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1、精选优质文档-倾情为你奉上第四章 微生物对污染物的降解转化本章重点：1.掌握酶的概念及酶的活性的影响因素2.营养物质进入微生物的过程3.微生物对含氮、磷、硫、碳等污染物的代谢4.微生物的合成代谢4.1微生物的酶4.1.1酶的概念和催化特点酶(Enzyme)是在活细胞内合成的具有高度专一性和催化效率的蛋白质，具有催化生物化学反应的功能，并传递电子、原子和化学基团，因此又称为生物催化剂(Biological catalyst)。酶催化进行的反应称为酶促反应(Enzymatic reaction)，发生化学反应的物质称为底物(Substrate)，反应生成的物质称为产物(Product)。 一般催化
2、剂的催化性质酶特性 催化作用的高效性 催化作用的高度专一性 酶的特有性质 酶催化的反应条件温和并对环境条件极为敏感 酶活性的可调控性4.1.2酶的分类和命名 按酶促反应的类型：氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类异构酶类、合成酶类酶的分类 按酶在细胞的部位：胞内酶、胞外酶、表面酶 按酶蛋白结构的特点：单体酶、寡聚酶、多酶复合体系 习惯命名法：采用底物与反应类型进行命名，如乳酸脱氢酶，对于水解酶类，只需底物名称即可，如蔗糖酶酶的命名 系统命名法：包括酶的系统命名和四个数字的酶分类编号，每种酶都有一个四位数字的编号，其中第一位数字代表大类；第二、三位数字代表亚类和亚亚类，由前三位数字就可确定
3、反应的性质；第四位数字则是酶在亚亚类中的顺序。4.1.3酶的组成和结构单纯酶：又称为单成分酶或简单蛋白酶，仅由具有催化活性的蛋白质构成，其基本组成单位仅为氨基酸，其活性仅仅取决于它的蛋白质结构，例如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、酯酶、核糖核（1）酶的组成 酸酶等一般水解酶 结合酶：除了含有蛋白质主体外，还含有对热稳定的非蛋白质小分子物质，其中的蛋白质主体称为酶蛋白，非蛋白质小分子物质称为辅因子。转氨酶、乳酸脱氢酶、碳酸酐酶以及氧化还原酶类等均属于结合酶。（2）酶蛋白的结构生物体中的酶蛋白20种氨基酸组成，氨基酸按一定的排列顺序，通过肽键(-NH-CO-)连接成多肽链，多肽链之间或一条多肽链卷曲
4、后相邻的基团之间通过氢键、盐键、酯键、疏水键、范德华引力及金属键等相连接，形成酶蛋白的空间结构。酶蛋白的结构分为一级、二级、三级和四级结构。一级结构指多肽链中氨基酸的排列次序；二级结构指由多肽链形成的、重复出现的、稳定的空间结构，例如双螺旋结构、-折叠、-转角，由氢键维持；三级结构是在二级结构的基础上，多肽链进一步弯曲盘绕形成更为复杂的构型；四级结构由几个或几十个亚基组成，亚基是由一条或几条多肽链在三级结构基础上形成的小单位，只有少数酶具有四级结构。（3）酶的活性中心酶蛋白分子中直接与底物结合，并催化底物发生化学反应的小部分氨基酸微区，称为酶的活性中心(Active center)或活性部位(
5、Active site)。构成酶活性中心的必需基团(Essential group)分为两种：一种是酶与底物结合的基团，称为结合基团(Binding group)，决定酶的专一性；一种是促进底物敏感键发生化学变化的基团称为催化基团(Catalytic group)，决定酶的催化能力。图4-3 酶活性中心与底物作用示意图酶的活性中心往往位于酶分子表面或凹陷处，是酶催化作用的关键部位，如图4-3所示。、4.1.4酶活力及其影响因素酶活力(Enzyme activity)指酶催化化学反应的能力，一般用一定条件下酶催化某一生化反应的反应速度来表示。1个酶活力单位指1min内，温度为25，其他为最适条件
6、下，转化1mol底物所需的酶量。化学反应式为： (4-1)式中，E代表酶；S代表底物；ES代表中间产物；P代表最终产物；K1、K-1、K2、K-2分别为各反应的速度常数。酶浓度对反应速度的影响底物浓度对反应速度的影响pH值对反应速度的影响影响酶活力的因素 温度对反应速度的影响抑制剂对反应速度的影响激活剂对酶促反应速度的影响4.1.5酶的固定化固相酶是将水溶性的酶利用物理或化学方法处理，使之变成不溶于水但仍具有酶活性的物质。将酶从液相变成固相的过程，称为酶的固定化。在固定化过程中，载体的选择、酶与载体结合的方法是保证酶的高度专一性及温和条件下高效催化特点的关键。酶经固定化后，载体能有效保护酶的空
7、间构象，使之对热、pH值、蛋白质变性剂、抑制剂等的抗性大大提高，因此酶的稳定性提高。4.2营养物质进入微生物细胞的过程微生物没有专门的摄食器官，一般只能通过细胞表面进行物质交换，因此绝大多数微生物属于渗透营养型。影响营养物质进入细胞的因素主要有三个：（1）营养物质本身的性质：相对分子量、溶解性、电负性、极性等都影响营养物质进入细胞的难易程度。（2）微生物所处的环境：温度会影响营养物质的溶解度、细胞膜的流动性及运输系统的活性，从而影响微生物的吸收能力；pH值和离子强度会影响营养物质的电离程度，从而影响营养物质进入细胞的能力；环境中被运输物质的结构类似物也会影响微生物细胞吸收被运输物质的速率。（3
8、）微生物细胞的透过屏障：渗透屏障主要由细胞壁、原生质膜、荚膜及粘液层等组成。荚膜和粘液层的结构较为疏松，对细胞吸收营养物质影响较小；细胞壁和细胞膜是物质进出微生物细胞的必经之地，但它只对大颗粒的物体起阻挡作用，许多大分子物质可以自由进出细胞壁；由于具有高度选择通透性，原生质膜对于营养物质进入微生物细胞及排出代谢废物方面发挥着极其重要的作用，它对跨膜运输的物质具有选择性。除原生动物外，其他各大类有细胞的微生物都是通过细胞膜的渗透和选择吸收作用从外界吸取营养物的，根据物质运输过程的特点，一般认为细胞膜通过单纯扩散、促进扩散、主动运输和基团移位等四种方式运送营养物质。其中，前两者不需要能量，是被动的
9、；后两者需要消耗能量，是主动的，并在营养运输中占主导地位。4.2.1简单扩散简单扩散是被输送物质依靠细胞内外的浓度梯度为动力，溶质分子从浓度高的区域向浓度低的区域扩散，这种扩散过程不消耗能量。一旦细胞膜两侧的物质浓度梯度消失（即细胞膜两侧的物质浓度相等），单纯扩散就停止。进入细胞的营养物质被不断消耗，胞内始终保持较低浓度，因此细胞外物质不断进入细胞。 非特异性扩散，不是细胞吸收营养的主要方式 纯粹的物理学过程，过程不消耗能量 扩散的动力来自物质在膜内外的浓度差 营养物质不能逆浓度运输简单扩散特点 扩散的速率与膜内外营养物质浓度差成正比 营养物质在扩散过程中，既不与膜上的各类分子发生反应，自身分
10、子结构也不发生变化 相对分子质量小，脂溶性强、极性弱的物质易通过简单扩散进入细胞4.2.2促进扩散一些极性分子的被动扩散显现出饱和效应和结构类似物的竞争关系，这说明这些极性分子的被动运输是在其他载体的帮助下进行的，这就是促进扩散。特点：有载体蛋白质参与载体蛋白也称透过酶，起着渡船的作用，在不耗能的条件下将物质从膜外运至膜内。载体蛋白自身在这个过程中不发生化学变化，只影响扩散过程中物质的运输速率，不改变该物质在膜内外形成的动态平衡。通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，但也有的微生物对同一物质的运输要由一种以上的载体蛋白来
11、完成。促进扩散通常见于许多真核微生物，如葡萄糖就是通过这种方式进入酵母菌细胞的，在原核微生物中比较少见。4.2.3主动运输将营养物质逆自身浓度梯度由稀处向浓处移动，并在细胞内富集的过程就被称为主动运输(active transport)。 好氧与兼性厌氧微生物（呼吸能） 厌氧微生物（化学能ATP）能量来源 化合微生物（光能） 嗜盐细菌（光能）特点：在物质运输过程中需要消耗能量，而且可以进行逆浓度运输；载体蛋白构象变化需要消耗能量，而且它还能改变反应的平衡点。主动运输的具体方式有多种，主要可分为初级主动运输、次级主动运输、Na+,K+-ATP酶系统和ATP耦联主动运输等。4.2.4基团移位基团移
12、位指若营养物质在膜内受到了共价修饰，以被修饰的形式进入细胞质的输送机制。通过磷酸基团发生位移，即从磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)转移到被输送的基质分子上而实现。运送步骤：（1）热稳载体蛋白(HPr)的激活：HPr是一种相对分子质量低的可溶性蛋白，起着高能磷酸载体的作用；在酶的催化下，HPr被PEP磷酸化生成P-HPr并转移到膜的内表面，其反应式为： （2）糖经磷酸化运入细胞膜内：膜外环境中的糖分子先于细胞膜外表面上的底物特异膜蛋白酶c结合，接着糖分子被由P-HPr酶a酶b逐级传递来的磷酸基团激活，最后通过酶c再把这一磷酸糖释放到细胞质中。其反应式为：4.2.5膜泡运输（1）主要存在于原生动物特别是
13、变形虫中。（2）变形虫靠近营养物质吸附到膜表面细胞膜开始内陷包围营养物质膜泡膜泡离开细胞膜进入细胞质（3）如果膜泡中包围的营养物质为固体，则将这种营养运输方式称为胞吞作用；如果膜泡中包围的营养物质是液体，则称之为胞饮作用。4.3微生物的能量代谢生物体的一切生命活动都是消耗能量的过程，因此能量代谢是一切生物代谢的核心问题。能量代谢的中心问题是生物体如何把环境中的多种形式的最初能源转换成ATP。4.3.1生物氧化的类型 发酵：发酵是以有机物氧化分解的中间代谢产物为最终电子受体的氧化还原过程；其最终产物为有机酸、醇、CO2、H2以及能量生物氧化反应 有氧呼吸：以O2为最终电子受体的氧化还原过程；最终
14、产物是呼吸 CO2、H2O以及能量无氧呼吸：以含氧无机盐为最终电子受体的氧化还原过程；最终产物是N2、H2S、CH4、CO2、H2O以及能量（1）发酵(fermentation)发酵是某些厌氧微生物在生长过程中获得能量的一种方式。糖酵解途径(EMP)：微生物在厌氧条件下，将葡萄糖通过酶催化的一系列氧化还原反应分解为丙酮酸，并产生供给机体生命活动的能量的过程。主要发酵类型：丙酸发酵、丁酸发酵、丙酮丁醇发酵、（同型）乳酸发酵、（异型）乙酸发酵、混合酸发酵、乙醇发酵(2)呼吸 呼吸是大多数微生物产生能量(ATP)的方式，是指底物在氧化过程中脱下的氢或电子并不直接与中间代谢产物相耦联，而是通过一系列的
15、电子传递过程，最终交给电子受体的生物学过程。有氧呼吸当环境中存在足量的分子氧时，好氧微生物能将底物彻底氧化分解为H2O和CO2，同时产生大量的能量。葡萄糖的有氧呼吸过程可分为3个阶段。第一阶段，葡萄糖经EMP途径分解形成中间产物丙酮酸，同时产生ATP和NADH+H+；第二阶段，丙酮酸在丙酮酸脱氢酶系的作用下生成乙酰CoA，并释放CO2和NADH+H+；第三阶段，乙酰CoA进入三羧酸循环，产生大量的ATP、CO2、NADH+H+和FADH2。无氧呼吸某些厌氧和兼性厌氧的微生物在无氧条件下进行无氧呼吸。进行无氧呼吸的微生物以NO3-、SO42-、CO32-为最终电子受体，一般生活在河流、湖泊和池塘
16、的底部淤泥等缺氧的环境中。硝酸盐呼吸：以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程，也成为硝酸盐的异化作用。通过硝酸盐呼吸将NO3-还原为N2以及NO和N2O的过程称为反硝化作用；能进行反硝化作用的细菌有反硝化假单胞菌、铜绿假单胞菌、地衣芽孢杆菌等。硫酸盐呼吸：也称为异化型硫酸盐还原或反硫化作用。能进行硫酸盐还原作用的细菌称为硫酸盐还原菌，它能以有机物作为氧化的基质，氧化放出的电子可使SO2逐步还原为H2S。硫酸盐还原菌有脱硫弧菌属和脱硫肠状菌属等。碳酸盐呼吸：也称为异化型碳酸盐还原或产甲烷作用。能进行碳酸盐还原作用的细菌属于产甲烷细菌，它能在氢等物质的氧化过程中，以CO2作为最终的电子受体，通过厌氧
17、呼吸将CO2还原为甲烷。常见的这类产甲烷细菌有产甲烷八叠球菌属、产甲烷杆菌属、产甲烷短杆菌属、产甲烷球菌属等。4.3.2生物氧化的作用微生物可以通过以下3种主要调控方式控制碳源的代谢途径。（1）使代谢物和酶位于细胞中的不同部位来控制代谢途径的活性，这种方式被称作代谢通道控制作用。（2）微生物通过直接激活或抑制代谢途径中关键酶的活性来迅速地改变代谢途径的活性。（3）微生物还通过控制细胞中酶分子的数量控制代谢活动。4.4微生物对污染物的降解转化而微生物的矿化作用，能将有机碳化物转变成CO2，这是自然界CO2的主要来源，从而保证了光能自养生物的合成代谢能不断地进行。4.4.1含碳化合物的降解转化（1
18、）自然界中的碳素循环含碳物质主要包括CO2、碳水化合物(糖、淀粉、纤维素等)、脂肪、蛋白质等。绿色植物和微生物通过光合作用固定自然界中的CO2，合成有机碳化物，进而转化为各种有机物质；植物和微生物进行呼吸作用获得能量，同时释放出CO2。动物以植物和微生物为食物，并在呼吸作用中释放出CO2。当动、植物和微生物尸体等有机碳化物被微生物分解时，产生大量CO2，于是整个碳素循环完成。在水体中，由好氧区生活的藻类和绿色植物通过光合作用产生的有机物，如纤维素、淀粉、几丁质、果胶质、糖类等，被多种多样的细菌和真菌通过呼吸作用而分解并释放出CO2。沉入厌氧区的有机物和由异养光合细菌所合成的有机物，通过厌氧微生
19、物的发酵作用而产生有机酸类、CH4、H2和CO2。产甲烷菌在厌氧区可以将CO2转化为CH4，甲烷氧化菌在好氧区将CH4氧化成CO2。总之，碳素循环是以CO2为中心的，是以CO2的固定和CO2的再生为主的物质循环。（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，它们通过光合作用，将大气中和水体中的CO2合成为有机碳化物。分解作用有机碳化物在陆地和水域的有氧条件中，通过好氧微生物分解，被彻底氧化为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、CH4、H2和CO2。能分解有机碳化物的微生物很多，包括细菌、真菌和放线菌。对烃类物质的分解烃类是石
20、油和石油产物中最主要而大量的成分，也是一种重要的环境污染物。这些碳氢化合物在有氧条件下，能被参与碳素循环的各种微生物分解。已知约有28属细菌、30属霉菌、12属酵母菌和某些放线菌可利用并降解它们。4.4.2含氮化合物的降解转化（1）自然界中的氮素循环自然界的分子态氮，被某些自由生活的微生物固定形成氨，并转化为有机氮化物；或被微生物与植物联合作用转变成可供植物直接利用的氮化物形式。存在于植物和微生物体内的氮化物为动物食用，并在动物体内被转变为动物蛋白质。动植物和微生物尸体及其排泄物中的有机氮化物被各种微生物分解，以氨的形式释放出来，或直接为植物利用，或被氧化成为硝酸盐供植物吸收，或被进一步还原为
21、气态氮返回自然界。在水环境中，好氧条件下通过固氮作用被固定的氮，通过氨化作用形成氨，一部分被其他生物同化利用，另一部分则在硝化细菌作用下被氧化为NO3-和NO2-，这一部分无机氮又为藻类的生长提供了氮源。因为污染较为严重的水体常处于缺氧甚至厌氧状态，而硝化作用只能在好氧的条件下发生，所以，在污染水体中，氨的大量积累则成为一种常见现象。在没有受到污染的水体中，很少发现有大量的氨积累。因此，在污染水体的自净恢复过程中，硝化作用显得特别重要。（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。自生固氮：自生固氮微生物是指可以在环境中自由生活，能独立进行固氮作用的一类微生物。
22、共生固氮：共生固氮微生物只有在与其他生物紧密地生活在一起的情况下，才能固氮或才能有效地固氮。它们通过固氮作用合成的氨，除了满足自身需求外，同时向共生体中的其他生物提供可利用的氮源。联合固氮作用：联合固氮作用是固氮微生物与植物之问存在的一种简单共生现象。这些固氮微生物仅存在于相应植物的根际，并不侵入根毛形成根瘤，但有较强的专一性，固氮效率比在自生条件下高。氨化作用：有机氮化物在微生物作用下分解产生氨的过程。很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮衍生物，其中分解能力强并释放出NH3。的微生物称为氨化微生物。氨化微生物主要有蜡状芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、神灵色杆菌、腐败梭菌、普通变
23、形菌、荧光假单胞菌等细菌，曲霉属、毛霉属、青霉属、根霉属等真菌和嗜热放线菌等。硝化作用：氨在微生物作用下氧化成硝酸盐的过程。硝化作用的整个过程由两类细菌分两个阶段完成。第一阶段是氨被氧化为亚硝酸盐，靠亚硝化细菌完成；第二阶段是亚硝酸盐被氧化为硝酸盐，靠硝化细菌完成。亚硝酸细菌主要是亚硝化单胞菌属、亚化叶菌属、亚硝化球菌属和亚硝化螺菌属中的一些种类；硝酸盐细菌主要有硝化杆菌属、硝化螺菌属和硝化球菌属中的一些种类。反硝化作用：硝酸盐在微生物作用下还原，释放出分子态氮和一氧化二氮的过程称为反硝化作用，或称为脱氮作用。微生物的反硝化作用一般在厌氧环境中进行，而且需要有机物作为能源。参与反硝化作用的微生
24、物称为反硝化细菌。在目前发现的反硝化细菌中，以脱氮假单胞菌和脱氮硫杆菌的作用能力最强。其他还有芽孢杆菌属、色杆菌属、副球菌属、棒杆菌属、生丝微菌属、沙雷菌属中的一些种类。4.4.3含硫化合物的降解转化（1）自然界中的硫素循环硫酸盐的来源或是化学作用产生，或来自废水，或是硫细菌氧化S或H2S产生；硫酸盐被植物、藻类吸收后转化为含硫有机化合物；含硫有机化合物在厌氧条件下进行腐解，产生H2S；H2S被无色硫细菌等氧化为S，并进一步氧化为SO42-；SO42-在厌氧条件下，被硫酸盐还原菌(例如脱硫弧菌)还原为H2S；H2S又能被光合细菌用作供氢体，氧化为S或H2S。（2）微生物在硫素循环中的作用分解作
25、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称为分解作用或有机硫化物的矿化。在有氧情况下，分解的最终产物是SO42-，可供植物和微生物利用；在缺氧情况下，特别是在蛋白质物质腐解时，累积H2S和有气味的硫醇等。同化作用：微生物利用SO42-和H2S组成本身细胞物质的过程称为硫素的同化作用。植物和大多数的微生物能利用SO42-作为惟一硫源，把它转化为含巯基(-SH)的蛋白质等有机物。仅少数微生物能同化H2S。还原态无机硫的氧化作用：无机硫的氧化作用是微生物氧化硫化氢、元素硫或硫化亚铁等生成硫酸盐的过程。自然界能氧化无机硫化物的微生物主要是硫细菌，大体上可分成3大类：硫磺细菌
26、、无色氧化硫细菌、有色氧化硫细菌。无机硫化物的还原作用：无机硫化物的还原作用是在厌氧条件下，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。4.4.4含磷化合物的降解转化（1）自然界中的磷素循环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。不溶性磷酸盐可以在微生物作用下溶解，形成可溶性的磷酸盐。当溶解性磷酸盐被植物吸收后变为植物体内的有机磷化物，动物食用后即变成动物体内的含磷有机物。动、植物尸体在微生物作用下分解转化形成磷酸后，很快与环境中的金属离子化合，大多数转化成不溶性的钙盐、镁盐和铁盐等。（2）微生物在磷素循环中的作用有机磷的矿化作用有机磷
27、的矿化是伴随有机物降解过程同时发生的，并不具有专一性，一切能降解有机物的异养细菌都能进行这一作用，包括细菌、放线菌、真菌。矿化有机磷的速度受多种因素的影响：微生物利用碳素基质的能力，也就是微生物降解有机物的强度；含碳有机物的可降解程度；是否有合适的氮源供应；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。生活于沉积物中的自养细菌，在磷的有效化过程中起着重要的作用。硝化细菌产生的硝酸和硫化细菌产生的硫酸就能使不溶性的Ca3(PO4)2转变为可溶性的CaHPO4，所以，不溶性磷酸盐的有效化可以通过沉积物表面的产酸过程得到促进。土壤中微生物和
28、植物根系分泌的CO2和有机酸类也可使不溶性的Ca3(PO4)2溶解。磷的同化作用无机磷化物通过生物细胞转变为有机磷，并成为细胞的组成成分。在水生环境中，藻类对磷的同化起着主要的作用，而在土壤中则由细菌固定着大量的磷。无机磷的同化受下列因素的制约：必须待来年气温转暖，达到合适水温，并有充足的阳光时，才能被藻类、光合微生物和其他细菌重新同化为有机体的组成成分；如为异养生物所同化，必须有适量的有机碳源，如果C:P100:1，异养细菌同化磷的作用就会停止进行；无论是自养生物还是异养生物，都需要有效的氮源供给。当N:Pl0:l时，磷的同化作用可以正常进行；而当N:P10:1时，磷的同化也会停止。4.4.
29、5难降解物质的降解转化（1）对合成有机物的降解作用微生物对化学农药的降解降解有机农药的微生物：现在的许多研究证明，绝大部分农药在环境微生物群落的作用下，能够得到或快或慢的降解；微生物对有机农药的作用类型：去毒作用、降解作用 、活化作用、失去活化性、结合作用、改变毒性谱；典型有机农药的微生物降解：假单胞菌属一种、枝动菌属一种能降解2，4二氯苯氧乙酸简写为2，4-D ；降解4，4-二氯二苯三氯乙烷即DDT；微生物降解六六六即l，2，3，4，5，6六氯环己烷，简写为BHC。微生物对合成洗涤剂的降解合成洗涤剂的基本成分是表面活性剂，根据在水中的电离性状可分为阴离子型、阳离子型、非离子型与电解质型4类。
30、中国现在主要的产品是阴离子型的烷基苯磺酸钠型洗涤剂。合成洗涤剂在环境中的降解速度除取决于微生物及其作用条件外，还与表面活性剂的化学结构有关。表面活性剂丙烯四聚物型烷基苯磺酸盐和烷基苯磺酸盐在微生物作用下，可以通过烷基氧化、苯环裂解、脱磺酸作用以及微生物的共代谢作用得到降解。从土壤、污水和生物污泥中分离到能以表面活性剂为惟一碳源和能源的微生物，主要是假单胞菌、邻单胞菌、黄单胞菌、产碱杆菌、微球菌、诺卡菌等。 微生物对塑料的降解塑料具有生物惰性，很难被微生物降解，可以在环境中长期残留。有些微生物可分解塑料，但分解速度十分缓慢。微生物主要作用于塑料制品中所含有的增塑剂，在土壤中放置14天后，约有40
31、的增塑剂被微生物降解。塑料聚合物质先经受不同程度的光降解作用后，生物降解就容易得多。经光解后的塑料成为粉末状，如果相对分子质量降到5000以下，便易于为微生物利用。经光解的聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯的分解产物中有苯甲酸、CO2和H2O。光解后的聚丙烯塑料及聚乙烯塑料，在其他土壤微生物类群的作用下，约一年后即可完全矿化。多氯联苯的微生物降解多氯联苯(PCB)是人工合成的有机氯化物，作为稳定剂其用途很广，如润滑油、绝缘油、增塑剂、热载体、油漆、油墨等中都含有PCB。PCB对皮肤、肝脏、神经、骨骼等都有不良影响，且是一种致癌因子。1968年日本的“米糠油事件”就是由于人群食用了污染PCB的米糠油而引起
32、的。已有大量研究证明，微生物能够降解PCB。1978年，一位在美国工作的日本科学家从威斯康星一湖泊采集的污泥样本中分离到两种能“吃”多氯联苯的细菌，它们是产碱杆菌和不动杆菌。这两种细菌都能分泌一种特殊的酶，把PCB转化为联苯或对氯联苯，然后吸收这些分解产物，排出苯甲酸或取代苯甲酸，再由环境中其他微生物进一步降解。美国有三位科学家采集并分析了赫德森河河底的淤泥，也发现在富含PCB的河床淤泥中有专门分解和消耗剧毒PCB的厌氧细菌，并从海洋生境中获得了既能降解PCB同类化合物，又能代谢PCB本身的微生物。（2）对无机污染物的转化汞污染与转化汞在自然界主要以元素汞(Hg)和硫化汞(HgS)形式存在，
33、汞的无机化合物对动植物有很强的毒性。生物对汞的转化主要是指汞的甲基化和甲基汞的还原。汞的甲基化：在自然环境中，有些微生物可把元素汞和离子汞转化为甲基汞和二甲基汞。HgHg2+CH3 Hg+或HgHg2+CH3 Hg CH3甲基汞的还原作用：在被污染的河泥中存在一些抗汞细菌，能把甲基汞和离子汞还原成单质汞，亦可把甲基汞、乙基汞转化为单质汞和甲烷。砷的生物转化砷是一种毒性很强的金属元素，能使人与动物的中枢神经系统中毒，使细胞代谢酶系失去作用，还发现有致癌作用。微生物可通过甲基化作用和氧化还原作用参与砷的转化过程。砷酸盐甲基砷酸二甲基次砷酸三甲基砷二甲基砷RCH3微生物生成甲基砷的可能途径如下。镉的
34、生物转化一些微生物对镉有吸收和转化作用。例如，蜡状芽孢杆菌、大肠埃希菌和黑曲霉等，在含有Cd2+的培养基上生长时，体内能浓缩大量的镉；假单胞杆菌的变异株，不仅能使镉甲基化，而且在有维生素B12的参与下能将无机二价镉化物转化生成少量的挥发性镉化物。铅的生物转化微生物可使铅甲基化，产生四甲基铅(CH3)4Pb，四甲基铅具有挥发性。纯培养的假单胞菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属及气单胞菌属中的某些种，能将乙酸三甲基铅转化生成四甲基铅，但不能转化无机铅。4.4.6微生物降解动力学微生物的生长是指微生物在适宜的环境条件下不断吸收营养物质，合成自身的细胞组分，细胞原生质不断增加，细胞的重量和体积不断增大的过程。
35、在液体培养基中典型的细菌生长包括停滞期、对数生长期、稳定期和衰亡期四个阶段，它们构成了细菌的生长曲线。微生物的生长可分为个体生长和群体生长。由于微生物个体很小，其个体生长无实际意义，所以，一般通过液体培养来研究其群体生长。培养方法有分批培养和连续培养两种。（1）分批培养将一定量微生物接种到固定量的培养基中进行培养称为分批培养或间歇培养(batch culture)，它是一个封闭体系，微生物在分批培养中的生长速度随时间而发生有规律性的变化。单细胞微生物的生长曲线可以分为延迟期、对数期、稳定期和衰亡期四个生长时期。对数生长期中微生物的生长可用数学模型表示。 （4-10）式中，N每毫升培养液中细胞的
36、数目；X每毫升培养液中的生物量；比生长率(specific growth rate)即每单位数量的细胞在单位时间内的增长量；t培养时间，h。对式(4-10)积分得lnNt-lnN0=(t1-t0) (4-11)将上式转换成以10为底的对数 (4-12) (4-13)Nt与N0分别代表时间t和t0时的细胞数量。因此只要知道t1-t0如所用的时间和N0与Nt的量，就可以由式(4-13)求出该条件下的。在细菌个体生长里，每个细胞分裂繁殖一代所需的时间为世代时间(generation time)，在群体生长中细胞数量增加一倍所需的时间称为倍增时间(doubling time)。世代时间通常以G表示。根
37、据式(4-11)，可以求世代时间与比生长速率之间的关系： (4-14)（2）连续培养连续培养(continuous culture)是指通过一定的方式使微生物能以恒定的比生长率生长并能维持生长的一种培养方法。连续培养克服了在分批培养中由于营养物质的消耗和代谢产物的积累而导致微生物生长停止的缺点。恒化培养：保持培养液的流速不变，使培养罐内的营养物质浓度基本恒定，并使微生物始终在低于其最高生长速度的条件下进行繁殖。连续培养的控制方式 恒浊培养：根据体系中微生物的生长密度，不断调整培养液的流速，以取得菌体密度和生长速度恒定的微生物细胞的培养方式。4.4.7微生物降解转化的影响因素温度氧气和氧化还原电
38、位有效水分pH值辐射化学杀菌剂和抑菌剂4.5微生物的合成代谢微生物和高等生物一样，在进行分解代谢的同时，也能利用分解代谢、或无机物生物氧化、光合磷酸化作用产生的能量，将利用其分解代谢过程中产生的或来源于其环境的原料(如氨基酸、核苷酸等营养物质)合成细胞结构物质(如脂类、蛋白质、核酸等)和胞内贮能物质。4.5.1 CO2的固定CO2人工光合成固定法的反应历程可认为有两种途径：(a)途径：电子从增感剂的激活离子*Sn+传送给电子传达体M，使其变为带电荷的负离子M-。与此同时，光增感剂的激活离子被氧化为S(n+1)+。继而，它从电子供体D上获取电子返回原来状态， (b)途径：可见光照射，生成活性Sn
39、+，它首先从电子供与体上夺取电子，继而再向M过渡电子MM-后面与(a)途径相同，M-使CO2还原为有机物质。自养微生物同化CO2所需要的能量来自光能或无机物氧化所得的化学能，固定CO2的途径主要有以下三条：卡尔文循环：这个途径存在于所有化能自养微生物和大部分光合细菌中。 6 CO2+18ATP+12NAD(P)HC6H12O6+18ADP+12NAD(P)+18Pi还原性三羧酸循环固定CO2：每循环一次，可固定四分子CO2，合成一分子草酰乙酸，消耗三分子ATP、两分子NAD(P) H和一分子FADH。还原的单羧酸环：不需要ATP，只要有Fd(red)就可运转，Fd(red)由H2或NADH2提
40、供电子生成。4.5.2生物固氮固氮作用是将分子氮固定为化合态氮的过程。微生物固氮反应必须具备四个基本条件：固氮酶：固氮酶是固氮作用最主要的催化系统，由两种金属蛋白质，即钼铁蛋白和铁蛋白构成的复合酶，二者联合催化固氮反应。电子载体：固氮过程的电子载体是铁氧还原蛋白和黄素氧化还原蛋白。它们和脱氢酶NAD或NADP具有相似的作用，传递电子。电子供体：电子供体的性质与来源随微生物生理类型而异。已知有新陈代谢中间产物或最终产物、NADH2或NADPH2和作为光合作用固氮菌光化反应产生的激活电子三类。能量：能量来自各种生化反应产生的ATP。微生物固氮总反应可用图4-30表示。凡是影响微生物生命活动的环境因
41、素都将成为微生物固氮的影响因素，其中环境中的氧和氨是最重要的影响因素。氧的影响：微生物固氮作用可以因为固氮酶和固氮还原酶受氧抑制而受到阻遏。氧的这种抑制作用是它可以使固氮酶受到不可逆的失活氨的影响：氨可以抑制固氮菌的固氮作用，但对离体固氮酶无抑制作用，说明氨的抑制效应不在固氮酶本身，而是抑制了固氮酶的产生。4.5.3有机酸的合成三羧酸循环是产能反应和生物合成的重要代谢环节，其中的有机酸可被微生物利用，作为电子的供体和碳源。四碳、五碳、六碳酸均可在有氧环境下被微生物利用，通过氧化磷酸化产生能量。但三羧酸循环只有在受体分子草酰乙酸在每次循环后都能得到再生的情况下才能进行。若将三羧酸循环中的有机酸分
42、子移去用于生物合成将会影响三羧酸循环的进行。微生物可利用回补途径来解决这一矛盾。所谓回补途径就是指能补充兼用代谢途径(如三羧酸循环)中因合成代谢而消耗的中间代谢产物的反应。不同的微生物以及在不同条件下具有不同的回补途径。主要有乙醛酸循环途径和甘油酸途径。4.5.4糖类的合成（1）单糖的合成无论自养微生物还是异养微生物，其合成单糖的途径一般都是通过EMP途径逆行合成葡萄糖-6-磷酸，然后再转化为其他的糖。糖合成的中心环节是葡萄糖的合成。生物合成反应中所需的己糖可从外界环境获得或用非糖前体物来合成。己糖生物合成中的两个关键中间物是葡萄糖-6-磷酸和UDP-葡萄糖。戊糖是己糖脱去一个碳原子得到的，这
43、个反应可由多种途径实现。 (2)多糖的合成微生物细胞内所含的多糖是一种多聚物，包括同多糖和杂多糖。同多糖是由相同单糖分子聚合而成的糖类，如糖原、纤维素等。杂多糖是由不同单糖分子聚合而成的糖类，如肽聚糖、脂多糖和透明脂酸等。多糖的合成不仅仅是分解反应的逆转，而是以一种核苷糖为起始物，接着糖单位逐个地添加在多糖链的末端。促进合成的能量是由核苷糖中高能糖-磷酸键水解中得到。4.5.5核苷酸的生物合成核酸分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)，它们都由四种核苷酸组成。DNA的四种核苷酸为腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸；在RNA中为相应的核糖核苷酸，但其中的胸腺嘧啶被尿嘧啶代替，所以在核酸中共有五种碱基，八种核苷酸。每种核酸都是由四种核苷酸按一定的规律排列，互相连接形成长链，两种长链按A-T(或A-U)、G-C配对，并以共价键或氢键连接形成一个超螺旋双链，因此，核酸的合成就是核苷酸合成和双链核酸合成。4.5.6氨基酸、多肽、蛋白质的合成蛋白质是细胞的重要组成物质，其中一些是酶的主体。蛋白质的构成单元是氨基酸，所以氨基酸虽不是细胞的组成物质和重要的贮存物质，但氨基酸的生物合成对微生物来说仍是十分重要的。因此，微生物蛋白质合成分为氨基酸生物合成和蛋白质生物合成两步。专心-专注-专业