第八学习单元 (4 课时 ): 微生物在环境物质循环中的作用 第八学习单元 1 导言 2 氧循环 3 碳循环 4 氮循环 5 硫 磷 铁的循环本学习单元的重点和难点 : 碳循环 氮循环 硝化和反硝化作用 8.1 导言 1 为什么要学习本单元? 生物圈中的各种化学元素, 经生物化学作用在生物圈中进行转化和运动, 这种循环是地球化学循环的重要组成部分 地球上的大部分元素都以不同的循环速率参与生物地球循环 生命物质的主要组成元素 (C H O N P S) 循环很快, 少量元素 (Mg K Na 卤素元素) 和迹量元素 (Al B Co Cr Cu Mo Ni Se V Zn) 则循环较慢 属于少量和迹量元素的 Fe Mn Ca 和 Si 是例外, 铁和锰以氧化还原的方式快速循环 钙和硅在原生质中含量较少, 但在其他结构中含量很高 其中碳 氮 磷 硫的循环受二个主要的生物过程控制, 一是光合生物对无机营养物的同化, 1
二是后来进行的异养生物的矿化 实际上所有的生物都参与生物地球化学循环 微生物在有机物的矿化中起决定性作用, 地球上 90% 以上有机物的矿化都是由细菌和真菌完成的 2 本单元知识体系 1 氧元素在生物圈的循环过程; 2 纤维素 果胶质 淀粉 脂肪 烃类物质中主要元素碳的循环和转化 ; 3 生物圈中氮元素的循环转化及微生物的硝化 反硝化和固氮作用 ; 4 硫 磷 铁等元素在生物圈中的循环转化作用 3 学习目标 1 掌握碳循环 氮循环过程中几种主要物质的转化过程 2 了解氧循环 硫循环 磷循环的途径 8.2 氧循环 8.2.1 氧循环大气中含有丰富的氧元素, 地球上绝大多数生物都需要氧, 人和动物呼吸 微生物分解有机物所消耗的氧气由陆地和水体中 O 2 呼吸作用 光合作用 H 2 0 2
的植物及微生物进行光合作用释放后补充到大气和水体中去, 整个循环过程如下图所示 : 8.2.2 水体中氧的分布由于氧气在水中的溶解度不高而且其溶解量受到很多因素的影响, 因此了解氧气在水体中的分布对掌握水中微生物生态系统至关重要 以静水水体湖泊为例, 由于冬季和夏季湖泊水温分 湖中 DO 的分布 DO(ppm) 温水层 夏 冬 温跃层 水深 (m) 冷水层 布不同, 溶解氧含量随水深变化亦不同 ( 具体如图所示 ): 气温 较高的夏季湖泊中溶解氧上层最多, 底层最少 ; 气温偏低的冬季, 湖泊中的溶解氧沿水深溶解氧浓度都较高, 变化不大 8.3 碳循环 8.3.1 碳在生物圈中的总体循环 3
碳元素是一切生命有机体的最大组分, 接近有机物质干重的 50% 碳循环是最重要的物质循环 初级生产者把 CO 2 转化成有机 碳 初级生产的产物为异养消费者利用, 并进一步进行循环, 部 碳在生物圈中的总体循环 产甲烷菌 甲烷营养菌 分有机化合物经呼吸作用被转化为 CO 2 初级生产者和其他营养级的生物残体最终也被分解而转化成 CO 2 大部分绿色植物不是被动物消费, 而是死亡后被微生物分解,CO 2 又被生产者利用 生物圈中的碳循环是其总循环的基础, 异养的大生物和微生物都参与循环, 但微生物的作用是最重要的 在好氧条件下, 大生物和微生物都能分解简单的有机物和生物多聚物 ( 淀粉, 果胶, 蛋白质等 ), 但微生物是唯一在厌氧条件下进行有机物分解的 微生物能使非常丰富的生物多聚物得到分解, 腐殖质 蜡和许多人造化合物只有微生物才能分解 8.3.2 纤维素的转化树木 农作物秸秆和以这些为原料的工业产生的废水, 如 : 4
棉纺印染废水 造纸废水 人造纤维废水及有机垃圾等, 均含有大量纤维素 纤维素在微生物酶的催化下沿下图途径分解 : 微生物依次通过三种酶 : 内切葡萄糖酶 外切葡萄糖 ( 纤维二糖水解酶 ) 和 - 葡萄糖苷酶 ( 纤维二糖酶 ) 完成对纤维素的分解 首先破坏纤维素的结晶状态, 打断氢键, 内切酶切开 (1,4) 糖苷键, 外切酶从暴露的纤维链素末端切下二糖单位, 最后 - 葡萄糖苷酶对纤维 纤维素酶纤维二糖酶氧化酶 脱氢酶 脱羧酶纤维素纤维二糖葡萄糖细胞色素 bc1caa3 厌氧细胞色素氧化酶发酵三羧酸循环葡萄糖 (TCA) ATP H 2 O CO 2 丙酮丁醇发酵丙酮 + 丁醇 + 乙酸 +CO 2 +H 2 好氧分解 丁酸发酵丁酸 + 乙酸 + CO 2 +H 2 二糖水解得葡萄糖 厌氧发酵 8.3.3 半纤维素的转化 半纤维素存在于植物细胞壁中 造纸废水和人造纤维废水中 都含有半纤维素 土壤微生物分解半纤维素的速率要比分解纤维 半纤维素 聚糖酶 H 2 O 单糖和糖醛酸 好氧分解 EMP 途径 TCA ATP 无氧分解 各种发酵产物 CO 2 +H 2 O 5
素快 大部分能分解纤维素的微生物都能分解半纤维素, 如芽孢杆菌 放线菌和霉菌等等 半纤维素在微生物酶的催化下沿下图途径分解 : 8.3.4 果胶质的转化果胶质存在于植物的细胞壁和细胞间质中, 造纸 制麻废水 原果胶 +H 2 O 原果胶酶 H 2 O 可溶性原果胶 + 聚戊糖 可溶性原果胶 +H 2 O 果胶甲酯酶 果胶酸 + 甲醇 果胶酸 +H 2 O 聚半乳糖酶 半乳糖醛酸 中都含有果胶质 果胶质的水解过程如下式所示 : 好氧菌 厌氧菌和真菌之中都有能够分解果胶质的微生物, 如枯草芽孢杆菌 果胶梭菌 青霉 曲霉和放线菌等 8.3.5 淀粉的转化淀粉广泛存在于植物种子和果实等之中, 凡是以上述物质作原料的工业废水, 如淀粉厂废水 酒厂废水 印染废水 抗生素发酵废水及生活污水等均含有淀粉 淀粉是多糖, 分子式为 (C 6H 10O 5) 1200, 在微生物作用下, 淀粉的分解过程如下图所示 : 在好氧 厌氧和兼性条件下淀粉的分解途径 主要分解微生物和分解产物均不同 6
好氧分解 枯草芽孢杆菌 糊精酶麦芽糖苷酶葡萄糖苷酶淀粉糊精麦芽糖葡萄糖根霉 曲霉乙醇厌发氧酵发酵乙醇 +CO 2 酵母菌 三羧酸循环 CO 2 +H 2 O 葡萄糖 丙酮丁醇发酵丁酸发酵 丙酮 + 丁醇 + 乙酸 +CO 2 +H 2 丁酸 + 乙酸 +CO 2 +H 2 8.3.6 脂肪的转化脂肪是由甘油和高级脂肪酸 ( 饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸 ) 组成, 不溶于水, 可溶于有机溶剂 脂肪可被微生物分解 : 脂肪 脂肪酶 甘油 + 高级脂肪酸 3H 2 O 脂肪酶的分解产物甘油和高级脂肪酸可以进一步降解 1 甘油的转化微生物可将甘油降解程磷酸二羟丙酮 : ATP ADP NAD + NADH 甘油 α 磷酸甘油磷酸二羟丙酮甘油激酶磷酸甘油脱氢酶 7
2 脂肪酸的 β 氧化 ( 以硬脂酸为例 ) 脂肪酸通常 β 氧化途径氧化, 以硬脂酸为例氧化作用如下图所示, 1mol 硬脂酰辅酶 A 每经一次 β - 氧化作用产生 1mol 乙酰辅酶 A,1molFADH 2 及 1molNADH 2 1mol 乙酰辅酶 A 经三羧酸循环氧化产生 12molATP,1molFADH 2 经呼吸链氧化产生 2molATP, 1molNADH 2 经呼吸链氧化产生 3molATP, 共产生 17molATP 经过 8 次 β - 氧化作用, 共产生 9 mol 乙酰辅酶 A 8molFADH 2 及 8molNADH 2, 生成 17 8+12=148molATP 硬脂酸在激活时消耗 1molATP, 故 1mol 硬脂酸 (C 17H 35) 彻底氧化生成 147molATP ATP AMP+PPi CH 3 (CH 2 ) 16 +CoA SH 硬脂酸脂酰磷激酶脂酰硫激酶 8CH 3 COSCoA CH 3 (CH 2 ) 16 CO~SCoA 硬脂酰辅酶 A FAD 脱氢酶 7FADH 继续 7 次 β - 氧化 2 +7NADH 2 CH 3 (CH 2 ) 14 COSCoA CH 3 COSCoA 硫脂解酶 CoASH CH 3 (CH 2 ) 14 COCH 2 COSCoA β - 酮硬脂酰辅酶 A 脱氢酶 NADH+H + FADH 2 CH 3 (CH 2 ) 14 CH=CHCOSCoA Δ 2 - 反 - 烯硬脂酰辅酶 A H 2 O 水化酶 CH 3 (CH 2 ) 14 CHOHCH 2 COSCoA L(+)β - 羟硬脂酰辅酶 A NAD + 8.3.7 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 8
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 木质素的分解主要是真菌起作用 ; 放线菌中的链霉菌和诺卡氏菌, 以及某些好氧性细菌可能对木质素有解聚作用, 但尚不知能否完全分解 8.3.8 烃类物质的转化石油中含有烷烃 (30%) 环烷烃(46%) 和芳香烃 (28%) CH 2O CO 2H O 887kJ 4 2 2 2 1 烷烃的转化: 烷烃的通式为 CnH2n+2m, 可被微生物氧化, 甲烷的氧化如下式 : 分解甲烷的微生物有 : 甲烷假单胞菌 分枝杆菌 头孢霉 青霉 2 芳香烃化合物的转化: 芳香烃有酚 间甲酚 邻苯二酚 苯 二甲苯 萘 菲 蒽等 炼油厂 煤气厂 焦化厂及化肥厂的废水中含有芳香烃 不同种类的芳香烃可由不同的微生物分解 : 右图为其代谢途径 酚 苯 : 荧光假单胞菌 铜绿色假单胞菌 苯杆菌苯系物 : 甲苯杆菌萘 : 铜绿色假单胞菌 溶条假单胞菌 诺卡氏菌菲 : 菲杆菌 菲芽孢杆菌巴库变种等苯并 (α ) 芘 : 荧光假单胞菌 铜绿色假单胞菌 大肠埃希氏菌 9
苯邻苯二酚己二烯二酸 萘菲蒽 酮基己二酸 琥珀酸 + 乙酰辅酶 A CO 2 +H 2 O 8.4 氮循环 食用 8.4.1 氮元素循环 植物蛋白 动物蛋白 氮循环包括氨化作用 硝化作用 反硝化作用 及固氮 吸收 固氮 N2 死亡 蛋白质氨基酸 死亡 排泄 尿素 作用 如右图所示 8.4.2 蛋白质水解与氨基酸 反硝化 NO3- 反硝化 氨化 转化 1 蛋白质的水解 硝化 NO2- 硝化 NH3 土壤和水体中都含有蛋白质, 由于动植物残体的腐败使土壤中含有丰富的蛋白质, 水体中蛋白质来源主要有 : 生活污水 屠宰废水 罐头食品加工废水 制革废水等 蛋白质相对分子质量大, 不能直接进入微生物细胞, 在细胞外被蛋白酶水解成小分子肽 氨基酸后才能透过细胞被微生物利用, 蛋白质的水解途径为 : 蛋白质 胨 肽 氨基酸 分解蛋白质的微生物有 : ⑴ 好氧细菌 : 枯草芽孢杆菌 巨大芽孢杆菌 蕈状芽孢杆菌等 ; 10
⑵ 兼性厌氧菌 : 变形杆菌 假单胞菌 ; ⑶ 厌氧菌 : 腐败梭状芽孢杆菌 生孢梭状芽孢杆菌 ; ⑷ 致病菌 : 链球菌 葡萄球菌 ; ⑸ 真菌 : 曲霉 毛霉 木霉 ; ⑹ 放线菌 : 链霉菌 2 氨基酸的转化 ⑴ 脱氨作用 : 有机氮化合物在氨化微生物的脱氨基作用下产生氨的过程称为氨化作用 脱氨的方式有氧化脱氨 还原脱氨 水解脱氨以及减饱和脱氨 1 氧化脱氨在好氧 微生物作用下进行 : CH3 CH3 CHNH2 +1.5O2 CO + NH3 丙氨酸 TCA 循环 2 还原脱氨由专性厌 氧菌和兼性厌氧菌在 厌氧条件下进行 : NH2 CH2 甘氨酸 CH3 +2H + NH3 3 氨基酸水解脱氨后 生成羟酸 : CH3 CHNH2 CH3 +H2O CHOH + NH3 11
4 氨基酸在脱氨 时, 在 α β 位减饱 和为不饱和酸 : CH2 CHNH2 CH CH + NH3 8.4.3 尿素的氨化 尿素广泛存在于土壤和水体中, 尿素中氮元素含量丰富高达 NH2 O C + 2H2O NH2 (NH4)2CO3 2 NH3 +CO2+H2O 47%, 能被许多微生物水解产生氨 ( 如下图 ), 因此在废水处理过 程中, 当缺氮元素时可加尿素补充氮源 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 8.4.4 硝化作用和反硝化作用 氨基酸脱下的氨, 在有氧的条件下, 经亚硝酸细菌和硝酸细 菌的作用转化为硝酸, 硝化作用分两步进行 : 2NH 3 +3O 2 2HNO 2 +2H 2 O+619kJ (1) 2HNO 2 +O 2 2HNO 3 +201kJ (2) 参与硝化作用的微生物 : 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 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 处理时可 12
以利用微生物的硝化作用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 因此我们需要进一步了解反硝化作用即兼性厌氧的硝酸盐还原细菌在缺氧的情况下将硝酸盐还原为氮气的过程 反硝化作用的三种结果 :1 硝酸盐 氨 氨基酸 蛋白质及其它含氮物质 ;2 硝酸盐 氮气 ;3 硝酸盐 亚硝酸 因此根据三种产物可知反硝化作用对环境有一定的危害 :1 会使土壤肥力降低 ;2 影响水处理过程中二沉池的出水水质 ;3 产生致癌物质亚硝酸胺, 危害人体健康 8.4.5 固氮作用 1 固氮作用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称为固氮作用 能够固氮的微生物 N 2 +6e+6H + +natp 固氮酶 2NH 3 +nadp+npi 有 : 根瘤菌 固氮菌 厌氧的巴氏梭菌 硫酸盐还原菌 光合细菌等 各类微生物固氮反应的基本反应式相同 : 2 固氮作用分类: (1) 自生固氮自生固氮微生物可以在环境中自由生活, 能独立进行固氮作用 在固氮酶的参与下, 将分子氮固定成氨, 但并不释放到环境中去, 而是合成氨基酸, 组成自身蛋白质 只有在死亡后, 机体被分解才会向环境释放氨 如拜氏菌属 光合细菌等 13
(2) 共生固氮共生固氮微生物只有在与其它生物紧密生活在一起的情况下, 才能固氮或才能有效地固氮 固氮效率高 如根瘤菌 (3) 联合固氮固氮微生物仅存在于植物的根际, 并不侵入根毛生成根瘤, 固氮效率较高 如雀稗固氮菌 8.5 硫 磷 铁 锰和汞的循环 8.5.1 硫循环自然界中硫元素有三种形态 : 单质硫 无机硫化物及含硫有机化合物 这三者在化学和生物作用下互相转化, 构成硫的循环 ( 如图所示 ) 大气中的 SO 2 降水 生产者 吸收 摄入 消费者 燃烧 动植物遗体碎屑 排出物 土壤或水体中的 SO 2-4 分解者 火山爆发 石油等化石燃料 1 含硫有机化合物的转化 14
含硫有机物主要是生物体蛋白质中的含硫氨基酸 含硫有机物在有氧条件下, 最终产物为 SO 4 2-; 在缺氧条件下, 转化产物为 H 2S 和硫醇 2 无机硫的转化 ⑴ 硫化作用 : 在有氧的条件下, 通过硫细菌 ( 硫化细菌和硫磺细菌 ) 的作用将硫化氢氧化为元素硫, 再进而氧化为硫酸的过程 参与硫化作用的微生物有 : 硫化细菌 ( 如氧化硫硫杆菌 氧化亚铁硫杆菌 ) 和硫磺细菌 ( 如丝状硫磺细菌 光能自养硫细菌 ) 其中硫化细菌是革兰氏阴性杆菌, 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 中性和偏碱性硫磺细菌能够将 H 2S 氧化为 S, 并将硫粒积累在细胞内 其中丝状硫磺细菌有贝日阿托氏菌 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 另外一种光能自养硫细菌因含细菌叶绿素, 可在光照条件下将 H 2S 氧化为 S 与反硝化作用类似, 也存在反硫化作用, 当土壤淹水 河流 湖泊等水体缺氧时, 硫酸盐 亚硫酸盐等在微生物的还原作用下, 形成硫化氢的过程 如脱硫脱硫弧菌 反硫化作用也存在一些危害, 例如在混凝土排水管和铸铁排水管中, 如有硫酸盐存在, 管 15
底常因缺氧而产生 H 2S H 2S 上升到污水表层或逸出空气层, 与污水表面溶解氧相遇,H 2S 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 8.5.2 磷循环 磷元素的生物地球化学循环包括三种基本过程 ( 如右图 ):1 有机磷转化成溶解性无机磷 ( 有机磷矿化 ),2 不溶性无机磷变成溶解性无机磷 ( 磷的有效化 ),3 溶解性无机磷变成有机 植物 微生物 吸收 PH3 厌氧 菌还 原 动植物体内含磷有机物 非溶性磷酸盐 溶解 微生物产酸 2- HPO4 微生物分 腐烂 微生物分解 解 环境中含磷有机物 洗涤剂农药工业 废水 磷 ( 磷的同化 ) 微生物参与磷循环的所有过程, 但在这些过程中, 微生物不改变磷的价态, 因此微生物所推动的磷循环可看成是一种转化 1 含磷有机物的转化 ⑴ 核酸 : 核酸 核苷酸 ( 磷酸 +) 核苷 ( 核糖 +) 嘧啶 ( 或嘌呤 ) 氨 ⑵ 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 胆碱可再分解为氨 二氧化碳 有机酸和醇 ⑶ 植素 : 植素是由植酸和钙 镁结合而成的盐类 植素在土壤 16
中分解很慢, 经微生物的植酸酶分解为磷酸和二氧化碳 2 无机磷化合物的转化主要有两种途径如下图所示 : 不溶性磷酸盐 产酸微生物 与 M n+ 结合 磷酸或可溶性磷酸盐 8.5.3 铁循环 厌氧磷酸盐 PH 3 ( 自燃 鬼火 ) 铁循环的基本过程是氧化和还原 微生物对铁作用的三个方 面 :1 铁的氧化和沉积, 在铁氧化菌作用下亚铁化合物被氧化高 铁化合物而沉积下来 ;2 铁的还原和溶解, 铁还原菌可以使高铁 化合物还原成亚铁化合物而溶解 ;3 铁的吸收, 微生物可以产生 非专一性和专一性的铁螯合体作为结合铁和转运铁的化合物 通 过铁螯合化合物使铁活跃以保持它的溶解性和可利用性 8.6 复习思考题 1 详述纤维素的好氧分解和厌氧分解过程 有哪些微生物和酶参与? 2 复杂有机物的沼气发酵三阶段理论内容是什么? 3 何谓硝化作用 反硝化作用 固氮作用? 它们各由哪些微生物起作用? 4 什么叫硫化作用? 参与硫化作用的微生物有哪些? 5 铁的三态是如何转化的? 有哪些微生物引起管道腐蚀? 17