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1、2022/12/3,1,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,2022/12/3,2, 主要物质的循环 ； 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。,2022/12/3,3,氧循环(oxygen cycle),H2O+CO2 H2CO3 HCO3- +H+,CO2,HCO3- C
2、O32 -,Ca2+,CaCO3,O2,水体,臭氧层,沉积物,火山作用,4FeO+O2,2FeO3,CO2,CO,O2+2CO CO2,O2,O3,O2,O,O2,H,OH,H2O,H2O,O,CO2,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,2022/12/3,4,第二节 碳循环,环境微生物基础教学课件,天津工业大学,2022/12/3,5,化,泥碳,煤,大气中CO2,CO2,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(carbon cycle),环境微生物基础教学课件,天津工业大学,2022/12/3,6,几种含碳化合物的
3、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,2022/12/3,7,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,2022/12/3,8,环境微生物基础教学课件,天津工业大学,C6H12O6,CH3COCOOH,CH3COSCoA 乙酰辅酶A,CO2,底物水平磷酸化,CoASH,CO2,CO2,2022/12/3,9,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,2022/12/3,10,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,
4、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,2022/12/3,11,2. 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,2022/12/3,12,3. 果胶质,环境微生物基础教学课件,天津工业大学,2022/12/3,13,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
5、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,2022/12/3,14, 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,2022/12/3,15,环境微生物基础教学课件,天津工业大学,2022/12/3,16,5. 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,2022/12/3,17,5. 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,2022/12/3,18,脂肪酸的氧化,环境微
6、生物基础教学课件,天津工业大学,RCOSCOA,第二次氧化,脂肪酸的活化,2022/12/3,19,脂肪酸通常通过氧化过程氧化。以硬脂酸为例，1mol硬脂酸含有18mol个碳原子，需要经过8次氧化全部降解为9 mol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,1mol 18C硬脂酸经氧化后获得82+83+129-1=147mol,2022/12/3,20,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,2022/12/
7、3,21,6.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。,2022/12/3,22,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。,2022/12/3,23
8、,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,2022/12/3,24,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。,2022/12/3,25,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,
9、天津工业大学,2022/12/3,26,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,2022/12/3,27,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。,2022/12/3,28,氮循环(nitrogen cycle),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,
10、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,2022/12/3,29,环境微生物基础教学课件,天津工业大学,2022/12/3,30,环境微生物基础教学课件,天津工业大学,蛋白质的分解,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,2022/12
11、/3,31,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,2022/12/3,32,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,2022/12/3,33,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,2022/12/3,34,Stickland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。,环境微生物基础教学课件,天津工业大学,已知能进行Stick
12、land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。,2022/12/3,35,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。,2022/12/3,36,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-键减饱和成为不饱和酸。,2022/12/3,37,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,2022/12/3,38,3. 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,2022
13、/12/3,39,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pH6.0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。,2022/12/3,40,环境微
14、生物基础教学课件,天津工业大学,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。,2022/12/3,41,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。,2022/12/3,42,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。
15、,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。,2022/12/3,43,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。,2022/12/3,44,环境微生物基础教学课件,天津工业大学,2022/12/3,45,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
16、 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。,2022/12/3,46,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。,2022/12/3,47,1
17、. 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。,2022/12/3,48,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。,2022/12/3,49,1. 有机硫的异化分解。,环境微生物基础教学课件,
18、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,2022/12/3,50,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,2022/12/3,51,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,2022/12/3,52,嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌（Thi
19、obacillus ferrooxidans）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+2H2SO42Fe2(SO4)3+2H2O,S2O32-+5/2O22SO42-,2022/12/3,53,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污染。湿法冶金,2022/12/3,54,环境微生物基础教学课件,天津工业大学,将H2S氧化为S，并将硫粒积累在细胞内的细菌，为硫磺细菌。,硫磺细菌：,2022/12/3,55,2022/12/3,56,3. 反硫化：在厌氧条件下亚硫酸盐、SO42、S2O32-和次亚硫酸盐在微生物作用下转化
20、为H2S的过程叫反硫化。,C6H12O6 3H2SO4 6CO2 + 6H2O + 3H2S2CH3CH(OH)COOH + H2SO4 2CH3COOH + H2S + 2H2O + 2CO2,反硫化微生物：脱硫弧菌属（脱硫脱硫弧菌duselfovibrio desulfuricans ）、脱硫肠状菌属。脱硫假单胞菌属、脱硫叶菌属、脱硫杆菌属、脱硫球菌属、热脱硫杆菌属、脱硫八叠球菌属、硫还原菌属、脱硫单胞菌属等。,意义：海水中反硫化作用较大，海水中富含硫酸盐，还原为H2S后，海港中设施容易被腐蚀。如果管道厌氧状态发生反硫化，对于管道有腐蚀作用。,2022/12/3,57,生物法烟气脱硫技术,SO2(g) 化学吸收SO32-/SO42- 硫酸盐还原菌(SRB)HS- 好氧菌S。,2022/12/3,58,
