微生物第八章微生物在环境物质循环中的作用

2023/2/61第八章微生物在环境物质循环中的作用第一节氧循环第二节碳循环第三节氮循环第四节硫循环环境微生物基础教学课件天津工业大学2023/2/62①主要物质的循环；②微生物对有机物的降解过程。各种物质元素：O、C、N、P、S、Fe等。天然物质循环污染物质的循环

推动物质进行循环的作用包括物理、化学和生物的作用，其中生物起到了主导的作用，而微生物在这当中又占了极重要的地位。污染物质的进入，会影响原有的物质循环的某些环节。2023/2/63氧循环(oxygencycle)H2O+CO2→H2CO3→

HCO3-+H+↑CO2HCO3-→CO32

-Ca2+→CaCO3O2水体臭氧层沉积物火山作用4FeO+O2→2FeO3CO2CO↑O2+2COCO2O2O3O2OO2HOHH2OH2OOCO2高能紫外辐射第一节氧循环环境微生物基础教学课件天津工业大学2023/2/64第二节碳循环环境微生物基础教学课件天津工业大学2023/2/65化泥碳煤大气中CO2CO2碳化作用石油水生植物光合作用腐烂燃料呼吸作用光合作用腐烂扩散碳循环(carboncycle)环境微生物基础教学课件天津工业大学2023/2/66几种含碳化合物的转化环境微生物基础教学课件天津工业大学纤维素的转化半纤维素果胶质淀粉的转化脂肪的转化烃类物质的转化2023/2/67几种含碳化合物的转化1.纤维素的转化

环境微生物基础教学课件天津工业大学2023/2/68环境微生物基础教学课件天津工业大学C6H12O6CH3COCOOHCH3CO~SCoA乙酰辅酶ATCA循环CO2底物水平磷酸化ATPCoA~SHCO2CO23412023/2/69几种含碳化合物的转化1.纤维素的转化

厌氧发酵环境微生物基础教学课件天津工业大学2023/2/610分解纤维素的微生物

纤维二糖芽孢梭菌，无芽孢厌氧分解菌，嗜热纤维芽孢菌好氧粘细菌生孢食纤维菌（球形和椭形），食纤维菌及堆囊粘菌镰状纤维菌，纤维弧菌G-厌氧青霉菌，曲霉，镰刀霉，木霉，毛霉链霉菌属、诺卡氏菌属真菌放线菌细菌环境微生物基础教学课件天津工业大学2023/2/6112.半纤维素芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌、放线菌。霉菌中的根霉、小克银汉霉、青霉和镰刀霉。分解半纤维素的微生物环境微生物基础教学课件天津工业大学2023/2/6123.果胶质环境微生物基础教学课件天津工业大学2023/2/613有好氧菌：枯草芽孢杆菌，多粘芽孢杆菌，浸软芽孢杆菌，不生芽孢的软腐欧式杆菌。厌氧菌：蚀果胶梭菌和费新尼亚浸麻梭菌。真菌：青霉，曲霉，木霉，小克银汉霉，根霉，毛霉，芽枝孢霉放线菌分解果胶质的微生物环境微生物基础教学课件天津工业大学2023/2/614①淀粉的分解A.淀粉液化型淀粉酶

麦芽糖、双糖

B.淀粉糖化型淀粉

麦芽糖或葡萄糖

4.淀粉的转化环境微生物基础教学课件天津工业大学2023/2/615环境微生物基础教学课件天津工业大学2023/2/6165.脂肪的转化环境微生物基础教学课件天津工业大学分解分解2023/2/6175.脂肪的转化甘油的转化环境微生物基础教学课件天津工业大学2023/2/618脂肪酸的β－氧化

环境微生物基础教学课件天津工业大学RCOSCOA第二次β氧化脂肪酸的活化2023/2/619脂肪酸通常通过β－氧化过程氧化。以硬脂酸为例，1mol硬脂酸含有18mol个碳原子，需要经过8次β－氧化全部降解为9mol乙酰辅酶A，总反应式：环境微生物基础教学课件天津工业大学1mol18C硬脂酸经β氧化后获得8×2+8×3+12×9-1=147mol2023/2/620分解脂类物质的微生物主要是：好氧菌：假单胞菌（荧光假单胞菌和铜绿色假单胞菌），分枝杆菌，无色杆菌，芽孢杆菌等。真菌：青霉，曲霉，枝孢霉和粉孢霉。厌氧菌：产色荚膜梭菌。环境微生物基础教学课件天津工业大学2023/2/6216.烃类物质的转化环境微生物基础教学课件天津工业大学烷烃、烯烃、芳香烃在微生物作用下的转化。烷烃甲基营养型细菌、甲烷氧化弯曲菌、甲基孢囊菌、甲基杆菌、甲基单胞菌；真菌：头孢菌、青霉菌。涉及烷烃加氧酶多种脱氢酶微生物：

乙烷，丙烷，丁烷的氧化，转化模式类似，某些甲烷氧化菌在氧化甲烷的同时可将其同时共氧化，或者由另一种专门的菌分解。2023/2/622环境微生物基础教学课件天津工业大学通过末端的氧化或次末端的氧化或两端的氧化高级烷烃的氧化CH3(CH2)nCH2COSCoA

氧化烷烃的微生物有甲烷假单胞菌，分枝杆菌，头孢霉，青霉等。2023/2/623环境微生物基础教学课件天津工业大学降解烯烃的微生物有蜡小球菌，铜绿色板毛菌。H3CRCH=CH2烯烃的氧化2023/2/624环境微生物基础教学课件天津工业大学芳香烃化合物的转化

分解苯和酚的微生物有荧光假单胞菌，铜绿色假单胞菌及苯杆菌。

2023/2/625分解芳香化合物的微生物分解苯，甲苯和二甲苯的有分枝杆菌，芽孢杆菌和诺卡氏菌。分解萘的细菌有铜绿色假单胞菌，溶条假单胞菌，诺卡氏菌，球形小球菌，无色杆菌，分枝杆菌等。分解菲的细菌有菲杆菌，菲芽孢杆菌的巴库变种和古里变种。分解苯并芘的有荧光假单胞菌和铜绿色假单胞菌，小球菌及大肠埃希氏菌。

环境微生物基础教学课件天津工业大学2023/2/626环境微生物基础教学课件天津工业大学烃类的降解，烯烃>烷烃>芳烃>多环芳烃；正构烷烃比异构烷烃容易；直链烷烃比支链烷烃容易降解；苯比烷基苯和多环芳烃更难降解。

烃类分解难易程度2023/2/627环境微生物基础教学课件天津工业大学第三节氮循环

自然界中的氮蕴藏量丰富，主要以三种形态存在：分子氮，占大气的78％；有机氮化合物；无机氮化合物，氨氮和硝酸氮。

2023/2/628氮循环(nitrogencycle)陆地陆地其它动植物蓝藻浅层死有机物溶解死有机物土壤中无机氮库丢失于深层沉积中动植物活体共生或自由生活的固氮微生物死有机体陆地河流带走生物固氮大气库N2大气库HN3,NO,NO2N2O工业固氮（汽车,化肥,电厂）脱氮闪电化学反应海洋火山作用降水大气环境微生物基础教学课件天津工业大学2023/2/629环境微生物基础教学课件天津工业大学氨化2023/2/630环境微生物基础教学课件天津工业大学蛋白质的分解蛋白质蛋白酶

多肽

肽酶

氨基酸胨好氧细菌：枯草芽孢杆菌，巨大芽孢杆菌，蕈状芽孢杆菌，蜡状芽孢杆菌；链球菌和葡萄球菌;兼性厌氧：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;真菌:曲霉，毛霉，木霉等;放线菌：链霉菌。分解蛋白质的微生物脱氨基过程脱氨基酶2023/2/631环境微生物基础教学课件天津工业大学2.氨基酸的转化

有机氮化合物在氨化微生物的脱氨基作用下，产生氨，称为氨化作用。

脱氨的作用有氧化脱氨，还原脱氨，水解脱氨，减饱和脱氨。

氨化作用脱羧作用2023/2/632环境微生物基础教学课件天津工业大学氧化脱氨好氧菌作用2023/2/633环境微生物基础教学课件天津工业大学还原脱氨厌氧、兼性菌作用2023/2/634Stickland反应——是两个氨基酸之间的一个氨基酸作为氢(电子)供体，另一个氨基酸作为氢(电子)受体时的氧化-还原脱氨基反应。ADP+PiATP环境微生物基础教学课件天津工业大学已知能进行Stickland反应的细菌都是专性厌氧的梭菌，如：生孢梭菌、肉毒梭菌、双酶梭菌和斯氏梭菌等。2023/2/635环境微生物基础教学课件天津工业大学水解脱氨：氨基酸水解脱氨后生成羟酸。2023/2/636环境微生物基础教学课件天津工业大学减饱和脱氨：氨基酸在脱氨基时，在α-β键减饱和成为不饱和酸。2023/2/637环境微生物基础教学课件天津工业大学脱羧作用-氨基酸转化为胺微生物：大肠杆菌、粪链球菌、腐败性梭状芽孢杆菌、产气杆菌、变形杆菌2023/2/6383.尿素的转化

微生物：尿八叠球菌（球菌中唯一能形成芽孢的种）、尿小球菌、尿素芽孢杆菌。脲酶2023/2/639环境微生物基础教学课件天津工业大学4.硝化作用

氨基酸脱下的氨，在有氧的条件下，经亚硝化细菌和硝化细菌的作用转化为硝酸，称为硝化作用。反应1由亚硝化菌作用：亚硝酸单胞菌属、亚硝酸球菌属、亚硝酸螺菌属、亚硝酸叶菌属、亚硝酸弧菌等；反应2由硝化菌作用：硝化杆菌属，硝化球菌属。共性：好氧菌，适宜在中性和偏碱性的环境中生长，化能无机营养型

在硅胶固体培养基中长成细小，稠密的褐色，黑色和淡褐色的菌落

由淡褐色转变成黑色的菌落

当pH=9.5以上时硝化细菌受到抑制，而在pH＝6.0以下时亚硝化细菌被抑制；最适宜温度30℃，低于5或高于40时不能活动。

2023/2/640环境微生物基础教学课件天津工业大学氨化硝化意义：植物摄取氮的最为普遍形态是硝酸盐。水稻等植物可利用氨态氮，然而这一氮形态对其它植物是有毒的。当肥料以铵盐或氨形态施入土壤时，上述微生物将他们转变成一般植物可利用的硝态氮。2023/2/641环境微生物基础教学课件天津工业大学

兼性厌氧的硝酸盐还原菌将硝酸盐还原为氮气，这叫反硝化。5.反硝化作用有三种情形：大多数细菌和放线菌和真菌将硝酸盐为氮素营养，通过硝酸还原酶将硝酸还原成氨，进而合成自身的氨基酸，蛋白质和其它含氮物质。2023/2/642环境微生物基础教学课件天津工业大学兼性厌氧的反硝化菌在厌氧条件下，将硝酸还原为氮气。反硝化细菌：施氏假单胞菌，脱氮假单胞菌，荧光假单胞菌，色杆菌属中的紫色杆菌，脱氮色杆菌。2023/2/643环境微生物基础教学课件天津工业大学硝酸盐还原为亚硝酸反硝化意义：反硝化过程中形成的氮气、水等气态无机氮的情况是造成土壤氮素损失、土肥力下降的重要原因之一。在污水处理工程中却常作为脱氮的方式。2023/2/644环境微生物基础教学课件天津工业大学氨化2023/2/645环境微生物基础教学课件天津工业大学在固氮微生物的固氮酶的作用下，把分子氮转化为氨，进而合成为有机氮的化合物，叫做固氮作用。

6.固氮作用特点：高耗能反应，消耗ATP。需特殊的酶系统——固氮酶有组分I—钼铁蛋白,真正的固氮酶,具有催化活性;组分II,铁蛋白,传递电子。不同来源的铁蛋白和钼铁蛋白结合在一起具有固氮酶活性。2023/2/646固氮微生物好氧菌：根瘤菌，圆褐固氮菌，黄色固氮菌，雀稗固氮菌，拜叶林克氏菌属，万氏固氮菌。厌氧菌：巴氏固氮梭菌能固氮，硫酸还原菌光合细菌：红螺菌属，小着色菌及球菌属等在光照下厌氧生活也能固氮。固氮蓝藻中的有异形胞的固氮丝状蓝藻，例如鱼腥藻属，念珠藻属等。环境微生物基础教学课件天津工业大学固氮酶对O2敏感,好氧固氮菌在生长过程中同时固氮，它们在长期的进化中形成了保护固氮酶的放氧机制，使固氮作用正常进行。2023/2/6471.好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制呼吸保护、构象保护（耐氧蛋白）2.蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制异形胞、时间差（白天光合夜晚固氮）3.豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制根瘤菌以只能生长不能分裂的类菌体（bacteroids）形式存在于豆科植物的根瘤中。豆血红蛋白就像一种缓冲剂，可在根瘤中调节氧的浓度，使它稳定在对固氮酶最合适的范围内。2023/2/648环境微生物基础教学课件天津工业大学第四节硫的微生物转化大多数微生物能利用硫酸盐作为唯一的硫源，同化成含有-S-S基或者-SH基的蛋白质有机物。2023/2/6491.有机硫的异化分解。环境微生物基础教学课件天津工业大学

有机硫在好氧条件下转化为SO42-；在厌氧条件下转化为H2S，CH3SH。厌氧条件下好氧条件下2023/2/650环境微生物基础教学课件天津工业大学2.硫化作用：有氧条件下，硫细菌的作用下将H2S氧化为S进而再氧化为H2SO4。

H2S→S→SO42-2H2S+O2→2H2O+2S2S＋3O2

＋2H2O→2H2SO4

两类细菌参与硫化：硫化细菌和硫磺细菌2023/2/651环境微生物基础教学课件天津工业大学硫杆菌属，G-，氧化H2S，S为硫酸，土壤中存在，在体外积累S。硫化细菌好氧：氧化硫硫杆菌、排硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌、新型硫杆菌厌氧：脱氮硫杆菌2023/2/652嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillusferrooxidans）从亚铁到高铁状态的铁氧化，氧化还原态硫产酸（主要是硫酸）FeSO4+O2+2H2SO4→2Fe2(SO4)3+2H2OS2O32-+5/2O2→2SO42-2023/2/653在富含FeS2的煤矿中繁殖，产生大量的硫酸和Fe(OH)3，从而造成严重的环境