第12章微生物与自然界中的物质循环

第12章微生物与自然界中的物质循环市政工程：胡贵州指导老师：胡锋平教授目录12.1概述12.2碳素循环12.3氮素循环12.4硫素循环12.5磷素循环12.6其他元素的微生物转化参考文献12.1概述12.1.1生物地球化学循环组成生命物质的元素不断地在非生命物质状态和有生命物质状态之间循环，组成地球上的物质循环。生物所需要的各种化学元素，通过生物的生命活动，一方面被合成为有机物，另一方面被分解成无机物。12.1.2微生物在物质循环中的作用微生物在自然界物质循环中具有重要的作用，因为生物所需要的能量和营养物质主要来自光能自养生物——地面上的绿色植物和水生藻类。但它们的代谢需要CO2，而大气中的CO2主要来源于微生物的矿化作用。微生物在有机物矿化作用中的重要作用，与其生理生态特性有关。例如，微生物分布的普遍性，可以使各种自然环境中的死亡有机体都被分解氧化；微生物的易变异性的特性为人工合成有机物的降解提供了可能。12.2碳素循环12.2.1自然界中的碳素循环自然界中的碳素循环碳素是生物体最重要的一种组成元素，是细胞结构的骨架物质。如植物组织及微生物细胞中所含碳素约为干重量的40%-50%.碳素的主要来源于大气中的CO2，但是大气中的CO2要不会被耗竭，只有通过生物所推动的碳素循环才能完成，生命才能维持。有机碳化物动物植物和微生物CO2腐殖质光合作用腐烂腐烂呼吸作用呼吸图12-1自然界中的碳素循环（CH2O）n有机化合物CO2（CH2O）n有机化合物CH4甲烷氧化细菌甲烷形成细菌光合细菌好氧生物厌氧生物发酵作用：厌氧微生物呼吸作用：植物动物微生物光合作用：藻类绿色植物图12-2水生环境中的碳素循环12.2.2微生物在碳素循环中的作用光合作用参与光合作用的微生物主要是藻类、蓝细菌和光合细菌，将大气中和水中的CO2合成为有机碳化物。特别是在水环境中，主要的光合生物是微生物，在有氧区域以蓝细菌和藻类占优势，无氧时以光合细菌占优势。分解作用自然界中有机碳化物的分解，主要是微生物的作用。有机碳化物在陆地和水域的有氧条件，通过好养微生物分解为CO2；在无氧条件中，通过厌氧微生物发酵，被不完全氧化成有机酸、CO2、H2、CH4。能氧化分解有机碳化物的微生物：细菌：枯草芽孢杆菌、梭菌属等真菌：青霉菌、曲霉菌和根霉菌等放线菌：链霉菌属和小单孢菌属等12.3氮素循环12.3.1自然界中的氮素循环氮素氮素是核酸及蛋白质的主要成分，是构成生物体的必须元素。氮气占大气中的体积比达到79%左右，但动植物都不能直接利用分子态氮。只有将分子态氮进行转化和循环，才能满足植物体对氮素营养的需要。氮素循环有机氮化物微生物和植物N2NO3NO2NH3动物氮化作用硝化作用反硝化作用固氮作用同化作用图12-3自然界中的氮素循环12.3.2微生物在氮素循环中的作用固氮作用分子态氮被还原成氨和其他氮化物的过程。1、非生物固氮：闪电、高温放电等；2、生物固氮：微生物的转化作用氮的固定生物固氮1、自生固氮：固氮效率较低；（1）根瘤菌生物固氮2、共生固氮：（2）蓝细菌（3）弗兰克菌;3、联合固氮作用;氮化作用有机氮化物在微生物作用下分解产生氨的作用。氨化微生物主要有：蜡状芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、腐败梭菌等；硝化作用（在有氧条件下）氨在微生物作用下氧化成硝酸盐的过程；硝化作用的两个过程：亚硝化阶段：氨被氧化成亚硝酸盐，靠亚硝化细菌完成；硝化阶段：亚硝酸盐被氧化成硝酸盐，靠硝化菌完成；反硝化作用（在无氧条件下完成）硝酸盐在微生物作用下还原，释放出分子态氮和NO2的过程；图12-4根瘤菌12.4硫素循环12.4.1自然界中的硫素循环硫素硫是生物的重要营养元素，是一些必需氨基酸和某些维生素、辅酶等的成分，生物对硫的需求量大约为氮素的1/10。自然界中，硫素以S、S2-、S6+的形式存在。硫素循环有机硫化物SO2-4SH2S矿化作用腐败作用同化作用还原作用氧化作用氧化作用图12-5自然界中的硫素循环SSO2-4H2SS蛋白质的-SH基团蛋白质的-SH基团光合细菌光合细菌还原反应还原反应腐化作用腐化作用还原反应图12-6水环境中的硫素循环12.4.2微生物在硫素循环中的作用分解作用动物、植物和微生物尸体中的有机硫化物，被微生物降解成无机物的过程；在有氧时，分解产物是SO2-;无氧时，分解产物中累积H2S和有气味的硫醇等。4同化作用微生物利用SO2-和H2S组成本身细胞物质的过程；还原态无机硫的氧化作用微生物氧化H2S、元素硫或硫化亚铁等生成硫酸盐的过程。能氧化无机硫化物的微生物主要是硫细菌，大体分成3类:硫磺细菌、无色氧化硫细菌、有无色氧化硫细菌。4无机硫化物的还原作用在无氧条件下，微生物将硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐和次亚硫酸盐还原成硫化氢的过程，亦称为反硫化作用；反硫化作用具有高度特异性，主要由脱硫弧菌属来完成。H2S的毒性H2S是与氰化氢有同样水平的毒性物质，水中H2S含量达到0.1mg/L时，会显著影响鱼苗的生长和鱼卵的存活。H2S高等植物根的毒害也很大，如浓度达到2-3mg/L即对柑橘类根产生影响。H2S对管道的影响在混凝土排水管和铸铁管中，若有硫酸盐存在，管底部则常因缺氧而产生H2S。H2S与铁在水中的非生物氧化产生的Fe2+起反应形成难溶的FeS和Fe（OH)2,这就是造成管道锈蚀的主要过程，此过程称为铁的无氧锈蚀。为减少这种锈蚀，通常要求管道有一定的坡度。12.5磷素循环12.5.1自然界中的磷素循环磷素磷在土壤和水体中主要以有机磷化物、不溶性磷酸盐和可溶性磷酸盐3种状态存在。磷是一切生物的重要营养元素，它不仅是生物细胞的成分，而且在遗传物质的组成和能量的储存都要磷。磷的有效化只有可溶性磷酸盐才能被植物吸收。不溶性磷酸盐在微生物作用下溶解，形成可溶性的磷酸盐的过程称为磷的有效化。磷的循环磷的循环主要通过矿化有机磷、同化无机磷和磷的有效化3个途径完成：不溶性磷酸盐磷素或可溶性磷酸盐有机磷化合物（生物体）产酸微生物植物和微生物吸收与金属离子结合微生物分解图12-7磷素循环的过程12.5.2微生物在磷素循环中的作用有机磷的矿化作用微生物促进有机物中磷素的释放，以提高土壤中可以被作物利用的磷的含量；矿化有机磷速度的影响因素如下：（1）微生物利用碳素基质的能力；（2）含碳有机物的可降解程度；（3）是否有合适的氮源供应；（4）是否有适宜的pH值和温度条件。不溶性磷酸盐的有效化溶液中的可溶性磷和沉积物中的不溶性磷之间是在不断转化的。磷有效化的途径：自养细菌的作用土壤中微生物和植物根系的作用磷的同化作用无机磷化物通过生物细胞转变为有机磷，并成为细胞的组成部分的过程；磷的同化作用的影响因素：（1）合适水温和充足的阳光（2）必须有适量的有机碳源（3）有效的氮源供给12.6其他元素的微生物转化微生物在自然界以许多方式进行多种元素代谢，但基本上与氮素循环和硫素循环中的各个步骤和原则类似。总括起来，在自然界其他元素的微生物转化中，各级元素的化合物或离子可能进行一种或多种下述类型的反应：（1）有机质的分解作用；（2）无机离子的固定作用和同化作用；（3）无机离子和化合物的氧化作用；（4）氧化态元素的还原作用。参考文献1任南琪，马放等编著.污染控制微生物学原理与应用.北京：化学工业出版社，20032BruceE.Rittmann编著.环境生物技术原理与应用.北京：清华大学出版社，20043李建政主编.环境工程微生物学.北京：化学工业出版社，20044王建国主编.环境微生物.北京：化学工业出版社，2002