第08环境工程微生物学.ppt

,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 物质循环中的作用,下篇,本章的重点内容,主要物质的循环,(,碳 氮 磷,),微生物对有机物的降解过程,本章的主要内容,氧循环,(,自学,),碳循环,(1.5,学时,),氮循环,(1.5,学时,),硫循环 磷循环,(1,学时,),铁锰的循环,第二节 碳循环,一、碳源污染物的转化,包括,:,糖类、脂类、烃和人工合成的有机化合物等,。,（一）糖类污染物,提问：,哪些糖类会成为污染物？,难溶的多糖,，且当一些难溶解的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,。,1纤维素的转化,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）,。,来源,：,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,分解途径,三羧酸循环,酒精的研究,B,分解纤维素的微生物,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,。此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,的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：,许多真菌具有很强的纤维素分解能力，如木霉、镰刀霉、青霉、曲霉及毛霉等。,需要时可以向有菌种库的研究机构购买或自行筛选,。,研究内容,从学校附近长期被腐烂稻草覆盖的地方采集土样，然后通过一系列的方法，分离出若干株纤维素降解菌。从分离出的菌株中筛选出一株活性最高的菌株。对这株菌进行单影响因素的研究。通过单影响因素研究，以正交实验的方法，确定这株菌的最优培养基（氮源、起始,PH,、无机盐）。,采 样,富集培养,目的菌种的分离与筛选,酶活力初步测定,单影响因素研究,正交实验,总结,技,术,路,线,2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。,A,微生物,分解途径,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,分解途径,B,分解半纤维素的微生物,C,分解半纤维素的酶,水中来源：,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,降解油脂较快的微生物：,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,途径：,水解+,氧化,（二）脂肪的转化,脂肪的水解,甘油的转化,脂肪酸的,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）脂肪的转化,1,烃的降解机理,A,链烷烃的降解,+,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,无支链环烷烃的降解：,以环己烷为例,（三）烃类物质的转化,苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所示,苯的代谢,C,芳香烃,萘的代谢,菲的代谢,蒽的代谢,酚也是,先被氧化为邻苯二酚,，这样各类芳香烃在降解的后半段是相同的，可表示如下,各类芳香烃在降解过程中的共同点是什么,?,2,降解烃的微生物,降解,烃,的微生物很多，据报道有200多种,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）烃类物质的转化,芳香烃普遍具有生物毒性，但在低浓度范围内它们可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,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所有植物的细胞壁中，,（四,）,木质素的转化,木质素模式图,木质素的转化,木质素是植物体的重要组分，含量仅次于纤维素和半纤维素。占植物干重的,15,20,，木材的木质素含量高达,30,左右。,木质素的结构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经氧化缩和而成。,造纸废水和人造纤维废水中含有木质素。,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，厚孢毛霉和松栓菌,黄孢原平毛革菌,(,Phanerochaete chrysosprium,),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。,提问：,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,二、人工合成的难降解碳源污染物的转化,难,对于,自然生态环境,系统,如果一种化合物滞留,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,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,一种致癌因子,（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的突变体,通过,共代谢,完成氯苯的完全降解,。,*,两类以上微生物的,协同作用,下将污染物彻底降解,共代谢,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的突变体,通过共代谢完成氯苯的完全降解。,多氯联苯类降解,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。,我国目前生产的洗涤剂属于,阴离子型烷基苯磺酸钠,。较早开发的是非线性的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个碳原子相连的季碳原子抗攻击的能力更强,。,危害：,ABS,可以在天然水体中,存留800,h,以上,，使这得接纳他的水体长时间保持，,产生大量泡沫,，引起水体缺氧。,为使洗涤剂易于生物降解，人们将,ABS,的结构改变为线性的直链,烷基苯磺酸盐（,LAS）：,由于减少了分支，它的生物分解速度大为提高。,A,降解洗涤剂的微生物,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,解释,LAS,降解机理,B,洗涤剂的降解机理,LAS,的结构,TCA,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，包括光合细菌,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,纤维素结构,燃烧秸杆,氮循环包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用、及固氮作用,。,第三节 氮循环,有机态,N,被微生物降解形成,NH,3,的过程,1.,蛋白质物质的氨化作用过程,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,(1),蛋白质水解,蛋白质胨肽氨基酸,分解蛋白质的微生物,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,(2),氨基酸的转化,1),脱氨作用,氧化脱氨,还原脱氨,斯提克兰反应：,专性厌氧菌和兼性厌氧菌,以一种氨基酸作为供氢体，另一种氨基酸作为受氢体，二者偶联进行氧化还原脱羧脱氨作用。,丙氨酸,甘氨酸,乙酸,水解脱氨,减饱和脱氨,2),脱羧作用,2,尿素的氨化,用酚红可检验此反应，呈红色说明有氨产生。,分解尿素的微生物：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,在有氧条件下，氨经亚硝酸菌和硝酸菌的作用转化为硝酸的过程。,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的过程,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,。,4.,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。,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。,3,、影响硝化作用的环境因素,(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，不足引起细胞缺水。,(5),营养类型：化能自养型。,反硝化细菌将硝酸盐还原为氮气的过程。,HNO,3,N,2,O,或,N,2,NH,3,兼性厌氧菌在厌氧条件下进行,1,、反硝化作用的结果,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,反硝化作用，狭义的指将硝酸盐还原为分子态氮的过程，称为脱氮作用；广义的指将硝酸盐还原为较简单的氮化合物的过程，除了脱氮作用外，还包括硝酸盐还原作用（指脱氮作用以外的还原作用，例如硝酸盐还原为亚硝酸盐的作用）。多种细菌和真菌都具有硝酸盐还原酶，可以将硝酸盐还原为亚硝酸盐。方程式如下：,NHO,3,+2H-HNO,2,+H,2,O (,需要硝酸还原酶的作用,),而脱氮作用，则常常与无氮有机物的氧化反应伴随发生，例如：,C,6,H,12,O,6,+6H,2,O-6CO,2,+24H 24H+4NO,3,-,-12H,2,O+2N,2,总的反应方程式为：,C,6,H,12,O,6,+4NO,3,-,-6CO,2,+6H,2,O+2N,2,+420cal,很多细菌可以引起脱氮作用，主要是一些革兰氏阴性的无芽胞杆菌，如荧光杆菌，斯图采尔杆菌。它们一般是兼性需氧的细菌，脱氮作用常常是在厌氧条件下发生。而且，有些化学能自养型细菌也可以在厌氧的条件下引起脱氮作用，比如，反硝化硫化细菌可以用硝酸盐来氧化硫，从而将硝酸盐还原，方程式如下：,5S+2CaCO,3,+6KNO,3,-3K,2,SO,4,+2CaSO,4,+2CO,2,+3N,2,+660cal,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,、反硝化作用的应用,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的二次沉淀池发生反硝化作用，产生的氮气由池底上升逸到水面时会把池底的沉淀污泥带上浮起，使出水含有多量的泥花，影响出水的水质。,有些污水经生物处理后出水硝酸盐含量高，在排入水体后，高浓度的硝酸盐对生物有毒害作用，发生反硝化作用，保持了淡水的饮用性和生物圈中氮的循环,在固氮微生物的固氮酶催化作用下，把分子氮转化为氨，进而合成有机氮化合物的过程。,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。,N,2,6e,6H,nATP,2NH,3,nADP,nPi,（四）固氮作用,固氮条件,1.,固氮酶,2.,能量：平均每还原,1mol,氮为,2mol,的氨，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止。,4.,固氮微生物生长的环境条件：中性和偏碱性,.,5.,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。固氮菌对,O,2,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。好氧固氮菌为了在生长过程中同时固氮，它们在长期进化中形成了保护固氮酶的防氧机制，固氮正常进行。,(,五,),典型含氮有机物的转化,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,水中来源：,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的赤霉菌(茄科病镰刀霉)、木霉及担子菌等,A,降解这些物质的微生物,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的作用下缩合成为,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,第四节 硫循环,大气中的,SO,2,火山爆发,分 解 者,动植物遗体,碎屑、排出物,土壤或水体,中的,SO,4,2-,降水,生 产 者,吸收,燃烧,消 费 者,摄入,石油等,化石燃料,一、含硫有机物的转化,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的都能分解含硫有机物，产生硫化氢。,二、无机硫的转化,1.,硫化作用,有氧条件下，通过硫细菌的作用将,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获得能量，产生硫酸。,硫杆菌广泛分布于土壤、淡水、海水中，不同种类的硫杆菌要求的环境,pH,不同，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,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的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度生长引起活性污泥丝状膨胀。,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,。,4.,反硫化作用,水体处于缺氧状态时，含硫无机盐在微生物的还原作用下形成,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。,第五节 磷循环,第五节 磷循环,生物体中的含磷有机物有核酸、磷脂、植素。,1),核酸,核酸 核苷酸 核苷磷酸,嘧啶核糖,氨,5.1,含磷有机物的转化,核酸酶,水解,核苷酸酶,核苷酶,水解,脱氨基,2),磷脂,卵磷脂是含胆碱的磷酸脂，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、镁结合而成的盐类。植素在土壤中分解很慢，经微生物的植酸酶分解为磷酸和二氧化碳。,5.2,磷酸盐的转化,洗涤剂中的磷酸盐为可溶性的磷酸钠,土壤中的磷酸盐则主要是难溶的磷酸钙,微生物产酸,土壤中的难溶磷酸盐 可溶性磷酸盐,洗涤剂中的可溶性磷酸盐,卵磷脂、核酸、,ATP,厌氧条件下，磷酸盐还可以被梭状芽孢杆菌、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,第六节 铁、锰的循环,所有的生物都需要铁，而且要求溶解性的二价亚铁盐，二价和三价铁的转化受,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的氢氧化物。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。在含有机物和铁盐的水管中一般都有铁细菌存在。常因水管中有酸性水而将铁转化为溶解性的二价铁，铁细菌就转化二价铁为三价铁（锈铁）沉积于水管壁上。,趋磁性细菌,1.,发现,1975,年,有人用显微镜研究盐泽的泥浆沉淀物时,观察到有些微生物持续不变地向一个方向游动,它们聚集在一滴污水的某一边缘,.,这是一种趋光性反应吗,?,不是,因为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,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。,这究竟是怎么一回事呢？它的这种运动与地球的磁场有关吗,实际上这是一种趋磁性行为。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,80,倍）下放大检查时，游动的、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，细菌就游向吸引罗盘针指向北端的那一极。,引起趋磁性的内因是：在细菌的细胞质内有一些,50nm,宽的小颗粒，每一颗粒是一个单磁场。这样的小颗粒称为磁小体。它们通常是立方体或八面体、平行于细胞的长轴排列成单链或双链。,趋磁性的最简单解释是，一个正在游动的细菌由于地磁场施加于磁性小体的转动力矩而被动地指向。例如，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的波动速度。磁场较弱时，由于受热扰动影响，定向能力较弱，在磁场方向中游速就较慢。,人们发现鸽子、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。,2.,趋磁性细菌,趋磁细菌是一类在外磁场的作用下能作定向运动并在体内形成纳米磁性颗粒磁小体的细菌，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的主要成分为,Fe,3,O,4,和,Fe,3,S,4,。,趋磁性细菌寄生在水中或水底的污泥中，只在水或沉积物的某一个深度繁殖。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。,在重力对它几乎不起作用的情况下，有浮力的细胞是怎样辨别上下的呢？,这种细菌内部有约,20,个磁力晶体组成的链，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的罗盘。因为地球磁场在大部分地方都是倾斜的，趋磁性细菌就根据磁场上下游动到达它的目的地。有着相似构造的人工磁力晶体,.,3.,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。,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，可定性或定量地检测多种蛋白抗原。,在医疗卫生上的应用：作为酶、药物或核酸（,DNA,、,RNA,）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“运载火箭”直接轰击靶区,-,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,-,磁性红细胞，在磁场的作用下，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，因此具有巨大的不可估量的应用价值和市场开发前景。,