微生物第八章微生物在环境物质循环中的作用

2020/7/181第八章微生物在环境物质循环中的作用第一节氧循环第二节碳循环第三节氮循环第四节硫循环环境微生物基础教学课件天津工业大学2020/7/182①主要物质的循环；②微生物对有机物的降解过程。各种物质元素：O、C、N、P、S、Fe等。天然物质循环污染物质的循环推动物质进行循环的作用包括物理、化学和生物的作用，其中生物起到了主导的作用，而微生物在这当中又占了极重要的地位。污染物质的进入，会影响原有的物质循环的某些环节。2020/7/183氧循环(oxygencycle)H2O+CO2→H2CO3→HCO3-+H+↑CO2HCO3-→CO32-Ca2+→CaCO3O2水体臭氧层沉积物火山作用4FeO+O2→2FeO3CO2CO↑O2+2COCO2O2O3O2OO2HOHH2OH2OOCO2高能紫外辐射第一节氧循环环境微生物基础教学课件天津工业大学2020/7/184第二节碳循环植物动物呼吸光合作用食用残体厌氧分解有机酸，糖，维生素，氨基酸好氧分解呼吸(CH2O)n有机化合物CO2CH4藻类光合作用呼吸:动物植物微生物(CH2O)n发酵厌氧微生物产甲烷菌光合细菌CO2CO2植物动物呼吸光合作用食用残体厌氧分解有机酸，糖，维生素，氨基酸好氧分解呼吸(CH2O)n有机化合物CO2CH4藻类光合作用呼吸:动物植物微生物(CH2O)n发酵厌氧微生物产甲烷菌光合细菌环境微生物基础教学课件天津工业大学2020/7/185化泥碳煤大气中CO2CO2碳化作用石油水生植物光合作用腐烂燃料呼吸作用光合作用腐烂扩散碳循环(carboncycle)环境微生物基础教学课件天津工业大学2020/7/186几种含碳化合物的转化环境微生物基础教学课件天津工业大学纤维素的转化半纤维素果胶质淀粉的转化脂肪的转化烃类物质的转化2020/7/187几种含碳化合物的转化1.纤维素的转化OOOHOH2COHOHOH2COHOOHOH2COHOHOHOHO纤维素纤维素酶纤维二糖纤维二糖酶葡萄糖氧化酶，脱氢酶，脱羧酶细胞色素，细胞色素氧化酶TCA循环ATPH2OCO2厌氧发酵葡萄糖丙酮丁醇发酵丁酸发酵丙酮+丁醇+乙酸丁酸+乙酸+CO2+H2+CO2+H2OOOHOH2COHOHOH2COHOOHOH2COHOHOHOHO纤维素纤维素酶纤维二糖纤维二糖酶葡萄糖氧化酶，脱氢酶，脱羧酶细胞色素，细胞色素氧化酶TCA循环ATPH2OCO2厌氧发酵葡萄糖丙酮丁醇发酵丁酸发酵丙酮+丁醇+乙酸丁酸+乙酸+CO2+H2+CO2+H2OOOHOH2COHOHOH2COHOOHOH2COHOHOHOHO纤维素纤维素酶纤维二糖纤维二糖酶葡萄糖氧化酶，脱氢酶，脱羧酶细胞色素，细胞色素氧化酶TCA循环ATPH2OCO2厌氧发酵葡萄糖丙酮丁醇发酵丁酸发酵丙酮+丁醇+乙酸丁酸+乙酸+CO2+H2+CO2+H2环境微生物基础教学课件天津工业大学2020/7/188环境微生物基础教学课件天津工业大学2NAD+2NADH22ADP2ATPC6H12O6CH3COCOOHCH3CO~SCoA乙酰辅酶ATCA循环CO2底物水平磷酸化ATPCoA~SHCO2CO2CH2-COOHCH-COOHO=C-COOH3412020/7/189几种含碳化合物的转化1.纤维素的转化OOOHOH2COHOHOH2COHOOHOH2COHOHOHOHO纤维素纤维素酶纤维二糖纤维二糖酶葡萄糖氧化酶，脱氢酶，脱羧酶细胞色素，细胞色素氧化酶TCA循环ATPH2OCO2厌氧发酵葡萄糖丙酮丁醇发酵丁酸发酵丙酮+丁醇+乙酸丁酸+乙酸+CO2+H2+CO2+H2OOOHOH2COHOHOH2COHOOHOH2COHOHOHOHO纤维素纤维素酶纤维二糖纤维二糖酶葡萄糖氧化酶，脱氢酶，脱羧酶细胞色素，细胞色素氧化酶TCA循环ATPH2OCO2厌氧发酵葡萄糖丙酮丁醇发酵丁酸发酵丙酮+丁醇+乙酸丁酸+乙酸+CO2+H2+CO2+H2OOOHOH2COHOHOH2COHOOHOH2COHOHOHOHO纤维素纤维素酶纤维二糖纤维二糖酶葡萄糖氧化酶，脱氢酶，脱羧酶细胞色素，细胞色素氧化酶TCA循环ATPH2OCO2厌氧发酵葡萄糖丙酮丁醇发酵丁酸发酵丙酮+丁醇+乙酸丁酸+乙酸+CO2+H2+CO2+H2厌氧发酵环境微生物基础教学课件天津工业大学2020/7/1810分解纤维素的微生物纤维二糖芽孢梭菌，无芽孢厌氧分解菌，嗜热纤维芽孢菌好氧粘细菌生孢食纤维菌（球形和椭形），食纤维菌及堆囊粘菌镰状纤维菌，纤维弧菌G-厌氧青霉菌，曲霉，镰刀霉，木霉，毛霉链霉菌属、诺卡氏菌属真菌放线菌细菌环境微生物基础教学课件天津工业大学2020/7/18112.半纤维素半纤维素单糖+糖醛酸聚糖酶H2O好氧厌氧经EMP途经各种发酵产物TCAATPCO2+H2O芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌、放线菌。霉菌中的根霉、小克银汉霉、青霉和镰刀霉。分解半纤维素的微生物环境微生物基础教学课件天津工业大学2020/7/18123.果胶质原果胶+H2O原果胶酶可溶性果胶+聚戊糖+H2O果胶甲脂酶果胶酸+甲醇+H2O聚半乳糖酶半乳糖醛酸好氧分解厌氧酵解为丁酸，乙酸，醇CO2,H2OCO2,H2O环境微生物基础教学课件天津工业大学2020/7/1813有好氧菌：枯草芽孢杆菌，多粘芽孢杆菌，浸软芽孢杆菌，不生芽孢的软腐欧式杆菌。厌氧菌：蚀果胶梭菌和费新尼亚浸麻梭菌。真菌：青霉，曲霉，木霉，小克银汉霉，根霉，毛霉，芽枝孢霉放线菌分解果胶质的微生物环境微生物基础教学课件天津工业大学2020/7/1814①淀粉的分解A.淀粉液化型淀粉酶麦芽糖、双糖B.淀粉糖化型淀粉麦芽糖或葡萄糖OOOCH2OHOOCH2OHOOCH2OHOOCH2OH4.淀粉的转化环境微生物基础教学课件天津工业大学2020/7/1815淀粉糊精酶糊精麦芽糖苷酶麦芽糖葡萄糖苷酶葡萄糖TCA乙醇发酵乙醇+CO2葡萄糖丙酮丁醇发酵丁酸发酵丙酮+丁醇+乙酸+CO2+H2丁酸+乙酸H2OCO21234+CO2+H2环境微生物基础教学课件天津工业大学2020/7/18165.脂肪的转化脂肪甘油+高级脂肪酸脂肪酶3H2O环境微生物基础教学课件天津工业大学分解分解2020/7/18175.脂肪的转化①甘油的转化甘油CH2OHCHHOCH2OHCH2OHCHHOCH2OPOO-O-CH2OHCCH2OPOO-O-Oα-磷酸甘油磷酸二羟丙酮ATPADP甘油激酶NAD-NADH2磷酸甘油激酶酵解丙酮酸乙酰辅酶A辅酶ATCA循环CO2+H201-磷酸葡萄糖葡萄糖和淀粉环境微生物基础教学课件天津工业大学2020/7/1818脂肪酸的β－氧化RCH2CH2CO-SCOA脂酰辅酶ARCH=CHCO-SCOAα-β烯脂酰辅酶AFADFADH2RCH(OH)CH2CO-SCOAβ羟脂酰辅酶AH2ORC(O)CH2CO-SCOAβ酮脂酰辅酶ANAD+NADH+H+COASHRCOSCOA+CH3CO-SCOAβ氧化RCH2CH2CO-SCOA脂酰辅酶ARCH=CHCO-SCOAα-β烯脂酰辅酶AFADFADH2RCH(OH)CH2CO-SCOAβ羟脂酰辅酶AH2ORC(O)CH2CO-SCOAβ酮脂酰辅酶ANAD+NADH+H+COASHCH3CO-SCOA+RCOSCOAβ氧化RCH2CH2CO-SCOA脂酰辅酶ARCH=CHCO-SCOAα-β烯脂酰辅酶AFADFADH2RCH(OH)CH2CO-SCOAβ羟脂酰辅酶AH2ORC(O)CH2CO-SCOAβ酮脂酰辅酶ANAD+NADH+H+COASHCH3CO-SCOA+RCOSCOAβ氧化RCH2CH2CO-SCOA脂酰辅酶ARCH=CHCO-SCOAα-β烯脂酰辅酶AFADFADH2RCH(OH)CH2CO-SCOAβ羟脂酰辅酶AH2ORC(O)CH2CO-SCOAβ酮脂酰辅酶ANAD+NADH+H+COASHCH3CO-SCOA+RCOSCOAβ氧化RCH2CH2CO-SCOA脂酰辅酶ARCH=CHCO-SCOAα-β烯脂酰辅酶AFADFADH2RCH(OH)CH2CO-SCOAβ羟脂酰辅酶AH2ORC(O)CH2CO-SCOAβ酮脂酰辅酶ANAD+NADH+H+COASHCH3CO-SCOA+RCOSCOAβ氧化CH3(CH2)16COOH+ATP+COA-SH脂酰硫激酶脂酰磷激酶CH3(CH2)16CO-SCOA+AMP+PPi环境微生物基础教学课件天津工业大学RCOSCOA第二次β氧化脂肪酸的活化2020/7/18199CH3CO-SCOA+8FADH2+8NADH2TCAATPH20CO2β氧化+8COA-SH+8FAD++8NAD++8H2OCH3(CH2)16CO-SCOA脂肪酸通常通过β－氧化过程氧化。以硬脂酸为例，1mol硬脂酸含有18mol个碳原子，需要经过8次β－氧化全部降解为9mol乙酰辅酶A，总反应式：CH3(CH2)16COOH+ATP+COA-SH脂酰硫激酶脂酰磷激酶CH3(CH2)16CO-SCOA+AMP+PPi环境微生物基础教学课件天津工业大学1mol18C硬脂酸经β氧化后获得8×2+8×3+12×9-1=147mol9CH3CO-SCOA+8FADH2+8NADH2TCAATPH20CO2β氧化+8COA-SH+8FAD++8NAD++8H2OCH3(CH2)16CO-SCOA2020/7/1820分解脂类物质的微生物主要是：好氧菌：假单胞菌（荧光假单胞菌和铜绿色假单胞菌），分枝杆菌，无色杆菌，芽孢杆菌等。真菌：青霉，曲霉，枝孢霉和粉孢霉。厌氧菌：产色荚膜梭菌。环境微生物基础教学课件天津工业大学2020/7/18216.烃类物质的转化环境微生物基础教学课件天津工业大学4322O2CHCHOH+HOHCOHHCOOHCO烷烃、烯烃、芳香烃在微生物作用下的转化。烷烃甲基营养型细菌、甲烷氧化弯曲菌、甲基孢囊菌、甲基杆菌、甲基单胞菌；真菌：头孢菌、青霉菌。涉及烷烃加氧酶多种脱氢酶微生物：乙烷，丙烷，丁烷的氧化，转化模式类似，某些甲烷氧化菌在氧化甲烷的同时可将其同时共氧化，或者由另一种专门的菌分解。2020/7/1822环境微生物基础教学课件天津工业大学通过末端的氧化或次末端的氧化或两端的氧化高级烷烃的氧化CH3(CH2)n-CH2CH3加氧酶CH3(CH2)n-CH2CH2-OH脱氢酶CH3(CH2)n-CH2CHO水化酶CH3(CH2)n-CH2CH(OH)2脱氢酶CH3(CH2)n-CH2COOHCoA-SHβ-氧化TCA循环CO2+H2OCH3(CH2)nCH2COSCoA氧化烷烃的微生物有甲烷假单胞菌，分枝杆菌，头孢霉，青霉等。2020/7/1823环境微生物基础教学课件天津工业大学降解烯烃的微生物有蜡小球菌，铜绿色板毛菌。H3CRCHCH2OHOH氧化为羧酸H3CRCH=CH2H3CRCHCH2O氧化为二醇H3CRCHCH2OH氧化为羧酸烯烃的氧化2020/7/1824环境微生物基础教学课件天津工业大学H2OO2OHOHO2COOHCHCHCCHCOOHH2O2[H]COOHCHCCH2CH2COOHOH2OCH2COOHCH2COOH+CH2CO-SCOA邻苯二酚己二烯二酸酮基己二酸琥珀酸乙酰辅酶A+O2CO2+H2O单加氧酶双加氧酶COASH芳香烃化合物的转化H2OO2OHOHO2COOHCHCHCCHCOOHH2O2[H]COOHCH2CCH2CH2COOHOH2OCH2COOHCH2COOH+CH2CO-SCOA邻苯二酚己二烯二酸酮基己二酸琥珀酸乙酰辅酶A+O2CO2+H2O单加氧酶双加氧酶COASHH2OO2OHOHO2COOHCHCHCCHCOOHH2O2[H]COOHCHCCH2CH2COOHOH2OCH2COOHCH2COOH+CH2CO-SCOA邻苯二酚己二烯二酸酮基己二酸琥珀酸乙酰辅酶A+O2CO2+H2O单加氧酶双加氧酶COASH分解苯和酚的微生物有荧光假单胞菌，铜绿色假单胞菌及苯杆菌。2020/7/1825分解芳香