第五章：微生物在物质循环中的作用(修改课件).ppt

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1、第六章第六章 微生物在环境微生物在环境 物质循环中的作用物质循环中的作用有机污染物生物净化有机污染物生物净化有机污染物生物净化有机污染物生物净化天然物质、人工合成物质天然物质、人工合成物质 无机污染物生物净化无机污染物生物净化无机污染物生物净化无机污染物生物净化l有机污染物的生物净化机理 净化本质净化本质微生物转化为微生物转化为无机物无机物无机物无机物 依靠依靠好氧分解与厌氧分解好氧分解与厌氧分解厌氧分解厌氧分解厌氧分解厌氧分解厌氧细菌厌氧细菌 原理：原理：原理：原理：发酵、厌氧无机盐呼吸发酵、厌氧无机盐呼吸好氧分解好氧分解好氧分解好氧分解细菌是其中的主力军细菌是其中的主力军 原理：原理：原理

2、：原理：好氧有机物呼吸好氧有机物呼吸 第一节第一节 碳素生物循环碳素生物循环一、微生物分解有机物的一般途径（一）复杂有机物分解为简单有机物（二）简单有机物的有氧分解1、完全氧化2、不完全氧化（三）简单有机物的无氧分解机甲烷的生产1、简单有机物的无氧分解 糖类和其它的简单有机物在厌氧条件下通过发酵和无氧呼吸产生不完全氧化和还原态度产物如有机酸类、醇类、醛类等2、甲烷的生产（1）甲烷产生菌（2）甲烷生产的基质：以CO2为电子受体，H2为电子供体，将CO2还原为CH4还可以利用CO,CH3OH,CHOOH,CH3CHOOH,甲胺、二甲胺 一、碳源污染物的转化一、碳源污染物的转化包括包括:糖类、蛋白质

3、、脂类、石油和人工合成的有机化糖类、蛋白质、脂类、石油和人工合成的有机化合物等合物等。（一）糖类污染物（一）糖类污染物（一）糖类污染物（一）糖类污染物提问：提问：哪些糖类会成为污染物？哪些糖类会成为污染物？难难溶溶的的多多糖糖，且且当当一一些些难难溶溶解解的的多多糖糖数数量量较较大大时时才才会会使使自自净净时时间间大大大大增增加加，从从而而对对环环境境造造成成污污染染。这这类类多多糖糖主主要要是是纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉。1 1纤维素的转化纤维素的转化纤维素的转化纤维素的转化葡葡萄萄糖糖高高聚聚物物，每每个个纤纤维维素素分分子子含含14001

4、0000个个葡萄糖基（葡萄糖基（1-4糖苷键）。糖苷键）。来来来来源源源源：棉棉纺纺印印染染废废水水、造造纸纸废废水水、人人造造纤纤维维废废水水及及城城市垃圾等，其中均含有大量纤维素。市垃圾等，其中均含有大量纤维素。A A微生物微生物分解途径分解途径分解途径分解途径纤维素分解酶1、C1酶水解未降解的天然纤维素2、-1,4-葡萄糖酶不能水解天然的纤维素，只能切割部分降解的多糖。3、-葡萄糖苷酶B B分解纤维素的微生物分解纤维素的微生物分解纤维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、噬纤维菌属、生孢噬纤维菌属和粘细菌、噬纤维菌属、生孢噬纤维菌属和 纤维弧菌、纤维单胞菌属纤维弧菌、纤维单

5、胞菌属厌氧细菌厌氧细菌产纤维二糖产纤维二糖芽孢梭菌芽孢梭菌、无芽孢厌氧分解菌、无芽孢厌氧分解菌 及嗜热纤维芽孢梭菌。及嗜热纤维芽孢梭菌。放放 线线 菌菌诺卡氏菌、小单胞菌、链霉菌属。诺卡氏菌、小单胞菌、链霉菌属。真真 菌菌青霉菌、曲霉、根霉、镰刀霉、木霉及毛青霉菌、曲霉、根霉、镰刀霉、木霉及毛 霉、葡萄穗霉和嗜热霉等。霉、葡萄穗霉和嗜热霉等。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。2 2半纤维素的转化半纤维素的转化半纤维素的转化半纤维素的转化存存在在于于植植物物细细胞胞壁壁的的杂杂多多糖糖。造造纸纸废废水水和和人人造造纤纤维废水中含半纤维素。维

6、废水中含半纤维素。分解过程分解过程分解过程分解过程 TCA循环循环 聚糖酶聚糖酶 CO2+H2O 半纤维素半纤维素 单糖单糖+糖醛酸糖醛酸 H2O 各种发酵产物各种发酵产物 厌氧分解厌氧分解分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。许许多多芽芽孢孢杆杆菌菌、假假单单胞胞菌菌、节节细细菌菌及及放放线线菌菌能能分分解解半半纤纤维维素素。霉霉菌菌有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。Lignin Lignin 木质素木质素木质素木质素木质素木质素 空腔空腔 纤维素纤维素木质素存在于除苔藓和藻类外所有植物的细胞壁中，由松柏醇

7、、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度由松柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度分枝多聚物。分枝多聚物。3 3木质素的转化木质素的转化木质素的转化木质素的转化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？确证的只有确证的只有真菌中的黄孢原毛平革菌真菌中的黄孢原毛平革菌，疑似的只有，疑似的只有软软腐菌。腐菌。黄孢原平毛革菌黄孢原平毛革菌黄孢原平毛革菌黄孢原平毛革菌(Phanerochaete chrysosprium)是是白腐真菌白腐真菌的一的一种，隶属于担子菌纲、同担种，隶属于担子菌纲、同担子菌亚纲、非褶菌目、丝核子菌亚纲、非褶菌目、丝核菌科。菌科。白腐白腐树皮上木质

8、素被该菌分解后漏出白色白色的纤维素部分。*木质素降解的意义何在呢？如何实现工业化白腐菌降木质素降解的意义何在呢？如何实现工业化白腐菌降解木质素呢？解木质素呢？（二）油脂的转化（二）油脂的转化（二）油脂的转化（二）油脂的转化水水中中来来源源：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水、制制革革厂废水含有大量油脂厂废水含有大量油脂降解油脂较快的微生物：降解油脂较快的微生物：细细 菌菌 荧荧光光杆杆菌菌、绿绿脓脓杆杆菌菌、灵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1 1降解石油的

9、微生物降解石油的微生物降解石油的微生物降解石油的微生物降解石油的微生物很多，据报道有降解石油的微生物很多，据报道有200多种多种细细 菌菌 假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产碱杆菌属假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产碱杆菌属放线菌放线菌 诺卡氏菌诺卡氏菌酵母菌酵母菌 假丝酵母假丝酵母霉霉 菌菌 青霉属、曲霉属青霉属、曲霉属藻藻 类类 蓝藻和绿藻蓝藻和绿藻（三）石油的转化（三）石油的转化（三）石油的转化（三）石油的转化2 2石油的降解机理石油的降解机理石油的降解机理石油的降解机理A A链烷烃的降解链烷烃的降解链烷烃的降解链烷烃的降解 +O2R-CH2-CH2-CH3 R-CH2-CH2-COOH-氧

10、化氧化 CO2+H2O CH2-COOH +R-COOHB B无支链环烷烃的降解：无支链环烷烃的降解：无支链环烷烃的降解：无支链环烷烃的降解：以环己烷为例以环己烷为例 C C芳香烃芳香烃芳香烃芳香烃芳芳香香烃烃普普遍遍具具有有生生物物毒毒性性，但但在在低低浓浓度度范范围围内内它它们们可可以不同程度的被微生物分解。以不同程度的被微生物分解。已知降解不同芳香烃的细菌类别已知降解不同芳香烃的细菌类别 苯和酚的代谢苯和酚的代谢苯和酚的代谢苯和酚的代谢苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所示苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所示 苯的代谢苯的代谢苯的代谢苯的代谢萘萘萘萘的的的的代代代代谢谢谢谢菲的代谢菲的代谢菲的代谢

11、菲的代谢蒽的代谢蒽的代谢蒽的代谢蒽的代谢酚也是酚也是先被氧化为邻苯二酚先被氧化为邻苯二酚，这样各类芳香烃在降解，这样各类芳香烃在降解的后半段是相同的，可表示如下的后半段是相同的，可表示如下提问：提问：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微生物缺乏相应的水解酶二、人工合成的难降解碳源污染物的转化二、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之久久,或或在在人人工工生生物物处处理理系系统统,几小时或几天之内还未能被分解或消除几小时或几天之内还未能被

12、分解或消除种种类类：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。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、热热载体、油墨等都含有）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以及沙雷氏菌的突变体及沙雷氏菌的突变体 通过通过通过通过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。*共共代代谢谢研研究究进进展展及及其其成

13、成果果对对环环保保的的应应用用现现状状？2 2洗涤剂洗涤剂洗涤剂洗涤剂可分为可分为阴离子型、阳离子型、非离子型、两性电解质阴离子型、阳离子型、非离子型、两性电解质四类。四类。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。较较早早开发的是非线性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸盐（开发的是非线性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸盐（ABS）：）：ABSABS甲基分支干扰生物降解甲基分支干扰生物降解，链末端与，链末端与4个碳原子相连的季碳个碳原子相连的季碳原子抗攻击的能力更强原子抗攻击的能力更强。A A降解洗涤剂的微生物降解洗涤剂的微

14、生物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、产产碱碱单单胞胞菌、产碱杆菌、微球菌、大多数固氮菌菌、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主要要是是洗洗涤涤剂剂中中的的添添加加剂剂聚聚磷磷酸酸盐造成的水体盐造成的

15、水体富营养化富营养化问题问题。B B洗涤剂的降解机理洗涤剂的降解机理洗涤剂的降解机理洗涤剂的降解机理蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、腈化物、硝基化合物等。蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、腈化物、硝基化合物等。（一）蛋白质的转化一）蛋白质的转化一）蛋白质的转化一）蛋白质的转化水水中中来来源源：生生活活污污水水、屠屠宰宰废废水水、罐罐头头食食品品加加工工废废水水、制制革废水等革废水等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好 氧氧 细细 菌菌 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、蜡状芽孢杆菌枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、

16、蜡状芽孢杆菌兼兼 性性 厌厌 氧氧 菌菌变形杆菌、假单胞菌变形杆菌、假单胞菌 厌厌 氧氧 菌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、生孢梭状芽孢杆菌此外，还有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及链霉菌此外，还有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及链霉菌(放线菌放线菌)。第二节第二节 氮循环氮循环2 2降解机理降解机理降解机理降解机理反硝化反硝化N23.3.典型含氮有机物的转化典型含氮有机物的转化典型含氮有机物的转化典型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合物物及及硝硝基化合物基化合物 水中来源：水中来源：化工腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等

17、。化工腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。危危 害：害：生物毒害生物毒害、环境积累、环境积累细细 菌菌紫色杆菌、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(茄茄科科病病镰镰刀刀霉霉)、木霉及担子菌等、木霉及担子菌等 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B B降解机理降解机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缩合成为氨基乙腈，进而合成为丙氨酸。氨基乙腈，进而合成为丙氨酸。HCN CH3COH CH3CHNH2CN CH3CHNH2COOH 甲醛甲醛甲醛甲醛 氨基乙腈氨基乙腈氨基乙腈氨基乙腈 丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸