的间接指标。国家饮用水水质卫生标准GB5749中，耗氧量（COD Mn法，以O2计），标准值是3mg/L，,3)污水的处理一级处理：也称预处理，主要是通过过滤、沉淀去除污水中的粘土、淤泥、碎屑等固形物。二级处理：也称生物处理，主要是利用微生物分解污水中的有机化合物。,三级处理：把二级处理后水体中的无机P、无机N等无机化合物去除。三级处理常用的方法：用沉淀法除P 中性条件下加温除去NH3 利用反硝化细菌的反硝化作用除去NO3-繁殖藻类去除N、P 养浮萍，水草等也可去除N、P,(4)污水生物处理类型:需氧处理和厌氧处理,氧化塘是一个面积大、能接受阳光照射的浅池，污水从一端流入，从另一端溢流而出。在氧化塘中存在着三种作用。1）有机物的好氧性分解和厌氧消化；前者主要由好氧细菌进行，后者则主要由厌氧菌进行；2）光合作用：主要由藻类和水生植物进行；3）藻类细胞的消除：由各种动物进行。所以用氧化塘法处理污水实际上是一个菌藻共生的生态系统。,生物氧化塘法：将污水排人池塘内，由于表面溶解氧成藻类的同化作用所生成的氧，利用好气性微生物对塘内有机物进行分解，使污水得到处理的方法，称为生物氧化塘法。,洒水滤床法（trickling filterprocess）将污水通过由一层石块及其上附着的生物膜（bio-logicalfilter）组成的滤床，使污水中的有机物质被生物膜中的各种微生物区系强烈地吸附、降解、吸收和氧化，从而使污水变清。,活性污泥法（activated sludge）也称曝气法，是好氧处理中最重要的方法。所谓活性污泥，是指一种由活细菌、原生动物和其他微生物群聚集在一起组成的凝絮团，在污水处理中具有很强的吸附、分解有机物或毒物的能力。活性污泥对生活污水的BOD5去除率可达95左右，活性污泥肉眼看是絮状泥粒，颗粒大小一般为0.020.2mm，在显微镜下观察其成分有细菌、酵母、霉菌、藻类、原生动物、菌相十分复杂。,活性污泥法处理的基本工艺流程：,曝气池,完全混合曝气法(活性污泥法),活性污泥中菌胶团细菌和丝状细菌的复合体显微照片引自Lansing M.Prescott et al Microbiology(fifth edition),生物转盘法：这是一种由许多质地轻、耐腐蚀的塑料等圆板作平行和等距离的紧密排列，其圆心由一根横轴相串联而成。每片圆盘的下半部都浸没在盛有污水的半圆柱形横槽中，而上半部则敞露在空气中，整串圆盘借电动机而缓缓转动。,在生物转盘的开始阶段，需要让其表面着生一层生物膜，称为“挂膜”。待生物膜形成后，随盘片不停地旋转，使污水中的有机物不断被生物膜吸附、充氧和氧化、分解，从而使污水不断得到净化。盘片上过多生长且老化的生物膜，会随着圆盘的旋转而使污水对其产生剪切力，从而促使老膜剥落，随即又在盘上形成新的生物膜。,沼气发酵处理（厌氧发酵）沼气：混合可燃气体甲烷、H2、N2、CO2,水解产酸产气,第一阶段：水解 1、水解阶段 各种固体有机物通常不能进入微生物体内被微生物利用，必须在好氧和厌氧微生物分泌的胞外酶、表面酶（纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶）的作用下，将固体有机质水解成分子量较小的可溶性单糖、氨基酸、甘油、脂肪酸。这些分子量较小的可溶性物质就可以进入微生物细胞之内被进一步分解利用。本阶段的水解性细菌，主要包括Clostridium（梭菌属）、Bacteroides（拟杆菌属）、Butyrivibrio（丁酸弧菌属）、Eubac-terium（优杆菌属）和Bifidobacterium（双歧杆菌属）等专性厌氧细菌；兼性厌氧菌包括Streptococcus（链球菌属）和一些肠道菌等,第二阶段：产酸阶段 各种可溶性物质（单糖、氨基酸、脂肪酸），在纤维素细菌、蛋白质细菌、脂肪细菌、果胶细菌胞内酶作用下继续分解转化成低分子物质，如丁酸、丙酸、乙酸以及醇、酮、醛等简单有机物质；同时也有部分氢(H2)、二氧化碳(CO2)和氨(NH4)等无机物的释放。但在这个阶段中，主要的产物是乙酸，约占70%以上，所以称为产酸阶段。参加这一阶段的细菌称之为产酸菌。严格厌氧菌：产氢产乙酸细菌群（奥氏甲烷杆菌：由S菌和MOH菌组成的共生体）产乙酸、CO2、H2 S菌株，是一种产氢产乙酸菌，革兰氏染色阴性杆菌，能运动，厌氧，并能发酵乙醇产生乙酸和分子氢，但当环境中H2浓度达到0.5大气压时，生长就受抑制；MOH（methanobacterium-oxidisinghydrogen）的菌株是革兰氏染色不定的厌氧杆菌，能利用分子氢产生甲烷，但不能利用乙醇，它与S菌株间形成了一个共生体,第三阶段：产气 严格厌氧菌产甲烷细菌群 利用一、二碳化合物、H2合成甲烷这群细菌只能利用一碳化合物（CO2、甲醇、甲酸、甲基胺和CO）、乙酸和氢气形成甲烷。,产甲烷细菌：一类必须生活在厌氧环境下并伴有甲烷产 生的古细菌。(甲烷杆菌属、甲烷球菌属、甲烷短杆菌属、甲烷八叠球菌属)利用底物:CO2类:CO2,CO,CHOOH 甲基类:甲醇、甲基胺、二甲基 乙酸类：乙酸,The end,