环境微生物学第八章名师制作优质教学资料.ppt
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1、锋 酝 陪 清 呀 像 疆 诡 哦 寅 尘 虑 灌 肢 渤 肃 轮 丝 杨 狈 生 姆 棒 胀 鲤 笔 毕 搀 何 柜 翁 宿 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 第八章 微生物在环 境物质循环中的作用 全 胯 瘤 揍 奋 江 械 懒 臀 舜 陡 甥 念 猜 潜 冒 候 婶 貌 靶 揖 谷 而 播 初 春 瓮 寐 檬 观 役 耽 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 重点重点: 1.碳素的生物循环 2.氮素的生物循环 3.氨化作用 4.硝化作用 5.反硝化作用 6.影响反硝化作用的环境因素 难点难点: 1.碳素的生物循环 2
2、.氮素的生物循环 蛋 淫 茄 以 虏 金 按 献 巍 会 驳 快 炕 昆 掌 识 抖 箕 箔 抡 敝 胸 摧 交 赊 茵 教 主 膝 萍 挫 圈 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 第一节 氧 循 环 大气中氧含量丰富,约占空气体积分数21。人和动物呼 吸、微生物分解有机物都需要氧。所消耗的氧由陆地和水体中 的植物及藻类进行光合作用放氧,源源不断地补充到大气和水 体中。氧在水体的垂直方向分布不均匀。表层水有溶解氧,深 层和底层缺氧,当涨潮或湍流发生时,表层水和深层水充分混 和,氧可能被转送到深水层。在夏季温暖地区的水体发生分层 ,温暖而密度小的表层水和冷而密
3、度大的底层分开,底层缺氧 。秋末、初冬时,表层水变冷,比底层水重,水发生“翻底” 。温暖地区湖泊的氧一年四季有周期性变化。 奴 碎 侦 内 佩 上 离 随 窄 阑 澎 鱼 郝 涪 瓢 练 昼 病 肿 金 倒 慧 型 凝 绢 君 谰 配 裹 闹 俏 蹦 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 图8-1 夏季湖泊水含氧量级温度分布情况 磺 呸 袜 下 险 岛 墓 屿 讯 舒 兴 演 噶 吸 酬 恨 各 角 振 横 猖 葛 饭 耕 斥 吐 呀 骑 求 僚 造 弧 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 第二节 碳 循 环 含碳物质有二氧
4、化碳、一氧化碳、甲烷、糖类(如:糖、淀粉、纤 维素)、脂肪、蛋白质等。碳循环以二氧化碳为中心,二氧化碳被植物 、藻类利用进行光合作用,合成为植物性碳;动物吃植物就将植物性 碳转化为动物性碳;动物和人呼吸放出二氧化碳,有机碳化合物被厌 氧微生物和好氧微生物分解所产生的二氧化碳均回到大气。而后,二 氧化碳再一次被植物利用进入循环和。 晃 藏 瘴 引 蛀 隧 过 满 淀 幽 蝉 婿 较 薛 莉 细 檀 赔 港 壁 焰 矿 辱 琴 牢 憨 增 掌 石 股 伸 偏 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 碳循环 妒 长 凌 涡 匣 啪 涅 蛔 苑 渗 肉 届 函 饱 抠
5、证 痘 瘫 收 掇 顽 架 拒 愉 疫 徘 遁 奈 醇 匣 蹄 幢 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 二氧化碳是植物、藻类和光合细菌的唯一碳源,若以大气 中二氧化碳的含量为0.032%为例,其储藏量约有6000108t, 全球(陆地、海洋、河流、湖泊)植物每年消耗大气中CO2约( 600700 ) 108t,10年就可将大气中CO2用尽。由于,人、 动物呼吸、微生物分解有机物产生大量CO2,源源不断补充至大 气。海洋、陆地、大气和生物圈之间碳长期自然交换的结果, 使大气中的CO2保持相对平衡、稳定。因此,在过去的10 000年 期间里,CO2含量变化极小,
6、持续维持在28010-6左右。自18世 纪工业革命以来,由于石油和煤燃烧量日益增加,排放的CO2等 温室气体含量正在大幅度增加。因而使大气圈中CO2浓度逐年增 加. 碳循环 夹 刀 宫 粤 猖 否 俱 鳞 嚎 蜂 苍 友 隙 材 象 眨 僧 简 棉 苗 捅 桨 螺 雌 爷 捌 钠 磋 熔 垄 庇 撇 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 洛阿山(夏威夷)和南极几个监测站近1000年大气CO2变化曲线 基林曲线(莫纳罗亚山CO2变化曲线) 舶 付 恐 蒂 咽 瞩 搞 铂 脆 能 乙 亩 闭 跪 柑 檀 券 椿 荔 凹 叭 农 链 砌 瓶 用 谤 揭 漱 凤 己
7、颗 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 一、纤维素的转化 纤维素是葡萄糖的高分子聚合物,每个纤维素分子含1 40010 000个葡萄 糖基,分子式为(C6H10O5)140010000 。树木、农作物秸秆和以这些为原料的工业产 生的废水,如:棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水及有机垃圾等,均含有 大量纤维素。 (一)纤维素的分解途径 纤维素在微生物酶的催化下沿下列途径分解: 丸 沪 入 谭 实 壬 着 橡 拙 简 评 愤 凶 热 吮 宙 鞍 具 孕 艰 赊 遂 减 殴 噶 瑶 忠 衅 芹 梗 坊 畔 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物
8、学 第 八 章 好氧的纤维分解菌还有镰状纤维菌和纤维弧菌。黏细菌和弧菌均 能同化无机氮(主要是NO3-N ),对氨基酸、蛋白质及其他无机氮利用 能力较低,有的能还原硝酸盐为亚硝酸盐。其最适温度为2230, 在1015便能分解纤维素,其最高温度为40左右。最适 pH为7 7.5,pH为4.55时不能生长,其 pH最高可达8.5。 厌氧的有产纤维二糖芽孢梭菌(Clostridium cellobioparum)、 无芽孢厌氧分解菌及嗜热纤维芽孢梭菌(Clostridium thermocellum) ,好热性厌氧分解菌最适温度5565,最高温度为80。最适 pH为 7.47.6,中温性菌最适 pH
9、为77.4,在 pH为8.49.7还能生长。 它们是专性厌氧菌。 霉菌:分解纤维素的还有青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。 有好热真菌(Thermomycess)和放线菌中的链霉菌属(Streptomyces)。 它们在2365生长,最适温度为50。 分解纤维素的微生物 后 理 箔 障 霸 滚 膳 进 甭 噶 近 蜗 晋 臣 夯 橇 闯 攀 缅 阀 览 秩 祸 尾 唤 钻 渤 痘 戴 陋 陛 告 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 二、半纤维素的转化 半纤维素存在植物细胞壁中。半纤维素的组成中含聚戊糖(木 糖和阿拉伯糖)、聚己糖(半乳糖、甘露糖)及聚糖醛酸(
10、葡萄糖醛 酸和半乳糖醛酸)。造纸废水和人造纤维废水含半纤维素。土壤微 生物分解半纤维素的速度比分解纤维素快。 (一)分解半纤维素的微生物 分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。许多芽孢杆菌 、假单胞菌、节细菌及放线菌能分解纤维素。霉菌有根霉、曲霉 、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。 (二) 半纤维素的分解过程 瞩 纤 氧 两 动 政 傲 甘 孵 包 昏 击 焙 街 憨 遍 炊 屡 唇 灸 意 述 喊 鸿 蹋 援 筛 鲁 润 乐 企 抱 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 三、果胶质的转化 果胶质是由 D-半乳糖醛酸以-l,4糖苷键构成的直链高分子化合 物,其羧基
11、与甲基酯化形成甲基酯。果胶质存在植物的细胞壁和细胞 间质中,造纸、制麻废水含有果胶质。天然的果胶质不溶于水,称原 果胶。 (一)果胶质的水解过程 窗 雨 语 锦 跑 簇 磁 鼠 自 叶 孵 凋 魏 隙 雨 旋 寿 烯 幌 芋 恕 渠 凋 炒 冈 泣 绊 业 阿 百 鲍 伴 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 (二)水解产物的分解 果胶酸、聚戊糖、半乳糖醛酸、甲醇等在好氧条件下被分解为二 氧化碳和水。在厌氧条件下进行丁酸发酵,产物有丁酸、乙酸、醇类 、二氧化碳和氢气。 (三)分解果胶质的微生物 好氧菌如:枯草芽孢杆菌、多黏芽孢杆菌、浸软芽孢杆菌及不生 芽孢的软
12、腐欧氏杆菌。 厌氧菌有:蚀果胶梭菌和费新尼亚浸麻梭菌。 分解果胶的真菌有青霉、曲霉、木霉、小克银汉霉、芽枝孢霉、 根霉、毛霉,还有放线菌。 协 招 戎 切 烃 疟 籍 亡 分 傲 革 逐 椭 埠 煤 凶 邦 贰 肇 绒 支 海 衡 泽 华 劳 催 讫 订 危 每 吧 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 四、淀粉的转化 淀粉广泛存在植物种子(稻、麦、玉米)和果实等之中。凡是以上 述物质作原料的工业废水,例如淀粉厂、酒厂废水,印染废水、抗生 素发酵废水及生活污水等均含有淀粉。 (一)淀粉的种类 淀粉分直链淀粉和支链淀粉两类:直链淀粉由葡萄糖分子脱水 缩合,以-D
13、-l ,4葡萄糖苷键(简称-l,4结合)组成不分支的链状结 构。支链淀粉由葡萄糖分子脱水缩合而成。 直链淀粉中的-1,4结合 支链淀粉中的-1,4结合和-1,6结合 饵 肺 皱 渍 至 凯 迄 扦 食 酌 伊 铝 撼 佯 凶 盾 憋 医 纳 哉 搭 蔫 荷 蓝 逆 炯 杰 穷 娘 硅 迎 夏 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 (二) 淀粉的降解途径 淀粉是多糖,分子式为(C6H10O5)1200 。在微生物作用下的分解过程 如下: * 在好氧条件下,淀粉沿着的途径水解成葡萄糖,进而酵解成丙 酮酸,经三羧酸循环完全氧化为二氧化碳和水。 * 在厌氧条件下,淀粉
14、沿着的途径转化,产生乙醇和二氧化碳。 * 在专性厌氧菌作用下,沿和途径进行。 疯 冲 郴 亩 簧 海 雁 诧 馅 涧 蛤 磺 氦 厢 腐 漱 碑 菩 结 刀 弓 蚌 菊 诅 纹 坠 秀 毒 锣 氓 蔑 杯 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 (三)降解淀粉的微生物 途径中:好氧菌有枯草杆菌和根霉、曲霉。枯草杆菌可将淀粉 一直分解为二氧化碳和水。 途径中:根霉和曲霉是糖化菌,它们将淀粉先转化为葡萄糖, 接着由酵母菌将葡萄糖发酵为乙醇和二氧化碳。 途径中:由丙酮丁醇梭状芽孢杆菌(Clostridium acetobutylicum)和丁酸梭状芽孢杆菌(Clost
15、ridium butyricum)参与 发酵。 途径中:由丁酸梭状芽孢杆菌(Clostridium butyricum)参与发 酵。 魏 纵 嫡 锚 陋 穴 遗 扁 薄 造 杜 妨 追 边 釜 推 呆 氮 蔷 蚀 泽 秀 咬 篓 申 拔 远 置 耻 梭 娘 用 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 五、脂肪的转化 脂肪是甘油和高级脂肪酸所形成的酯,不溶于水,可溶于有机溶 剂。由饱和脂肪酸和甘油组成的,在常温下呈固态的称为脂。由不饱 和脂肪酸和甘油组成的,在常温下呈液态的称为油。 脂肪被微生物分解的反应式如下: 磷酸二羟丙酮可经酵解成丙酮酸,再氧化脱羧成乙酰Co
16、A,进入三 羧酸循环完全氧化为二氧化碳和水。磷酸二羟丙酮也可沿酵解途径逆 行生成l-磷酸葡萄糖,进而生成葡萄糖和淀粉。 剿 作 锅 村 姐 约 仆 明 销 叭 澈 皿 贞 谤 汝 栓 兹 厩 诚 毅 屎 荡 歼 馅 甸 痴 型 酣 知 彼 员 凑 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 (二)脂肪酸的-氧化 脂肪酸通常通过-氧化途径氧化。脂肪酸先是被脂酰硫激酶激活 ,然后在 、碳原子上脱氢、加水、脱氢、再加水,最后在、 碳位之间的碳链断裂,生成1 mol乙酰辅酶A和碳链较原来少两个碳原 子的脂肪酸。乙酰辅酶A进入三羧酸循环完全氧化成二氧化碳和水。剩 下的碳链较原
17、来少两个碳原子的脂肪酸可重复一次-氧化,以至完全 形成乙辅酶A而告终。 邦 棘 川 薪 淳 晤 岛 坪 着 橡 谁 貉 逗 窿 缕 舷 吨 废 具 莽 蛛 滦 趟 帚 砰 滦 抗 音 齐 逐 深 雁 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 膜 睫 疚 斋 寸 匙 肪 峦 啼 戏 蚁 买 抬 忠 棺 竿 蒂 恫 惫 塑 后 擒 泼 民 疹 路 蒂 息 铺 占 那 釉 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 硬脂酸的-氧化途径 1mol硬脂酸含18个碳原子,需要经过8次-氧化作用,全部降解 为9 mol乙酰辅酶A,其总反应式如下: 1
18、8C硬脂酸完全氧化可产生大量能量。1mol硬脂酰辅酶A每经一次 -氧化作用,产生1mol乙酰辅酶A,lmol FADH2及lmolNADH。 总共产生 17 mol ATP 开始激活硬脂酸时消耗 1 mol ATP 净得 16 mol ATP 1mol乙酰辅酶A经三羧酸循环氧化产生12 mol ATP lmol FADH2经呼吸链 氧化产生 2 mol ATP lmol NADH经呼吸链 氧化产生 3 mol ATP 墓 收 厂 跃 凿 遇 疏 箱 煎 箩 栈 傣 碳 罩 梯 镰 甄 咨 衅 赏 爷 沁 钧 胳 锥 镊 警 戏 垫 谊 盗 腔 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生
19、 物 学 第 八 章 C18硬脂酸-氧化产能小结 C18硬脂酸在开始被激活时消耗了1mol ATP,故第一次-氧化时 获得16molATP,以后7次重复-氧化时不再消耗ATP,每次可净得 l7molATP,故lmol硬脂酸(C17H35COOH)被彻底氧化可得很高的能量水平 。 共得:(16 + l77 + 12)molATP147molATP 奇数碳原子脂肪酸-氧化,产物除乙酰辅酶A外,还有丙酸。 昏 主 狭 曾 待 虚 怂 沛 超 峭 葱 坞 昼 鸡 硼 窖 凭 举 凹 稗 钾 心 舰 赔 帆 獭 维 峨 装 证 瘪 抗 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八
20、章 六、木质素的转化 含有木质素的稻草秆、麦秆、芦苇和木材是造纸、人造纤维的原 料,所以,造纸和人造纤维废水均含大量木质素。木质素的化学结构 一般认为是以苯环为核心带有丙烷支链的一种或多种芳香族化合物(例 如苯丙烷、松伯醇等)经氧化缩合而成。木质素用碱液加热处理后可形 成香草醛和香草酸、酚、邻位羟基苯甲酸、阿魏酸、丁香酸和丁香醛 。 分解木质素的微生物主要是: 担子菌纲中的干朽菌(Merulius)、多孔菌(Polyporus)、伞菌 (Agaricus)等的一些种。 有厚孢毛霉(Mucor chlamydosporus)、松栓菌(Trametes pini) 。 假单胞菌的个别种也能分解木质
21、素。 木质素被微生物分解的速率缓慢,在好氧条件下分解木质素比在 厌氧条件下快,真菌分解木质素比细菌快。 式 改 躇 完 带 兑 伺 满 港 疑 悼 紊 吨 蕊 烬 韧 刚 亭 习 裙 盔 燥 舟 促 獭 亚 做 悼 抨 寡 锦 莲 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 种类:酚、间甲酚、邻苯二酚、苯、二甲苯、异丙苯、 异丙甲苯、萘、菲、蒽等。 来源:炼油厂、煤气厂、焦化厂、化肥厂等的废水。 芳香烃普遍具有生物毒性,但在一定浓度范围内它们可 以不同程度被微生物分解。 目前已知降解不同芳香烃的细菌类别 七、芳香烃化合物的转化 烛 谁 慕 撒 稻 蘑 幼 劲 喷 剧
22、 畦 猪 旧 忻 眨 分 核 庭 渐 伏 搁 亩 嗡 跺 础 远 删 荡 芋 惟 梅 肢 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 锋 酝 陪 清 呀 像 疆 诡 哦 寅 尘 虑 灌 肢 渤 肃 轮 丝 杨 狈 生 姆 棒 胀 鲤 笔 毕 搀 何 柜 翁 宿 环 境 微 生 物 学 第 八 章 环 境 微 生 物 学 第 八 章 苯氧化成邻苯二酚,可在苯环的邻位或间位上 被氧化打开,生成脂肪族化合物,再逐步分解,生 成糖分解途径中的中间物质,再按糖代谢的方式进 行分解。 殆 蜕 丫 释 婆 烹 烘 馋 户 葫 袋 怔 挥 低 哗 曼 衅 搭 体 屿 缴 史 下 职
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