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1、1、主要物质的循环、主要物质的循环（氧、碳、氮、硫、磷氧、碳、氮、硫、磷）2、微生物对有机物的降解过程、微生物对有机物的降解过程主要内容：主要内容：第1页/共83页重点、难点、授课学时重 点：l微生物对含碳、含氮、含硫等物质的分解与转化作用。难 点：l物质在微生物作用下的好氧、厌氧分解与转化作用l微生物在碳循环和氮循环中的生物作用。授课学时：2学时第2页/共83页 天然物质循环天然物质循环 污染物质循环污染物质循环 包括各种物质元素：包括各种物质元素：O、C、N、P、S、Fe等等 推动物质进行循环的作用：推动物质进行循环的作用：物理作用物理作用 化学作用化学作用 生物作用生物作用第3页/共83
2、页第一节第一节第一节第一节 氧循环氧循环氧循环氧循环 大气、水体中的大气、水体中的O2呼吸作用CO2光合作用第4页/共83页 O2在大气中分布均匀，而在水体中有垂直方向上的变化。在大气中分布均匀，而在水体中有垂直方向上的变化。P198图图2.2-1夏季湖泊含氧量及水温的分层情况。夏季湖泊含氧量及水温的分层情况。表层富氧底层贫氧冬季冬季夏季第5页/共83页 含碳物质有含碳物质有COCO2 2、碳水化合物、脂肪、蛋白质等。、碳水化合物、脂肪、蛋白质等。碳的循环是以碳的循环是以COCO2 2为中心的。为中心的。第二节 碳 循 环 第6页/共83页碳循环碳循环微生物厌氧分解微生物好氧分解食用呼吸 陆地
3、植物动物残体有机酸单糖维生素氨基酸CO2光合作用 第7页/共83页碳循环光合作用藻类、绿色植物、蓝细菌（CH2O）n有机化合物呼吸作用动植物及微生物CO2厌氧呼吸、发酵厌氧微生物，包括光合细菌（异养）有机化合物（CH2O）n光合细菌(自养)沉积作用产甲烷细菌甲基化合物甲烷氧化细菌CH4水体需氧厌氧第8页/共83页一、纤维素的转化一、纤维素的转化 纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，(C(C6 6H H1010O O5 5)n)n，n=1400-10000 n=1400-10000 来源：来源：以树木、农作物为原料的工业生产，以树木、农作物为原料的工业生产，如造纸、印染等
4、。如造纸、印染等。作用的微生物：作用的微生物：细菌、放线菌和真菌。细菌、放线菌和真菌。分解过程：分解过程：首先经过微生物胞外酶（水解酶）首先经过微生物胞外酶（水解酶）的作用，使之水解成可溶性的较简单的葡萄糖的作用，使之水解成可溶性的较简单的葡萄糖后，才能被微生物吸收分解。后，才能被微生物吸收分解。几种含碳化合物的转化：第9页/共83页细菌、放线菌和真菌纤维素的转化：纤维素酶 纤维二糖酶 纤维素 纤维二糖 葡萄糖 好氧分解 H2O 葡萄糖 丙酮丁醇发酵 丙酮 +丁醇 +CO2+H2 厌氧发酵 丁酸发酵 丁酸 +乙酸 +CO2+H2 三羧酸 循 环 厌氧发酵 CO2ATP第10页/共83页分解纤维
5、素的微生物分解纤维素的微生物好氧细菌好氧细菌粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌厌厌氧氧细细菌菌产产纤纤维维二二糖糖芽芽孢孢梭梭菌菌、无无芽芽孢孢厌厌氧氧分分解解菌及嗜热纤维芽孢梭菌。菌及嗜热纤维芽孢梭菌。放放 线线 菌菌链霉菌属。链霉菌属。真真 菌菌青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。需要时可以向需要时可以向有菌种库的研究机构购买有菌种库的研究机构购买或或自行筛选自行筛选。第11页/共83页纤维素酶所在的部位纤维素酶所在的部位 细菌：结合在细胞质膜上，是细菌：结合在细胞质膜上，是表面酶表面酶。真菌、放线菌：真菌、放线菌：胞外酶胞外酶第12页
6、/共83页二、二、半纤维素的转化半纤维素的转化存在于植物细胞壁的杂多糖。造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。分解过程分解过程 TCA循环 聚糖酶 CO2+H2O 半纤维素 单糖+糖醛酸 H2O 各种发酵产物 厌氧分解分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。第13页/共83页三、三、果胶质的转化果胶质的转化 果胶质存在于植物的细胞壁和细胞间质中。果胶质存在于植物的细胞壁和细胞间质中。造纸废水、制麻废水中含有果胶质。造纸废水、制麻废水中含有果胶质。1.果胶质水解过程果胶质水解过程 原果胶原果胶H2O 可溶性果胶聚戊糖可溶性果胶聚戊糖可溶性果胶可溶性果胶H2O 果胶酸甲醇果胶酸甲醇 果胶酸果胶酸H2
7、O 半乳糖醛酸半乳糖醛酸 原果胶酶果胶甲酯酶聚半乳糖酶第14页/共83页2.水解产物的分解水解产物的分解水解产物：果胶酸、聚戊糖、半乳糖醛酸、甲水解产物：果胶酸、聚戊糖、半乳糖醛酸、甲醇醇好氧条件：好氧条件：CO2和和H2O厌氧条件：丁酸、乙酸、醇类、厌氧条件：丁酸、乙酸、醇类、CO2和和H23.分解果胶质的微生物分解果胶质的微生物细菌、放线菌和真菌细菌、放线菌和真菌好氧菌：枯草芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌等好氧菌：枯草芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌等厌氧菌：蚀果胶梭菌、费新尼亚浸麻梭菌厌氧菌：蚀果胶梭菌、费新尼亚浸麻梭菌真菌：青霉、曲霉、木霉、根霉等真菌：青霉、曲霉、木霉、根霉等第15页/共83页四、四、
8、淀粉的转化淀粉的转化P2011.淀粉的种类淀粉的种类 直链淀粉直链淀粉 支链淀粉支链淀粉 (C6H10O5)1200 淀粉主要来自植物淀粉主要来自植物 淀粉厂废水、酒厂、印染废水、抗生素发酵废水及生活污水等含有淀粉。淀粉厂废水、酒厂、印染废水、抗生素发酵废水及生活污水等含有淀粉。第16页/共83页12.淀粉的降解途径淀粉的降解途径途径途径1：枯草杆菌、根霉、曲霉将淀粉分解为：枯草杆菌、根霉、曲霉将淀粉分解为COCO2 2途径途径2：根霉和曲霉、酵母菌先将淀粉转化为葡萄：根霉和曲霉、酵母菌先将淀粉转化为葡萄糖糖 接着由酵母菌将葡萄糖发酵为乙醇和接着由酵母菌将葡萄糖发酵为乙醇和COCO2 2途径途
9、径3：梭状芽孢杆菌参与发酵：梭状芽孢杆菌参与发酵途径途径4：丁酸梭状芽孢杆菌参与发酵途径：丁酸梭状芽孢杆菌参与发酵途径234第17页/共83页五五、脂肪的转化、脂肪的转化P203由饱和脂肪酸和甘油组成的，常温下呈固态的称为脂；由饱和脂肪酸和甘油组成的，常温下呈固态的称为脂；由不饱和脂肪酸和甘油组成，在常温下呈液态的称为油。由不饱和脂肪酸和甘油组成，在常温下呈液态的称为油。水水中中来来源源：毛毛纺纺、毛毛条条厂厂废废水水、油油脂脂厂厂废废水水、肉肉联联厂厂废废水、制革厂废水含有大量油脂水、制革厂废水含有大量油脂降解脂肪较快的微生物：降解脂肪较快的微生物：细细 菌菌 荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌荧光
10、杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌丝状菌丝状菌 放线菌、分支杆菌放线菌、分支杆菌真真 菌菌 青霉、乳霉、曲霉青霉、乳霉、曲霉途径：途径：水解水解+氧化氧化第18页/共83页脂肪的水解甘油的转化甘油的转化脂肪酸的脂肪酸的氧化氧化 TCA循环第19页/共83页18碳硬脂酸8FADH2+8NADH2+9CH3COSCoATCAATPH2OCO2以硬脂酸为例以硬脂酸为例1mol1mol硬脂酸含硬脂酸含1818个碳原子，需要经过个碳原子，需要经过8 8次次氧氧化作用化作用，全部降解为，全部降解为9mol9mol乙酰辅酶乙酰辅酶A A。18碳硬脂酸8FADH2+8NADH2+9CH3COSCoATCAATPH2OCO
11、2第20页/共83页18碳硬脂酸完全氧化可产生的能量碳硬脂酸完全氧化可产生的能量1mol1mol乙酰辅酶乙酰辅酶A A经三羧酸循环氧化产生经三羧酸循环氧化产生 12molATP12molATP1mol1molFADHFADH2 2经呼吸链氧化产生经呼吸链氧化产生 2molATP2molATP1mol1molNADHNADH2 2经呼吸链氧化产生经呼吸链氧化产生 3molATP3molATP总共产生总共产生 17molATP17molATP开始激活硬脂酸时消耗开始激活硬脂酸时消耗 -1molATP1molATP净得净得 16molATP 16molATP 第一步第21页/共83页P103第22页
12、/共83页1mol硬脂酸完全氧化，共得能量：1617712147molATP第一次氧化最后一次氧化注：1mol葡萄糖38molATP第23页/共83页18碳硬脂酸碳硬脂酸 8FADH2+8NADH2+9CH3COSCoA82168324129108共得148molATP，硬脂酸在开始被激活时消耗1molATP，所以净得147molATP第24页/共83页Lignin Lignin 木质素木质素木质素 空腔 纤维素六六、木质素的转化、木质素的转化木质素存在于除苔藓和藻类外所有植物的细胞壁中，第25页/共83页自然界中哪些微生物能够进行木质素的降解呢自然界中哪些微生物能够进行木质素的降解呢？干朽菌
13、、多孔菌、伞菌等的一些种，厚孢毛霉和松栓干朽菌、多孔菌、伞菌等的一些种，厚孢毛霉和松栓菌菌黄孢原平毛革菌黄孢原平毛革菌(Phanerochaetechrysosprium)是白腐真菌的一种，隶属于担子菌纲、同担子菌亚纲、非褶菌目、丝核菌科。白腐树皮上木质素被该菌分解后漏出白色的纤维素部分。第26页/共83页七、七、烃类物质的转化烃类物质的转化 微生物：甲烷假单胞菌、分枝杆菌、头孢霉、青霉。1.烷烃的转化第27页/共83页 芳香烃：酚、苯、萘、菲、蒽等。芳香烃：酚、苯、萘、菲、蒽等。炼油厂、煤气厂、焦化厂及化肥厂的废水中含有炼油厂、煤气厂、焦化厂及化肥厂的废水中含有芳香烃。芳香烃。已知降解不同芳
14、香烃的细菌类别2.芳香烃化合物的转化第28页/共83页 苯的代谢苯的代谢第29页/共83页萘萘的的代代谢谢第30页/共83页菲的代谢菲的代谢菲的代谢菲的代谢第31页/共83页蒽的代谢蒽的代谢第32页/共83页苯、萘、菲、蒽的代谢途径苯、萘、菲、蒽的代谢途径苯邻苯二酚己二烯二酸酮基己二酸琥珀酸乙酰辅酶ACO2H2O萘菲蒽第33页/共83页为什么这些有机物难于生物降解？为什么这些有机物难于生物降解？微生物缺乏相应的水解酶人工合成的难降解碳源污染物的转化人工合成的难降解碳源污染物的转化难难对对于于自自然然生生态态环环境境系系统统，如如果果一一种种化化合合物物滞滞留留可可达达几几个个月月或或几几年年之
15、之久久，或或在在人人工工生生物物处处理理系系统统，几几小小时时或或几几天天之之内内还还未未能能被被分分解解或或消消除除种类：稳定剂、表面活性剂、人工合成的聚合物、杀虫剂、除草剂以及各种工艺流程中的废品等。第34页/共83页1.氯苯类氯苯类用用 途途：稳稳定定剂剂（润润滑滑油油、绝绝缘缘油油、增增塑塑剂剂、油油漆漆、热载体、油墨等都含有）热载体、油墨等都含有）危危 害：害：急性中毒，是急性中毒，是一种致癌因子一种致癌因子（米糠油事件）（米糠油事件）降降 解解 菌菌：产产碱碱杆杆菌菌、不不动动杆杆菌菌、假假单单胞胞菌菌、芽芽孢孢杆杆菌菌以及沙雷氏菌的突变体以及沙雷氏菌的突变体 通过通过通过通过共代
16、谢共代谢共代谢共代谢完成氯苯的完全降解完成氯苯的完全降解完成氯苯的完全降解完成氯苯的完全降解。*共代谢研究进展及其成果对环保的应用现状共代谢研究进展及其成果对环保的应用现状？第35页/共83页2洗涤剂洗涤剂可可分分为为阴阴离离子子型型、阳阳离离子子型型、非非离离子子型型、两两性性电电解解质质四四类类我我国国目目前前生生产产的的洗洗涤涤剂剂属属于于阴阴阴阴离离离离子子子子型型型型烷烷烷烷基基基基苯苯苯苯磺磺磺磺酸酸酸酸钠钠钠钠。较较早早 开开 发发 的的 是是 非非 线线 性性 的的 丙丙 烯烯 四四 聚聚 物物 型型 烷烷 基基 苯苯 磺磺 酸酸 盐盐（ABS）：）：ABSABS甲基分支干扰生
17、物降解，链末端与4个碳原子相连的季碳原子抗攻击的能力更强。第36页/共83页A降解洗涤剂的微生物降解洗涤剂的微生物细细 菌菌假假单单胞胞菌菌、邻邻单单胞胞菌菌、黄黄单单胞胞菌菌、产产碱碱单单胞菌、产碱杆菌、微球菌、大多数固氮菌胞菌、产碱杆菌、微球菌、大多数固氮菌放线菌放线菌诺卡氏菌诺卡氏菌由由于于这这些些微微生生物物的的作作用用，虽虽然然每每年年排排放放入入环环境境中中的的洗洗涤涤剂剂数数量量逐逐年年递递增增，但但环环境境中中并并没没有有发发生生洗洗涤涤剂剂的的明明显显增增加加。因因而而洗洗涤涤剂剂一一般般不不会会引引起起环环境境的的有有机机污污染染。洗洗涤涤剂剂目目前前存存在在的的问问题题主
18、主要要是是洗洗涤涤剂剂中中的的添添加加剂聚磷酸盐造成的水体剂聚磷酸盐造成的水体富营养化富营养化问题问题。第37页/共83页第38页/共83页共代谢研究进展及其成果对环保的应用现状共代谢研究进展及其成果对环保的应用现状？共代谢共代谢（co-metabolismco-metabolism）指微生物在有它可利用的唯一碳源存在时指微生物在有它可利用的唯一碳源存在时,对它原来不能利用的物质也能分解代谢的现象。对它原来不能利用的物质也能分解代谢的现象。例如例如:甲烷假单胞菌，甲烷；乙烷、丙烷和丁烷甲烷假单胞菌，甲烷；乙烷、丙烷和丁烷,氧化为乙酸、丙酸、丁酸。氧化为乙酸、丙酸、丁酸。共代谢作用是共代谢作用是
19、19591959年年/美国德克萨斯大学美国德克萨斯大学/Leadbetter/Leadbetter和和FosterFoster发现的发现的,当培养基中存在一种或多种用于微生物生长的烃当培养基中存在一种或多种用于微生物生长的烃类时微生物对作为辅助物质的、非用于生长的烃类时微生物对作为辅助物质的、非用于生长的烃类的氧化作用类的氧化作用一级基质一级基质,二级基质。二级基质。第39页/共83页(1)生物在正常生长代谢过程中对二级基质的共同氧化厌氧微生物食物链系统：葡萄糖的存在可为相关的微生物提供碳源和能源,另外,葡萄糖经相关微生物的代谢还可为受试有机物的开环提供必须的还原力和各种辅酶。厌氧条件下废水中
20、活性染料(活性翠蓝)的生物降解：发现以活性翠蓝为单一碳源时,厌氧菌不能降解活性翠蓝,但当进水中补充葡萄糖后,厌氧菌对葡萄糖和活性翠蓝产生了共代谢作用,活性翠蓝被降解第40页/共83页(2)微生物间的协同作用：指有些污染物的降解并不导致微生物的生长和能量的产生,它们只是在微生物利用一级基质时被微生物产生的酶降解或转化为不完全氧化产物,这种不完全氧化产物进而被另一种微生物利用并彻底降解普通的脱硫弧菌属、铜绿假单胞菌属在用苯甲酸单独培养单独培养时,均不能利用苯甲酸,在含有苯甲酸和SO42-的基质中共同培养共同培养时苯甲酸即可彻底被生物降解,同时SO42-被还原为H2S生物膜或颗粒污泥的形成能有效地发
21、挥微生物间的协同作用,提高难降解物质的生物降解率。第41页/共83页(3)一级基质不存在时休眠细胞对二级基质的利用用氯苯、邻二氯苯、间二氯苯、对二氯苯、1,2,4-三氯苯溶液驯化污泥,内源呼吸阶段,用这些污泥对这5种有机物进行降解,发现用氯苯、邻二氯苯、间二氯苯溶液驯化的污泥,能够有效地相互降解,诱导的酶系统具有一个共同特征,即要求被作用的二级基质苯环上至少具有一个“连续三空结构”;对二氯苯、1,2,4-三氯苯缺乏“连续三空结构”,因而不能被由上述3种有机物驯化的污泥降解,用这2种有机物驯化的污泥诱导的酶系统,只要求二级基质苯环上至少具有一个“连续二空结构”即可,所以用这2种有机物驯化的污泥能
22、够降解所有受试的5种有机物。第42页/共83页第三节第三节 氮循环氮循环P207第43页/共83页一、蛋白质水解与氨基酸转一、蛋白质水解与氨基酸转化化1.1.蛋白质水解蛋白质水解水中来源：生活污水、屠宰废水、罐头食品加工废水、制革废水等,土壤中：动植物残体的腐败第44页/共83页（1 1）降解蛋白质的微生物）降解蛋白质的微生物）降解蛋白质的微生物）降解蛋白质的微生物好氧细菌好氧细菌 链球菌和葡萄球菌链球菌和葡萄球菌好氧芽孢细菌好氧芽孢细菌枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌及马铃薯芽孢杆枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌及马铃薯芽孢杆菌菌 兼性厌氧兼性厌氧 菌菌变形杆菌、假单胞菌变形
23、杆菌、假单胞菌 厌氧菌厌氧菌腐败梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌腐败梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌致病菌致病菌链球菌、葡萄球菌链球菌、葡萄球菌真菌真菌曲霉、毛霉、木霉曲霉、毛霉、木霉放线菌放线菌链霉菌链霉菌第45页/共83页（2 2）降解机理）降解机理）降解机理）降解机理反硝化N2(好氧菌)O2氧化脱氨蛋白质 胨 肽 进入细胞 羧酸+NH3+H2S H2还原脱氨(厌氧菌)|细胞外水解|氨化作用|氧化羧酸 CO2+H2O 作为氮源参与同化代谢NH3 亚硝化细菌 硝化细菌NH3 HNO2 HNO3硝酸盐+O2+O2|硝化作用|硫磺细菌 硫化细菌H2S S H2SO4硫酸盐 +O2 +O2氨基酸第46
24、页/共83页2.氨基酸转化氨基酸转化（1）脱氨作用：）脱氨作用：有机氮化合物在氨化微生物的脱氨基作有机氮化合物在氨化微生物的脱氨基作用下产生氨。用下产生氨。氧化脱氨：氧化脱氨：好氧微生物好氧微生物还原脱氨：专性厌氧菌和兼性厌氧菌还原脱氨：专性厌氧菌和兼性厌氧菌第47页/共83页斯提克兰反应：斯提克兰反应：生芽孢杆菌对糖的代谢能生芽孢杆菌对糖的代谢能力差，只能以一种氨基酸作为供氢体，以另一力差，只能以一种氨基酸作为供氢体，以另一种氨基酸作为受氢体进行氧化还原反应，从而种氨基酸作为受氢体进行氧化还原反应，从而得到能量的现象。得到能量的现象。丙氨酸甘氨酸乙酸第48页/共83页 水解脱氨水解脱氨 减饱
25、和脱氨：减饱和脱氨：在在、位键减饱和为不饱和酸位键减饱和为不饱和酸第49页/共83页(2)脱羧作用第50页/共83页二、尿素的氨化二、尿素的氨化印染废水、生活污水第51页/共83页v 用酚红可检验此反应，呈红色说明有氨产生。用酚红可检验此反应，呈红色说明有氨产生。v 分解尿素的微生物：尿八叠球菌、尿小球菌等。分解尿素的微生物：尿八叠球菌、尿小球菌等。尿素细菌的生理特点：尿素细菌的生理特点：喜好碱性条件。喜好碱性条件。以尿素、铵盐为以尿素、铵盐为N N源，以有机碳为源，以有机碳为C C源、能源。源、能源。v 尿素分解时不放出能量，故不能作为能源，只能作为氮源。尿素分解时不放出能量，故不能作为能源
26、，只能作为氮源。第52页/共83页三、硝化作用三、硝化作用氨在有氧的条件下，经亚硝酸细菌和硝氨在有氧的条件下，经亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用转化为硝酸的过程。酸细菌的作用转化为硝酸的过程。1、硝化细菌和硝化作用的过程NH3 NO2-NO3-硝酸细菌亚硝酸细菌 微生物：亚硝化细菌、硝化细菌，G，为好氧菌，适宜在中性和偏碱性环境中生长，不需要有机营养（自养型）。第53页/共83页2 2、硝化作用的意义、硝化作用的意义 生活污水和工业废水如味精废水、赖氨酸废水等含有相当高浓度的氨氮。生活污水和工业废水如味精废水、赖氨酸废水等含有相当高浓度的氨氮。先将氨氮转化为硝酸盐（硝化作用），再通过反硝化作用将硝酸
27、氮还原为氮气溢出水面。先将氨氮转化为硝酸盐（硝化作用），再通过反硝化作用将硝酸氮还原为氮气溢出水面。第54页/共83页四、反硝化作用四、反硝化作用四、反硝化作用四、反硝化作用硝酸被还原为硝酸被还原为亚硝酸、氨和亚硝酸、氨和N2的作用的作用反硝化作用的危害 会使土壤肥力降低；影响二沉池的出水水质；产生致癌物质亚硝酸胺，危害人体健康。HNO3 N2O 或 N2NH3兼性厌氧菌在厌氧条件下进行1、反硝化作用的结果HNO2细菌、放线菌、真菌利用第55页/共83页五、固氮作用五、固氮作用五、固氮作用五、固氮作用 在固氮微生物的固氮酶催化作用下，把分子氮转化为氨，进而合成有机在固氮微生物的固氮酶催化作用下
28、，把分子氮转化为氨，进而合成有机氮化合物的过程。氮化合物的过程。固氮的基本反应式固氮的基本反应式 固氮微生物：根瘤菌、圆褐固氮菌、光合细菌等。固氮微生物：根瘤菌、圆褐固氮菌、光合细菌等。N26e6HnATP2NH3nADPnPi 第56页/共83页固氮作用分类：固氮作用分类：(1)自生固氮自生固氮 自生固氮微生物：在环境中自由生活，能独立进自生固氮微生物：在环境中自由生活，能独立进行固氮作用。在固氮酶的参与下，将分子氮固定成氨，行固氮作用。在固氮酶的参与下，将分子氮固定成氨，但并不释放到环境中去，而是合成氨基酸，组成自身但并不释放到环境中去，而是合成氨基酸，组成自身蛋白质。只有在死亡后，机体被
29、分解才会向环境释放蛋白质。只有在死亡后，机体被分解才会向环境释放氨。如拜氏菌属、光合细菌等。氨。如拜氏菌属、光合细菌等。(2)共生固氮共生固氮 共生固氮微生物只有在与其它生物紧密生活在一共生固氮微生物只有在与其它生物紧密生活在一起的情况下，才能固氮或才能有效地固氮。固氮效率起的情况下，才能固氮或才能有效地固氮。固氮效率高。如根瘤菌。高。如根瘤菌。(3)联合固氮联合固氮 固氮微生物仅存在于植物的根际，并不侵入根固氮微生物仅存在于植物的根际，并不侵入根毛生成根瘤，固氮效率较高。如雀稗固氮菌。毛生成根瘤，固氮效率较高。如雀稗固氮菌。第57页/共83页固氮条件固氮条件1.1.固氮酶固氮酶2.2.能量：
30、平均每还原能量：平均每还原1mol1mol氮，需要氮，需要24molATP24molATP3.3.氮源：氮源：N N2 2，当供给，当供给NHNH3 3、尿素和硝酸盐时固氮作用停止。、尿素和硝酸盐时固氮作用停止。4.4.固氮微生物生长环境条件：中性和偏碱性固氮微生物生长环境条件：中性和偏碱性5.5.氧的影响：在较低氧分压下固氮效果好氧的影响：在较低氧分压下固氮效果好 好氧固氮菌生长需要氧，固氮却不需要。好氧固氮菌生长需要氧，固氮却不需要。固氮菌对固氮菌对O O2 2敏感，从好氧固氮菌菌体内分离的敏感，从好氧固氮菌菌体内分离的固氮酶，一遇氧就发生不可逆失活。固氮酶，一遇氧就发生不可逆失活。第58
31、页/共83页六、其它含氮有机物的转化六、其它含氮有机物的转化 氰氰化化物物、乙乙腈腈、丙丙腈腈、正正丁丁腈腈、丙丙烯烯腈腈等等腈腈类类化化合物合物及及硝基化合物硝基化合物 水水中中来来源源：化化工工腈腈纶纶废废水水、国国防防工工业业废废水水、电电镀镀废废水水危危 害：害：生物毒害生物毒害、环境积累、环境积累A A降解这些物质的微生物降解这些物质的微生物降解这些物质的微生物降解这些物质的微生物细菌细菌紫色杆菌、假单胞菌紫色杆菌、假单胞菌放线菌放线菌诺卡氏菌诺卡氏菌真真菌菌氧氧化化性性酵酵母母菌菌和和霉霉菌菌中中的的赤赤霉霉菌菌、木木霉霉及及担子菌等担子菌等 第59页/共83页B B降解机理降解机
32、理降解机理降解机理a.a.氰化物氰化物氰化物氰化物5HCN+5.5O2 5CO2+H2O+5NH3b.b.有机腈有机腈有机腈有机腈担子菌还能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶的作用下缩合成为氨基乙腈，进而合成为丙氨酸。HCN CH3COH CH3CHNH2CN CH3CHNH2COOH 甲醛甲醛 氨基乙腈氨基乙腈 丙氨酸丙氨酸第60页/共83页自然界中的硫素循环自然界中的硫素循环第四节 硫循环 P214自然界中硫的三态：元素硫无机硫含硫有机物第61页/共83页水生环境中的硫素循环水生环境中的硫素循环第62页/共83页环境中的含硫有机物主要是生物体蛋白质组成环境中的含硫有机物主要是生物体蛋白质组成
33、成分中的含硫氨基酸。含硫有机物：成分中的含硫氨基酸。含硫有机物：v有氧条件下，最终产物为有氧条件下，最终产物为SO42；缺氧条件下，为缺氧条件下，为H2S和硫醇。和硫醇。v 氨化微生物氨化微生物都能分解含硫有机物。都能分解含硫有机物。一、含硫有机物的转化第63页/共83页1.硫化作用硫化作用 在有氧条件下，通过硫细菌的作用将还在有氧条件下，通过硫细菌的作用将还原态原态H2SSH2SO4的过程。的过程。硫磺细菌、硫化细菌硫磺细菌、硫化细菌(1)硫化细菌硫化细菌：硫杆菌属，硫杆菌属，G，氧化硫化氢、元素，氧化硫化氢、元素硫、硫代硫酸盐等，获得能量，产生硫酸，同化二氧硫、硫代硫酸盐等，获得能量，产生
34、硫酸，同化二氧化碳合成有机物。生长最适温度化碳合成有机物。生长最适温度2830，在偏酸，在偏酸性环境中生活。性环境中生活。二、无机硫的转化第64页/共83页 氧氧化化硫硫硫硫杆杆菌菌 氧氧化化元元素素硫硫能能力力强强、迅迅速速专专性自养菌。性自养菌。氧氧化化亚亚铁铁硫硫杆杆菌菌 可可氧氧化化硫硫酸酸亚亚铁铁、硫硫代代硫硫酸盐同时获得能量酸盐同时获得能量2S3O22H2O2H2SO4能量Na2S2O32O2H2ONa2SO4H2SO4能量2H2S+O22H2O+2S能量4FeSO4O2H2SO42Fe2(SO4)32H2O第65页/共83页(2)硫硫磺磺细细菌菌：H2SS，并并将将硫硫粒粒积积累
35、累在在细细胞内的细菌。胞内的细菌。丝状硫磺细菌、光能自养的硫细菌。丝状硫磺细菌、光能自养的硫细菌。丝丝状状硫硫磺磺细细菌菌 有有贝贝日日阿阿托托氏氏菌菌属属、透透明明颤颤菌菌属属、辫辫硫硫菌菌属属、亮亮发发菌菌属属和和发发硫硫菌菌属属等等。当当环环境境中中缺缺乏乏硫硫化化氢氢时时，就就将将积积累累的的硫硫粒粒氧氧化为硫酸，从中获得能量。均为化为硫酸，从中获得能量。均为G。当当曝曝气气池池DO在在1mg/L以以下下时时，硫硫化化物物含含量量较较多多，贝贝日日阿阿托托氏氏菌菌和和发发硫硫菌菌过过度度生生长长引起活性污泥丝状膨胀。引起活性污泥丝状膨胀。光光能能自自养养硫硫细细菌菌 含含细细菌菌叶叶绿
36、绿素素，在在光光照照下下，将将硫硫化化氢氢氧氧化化为为元元素素硫硫，在在体体内内或或体体外外积累硫粒。积累硫粒。第66页/共83页2.反硫化作用反硫化作用 指水体缺氧时，硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐和次亚硫酸盐在微生指水体缺氧时，硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐和次亚硫酸盐在微生物的还原作用下，形成硫化氢的过程。物的还原作用下，形成硫化氢的过程。C6H12O63H2SO46CO26H2O3H2S能量2CH3CHOHCOOHH2SO42CH3COOH2CO2H2S2H2O反硫化作用的危害：腐蚀水管、码头的钢桩P218图2.2-5 第67页/共83页第五节 磷循环 磷的三态：含磷有机物无机磷化合物PH
37、3第68页/共83页生物体中的含磷有机物有核酸、磷脂、植素。生物体中的含磷有机物有核酸、磷脂、植素。一、含磷有机物的转一、含磷有机物的转化化核酸酶水解核苷酸酶核苷酶 水解脱氨基核酸核苷酸核苷磷酸嘧啶核糖氨1.核酸第69页/共83页2.磷脂磷脂 卵卵磷磷脂脂是是含含胆胆碱碱的的磷磷酸酸脂脂，可可被被微微生生物物卵卵磷磷脂脂酶酶水水解解为为甘甘油油、脂脂肪肪酸酸、磷磷酸和胆碱。胆碱可再分解为氨、二氧化碳、有机酸和醇。酸和胆碱。胆碱可再分解为氨、二氧化碳、有机酸和醇。3.植素植素 植植素素是是由由植植酸酸和和钙钙、镁镁结结合合而而成成的的盐盐类类。植植素素在在土土壤壤中中分分解解很很慢慢，经经微微生
38、物的植酸酶分解为磷酸和二氧化碳。生物的植酸酶分解为磷酸和二氧化碳。第70页/共83页 洗涤剂洗涤剂中的磷酸盐为中的磷酸盐为可溶性可溶性的的磷酸钠磷酸钠 土壤土壤中的磷酸盐则主要是中的磷酸盐则主要是难溶难溶的的磷酸钙磷酸钙不溶性磷酸盐可溶性磷酸盐产酸微生物PH3厌氧二、无机磷化合物的转化二、无机磷化合物的转化卵磷脂、核酸、ATP第71页/共83页铁的存在形式：铁的存在形式：无机铁化合物：无机铁化合物：Fe2+（可溶性的）（可溶性的）Fe3+（不可溶的）（不可溶的）含铁有机物含铁有机物第六节 铁、锰的循环 第72页/共83页1.酸性矿水的污染酸性矿水的污染2.堵塞管道堵塞管道3.对生活饮用水的危害
39、对生活饮用水的危害第73页/共83页酸性矿水形成机制酸性矿水形成机制2FeS27O22H2O2FeSO42H2SO4通过FeS2的自然化学氧化产生FeSO4和H2SO44FeSO42H2SO4O22Fe2(SO4)32H2O在铁氧化细菌作用下，使Fe2+Fe3+FeS2 7Fe2(SO4)38H2O 15FeSO4 8H2SO42SFe2(SO4)3与黄铁矿继续作用产生更多的H2SO4，并析出S2S3O22H2O2H2SO4元素S在氧化硫硫杆菌的作用下生产硫酸第74页/共83页趋磁性细菌趋磁性细菌1.发现发现 19751975年年,有人用显微镜研究盐泽的泥浆沉淀物时有人用显微镜研究盐泽的泥浆沉
40、淀物时,观察到有些微生物持续不变观察到有些微生物持续不变地向一个方向游动地向一个方向游动,它们聚集在一滴污水的某一边缘。它们聚集在一滴污水的某一边缘。不管落在显微镜片上的光怎样分布不管落在显微镜片上的光怎样分布,细菌总是游向同一个边缘细菌总是游向同一个边缘,甚至当显微镜甚至当显微镜被木盒盖住、转向或移放到其它房间时，细菌仍然游向同一方向。被木盒盖住、转向或移放到其它房间时，细菌仍然游向同一方向。第75页/共83页 趋磁性行为趋磁性行为 实验证明：当把一小滴泥浆用暗场照明的显微实验证明：当把一小滴泥浆用暗场照明的显微镜在低倍率（约镜在低倍率（约80倍）下放大检查时，游动的、倍）下放大检查时，游动
41、的、折射光的细菌看起来像一些游动的小光点。在只折射光的细菌看起来像一些游动的小光点。在只有地磁场而没有其它磁场作用时，一些细菌就持有地磁场而没有其它磁场作用时，一些细菌就持续不断地向北游动，并聚集在小水滴的北面的边续不断地向北游动，并聚集在小水滴的北面的边缘。如果把一条形磁铁放在附近，细菌就游向吸缘。如果把一条形磁铁放在附近，细菌就游向吸引罗盘针指向北端的那一极。引罗盘针指向北端的那一极。第76页/共83页 引起趋磁性的内因是：在细菌的细胞质内有一些引起趋磁性的内因是：在细菌的细胞质内有一些50nm50nm宽的小颗粒，每一颗粒是一个单磁畴。这样的小宽的小颗粒，每一颗粒是一个单磁畴。这样的小颗粒
42、称为磁小体。它们通常是立方体或八面体、平行颗粒称为磁小体。它们通常是立方体或八面体、平行于细胞的长轴排列成单链或双链。于细胞的长轴排列成单链或双链。第77页/共83页第78页/共83页 鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。第79页/共83页2.趋磁细菌的用途趋磁细菌的用途 在信息存储中的应用：磁小体具有超微性（纳米级）、均匀性在信息存储中的应用：磁小体具有超微性（纳米级）、均匀
43、性和无毒性，可生产品位高的磁性生物材料，国外已开始了高清和无毒性，可生产品位高的磁性生物材料，国外已开始了高清晰、高保真的大容量超高密度磁记录材料的开发。晰、高保真的大容量超高密度磁记录材料的开发。在传感技术中的应用：日本研究人员已成功地将磁小体用于新在传感技术中的应用：日本研究人员已成功地将磁小体用于新型生物传感器的研究开发中。将抗体固定在磁小体微粒上，可型生物传感器的研究开发中。将抗体固定在磁小体微粒上，可定性或定量地检测多种蛋白抗原。定性或定量地检测多种蛋白抗原。第80页/共83页在医疗卫生上的应用：作为酶、药物或核酸（在医疗卫生上的应用：作为酶、药物或核酸（DNADNA、RNARNA）
44、的载体：把药物或抗体等固定在磁小体上，）的载体：把药物或抗体等固定在磁小体上，在外磁场的作用下，变成在外磁场的作用下，变成“运载火箭运载火箭”直接轰击靶直接轰击靶区区-病灶，从而提高对癌细胞等的杀伤力。病灶，从而提高对癌细胞等的杀伤力。制备磁化细胞：日本学者成功地将羊红细胞与趋磁制备磁化细胞：日本学者成功地将羊红细胞与趋磁细菌的细胞利用原生质体融合技术，获得具有磁敏细菌的细胞利用原生质体融合技术，获得具有磁敏感性的融合子感性的融合子-磁性红细胞，在磁场的作用下，磁磁性红细胞，在磁场的作用下，磁性红细胞仍保持原来形态。性红细胞仍保持原来形态。趋磁细菌还可望用于废水处理、发酵工业、人体内趋磁细菌还可望用于废水处理、发酵工业、人体内废物废物“透析透析”，加工含铁食品和饮料等领域，因此，加工含铁食品和饮料等领域，因此具有巨大的不可估量的应用价值和市场开发前景。具有巨大的不可估量的应用价值和市场开发前景。第81页/共83页本章小结本章小结氧循环碳循环氮循环硫循环磷循环铁、锰的循环第82页/共83页谢谢您的观看！第83页/共83页