微生物在自然界物质循环中的作用.ppt

4.3 4.3 微生物在自然界物质循微生物在自然界物质循环中作用环中作用主要内容：主要内容：碳循环碳循环氮循环氮循环硫循环硫循环磷循环磷循环第一节第一节碳循环碳循环一、一、碳循环碳循环 l自自然然界界中中含含碳碳物物质质有有CO2、碳碳水水化化合合物物、脂脂肪肪、蛋蛋白质等。碳的循环是以白质等。碳的循环是以CO2为中心的。为中心的。l在在碳碳循循环环过过程程中中，CO2大大部部分分来来源源于于微微生生物物分分解解有有机机物物，另另外外，由由于于CO2同同时时也也参参与与氧氧循循环环，因因此此，实际上实际上C和和O循环是相互关联的。循环是相互关联的。lCO2可以成为植物、藻类的碳源。可以成为植物、藻类的碳源。碳循环碳循环二、微生物在碳循环中的作用二、微生物在碳循环中的作用l微生物在碳循环中的作用，主要体现在两个方面，微生物在碳循环中的作用，主要体现在两个方面，一是通过光合作用和化能合成作用来固定一是通过光合作用和化能合成作用来固定CO2，二是通过分解作用再生二是通过分解作用再生CO2。l含含碳碳有有机机物物的的种种类类极极其其多多样样，不不同同有有机机物物能能被被不不同同微微生生物物分分解解，在在自自然然界界中中参参与与有有机机物物分分解解的的主主要要是是细菌、真菌和放线菌。细菌、真菌和放线菌。第二节第二节氮循环氮循环l自自然然界界中中的的氮氮元元素素有有：分分子子氮氮（空空气气中中的的N2）、有有机机氮氮（蛋蛋白白质质等等）、无无机机氮氮（NH4+、NO3-等等）。l在在生生物物的的协协同同作作用用下下，三三种种形形式式的的氮氮互互相相转转化化，构构成成循循环环。其其中中，微微生生物物在在转转化化中中起起着着重重要要作作用。用。一、氮循环的过程一、氮循环的过程二、微生物在氮循环中的作用二、微生物在氮循环中的作用（一）蛋白质水解与氨基酸转化（一）蛋白质水解与氨基酸转化1蛋白质的水解蛋白质的水解l蛋蛋白白质质是是生生物物细细胞胞的的主主要要成成分分，由由许许多多氨氨基基酸酸连连接接而成（几而成（几几百万的分子量）。几百万的分子量）。l蛋蛋白白质质的的分分解解，首首先先也也是是水水解解，才才能能进进入入微微生生物物细细胞内。胞内。蛋白酶蛋白酶蛋白酶蛋白酶蛋白酶蛋白酶肽酶肽酶蛋白质蛋白质（月示）月示）胨胨肽肽氨基酸氨基酸l能能够够分分解解蛋蛋白白质质的的微微生生物物很很多多，细细菌菌、真真菌菌、放放线线菌等。菌等。2氨基酸转化氨基酸转化（1）脱氨）脱氨l氨氨化化作作用用：有有机机氮氮化化合合物物在在脱脱氮氮微微生生物物的的作作用用下下脱氨基产生氨。脱氨基产生氨。例如：例如：氨基酸氨基酸不含氮的有机物（酸）不含氮的有机物（酸）+NH3l经经脱脱氨氨基基后后形形成成的的有有机机酸酸和和脂脂肪肪酸酸，在在微微生生物物的的作用下继续分解。作用下继续分解。（2）脱羧）脱羧l氨氨基基酸酸脱脱去去羧羧酸酸基基（CO2），产产生生胺胺。多多由由腐腐败败细细菌菌和和霉霉菌菌引引起起，二二元元胺胺对对人人有有毒毒。胺胺是是合合成成细细胞胞成成分分的的重重要要的的起起始始物物，尤尤其其使使诸诸如如NAD等等辅酶的合成。辅酶的合成。例如：例如：CH3CHNH2COOHCH3CH2NH2+CO2(丙氨酸丙氨酸)(乙胺乙胺)H2N(CH2)4CHNH2COOHH2N(CH2)5NH2(赖氨酸赖氨酸)(尸胺尸胺)（二）尿素的氨化（二）尿素的氨化l人人、畜畜尿尿中中含含有有尿尿素素，印印染染工工业业中中的的印印花花浆浆用用尿尿素素作作膨膨化化剂剂和和溶溶剂剂，故故印印染染废废水水中中含含有有尿尿素素。尿尿素素能能被被许许多多微微生生物物（尿尿素素细细菌菌）转转化化成成氨氨，如如尿尿八八联联球球菌、尿小球菌、尿素芽孢杆菌等。菌、尿小球菌、尿素芽孢杆菌等。尿酶尿酶CO(NH2)2+2H2O(NH4)2CO32NH3+CO2+H2O碳酸铵，很不稳定碳酸铵，很不稳定（三）硝化作用（三）硝化作用l在在有有氧氧的的条条件件下下，经经亚亚硝硝酸酸细细菌菌和和硝硝酸酸细细菌菌的的作用，氨转化成硝酸。（消耗溶解氧）作用，氨转化成硝酸。（消耗溶解氧）l硝化分二步进行：硝化分二步进行：2NH3+3O22HNO2+2H2O+619KJ（亚硝酸细菌）（亚硝酸细菌）2HNO2+O22HNO3+201KJ（硝酸细菌）硝酸细菌）l亚亚硝硝酸酸细细菌菌和和硝硝酸酸细细菌菌是是好好氧氧的的，世世代代时时间间很很长长（从十几小时到几天）。（从十几小时到几天）。（四）反硝化作用（四）反硝化作用l发生反硝化的条件是：发生反硝化的条件是：硝酸盐存在（提供电子受体）、硝酸盐存在（提供电子受体）、有机物存在（提供能量）有机物存在（提供能量）缺氧。缺氧。l反应过程，有三种结果：反应过程，有三种结果：HNO3NH3HNO3N2HNO3HNO2u环环境境工工程程最最关关心心的的反反硝硝化化作作用用：在在缺缺氧氧条条件件下下，硝硝酸盐被还原为氮气的过程。酸盐被还原为氮气的过程。l在环境工程中，涉及反硝化作用的主要是：在环境工程中，涉及反硝化作用的主要是：NO3-N2l反硝化作用的意义：反硝化作用的意义：土壤中发生反硝化作用，会降低土壤的肥力；土壤中发生反硝化作用，会降低土壤的肥力；污污水水生生物物处处理理的的二二沉沉池池中中发发生生反反硝硝化化作作用用，产产 生生 的的 氮氮 气气 会会 把把 池池 底底 的的 沉沉 淀淀 污污 泥泥 带带 上上 浮浮 起起，影响出水水质；影响出水水质；利利用用反反硝硝化化作作用用，可可以以去去除除水水中中的的氮氮（生生物物脱脱 氮）。氮）。（五）固氮作用（五）固氮作用l在在固固氮氮微微生生物物的的固固氮氮酶酶的的作作用用下下，把把分分子子氮氮转转化化成成氨，进而合成有机氮化合物，称为固氮作用。氨，进而合成有机氮化合物，称为固氮作用。l固氮微生物：细菌（根瘤菌、固氮菌等）和蓝藻固氮微生物：细菌（根瘤菌、固氮菌等）和蓝藻固氮酶固氮酶N2+6e-+6H+nATP2NH3+nADP+nPil固固氮氮酶酶对对O2敏敏感感，所所以以好好氧氧固固氮氮菌菌在在体体内内形形成成独独特的防护机制，保护固氮酶的活性。特的防护机制，保护固氮酶的活性。一、概念：是指固氮微生物将大气中的氮还原成氨的过程二、固氮微生物的种类共生固氮微生物共生固氮微生物自生固氮微生物自生固氮微生物共生固氮微生物1、概念：是指与一些绿色植物 互利共生的固氮微生物.2、代表生物：根瘤菌（属于细菌）共生特性：不同的根瘤菌，各自只能侵入一 种或多种特定种类的豆科植物共生关系：豆科植物为根瘤菌提供有机物，根瘤菌为豆科植物提供氨根瘤与根瘤菌 根瘤菌是与豆科等植物互利共生的一类细菌。能够将大气中的氮还原为氨供给豆科植物，同时又从豆科植物体中获取有机物。豆科植物开花之前，根瘤菌的固氮能力最强。根瘤是根瘤菌侵入豆科植物根部后不断繁殖，刺激根内薄壁细胞，导致这些细胞强烈的分裂和生长，从而使根部局部膨大形成瘤状突起，即根瘤。自生固氮微生物1、概念：是指在土壤中能够独立进行固氮的微生物2、代表生物：圆褐固氮菌（属于细菌）：具有较强的固氮能力，并且能够分泌生长素，促进植物生长和果实发育共生固氮微生物共生固氮微生物根瘤菌根瘤菌自生固氮微生物自生固氮微生物圆褐固氮菌圆褐固氮菌2.只有侵入到特定种类的豆科植只有侵入到特定种类的豆科植物的根内时才具有固氮能力。物的根内时才具有固氮能力。1.土壤中独立存在时有无固氮能力？土壤中独立存在时有无固氮能力？根瘤菌根瘤菌豆科植物豆科植物3.根内根细胞内？根内根细胞内？根内根内根细胞内根细胞内NH3有机物有机物4.互利共生互利共生3080同化作用的方式？同化作用的方式？5.新陈代谢的类型：异养需氧型新陈代谢的类型：异养需氧型异养型异养型2.2.新陈代谢的类型：新陈代谢的类型：异养需氧型异养需氧型3.分泌生长素，促分泌生长素，促进植物的生长和果进植物的生长和果实的发育。实的发育。1.自生自生自养自养（六）氨的同化作用（六）氨的同化作用l生生物物生生长长需需要要从从外外界界获获得得氮氮素素营营养养，即即进进行行同同化化作作用。用。l植植物物或或微微生生物物的的氮氮元元素素，可可以以来来自自氨氨化化作作用用产产生生的的氨氨，也也可可以以是是固固氮氮作作用用产产生生的的氨氨；另另一一来来源源是是硝硝酸酸盐盐，自自然然界界的的土土壤壤、水水体体中中，均均含含有有硝硝酸酸盐盐，植植物物、微微生生物物可可以以此此为为氮氮源源，它它们们吸吸收收硝硝酸酸盐盐，在在缺缺氧氧条条件件下下，由由硝硝酸酸还还原原酶酶作作用用，进进行行反反硝硝化化作作用用（亦亦称称为同化硝酸盐还原作用），把硝酸盐还原成氨。为同化硝酸盐还原作用），把硝酸盐还原成氨。l植植物物、微微生生物物等等获获得得氨氨后后，进进一一步步合合成成菌菌体体蛋蛋白白等等细胞物质。细胞物质。第三节第三节硫循环硫循环一、硫循环的过程一、硫循环的过程l含含硫硫的的化化合合物物有有：含含硫硫有有机机物物（蛋蛋白白质质中中的的SH基等），无机硫化合物，元素硫基等），无机硫化合物，元素硫二、微生物在硫循环过程中的作用二、微生物在硫循环过程中的作用u微微生生物物参参与与了了硫硫素素循循环环的的各各个个过过程程，并并起起着着很很重重要要的作用。的作用。1.含硫有机物的转化（脱硫作用）含硫有机物的转化（脱硫作用）l生生物物体体内内的的含含硫硫有有机机物物主主要要是是含含硫硫的的蛋蛋白白质质和和氨氨基基酸酸，如如蛋蛋氨氨酸酸、半半胱胱氨氨酸酸、胱胱氨氨酸酸等等。它它们们在在微微生生物的作用下被分解脱巯基产生硫化氢。物的作用下被分解脱巯基产生硫化氢。l能能分分解解含含硫硫有有机机物物很很多多，引引起起含含氮氮有有机机物物分分解解的的微微生物都能分解含硫有机物产生硫化氢。生物都能分解含硫有机物产生硫化氢。2.硫化作用硫化作用l硫硫化化作作用用，也也称称无无机机硫硫的的氧氧化化作作用用，它它是是在在有有氧氧条条件件下下，通通过过硫硫细细菌菌的的作作用用将将硫硫化化氢氢转转化化为为元素硫，再进而氧化成硫酸的过程。元素硫，再进而氧化成硫酸的过程。l参与硫化作用的微生物有硫化和硫磺细菌。参与硫化作用的微生物有硫化和硫磺细菌。硫化细菌一般在细胞外积累硫。硫化细菌一般在细胞外积累硫。硫硫磺磺细细菌菌一一般般将将硫硫粒粒积积累累在在细细胞胞内内（也也有有在在细细胞外的）的细菌。胞外的）的细菌。3.反硫化作用反硫化作用l当当环环境境条条件件处处于于缺缺氧氧状状态态时时，硫硫酸酸盐盐、亚亚硫硫酸酸盐盐、硫硫代代硫硫酸酸盐盐和和次次亚亚硫硫酸酸盐盐在在微微生生物物的的作作用用下下，还还原原成成硫硫化化氢氢，这这个个过过程程称称为为反反硫硫化化作作用用（或称硫酸盐还原作用）。（或称硫酸盐还原作用）。4.同化作用同化作用l由由植植物物和和微微生生物物引引起起。生生物物吸吸收收的的硫硫酸酸盐盐被被转转变变成成还还原原态态的的硫硫化化物物（也也称称为为同同化化硫硫酸酸盐盐还还原原作作用用），然然后后再再固固定定到到蛋蛋白白质质等等成成分分中中（主主要要以巯基形式存在）。以巯基形式存在）。第四节第四节磷循环磷循环磷是生物体的重要元素磷是生物体的重要元素l含磷的化合物有：含磷的化合物有：含磷有机物（核酸、磷脂等）含磷有机物（核酸、磷脂等）无机磷化合物无机磷化合物可溶的可溶的不可溶，如不可溶，如Ca3(PO4)2，不能被植物吸收利用，不能被植物吸收利用气气体体（PH3）磷磷化化氢氢是是一一种种无无色色、高高毒毒、易易燃燃的的储储存存于于钢钢瓶瓶内内的的液液化化压压缩缩气气体体。该该气气体体比比空空气气重重并有类似臭鱼的味道。并有类似臭鱼的味道。一、磷的循环过程一、磷的循环过程l无无机机磷磷可可以以为为植植物物所所吸吸收收利利用用，在在食食物物链链中中传传递递，而而一一部部分分则则以以不不溶溶性性形形式式沉沉淀淀下下来来，离离开开了了循循环环。这就是磷循环是不完全循环的原因所在。这就是磷循环是不完全循环的原因所在。二、二、磷循环过程中微生物的作用磷循环过程中微生物的作用1.有机膦的矿化作用有机膦的矿化作用l许许多多异异养养微微生生物物在在分分解解有有机机碳碳化化物物的的同同时时也也能能分分解解有有机机磷磷化化物物。包包括括细细菌菌、放放线线菌菌和和真真菌菌的的一一些些种种类类，都能进行有机膦化物的矿化作用。都能进行有机膦化物的矿化作用。2.2.难溶性无机磷的转化难溶性无机磷的转化l难难溶溶性性的的无无机机磷磷，如如磷磷酸酸钙钙，可可以以和和异异养养微微生生物物生生命命活活动动产产生生的的有有机机酸酸和和碳碳酸酸，硝硝酸酸细细菌菌和和硫硫细细菌菌产产生的硝酸和硫酸等作用，转变成可溶性磷酸盐。生的硝酸和硫酸等作用，转变成可溶性磷酸盐。3.磷的同化作用磷的同化作用l可可溶溶性性的的无无机机磷磷化化合合物物能能被被微微生生物物同同化化为为有有机机磷，成为活细胞的组分。磷，成为活细胞的组分。l在在水水体体中中，磷磷的的同同化化主主要要是是由由藻藻类类进进行行的的，并并沿食物链传递。沿食物链传递。