第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用課件

第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用2023/10/16第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用2023/10/8第九章微1自然界的物質(zhì)處于由無機(jī)物轉(zhuǎn)化成有機(jī)物，再由有機(jī)物轉(zhuǎn)化成無機(jī)物的往復(fù)循環(huán)之中。無機(jī)物有機(jī)物光合作用分解作用生產(chǎn)者：從無機(jī)物合成有機(jī)物，如植物、微生物消費(fèi)者：利用有機(jī)物進(jìn)行生活，如動(dòng)物分解者：分解有機(jī)物成無機(jī)物，如微生物物質(zhì)循環(huán)包括天然物質(zhì)循環(huán)和污染物質(zhì)的循環(huán)，其實(shí)從本質(zhì)上看，并沒有太大的區(qū)別，但是，污染物質(zhì)的進(jìn)入，會(huì)影響原有的物質(zhì)循環(huán)的某些環(huán)節(jié)。物質(zhì)循環(huán)包括各種物質(zhì)元素：O、C、N、P、S、Fe等。推動(dòng)物質(zhì)進(jìn)行循環(huán)的作用包括物理、化學(xué)和生物的作用，其中生物起到了主導(dǎo)的作用，而微生物在這當(dāng)中又占了極重要的地位。

第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用自然界的物質(zhì)處于由無機(jī)物轉(zhuǎn)化成有機(jī)物，再由有機(jī)物轉(zhuǎn)化成無機(jī)物2第一節(jié)

氧循環(huán)

大氣中的O2（包括水體）呼吸作用光合作用

CO2

O2在大氣中分布均勻，而在水體中有垂直方向上的變化。無論是O2還是CO2，除了在大氣中的含量以外，它們?cè)谒w（海洋）中的含量，也是不可忽視的。此循環(huán)的平衡，具有十分重要的意義，如維持大氣中CO2的濃度。第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第一節(jié)氧循環(huán)大氣中的O2（包括水體）呼吸作用光合作用C3第二節(jié)

碳循環(huán)

自然界中含碳物質(zhì)有CO2、碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等。碳的循環(huán)是以CO2為中心的。在碳循環(huán)中，CO2大部分來源于微生物分解有機(jī)物，另外，由于CO2同時(shí)也參與氧循環(huán)，因此，實(shí)際上C和O循環(huán)是相互關(guān)聯(lián)的。CO2可以成為植物、藻類的碳源，大氣中CO2的含量0.032%，這個(gè)值由于人類活動(dòng)大量產(chǎn)生CO2進(jìn)入大氣中而在增加，造成所謂的氣候變暖。由此帶來一系列的問題，成為當(dāng)今世界最關(guān)注的熱點(diǎn)之一。碳素是生物體最重要的一種元素，它的主要來源是大氣中的CO２，只有通過生物所推動(dòng)的碳素循環(huán)，特別是微生物的分解作用，使不同形態(tài)的碳素相互轉(zhuǎn)化，大氣中的CO２才不會(huì)被耗竭，生命才能維持。第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第二節(jié)碳循環(huán)自然界中含碳物質(zhì)有CO2、碳水化合物、脂肪、4碳素循環(huán)包括CO２的固定:

綠色植物和微生物通過光合作用固定自然界中的CO２，合成有機(jī)物碳化物CO２的再生:

動(dòng)物、植物和微生物進(jìn)行呼吸作用獲得能量，同時(shí)放了CO２

動(dòng)、植物和微生物尸體等有機(jī)碳化物被微生物分解時(shí)，產(chǎn)生大量CO２第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用碳素循環(huán)包括CO２的再生:第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用5第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用6分解過程：首先必須經(jīng)過微生物胞外酶（水解酶）的作用，使之水解成可溶性的較簡(jiǎn)單的葡萄糖后，才能被微生物吸收分解。(一)下面介紹幾種含碳化合物的轉(zhuǎn)化：纖維素是葡萄糖的高分子聚合物，(C6H10O5)n，n=1400-10000來源：以樹木、農(nóng)作物為原料的工業(yè)生產(chǎn)，如造紙、印染等。作用的微生物：細(xì)菌、放線菌和真菌。

一、纖維素的轉(zhuǎn)化第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用分解過程：首先必須經(jīng)過微生物胞外酶（水解酶）的作用，使之水解7

纖維素酶2(C6H10O5)n+nH2O—→nC12H22O11（纖維二糖）纖維二糖酶nC12H22O11+nH2O—→2nC6H12O6

葡萄糖被微生物吸收進(jìn)入體內(nèi)，進(jìn)行好氧或厭氧的分解。二、半纖維素的轉(zhuǎn)化

存在于植物細(xì)胞壁內(nèi)，是由多種戊糖或己糖組成的大分子縮聚物，組成中有聚戊糖（木糖和阿拉伯糖）、聚己糖（半乳糖、甘露糖）己聚糖醛酸（葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸）。來源：造紙廢水和人造纖維廢水。第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用纖維素酶纖維二糖酶葡萄糖被微生物吸收進(jìn)入體8作用的微生物：能夠分解纖維素的微生物大部分能分解半纖維素。作用過程：水解半纖維素——→單糖+糖醛酸，進(jìn)行好氧或厭氧分解。三、果膠質(zhì)的轉(zhuǎn)化由D-半乳糖醛酸以α-1,4糖苷鍵構(gòu)成的直鏈高分子化合物。存在于植物細(xì)胞中。天然的果膠不溶于水，稱為原果膠。來源：造紙、制麻等。作用的微生物：細(xì)菌（如枯草桿菌、多粘芽孢桿菌)真菌（青霉，曲霉、木霉等）也有一些放線菌第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用作用的微生物：能夠分解纖維素的微生物大部分能分解半纖維素。作9分解過程：

水解（原果膠酶）原果膠可溶性果膠+聚戊糖

水解果膠甲脂酶

果膠酸+甲醇

水解聚半乳糖酶

半乳糖醛酸第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用分解過程：水解（原果膠酶）第九10四、淀粉的轉(zhuǎn)化

淀粉分直鏈和支鏈兩類。是由葡萄糖分子脫水縮合，以α-D-1,4葡萄糖苷鍵（不分支）或α-1,6鍵結(jié)合（分支）而成。廣泛存在于植物種子和果實(shí)中。淀粉也是人類獲取的主要食物來源之一。來源：淀粉廠、酒廠等。作用微生物：細(xì)菌（如枯草桿菌）和霉菌（如青霉、曲霉等）分解過程：

糊精酶麥芽糖苷酶葡萄糖苷酶淀粉糊精麥芽糖葡萄糖第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用四、淀粉的轉(zhuǎn)化淀粉分直鏈和支鏈兩類。是由葡萄糖分子11

五、脂肪的轉(zhuǎn)化脂肪是甘油和高級(jí)脂肪酸所形成的脂，存在于動(dòng)植物體內(nèi)，是人和動(dòng)物的能量來源，也是許多微生物的碳源和能源。組成脂肪的脂肪酸幾乎都有偶數(shù)個(gè)碳原子。第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用五、脂肪的轉(zhuǎn)化脂肪是甘油和高級(jí)脂肪酸所形成的脂，存在于動(dòng)植物12飽和脂肪酸+甘油→在常溫下為固態(tài)，稱為脂不飽和脂肪酸+甘油→在常溫下為液態(tài)，稱為油來源：毛紡廠、油脂廠、制革廠等作用微生物：脂肪是比較穩(wěn)定的化合物，但仍有微生物可以降解它。如細(xì)菌中的熒光桿菌、綠膿桿菌、靈桿菌等，真菌中的青霉、白地霉、曲霉、鐮刀霉及解脂假絲酵母等，某些放線菌和分枝桿菌。分解過程：

脂肪酶脂肪+3H2O甘油+3高級(jí)脂肪酸第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用飽和脂肪酸+甘油→在常溫下為固態(tài)，稱為脂不13

ATP甘油α-磷酸甘油磷酸二羥丙酮丙酮酸，進(jìn)入TCA環(huán)脂肪酸：通過β氧化途徑得到氧化。從脂肪酸上斷下一個(gè)個(gè)的乙酰輔酶A，進(jìn)入TCA環(huán)，每次2個(gè)碳原子，直到全部轉(zhuǎn)化。如果是奇數(shù)的脂肪酸，最后還有丙酸。第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用ATP脂肪酸：通過β氧化途徑得到14在脂肪的降解過程中，能產(chǎn)生大量的能量。如以18個(gè)碳原子的硬脂酸為例，經(jīng)8次β氧化可得到9mol的乙酰輔酶A和8molFADH2的和8molNADH2的，每mol乙酰輔酶A經(jīng)TCA得到12ATP,1molFADH2可得到2ATP,1molNADH2可得到3ATP，除去開始時(shí)消耗的1ATP，最終可得到9×12+8×2+8×3-1=147mol的ATP。（二）微生物在碳素循環(huán)中的作用微生物在碳素循環(huán)中具有非常重要的作用，它們既參與固定CO２光合作用，又參與再生CO２的分解作用。1、光合作用：參與光合作用的微生物主要是藻類，藍(lán)細(xì)菌和光合細(xì)菌，它們通過光合作用，將大氣中和水體中的ＣＯ２合成為有機(jī)碳化物。特別是在大多數(shù)水生環(huán)境中，主要的光合生物是微生物，在有氧區(qū)域以藍(lán)細(xì)菌和藻類占優(yōu)勢(shì)；而在無氧區(qū)域則以光合細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)。第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用在脂肪的降解過程中，能產(chǎn)生大量的能量。如以18個(gè)碳原子的硬脂152、分解作用：自然界有機(jī)碳化物的分解，主要是微生物的作用。陸地和水域的有氧條件中，通過好氧微生物分解被徹底氧化為CO２；在無氧條件中，通過厭氧微生物發(fā)酵被不完全氧化成有要酸、甲烷、氫和CO２。能分解有機(jī)碳化物的微生物很多，主要有細(xì)菌、真菌和放線菌。

第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用2、分解作用：自然界有機(jī)碳化物的分解，主要是微生物的作用。陸16氮素是生物體合成及蛋白質(zhì)的主要成份，是構(gòu)成生物體的必需元素。大氣體積中約有７９％是分子態(tài)氮，但所有植物、動(dòng)物和大多數(shù)微生物都不能直接利用。初級(jí)生產(chǎn)者植物體需要的氨鹽、硝酸鹽等無機(jī)氮化物、在自然界為數(shù)不多，常常限制了植物體發(fā)展，只有將分子氮進(jìn)行轉(zhuǎn)化和循環(huán)，才能滿足植物體對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)的需要。因此氮素物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化和不斷地循環(huán)，在自然界十分重要。第三節(jié)氮循環(huán)自然界中的氮元素有：分子氮（空氣中的N2）、有機(jī)氮（蛋白質(zhì)等）、無機(jī)氮（NH4+、NO3-等）。在生物的協(xié)同作用下，三種形式的氮互相轉(zhuǎn)化，構(gòu)成循環(huán)。其中，微生物在轉(zhuǎn)化中起著重要作用。第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用氮素是生物體合成及蛋白質(zhì)的主要成份，是構(gòu)成生物17第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用18一、蛋白質(zhì)水解與氨基酸轉(zhuǎn)化1．蛋白質(zhì)的水解蛋白質(zhì)是生物細(xì)胞的主要成分，由許多氨基酸連接而成（幾幾百萬的分子量）。蛋白質(zhì)的分解，首先也是水解，才能進(jìn)入微生物細(xì)胞內(nèi)。

能夠分解蛋白質(zhì)的微生物很多,細(xì)菌、真菌、放線菌等。

蛋白酶

蛋白酶

蛋白酶

肽酶

蛋白質(zhì)胨胨肽氨基酸第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用一、蛋白質(zhì)水解與氨基酸轉(zhuǎn)化1．蛋白質(zhì)的水解蛋白質(zhì)是生物細(xì)胞的192．氨基酸轉(zhuǎn)化（1）脫氨氨化作用：有機(jī)氮化合物在脫氮微生物的作用下脫氨基產(chǎn)生氨。例如：氨基酸—→不含氮的有機(jī)物（酸）+NH3經(jīng)脫氨基后形成的有機(jī)酸和脂肪酸，在微生物的作用下繼續(xù)分解。（2）脫羧氨基酸脫去羧酸基（CO2），產(chǎn)生胺。多由腐敗細(xì)菌和霉菌引起，二元胺對(duì)人有毒。胺是合成細(xì)胞成分的重要的起始物，尤其使諸如NAD等輔酶的合成。例如：CH3CHNH2COOH(丙氨酸)→CH3CH2NH2

（乙胺）+CO2第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用2．氨基酸轉(zhuǎn)化（1）脫氨氨化作用：有機(jī)氮化合物在脫氮微生物20二、尿素的氨化人、畜尿中含有尿素，印染工業(yè)中的印花漿用尿素作膨化劑和溶劑，故印染廢水中含有尿素。尿素能被許多微生物（尿素細(xì)菌）轉(zhuǎn)化成氨，如尿八聯(lián)球菌、尿小球菌、尿素芽孢桿菌等。

尿酶

CO(NH2)2+2H2O(NH4)2CO32NH3+CO2+H2O

碳酸銨，很不穩(wěn)定

三、硝化作用在有氧的條件下，經(jīng)亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌的作用，氨轉(zhuǎn)化成硝酸。分二步進(jìn)行：2NH3+3O22HNO2+2H2O+619KJ亞硝酸細(xì)菌2HNO2+O22HNO3+201KJ硝酸細(xì)菌第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用二、尿素的氨化人、畜尿中含有尿素，印染工業(yè)中的印花漿用尿素作21四、反硝化作用反硝化作用：在缺氧條件下，硝酸鹽被還原為氮?dú)獾倪^程。發(fā)生反硝化的條件是：硝酸鹽存在（提供電子受體）、有機(jī)物存在（提供能量）、缺氧。反應(yīng)過程，有三種結(jié)果：HNO3NH3

HNO3N2

HNO3HNO2

在環(huán)境工程中，涉及的反硝化作用主要是：NO3N2

反硝化作用的意義：土壤中發(fā)生反硝化作用，會(huì)降低土壤的肥力；污水生物處理的二沉池中發(fā)生反硝化作用，產(chǎn)生的氮?dú)鈺?huì)把池底的沉淀污泥帶上浮起,影響出水水質(zhì);利用反硝化作用，可以去除水中的氮（生物脫氮）。第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用四、反硝化作用反硝化作用：在缺氧條件下，硝酸鹽被還原為氮?dú)獾?2五、固氮作用

空氣中有大量的氮?dú)猓参锖痛蠖鄶?shù)微生物都不能直接利用它。在固氮微生物的固氮酶的作用下，把分子氮轉(zhuǎn)化成氨，進(jìn)而合成有機(jī)氮化合物，稱為固氮作用。固氮微生物：細(xì)菌（根瘤菌、固氮菌等）和藍(lán)藻N2+6e-+6H+nATP2NH3+nADP+nPi

固氮酶

固氮酶對(duì)O2敏感，所以好氧固氮菌在體內(nèi)形成獨(dú)特的防護(hù)機(jī)制，保護(hù)固氮酶的活性。第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用五、固氮作用空氣中有大量的氮?dú)?，但植物和大多?shù)微生物都不能23第四節(jié)硫循環(huán)含硫的化合物有：含硫有機(jī)物（蛋白質(zhì)中的SH基等）無機(jī)硫化合物硫元素硫是生物的重要的營(yíng)養(yǎng)元素，它是一些必需氨基酸、某些維生素、輔酶等的成份。在自然界，硫素以元素Ｓ，Ｈ２Ｓ，硫酸鹽和有機(jī)態(tài)硫的形式存在，而植物一般只能以無機(jī)鹽類作為養(yǎng)料。因此，S素各種形式的循環(huán)轉(zhuǎn)化，對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)非常重要。第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第四節(jié)硫循環(huán)含硫的化合物有：含硫有機(jī)物（蛋白質(zhì)中的SH24硫循環(huán)第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用硫循環(huán)第九章微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用25（一）自然界中的硫素循環(huán)硫素循環(huán)可劃分為分解作用，同化作用，無機(jī)硫的氧化作用和無機(jī)硫的還原作用,微生物參與Ｓ素循環(huán)的全過程，并起很重要作用。有機(jī)硫化物硫酸鹽Ｈ２Ｓ元素Ｓ分解作用分解作用