第08环境工程微生物学.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 微生物在环境 物质循环中作用,下篇,1/77,本章重点内容,主要物质循环,(,碳 氮 磷,),微生物对有机物降解过程,本章主要内容,氧循环,(,自学,),碳循环,(1.5,课时,),氮循环,(1.5,课时,),硫循环 磷循环,(1,课时,),铁锰循环,2/77,第二节 碳循环,一、碳源污染物转化,包含,:,糖类、脂类、烃和人工合成有机化合物等,。,（一）糖类污染物,提问：,哪些糖类会成为污染物？,难溶多糖,，且当一些难溶解多糖数量较大时才会使自净时间大大增加，从而对环境造成污染。,这类多糖主要是,纤维素、半纤维素,、果胶质、淀粉,。,3/77,1纤维素转化,葡萄糖高聚物,，,每个纤维素分子含140010000个葡萄糖基,（,1-4,糖苷键）,。,起源,：,棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水及城市垃圾等，其中均含有大量纤维素。,A,微生物,分解路径,4/77,三羧酸循环,酒精研究,5/77,B,分解纤维素微生物,好氧性纤维素分解菌：,粘细菌居多，有生孢食纤维菌、食纤维菌和堆囊粘菌，为,G,。另外还有镰状纤维菌与纤维弧菌。,厌氧性纤维素分解菌：,主要是芽孢梭菌属，如产纤维二糖芽孢梭菌、嗜热纤维芽孢梭菌。,放线菌：,土壤中有,2.0,4.4,放线菌能分解纤维素，如白色、灰色及红色链霉菌，分解能力较细菌和真菌弱。,真菌：,许多真菌含有很强纤维素分解能力，如木霉、镰刀霉、青霉、曲霉及毛霉等。,需要时能够向有菌种库研究机构购置或自行筛选,。,6/77,细胞表面酶,：如细菌纤维素酶,结合在细胞质膜上,细胞胞外酶,：如真菌和放线菌纤维素酶,可分泌到 培养基中。,C,分解纤维素酶,秸秆饲料化利用,是将秸秆经微生物发酵转化生产饲料，该种饲料适口性好，易消化，含丰富营养价值，可作为畜、禽、鱼等尚好饲料。,秸秆制酒精技术,秸秆制取酒精工艺为：洗涤、蒸煮软化、糖化发酵、蒸馏取酒等工序。,D,应用,7/77,秸秆发酵制酒精研究,1,、直接发酵法,本方法特点是基于同一微生物糖化发酵纤维素生产乙醇，不需要经过酸解或酶解前处理过程。直接发酵法中惯用微生物是热纤维梭菌，它能分解纤维素并使产生纤维二糖、葡萄糖、果糖等发酵，水解发酵最适温度为,56,64,，最是,PH,值为,6.4,7.4,。吕福英等分离出能直接发酵纤维素生产乙醇高纯富集物，利用其能直接将木质纤维素材料发酵成乙醇。,2,、间接发酵法,间接发酵法即糖化、发酵二段发酵法，该法是当前研究最多一个方法，首先利用纤维素酶水解纤维素，酶解后糖液作为发酵碳源，利用酵母或细菌发酵,生产乙醇。,8/77,研究内容,从学校附近长久被腐烂稻草覆盖地方采集土样，然后经过一系列方法，分离出若干株纤维素降解菌。从分离出菌株中筛选出一株活性最高菌株。对这株菌进行单影响原因研究。经过单影响原因研究，以正交试验方法，确定这株菌最优培养基（氮源、起始,PH,、无机盐）。,9/77,采 样,富集培养,目标菌种分离与筛选,酶活力初步测定,单影响原因研究,正交试验,总结,技,术,路,线,10/77,11/77,12/77,2半纤维素转化,存在于植物细胞壁,杂多糖,。造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。,A,微生物,分解路径,TCA,循环,聚糖酶,CO,2,+H,2,O,半纤维素 单糖+糖醛酸,H,2,O,各种发酵产物,厌氧分解,。,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。,A,微生物,分解路径,B,分解半纤维素微生物,C,分解半纤维素酶,13/77,水中起源：,毛纺、毛条厂废水、油脂厂废水、肉联厂废水、制革厂废水含有大量油脂,降解油脂较快微生物：,细 菌,荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌,丝状菌,放线菌、分支杆菌,真 菌,青霉、乳霉、曲霉,路径：,水解+,氧化,（二）脂肪转化,14/77,脂肪水解,甘油转化,脂肪酸,氧化,1mol,硬脂酸含,18,个,C,，需要经过,8,次,氧化作用，全部降解为,9mol,乙酰辅酶,A,，总共可产生,147molATP,。,TCA,循环,（二）脂肪转化,15/77,1,烃降解机理,A,链烷烃降解,+,O,2,R-CH,2,-CH,2,-CH,3,R-CH,2,-CH,2,-COOH,-,氧化,CO,2,+H,2,O,CH,2,-COOH +R-COOH,B,无支链环烷烃降解：,以环己烷为例,（三）烃类物质转化,16/77,苯、萘、菲、蒽降解为以下列图所表示,苯代谢,C,芳香烃,17/77,萘代谢,18/77,菲代谢,19/77,蒽代谢,20/77,酚也是,先被氧化为邻苯二酚,，这么各类芳香烃在降解后半段是相同，可表示以下,各类芳香烃在降解过程中共同点是什么,?,21/77,2,降解烃微生物,降解,烃,微生物很多，据报道有200各种,细 菌,假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产碱杆菌属,放线菌,诺卡氏菌,酵母菌,假丝酵母,霉 菌,青霉属、曲霉属,藻 类,蓝藻和绿藻,（三）烃类物质转化,22/77,芳香烃普遍含有生物毒性，但在低浓度范围内它们能够不一样程度被微生物分解。,已知降解不一样芳香烃细菌类别,23/77,Lignin,木质素,木质素 空腔 纤维素,木质素存在于除苔藓和藻类外全部植物细胞壁中，,（四,）,木质素转化,24/77,木质素模式图,25/77,木质素转化,木质素是植物体主要组分，含量仅次于纤维素和半纤维素。占植物干重,15,20,，木材木质素含量高达,30,左右。,木质素结构是以苯环为关键带有丙烷支链一个或各种芳香族化合物经氧化缩和而成。,造纸废水和人造纤维废水中含有木质素。,26/77,自然界中哪些微生物能够进行木质素降解呢？,干朽菌、多孔菌、伞菌等一些种，厚孢毛霉和松栓菌,黄孢原平毛革菌,(,Phanerochaete chrysosprium,),是,白腐真菌,一个，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,纤维素部分。,27/77,提问：,为何这些有机物难于生物降解？,微生物缺乏对应水解酶,二、人工合成难降解碳源污染物转化,难,对于,自然生态环境,系统,假如一个化合物滞留,可达几个月或几年,之久,或在,人工生物处理系统,几小时或几天之内还未能被分解或消除,种类：,稳定剂、表面活性剂、人工合成聚合物、杀虫剂、除草剂以及各种工艺流程中废品等,。,28/77,1.氯苯类,用 途,：,稳定剂,（润滑油、绝缘油、增塑剂、油漆、热载体、油墨等都含有）,危 害：,急性中毒，是,一个致癌因子,（米糠油事件）,降 解 菌：,产碱杆菌、不动杆菌、,假单胞菌,、芽孢杆菌以及沙雷氏菌突变体,经过,共代谢,完成氯苯完全降解,。,*,两类以上微生物,协同作用,下将污染物彻底降解,共代谢,29/77,多氯联苯,(polychlorinated biphenyl),类,降解菌：产碱杆菌、不动杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌以及沙雷氏菌突变体,经过共代谢完成氯苯完全降解。,30/77,多氯联苯类降解,31/77,2洗涤剂,可分为,阴离子型、阳离子型、非离子型、两性电解质,四类。,我国当前生产洗涤剂属于,阴离子型烷基苯磺酸钠,。较早开发是非线性丙烯四聚物型烷基苯磺酸盐（,ABS,）：,ABS,甲基分支干扰生物降解,，链末端与4个碳原子相连季碳原子抗攻击能力更强,。,32/77,危害：,ABS,能够在天然水体中,存留800,h,以上,，使这得接纳他水体长时间保持，,产生大量泡沫,，引发水体缺氧。,为使洗涤剂易于生物降解，人们将,ABS,结构改变为线性直链,烷基苯磺酸盐（,LAS）：,因为降低了分支，它生物分解速度大为提升。,33/77,A,降解洗涤剂微生物,细 菌,假单胞菌、邻单胞菌、黄单胞菌、产碱单胞菌、产碱杆菌、微球菌、大多数固氮菌,放线菌,诺卡氏菌,34/77,解释,LAS,降解机理,B,洗涤剂降解机理,LAS,结构,35/77,36/77,TCA,37/77,38/77,碳素循环,光合作用藻类、绿色植物、蓝细菌,（,CH,2,O,）,n,有机化合物,呼吸作用动植物及微生物,需氧,厌氧,CO,2,厌氧呼吸、发酵厌氧微生物，包含光合细菌,有机化合物,（,CH,2,O,）,n,光合细菌,沉积作用,产甲烷细菌,甲基化合物,甲烷氧化细菌,CH,4,39/77,纤维素结构,40/77,燃烧秸杆,41/77,氮循环包含氨化作用、硝化作用、反硝化作用、及固氮作用,。,第三节 氮循环,42/77,有机态,N,被微生物降解形成,NH,3,过程,1.,蛋白质物质氨化作用过程,蛋白质,蛋白酶,水解,肽,肽酶,水解,氨基酸,降,解,NH,3,氧化脱氨基作用,水解脱氨基作用,还原脱氨基作用,（一）氨化作用,43/77,(1),蛋白质水解,蛋白质胨肽氨基酸,分解蛋白质微生物,好氧细菌：,枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蕈状芽孢杆菌等,兼性厌氧菌：,变形杆菌、假单胞菌,厌氧菌：,腐败梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌,致病菌：,链球菌、葡萄球菌,真菌：,曲霉、毛霉、木霉,放线菌：,链霉菌,44/77,(2),氨基酸转化,1),脱氨作用,氧化脱氨,还原脱氨,45/77,斯提克兰反应：,专性厌氧菌和兼性厌氧菌,以一个氨基酸作为供氢体，另一个氨基酸作为受氢体，二者偶联进行氧化还原脱羧脱氨作用。,丙氨酸,甘氨酸,乙酸,46/77,水解脱氨,减饱和脱氨,2),脱羧作用,47/77,2,尿素氨化,用酚红可检验此反应，呈红色说明有氨产生。,分解尿素微生物：尿八叠球菌、尿小球菌等。,尿素分解时不放出能量，故不能作为能源，只能作为氮源。,尿酶,48/77,在有氧条件下，氨经亚硝酸菌和硝酸菌作用转化为硝酸过程。,2NH,3,3O,2,2HNO,2,2H,2,O,619kJ,2HNO,2,3O,2,2HNO,3,201kJ,（二）硝化作用,1,、硝化细菌和硝化作用过程,2,、硝化作用微生物,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，,化能自养型,。,49/77,4.,硝化作用意义,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氨氮。,先将氨氮转化为硝酸盐（硝化作用），再经过反硝化作用将硝酸氮还原为氮气溢出水面。,3,、影响硝化作用环境原因,(1)pH,值：适宜微碱性,(2),温度：,4-40,，最适：,25-35,(3),通气：需氧,(4),湿度：过量影响通气，不足引发细胞缺水。,(5),营养类型：化能自养型。,50/77,反硝化细菌将硝酸盐还原为氮气过程。,HNO,3,N,2,O,或,N,2,NH,3,兼性厌氧菌在厌氧条件下进行,1,、反硝化作用结果,HNO,2,细菌、放线菌、真菌利用,（三）反硝化作用,讨论是否是反硝化作用,51/77,反硝化作用，狭义指将硝酸盐还原为分子态氮过程，称为脱氮作用；广义指将硝酸盐还原为较简单氮化合物过程，除了脱氮作用外，还包含硝酸盐还原作用（指脱氮作用以外还原作用，比如硝酸盐还原为亚硝酸盐作用）。各种细菌和真菌都含有硝酸盐还原酶，能够将硝酸盐还原为亚硝酸盐。方程式以下：,NHO,3,+2H-HNO,2,+H,2,O (,需要硝酸还原酶作用,),52/77,而脱氮作用，则经常与无氮有机物氧化反应伴随发生，比如：,C,6,H,12,O,6,+6H,2,O-6CO,2,+24H 24H+4NO,3,-,-12H,2,O+2N,2,总反应方程式为：,C,6,H,12,O,6,+4NO,3,-,-6CO,2,+6H,2,O+2N,2,+420cal,很多细菌能够引发脱氮作用，主要是一些革兰氏阴性无芽胞杆菌，如荧光杆菌，斯图采尔杆菌。它们普通是兼性需氧细菌，脱氮作用经常是在厌氧条件下发生。而且，有些化学能自养型细菌也能够在厌氧条件下引发脱氮作用，比如，反硝化硫化细菌能够用硝酸盐来氧化硫，从而将硝酸盐还原，方程式以下：,5S+2CaCO,3,+6KNO,3,-3K,2,SO,4,+2CaSO,4,+2CO,2,+3N,2,+660cal,53/77,2,、反硝化作用微生物,大多数：异养兼厌氧性,极少数：化能自养型（脱氮硫杆菌）,3,、反硝化作用应用,土壤中发生反硝化作用会使土壤肥力降低；,若在污水生物处理系统中二次沉淀池发生反硝化作用，产生氮气由池底上升逸到水面时会把池底沉淀污泥带上浮起，使出水含有多量泥花，影响出水水质。,有些污水经生物处理后出水硝酸盐含量高，在排入水体后，高浓度硝酸盐对生物有毒害作用，发生反硝化作用，保持了淡水饮用性和生物圈中氮循环,54/77,在固氮微生物固氮酶催化作用下，把分子氮转化为氨，进而合成有机氮化合物过程。,固氮基本反应式,固氮微生物：根瘤菌、圆褐固氮菌、光合细菌等。,N,2,6e,6H,nATP,2NH,3,nADP,nPi,（四）固氮作用,55/77,固氮条件,1.,固氮酶,2.,能量：平均每还原,1mol,氮为,2mol,氨，需要,24molATP,，其中,9molATP,提供,3,对电子用于还原作用，,15molATP,用于催化反应,3.,氮源：,N,2,当供给,NH,3,、尿素和硝酸盐时固氮作用停顿。,4.,固氮微生物生长环境条件：中性和偏碱性,.,5.,氧影响：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。固氮菌对,O,2,敏感，从好氧固氮菌菌体内分离固氮酶，一遇氧就发生不可逆失活。好氧固氮菌为了在生长过程中同时固氮，它们在长久进化中形成了保护固氮酶防氧机制，固氮正常进行。,56/77,(,五,),经典含氮有机物转化,氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等,腈类化合物,及,硝基化合物,水中起源：,化工腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。,危 害：,生物毒害、环境积累,细 菌,紫色杆菌、假单胞菌,放线菌,诺卡氏菌,真 菌,氧化性酵母菌和霉菌中赤霉菌(茄科病镰刀霉)、木霉及担子菌等,A,降解这些物质微生物,57/77,B,降解机理,a.,氰化物,5,HCN+5.5O,2,5CO,2,+H,2,O+5NH,3,b.,有机腈,担子菌还能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶作用下缩合成为,氨基乙腈，进而合成为丙氨酸。,HCN,CH,3,COH CH,3,CHNH,2,CN CH,3,CHNH,2,COOH,甲醛,氨基乙腈 丙氨酸,58/77,第四节 硫循环,大气中,SO,2,火山暴发,分 解 者,动植物遗体,碎屑、排出物,土壤或水体,中,SO,4,2-,降水,生 产 者,吸收,燃烧,消 费 者,摄入,石油等,化石燃料,59/77,一、含硫有机物转化,动、植物和微生物机体中含硫有机物主要是蛋白质。能够分解含氮有机物都能分解含硫有机物，产生硫化氢。,60/77,二、无机硫转化,1.,硫化作用,有氧条件下，经过硫细菌作用将,H,2,S,氧化为元素,S,，再进而氧化为硫酸。,2.,硫化细菌,革兰氏阴性杆菌，从氧化含硫无机物过程中取得能量，产生硫酸。,硫杆菌广泛分布于土壤、淡水、海水中，不一样种类硫杆菌要求环境,pH,不一样，氧化硫硫杆菌,2.0,3.5,，氧化亚铁硫杆菌,2.5,5.8,，排硫杆菌,中性和偏碱性,61/77,3.,硫磺细菌,将,H,2,S,氧化为,S,，并将硫粒积累在细胞内。,丝状硫磺细菌：贝日阿托氏菌 发硫菌 辫硫菌属 亮发菌 透明颤菌属在生活污水和含硫工业废水生物处理过程中出现。含硫化物较多时，贝日阿托氏菌和发硫菌过分生长引发活性污泥丝状膨胀。,光能自养硫细菌,含细菌叶绿素，在光照下，,将,H,2,S,氧化为,S,。,62/77,4.,反硫化作用,水体处于缺氧状态时，含硫无机盐在微生物还原作用下形成,H,2,S,。,在混凝土排水管和铸铁排水管中，如有硫酸盐存在，管底常因缺氧而产生,H,2,S,。,H,2,S,上升到污水表层或逸出空气层，与污水表面溶解氧相遇，,H,2,S,被硫化细菌或硫磺细菌氧化为硫酸，使混凝土管和铸铁管受到腐蚀。,63/77,第五节 磷循环,第五节 磷循环,64/77,生物体中含磷有机物有核酸、磷脂、植素。,1),核酸,核酸 核苷酸 核苷磷酸,嘧啶核糖,氨,5.1,含磷有机物转化,核酸酶,水解,核苷酸酶,核苷酶,水解,脱氨基,65/77,2),磷脂,卵磷脂是含胆碱磷酸脂，可被微生物卵磷脂酶水解为甘油、脂肪酸、磷酸和胆碱。,胆碱再分解为氨、二氧化碳、有机酸和醇。,3),植素,植素是由植酸和钙、镁结合而成盐类。植素在土壤中分解很慢，经微生物植酸酶分解为磷酸和二氧化碳。,66/77,5.2,磷酸盐转化,洗涤剂中磷酸盐为可溶性磷酸钠,土壤中磷酸盐则主要是难溶磷酸钙,微生物产酸,土壤中难溶磷酸盐 可溶性磷酸盐,洗涤剂中可溶性磷酸盐,卵磷脂、核酸、,ATP,厌氧条件下，磷酸盐还能够被梭状芽孢杆菌、大肠杆菌等还原为,PH,3,。（自燃,鬼火）,+8,H,H,3,PO,4,PH,3,4H,2,O,67/77,第六节 铁、锰循环,全部生物都需要铁，而且要求溶解性二价亚铁盐，二价和三价铁转化受,pH,和氧化还原电位影响。,pH,为中性和有氧时，二价铁氧化为三价铁氢氧化物。无氧时，存在大量二价铁。,二价铁还能被铁细菌氧化为三价铁。在含有机物和铁盐水管中普通都有铁细菌存在。常因水管中有酸性水而将铁转化为溶解性二价铁，铁细菌就转化二价铁为三价铁（锈铁）沉积于水管壁上。,68/77,趋磁性细菌,1.,发觉,1975,年,有些人用显微镜研究盐泽泥浆沉淀物时,观察到有些微生物连续不变地向一个方向游动,它们聚集在一滴污水某一边缘,.,这是一个趋光性反应吗,?,不是,因为不论落在显微镜片上光怎样分布,细菌总是游向同一个边缘,甚至当显微镜被木盒盖住、转向或移放到其它房间时，细菌依然游向同一方向。,这终究是怎么一回事呢？它这种运动与地球磁场相关吗,69/77,实际上这是一个趋磁性行为。试验证实：当把一小滴泥浆用暗场照明显微镜在低倍率（约,80,倍）下放大检验时，游动、折射光细菌看起来像一些游动小光点。在只有地磁场而没有其它磁场作用时，一些细菌就连续不停地向北游动，并聚集在小水滴北面边缘。假如把一条形磁铁放在附近，细菌就游向吸引罗盘针指向北端那一极。,70/77,引发趋磁性内因是：在细菌细胞质内有一些,50nm,宽小颗粒，每一颗粒是一个单磁场。这么小颗粒称为磁小体。它们通常是立方体或八面体、平行于细胞长轴排列成单链或双链。,71/77,72/77,趋磁性最简单解释是，一个正在游动细菌因为地磁场施加于磁性小体转动力矩而被动地指向。比如，当磁场强到几个高斯时，细菌会很好地选取择方向且有较大波动速度。磁场较弱时，因为受热扰动影响，定向能力较弱，在磁场方向中游速就较慢。,人们发觉鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中趋磁细菌等生物体中存在超微磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能区分方向，含有回归本事。,73/77,2.,趋磁性细菌,趋磁细菌是一类在外磁场作用下能作定向运动并在体内形成纳米磁性颗粒磁小体细菌，其主要分布于土壤、湖泊和海洋等水底污泥中。趋磁细菌细胞内磁小体主要成份为,Fe,3,O,4,和,Fe,3,S,4,。,趋磁性细菌寄生在水中或水底污泥中，只在水或沉积物某一个深度繁殖。高于这个位置，氧气过多会令它们无法承受；低于这个位置，氧气又过于稀少。,74/77,在重力对它几乎不起作用情况下，有浮力细胞是怎样区分上下呢？,这种细菌内部有约,20,个磁力晶体组成链，每个晶体直径在,35,到,120,纳米之间。这些晶体共同组成了一个微型罗盘。因为地球磁场在大部分地方都是倾斜，趋磁性细菌就依据磁场上下游动抵达它目标地。有着相同结构人工磁力晶体,.,75/77,3.,趋磁细菌用途,在信息存放中应用：磁小体含有超微性（纳米级）、均匀性和无毒性，可生产品位高磁性生物材料，国外已开始了高清楚、高保真大容量超高密度磁统计材料开发。,在传感技术中应用：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各种蛋白抗原。,76/77,在医疗卫生上应用：作为酶、药品或核酸（,DNA,、,RNA,）载体：把药品或抗体等固定在磁小体上，在外磁场作用下，变成“运载火箭”直接轰击靶区,-,病灶，从而提升对癌细胞等杀伤力。,制备磁化细胞：日本学者成功地将羊红细胞与趋磁细菌细胞利用原生质体融合技术，取得含有磁敏感性融合子,-,磁性红细胞，在磁场作用下，磁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、人体内废物“透析”，加工含铁食品和饮料等领域，所以含有巨大不可估量应用价值和市场开发前景。,77/77,