第08章环境工程微生物学课件.ppt

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第八章第八章微生物在环境物质循环微生物在环境物质循环中作用中作用主要内容：

主要内容：

主要物主要物质的循的循环微生物微生物对有机物的降解有机物的降解过程程包括天然物包括天然物质循循环和和污染物染物质的循的循环，其，其实从本从本质上看，并没有太大的区上看，并没有太大的区别，但是，但是，污染物染物质的的进入，会影响原有的物入，会影响原有的物质循循环的某些的某些环节。

包括各种物包括各种物质元素：

元素：

O、C、N、P、S、Fe等。

等。

推推动物物质进行循行循环的作用包括物理、化学和生物的作用包括物理、化学和生物的作用，其中生物起到了主的作用，其中生物起到了主导的作用，而微生的作用，而微生物在物在这当中又占了极重要的地位。

当中又占了极重要的地位。

第一第一节氧循氧循环大气中的大气中的O2（包括水（包括水体）体）呼吸作用呼吸作用CO2光和作用光和作用O2在大气中分布均匀，而在水体中有垂直方在大气中分布均匀，而在水体中有垂直方向上的向上的变化。

化。

无无论是是O2还是是CO2，除了在大气中的含量以，除了在大气中的含量以外，它外，它们在水体（海洋）中的含量，也是不在水体（海洋）中的含量，也是不可忽可忽视的。

的。

此循此循环的平衡，具有十分重要的意的平衡，具有十分重要的意义，如，如维持持大气中大气中CO2的的浓度。

度。

自然界中含碳物质有自然界中含碳物质有COCO22、碳水化合物、脂肪、蛋、碳水化合物、脂肪、蛋白质等。

碳的循环是以白质等。

碳的循环是以COCO22为中心的。

为中心的。

在碳循环中，在碳循环中，COCO22大部分来源于微生物分解有机大部分来源于微生物分解有机物，另外，由于物，另外，由于COCO22同时也参与氧循环，因此，同时也参与氧循环，因此，实际上实际上CC和和OO循环是相互关联的。

循环是相互关联的。

COCO22可以成为植物、藻类的碳源，大气中可以成为植物、藻类的碳源，大气中COCO22的含的含量为量为0.032%0.032%（320ppm320ppm），这个值由于人类活动大），这个值由于人类活动大量产生量产生COCO22进入大气中而在增加，造成所谓的气进入大气中而在增加，造成所谓的气候变暖。

由此带来一系列的问题，成为当今世界候变暖。

由此带来一系列的问题，成为当今世界最关注的热点之一。

最关注的热点之一。

第二节第二节碳循环碳循环碳素循环光合作用藻光合作用藻类、绿色植类、绿色植物、蓝细菌物、蓝细菌（CH2O）n有机化合物有机化合物呼吸作用动呼吸作用动植物及微生植物及微生物物需氧需氧厌氧厌氧CO2厌氧呼吸、发厌氧呼吸、发酵厌氧微生物，酵厌氧微生物，包括光合细菌包括光合细菌有机化合物有机化合物（CH2O）n光合光合细菌细菌沉积作用沉积作用产甲烷细菌产甲烷细菌甲基化合物甲基化合物甲烷氧化细菌甲烷氧化细菌CH4下面介绍几种含碳化合物的转化：

下面介绍几种含碳化合物的转化：

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，（C6H10O5）n（C6H10O5）n，n=1400-10000n=1400-10000来源：

以树木、农作物为原料的工业生产，如来源：

以树木、农作物为原料的工业生产，如造纸、印染等。

造纸、印染等。

作用的微生物：

细菌、放线菌和真菌。

作用的微生物：

细菌、放线菌和真菌。

分解过程：

首先必须经过微生物胞外酶（水解分解过程：

首先必须经过微生物胞外酶（水解酶）的作用，使之水解成可溶性的较简单的葡酶）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。

萄糖后，才能被微生物吸收分解。

分解纤维素的微生物分解纤维素的微生物l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l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菌及嗜热纤维芽孢梭菌。

及嗜热纤维芽孢梭菌。

l放放线线菌菌链霉菌属。

链霉菌属。

l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。

l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。

纤维素酶所在的部位纤维素酶所在的部位细菌的纤维素酶结合在细胞质膜上，是表面酶。

细菌的纤维素酶结合在细胞质膜上，是表面酶。

真菌和放线菌的纤维素酶是胞外酶，可分泌到培养基真菌和放线菌的纤维素酶是胞外酶，可分泌到培养基中。

中。

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存在于植物细胞壁的杂多糖杂多糖。

造纸废水和人造纤维废水中。

造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。

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。

许多芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌及放线菌能分解半纤维许多芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌及放线菌能分解半纤维素。

霉菌有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。

素。

霉菌有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。

三三果胶质的转化果胶质的转化四四淀粉的转化淀粉的转化1.淀粉的种类淀粉的种类淀粉分为直链淀粉（淀粉分为直链淀粉（11，44结合）结合）支链淀粉（支链淀粉（11，66结合）结合）2.淀粉的降解途径淀粉的降解途径途径途径1.枯草杆菌将淀粉分解为枯草杆菌将淀粉分解为COCO22途径途径2.根霉和曲霉先将淀粉转化为葡萄糖，接着由酵母根霉和曲霉先将淀粉转化为葡萄糖，接着由酵母菌将葡萄糖发酵为乙醇和菌将葡萄糖发酵为乙醇和COCO22途径途径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丁酸梭状芽孢杆菌参与发酵五五油脂的转化油脂的转化l由由饱饱和和脂脂肪肪酸酸和和甘甘油油组组成成的的，常常温温下下呈呈固固态态的的称称为为脂脂；由由不饱和脂肪酸和甘油组成，在常温下呈液态的称为油。

不饱和脂肪酸和甘油组成，在常温下呈液态的称为油。

l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、制革厂废水含有大量油脂制革厂废水含有大量油脂l降解油脂较快的微生物：

降解油脂较快的微生物：

l细细菌菌荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌l丝状菌丝状菌放线菌、分支杆菌放线菌、分支杆菌l真真菌菌青霉、乳霉、曲霉青霉、乳霉、曲霉l途径：

途径：

水解水解+氧化氧化脂肪酸的氧化1.1.脂肪酸先被脂酰硫激酶激活脂肪酸先被脂酰硫激酶激活2.2.在在、碳原子上脱氢、加水、脱氢、再加水碳原子上脱氢、加水、脱氢、再加水3.3.在在、碳位之间的碳链断裂，生成碳位之间的碳链断裂，生成1mol1mol乙酰辅酶乙酰辅酶AA和碳链较原来少两个碳原子的脂肪酸。

和碳链较原来少两个碳原子的脂肪酸。

4.4.乙酰辅酶乙酰辅酶AA进入三羧酸循环完全氧化成二氧化碳和进入三羧酸循环完全氧化成二氧化碳和水。

水。

5.5.剩下的碳链较原来少两个碳原子的脂肪酸可重复一剩下的碳链较原来少两个碳原子的脂肪酸可重复一次次氧化，以至完全形成乙酰辅酶氧化，以至完全形成乙酰辅酶AA。

18碳硬脂酸碳硬脂酸8FADH2+8NADH2+9CH3COSCoATCAATPH2OCO2以硬脂酸为例以硬脂酸为例l1mol1mol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88次次氧化氧化作用，全部降解为作用，全部降解为9mol9mol乙酰辅酶乙酰辅酶AA。

18碳硬脂酸碳硬脂酸8FADH2+8NADH2+9CH3COSCoATCAATPH2OCO218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AA经三羧酸循环氧化产生经三羧酸循环氧化产生12molATP12molATP1mol1molFADHFADH22经呼吸链氧化产生经呼吸链氧化产生2molATP2molATP1mol1molNADHNADH22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-1molATP-1molATP净得净得16molATP16molATP第一步第一步1mol硬脂酸完全氧化，共得能量：

1617712147第一次第一次氧化氧化最后一次最后一次氧化氧化18碳硬脂酸碳硬脂酸8FADH2+8NADH2+9CH3COSCoA82168324129108LigninLignin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，木质素存在于除苔藓和藻类外所有植物的细胞壁中，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、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黄孢原平毛革菌黄孢原平毛革菌（Phanerochaetechrysosprium）是是白腐真菌白腐真菌的一种，隶属于担子菌纲、的一种，隶属于担子菌纲、同担子菌亚纲、非褶菌目、同担子菌亚纲、非褶菌目、丝核菌科。

丝核菌科。

白腐白腐树皮上木质素被该菌分树皮上木质素被该菌分解后漏出解后漏出白色白色的纤维素部分。

的纤维素部分。

七七石油的转化石油的转化l什么是石油？

什么是石油？

l石石油油是是含含有有烷烷烃烃、环环烷烷烃烃、芳芳香香烃烃及及少少量量非非烃烃化化合合物物的的复复杂杂混混合合物物。

石石油油污污染染主主要要出出现现在在采采油油区区和和石石油油运运输输事事故现场故现场以及以及石化行业的工业废水石化行业的工业废水中。

中。

ll11石油成分的生物降解性石油成分的生物降解性石油成分的生物降解性石油成分的生物降解性l与分子结构有关与分子结构有关AA链长度链长度链长度链长度链中等长度（链中等长度（C10C24）链很长的（链很长的（C24以上）以上）BB链结构链结构链结构链结构l直链直链?

支链支链l不饱和不饱和?

饱和饱和l烷烃烷烃?

芳烃芳烃链末端有季碳原子链末端有季碳原子（四周都与（四周都与C相连）相连）的烃以及的烃以及多环多环芳烃极难降解芳烃极难降解2降解石油的微生物降解石油的微生物l降解石油的微生物很多，降解石油的微生物很多，据报道有据报道有200多种多种l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l酵母菌酵母菌假丝酵母假丝酵母l霉霉菌菌青霉属、曲霉属青霉属、曲霉属l藻藻类类蓝藻和绿藻蓝藻和绿藻3石油的降解机理石油的降解机理AA链烷烃的降解链烷烃的降解链烷烃的降解链烷烃的降解+O+O22R-CHR-CH22-CH-CH22-CH-CH33R-CHR-CH22-CH-CH22-COOH-COOH-氧化氧化COCO22+H+H22OOCHCH22-COOH+R-COOH-COOH+R-COOHBB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l以环己烷为例以环己烷为例通常一些微生物只能将环烷变为环己酮，另一些微生物只能将通常一些微生物只能将环烷变为环己酮，另一些微生物只能将环己酮氧化开链而不能氧化环己烷，环己酮氧化开链而不能氧化环己烷，两类以上微生物的两类以上微生物的协同作协同作协同作协同作用用用用下将污染物下将污染物彻底降解彻底降解共代谢共代谢。

CC芳香烃芳香烃芳香烃芳香烃l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l苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所