环境工程微生物学-8：微生物生态ppt课件

第八章 微生物生态第一节第一节 微生物生态系统的概念及其特点微生物生态系统的概念及其特点 第二节第二节 微生物在自然及人为环境中的分布微生物在自然及人为环境中的分布第三节第三节 微生物之间的相互作用微生物之间的相互作用第四节第四节 自然界物质循环中微生物的作用自然界物质循环中微生物的作用第八章 微生物生态第一节 微生物生态系统的概念及其特点 1第一节第一节 微生物生态系统的概念及其特点微生物生态系统的概念及其特点一、微生物生态系统一、微生物生态系统生态系统生态系统:生物群落与其生存环境组成的整体系统。微生物生态系统：微生物生态系统：微生物与周围的生物及非生物共同构成的整体系统。微生物生态学：微生物生态学：研究微生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系的科学。第一节 微生物生态系统的概念及其特点一、微生物生态系统生态2第一节第一节 微生物生态系统的概念及其特点微生物生态系统的概念及其特点二、微生物生态系统的特点二、微生物生态系统的特点1、微环境、微环境微生物的微环境指直接影响微生物生存和发展的，与微生物的关系最为密切的微生物细胞周围环境。2、稳定性、稳定性由于微生物生态系统中微生物种类的多样性,使之在环境条件一定范围的变化时,微生物种类组成比较稳定的特性。3、适应性、适应性微生物的微环境发生剧烈变化时，微生物群落的结构会发生相应的变化的特性。第一节 微生物生态系统的概念及其特点二、微生物生态系统的特3第二节第二节 微生物在自然及人为环境中的分布微生物在自然及人为环境中的分布一、大气中的微生物一、大气中的微生物1、存在形式、存在形式：多为孢子：多为孢子2、来、来 源源：土壤、水体、动物：土壤、水体、动物3、常见种类：、常见种类：霉霉 菌：曲霉、青霉、木霉、根霉、毛霉、白地霉菌：曲霉、青霉、木霉、根霉、毛霉、白地霉细细 菌：枯草芽孢杆菌、八叠球菌等菌：枯草芽孢杆菌、八叠球菌等病原菌：结核杆菌、白喉杆菌、肺炎双球菌、流感病毒病原菌：结核杆菌、白喉杆菌、肺炎双球菌、流感病毒 第二节 微生物在自然及人为环境中的分布一、大气中的微生物14表表8-1 不同室内环境的微生物总数及致病微生物的种类和数量（不同室内环境的微生物总数及致病微生物的种类和数量（cfu/m3）场所总微生物数微生物种类微生物数量住房180办公室1400口腔链球菌涎链球菌111.4教室2500链球菌草绿色链球菌涎链球菌肠球菌乙型溶血性链球菌36181171.1实验室200医院1100金黄色葡萄球菌革兰氏阴性杆菌魏氏产气荚膜杆菌71103.5第二节第二节 微生物在自然及人为环境中的分布微生物在自然及人为环境中的分布一、大气中的微生物一、大气中的微生物表8-1 不同室内环境的微生物总数及致病微生物的种类和数量（5第二节第二节 微生物在自然及人为环境中的分布微生物在自然及人为环境中的分布一、大气中的微生物一、大气中的微生物4、大气微生物分布（数量与种类）的影响因子：、大气微生物分布（数量与种类）的影响因子：（1）地区性质）地区性质 （2）季节的演替）季节的演替 （3）气候条件）气候条件:日照、降水、气流日照、降水、气流表表8-2 8-2 不同场所的上空微生物数量（不同场所的上空微生物数量（cfu/mcfu/m3 3）场场 所所畜畜 舍舍宿宿 舍舍城市街道城市街道市区公园市区公园海洋上空海洋上空微生物微生物10000002000050002001-2第二节 微生物在自然及人为环境中的分布一、大气中的微生物46二、水圈中的微生物二、水圈中的微生物（一）淡水微生物（一）淡水微生物1、来源：、来源：土壤、空气、污水及有机残体土壤、空气、污水及有机残体2、种类：、种类：自养菌自养菌3、影响微生物在淡水中分布的因子：、影响微生物在淡水中分布的因子：营养物质、温度、溶解氧等。营养物质、温度、溶解氧等。第二节第二节 微生物在自然及人为环境中的分布微生物在自然及人为环境中的分布浸入小河里的载玻片上的发育形成的小菌落二、水圈中的微生物（一）淡水微生物第二节 微生物在自然及人7二、水圈中的微生物二、水圈中的微生物蓝细菌、藻、水生植物阳光阳光表层输入表层输入(河流河流)产氧光合产氧光合动物、原生动物、好氧细菌动物、原生动物、好氧细菌嗜甲烷菌、无机化能细菌嗜甲烷菌、无机化能细菌不产氧光合不产氧光合发酵发酵厌氧呼吸菌厌氧呼吸菌产甲烷菌产甲烷菌沉积物沉积物厌厌 氧氧 层层好好 氧氧 层层表层输出表层输出层次化湖泊生态层次化湖泊生态Ecology of a Stratified lake 水体不同层次微生物分布水体不同层次微生物分布第二节第二节 微生物在自然及人为环境中的分布微生物在自然及人为环境中的分布二、水圈中的微生物蓝细菌、藻、水生植物阳光表层输入(河流)产8二、水圈中的微生物二、水圈中的微生物（二）水体自净及污染水体的微生物生态（二）水体自净及污染水体的微生物生态1、水体自净过程、水体自净过程第二节第二节 微生物在自然及人为环境中的分布微生物在自然及人为环境中的分布 水体接纳了一定量的有机污染物后，在物理的、化学的及生物等因素的综合作用后得到净化，水质恢复到污染前的水平和状态。二、水圈中的微生物（二）水体自净及污染水体的微生物生态第二节9PH指数与指数与指数与指数与BIP P指数指数指数指数 P P代表代表光合自养型光合自养型光合自养型光合自养型微生物（如藻微生物（如藻类）HH代表代表异养型异养型异养型异养型微生物（如微生物（如细菌等），两者的比即菌等），两者的比即PH指数。指数。P/HP/H=（有叶（有叶绿素的微生物数量）素的微生物数量）/（异养微生物数量）（异养微生物数量）BIPBIP=（无叶（无叶绿素的微生物数量）素的微生物数量）/（全部微生物数量）（全部微生物数量）H/（P+H）100%污染前染前 污污染染染染 净化开始化开始 持持续 结束束 P/HP/H：高高 下降下降 最低点最低点 上升上升 高高 BIPBIP：08 上升上升 60100 下降下降 08 通常使用的是通常使用的是BIP指数指数。PH指数与BIP指数P代表光合自养型微生物（如藻类）H代10细菌菌落菌菌落总数数CFU(Colony Forming Units)：1ml水水样在在营养养琼脂培养基中，于脂培养基中，于37C培养培养24h后所生后所生长出来出来的的细菌菌落菌菌落总数。数。我国我国规定定1ml生活生活饮用水中的用水中的细菌菌落菌菌落总数在数在100个以下。个以下。不能不能说明明污染的来源染的来源 稀释平板计数法稀释平板计数法稀释平板计数法稀释平板计数法固体培养法固体培养法固体培养法固体培养法细菌菌落总数CFU(Colony Forming Units11通常不直接检测通常不直接检测 水水中中存存在在病病原原菌菌的的可可能能性性很很小小，其其他他各各种种细菌菌的的种种类却却很很多多，要要排排除除一一切切细菌菌而而单独独直直接接检出出某某种种病病原原菌菌来来，在在培培养养分分离离技技术上上较为复复杂，需，需较多的人力和多的人力和较长的的时间。间间接接病病原原菌菌测测定定：测测测测定定定定水水水水中中中中是是否否有有肠肠道道正正常常细细菌菌的的的的存存存存在在在在若若检检出出，则表明水被粪便所污染，则表明水被粪便所污染，则有则有肠道病原菌的肠道病原菌的可能可能可能可能。总大大肠菌群菌群 能在能在37 C，24-48h内内发酵乳糖，酵乳糖，产酸酸产气的需氧气的需氧的及兼性的及兼性厌氧的革氧的革兰氏阴性的无芽氏阴性的无芽孢杆菌。杆菌。我国我国规定定1L生活生活饮用水中的大用水中的大肠菌群数在菌群数在3个以下。个以下。MPNMPNMPNMPN法法法法（试验试验九。九。九。九。P309)P309)P309)P309)如何知道如何知道饮用水是否受到用水是否受到粪便便污染呢？染呢？检测肠道病原菌数量检测肠道病原菌数量 通常通常通常通常检测检测检测检测大肠菌群大肠菌群（作为肠道正常菌的代表）（作为肠道正常菌的代表）的的的的存在及数量存在及数量。通常不直接检测 总大肠菌群 能在37 C，24-48h12二、水圈中的微生物二、水圈中的微生物（三）水体自净及污染水体的微生物生态（三）水体自净及污染水体的微生物生态2、污染水体的微生物生态、污染水体的微生物生态第二节第二节 微生物在自然及人为环境中的分布微生物在自然及人为环境中的分布特特 征征多污带多污带-中污带中污带-中污带中污带寡污带寡污带水色暗灰色，很浑浊灰色，较浑浊浑浊浑浊度低BOD高减少,有悬浮物减少,悬浮物少极少,悬浮极少溶解氧含量极低（或无）少升高恢复正常气体H2S、CO2和CH4NH3、H2S氨及H2S减少H2S消失细菌数量几亿/毫升几千万/毫升几万/毫升极少微生物种类特点（兼）厌气性硫酸还原菌产甲烷菌藻类及原生动物出现藻类大量繁殖纤毛虫活跃鱼腥藻、硅藻、黄藻、钟虫、变形虫动物类型寡毛类（颤蚯蚓）颤蚯蚓，增多轮虫、浮游甲壳动物轮虫、浮游甲壳动物增多显花植物无无出现增多鱼类无无无有底泥大量的有机质部分无机化大量无机化二、水圈中的微生物（三）水体自净及污染水体的微生物生态第二节13多污带多污带 多污带 14注：*颤蚯蚓属后生动物，与陆地上的蚯蚓从体态和习性上都十分相似，他们也是环节动物，栖息于水底污泥中，与蚯蚓类似吞食污泥故俗称水蚯蚓，与蚯蚓不同的是，他们体表多毛。注：*颤蚯蚓属后生动物，与陆地上的蚯蚓从体态和习性上都十分相15中中污带污带 中污带 16*有关生物的形有关生物的形态见下下图天天蓝喇叭虫、椎尾水喇叭虫、椎尾水轮虫、虫、栉虾。天天蓝喇叭虫喇叭虫椎尾水椎尾水轮虫虫栉虾*有关生物的形态见下图天蓝喇叭虫、椎尾水轮虫、栉虾。天17中污带中污带 中污带 18*-中中污带的藻的藻类见下下图。变异直异直链硅藻硅藻 短棘短棘盘星藻星藻水花束水花束丝藻藻 梭裸藻梭裸藻*-中污带的藻类见下图。变异直链硅藻 短棘盘星藻水花束19寡污带寡污带 寡污带 20*寡寡污带的指示生物的指示生物见附附图轮虫、水蚤、虫、水蚤、鱼腥藻、玫瑰旋腥藻、玫瑰旋轮虫。虫。蚤状水蚤蚤状水蚤大型水蚤大型水蚤 鱼腥藻腥藻玫玫瑰瑰旋旋轮虫虫 前前节晶囊晶囊轮虫虫*寡污带的指示生物见附图轮虫、水蚤、鱼腥藻、玫瑰旋轮虫21三、极端环境中的微生物三、极端环境中的微生物 极端环境：极端环境：高、低温环境高、低温环境 高盐环境高盐环境 高酸、高碱环境高酸、高碱环境 高压环境。高压环境。第二节第二节 微生物在自然及人为环境中的分布微生物在自然及人为环境中的分布三、极端环境中的微生物 极端环境：第二节 微22三、极端环境中的微生物三、极端环境中的微生物（一）嗜热微生物（一）嗜热微生物1、发现、发现第二节第二节 微生物在自然及人为环境中的分布微生物在自然及人为环境中的分布地热泉地热泉热水系统热水系统 制糖厂制糖厂三、极端环境中的微生物（一）嗜热微生物第二节 微生物在自然23三、极端环境中的微生物三、极端环境中的微生物（一）嗜热微生物（一）嗜热微生物2、生存机制、生存机制（高温对微生物的一般影响是什么？）（高温对微生物的一般影响是什么？）有限的保护机制：有限的保护机制：细胞膜的蜡质程度、震热蛋白细胞膜的蜡质程度、震热蛋白 极端嗜热菌的保护机制：极端嗜热菌的保护机制：高溶点脂肪、抗热蛋白、核酸保护蛋白高溶点脂肪、抗热蛋白、核酸保护蛋白第二节第二节 微生物在自然及人为环境中的分布微生物在自然及人为环境中的分布三、极端环境中的微生物（一）嗜热微生物第二节 微生物在自然24（二）嗜冷微生物（二）嗜冷微生物1、发现、发现（红雪现象：嗜寒水藻）（红雪现象：嗜寒水藻）三、极端环境中的微生物三、极端环境中的微生物第二节第二节 微生物在自然及人为环境中的分布微生物在自然及人为环境中的分布耐寒喜温型耐寒喜温型嗜冷型嗜冷型（二）嗜冷微生物三、极端环境中的微生物第二节 微生物在自然25（二）嗜冷微生物（二）嗜冷微生物2、生存机制、生存机制 特殊的酶、细膜含特殊的脂肪特殊的酶、细膜含特殊的脂肪三、极端环境中的微生物三、极端环境中的微生物第二节第二节 微生物在自然及人为环境中的分布微生物在自然及人为环境中的分布（二）嗜冷微生物三、极端环境中的微生物第二节 微生物在自然26一、土壤中的微生物一、土壤中的微生物 土壤 是M的“大本营”，人类的“菌种资源库”。细菌（108）放线菌（107）霉菌（106）酵母（105）藻 类（104）原生动物（103）据估计：每亩耕作层土壤中，有霉菌150Kg，细菌75Kg，原生动物15Kg，藻类7.5Kg，酵母菌7.5Kg，他们可改善土壤物理结构和肥力四、土壤中的微生物四、土壤中的微生物第二节第二节 微生物在自然及人为环境中的分布微生物在自然及人为环境中的分布一、土壤中的微生物四、土壤中的微生物第二节 微生物在自然及27四、土壤中的微生物四、土壤中的微生物（一）土壤与微生物相互作用（一）土壤与微生物相互作用1、微生物对土壤的作用：、微生物对土壤的作用：（1）微生物是土壤形成的先驱生物）微生物是土壤形成的先驱生物 自养固氮菌固氮，使成土母质间有了氮素成分。自养固氮菌固氮，使成土母质间有了氮素成分。（2）为植物生长提供有效氮源。）为植物生长提供有效氮源。有机态氮向无机氮（氨态氮、硝态氮）的转换有机态氮向无机氮（氨态氮、硝态氮）的转换 第二节第二节 微生物在自然及人为环境中的分布微生物在自然及人为环境中的分布四、土壤中的微生物（一）土壤与微生物相互作用第二节 微生282、土壤对微生物的作用、土壤对微生物的作用 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。土壤为微生物生长提供有利条件：土壤为微生物生长提供有利条件：土壤中含有大量的土壤中含有大量的有机物有机物 土壤中含有大量的土壤中含有大量的矿物质矿物质 土壤中含有一定的土壤中含有一定的水分水分 土壤中含有一定的土壤中含有一定的空隙空隙 土壤具有土壤具有保温性保温性 土壤的土壤的pH值一般为值一般为5.58.5之间之间第二节第二节 微生物在自然及人为环境中的分布微生物在自然及人为环境中的分布四、土壤中的微生物四、土壤中的微生物2、土壤对微生物的作用第二节 微生物在自然及人为环境中的分29（二）土壤中微生物的分布（二）土壤中微生物的分布1、土壤剖面结构与微生物垂直分布、土壤剖面结构与微生物垂直分布有机质层有机质层淀积层淀积层碳酸盐积累碳酸盐积累疏松母质疏松母质淋溶层淋溶层土体层土体层第二节第二节 微生物在自然及人为环境中的分布微生物在自然及人为环境中的分布四、土壤中的微生物四、土壤中的微生物（二）土壤中微生物的分布有机质层淀积层碳酸盐积累疏松母质淋溶30（二）土壤中微生物的分布（二）土壤中微生物的分布2、土壤团聚体与微生物的分布、土壤团聚体与微生物的分布土土壤壤团团聚聚体体（土土壤壤团团粒粒）：由由土土壤壤矿矿物物质质颗颗粒粒（黏黏粒粒）、微微生生物物、植植物物残残体体以以及及腐腐殖殖质质构构成成的的微团聚体经过多次复合和团聚而成的结构。微团聚体经过多次复合和团聚而成的结构。不同的团聚体微生物的分布不同。不同的团聚体微生物的分布不同。同一团聚体内外微生物的分布不同一团聚体内外微生物的分布不同。同。第二节第二节 微生物在自然及人为环境中的分布微生物在自然及人为环境中的分布四、土壤中的微生物四、土壤中的微生物土壤颗粒表面的微生物（二）土壤中微生物的分布不同的团聚体微生物的分布不同。同一团31第二节第二节 微生物在自然及人为环境中的分布微生物在自然及人为环境中的分布五、活性污泥中的微生物五、活性污泥中的微生物活性污泥：由细菌、微型动物为主的微生物与悬浮物质、胶体物质混杂在一起形成的具有很强吸附分解有机物的能力和良好的沉降性能的絮状体颗粒。经过初沉的废水空气曝气池二次沉淀池出水剩余污泥回流污泥第二节 微生物在自然及人为环境中的分布五、活性污泥中的微生32第二节第二节 微生物在自然及人为环境中的分布微生物在自然及人为环境中的分布五、活性污泥中的微生物五、活性污泥中的微生物动胶菌属动胶菌属 丛毛单胞菌属丛毛单胞菌属 产碱杆菌属产碱杆菌属 微球菌属微球菌属棒状杆菌属棒状杆菌属 黄杆菌属黄杆菌属 无色杆菌属无色杆菌属 芽孢杆菌属芽孢杆菌属假单胞菌属假单胞菌属 亚硝化单胞菌属亚硝化单胞菌属 短杆菌属短杆菌属 固氮菌属固氮菌属浮游球衣属浮游球衣属 微丝菌属微丝菌属 大肠杆菌属大肠杆菌属 产气杆菌属产气杆菌属节杆菌属节杆菌属 螺菌属螺菌属其中可分为其中可分为优势菌优势菌、较多较多、一般、及、一般、及少量少量四个数量等级。四个数量等级。、构成正常活性污泥的主要细菌、构成正常活性污泥的主要细菌第二节 微生物在自然及人为环境中的分布五、活性污泥中的微生33第二节第二节 微生物在自然及人为环境中的分布微生物在自然及人为环境中的分布五、活性污泥中的微生物五、活性污泥中的微生物、活性污泥中的原生动物、活性污泥中的原生动物活性污泥的成熟度与原生动物的种类分布活性污泥的成熟度与原生动物的种类分布活性污泥逐步成熟游动型纤毛虫肉足类鞭毛类爬行型纤毛虫附着型纤毛虫第二节 微生物在自然及人为环境中的分布五、活性污泥中的微生341、偏利共栖：、偏利共栖：一群微生物得益，而另一群体不受影响。（普遍）一群微生物得益，而另一群体不受影响。（普遍）氨化氨化细菌细菌亚硝酸菌亚硝酸菌有机氮有机氮氨态氮氨态氮亚硝酸亚硝酸氨化作用氨化作用硝化作用硝化作用第三节第三节 微生物之间的相互作用微生物之间的相互作用1、偏利共栖：氨化亚硝酸菌有机氮氨态氮亚硝酸氨化作用硝化作352、互利共栖：、互利共栖：两个群体相互协作，达到在某一生境中共同生存的目的。两个群体相互协作，达到在某一生境中共同生存的目的。H2S硫酸盐硫酸盐硫酸盐硫酸盐还原菌还原菌绿硫绿硫细菌细菌第三节第三节 微生物之间的相互作用微生物之间的相互作用2、互利共栖：H2S硫酸盐硫酸盐绿硫第三节 微生物之间的相363、共生：、共生：两个群体形成具有特殊结构、功能和绝对互利关系的高度专一的共生体。两个群体形成具有特殊结构、功能和绝对互利关系的高度专一的共生体。地衣：是由地衣：是由藻类或蓝细菌藻类或蓝细菌与与真菌真菌形成的共生体形成的共生体光合作用运输矿质营养第三节第三节 微生物之间的相互作用微生物之间的相互作用3、共生：光合作用运输矿质营养第三节 微生物之间的相互作374、竞争：、竞争：两个或多个群体共同依赖同一个生长基质或环境因素，结果一方或两方的两个或多个群体共同依赖同一个生长基质或环境因素，结果一方或两方的群体大小或生长率受到限制的现象。群体大小或生长率受到限制的现象。根瘤菌接种剂与土壤中的土著性根瘤菌的竞争关系根瘤菌接种剂与土壤中的土著性根瘤菌的竞争关系第三节第三节 微生物之间的相互作用微生物之间的相互作用4、竞争：根瘤菌接种剂与土壤中的土著性根瘤菌的竞争关系第三节385、偏害或拮抗：、偏害或拮抗：某一微生物群体产生某种物质，使另一微生物群体生长受到抑制，而本身某一微生物群体产生某种物质，使另一微生物群体生长受到抑制，而本身不受影响的现象。不受影响的现象。酸泡菜与酸牛奶：酸泡菜与酸牛奶：水体中的产氧藻类：水体中的产氧藻类：抗生素产生菌：抗生素产生菌：第三节第三节 微生物之间的相互作用微生物之间的相互作用5、偏害或拮抗：酸泡菜与酸牛奶：第三节 微生物之间的相互作396、寄生：、寄生：一种微生物寄生在另一种微生物细胞中或细胞表面，从寄主中取得养料，一种微生物寄生在另一种微生物细胞中或细胞表面，从寄主中取得养料，并引起寄主病害或死亡。并引起寄主病害或死亡。噬菌体与细菌噬菌体与细菌 蛭弧菌寄生于革兰氏阴性菌蛭弧菌寄生于革兰氏阴性菌（蛭弧菌被噬菌体寄生（蛭弧菌被噬菌体寄生超寄生现象）超寄生现象）粘细菌对细菌的寄生：依靠胞外酶溶解敏感菌群，释放出营养物粘细菌对细菌的寄生：依靠胞外酶溶解敏感菌群，释放出营养物第三节第三节 微生物之间的相互作用微生物之间的相互作用6、寄生：第三节 微生物之间的相互作用407、捕食：、捕食：一种微生物直接吞食另一种微生物的现象。一种微生物直接吞食另一种微生物的现象。原生动物对细菌的捕食原生动物对细菌的捕食 藻类对细菌和其它藻的捕食藻类对细菌和其它藻的捕食各种捕食线虫的真菌和捕捉器各种捕食线虫的真菌和捕捉器1234a4b5a5b1 梯状捕捉网梯状捕捉网 2 环状捕捉网环状捕捉网3 环状捕捉网环状捕捉网 4a 三环菌丝网三环菌丝网4b 绞环和被勒死的昆虫绞环和被勒死的昆虫5a 环状网环状网 5b 被两个环状网勒被两个环状网勒死的线虫和侵入虫体的菌丝死的线虫和侵入虫体的菌丝第三节第三节 微生物之间的相互作用微生物之间的相互作用7、捕食：各种捕食线虫的真菌和捕捉器1234a4b5a5b141第四节第四节 M与自然界中的物质循环与自然界中的物质循环 在生物圈内的生态系统中，物质不断循环，在生物圈内的生态系统中，物质不断循环，能量不断转换。它们从无机态变为有机态，再能量不断转换。它们从无机态变为有机态，再由有机态变为无机态。植物利用光能，把无机由有机态变为无机态。植物利用光能，把无机物合成为植物性有机物。动物和微生物又是直物合成为植物性有机物。动物和微生物又是直接或间接地要依靠植物而生存。这样一来，自接或间接地要依靠植物而生存。这样一来，自然界中的无机物将不断地减少，有机物却大大然界中的无机物将不断地减少，有机物却大大增加。如果不能及时地将有机物重新分解为无增加。如果不能及时地将有机物重新分解为无机物，回到自然界中去，那么，总有一天物质机物，回到自然界中去，那么，总有一天物质循环要发生中断，整个充满生命的地球要变成循环要发生中断，整个充满生命的地球要变成一个无生命的死球。一个无生命的死球。第四节 M与自然界中的物质循环 在生物圈42但是，事实并非如此，物质照样循环。人们不禁但是，事实并非如此，物质照样循环。人们不禁要问：是谁承担着分解有机物的重任而保证物质要问：是谁承担着分解有机物的重任而保证物质循环的呢？大量的实验证明，虽然一切生物都参循环的呢？大量的实验证明，虽然一切生物都参与了这种转化作用，但把有机物分解为无机物的与了这种转化作用，但把有机物分解为无机物的主导者是微生物。由此可见，微生物在自然界的主导者是微生物。由此可见，微生物在自然界的物质循环中起着何等重要的作用。物质循环中起着何等重要的作用。碳是构成生物体最重要的元素之一。在动植物组织中，碳约占干物质量的50%。绿色植物能直接利用空气中的CO2，但空气中的CO2含量只有0.032。如果不及时得到补充，那么空气中的CO2只需20年就被耗尽。一、碳素循环一、碳素循环但是，事实并非如此，物质照样循环。人们不禁要问：是谁承担着分43 然而这种现象是不可能发生，其原因除了动、植物呼吸和燃烧产生CO2进入大气外，主要是由于微生物作用的结果。据估计，地球上有 90左右的CO2是靠微生物分解作用而形成的。碳素循环：微生物利用多种含碳有机物，将大分子物质变为小分子物质，小分子物质被完全氧化后，产生CO2和水。CO2重新进入大气层，供绿色植物所用，从而保证了碳素不断循环，这个过程称碳素循环。然而这种现象是不可能发生，其原因除了动、植物呼吸44环境工程微生物学-8：微生物生态ppt课件45The Carbon CycleThe Carbon Cycle46Decomposition藻类蓝细菌Decomposition藻类蓝细菌47有机物分解有机物分解一、淀粉的分解一、淀粉的分解一、淀粉的分解一、淀粉的分解淀淀粉粉有有两两类类：一一类类是是直直链链淀淀粉粉（-1，4-糖糖苷苷键键）；另另一一类类是是支支链链淀淀粉粉（支支链链-1，4、分分支支点点-1，6-糖苷键）。糖苷键）。1、液液化化型型淀淀粉粉酶酶（-淀淀粉粉酶酶）：分分子子内内-1，4-糖糖苷苷键键，不不作作用用-1，6-糖糖苷苷键键以以及及靠靠近近-1，6-糖糖苷苷键键的的-1，4-糖糖苷苷键键。作作用用的的结结果果是是产产生生麦麦芽芽糖糖，含含有有6个个葡葡萄萄糖糖单单位位的的寡寡糖糖和和带带有有支支链链的的寡寡糖糖，使使黏黏度度下下降降。枯枯草草杆杆菌菌通通常常用用作作-淀粉酶的生产菌。淀粉酶的生产菌。有机物分解一、淀粉的分解482、糖糖化化型型淀淀粉粉酶酶：这这是是一一类类酶酶的的总总称称。共共同同特特点点是是可可以以将将淀淀粉粉水水解解成成麦麦芽芽糖糖或或葡葡萄萄糖糖，包包括以下三种：括以下三种：（1）淀淀粉粉-1，4-麦麦芽芽糖糖苷苷酶酶（-淀淀粉粉酶酶）：从从非非还还原原性性末末端端开开始始，按按双双糖糖为为单单位位，逐逐步步作作用用于于-1，4生生成成麦麦芽芽糖糖。但但不不作作用用于于-1，6，遇遇到到-1，6时时，作作用用停停止止。作作用用于于淀淀粉粉后后的的产产物物是麦芽糖与极限糊精。是麦芽糖与极限糊精。（2）淀淀粉粉-1，4-葡葡萄萄糖糖糖糖苷苷酶酶（糖糖化化酶酶）：从从非非还还原原性性末末端端开开始始，依依次次以以葡葡萄萄糖糖为为单单位位逐逐步步作作用用于于-1，4，生生成成葡葡萄萄糖糖，但但能能越越过过-1，6。根霉与曲霉普遍都能合成与分泌此酶。根霉与曲霉普遍都能合成与分泌此酶。（3）淀淀粉粉-1，6-葡葡萄萄糖糖苷苷酶酶（异异淀淀粉粉酶酶）：此此酶专门作用酶专门作用-1，6-糖苷键。糖苷键。2、糖化型淀粉酶：这是一类酶的总称。共同特点是可以将淀粉水解49环境工程微生物学-8：微生物生态ppt课件504节：分解代谢节：分解代谢一、多糖分解一、多糖分解（一）淀粉的分解（一）淀粉的分解淀淀粉粉有有两两类类：一一类类是是直直链链淀淀粉粉（-1，4-糖糖苷苷键键）；另另一一类类是是支支链链淀淀粉粉（支支链链-1，4、分分支支点点-1，6-糖苷键）。糖苷键）。1、液液化化型型淀淀粉粉酶酶（-淀淀粉粉酶酶）：分分子子内内-1，4-糖糖苷苷键键，不不作作用用-1，6-糖糖苷苷键键以以及及靠靠近近-1，6-糖糖苷苷键键的的-1，4-糖糖苷苷键键。作作用用的的结结果果是是产产生生麦麦芽芽糖糖，含含有有6个个葡葡萄萄糖糖单单位位的的寡寡糖糖和和带带有有支支链链的的寡寡糖糖，使使黏黏度度下下降降。枯枯草草杆杆菌菌通通常常用用作作-淀粉酶的生产菌。淀粉酶的生产菌。4节：分解代谢一、多糖分解512、糖糖化化型型淀淀粉粉酶酶：这这是是一一类类酶酶的的总总称称。共共同同特特点点是是可可以以将将淀淀粉粉水水解解成成麦麦芽芽糖糖或或葡葡萄萄糖糖，包包括以下三种：括以下三种：（1）淀淀粉粉-1，4-麦麦芽芽糖糖苷苷酶酶（-淀淀粉粉酶酶）：从从非非还还原原性性末末端端开开始始，按按双双糖糖为为单单位位，逐逐步步作作用用于于-1，4生生成成麦麦芽芽糖糖。但但不不作作用用于于-1，6，遇遇到到-1，6时时，作作用用停停止止。作作用用于于淀淀粉粉后后的的产产物物是麦芽糖与极限糊精。是麦芽糖与极限糊精。（2）淀淀粉粉-1，4-葡葡萄萄糖糖糖糖苷苷酶酶（糖糖化化酶酶）：从从非非还还原原性性末末端端开开始始，依依次次以以葡葡萄萄糖糖为为单单位位逐逐步步作作用用于于-1，4，生生成成葡葡萄萄糖糖，但但能能越越过过-1，6。根霉与曲霉普遍都能合成与分泌此酶。根霉与曲霉普遍都能合成与分泌此酶。（3）淀淀粉粉-1，6-葡葡萄萄糖糖苷苷酶酶（异异淀淀粉粉酶酶）：此此酶专门作用酶专门作用-1，6-糖苷键。糖苷键。2、糖化型淀粉酶：这是一类酶的总称。共同特点是可以将淀粉水解52（二）纤维素与半纤维素的分解（二）纤维素与半纤维素的分解纤纤维维素素是是300-2500个个萄萄糖糖通通过过-1，4-糖糖苷苷键键连连接接，分分子子量量大大，不不溶溶于于水水，不不能能直直接接被被人人和和动动物物消消化化，但但它它可可以以被被许许多多真真菌菌包包括括木木霉霉、青青霉霉、根根霉霉以以及及放放线线菌菌与与细细菌菌中中的的一一些些菌菌种种分分解解与与利利用用纤纤维维素素酶酶复复合合物物：纤纤维维二二糖糖酶酶（-葡葡萄萄糖糖苷苷酶酶），C1酶，酶，Cx酶。酶。天然纤维素天然纤维素 C1酶酶 水合非结晶纤维素水合非结晶纤维素 Cx酶酶 纤维二糖纤维二糖+葡萄糖葡萄糖 纤维二糖酶纤维二糖酶 葡萄糖葡萄糖 （二）纤维素与半纤维素的分解53细细菌菌的的纤纤维维素素酶酶位位于于细细胞胞膜膜上上，真真菌菌和和放线菌的纤维素酶是胞外酶。放线菌的纤维素酶是胞外酶。自自然然界界中中纤纤维维素素丰丰富富，对对纤纤维维素素的的研研究究早早就就成成为为重重要要的的课课题题了了。从从纤纤维维素素生生产产燃料酒精燃料酒精。细菌的纤维素酶位于细胞膜上，真菌和放线菌的纤维素酶是胞外酶。54在植物细胞壁还有半纤维素，生物量仅次于纤维在植物细胞壁还有半纤维素，生物量仅次于纤维素。占木材的素。占木材的25-35%25-35%。包括各种聚戊糖与聚已糖，。包括各种聚戊糖与聚已糖，最常见的半纤维素是木聚糖。半纤维素相对纤维最常见的半纤维素是木聚糖。半纤维素相对纤维素来讲容易被微生物分解，但由于半纤维素的组素来讲容易被微生物分解，但由于半纤维素的组成类型很多，因而分解它们的酶也各不同。生产成类型很多，因而分解它们的酶也各不同。生产半纤维素酶的微生物主要有曲霉、根霉、木霉等半纤维素酶的微生物主要有曲霉、根霉、木霉等在植物细胞壁还有半纤维素，生物量仅次于纤维素。占木材的25-55（三）果胶质的分解（三）果胶质的分解果果胶胶质质是是构构成成高高等等植植物物细细胞胞间间质质的的主主要要物物质质，主主要要由由D-半半乳乳糖糖醛醛酸酸通通过过-1，4-糖苷键连接。糖苷键连接。天然果胶质（原果胶）天然果胶质（原果胶）原果胶酶原果胶酶 水溶性果胶水溶性果胶 果胶甲酯水解酶果胶甲酯水解酶 果胶酸果胶酸 果胶酸酶果胶酸酶 半乳糖醛酸半乳糖醛酸。分分解解果果胶胶的的微微生生物物主主要要是是一一些些细细菌菌和和真真菌。菌。（三）果胶质的分解56（四）几丁质的分解（四）几丁质的分解几几丁丁质质由由N-乙乙酰酰葡葡萄萄糖糖胺胺通通过过-1，4-糖糖苷苷键键连连接接起起来来，含含氮氮多多糖糖。是是真真菌菌细细胞胞壁壁和和昆昆虫虫体体壁壁的的组组成成成成分分，一一般般生生物物都都不不能能分分解解与与利利用用，只只有有某某些些细细菌菌和和放放线线菌能分解与利用。菌能分解与利用。几几丁丁质质酶酶使使几几丁丁质质水水解解生生成成几几丁丁二二糖糖，再再通通过过几几丁丁二二糖糖酶酶进进一一步步水水解解生生成成N-乙乙酰葡萄糖胺。酰葡萄糖胺。（四）几丁质的分解57五五 木质素的分解木质素的分解木质素是一种高分子的芳香族聚合体。大量存木质素是一种高分子的芳香族聚合体。大量存在于植物细胞壁中。木质素结构非常复杂，以在于植物细胞壁中。木质素结构非常复杂，以苯环为核心，带有丙烷之链组成的一种或多种苯环为核心，带有丙烷之链组成的一种或多种芳香族化合物缩合而成，长于多糖类结合在一芳香族化合物缩合而成，长于多糖类结合在一起。起。木质素是植物残体中最难分解的组分。木质素是植物残体中最难分解的组分。分解木质素的微生物主要是担子菌类的真菌。分解木质素的微生物主要是担子菌类的真菌。木质素被降解为芳香族化合物后再由细菌，放木质素被降解为芳香族化合物后再由细菌，放线菌，真菌等继续分解。线菌，真菌等继续分解。五 木质素的分解58六六 脂类的分解脂类的分解油油脂脂在在脂脂肪肪酶酶（Lipase）的的作作用用下下，逐逐步步被被水水解解生生成成甘甘油油与与脂脂肪肪酸酸，脂脂肪肪酸酸通通过过-氧氧化化进进行行分解。脂肪酶一般广泛存在于真菌中。分解。脂肪酶一般广泛存在于真菌中。甘甘油油可可以以被被许许多多微微生生物物转转化化为为丙丙酮酮酸酸经经三三羧羧酸循环被彻底氧化酸循环被彻底氧化脂脂肪肪酸酸的的-氧氧化化途途径径能能产产生生大大量量的的能能量量。例例：18 C的的硬硬脂脂酸酸经经8次次-氧氧化化可可以以得得到到9个个乙乙酰酰辅辅酶酶A和和8个个FADH2和和8个个NADH2.经经三三羧羧酸酸循循环环可得到可得到147个个ATP.但但在在厌厌氧氧条条件件下下脂脂肪肪酸酸不不易易被被分分解解而而常常有有积积累累。六 脂类的分解59三、烃类化合物的分解三、烃类化合物的分解 烃类化合物是一类高度还原性的物质，在好氧烃类化合物是一类高度还原性的物质，在好氧条件下，可以被一些微生物分解，主要是假单条件下，可以被一些微生物分解，主要是假单胞菌、分枝杆菌、诺卡氏菌、某些酵母等。胞菌、分枝杆菌、诺卡氏菌、某些酵母等。1 1、甲烷氧化：、甲烷氧化：甲烷氧化菌能利用甲烷作为唯一的碳源和能源。甲烷氧化菌能利用甲烷作为唯一的碳源和能源。几乎所有的甲烷氧化菌都是专性甲烷氧化菌。几乎所有的甲烷氧化菌都是专性甲烷氧化菌。甲烷氧化菌的典型特征是含有甲烷单氧酶甲烷氧化菌的典型特征是含有甲烷单氧酶(MMO)催化甲烷氧化为甲醇。甲烷氧化菌氧化催化甲烷氧化为甲醇。甲烷氧化菌氧化甲烷生成甲烷生成C02，并在此过程中获得生长所需的，并在此过程中获得生长所需的能量。第一步由能量。第一步由MMO将甲烷活化生成甲醇，将甲烷活化生成甲醇，甲醇进一步氧化为甲醛，甲醛再同化为细胞生甲醇进一步氧化为甲醛，甲醛再同化为细胞生物量或通过甲酸氧化为物量或通过甲酸氧化为C02，然后经过一系列，然后经过一系列的脱氢反应生成的脱氢反应生成C02重新回到大气的碳库中，重新回到大气的碳库中，即甲醇即甲醇-甲醛甲醛-甲酸盐甲酸盐-C02。三、烃类化合物的分解 烃类化合物是一类高度还原性的物质，在好60CH4CH3OHHCHOHCOOHCO2CytCredO2pMMOH2OCytCoxNADH+H+O2H2ONAD+sMMOCytCoxCytCredMDHRuMP PATHWAYSERINE PATHWAYTYPE I METHANOTROPHSTYPE II METHANOTROPHSXXH2FADH(formaldehyde dehydrogenase)NAD+NADH+H+FDH(formate dehydrogenasePathway for the oxidation of methaneCH4CH3OHHCHOHCOOHCO2CytCredO2p61厌氧甲烷氧化厌氧甲烷氧化缺氧甲烷氧化缺氧甲烷氧化(Anaerobic Oxidation of Methane，AOM)是缺氧海洋沉积物或水体中重要的细菌生态过是缺氧海洋沉积物或水体中重要的细菌生态过程，参与反应的细菌主要是甲烷氧化古菌程，参与反应的细菌主要是甲烷氧化古菌(CH-oxidizing archaea)和硫酸盐还原菌和硫酸盐还原菌(Sulfate-Reducing Bacteria，SRB)在缺氧甲烷氧化带，发生缺氧甲烷反应：在缺氧甲烷氧化带，发生缺氧甲烷反应：CH4+SO42-HCO3-+HS-+H20如果在缺氧甲烷氧化带，存在不稳定如果在缺氧甲烷氧化带，存在不稳定的的Fe3O4，其被硫酸盐细菌还原并与，其被硫酸盐细菌还原并与HS一反应形成黄一反应形成黄铁矿铁矿：Fe304+6H+2HS一一 2Fe2+4H20+FeS2。厌氧甲烷氧化缺氧甲烷氧化(Anaerobic Oxidati622、正烷烃氧化：、正烷烃氧化：先先烃烃化化酶酶（单单氧氧酶酶）、铁铁硫硫蛋蛋白白和和铁铁硫硫蛋白蛋白-NADH2还原酶作用。还原酶作用。三三种种方方式式：a:末末端端甲甲基基氧氧化化（最最常常见见，形成脂肪酸经形成脂肪酸经氧化进入三羧酸循环）氧化进入三羧酸循环）b:次次末末端端亚亚甲甲基基氧氧化化，生生成成酮类酮类 c:两两端端甲甲基基氧氧化化 氧氧化化。生生成二羧酸。成二羧酸。2、正烷烃氧化：63CH3(CH2)nCH3-CH3(CH2)nCH2OH-CH3(CH2)nCHO末端甲基氧化途径末端甲基氧化途径 CH3(CH2)nCOOHCH3(CH2)nCH3CH3(CH2)n-1C-CH3HOOC(CH2)nCOOHO=b:b:次末端亚甲基氧化次末端亚甲基氧化次末端亚甲基氧化次末端亚甲基氧化c:c:两端甲基氧化两端甲基氧化两端甲基氧化两端甲基氧化 氧化氧化氧化氧化CH3(CH2)nCH3-CH3643、芳香烃氧化、芳香烃氧化含含苯苯环环或或联联苯苯类类化化合合物物，在在氧氧化化过过程程中中逐逐步步被被氧氧化化生生成成儿儿茶茶酚酚。儿儿茶茶酚酚可可以以在在苯苯环环的的邻邻位位上上或或间间位位上上被被氧氧化化打打开开，生生成成脂脂肪肪族族化化合合物物，再再逐逐步步分分解解成成糖糖分分解解途途径径中中的的中中间间体体物物质质，再再按按糖糖代代谢谢的的方方式进行分解。式进行分解。苯（联苯）苯（联苯）儿茶酚儿茶酚开环（邻位、间位）开环（邻位、间位）继续降解。继续降解。3、芳香烃氧化65二、氮素循环二、氮素循环（一）氮在自然界中以3种形式存在：（1）作为游离分子态氮,以气体的形式存在于空气中 （2）以氨.硝酸盐或亚硝酸盐等无机化合态形式存在 （3）作为氨基酸或蛋白质的构成，以有机化合态存在。虽然分子态氮是丰富的，但它是情性的，不为大多数生物所利用。植物只能利用简单的无机态氮化合物，动物则是利用有机态氮化合物。而微生物，三种都能利用。二、氮素循环66Biogeochemical Cycles:NitrogenBiogeochemical Cycles:67（二）氮素循环：二）氮素循环：微生物既可以将有机态氮化合物分解为无机态氮化合物，又可以将空气中的分子态氮固定为化合态氮，从而自然界中的氮素不断发生转化，这个过程称氮素循环。1 1、固氮作用、固氮作用 通过生物固氮，每年可为植物提供大量的可利用的氮素肥料。据估计，地面每年固定的氮素约有2.4108吨，而85是由微生物进行固氮的。生物固氮 （二）氮素循环：682、硝化作用、硝化作用 氨或氨盐通过微生物的作用,经过亚硝酸的中间阶段,而被氧化成硝酸的过程,称为硝化作用。能进行硝化作用的细菌，称为硝化细菌。它包括两类高度特化的、专性好氧的化能自养菌，亚硝化细菌和硝化细菌。硝化作用分两步进行：第一步:氨氧化为亚硝酸，由亚硝化细菌所引起。亚硝化单孢菌属第二步:亚硝酸氧化为硝酸，由硝化细菌所引起。硝化杆菌属硝化作用对农业并无多大利益，因为硝酸盐比铵盐水溶性强，极易被雨水带走而降低肥效。水体富营养化2、硝化作用 氨或氨盐通过微生物的作用,经过亚硝酸的中间阶693、反硝化作用、反硝化作用(脱氮作用脱氮作用)1）土壤中的硝酸盐经微生物的作用而被还原成亚硝酸盐，再进一步还原成分子态氮的过程，称为反硝化作用。2）反硝化作用造成土壤中植物可利用的氮消失，这是不利的一面；另一方面，如果没有反硝化作用，氮素就要失去平衡，物质循环无法进行，所以从这点上讲，反硝化作用又是必需的。另外，反硝化作用还能提高水的饮用性，因为含有高浓度的硝酸盐的水是有毒的。3、反硝化作用(脱氮作用)1）土壤中的硝酸盐经704、氨化作用、氨化作用 微生物把复杂有机氮化物分解为氨的过程微生物把复杂有机氮化物分解为氨的过程称为称为氨化作用氨化作用。它们的排泄物中都会有各种有机氨化合物，它们的排泄物中都会有各种有机氨化合物，经氨化作用后，转变为氨态氮而积累于土壤中，经氨化作用后，转变为氨态氮而积累于土壤中，供植物吸收。供植物吸收。蛋白质和氨基酸的氨化作用，可增加土壤蛋白质和氨基酸的氨化作用，可增加土壤中的肥力中的肥力，色氨酸氧化形成的吲哚乙酸是，色氨酸氧化形成的吲哚乙酸是一一种植物生长素，能刺激植物生长；但是具有氨种植物生长素，能刺激植物生长；但是具有氨化作用的细菌，则是食品工业的大敌，它能使化作用的细菌，则是食品工业的大敌，它能使肉类、蛋品、乳品等食品发生腐败。肉类、蛋品、乳品等食品发生腐败。4、氨化作用 微生物把复杂有机氮化物分解为氨的过程称为715、硫素循环、硫素循环5、硫素循环72环境工程微生物学-8：微生物生态ppt课件73