知識資料第二章知識資料環(huán)境工程微生物學(xué)(十九)(新版)

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。PAGE第頁/共頁（1）自生固氮自生同氮細菌有100多種，既有好氧細菌（固氮菌，Azotobacter）和兼性好氧細菌（固氮螺菌，AzosPirillum），也有厭氧細菌（梭狀芽抱桿菌，Clostridium）。一些放線菌和藍細菌也能舉行固氮作用。因為所有生物都需要固定態(tài)氮，所以固氮菌分布廣泛。自生固氮微生物的固氮能力較低，1－2kgN／（hm2·年）。藍細菌是水體環(huán)境的主要固氮微生物，因為它們能舉行光合作用，固氮能力比非光能營養(yǎng)型自生固氮菌高l－2個數(shù)量級。（2）聯(lián)合固氮。固氮細菌生長于植物根際，與植物聯(lián)合，可提高固氮能力。（3）共生固氮（symbioticnitrogenixation）。植物與固氮菌建立共生關(guān)系后，固氮效率大大提高。迄今研究得最多的是根瘤菌與豆科植物的共生固氮，其固氮能力為200－300ksN／（hm2·年）。3．氨的同化將氨合成細胞物質(zhì)的生物過程稱為氨的同化（ammoniaassimilation）。生物固氮的產(chǎn)物NH3）可被細胞用干合成氨基酸而進人蛋白質(zhì)；合成瞟吟和嚼陡而進人核酸；合成N－乙酷胞壁酸（細胞壁成分）而進人細菌細胞壁。微生物同化氨的生化途徑有以下兩種。（1）氨與α－酮戊二酸結(jié)合形成谷氨酸。這個反應(yīng)受環(huán)境中氨濃度的控制。當氨濃度較高（＞0．lmmol／L或＞0．5mg／kg土壤）而且細胞內(nèi)存在NADH時，氨與。－酮戊二酸結(jié)合形成谷氨酸。通常，土壤和水體中的氨濃度都不高，因此這一途徑的作用不大。（2）氨與谷氨酸結(jié)合形成谷氨酚氨。4．氨化作用將有機態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氨的生物反應(yīng)，稱為氨化作用（ammonification）。生物死亡后，機體破壞，細胞壁、蛋白質(zhì)、核酸、腺酸等含氮有機物被分解而釋放氨。在天然界，氨化作用是含氮有機物礦化，實現(xiàn)氮素被生物循環(huán)使用的重要環(huán)節(jié)。在微生物的作用下，蛋白質(zhì)水解成多肽，再水解成氨基酸，即蛋白質(zhì)→多肽→氨基酸氨基酸可被攝人細胞，經(jīng)過多種途徑脫除氨基生成相應(yīng)的有機酸，并釋放氨。釋放的氨又會被微生物再次同化。氨的同化作用（生物固定）與氨化作用（礦化作用）畢竟以哪個為主？通常，當?shù)芟拗茣r，以生物固定為主；反之，則以礦化作用為主。氮是否成為限制因子，與環(huán)境中的碳氮比（C／N比）有關(guān)。構(gòu)成細菌細胞的C／N比為4－5，真菌為10，囫圇土壤微生物的平均C／廠比為8。當C／N比等于8時，生物固定與礦化作用理應(yīng)達到平衡。但是，微生物吸收的有機物質(zhì)除用于構(gòu)建細胞外，大量用于產(chǎn)能。在所利用的有機碳中，惟獨40％結(jié)合進生物體，其余均以二氧化碳釋放。若將土壤微生物的平均C／N比乘上系數(shù)2．5，則剛好與實際情況相符。因此，C／N比等于20不僅是生物固定與礦化作用達到平衡的理論值，也是實際看見值。當施用C／N比小于20的有機肥料時，礦化作用強于生物固定，可釋放部分氨氮。然而，當施用C／N比大于20的有機肥料時，生物同定超過礦化作用，不但不能提供氨氮，反而還需從環(huán)境中補缺，對植物生長不利。因此，對于秸稈、落葉等碳氮比較高的有機肥料，可加人人糞和硫酸鉸等富含速效氮的物質(zhì)，以降低碳氮比，提高肥效。5．硝化作用將氨氧化為亞硝酸和硝酸的生物過程，稱為硝化作用。硝化作用分兩步舉行。亞硝化（氨氧化）細菌將氨氧化成亞硝酸，但不能繼續(xù)氧化成硝酸。反之，硝化（亞硝酸氧化）細菌將亞硝酸氧化成硝酸，但不能氧化氨。至今還沒有發(fā)現(xiàn)能夠把氨直接氧化成硝酸的微生物。氨和亞硝酸鹽依次是亞硝化細菌和硝化細菌舉行自養(yǎng)生長的唯一能源。從熱力學(xué)上看，這兩種硝化基質(zhì)均為低級能源。催化氨氧化成亞硝酸的細菌是亞硝上細菌，包括亞硝化單胞菌屬（Nitrosomon。）、亞硝化球菌屬（NitTOSOcOCC。）和亞硝化螺菌屬（Nit。SOspi。）3個屬。催化亞硝酸氧化成硝酸的是硝化細菌，包括硝化桿菌屬（NitrobaCter）、硝化球菌屬（Nitrococc。）、硝化棘菌屬（NitrosPina）和硝化螺菌屬（Nitopira）。多年來，向來認為亞硝化細菌是鄭重的好氧化能自養(yǎng)菌其生理特性為：在供氧充足的情況下，將氨（通過羥胺）氧化成亞硝酸，從中取得能量合成ATP和NADH。，進而同化二氧化碳而生長。簡言之，需氧、氨為能源、二氧化碳為碳源。深人研究發(fā)現(xiàn)，亞硝化細菌對環(huán)境的應(yīng)變能力遠遠超出人們的想像。例如，在氧分壓較低時，歐洲亞硝化單胞菌可同時利用氧和亞硝酸鹽作電子受體；隨著氧濃度的降低，亞硝酸鹽的消耗比例增大；在無氧時，亞硝酸鹽可單獨作電子受體。又如，在以亞硝酸鹽單獨作電子受體時，歐洲亞硝化單胞茵可利用氫、氨和有機物等多種基質(zhì)作電子供體，其中，以氨為電子供體、亞硝酸鹽為電于受體的反應(yīng)稱為厭氧氨氧化。硝化細菌也曾持久被看成是鄭重的好氧性化能自養(yǎng)菌。普通認為它們的生理特性是：在供氧充足的情況下，將亞硝酸氧化成硝酸，從中取得能量合成ATP和NADH。，進而同化二氧化碳而生長，也即“好氧”。事實上，它們也能“好氧（、”和“缺氧（NO。）／化能（有機質(zhì)）／異養(yǎng)（有機質(zhì)）”。6．反硝化作用反硝化作用（denitrifieation）是指硝酸鹽被細胞吸收后，被用作電子受體而還原為氮氣的生物過程。1）反硝化細菌不像硝化細菌，在分類學(xué)上反硝化細菌沒有專門的類群，它們凝聚于眾多不同的細菌屬中。就生物的多樣性而言，沒有一種無機物質(zhì)的轉(zhuǎn)化可與反硝化作用相提并論。天然界最普遍的反硝化細菌是假單胞菌，第二為產(chǎn)堿桿菌。相對于這兩個屬而言，其他反硝化菌的浮上頻率較低，惟獨在某些異常的環(huán)境中才居優(yōu)勢。在土壤中，熒光假單胞菌居絕對優(yōu)勢。反硝化細菌的能源譜較寬，化學(xué)能（包括有機物質(zhì)和無機物質(zhì)）和光能均可。其中，有機物質(zhì)是許多反硝化菌的主要能源。反硝化細菌多為兼性厭氧菌，在能量代謝中，可以利用氧氣或硝酸鹽作為總算電子受體。氧氣受到限制時，硝酸鹽取代氧氣的功能。固然硝酸鹽與氧氣都從呼吸鏈采納電子；但以硝酸鹽作為電子受體時，基質(zhì)釋放的能量下降。以硫酸鹽取代硝酸鹽時，基質(zhì)釋放的能量也會下降。因為基質(zhì)釋能上的差異，硫酸鹽還原細菌對基質(zhì)（有機物質(zhì)）的競爭能力不如反硝化細菌，所以在污水處理系統(tǒng)中，即使缺氧（沒有氧氣，但有硝酸鹽），硫酸鹽也不會被還原為硫化氫而產(chǎn)生臭味。2）反硝化反應(yīng)按照已有的研究結(jié)果，反硝化作用分4步舉行：NO3一→NO2一→NO→N2O→N2。硝酸鹽還原反應(yīng)由硝酸還原酶催化。該酶以兩種形態(tài)存在：一種游離于細胞壁與細胞膜之間，稱為膜外硝酸還原酶，該酶對氧氣穩(wěn)定，有氧時也具催化活性；另一種鑲嵌于細胞膜內(nèi)，稱為膜內(nèi)硝酸還原酶（memhranenitratereductase），基質(zhì)惟獨進人細胞才干受此酶作用。兩種硝酸還原酶的作用產(chǎn)物均為亞硝酸鹽。亞硝酸鹽還原反應(yīng)由亞硝酸還原酶催化。該酶分布于細胞壁與細胞膜之間，有兩種類型：一種為二聚體，含c和d1型血紅素，稱為血紅素型亞硝酸還原酶；另一種為三聚體，含兩種銅活性中央，稱為銅型亞硝酸還原酶。在很長時期內(nèi)，向來認為一氧化二氮是亞硝酸還原酶的作用產(chǎn)物。直至20世紀80年代末期，才證實并采納一氧化氮為該酶的作用產(chǎn)物。因為一氧化氮劇毒，一氧化氮的堆積可殺死細胞，因此即使擁有亞硝酸還原酶，但缺失一氧化氮還原酶，對細菌具有自殺作用。一氧化氮還原反應(yīng)由一氧化氮還原酶催化。該酶結(jié)合干細胞膜內(nèi)，是4個脫氮酶中最后被分離的酶。它的作用產(chǎn)物是一氧化二氮。一氧化氮對細胞具有毒性，而一氧化二氮沒有毒性，并能抑制后續(xù)反應(yīng)，將有限的電子擴散用于一氧化氮還原是反硝化細菌免遭一氧化氮毒害的保護機制之一。另一個保護機制是，一氧化氮還原酶對一氧化氮具有極高的親和力，可使一氧化氮濃度維持在μmol/L水平（低于毒害臨界值）。一氧化二氮還原反應(yīng)由