微生物在环境物质循环中的作用.ppt

1 第8章微生物在环境物质循环中的作用 2 3 有机污染物的生物净化机理净化本质 微生物转化为无机物依靠 好氧分解与厌氧分解 厌氧分解厌氧细菌原理 发酵 厌氧无机盐呼吸 好氧分解细菌是其中的主力军原理 好氧有机物呼吸 废水中的有机物 碳水化合物 脂肪 蛋白质 酮 酚 醛 酮 烃 腈等 工业废水 4 有机物的分解 好氧条件下的最终分解 CCO2NNH3HNO2HNO3SH2SO4PH3PO4 5 厌氧条件下的最终分解 CRCOOHCH4 CO2NNH3SH2S 6 8 1氧循环 Oxygencycle 7 8 2碳循环 Carboncycle 碳循环以CO2为中心 8 Carboncycle 9 10 8 2 1纤维素的转化 C6H10O5 1400 10000 棉纺印染废水 造纸废水 人造纤维废水及城市垃圾等含有大量纤维素 必须经过微生物胞外酶 水解酶 的作用 使之水解成可溶性的较简单的葡萄糖后 才能被微生物吸收分解 1 纤维素的分解途径 11 2 分解纤维素的微生物细菌 放线菌和真菌好氧性纤维素分解菌 粘细菌 G 居多 有生孢食纤维菌 食纤维菌和堆囊粘菌 此外还有镰状纤维菌与纤维弧菌 厌氧性纤维素分解菌 主要是芽孢梭菌属 如产纤维二糖芽孢梭菌 嗜热纤维芽孢梭菌 放线菌 土壤中有2 0 4 4 的放线菌能分解纤维素 如白色 灰色及红色链霉菌 分解能力较细菌和真菌弱 真菌 许多真菌具有很强的纤维素分解能力 如木霉 镰刀霉 青霉 曲霉及毛霉等 12 3 纤维素酶所在部位细胞表面酶 如细菌的纤维素酶细胞胞外酶 如真菌和放线菌的纤维素酶 13 8 2 2半纤维素的转化半纤维素存在植物细胞壁中 由聚戊糖 聚己糖和聚糖醛酸组成 造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素 1 分解途径 14 2 分解半纤维素的微生物能分解纤维素的微生物大多能分解半纤维素 如芽孢杆菌 放线菌和霉菌 3 半纤维素酶胞外酶 15 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 半乳糖醛酸是以 1 4糖苷键连成的多糖 16 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H23 分解果胶质的微生物细菌 放线菌和真菌好氧菌 枯草芽孢杆菌 多粘芽孢杆菌等厌氧菌 蚀果胶梭菌 费新尼亚浸麻梭菌真菌 青霉 曲霉 木霉 根霉等 17 水浸法 把麻类物质浸入水中 利用厌气微生物分解其中的果胶 露浸法 把麻类物质堆置并保持一定的湿度 利用好氧微生物分解果胶 4 果胶分解的应用 麻类脱胶 18 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 淀粉的降解途径 1 2 3 4 19 降解淀粉的微生物途径 中 枯草芽孢杆菌 根霉 曲霉途径 中 根霉 曲霉 酵母菌途径 中 丙酮丁醇梭状芽孢杆菌 丁醇梭状芽孢杆菌途径 中 丁酸梭状芽孢杆菌 20 参与催化淀粉降解的酶 1 淀粉酶是一种内切酶 能够水解淀粉分子内部的 1 4 糖苷键 其产物的构型均为 构型 故称为 淀粉酶 经过该酶的作用 淀粉液的粘度下降 因而又称为液化型淀粉酶 2 淀粉酶是一种外切酶 由于该酶的作用部位是 位的糖苷键 故称为 淀粉酶 3 糖化淀粉酶作用产物有两种 如果被作用的底物是直链淀粉 则产物为葡萄糖 该酶由此得名 如果被水解的底物是支链淀粉 其产物是葡萄糖和带有 1 6 糖苷键的支链寡糖 4 淀粉酶作用于支链淀粉中直链和支链交接处的 1 6 糖苷键 21 8 2 5脂肪的转化脂 固态 饱和脂肪酸 甘油油 液态 不饱和脂肪酸 甘油饱和脂肪酸 硬脂酸 棕榈酸 丁酸 丙酸和乙酸不饱和脂肪酸 油酸 亚油酸和亚麻酸毛纺厂废水 毛条厂废水 油脂厂废水 制革废水中含有大量油脂 22 脂肪的水解甘油的转化脂肪酸的 氧化1mol硬脂酸含18个C 需要经过8次 氧化作用 全部降解为9mol乙酰辅酶A 总共可产生147molATP TCA循环 23 24 8 2 6木质素的转化它很难降解 木质素是植物体的重要组分 含量仅次于纤维素和半纤维素 占植物干重的15 20 木材的木质素含量高达30 左右 木质素的结构是以苯环为核心带有丙烷支链的一种或多种芳香族化合物经氧化缩和而成 造纸废水和人造纤维废水中含有木质素 分解木质素的微生物 干朽菌 多孔菌 伞菌 25 Lignin木质素 木质素空腔纤维素 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 26 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 黄孢原平毛革菌 Phanerochaetechrysosprium 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 木质素降解的意义何在呢 如何实现工业化白腐菌降解木质素呢 27 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 28 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 芘 荧光假单胞菌 铜绿色假单胞菌 大肠埃希氏菌 29 苯 萘 菲 蒽的代谢途径 苯 邻苯二酚 己二烯二酸 酮基己二酸 琥珀酸 乙酰辅酶A CO2 H2O 萘 菲 蒽 30 苯和酚的代谢 苯 萘 菲 蒽的降解为如下图所示 苯的代谢 31 萘的代谢 32 菲的代谢 33 蒽的代谢 34 8 3氮循环 氮的存在形态 分子氮 有机氮 蛋白质等 无机氮 NH4 NO3 等 35 氮循环包括氨化作用 硝化作用 反硝化作用 及固氮作用 LeadlineofNcycle 36 37 氮素循环 38 8 3 1蛋白质水解与氨基酸转化1 蛋白质水解 Hydrolization 蛋白质 胨 肽 氨基酸分解蛋白质的微生物好氧细菌 枯草芽孢杆菌 巨大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 含氮有机物有 蛋白质 核酸 尿素 胺 腈化物 硝基化合物等 39 2 氨基酸的转化 氨化作用Ammonification 1 脱氨作用 有机氮化合物在氨化微生物的脱氨基作用 Deamination 下产生氨的过程称为氨化作用 Ammonifier 氧化脱氨还原脱氨 40 斯提克兰反应 生芽孢杆菌对糖的代谢能力差 只能以一种氨基酸作为供氢体 以另一种氨基酸作为受氢体进行氧化还原反应 从而得到能量的现象 丙氨酸 甘氨酸 乙酸 41 水解脱氨减饱和脱氨 2 脱羧作用 42 氨化细菌参与氨化作用的细菌 好氧性 荧光假单胞菌 灵杆菌厌氧性 腐败梭菌兼性菌 变形杆菌 43 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 尿素酶 自行分解 44 8 3 3硝化作用 Nitrification 在有氧条件下 氨经亚硝酸菌和硝酸菌 NitritebacteriaandNitratebacteria 的作用转化为硝酸的过程 微生物 硝化细菌 G 为好氧自养菌 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 Total NH4 2O2 2H NO3 H2O 201kJ 45 8 3 4反硝化作用 Denitrification 硝酸盐在缺氧时 在兼性厌氧的反硝化细菌 硝酸盐还原菌 作用下 还原为亚硝酸盐和氮气的过程 反应式 2NO3 10H 2OH N2 4H2O 反硝化作用的危害 农业上 会使土壤肥力降低 污水处理 影响二沉池的出水水质 水体中 产生致癌物质亚硝酸胺 危害人体健康 46 反硝化作用的三种结果 硝酸盐 氨 氨基酸 蛋白质及其它含氮物质 同化反硝化 硝酸盐 氮气 异化反硝化 硝酸盐 亚硝酸 异化反硝化 47 48 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 固氮的基本反应式固氮微生物 根瘤菌 圆褐固氮菌 光合细菌等 N2 6e 6H nATP 2NH3 nADP nPi 49 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 50 蛋白质的转化降解机理 N2 51 氰化物 乙腈 丙腈 正丁腈 丙烯腈等腈类化合物及硝基化合物水中来源 化工腈纶废水 国防工业废水 电镀废水等 危害 生物毒害 环境积累细菌 紫色杆菌 假单胞菌放线菌 诺卡氏菌真菌 氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌 茄科病镰刀霉 木霉及担子菌等 A 降解这些物质的微生物 8 3 6其它含氮物质的转化 52 B 降解机理 a 氰化物5HCN 5 5O25CO2 H2O 5NH3b 有机腈 53 8 4硫循环 硫的存在形态 单质硫 有机硫 无机硫 54 自然界中的硫素循环 55 水生环境中的硫素循环 56 8 4 1含硫有机化合物的转化含硫有机物主要是蛋白组成中的含硫氨基酸 含硫有机物 有氧条件下 最终产物为SO42 缺氧条件下 为H2S和硫醇 氨化微生物都能分解含硫有机物 57 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氧化为硫酸的过程 硫化细菌和硫磺细菌参与硫化作用 1 硫化细菌归属硫杆菌属 G 从氧化硫化氢 元素硫 硫代硫酸盐等中获得能量 产生硫酸 同化二氧化碳合成有机物 多数在细胞外积累硫 有些也在细胞内积累硫 广泛分布于土壤 淡水 海水 矿山排水中 生长最适温度28 30 在偏酸性环境中生活 氧化硫为硫酸 可使环境pH下降至2以下 同时产生能量 58 氧化硫硫杆菌 氧化元素硫能力强 迅速 专性自养菌 氧化亚铁硫杆菌 可氧化硫酸亚铁 硫代硫酸盐同时获得能量 2S 3O2 2H2O 2H2SO4 能量 Na2S2O3 2O2 H2O Na2SO4 H2SO4 能量 2H2S O2 2H2O 2S 能量 4FeSO4 O2 H2SO4 2Fe2 SO4 3 2H2O 59 2 硫磺细菌指将硫化氢氧化为硫 并将硫粒积累在细胞内的细菌 包括丝状硫磺细菌和光能自养的硫细菌 丝状硫磺细菌有贝日阿托氏菌属 透明颤菌属 辫硫菌属 亮发菌属和发硫菌属等 当环境中缺乏硫化氢时 就将积累的硫粒氧化为硫酸 从中获得能量 均为G 当曝气池DO在1mg L以下时 硫化物含量较多 贝日阿托氏菌和发硫菌过度生长引起活性污泥丝状膨胀 光能自养硫细菌含细菌叶绿素 在光照下 将硫化氢氧化为元素硫 在体内或体外积累硫粒 60 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 61 8 5磷循环 62 磷循环磷的生物地球化学循环包括三种基本过程 有机磷转化成溶解性无机磷 有机磷矿化 不溶性无机磷变成溶解性无机磷 磷的有效化 溶解性无机磷变成有机磷 磷的同化 微生物参与磷循环的所有过程 但在这些过程中 微生物不改变磷的价态 因此微生物所推动的磷循环可看成是一种转化 63 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 64 8 5 2无机磷化合物的转化 不溶性磷酸盐 磷酸或可溶性磷酸盐 产酸微生物 与Mn 结合 磷酸盐 PH3 厌氧 65 1 堵塞管道2 酸性矿水的污染3 对生活饮用水的危害 8 6铁锰的循环 本节自学 66 酸性矿水形成机制 2FeS2 7O2 2H2O 2FeSO4 2H2SO4 通过FeS2的自然化学氧化产生FeSO4和H2SO4 4FeSO4 2H2SO4 O2 2Fe2 SO4 3 2H2O 在铁氧化细菌作用下 使Fe2 Fe3 FeS2 7Fe2 SO4 3 8H2O 15FeSO4 8H2SO4 2S Fe2 SO4 3与黄铁矿继续作用产生更多的H2SO4 并析出S 2S 3O2 2H2O 2H2SO4 元素S在氧化硫硫杆菌的作用下生产硫酸