环境微生物学讲义4汇总课件

1、 环境微生物学 Environmental Microbiology郑州大学生物工程系 席 宇 环境微生物学 En第四章 微生物与生物地球化学循环第四章 微生物与生物地球化学循环1.微生物与碳循环2.微生物与氮循环3.其他无机元素的生物循环与转化4.微生物元素循环对环境造成的污染和危害主 要 内 容1.微生物与碳循环2.微生物与氮循环3.其他无机元素的生物循自然界的生物地球化学循环：Biogeochemical cycle在自然界中，生物所需要的各种化学元素，通过生物的生命活动，一方面合成有机物质组成生命体；另一方面这些有机物又被分解成无机物而返回自然界。由此，元素不断的在生命物质状态和非生命

2、物质状态之间循环，组成地球上的物质循环，即生物地球化学循环。自然界的生物地球化学循环：Biogeochemical cy1、无机物的有机质化，即生物合成作用；2、有机物质的无机质化，即矿化作用（mineralization）或分解作用(decomposition)。这两个过程既对立、又统一，构成了自然界的物质循环。微生物在有机质的矿质化过程中起着主导作用。1、无机物的有机质化，即生物合成作用；2、有机物质的无机质化微生物在生态系统中的地位生态系统：生物群落非生物环境物质循环能量流动生产者（producer）：从无机物合成有机物分解者(decomposer)：分解有机物成无机物消费者(consu

3、mer)：利用有机物进行生活，一般不能将有机物直接分解成无机物微生物在生态系统中的地位生态系统：生物群落非生物环境物质循环微生物可以在多个方面但主要作为分解者而在生态系统中起重要作用微生物可以在多个方面但主要作为分解者而在生态系统中起重要作用微生物在生态系统中的地位1、微生物是有机物的主要分解者；微生物最大的价值也在于其分解功能。它们分解生物圈内存在的动物和植物残体等复杂有机物质，并最后将其转化成最简单的无机物，再供初级生产者使用。2、微生物是物质循环中的重要成员；微生物参与所有的物质循环，大部分元素及其化合物都受到微生物的作用。在一些物质的循环中，微生物是主要的成员，起主要作用；而一些过程只

4、有微生物才能进行，起独特作用；而有的是循环中的关键过程，起关键作用。3、微生物是生态系统中的初级生产者；光能营养和化能营养微生物是生态系统的初级生产者，它们具有初级生产者所具有的二个明显特征，即可直接利用太阳能、无机物的化学能作为能量来源，另一方面其积累下来的能量又可以在食物链、食物网中流动。4、微生物是物质和能量的贮存者；微生物和动物、植物一样也是由物质组成和由能量维持的生命有机体。在土壤、水体中有大量的微生物生物量，贮存着大量的物质和能量。5、微生物在地球生物演化中的作用；微生物是最早出现的生物体，并进化成后来的植、动物作准备。藻类的产氧作用，改变大气圈中的化学组成，为后来动、植物出现打下

5、基础。微生物在生态系统中的地位1、微生物是有机物的主要分解者；微生一、碳素的生物循环（carbon cycle）自然界的碳循环主要包括空气中CO2经光合作用形成有机物，以及有机物被分解为CO2回归到大气中碳是构成生物体的主要元素，占生命物质总量的25%。碳是生物体最重要的一种元素，没有碳就没有生命。碳循环是自然界最基本的物质循环把CO2转变为有机物的过程为碳素同化作用有机物分解为无机碳的过程为碳素异化作用一、碳素的生物循环（carbon cycle）自然界的碳循环植物和藻类的碳素动物的碳素大气中的CO2水土及沉积物中的有机物质光合作用呼吸作用微生物呼吸微生物降解微生物降解1、碳素循环基本过程植

6、物和藻类的碳素动物的碳素大气中的CO2水土及沉积物中的有机环境微生物学讲义4汇总课件环境微生物学讲义4汇总课件2、微生物与含碳有机物的分解（一）复杂有机物分解为简单有机物（二）简单有机物的有氧分解（三）简单有机物的无氧分解及甲烷的形成微生物分泌胞外酶类使基质分解为简单的可溶性有机物后吸收到体内加以利用。简单的有机物被各类好氧和兼性厌氧的微生物吸收到细胞后在有氧过程中彻底氧化为CO2和H2O或者不完全氧化生成有机酸类。简单有机物在缺氧条件下由厌氧菌或者兼性厌氧菌通过发酵作用或者无氧呼吸进行分解，生成有机酸、醇类、酮、醛等未完全氧化产物2、微生物与含碳有机物的分解（一）复杂有机物分解为简单有机物多

7、糖类脂肪类蛋白质类木质类单糖类含碳有机物的好氧分解一般途径甘油+脂肪酸类氨基酸类芳香族单体丙酮酸乙酰CoATCA循环CO2+H2O+NH3多糖类脂肪类蛋白质类木质类单糖类含碳有机物的好氧分解一般途径有机碳化合物的厌氧分解和甲烷的产生有机碳化合物的厌氧分解和甲烷的产生微生物分解有机物的作用总括如下：复杂有机物微生物胞外酶简单有机物好氧微生物厌氧微生物胞内酶胞内酶CO2+H2OCO2、H2O、H2、CH4、H2S及有机酸、醇、酮、醛未完全氧化产物微生物分解有机物的作用总括如下：复杂有机物微生物胞外酶简单有石油勘探与碳素循环厌氧条件下未彻底分解的有机物积累，经地质学过程变为煤、石油等而脱离碳循环。人

8、类将之开采出来，用作燃料、化工原料等，从而使它们重新加入碳循环。石油勘探与碳素循环厌氧条件下未彻底分解的有机物积累，经地质学与石油伴生的气态成分是由甲烷、乙烷和丙烷组成的混合物。在产油区，这些气体可渗漏到地面，为利用烃类的微生物提供营养。其中的乙烷往往仅与石油伴生，因此，可通过检测利用乙烷的微生物来可靠地发现石油贮藏地。石油所含主要组分为烃类。许多屑的细菌、霉菌、酵母菌以及某些放线茵都可利用并降解烃类。与石油伴生的气态成分是由甲烷、乙烷和丙烷组成的混合物。在产油3、水环境的碳素循环3、水环境的碳素循环环境微生物学讲义4汇总课件二、氮素的生物循环（nitrogen cycle）二、有机氮化物（蛋

9、白质、核酸和其他有机氮化合物）自然界的氮素物质主要有三种形态：一、是分子态氮（N2），存在于大气中三、是铵盐、硝酸盐等无机态氮化物（NH4 +，NO3- ）二、氮素的生物循环（nitrogen cycle）二、有机氮自然界的氮素循环的主要转化过程：1.生物固氮作用（biological nitrogen fixation）微生物在常温常压下直接利用分子态的（N2）将之还原为氨（NH3）的过程，是氮素循环的重要环节。固氮微生物：能进行的固氮作用的微生物，也称为固氮菌自然界的氮素循环的主要转化过程：1.生物固氮作用（biolo共生固氮联合固氮自生固氮单独存在条件下能够进行固氮与特定植物共同生活，形

10、成独特的组织结构生活在特定的生物体内，不形成特定结构目前已经确定固氮微生物的包括古细菌、真细菌、放线菌和蓝细菌等，至今还未发现能固氮的真核微生物共生固氮联合固氮自生固氮单独存在条件下能够进行固氮与特定植物2.硝化作用(nitrification)即在土壤或水体中的氨态氮经化能自养细菌的氧化，而成为硝酸态氮的过程。硝化作用分两个阶段进行氨亚硝酸硝酸亚硝化细菌硝化细菌2.硝化作用(nitrification)即在土壤或水体中的硝化作用是氮循环不可缺少的一环，但对农业生产并无多大利益。由于硝化细菌的作用，能使硫酸铵转变为硝酸和硫酸，从而增加环境的酸性。有时反而会造成氮肥的流失和水体的富营养化.硝化作

11、用是氮循环不可缺少的一环，但对农业生产并无多大利益。由3.硝酸盐同化作用(assimilatory nitrate reduction)几乎一切绿色植物和多种微生物都可利用硝酸盐作氮素营养源，在利用过程中，硝酸盐被重新还原成NH4后再被利用于合成各种含有氮机物，这就是硝酸盐的同化作用。4.氨化作用(ammonification)即含氮有机物经微生物的分解产生氨的作用含氮有机物主要是蛋白质、尿素、尿酸和几丁质等3.硝酸盐同化作用(assimilatory nitrate5.铵盐同化作用(assimilation of ammonium)由所有绿色植物和许多微生物进行的以铵盐作为营养，合成氨基酸、

12、蛋白质、核酸和其他含氮有机物的作用，称为铵盐同化作用。6.异化性硝酸盐还原作用(dissimilatoty nitrate reduction)指硝酸离子作为呼吸链的末端电子受体从而被还原为亚硝酸的反应。5.铵盐同化作用(assimilation of ammo7.反硝化作用(denitrification)又称脱氮作用,广义的反硝化作用是指由硝酸还原成N02-并进一步还原成N2的过程，因而把异化性硝酸盐还原作用也包括在内了。狭义的反硝化作用仅指由亚硝酸还原成N2的过程。反硝化作用是使土壤中氮素损失的重要原因之。水生反硝化细菌可以用于去除污水中的硝酸盐8.亚硝酸氨化作用亚硝酸通过异化性还原可以

13、经羟氨而转变成氨，这就叫亚硝酸氨化作用7.反硝化作用(denitrification)又称脱氮作用环境微生物学讲义4汇总课件环境微生物学讲义4汇总课件环境微生物学讲义4汇总课件微生物与水环境中的氮素循环微生物与水环境中的氮素循环 Question Imagine that you are an atom of nitrogen. Find a comfortable spot on the chart below and enjoy migrating throughout the ecosystem. Quest三、其他无机元素的生物循环与转化1.无机元素循环与转化的一般途径（一）、无机物的

14、有机质化（二）、含无机元素的有机物的分解（三）、无机物的氧化与还原分解（四）、无机物的溶解与沉淀三、其他无机元素的生物循环与转化1.无机元素循环与转化的一般2.硫循环（sulphur cycle)自然界的硫元素一般以以下几个形态存在S2- :如H2S ，R-SHS0：元素SS4+: 如SO2，SO32-S6+: 如SO42-2.硫循环（sulphur cycle)自然界的硫元素一般以环境微生物学讲义4汇总课件3.磷的循环(phosphorus cycle)在生物圈中，磷元素是比较稀缺的。磷在一切生命形式中都是极其重要的元素。在生物体中，它经常以磷酸状态存在。细胞内磷含量最多的成分是RNA分子。

15、DNA、ATP和细胞膜上的磷脂等都是重要的含磷有机物。3.磷的循环(phosphorus cycle)在生物圈中，在生物圈内，磷主要以三种状态存在，即以可溶解状态存在于水溶液中；在生物体内与大分子结合；不溶解的磷酸盐大部分存在于沉积物内。微生物对磷的转化起着重要作用。天然水体中可溶性磷酸盐浓度过大会造成水体富营养化（eutrophication ）在生物圈内，磷主要以三种状态存在，即以可溶解状态存在于水溶液环境微生物学讲义4汇总课件（一）.亚硝酸、亚硝胺和硝酸饮用水中的合氮物质主要为硝酸盐，一般含量很少高于1ppm。世界卫生组织规定，不能超过10ppm农业地区土壤中氮肥下渗，往往使地下水受污染

16、成年人的耐受能力很高，即使达到0.4毫克公斤体重天饮用水中的过高可以导致新生儿高铁血红蛋白症，使红血球不能带氧而导致婴儿窒息。硝酸盐中毒的原理是婴儿胃内酸度低于成年人。这一条件有利于硝酸还原细菌的发展，使硝酸盐还原成有毒的亚硝酸盐。四.微生物元素循环对环境造成的污染和危害1.亚硝酸（一）.亚硝酸、亚硝胺和硝酸饮用水中的合氮物质主要为硝酸盐，亚硝酸盐是活性防腐剂，熏制肉食品加硝酸盐或亚硝酸盐。NO2-与肌红蛋白反应，使熏制的肉产生令人愉快的红色。但是， NO2-对血红蛋白同样的亲合力引起毒性作用。在熏肉中残留的NO2-被限定为200mg/Kg亚硝酸还是一种诱变剂亚硝酸盐是活性防腐剂，熏制肉食品加硝酸盐或亚硝酸盐。NO2-2.亚硝胺的毒性已知N亚硝基化合物(Nnitroso)中的亚硝胺(nitrosamine)是高度致癌的物质，也是能造成畸胎和引起诱变的物质。用N亚硝基二甲基胺5ppm，即能使小白鼠致癌。在人肠道酸性的情况下，肠道微生物区系能催化下列反应：可见硝酸盐对人类存在着潜在危险，是致癌物的前体。故在饮用水中应保持绝对微量。2.亚硝胺的毒性已知N亚硝基化合物(Nnitroso)中硝酸是硝化作用的终产物，它易溶于水，因此易发生淋溶作用，并随水流失含大量硝酸的地表径流进入天然水体，是引起水体富营养化的重要原因之一。 3.硝酸 (二)氮氧化物和羟胺 1.氮氧化物 在富含硝酸盐的环