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1、第四章 微生物在环境中的分布及其相互关系 生态圈、生态系统、微生物生态系统 第一节 微生物在环境中的分布 一、微生物在土壤中的分布（一）土壤是微生物良好的生活环境1养分：土壤中有机质、无机盐和有机物氮素养料 和各种盐类碳源和能源，2水分及渗透压：3空气：团粒间、内部充满空气，厌氧微生物生活。4pH：土壤中溶液pH一般在中性左右。5温度：大部分地区、大部分时间土壤温度在0 30之间。热带土壤表层温度高，微生物 活动接近停止。,（二）土壤中微生物的数量与分布 土壤中微生物的数量因土壤类型、季节、土层深度（根圈）与层次等不同而异。根土比、垂直分布，水平分布 土壤细菌最多102 108/g 土，其中多
2、属异养菌。专性厌氧菌则以梭状芽孢杆菌属为主，放线菌103 105/g土和真菌104/g土次之，藻类微生物的1%，原生动物较少。,二、微生物在水体中的分布 大气水中主要是球菌、杆菌、放线菌霉菌孢子 地下水和泉水大体是无菌的。产油岩层的地下水有大量分解碳氢化物的细菌。脱硫弧菌亦常出现。含铁的泉水中常有锈色盖氏铁细菌，纤毛铁细菌，多孢锈铁细菌。含硫泉水中有无色和紫色硫细菌。江河水中的细菌 江河中的土著细菌较少。1 在营养贫乏的小河中，主要是能耐贫营养的无芽孢细菌，如无色杆菌和黄杆菌等。丝状细菌藻类 2 随着水体的富营养化，而假单孢杆菌科，特别是萤光假单孢杆菌群，芽孢杆菌科和肠杆菌科的细菌占主要地位。
3、3 江河水中或多或少常受到城市排放的污水的污染，污水细菌中值得注意的是肠道细菌，如大肠杆菌、细菌沙门氏菌属、梭菌。,湖泊、池塘中的微生物：上层 好氧细菌、藻类、霉菌，铁细菌、硫细菌等 中层 紫细菌和绿细菌等厌氧菌 底层 厌氧或兼性厌氧菌 在富营养湖泊的均温层中有丰富的无色硫细菌，如硫螺细菌、发硫菌属、辫硫菌属，如甲烷假单胞菌；脱硫脱硫弧菌和一些梭菌。化能自养型细菌，如欧洲亚硝化单胞菌、维氏硝化杆菌、硫杆菌、铁杆菌在湖泊中均起着作用。光能自养型细菌是他们多为绝对厌氧或微好氧的细菌。绿硫菌科、红硫菌科和红螺菌科。在富营养湖泊中起着很重要的作用。,盐湖中的细菌：盐浓度低于5大多数微嗜盐菌、耐盐细菌、
4、盐浓度为520 中度嗜盐菌 在含硫化氢的盐湖中，大量绿色细菌和紫色细菌，如绿杆菌属，暗网菌属等细菌都能生长。海水中的微生物 垂直分布从上108到下104-5 海洋中常见的细菌属是G-、弧菌、光合菌，沉积物中芽孢杆菌等。大部分海洋细菌在12-25 0C、pH7.2-7.6生长最好,另外，许多海洋细菌在有氧时能发光，可监测。,三、微生物在空气中的分布 其中大部分是腐生微生物，也有人及动植物病原微生物。真菌：曲霉、青霉、木霉、根霉、毛霉等是常见的种类。细菌：则是土壤中来的，最常见的为芽孢杆菌、如枯草芽孢杆菌、肠膜芽孢杆菌等，球菌如微菌、八叠球菌等。空气中微生物数目决定于尘埃的总量。城市多于农村。,四
5、、微生物在食品上的分布(一)粮食：以芽孢、革兰氏阴性细菌为主。粮食常见的有曲霉、青霉等大量的霉菌孢子。（二）肉类：1.好氧性芽孢杆菌等 2.好氧性无芽孢杆菌等。3.球菌：如橙色微球菌、橙色八叠球菌等。4.厌氧性细菌：如臭气梭菌、溶组织梭菌等。在肉类上常见曲霉属、毛霉属、青霉属等。（三）鱼类：鱼类也有许多细菌，如无色杆菌 属、黄杆菌属和微球菌属类。（四）乳类：主要是乳链球菌和乳酸乳杆菌等。,五、极端环境中的微生物(重点)（一）嗜热微生物：（二）嗜冷微生物，甚至产生细菌毒素。（三）嗜酸微生物：（四）嗜碱微生物 甲烷嗜盐菌、嗜盐碱杆（五）嗜盐微生物（六）嗜压微生物 知道 微生物生活的条件,第二节 微
6、生物间的相互关系（重点）一、互生关系 两种可以单独生活的生物，当他们生活在一起时，通过各自的代谢活动而有利于对方，或偏利于一方的一种生活方式。1微生物间的相互关系：固氮菌和纤维分解菌 2人体肠道的正常菌群 人体肠道有60-400种微生物可以抑制外来的肠道致病菌、提供维生素、酶。微量的氮素3混菌培养与生产实践。二、共生关系 两种生物共居在一起，相依为命，合二为一的一种相互关系。1微生物间的共生 菌、藻共生 地衣；,2微生物和植物共生根瘤菌和豆科3微生物与动物的共生白蚁与其消化道中的某些原生动物和微生物，因为白蚁不能分泌水解纤微素的酶。反刍动物与其瘤胃微生物的共生关系为微生物提供纤维及生长条件，微
7、生物提供菌体蛋白。可以说如此庞大的牛和大量的牛奶是靠微生物喂出来的。三、寄生关系（寄生关系是一种对抗关系）1微生物间的寄生 菜叶豆烧病病原菌与蛭弧菌2微生物与植物间的寄生关系 白粉菌，锈菌3微生物与动物间的寄生 噬菌体寄生于细菌或放线菌是寄生关系的最典型例子。,四、拮抗关系 拮抗关系是指一种微生物在其生命活动过程中，产生某种代谢产物或改变其他条件，从而抑制其他微生物的生长繁殖，甚至杀死其他微生物的现象。分为非特异性拮抗关系和特异性拮抗关系。某种微生物所产生的特异的代谢物，具有选择性的可抑制他种生物的生长发育甚至杀死它们，这就是特异性的拮抗关系。各种微生物能产生这类代谢物的特性各不相同，统称为抗
8、菌素。五、捕食关系：原生动物吞食细菌和藻类的现象,1.微生物种类数量分布的条件？2.不同环境微生物分布的特点？极端环境微 生物生存的机制？3.举例说明微生物相互关系的概念，特点？,第五章 微生物在物质循环中的作用第一节碳素生物循环 在自然界碳及碳的化合物以多种形式存在，其中周转最快的是大气中的 CO2。地球上90%CO2是靠微生物分解作用而来。,一 微生物分解有机物的一般途径（一）复杂有机物分解为简单有机物 对于复杂有机物，通过其分泌于细胞外的 胞外酶类使基质分解成简单的可溶性有机 物而后吸入体内加以利用。可概括为氧化和发酵两大类别。（二）简单有机物的有氧分解 1完全氧化：在有氧呼吸过程中彻底
9、氧化成 CO2+H2O 2不完全氧化：生成有机酸类等中间产物，暂时 积累。（三）简单有机物的无氧分解及甲烷的生成 1简单有机物的无氧分解 酒精发酵 乳酸发酵,2甲烷的生成（1）甲烷产生菌：简单有机物在厌氧条件下可被微生物转化生成甲烷，此作用称产甲烷作用。产甲烷细菌属古细菌的一个类群，一般为中温型，少数种类为高温型。能利用NH4+为氮源，少数可利用N2，它们对碳源基质的要求含专性。（2）甲烷生成的基质：大多数产甲烷细菌以CO2为最终 电子受体，H2为电子供体，将CO2还原为CH4。4H2+CO2CH4+2 H2O（3）甲烷生成的机制：有许多特定的酶参与作用。由CO2生成CH4的生化途径为4个阶段
10、：CO2 甲酰碳 甲基碳 甲基辅酶 M 甲烷碳 产甲烷细菌具有独特辅酶，如辅酶M、CDR因子等。甲烷杆菌 甲烷八叠球菌 利用H2/CO2、甲醇 乙酸,（四）微生物分解有机物的总图式 好氧微生物复杂有机物 简单有机物 CO2+H2O 厌氧微生物 CO2+H2O+H2+CH4 酸、醇、酮,二 微生物分解纤维素 纤维素是葡萄糖的高分子缩聚物。不溶于水，只有在产纤维素酶的微生物作用下，才被分解成简单的糖，纤维素 纤维二糖 葡萄糖 纤维素酶是一种诱导酶，如绿色木霉只有在纤维素、纤维二糖、乳糖和葡萄糖做碳源时才能合成纤维素酶纤维素酶大致分为3群：（一）C1酶 C1酶水解未经降解的天然纤维素，对部分降解的多
11、糖或寡糖很少作用或没有作用。一种微生物能分泌一种以上的C1酶。,（二）1，4葡聚糖酶 又称CX 酶，包括内切酶和外切酶。它不能水解天然纤维素，只能切割部分降解的多糖。它们广泛分布于细菌、放线菌、真菌中。（三）葡萄糖苷酶 此酶水解纤维二糖、纤维三糖及低相对分子质量的寡糖成为葡萄糖。细菌：好氧噬纤维菌属、生孢噬纤维菌属、纤维弧菌属等，厌氧菌以梭状芽孢杆菌为主。真菌：曲霉、青霉、根霉等。放线菌：有诺卡氏菌、小单孢菌和链霉菌的某些种。,三 微生物分解半纤维素 放线菌和真菌的一些种能分泌多种不同的酶分解半纤维素。例如芽孢杆菌属中的某些种能分解甘露聚糖、半乳甘露聚糖和木聚糖等。四 微生物分解果胶类物质 果
12、胶类物质是以半乳糖醛酸为主的高分子聚合物。首先，好氧性细菌有芽孢杆菌、软腐欧式杆菌等分解利用可溶性养分。其次，厌氧性细菌有费式浸麻梭菌，真菌有青霉、曲霉、毛霉、根霉等。,五 微生物分解淀粉 微生物水解淀粉糖苷键的酶总称为淀粉酶：淀粉酶（内切酶）可以切割直链和支链 中的 1，4键。淀粉酶；外切酶直连和支连的一端切割 糖化淀粉酶；异淀粉酶。厌氧条件下主要是梭状芽孢菌，如淀粉梭菌。六 微生物分解脂质物质 细菌：好氧性种类假单胞菌、而荧光假单胞 菌、铜绿假单胞菌分枝杆菌等等是其 中最活跃的菌种。放线菌：有的种也具有分解脂质的能力。真 菌：青霉、曲霉等。,七 微生物分解木素及芳香族物质（一）木素 木素是
13、由苯丙烷单元通过醚键和碳碳键连接并难以被酸水解的复杂的无定性高聚物。分解极为缓慢。木材的完全降解是真菌、细菌等微生物共同作用的结果，其中真菌起着主要作用。真菌：白腐霉、褐腐霉和软腐霉、乳酸镰孢霉、雪腐镰孢霉等类型能分解木素。放线菌：链霉菌属、小单胞菌属和诺卡氏菌；细菌：梭菌属、假单胞菌属、不动杆菌属 芽孢菌。,（二）芳香族化合物 微生物能利用芳香化合物在有氧条件下的氧化分解比厌氧条件下为快，有氧氧化分解是这些化合物分解的主要途径，其生化过程：1在加氧酶作用下生成双酚化合物 2在单加氧酶或双加氧酶作用下芳香环开裂 3上述所得相应的有机酸，转化成乙酸等进 入三羧酸循环，最后氧化成CO2、H2O。细
14、菌，如假单胞菌、分枝杆菌、不动杆菌、节杆菌及芽孢杆菌中的很多种，诺卡氏菌也有重要作用。,八 微生物分解烃类（一）烷烃 微生物对烷烃分解生成相应的醇、醛和酸，而后经氧化进入三羧酸循环，最终分解成CO2、H2O。有甲基孢囊菌属、甲基单胞菌属、甲基球菌等不同属。（二）烯烃 微生物对烯烃的代谢主要是产生具有双键的加氧氧化物或环氧化物，最终形成饱和或不饱和的脂肪酸，然后再经氧化进入三羧酸循环而被完全分解。（三）脂环烃类 在全部烃类中脂环类对微生物作用的抵抗力 最强。但诺卡氏菌可以分解。,第二节 氮素生物循环一 微生物转换氮素物质的一般途径自然界的氮素以3种主要形态存在：分子氮（N2）；无机态氮（NH4+
15、N,NO3 N等）；有机态氮（核酸、蛋白质等）。上述3种形态的氮素物质的转化：,（一）绿色植物和微生物的生命活动过程中，吸收硝态氮和铵态氮组成蛋白质、核酸等含氮有机物质。（二）动植物和微生物遗体中的有机氮化物，经微生物的分解作用，使无机质化为氨态氮。（三）氨态氮在有氧条件下，经硝化细菌的作用氧化成 硝态氮。（四）硝酸盐由于反硝化细菌的作用，还原为分子态氮，逸散到大气中。（五）空气中的分子态氮，通过固氮微生物的作用，还原为氨，进而合成有机氮化物。,（三）其他含氮有机物的分解1尿素是分子结构简单的含氮有机物 微生物产生尿酶直接水解尿素，生成碳酸铵，在碱性环境分解为氨和CO2。微生物有脲素芽孢八叠球
16、菌，巴斯德芽孢杆菌等。2几丁质的氨基葡萄糖缩聚物 某些微生物如贝内克氏菌属中的一些种，产生几丁质酶使几丁质水解，生成氨基葡萄糖和乙酸，氨基葡萄糖再经脱氨基酶作用，生成葡萄糖和氨。3卵磷脂是含胆碱的磷酸脂，存在于细胞原生质中许多芽孢杆菌、假单胞菌和某些霉菌等可产生卵磷脂酶类，使卵磷脂水解成甘油、脂肪酸、磷酸和胆碱，在进一步分解成氨、醇、有机酸等。,二 生物固氮作用 微生物在常温常压下直接利用分子态氮，将之还原为氨的过程称为生物固氮作用。（一）固氮微生物 能进行固氮作用的微生物叫做固氮微生物或固氮菌。已经确定的固氮微生物包括古细菌、真细菌、放线菌和蓝细菌等近百属。这些微生物均为原核微生物；至今还未
17、发现真核微生物。固氮主要类型：共生固氮、联合固氮、自生固氮。,共生固氮是指固氮微生物只有与特定植物共同生活在一起时才具有固氮特性，此时微生物与 植物紧密结合，一起形成一种独特的组织结构，在生理上是互利互惠的关系。例如根瘤菌和豆科植物共生形成根瘤。自生固氮 蓝细菌是最为重要的自生固氮菌。联合固氮是指固氮微生物生长在其他生物体内，如植物根表，叶面或动物肠道中才有固氮能力。,（二）固氮酶 固氮酶含有两个组分，组分和组分。组分相对分子质量大，含有钼铁元素，所以又叫钼铁蛋白，其功能是接受组分传递来的还原力和能量。组分相对分子质量较小，含有铁元素，所以又叫铁蛋白，其功能是接受能量和还原力，并把这些能量和还
18、原力交给组分。（三）影响固氮作用的主要因素 1C/N比与含氮化合物浓度 2氧气 各种固氮微生物，在长期的进化过程中，均形成一套防氧保护机制。161页,四 微生物独特合成途径举例,1 定义：N2+6H 2NH3,生物固氮,固氮生物,Mg2+ATP,第三节其它无机元素的生物循环与转化一 无机元素循环与转化的一般途径（一）无机物的有机质化 微生物在同化碳、氮、氢、氧进行生命活动的同时，吸收利用其他无机质如硫、铁等，合成有机化合物如菌体蛋白质与氨基酸。（二）含无机元素有机物的分解 含无机元素的有机物经微生物代谢分解为其无机态，回归自然环境中。（三）无机物的氧化与还原 在特定微生物作用下，无机物可由还原
19、态转化为氧化态。铁的氧化与还原（四）无机物的溶解与沉淀如产酸细菌生成的HNO3、H2SO4等强酸可使环境中矿物质溶解。,(一)硫的生物同化 SO42-能被大部分微生物吸收，进入细胞内的SO42-通过同化型硫酸盐还原为有机态硫。（二）含硫有机物的分解 含硫有机物如蛋白质、含硫氨基酸等在许多土壤微生物的分解中，经脱硫氢作用生成硫化氢，进行含硫有机物的无机质化过程。在分解不彻底时，可形成硫醇暂时累积，但在进一步氧化中，仍以硫化氢为最后产物。环境中分解含硫有机质产生硫化氢的微生物种类很多，一般的氨化微生物包括许多腐生性细菌、放线菌、真菌都有此作用。土壤中积累硫化氢较多时，对植物根部有毒害作用。,（三）
20、无机硫化物的氧化 H2S、S或硫化亚铁等在硫细菌作用下进行氧化，最后生成了硫酸的过程称为硫化作用。有无色硫细菌和有色硫细菌两大类。1无色硫细菌（1）硫杆菌：化能自养硫化细菌能够氧化硫化氢、元 素硫等形成硫酸。（2）丝状硫磺细菌：是化能自养型细菌，从氧化硫化 氢和元素硫过程中获得能量。代表有贝氏硫菌属、辫硫菌属、发硫菌属。（3）其他氧化硫的无色细菌：一些异养细菌和放线 菌，甚至真菌中的某些种也能氧化无机硫化合物。,2.有色硫细菌 有色硫细菌主要是指紫硫细菌和含有菌绿素和类胡罗卜素因而菌体呈现橙黄至紫红色；绿硫细菌含有叶绿素C或D以及类胡罗卜素因而菌体呈现黄绿色至棕褐色，体内生成硫磺。它们在厌氧条
21、件下的光合作用过程中，以H2S为供氢体使CO2还原，而H2S被氧化为硫或进一步氧化为硫酸。CO2+H2SCH 2O+S+H2O=2 CO2+H2S+2H2O 2 CH 2O+S+H2 SO4 如紫硫菌和绿硫菌及古细菌中某些极端嗜热嗜酸菌（四）硫酸盐还原 硫酸盐在缺氧条件下被一些微生物利用而还原生成硫化氢的过程，称为反硫化作用。属于异化型硫酸盐还原菌。脱硫脱硫弧菌是具有强烈反硫化作用的典型代表。,三.磷素的生物循环与转化 有机磷 可溶性磷 无机性磷（一）磷的生物同化 微生物能吸收可溶性磷合成磷脂、核酸、ATP等含磷有机物。（二）含磷有机物的分解 土壤中核酸、植酸、卵磷脂以及各种磷脂酸，被芽孢杆菌
22、、解磷巨大芽孢杆菌及假单胞菌分解。（三）不溶性磷矿物的溶解 许多微生物活动产生的各种有机酸、CO2，以及硝化细菌、硫化细菌，不仅能溶解简单的磷酸三钙等磷盐，而且对于磷矿物如磷灰石也能分解成水溶性磷酸盐。（四）磷酸盐的还原 在有机养料很多但缺乏氧气的条件下，环境中的磷酸盐可以因丁酸梭状芽孢杆菌和大肠埃希氏菌科引起这种转化微生物的作用而被还原。,四 铁的生物循环与转化（自学）（一）高铁化物的还原溶解环境中的高铁化物是沉淀性的，通过微生物生命活动时产生的酸类可使之溶解；从而使高铁化合物还原成亚铁化合物而溶解。（二）亚铁化物的氧化和沉淀环境中的可溶性亚铁化物可被特殊的细菌的生命活动能引起亚铁化物氧化成
23、高铁化物而沉淀，这类细菌称为铁细菌。它们是兼性和专性的化能营养型细菌，从氧化铁化物过程中获得能量，同化CO2合成有机物。纤发菌等（三）含铁有机化合物的形成与分解溶解性的铁可被微生物吸收利用形成有机结合态，或与有机酸结合成为有机酸铁盐。含铁化合物又可为微生物分解，将无机态的铁释放出来。很多微生物能够产生有机螯合物，能够螯合Fe3+，使不溶性Fe3+变为可溶态，从而促进对Fe3+的吸收，如某些肠道细菌能够产生肠道螯合素，有些链霉菌能够产生铁草氨，这些化合物都能和Fe3+发生螯合作用。,第六章 微生物对污染物的降解与转化第一节 概述一 生物降解与生物转换的概念 生物降解复杂有机化合物在微生物作用下转
24、变成结构较简单化合物或完全分解的过程。生物转化通过微生物代谢导致有机或无机化合物的分子结构发生某种改变，生成新化合物的过程。二 微生物降解转化污染物的巨大潜力 当环境条件发生改变，微生物能逐步改变自身条件以适应变化的环境。它们可能通过自然突变形成新的突变种。也可能通过形成诱导酶以适应新的环境,产生了 新酶系 的微生物具备了新的代谢功能。如抗药性和赖药性等，因为质粒缘故。,三 有机污染物的可生物降解性（一）可生物降解性 可生物降解性是指化合物被生物降解的可能性及其难易程度。据其降解能力分为3种类型：可生物降解物质、难生物降解物质、不可生物降解物质。（二）可生物降解性的测定 1基质的可生物氧化率
25、以基质完全彻底氧化所应消耗的理论需氧量为分母，以在微生物作用下分解该基质所消耗的氧量为分子，二者的比值为该基质的氧化率（常用瓦氏呼吸仪测定）BOD5/COD，BOD5/TOC比值，比值愈大可降解率愈大。,2基质的生化呼吸曲线 时间 表示投加基质后微生物的耗氧情况。图 7-1 3微生物降解试验（1）土壤消毒试验用于新开发的农药可生物降解性 的试验。杀灭微生物与不杀灭微生物。（2）培养液中降解试验 接种与不接种，不同培养条件下试验 物理外观测定；微生物学变化；化学变化 4.其他方法与指标.脱氢酶、ATP、CO2,耗氧量,基质呼吸线(可降解),内源呼吸线(难降解),C,B,A,t,难降解且有毒,四
26、微生物降解污染物的一般途径（一）矿化作用 矿化作用指有机污染物在一种或多种微生物的作用下彻底分解为CO2、H2O和简单的无机化合物的过程。微生物在通过矿化作用可以从污染物中获得 能源、碳架、氮源、磷源和硫源等。矿化作用过程包括氧化、还原、水解、脱水、脱羧基等生化反应，都是在各种微生物代谢过程中表现出来的，它的实质都是酶促反应。(二)共代谢作用 一些难降解的有机化合物不能直接作为碳源或能源物质被微生物利用，当环境中存在其他可利用的碳源或能源时，难降解有机物才能被利用，这样的代谢过程叫共代谢作用。,微生物共代谢作用的发生有以下情况：靠降解其他有机物提供能源；如直肠梭菌需要蛋白胨才能解体丙体六六六
27、靠其他微生物协同作用；农药二嗪农的嘧啶基环需要链霉菌和节杆菌同时存在。先经别的物质诱导 如铜绿假单孢菌要经正庚烷的诱导才能羟化酶系使链烷羟基化为相应的醇。由于微生物利用其他基质提供能源与碳源，难降解化合物在共代谢转化时，不会带来微生物自身细胞质和量的增加。缺少进一步降解的酶系，中间产物的抑制作用是导致共代谢作用的重要原因。注:在通常情况下，共代谢主要是难降解有机物得到修饰或转化，而非彻底分解。该作用是环境污染物降解的一种重要方式。使污染物完全矿化的微生物仅10%。大多数靠共代谢作用降解污染物.,五 影响微生物降解转化的生态学因素（一）物质的化学结构生物降解的有机物的难易程度首先取决于生物本身的
28、特性，同时也与有机物的结构特征有关。（1）结构简单的有机物一般先降解，复杂的后 降解；相对分子质量小的比大的易降解。（2）脂肪族化合物较芳香族易降解，多环芳 烃降解更难。（3）不饱和脂肪族化合物一般可降解，但有的有 相对溶性影响降解程度。（4）有机化合物主要分子链上除碳元素外有其 他元素时，增加对生物降解的抵抗力。（5）具有被取代集团的有机化合物，其异构体 的多样性可能影响生物的降解性。（6）功能团影响有机物的降解（表7-3）。,（二）共代谢作用 环境中的污染物常通过共代谢而获降解；尤其是对结构复杂的（多种菌作用）。（三）环境物理化学因素 包括微生物生长所需的营养元素、通气状况、酸碱度、温度、
29、水分、光照等都会影响降解程度和范围。（四）微生物降解或转化污染物后生成的中间体或终产物，它们可能变成更复杂的物质，或者毒性增加，比原始污染物更为有害。178页,第二节 微生物对有机污染物的降解 一 石油（一）微生物对石油的降解能力 C10 C18易降解，C1 C3少数能降解。烯烃 烷烃 芳烃 多环芳烃沥青，正构比异构易降解。微生物降油率35-350克/米3。（二）石油降解的生化途径 在加氧酶的催化下，将分子氧组入基质中，形成一种含氧的中间产物。如烷烃加氧为醇，烯烃加氧成环烷烃,再代谢。（三）石油降解微生物 在未受石油污染的环境石油降解菌小于0.1%，否则100%。能降解石油中各种烃类的微生物共
30、约100余属、200多种，细菌：假单胞菌属、黄杆菌属、棒状杆菌属、蓝细菌。放线菌：为诺卡氏菌属和分枝杆菌属。真菌：土壤中的降解远大于水体，有曲霉、青霉等菌株；假丝酵母、红酵母、球拟酵母、酵母菌属等中的菌株。藻类。（MPN法）,（四）影响石油降解的生态因素 1油的物理状态 2温度 3营养物质 4氧气 5共代谢作用及抑减效应(181页)。（五）石油降解微生物的实际应用 1石油探查 甲烷、乙烷、丙烷这类化合物的细菌存在的地方地层可有石油储存。2石油精炼脱蜡 工业上常用的低温法和尿素法脱蜡。法国用酵母菌培养 将柴油发酵，降脂假丝酵母、球拟酵母、诺卡氏菌等。3石油微生物的菌体利用 石油微生物体内有50以
31、上的蛋白质并含有各种必需氨基酸和脂肪、核酸等物质，可用作动物饲料或人类食物。,二 芳香族与卤代烃类降解机理：质粒可降解部分 染色体降解部分，或与染色体互补编码不同的酶，有些菌进行降解是质粒控制，有些染色体控制。一般微生物位于染色体上的性状比较稳定，而位于质粒上的性状则很容易在不同的菌之间进行水平转移，使得降解基因在不同菌株之间扩散，有利于微生物对不利环境的适应。（一）多氯联苯多氯联苯（PCB）是人工合成的卤代芳烃。液状、树脂状。“米糠油”事件。PCBs在好氧和厌氧条件下均可通过共代谢途径被无色杆菌属、不动杆菌属菌等微生物降解。恶臭假单胞菌加氧酶对多氯联苯的降解（图7-2）,（二）二噁英（多氯二
32、苯并二噁英、多氯二苯并呋喃的统称）,四氯二苯并二噁英最毒,有机氯焚烧含铅汽油及烟草燃烧.1991年以来，已经分离到了一些能够降解二噁英的假单胞菌属、地杆菌属微生物。加氧酶作用二噁英产生不稳定的半缩醛化合物，半缩醛随后自发环化，促进了醚键的断裂、开环降低了二噁英的毒性。河底污泥中的微生物在产甲烷条件下可以使二噁英类化合物还原脱氯。图7-4假单胞菌降解二苯并呋喃的的途经,（三）多环芳烃 多环芳烃（PAHs）指具有3个或3个以上苯环结构的芳香族化合物。微生物降解多环芳烃的方法有两种，以PAHs为唯一碳源和能源或与其他有机质进行共代谢。对3环以下的PAHs类化合物，微生物一般 采用第一种代谢方式，以这
33、种代谢方式的细菌有：气单胞菌、芽孢杆菌属、棒状杆菌属、蓝细菌、黄杆菌属等。对4环以上PAHs的微生物包括脱氮产碱杆菌、红球菌、白腐真菌、假单胞菌等。多种代谢方式。图7-4白腐真菌降解菲的的途经（四）三氯乙烯和五氯氛 三氯乙烯（TCE）的有氧降解可有多种机制，亚硝化单胞菌属的铵氧化酶、假单胞菌属的甲苯双氧化酶、甲烷营养菌的甲烷单氧化酶都可使TCE氧化。TCE的降解以共代谢为主，即可利用的氨、甲苯等物质。现在也分离到某些节杆菌属菌株以其作为唯一碳源生长。,三 化学农药（一）农药降解的影响因素 机理：主要有矿化作用和共代谢。有些微生物可以农药为唯一碳源、能源，直接利用或通过产生诱导酶进行降解；许多微
34、生物通过共代谢作用使农药降解，特别是结构复杂的农药多靠此种方式转化消失。农药的降解与降解性质粒有密切的关系，许多降解基因均位于降解粒上。农药的化学结构也影响生物降解速度。（二）几种农药的生物降解 1.2，4D：是具有高度选择性的内吸除草剂。在高浓度下有良好的除草作用，在低浓度下刺激植物生长。微生物主要有假单胞菌属、产碱杆菌属中的某些种。,2阿特拉津 均三氯苯类除草剂被广泛应用于各种作物杂草的控制，阿特拉津是其中应用最广的一种。阿特拉津主要用于玉米、高梁、甘蔗等作物宽叶杂草的选择性去除。均三氯苯类除草剂结构稳定，具有明显生物难降解性。1990年报道，微生物有假单胞菌属、诺卡氏菌属和红球菌属中的某
35、些种降解阿特拉津。其降解途径主要包括：脱烷基、水解、开环。3DDT 性质极其稳定，不易分解，并通过食物链蓄积于人体。某些毛霉、镰孢霉、木霉、产气杆菌及放线菌等转DDT。DDT主要通过共代谢作用脱氯降解，脱氯是关键，至今尚未分离到一种菌可以将DDT作为唯一碳源及能源而将之分解。,4有机磷农药有机磷农药是一类高效、高毒的农药品种。易降解。这些杀虫剂降解机制是脂酶水解过程。对硫磷在对硫磷水解酶的作用下形成二乙基硫代磷酸和对硝基苯酚，对硝基苯酚可在土壤中黄杆菌属、假单胞菌属的一些菌株均可经诱导生成对硫磷水解酶降解。5拟除虫菊酯类 拟除虫菊酯类农药是一类相对较新的农药品种。拟除虫菊酯类的降解方式有水降解
36、、光降解和生物降解。在土壤的半衰期2-12周 目前分离到的降解菌有荧光假单胞菌、蜡样芽孢杆菌和无色杆菌属等。主要是通过共代谢方式进行降解。,四 合成洗涤剂 根据表面活性剂在水中的电离形状，可分为：1.阴离子型：普遍合成脂肪酸衍生物、烷基硫酸酯、烷基苯磺酸脂（为主要的洗涤剂）等 阴离子表面活性剂中，高级脂肪酸盐类最易受微生物分解,其分解过程最初为烷链,经微生物作用,形成高级醇类,然后进一步被氧化,最终成为二氧化碳,和水.代谢的第一步都发生在烷基侧链的末端甲基上,使甲基氧化成为相应的醇、醛至羧酸 最后成为CO2 H2O.RCH2 CH3 RCH2 CH3 OH RCH2 CHO RCH2 COOH
37、 但是增强洗涤剂效果的辅助剂增加聚磷酸盐含量 高，富营养化。2.阳离子型：氨基或季氨盐的脂肪链缩合物等。3.非离子型：多羟化合物与烃链的结合产物等。4.两性电解质型四大类。带氮原子的脂肪链与羧酸。,五 化学塑料 塑料被微生物分解速度极慢。微生物主要是作用于塑料制品中所含的增塑剂（见表7-6）。由于增塑剂代谢变化而使塑料物理性质变化,但组成塑料聚合物的组分本生的化学性质无变化.增塑剂的可降解性,聚氯乙烯塑料可含高达50%的增塑剂,当增塑剂含有癸二酸脂时在土壤中14天可降解。其次，光降解塑料引入光敏基团（=O，NH，S），光敏剂（铁、镍）。六 其它有机污染物（一）偶氮化合物 含有 C-N=N-C
38、基团的化合物，在染料工业上重要。简单的对氨基偶氮苯、对硝基苯胺，复杂的二甲胺基偶氮苯等，酿酒酵母、普通变形杆菌、枯草芽孢杆菌、假单胞菌等能分解偶氮化合物。近年来发现白腐真菌具有良好的脱色降解作用。,（二）氰和腈 有机腈化物（丙烯腈）较之无机氰化物易于为生物所降解。虽同属剧毒物，但经过驯化后的微生物对腈化物的耐受力远较无机氰为高。微生物可以从氰和腈中取得碳、氮养料，有的微生物甚至以之作为唯一的碳源和氮源。HCN HCONH2 HCOOH+NH3 CO2 分解氰和腈的微生物有诺卡氏菌、腐皮镰孢霉、木霉、假单胞菌等十余属，数十种菌株。,H2O,H2O,（三）亚硝胺类 在动物实验中亚硝胺类化合物都有很
39、强的致癌作用 R1-N-N=O R2 日本学者分离得到一株可在厌氧条件下分解二甲基亚硝胺的光合细菌，鉴定为荚膜红假单胞菌。（四）黄曲霉毒素B1 黄曲霉毒素B1是粮食、饲料中常易产生的一种真菌毒素。橙色黄杆菌经12小时可去除该毒素的86。梭状芽孢菌属4株、拟杆菌属3株、链条杆菌属3株等在72h内可降解原液中黄曲霉毒素B1的50.9；将所有好氧菌联合一起时可降解78.8。,第三节 微生物对重金属及类金属的转化一 汞（一）甲基化作用 有些微生物，能将无机汞经甲基化而生成甲基汞毒性强 水俣病 事件 RCH3 RCH3 Hg2+CH3Hg+(CH3)2Hg 实验室内，不论有氧与无氧条件下均可进行此种甲基
40、化作用。机理不清，但是靠甲基钴胺素（甲基维生素B12）传递。厌氧性微生物如某些甲烷生成菌、匙形梭菌；好氧性微生物中如荧光假单胞菌、大肠杆菌等。大肠杆菌对汞的甲基化作用最强。真菌：黑曲霉、酿酒酵母、粗糙脉孢菌等。,细菌：,（二）还原作用 自然界中存在另一类能使有机汞或无机汞化物还原为元素汞的微生物，统称为抗汞微生物。其还原过程为：CH3Hg+2 H Hg+CH4+H+HgCl2+2H Hg+2HCl 抗汞微生物中以假单胞菌属为常见。如日本分离得到的PseudomonasK62，是典型的抗汞菌 我国曾从第二松花江底泥表层中分离筛选、驯化出3种使甲基汞还原的假单胞菌。利用微生物吸收含汞废水中的甲基汞
41、、乙基汞等水溶性汞化物，然后收集菌体，将菌体内的元素汞一部分蒸发，用活性炭吸收，另一部分汞沉淀在反应器底部加以回收。元素汞的回收率可达80以上图7-14。,二 砷（一）甲基化作用 砷酸盐 甲砷酸 二甲次砷酸 二甲砷 三甲砷 O HO As OH OH 一些砷化物的糊墙纸在潮湿季节生长霉菌，产生大蒜气味（三甲砷）的挥发性气体，使人中毒。能分解三甲砷的微生物很多，真菌更普遍，曲霉属、毛霉属、青霉属，假丝酵母等；细菌中曾报道过的有厌氧细菌甲烷杆菌属，以及普遍脱硫弧菌。三甲砷在常温常浓度下大气中不易氧化，比较稳定，因而得以在环境中积累。在门窗紧闭的室内，含砷糊墙纸上霉菌产生的含砷毒物有时可达致死浓度。
42、,（二）参与As3+及As5+之间的转化1As3+氧化成As5+微生物参与As3+氧化成As5+的活动。当土壤施入As3+化物后，可见其逐步消失而有As5+产生，同时消耗一定量的氧气。2NaAsO2+O2+2H2O 2NaH2AsO4 一些异养型微生物，如无色杆菌属、假单胞菌属、节杆菌属和产碱杆菌属参与上述转化。2As5+还原为As3+曾报道引起砷酸盐还原为亚砷酸盐的微生物；季也蒙毕赤酵母、一株微球菌及一株小球菌。图7-15 砷循环图,三 硒(一)有机硒化物矿化为无机硒化物 有机硒化物可被微生物矿化为无机硒酸盐或亚硒酸盐（二）硒化物甲基化生成二甲基硒化物 土壤及湖底淤泥中的几种无机及有机硒化物
43、，如亚硒酸盐、硒酸盐、硒氨基酸盐等，能被真菌细菌转化生成稳定性的二甲基硒化物，然后释放到空气中去。（三）还原成元素硒土壤中的细菌、放线菌和真菌的大多数均能将硒盐还原为元素硒。这种还原成硒的作用很易鉴别，元素硒生存后存于菌体内，呈现鲜明的红色，其菌落为砖红色。（四）元素硒的氧化曾出现一株光合紫硫细菌能将元素硒氧化生成硒酸盐。,四 碲（自学）碲在任何生物体代谢中都不参与作用。在其广泛应用的两种碲盐中，的毒性比的大些。现了解微生物对碲的转化主要有甲基化作用与还原作用。纯培养的真菌，短柄帚霉与裂褶菌能将碲盐转化生成挥发性产物二甲基碲化物。有一株从污泥中分离得到的青霉，既能将无机碲化物转化生成二甲基碲化
44、物，也能将无机碲化物转化生成二甲基碲，但是一定要两类盐类同时存在时，后一作用才得进行。后来了解二甲基碲是二甲基硒经甲基转化作用形成。碲化物可被微生物还原成碲。早在1912年既已应用亚碲酸盐被还原成元素碲，使该菌菌落变为深灰色至黑色，因而得以鉴别。土壤中的细菌、放线菌、真菌普遍具有这种还原能力。其还原作用如下式：TeO42-+6H+Te+2H2O+2OH-TeO32-+4H+Te+2H2O+2OH-,五 铅微生物可使铅甲基化（四甲基铅（CH3）4Pb）。纯培养的假单胞菌属、产碱杆菌属、黄色杆菌属以及单胞菌属中的某些种，能将乙酸三甲基铅转化生成四甲基铅，但不能使无机铅化物进行转化。六 锡(自学)近
45、年证实，锡能经生物学途径而甲基化。有的微生物对锡有耐受性。例如，曾分离得到一株假单胞菌，能耐受，当存在而其他条件适宜时，可使转化生成挥发性的甲基锡；该菌亦能将醋酸苯汞代谢而生成元素汞。其后发现，甲基锡与甲基汞常相伴而生。在这种情况下，甲基汞不是由于生物甲基化作用，而系非生物学原因产生，是由生物形成的甲基锡经烷基转移作用使汞转化为甲基汞所致。,七 其它重金属（自学）（一）镉 蜡状芽孢杆菌及大肠杆菌、黑曲霉等，当其在含 Cd2+化合物中生长时，其体内能浓集大量的镉。一株能使锡甲基化的假单胞菌，在有维生素B12 存在的条件下，能将无机二价镉化物转化，生成少量的挥发性镉化物。这种甲基化的镉化物，在水体中也可以通过烷基转移作用使汞甲基化而生成甲基汞。（二）其他（自学）微生物对某些重金属的转化作用 表7-7,思考题：1生物降解与生物转化，为什么说微生物对物质转化与降解具有较大的潜力。质粒的作用？2.微生物转化有机污染物、重金属的机理及典型微生物？影响因素？3.污染物污染环境引起的重大事件？4.共代谢作用？5以汞砷硒为例说明金属污染物的转化？,
