环境微生物学第八章

第八章微生物在环境物质循环中的作用重点：1.碳素的生物循环2.氮素的生物循环3.氨化作用4.硝化作用5.反硝化作用6.影响反硝化作用的环境因素难点：1.碳素的生物循环2.氮素的生物循环第一节氧循环大气中氧含量丰富，约占空气体积分数21％。人和动物呼吸、微生物分解有机物都需要氧。所消耗的氧由陆地和水体中的植物及藻类进行光合作用放氧，源源不断地补充到大气和水体中。氧在水体的垂直方向分布不均匀。表层水有溶解氧，深层和底层缺氧，当涨潮或湍流发生时，表层水和深层水充分混和，氧可能被转送到深水层。在夏季温暖地区的水体发生分层，温暖而密度小的表层水和冷而密度大的底层分开，底层缺氧。秋末、初冬时，表层水变冷，比底层水重，水发生“翻底”。温暖地区湖泊的氧一年四季有周期性变化。图8-1夏季湖泊水含氧量级温度分布情况第二节碳循环含碳物质有二氧化碳、一氧化碳、甲烷、糖类(如：糖、淀粉、纤维素)、脂肪、蛋白质等。碳循环以二氧化碳为中心，二氧化碳被植物、藻类利用进行光合作用，合成为植物性碳；动物吃植物就将植物性碳转化为动物性碳；动物和人呼吸放出二氧化碳，有机碳化合物被厌氧微生物和好氧微生物分解所产生的二氧化碳均回到大气。而后，二氧化碳再一次被植物利用进入循环和。碳循环二氧化碳是植物、藻类和光合细菌的唯一碳源，若以大气中二氧化碳的含量为0.032%为例，其储藏量约有6000×108t，全球(陆地、海洋、河流、湖泊)植物每年消耗大气中CO2约(600～700)×108t，10年就可将大气中CO2用尽。由于，人、动物呼吸、微生物分解有机物产生大量CO2，源源不断补充至大气。海洋、陆地、大气和生物圈之间碳长期自然交换的结果，使大气中的CO2保持相对平衡、稳定。因此，在过去的10000年期间里，CO2含量变化极小，持续维持在280×10-6左右。自18世纪工业革命以来，由于石油和煤燃烧量日益增加，排放的CO2等温室气体含量正在大幅度增加。因而使大气圈中CO2浓度逐年增加.碳循环洛阿山（夏威夷）和南极几个监测站近1000年大气CO2变化曲线基林曲线（莫纳罗亚山CO2变化曲线）一、纤维素的转化纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，每个纤维素分子含1400～10000个葡萄糖基，分子式为(C6H10O5)1400～10000。树木、农作物秸秆和以这些为原料的工业产生的废水，如：棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水及有机垃圾等，均含有大量纤维素。（一）纤维素的分解途径纤维素在微生物酶的催化下沿下列途径分解：•好氧的纤维分解菌还有镰状纤维菌和纤维弧菌。黏细菌和弧菌均能同化无机氮(主要是NO3--N)，对氨基酸、蛋白质及其他无机氮利用能力较低，有的能还原硝酸盐为亚硝酸盐。其最适温度为22～30℃，在10～15℃便能分解纤维素，其最高温度为40℃左右。最适pH为7～7.5，pH为4.5～5时不能生长，其pH最高可达8.5。•厌氧的有产纤维二糖芽孢梭菌(Clostridiumcellobioparum)、无芽孢厌氧分解菌及嗜热纤维芽孢梭菌(Clostridiumthermocellum)，好热性厌氧分解菌最适温度55～65℃，最高温度为80℃。最适pH为7.4～7.6，中温性菌最适pH为7～7.4，在pH为8.4～9.7还能生长。它们是专性厌氧菌。•霉菌：分解纤维素的还有青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。有好热真菌(Thermomycess)和放线菌中的链霉菌属(Streptomyces)。它们在23～65℃生长，最适温度为50℃。分解纤维素的微生物二、半纤维素的转化半纤维素存在植物细胞壁中。半纤维素的组成中含聚戊糖(木糖和阿拉伯糖)、聚己糖(半乳糖、甘露糖)及聚糖醛酸(葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸)。造纸废水和人造纤维废水含半纤维素。土壤微生物分解半纤维素的速度比分解纤维素快。（一）分解半纤维素的微生物分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。许多芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌及放线菌能分解纤维素。霉菌有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。（二）半纤维素的分解过程三、果胶质的转化果胶质是由D-半乳糖醛酸以-l，4糖苷键构成的直链高分子化合物，其羧基与甲基酯化形成甲基酯。果胶质存在植物的细胞壁和细胞间质中，造纸、制麻废水含有果胶质。天然的果胶质不溶于水，称原果胶。（一）果胶质的水解过程（二）水解产物的分解果胶酸、聚戊糖、半乳糖醛酸、甲醇等在好氧条件下被分解为二氧化碳和水。在厌氧条件下进行丁酸发酵，产物有丁酸、乙酸、醇类、二氧化碳和氢气。（三）分解果胶质的微生物好氧菌如：枯草芽孢杆菌、多黏芽孢杆菌、浸软芽孢杆菌及不生芽孢的软腐欧氏杆菌。厌氧菌有：蚀果胶梭菌和费新尼亚浸麻梭菌。分解果胶的真菌有青霉、曲霉、木霉、小克银汉霉、芽枝孢霉、根霉、毛霉，还有放线菌。四、淀粉的转化淀粉广泛存在植物种子(稻、麦、玉米)和果实等之中。凡是以上述物质作原料的工业废水，例如淀粉厂、酒厂废水，印染废水、抗生素发酵废水及生活污水等均含有淀粉。（一）淀粉的种类淀粉分直链淀粉和支链淀粉两类：直链淀粉由葡萄糖分子脱水缩合，以α-D-l,4葡萄糖苷键(简称α-l,4结合)组成不分支的链状结构。支链淀粉由葡萄糖分子脱水缩合而成。直链淀粉中的α-1,4结合支链淀粉中的α-1,4结合和α-1,6结合（二）淀粉的降解途径淀粉是多糖，分子式为(C6H10O5)1200。在微生物作用下的分解过程如下：*在好氧条件下，淀粉沿着①的途径水解成葡萄糖，进而酵解成丙酮酸，经三羧酸循环完全氧化为二氧化碳和水。*在厌氧条件下，淀粉沿着②的途径转化，产生乙醇和二氧化碳。*在专性厌氧菌作用下，沿③和④途径进行。（三）降解淀粉的微生物途径①中：好氧菌有枯草杆菌和根霉、曲霉。枯草杆菌可将淀粉一直分解为二氧化碳和水。途径②中：根霉和曲霉是糖化菌，它们将淀粉先转化为葡萄糖，接着由酵母菌将葡萄糖发酵为乙醇和二氧化碳。途径③中：由丙酮丁醇梭状芽孢杆菌(Clostridiumacetobutylicum)和丁酸梭状芽孢杆菌(Clostridiumbutyricum)参与发酵。途径④中：由丁酸梭状芽孢杆菌(Clostridiumbutyricum)参与发酵。五、脂肪的转化脂肪是甘油和高级脂肪酸所形成的酯，不溶于水，可溶于有机溶剂。由饱和脂肪酸和甘油组成的，在常温下呈固态的称为脂。由不饱和脂肪酸和甘油组成的，在常温下呈液态的称为油。脂肪被微生物分解的反应式如下：磷酸二羟丙酮可经酵解成丙酮酸，再氧化脱羧成乙酰CoA，进入三羧酸循环完全氧化为二氧化碳和水。磷酸二羟丙酮也可沿酵解途径逆行生成l-磷酸葡萄糖，进而生成葡萄糖和淀粉。（二）脂肪酸的β-氧化脂肪酸通常通过β-氧化途径氧化。脂肪酸先是被脂酰硫激酶激活，然后在α、β碳原子上脱氢、加水、脱氢、再加水，最后在α、β碳位之间的碳链断裂，生成1mol乙酰辅酶A和碳链较原来少两个碳原子的脂肪酸。乙酰辅酶A进入三羧酸循环完全氧化成二氧化碳和水。剩下的碳链较原来少两个碳原子的脂肪酸可重复一次β-氧化，以至完全形成乙辅酶A而告终。硬脂酸的β-氧化途径1mol硬脂酸含18个碳原子，需要经过8次β-氧化作用，全部降解为9mol乙酰辅酶A，其总反应式如下：18C硬脂酸完全氧化可产生大量能量。1mol硬脂酰辅酶A每经一次β-氧化作用，产生1mol乙酰辅酶A，lmolFADH2及lmolNADH。总共产生17molATP开始激活硬脂酸时消耗－1molATP净得16molATP1mol乙酰辅酶A经三羧酸循环氧化产生12molATPlmolFADH2经呼吸链氧化产生2molATPlmolNADH经呼吸链氧化产生3molATPC18硬脂酸β-氧化产能小结C18硬脂酸在开始被激活时消耗了1molATP，故第一次β-氧化时获得16molATP，以后7次重复β-氧化时不再消耗ATP，每次可净得l7molATP，故lmol硬脂酸(C17H35COOH)被彻底氧化可得很高的能量水平。共得：(16+l7×7+12)molATP＝147molATP奇数碳原子脂肪酸β-氧化，产物除乙酰辅酶A外，还有丙酸。六、木质素的转化含有木质素的稻草秆、麦秆、芦苇和木材是造纸、人造纤维的原料，所以，造纸和人造纤维废水均含大量木质素。木质素的化学结构一般认为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(例如苯丙烷、松伯醇等)经氧化缩合而成。木质素用碱液加热处理后可形成香草醛和香草酸、酚、邻位羟基苯甲酸、阿魏酸、丁香酸和丁香醛。分解木质素的微生物主要是：•担子菌纲中的干朽菌(Merulius)、多孔菌(Polyporus)、伞菌(Agaricus)等的一些种。•有厚孢毛霉(Mucorchlamydosporus)、松栓菌(Trametespini)。•假单胞菌的个别种也能分解木质素。木质素被微生物分解的速率缓慢，在好氧条件下分解木质素比在厌氧条件下快，真菌分解木质素比细菌快。种类：酚、间甲酚、邻苯二酚、苯、二甲苯、异丙苯、异丙甲苯、萘、菲、蒽等。来源：炼油厂、煤气厂、焦化厂、化肥厂等的废水。芳香烃普遍具有生物毒性，但在一定浓度范围内它们可以不同程度被微生物分解。目前已知降解不同芳香烃的细菌类别七、芳香烃化合物的转化苯类酚类萘菲蒽微生物名称荧光假单胞菌、铜绿色假单胞菌及苯杆菌铜绿色假单胞菌、溶条假单胞菌、诺卡氏菌、球形小球菌、无色杆菌及分枝杆菌菲杆菌、菲芽孢杆菌荧光假单胞菌和铜绿色假单胞茵、小球菌及大肠埃希氏菌苯氧化成邻苯二酚，可在苯环的邻位或间位上被氧化打开，生成脂肪族化合物，再逐步分解，生成糖分解途径中的中间物质，再按糖代谢的方式进行分解。复杂的联苯类芳香烃化合物在氧化过程中逐步氧化成邻苯二酚。萘的代谢蒽的代谢酚也是先被氧化为邻苯二酚，各类芳香烃在降解的后半段是相同的，可表示如下：苯酚氧化酶酶萘邻苯二酚酮基己二酸菲+O2+O2+2H蒽琥珀酸三羧酸循环CO2+H2O乙酰辅酶A第三节氮循环自然界中的氮元素有：分子氮（空气中的N2）、有机氮（蛋白质等）、无机氮（NH4+、NO3-等）。在生物的协同作用下，三种形式的氮互相转化，构成循环。其中，微生物在转化中起着重要作用。一、氮循环的过程二、微生物在氮循环中的作用（一）蛋白质水解与氨基酸转化1．蛋白质的水解蛋白质是生物细胞的主要成分，由许多氨基酸连接而成（几—几百万的分子量）。蛋白质的分解，首先也是水解，才能进入微生物细胞内。能够分解蛋白质的微生物很多，细菌、真菌、放线菌等。2．氨基酸转化（1）脱氨氨化作用：有机氮化合物在脱氮微生物的作用下脱氨基产生氨。•例如：氨基酸—→不含氮的有机物（酸）+NH3经脱氨基后形成的有机酸和脂肪酸，在微生物的作用下继续分解。β-氧化→三羧酸循环（2）脱羧氨基酸脱去羧酸基（CO2），产生胺。多由腐败细菌和霉菌引起，二元胺对人有毒。胺是合成细胞成分的重要的起始物，尤其使诸如NAD等辅酶的合成。•例如：CH3CHNH2COOH→CH3CH2NH2+CO2(丙氨酸)(乙胺)H2N(CH2)4CHNH2COOH→H2N(CH2)5NH2(赖氨酸)(尸胺)（二）尿素的氨化人、畜尿中含有尿素，印染工业中的印花浆用尿素作膨化剂和溶剂，故印染废水中含有尿素。尿素能被许多微生物（尿素细菌）转化成氨，如尿八联球菌、尿小球菌、尿素芽孢杆菌等。尿酶CO(NH2)2+2H2O—→(NH4)2CO3—→2NH3+CO2+H2O碳酸铵，很不稳定（三）硝化作用在有氧的条件下，经亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用，氨转化成硝酸。（消耗溶解氧）硝化分二步进行：2NH3+3O2—→2HNO2+2H2O+619KJ（亚硝酸细菌）2HNO2+O2—→2HNO3+201KJ（硝酸细菌）亚硝酸细菌和硝酸细菌是好氧的，世代时间很长（从十几小时到几天）。（四）反硝化作用发生反硝化的条件是：①硝酸盐存在（提供电子受体）、②有机物存在（提供能量）③缺氧。反应过程，有三种结果：HNO3——→NH3HNO3——→N2HNO3——→HNO2环境工程最关心的反硝化作用：在缺氧条件下，硝酸盐被还原为氮气的过程。在环境工程中，涉