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西安交通大学《环境微生物学》期末考试拓展学习六4
西交《环境微生物学》(六)
第八章物质循环中的微生物
第一节氧循环
一、地球物质的循环
1、物质循环的概念
是指各种基本元素(O、C、N、P、S、Fe等)在生态系统的生物群落与无机环境之间反复循环运动的过程。
包括天然物质循环和污染物质的循环,其实从本质上看,并没有太大的区别,但是污染物质的进入,会影响原有的物质循环的某些环节。
推动物质进行循环的作用包括物理、化学和生物的作用,其中生物起到了主导的作用,而微生物在这当中又占了极重要的地位。
2、地球物质循环中生物的作用
地壳中的碳、氮、磷、硫等生物营养物质通过植物的光合作用被吸收合成生物有机体,沿着食物链(网)的途径被逐级转移,部分物质通过代谢作用排入水体,生物死体在有关微生物的分解作用下,有机物转化为无机物质,从而重新返回到水体中,开始新的循环。
例题1:
何为物质循环?
解析:
物质循环的概念是指各种基本元素(O、C、N、P、S、Fe等)在生态系统的生物群落与无机环境之间反复循环运动的过程。
包括天然物质循环和污染物质的循环
二、氧循环
O2的产生:
绿色植物与微生物的光合作用。
O2的消耗:
生物的呼吸与燃烧。
所谓氧循环实际上是O2和CO2得循环。
无论是O2还是CO2,除了在大气中的含量以外水体(海洋)中的含量,也是不可忽视的。
第二节碳循环
三、纤维素的分解
纤维素是葡萄糖高分子聚合物(C6H10O5)n,n=1400-10000。
来源:
以树木、农作物为原料的工业生产,如造纸、印染等。
作用的微生物:
细菌、放线菌和真菌。
分解过程:
首先必须经过微生物胞外酶(水解酶)的作用,使之水解成可溶性的较简单的葡萄糖后,才能被微生物吸收分解。
四、半纤维素的分解
半纤维素是由五碳糖、六碳糖及糖醛酸组成的多糖,是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。
分解过程:
分解纤维素的微生物大多能分解半纤维素。
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、青霉及镰刀霉。
五、果胶质的分解
果胶质是半乳糖醛酸组成的多糖,其分子量约5万-30万。
造纸、制麻肺水肿多含有果胶。
天然果胶质不溶于水,称为原果胶。
果胶的分解:
分解果胶的微生物:
基本和分解果胶的菌大类相同。
六、淀粉的分解
1、淀粉的种类:
淀粉分为直链淀粉和支链淀粉。
2、淀粉的降解途径
例题2:
淀粉的降解途径
解析:
(1)枯草杆菌将淀粉分解为CO2;
(2)根霉和曲霉先将淀粉转化为葡萄糖,接着由酵母菌将葡萄糖发酵为乙醇和CO2;
(3)梭状芽孢杆菌与丁酸梭状芽孢杆菌发酵生成丙酮、丁醇、乙酸和CO2;
(4)丁酸梭状芽孢杆菌参与发酵丁酸、乙酸和CO2。
七、油脂的分解
由脂肪酸和甘油组成的,常温下呈固态的称为脂;由不饱和脂肪酸和甘油组成,在常温下呈业态的称为油。
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。
例题3:
什么是油、脂?
废弃油脂的来源有哪些?
解析:
由脂肪酸和甘油组成的,常温下呈固态的称为脂;由不饱和脂肪酸和甘油组成,在常温下呈业态的称为油。
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。
例题4:
脂肪酸是如何进行β-氧化的?
其能量如何平衡?
解析:
脂肪酸先是被脂酰硫激酶激活,然后在α,β碳原子上脱氢、加水、脱氢、再加水,最后α,β碳位之间的碳链断裂,生成1mol乙酰辅酶A和碳链较原来少两个碳原子的脂肪酸。
乙酰辅酶A进入三羧酸循环完全氧化成二氧化碳和水。
剩下的碳链较原来少两个碳原子的脂肪酸可重复一次β-氧化,以至完全形成乙酰辅酶A而告终。
八、木质素的分解
木质素是由(对香豆醇、松柏醇、5-羟基松柏醇、芥子醇)聚合构成的一类物质,主要作用是通过形成交织网来硬化细胞壁。
木质素主要位于纤维素纤维之间,起杭压作用。
在木本植物中,木质素占25%,是世界上第二位最丰富的有机物(纤维素是第一位)。
造纸和人造纤维的废水中含有大量的木质素。
能够分解木质素的主要微生物有担子菌纲的干朽菌、多孔菌和伞菌,有些假单胞菌也能分解木质素。
一般木质素的分解速度缓慢。
例题5:
分解木质素的菌类有哪些?
解析:
能够分解木质素的主要微生物有担子菌纲的干朽菌、多孔菌和伞菌,有些假单胞菌也能分解木质素。
九、烃类的分解
1、石油是含有烷烃、环烷烃、芳香烃及少量非烃化合物的复杂混合物。
石油污染主要出现在采油区和石油运输事故现场以及石化行业的工业废水中。
2、石油降解的特点:
(1)碳链长度:
>C24非常难以讲解
(2)碳链结构:
直链可降解性>支链,链末端有季碳原子更难;
不饱和可降解性>饱和;
烷烃可降解性>芳烃,多环芳烃极难降解。
3、微生物降解石油的一般途径
(1)直链烷烃:
先将一端氧化成为有机酸(或者将长链烷烃截断氧化成为两个小分子有机陶,然后经过β氧化成为二氧化碳和水。
(2)环烷烃:
通常一些微生物只能将环烷变成环己酮。
另一些微生物只能将环己酮氧化开链而不能氧化环己烷,两类以上微生物的协同作用下将污染物彻底降解——共代谢。
(3)芳香烃:
先开环,生成有机酸,再进入呼吸氧化系统。
例题6:
石油降解的特点有哪些?
解析:
(1)碳链长度:
>C24非常难以讲解
(2)碳链结构:
直链可降解性>支链,链末端有季碳原子更难;
不饱和可降解性>饱和;
烷烃可降解性>芳烃,多环芳烃极难降解。
例题7:
微生物降解石油的一般途径?
解析:
(1)直链烷烃:
先将一端氧化成为有机酸(或者将长链烷烃截断氧化成为两个小分子有机陶,然后经过β氧化成为二氧化碳和水。
(2)环烷烃:
通常一些微生物只能将环烷变成环己酮。
另一些微生物只能将环己酮氧化开链而不能氧化环己烷,两类以上微生物的协同作用下将污染物彻底降解——共代谢。
(3)芳香烃:
先开环,生成有机酸,再进入呼吸氧化系统。
第三节氮循环
十、蛋白质水解与氨基酸转化
1、水解过程:
蛋白质——朊——胨——肽——氨基酸。
此过程一般在微生物的胞外进行。
2、氨基酸的降解(氨化作用)机理:
3、脱氨作用:
氧化脱氨(好氧微生物)
4、非氧化脱氨(厌氧菌和兼性厌氧菌)
(1)还原型脱氨基作用——氢化酶,以NADH为辅酶
(2)水解脱氨基反应——水解酶
5、氨基酸降解产物的进一步代谢
(1)CO2放出、再羧化
(2)R-CO-COOH通过EMP途径生糖/生酮,或经TCA途径生成ATP
6、脱羧作用:
(腐败菌和霉菌)
虽在动植物和微生物体中普遍存在,但不是氨基酸的主要代谢方式。
二元胺对人有毒,故蛋白质腐败后不可食用。
十一、尿素的转化
人粪尿和印染废水(作为膨化机)中含有尿素,废水处理中也以尿素的形式补充氮源。
尿素分解时不能释放能量,微生物不能以尿素作为碳源,需要其他碳水化合物帮助。
十二、硝化与反硝化
1、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的过程称为硝化作用。
硝化细菌和硝化作用的过程:
(1)硝化细菌均属于化能无机营养自养细胞,进行消化作用不需要额外的有机营养。
(2)亚硝酸细菌的产物亚硝酸对自身有毒,需要尽快继续氧化为硝酸。
(3)硝化过程取得的能量用于自身的代谢过程。
2、微生物还原硝酸为亚硝酸、氨和N2的作用称为反硝化作用。
反硝化细菌和反硝化作用的过程:
(1)大多数微生物可利用稍酸盐为氮源,先将硝酸盐还原成氨,然后再合成氨基酸和蛋白质。
(2)凡硝化细菌(兼性厌氧菌)在厌氧条件下将NO3-还原为N2。
(3)硝酸盐还原为亚硝酸。
实际上是硝酸还原的第一步。
例题8:
名词解释:
硝化作用、反硝化作用?
解析:
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的过程称为硝化作用。
微生物还原硝酸为亚硝酸、氨和N2的作用称为反硝化作用。
十三、固氮作用
1、在固氮微生物固氮酶的作用下,把分子氮转化为氨,为有机氮的合成奠定基础。
固氮微生物主要是固氮细菌、还有固氮放线菌和固氮蓝藻,并分为自生、联合和共生固氮三类。
(1)共生固氮
a.土壤中独立存在时有无固氮能力,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。
b.互利共生。
c.新陈代谢的类型:
异养需氧型。
(2)联合固氮
定殖于植物根表和近根土壤中,靠根系分泌物生存、繁延,与植物根系有密切的关系。
但宿主植物并不形成特异分化的结构。
(3)自生固氮
自生不等于自养,原核固氮菌
2、固氮条件
(1)固氮酶
(2)能量:
平均每还原1mol氮为2mol的氨,需要24mol的ATP,其中9molATP用于还原作用,15molATP用于催化反应。
(3)氮源:
当供给NH3、尿素和硝酸盐时停止固氮。
(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O2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。
好氧固氮菌在长期
进化中形成了保护固氮酶的防氧机制,使固氮作用正常进行。
3、固氮酶
固氮酶是一种能够将分子氮还原成氨的酶。
固氮酶是由两个亚基组成的:
一中含有铁,叫做铁蛋白,另一种含铁和钼,称为钼铁蛋白。
只有钼铁蛋白和铁蛋白同时存在,固氮酶才具有固氮的作用(因为这两种物质作为电子载体能够起到传递电子的作用)。
固氮酶的电子传递过程
例题9:
何谓氨化作用、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?
解析:
有机氮化合物在氨化微生物的脱氨作用下产生氨,称为氨化作用。
梭状芽孢杆菌等氨基酸脱下的氨,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,称为硝化作用。
亚硝酸单胞菌属、亚硝酸球菌属、亚硝酸螺菌属、亚硝酸叶菌属、硝化杆菌属等。
兼性厌氧的硝酸盐还原细菌将硝酸盐还原成氮气,成为反硝化作用。
施氏假单胞菌、脱氮假单胞菌、荧光假单胞菌、紫色杆菌、脱氮色杆菌。
在固氮微生物的固氮酶催化作用下,把分子氮转化为氨,进而合成为有机氮化合物,成为固氮作用。
根瘤菌、圆褐固氮菌、黄色固氮菌、雀稗固氮菌、拜叶林克氏菌属和万氏固氮菌。
十四、几种微生物在氮循环的作用及其在生态系统中的地位
十五、其他含氮物质的转化
1、包括:
氰化物、乙腈、丙腈、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。
2、降解这些物质的微生物
细菌——紫色杆菌、假单胞菌。
放线菌——诺卡氏菌。
真菌——氧化型酵母菌和霉菌中的赤霉菌、木霉及担子菌等。
担子菌能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶的作用下缩合成a-氨基乙腈,进而合成为丙氨酸。
第四节硫循环
十六、含硫有机物的转化
1、自然界有三种形态的硫:
元素态(0价):
水不溶、微生物不能吸收。
无机态(-2价:
H2S、+4价:
SO32-、+6价:
SO42-)
H2S对于大多数微生物剧毒。
SO42-能背大部分微生物利用,还原为有机态。
2、硫的同化:
PAPS中的S是活性硫,用来合成各种有机硫化物。
3、含硫有机物的分解
含硫有机物主要是蛋白质和含硫氨基酸,所以一般的分解过程如下:
十七、无机硫的转化
1、硫化作用
好氧条件下,H2S、S和FeS被氧化成为硫酸的过程称为硫化作用。
硫化作用由两类微生物完成。
(1)硫化细菌:
(2)硫磺细菌:
将H2S氧化生成硫磺颗粒储存于细胞内,当环境中缺乏H2S时将硫磺进一步氧化成硫酸。
多为丝状细菌,也称为丝状硫磺细菌。
还有一类光能自养硫磺细菌,含有叶绿素。
2、反硫化作用
厌氧状态下硫酸盐、亚硫酸盐和硫代硫酸盐等在微生物的作用下还原成为H2S的过程,也被称
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