08 第八章 微生物在环境物质循环中的作用.pptx

第1页：第8章 环境物质循环

第8章 微生物在环境物质循环中的作用

• 8.1 氧循环（自学）
• 8.2 碳循环
• 8.3 氮循环
• 8.4 硫循环
• 8.5 磷循环
• 8.7 铁、锰循环（自学）

第2页：8.2 碳循环

8.1 氧循环（自学）

8.2 碳循环

第3页：纤维素的来源与结构

8.2.1 纤维素的转化

• β-葡萄糖高聚物，每个纤维素分子含1400～10000个葡萄糖基（β1-4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

第4页：纤维素的微生物分解途径

微生物分解纤维素途径

第5页：分解纤维素的微生物

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

需要时可以自行筛选或向有菌种库的研究机构购买。

第6页：半纤维素的转化

8.2.2 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
• 分解过程：半纤维素 →（聚糖酶、H₂O）单糖＋糖醛酸 → 好氧经TCA循环生成CO₂＋H₂O；厌氧分解为各种发酵产物
• 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

第7页：果胶质的水解过程

8.2.3 果胶质的转化：果胶质存在于植物的细胞壁和细胞间质中。造纸废水、制麻废水中含有果胶质。天然果胶质不溶于水，称为原果胶。

1. 果胶质水解过程

• 原果胶＋H₂O → 可溶性果胶＋聚戊糖
• 可溶性果胶＋H₂O → 果胶酸＋甲醇
• 果胶酸＋H₂O → 半乳糖醛酸

第8页：果胶水解产物的分解

2. 水解产物的分解

水解产物：果胶酸、聚戊糖、半乳糖醛酸、甲醇。

• 好氧条件：CO₂和H₂O
• 厌氧条件：丁酸、乙酸、醇类、CO₂和H₂

3. 分解果胶质的微生物：细菌、放线菌和真菌。好氧菌有枯草芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌等；厌氧菌有蚀果胶梭菌、费新尼亚浸麻梭菌；真菌有青霉、曲霉、木霉、根霉等。

第9页：淀粉的转化

8.2.4 淀粉的转化（C₆H₁₀O₅）₁₂₀₀

淀粉主要来自植物，它是植物的重要贮藏物质。淀粉厂废水、酒厂、印染废水、抗生素发酵废水及生活污水等含有淀粉。

淀粉的降解有4条途径。

第10页：降解淀粉的微生物

降解淀粉的微生物

途径①

枯草芽孢杆菌、根霉、曲霉

途径②

根霉、曲霉、酵母菌

途径③

丙酮丁醇梭状芽孢杆菌、丁醇梭状芽孢杆菌

途径④

丁酸梭状芽孢杆菌

第11页：油脂的转化

8.2.5 油脂的转化

• 水中来源：毛纺、毛涤厂废水、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＋β氧化

第12页：木质素的结构

8.2.6 木质素的转化：木质素存在于除苔藓和藻类外所有植物的细胞壁中，由松柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度分枝多聚物（木质素模式图：纤维素与空腔结构）。

第13页：木质素的降解微生物

自然界中哪些微生物能够进行木质素的降解呢？

• 确证的只有真菌中的黄孢原毛平革菌，疑似的只有软腐菌
• 黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）是白腐真菌的一种，隶属于担子菌纲、同担子菌亚纲、非褶菌目、丝核菌科。白腐——树皮上木质素被该菌分解后漏出白色的纤维素部分

第14页：烷烃的转化

8.2.7 烃类物质的转化：石油中含有烷烃（30％）、环烷烃（46％）和芳香烃（28％）。

1. 烷烃的转化　微生物：甲烷假单胞菌、分枝杆菌、头孢霉、青霉。

第15页：芳香烃的转化

2. 芳香烃化合物的转化：芳香烃有酚、间甲酚、邻苯二酚、苯、二甲苯、萘、菲、蒽等。炼油厂、煤气厂、焦化厂及化肥厂的废水中含有芳香烃。

分解芳香烃的微生物：

酚、苯

荧光假单胞菌、铜绿色假单胞菌、苯杆菌

苯系物

甲苯杆菌

萘

铜绿色假单胞菌、溶条假单胞菌、诺卡氏菌

菲

菲杆菌、菲芽孢杆菌巴库变种等

苯并（α）芘

荧光假单胞菌、铜绿色假单胞菌、大肠埃希氏菌

第16页：8.3 氮循环

8.3 氮循环

氮循环包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用及固氮作用。

第17页：蛋白质水解

8.3.1 蛋白质水解与氨基酸转化

1. 蛋白质水解：蛋白质→胨→肽→氨基酸

好氧细菌

枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蕈状芽孢杆菌等

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

致病菌

链球菌、葡萄球菌

真菌

曲霉、毛霉、木霉

放线菌

链霉菌

第18页：脱氨作用

2. 氨基酸的转化

（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的过程称为氨化作用。

• 氧化脱氨
• 还原脱氨

第19页：脱羧作用

• 水解脱氨
• 减饱和脱氨

（2）脱羧作用

第20页：尿素的氨化

8.3.2 尿素的氨化

• 用酚红可检验此反应，呈红色说明有氨产生
• 分解尿素的微生物：尿八叠球菌、尿小球菌等
• 尿素分解时不放出能量，故不能作为能源，只能作为氮源

第21页：硝化作用

8.3.3 硝化作用——在有氧条件下，氨经亚硝酸菌和硝酸菌的作用转化为硝酸的过程。

微生物：硝化细菌，G－，为好氧菌，适宜在中性和偏碱性环境中生长，不需要有机营养。

• 2NH₃＋3O₂ → 2HNO₂＋2H₂O＋619kJ
• 2HNO₂＋3O₂ → 2HNO₃＋201kJ

第22页：反硝化作用

8.3.4 反硝化作用——反硝化细菌将硝酸盐还原为氮气的过程。

反硝化作用的危害

① 会使土壤肥力降低；② 影响二沉池的出水水质；③ 产生致癌物质亚硝酸胺，危害人体健康

反硝化作用的三种结果

① 硝酸盐→氨→氨基酸、蛋白质及其它含氮物质；② 硝酸盐→氮气；③ 硝酸盐→亚硝酸

第23页：固氮作用

8.3.5 固氮作用——在固氮微生物的固氮酶催化作用下，把分子氮转化为氨，进而合成有机氮化合物的过程。

固氮的基本反应式：N₂＋6e＋6H^＋＋nATP → 2NH₃＋nADP＋nPi

固氮微生物：根瘤菌、圆褐固氮菌、光合细菌等。

第24页：固氮作用的类型

固氮作用分类

（1）自生固氮

自生固氮微生物可以在环境中自由生活，能独立进行固氮作用。在固氮酶的参与下，将分子氮固定成氨，但并不释放到环境中去，而是合成氨基酸，组成自身蛋白质。只有在死亡后，机体被分解才会向环境释放氨。如拜氏菌属、光合细菌等

（2）共生固氮

共生固氮微生物只有在与其它生物紧密生活在一起的情况下，才能固氮或才能有效地固氮。固氮效率高。如根瘤菌

（3）联合固氮

固氮微生物仅存在于植物的根际，并不侵入根毛生成根瘤，固氮效率较高。如雀稗固氮菌

第25页：其他含氮物质的转化

8.2.6 其它含氮物质的转化

其它含氮物质

氢氰酸、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈及硝基化合物

来源

化工腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等

第26页：硫素循环图

8.4 硫循环：自然界中的硫素循环

第27页：含硫有机物的转化

8.4.1 含硫有机化合物的转化

• 环境中的含硫有机物主要是生物体蛋白质组成成分中的含硫氨基酸
• 含硫有机物：① 有氧条件下，最终产物为SO₄^2－；② 缺氧条件下，为H₂S和硫醇
• 氨化微生物都能分解含硫有机物

第28页：硫化作用

8.4.2 无机硫的转化

1. 硫化作用——在有氧条件下，通过硫细菌的作用将还原态无机硫化物氧化为硫酸的过程。硫化细菌和硫磺细菌参与硫化作用。

第29页：反硫化作用

2. 反硫化作用——指土壤淹水、河流、湖泊等水体缺氧时，硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐和次亚硫酸盐在微生物的还原作用下，形成硫化氢的过程，也叫硫酸盐还原作用。

反硫化作用的危害：腐蚀水管、码头的钢桩。

• C₆H₁₂O₆＋3H₂SO₄ → 6CO₂＋6H₂O＋3H₂S＋能量
• 2CH₃CHOHCOOH＋H₂SO₄ → 2CH₃COOH＋2CO₂＋H₂S＋2H₂O

第30页：8.5 磷循环

8.5 磷循环

第31页：含磷有机物的转化

8.5.1 含磷有机物的转化

1. 核酸

核酸→核苷酸→（磷酸＋）核苷→（核糖＋）嘧啶（或嘌呤）→氨

2. 磷脂

卵磷脂是含胆碱的磷酸脂，可被微生物卵磷脂酶水解为甘油、脂肪酸、磷酸和胆碱。胆碱可再分解为氨、二氧化碳、有机酸和醇

3. 植素

植素是由植酸和钙、镁结合而成的盐类。植素在土壤中分解很慢，经微生物的植酸酶分解为磷酸和二氧化碳