微生物在自然界碳氮素循环中的作用2010秋季.pptx

第八章 微生物在自然界物质循环中的作用第一节第一节 碳素循环中微生物的作用碳素循环中微生物的作用 一、纤维素的分解一、纤维素的分解 等等 第二节第二节 氮素循环中微生物的作用氮素循环中微生物的作用 一、氨化作用一、氨化作用 二、硝化作用二、硝化作用 三、反硝化作用三、反硝化作用 四、生物固氮四、生物固氮第一节第一节 碳素循环中微生物的作用碳素循环中微生物的作用CO2有机质生物每年吸收生物每年吸收1.2*10111.8*1011吨吨第一节第一节 碳素循环中微生物的作用碳素循环中微生物的作用CO2有有90%是由微生物的生命活动产生的。是由微生物的生命活动产生的。一、纤维素的分解一、纤维素的分解第一节第一节 碳素循环中微生物的作用碳素循环中微生物的作用(C6H10O5）n1014kg 最丰富多糖最丰富多糖1 1、分解纤维素的微生物、分解纤维素的微生物(1)(1)有氧、中温条件有氧、中温条件 a.a.真菌真菌(木霉属木霉属)木材腐朽：木材腐朽：褐褐 腐腐：只分解木材中的纤维素剩下木质素：只分解木材中的纤维素剩下木质素 白白 腐：腐：只分解木材中的木质素剩下纤维素只分解木材中的木质素剩下纤维素b.b.细菌细菌（食纤维菌属（食纤维菌属)c.c.放线菌放线菌(2)(2)无氧中温条件无氧中温条件 纤维分解梭菌等纤维分解梭菌等 一、纤维素的分解一、纤维素的分解第一节第一节 碳素循环中微生物的作用碳素循环中微生物的作用(3)(3)高温条件：在高温条件：在60607070条件下生长，并分解纤维素条件下生长，并分解纤维素 细细 菌菌：热纤维菌：热纤维菌 放线菌放线菌：链霉菌属、小单孢菌属：链霉菌属、小单孢菌属一、纤维素的分解一、纤维素的分解第一节第一节 碳素循环中微生物的作用碳素循环中微生物的作用2 2、微生物分解纤维素的生化机制、微生物分解纤维素的生化机制 纤维素纤维素 单糖单糖按作用场所分按作用场所分：表面酶：表面酶：分布于细胞表面分布于细胞表面,不能在其细胞培养液中起作用的酶不能在其细胞培养液中起作用的酶（食纤维菌）。（食纤维菌）。胞外酶：胞外酶：分泌到胞外分泌到胞外,在细胞生活环境中起作用的酶（真菌形成在细胞生活环境中起作用的酶（真菌形成的纤维素酶）。的纤维素酶）。内切葡萄糖酶内切葡萄糖酶外切葡萄糖酶外切葡萄糖酶-葡萄糖苷酶葡萄糖苷酶纤维素复合酶纤维素复合酶第一节第一节 碳素循环中微生物的作用碳素循环中微生物的作用一、纤维素的分解一、纤维素的分解二、半纤维素的分解二、半纤维素的分解第一节第一节 碳素循环中微生物的作用碳素循环中微生物的作用五碳糖五碳糖、六碳糖六碳糖及及糖醛酸糖醛酸的组成的多糖的组成的多糖分解半纤维素的微生物：分解半纤维素的微生物：真菌（真菌（双孢蘑菇）双孢蘑菇）放线菌（放线菌（青铜色小单孢菌）青铜色小单孢菌）细菌（细菌（枯草杆菌）枯草杆菌）原生动物原生动物藻藻 类类三、果胶物质的分解三、果胶物质的分解第一节第一节 碳素循环中微生物的作用碳素循环中微生物的作用半乳糖醛酸半乳糖醛酸主要以主要以-1、4糖苷键连成糖苷键连成1 1、分解果胶的微生物、分解果胶的微生物细细 菌：芽孢杆菌、梭菌、假单孢菌等菌：芽孢杆菌、梭菌、假单孢菌等放线菌：链霉菌、小单孢菌、游动放线菌等放线菌：链霉菌、小单孢菌、游动放线菌等 真真 菌：青霉、曲霉、木霉、根霉等菌：青霉、曲霉、木霉、根霉等 水浸法：水浸法：把麻类物质浸入水中，利用厌气微生物分解其把麻类物质浸入水中，利用厌气微生物分解其中的果胶。中的果胶。露浸法：露浸法：把麻类物质堆置并保持一定的湿度，利用好氧把麻类物质堆置并保持一定的湿度，利用好氧微生物分解果胶。微生物分解果胶。2 2、果胶分解的应用、果胶分解的应用-麻类脱胶麻类脱胶四、木质素的分解四、木质素的分解第一节第一节 碳素循环中微生物的作用碳素循环中微生物的作用带支链的带支链的芳香族化合物芳香族化合物的聚合体的聚合体降解特点：降解特点：主要微生物：真菌中的主要微生物：真菌中的担子菌担子菌.芳香族化合物芳香族化合物酚类酚类酚酶酚酶生物体有机态氮NO3-NH3NO2-NON2O大气N2同化作用氨化作用硝化作用硝化作用反硝化作用生物固氮同化作用异化还原作用第二节第二节 氮素循环中微生物的作用氮素循环中微生物的作用第二节第二节 氮素循环中微生物的作用氮素循环中微生物的作用有机氮有机氮氨态氮氨态氮亚硝态氮亚硝态氮硝态氮硝态氮氮氮 气气植物及微生物的固定植物及微生物的固定微生物微生物微生物微生物微生物微生物微生物微生物微生物微生物第二节第二节 氮素循环中微生物的作用氮素循环中微生物的作用一、氨化作用一、氨化作用有机态有机态N被微生物降解形成被微生物降解形成NH3的过程的过程.(1)蛋白质的氨化作用过程蛋白质的氨化作用过程蛋白质蛋白质蛋白酶蛋白酶水解水解肽肽肽酶肽酶水解水解氨基酸氨基酸降降解解NH3氧化脱氨基作用氧化脱氨基作用水解脱氨基作用水解脱氨基作用还原脱氨基作用还原脱氨基作用第二节第二节 氮素循环中微生物的作用氮素循环中微生物的作用一、氨化作用一、氨化作用(2)尿素的氨化尿素的氨化CO(NH2)2+2H2O (NH4)2CO3尿酶尿酶2NH3+CO2+H2O第二节第二节 氮素循环中微生物的作用氮素循环中微生物的作用一、氨化作用一、氨化作用(2)尿素的氨化尿素的氨化尿素细菌：尿素细菌：1 1、球菌、球菌：尿素生孢八叠球菌：尿素生孢八叠球菌(芽孢芽孢)2 2、芽孢杆菌、芽孢杆菌：巴斯德尿素芽孢杆菌（唯一：巴斯德尿素芽孢杆菌（唯一N N源）源）第二节第二节 氮素循环中微生物的作用氮素循环中微生物的作用一、氨化作用一、氨化作用(2)尿素的氨化尿素的氨化尿素细菌的生理特点尿素细菌的生理特点：喜好碱性条件喜好碱性条件 以尿素、铵盐为以尿素、铵盐为N N源，以有机碳为碳源和能源源，以有机碳为碳源和能源第一、施尿素注意深施第一、施尿素注意深施第二、尿素不要与碱性物质同时施入第二、尿素不要与碱性物质同时施入农业实践对策农业实践对策第二节第二节 氮素循环中微生物的作用氮素循环中微生物的作用一、氨化作用一、氨化作用氨化作用氨化作用有机氮有机氮无机氮无机氮微生物生长的氮源微生物生长的氮源植物生长的氮源植物生长的氮源第二节第二节 氮素循环中微生物的作用氮素循环中微生物的作用一、氨化作用一、氨化作用微生物生长发育过程中，从外界吸收利用的营养微生物生长发育过程中，从外界吸收利用的营养物质的物质的 C/N 是是25：1C：N=25：1C：N=5：1有机物微生物第二节第二节 氮素循环中微生物的作用氮素循环中微生物的作用二、硝化作用二、硝化作用将铵氧化形成硝酸的微生物学过程将铵氧化形成硝酸的微生物学过程硝化作用硝化作用化能自养型（好氧）化能自养型（好氧）异异 养养 型（厌氧）型（厌氧）1 1、硝化细菌和硝化作用的过程、硝化细菌和硝化作用的过程NHNH4 4+NO NO2 2-NO NO3 3-硝酸细菌硝酸细菌亚硝酸细菌亚硝酸细菌第二节第二节 氮素循环中微生物的作用氮素循环中微生物的作用二、硝化作用二、硝化作用2 2、影响硝化作用的环境因素、影响硝化作用的环境因素 (1)pH(1)pH值：喜欢微碱性环境；值：喜欢微碱性环境；(2)(2)温度：温度：4-404-40，最适：，最适：25-3525-35；(3)(3)通气：需要氧、通气：需要氧、COCO2 2；(4)(4)湿度：过量湿度：过量-影响通气，不足影响通气，不足-引起细胞缺水。引起细胞缺水。第二节第二节 氮素循环中微生物的作用氮素循环中微生物的作用三、反硝化作用三、反硝化作用微生物将硝酸还原为氨、微生物将硝酸还原为氨、N2O及及N2的过程的过程HNO3 N2O 或或 N2NH3硝酸盐的同化还原作用硝酸盐的同化还原作用硝酸盐的异化还原作用硝酸盐的异化还原作用（脱氮）（脱氮）1、反硝化作用的过程、反硝化作用的过程第二节第二节 氮素循环中微生物的作用氮素循环中微生物的作用三、反硝化作用三、反硝化作用2 2、反硝化作用微生物、反硝化作用微生物 大多数：大多数：异养、兼性厌氧异养、兼性厌氧 极少数：化能自养型（脱氮硫杆菌极少数：化能自养型（脱氮硫杆菌）第二节第二节 氮素循环中微生物的作用氮素循环中微生物的作用三、反硝化作用三、反硝化作用3 3、环境对反硝化作用的影响、环境对反硝化作用的影响 厌氧环境厌氧环境 微微 碱碱 性性 有机质与有机质与NONO-3 3含量含量丰富丰富第二节第二节 氮素循环中微生物的作用氮素循环中微生物的作用四、生物固氮四、生物固氮土壤氮素损失的途径土壤氮素损失的途径:收获、收获、NH3、NO3-、NO2、N2 投入的途径投入的途径:施肥、降雨或灌溉、施肥、降雨或灌溉、生物固氮生物固氮等等*生物固氮量：生物固氮量：2.4108吨吨/年年仅次于仅次于光合作用的化学反应光合作用的化学反应提供还原态氮化合物提供还原态氮化合物整个固氮量整个固氮量75%第二节第二节 氮素循环中微生物的作用氮素循环中微生物的作用四、生物固氮四、生物固氮共生固氮作用共生固氮作用100100余属余属细菌细菌放线菌放线菌兰细菌兰细菌固氮微生物固氮微生物非豆科植物非豆科植物 21个属个属豆科植物豆科植物 700700个属个属生物固氮：生物固氮：分子态氮在微生物体内由固氮酶催化下还原为氨的过程分子态氮在微生物体内由固氮酶催化下还原为氨的过程.1966年乙炔还原法、年乙炔还原法、15N示踪示踪18981898年第一次分离根瘤菌到年第一次分离根瘤菌到第二节第二节 氮素循环中微生物的作用氮素循环中微生物的作用四、生物固氮四、生物固氮（一）生物固氮作用的机理（一）生物固氮作用的机理1 1、固、固N酶（复合蛋白）：酶（复合蛋白）：钼铁蛋白、铁蛋白、钒固氮酶等钼铁蛋白、铁蛋白、钒固氮酶等2 2、固、固N N酶固氮的基本反应酶固氮的基本反应1 1、能量（、能量（28 ATP28 ATP）2 2、电子供体、电子供体3 3、电子载体（、电子载体（铁氧还蛋白和黄素氧还蛋白铁氧还蛋白和黄素氧还蛋白）4、无氧环境、无氧环境(有氧条件下，氧化电子载体或抑制固氮酶有氧条件下，氧化电子载体或抑制固氮酶）3 3、固、固N N酶作用的基本条件酶作用的基本条件N2+8e+8H+nATP 2NH3+H2+nADP+nPi 第二节第二节 氮素循环中微生物的作用氮素循环中微生物的作用四、生物固氮四、生物固氮（二）生物固氮类型（二）生物固氮类型1 1、自生固氮、自生固氮：微生物独立生活时进行固氮的现象。微生物独立生活时进行固氮的现象。2 2、共生固、共生固N N：微生物与植物形成具有特殊结构与功能的器官微生物与植物形成具有特殊结构与功能的器官 而进行固氮的现象。而进行固氮的现象。3 3、内生固氮：、内生固氮：生活在植物细胞内或细胞间的某些细菌进生活在植物细胞内或细胞间的某些细菌进 行固氮作用的现象。行固氮作用的现象。4 4、联合固氮：、联合固氮：固氮微生物与植物根系联合成松散的结构固氮微生物与植物根系联合成松散的结构 进行固氮作用的进行固氮作用的现象。现象。第二节第二节 氮素循环中微生物的作用氮素循环中微生物的作用四、生物固氮四、生物固氮（三）影响生物固氮作用的因素（三）影响生物固氮作用的因素1、土壤化合态氮对自生和共生固氮作用的影响、土壤化合态氮对自生和共生固氮作用的影响(a)对自生固氮的影响对自生固氮的影响:抑制固氮酶活性、破坏电子传递抑制固氮酶活性、破坏电子传递(b)对共生固氮的影响对共生固氮的影响:妨碍根瘤菌进入根毛妨碍根瘤菌进入根毛 影响根瘤的长大影响根瘤的长大 降低根瘤的固氮酶活性降低根瘤的固氮酶活性丰富的化合态氮抑制固氮作用丰富的化合态氮抑制固氮作用第二节第二节 氮素循环中微生物的作用氮素循环中微生物的作用四、生物固氮四、生物固氮（三）影响生物固氮作用的因素（三）影响生物固氮作用的因素2、氧气对固氮作用的影响、氧气对固氮作用的影响抑制作用抑制作用好气固氮菌固氮的防氧保护：好气固氮菌固氮的防氧保护：蓝细菌的异形胞蓝细菌的异形胞 豆血红蛋白豆血红蛋白