《环境微生物学》课程授课教案

《环境微生物学》课程授课教案
Teaching Plan for Environmental Engineering Microbiology
第七章微生物在环境物质循环中的作用
微生物生态学在一定意义上也可称作环境微生物学，是生态学的分支学科，研究和揭示微生物系统与环境系统（包括动植物）间的相互作用及其功能表达规律，探索其控制和应用途径。

主要研究微生物在自然界中的分布、种群组成、数
量和生理生化特性；研究微生物之间及其与环境之间的关系和功能，以及微生物与动植物之间的相互关系和功能等。

微生物生态学的目的是通过研究，充分了解和掌握微生物生态系统的结构和功能，更好地发挥微生物的作用，更充分地利用微生物资源，为解决人口膨胀、资源匮乏、能源短缺和环境污染问题，特别是为解决环境污染问题提供生态学理论基础和方法、技术手段等，为我国经济的可持续发展提供决策依据。

第一节碳循环
含碳物质有二氧化碳、碳水化合物、脂肪、蛋白质等。

碳循环以二氧化碳为中心，二氧化碳被植物、藻类利用进行光合作用，合成植物性碳；动物以以植物性碳为食，将其转变为动物性碳；动物和人呼吸放出二氧化碳，有机碳化合物别厌氧和好氧微生物分解所产生的二氧化碳均回到大气。

而后，二氧化碳再一次被植物利用进入循环。

纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，每个纤维素分子含1400～10000个葡萄糖基（β1-4糖苷键）主要来源于棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水及城市垃圾等，均含有大量纤维素。

1.纤维素的分解途径
纤维素在微生物酶的催化下沿下列途径分解：
2.分解纤维素的微生物
好氧细菌——粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌
厌氧细菌——产纤维二糖芽孢梭菌、无芽孢厌氧分解菌及嗜热纤维芽孢梭菌。

放线菌——链霉菌属。

真菌——青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。

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。

2.分解半纤维素的微生物
分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。

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、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。

三、淀粉的转化
淀粉分直链淀粉和支链淀粉两类。

直链淀粉由葡萄糖分子脱水羧合，以葡糖糖α1-4糖苷键组成不分支的链状结构高聚物（α1-4糖苷键直链；α1-6糖苷键支链；）
水中来源：以粮食作原料的工厂废水。

例如淀粉厂废水、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。

首先在微生物分泌的淀粉酶作用下水解为葡萄糖，然后被吸收作为微生物的能源物质氧化产能。

具有淀粉酶的微生物主要有：枯草芽孢杆菌和根霉、曲霉。

其他微生物则主要进行淀粉水解产物葡萄糖的进一步分解。

四、木质素的转化
木质素是植物木质化组织中的带有氧基丙烷支链的一种或多种芳香族聚合物。

极难降解，有毒污染水环境。

水中来源：造纸和人造纤维废水。

降解微生物：
真菌（主要）——干朽菌、蘑菇。

细菌（少）——假单胞菌的个别种
相比而言真菌分解木质素比细菌快，但与糖类分解的速度相比则慢得多。

五、脂肪的转化
脂肪是甘油与脂肪酸所形成的酯，存在于动、植物体中，是人和动物的能量来源，可作为微生物的碳源和能源。

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——线菌、分支杆菌
真菌——青霉、乳霉、曲霉
途径：水解+β氧化
六、烃类化合物的转化
石油是含有烷烃（30%）、环烷烃（46%）、芳香烃（28%）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。

1.石油成分的生物降解性
石油中的各种成分由于分子结构不同，降解速度也不一样，降解速度大小上有以下规律。

A．链长度
链中等长度（C10~C24）＞链很长的（C24以上）＞短链
（因有生物毒性）
B．链结构
直链＞支链（支链多的＞支链少的）
不饱和＞饱和
烷烃＞芳烃
链末端有季碳原子的烃以及多环芳烃极难降解或不降解
2.降解石油的微生物
降解石油的微生物很多，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
3.石油烃的降解机理
A．链烷烃的降解
B．无支链环烷烃的降解
通常一些微生物只能将环烷变为环己酮，另一些微生物只能将环己酮氧化开链而不能氧化环己烷，两种微生物的协同作用下将环己烷才能被彻底降解。

C．芳香烃
种类：酚、间甲酚、邻苯二酚、苯、二甲苯、异丙苯、异丙甲苯、萘、菲、
蒽等
水中来源：炼油厂、煤气厂、焦化厂、化肥厂等的废水。

芳香烃普遍具有生物毒性，但在一定浓度范围内它们可以不同程度的被微生物分解。

a.苯和酚的代谢
苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所示
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：
第二节氮循环
自然界中氮素蕴藏量丰富，以三种形态存在：分子氮N2，占大气的78%；有机氮化合物；无机氮化合物（氨氮和硝氮）。

尽管分子氮和有机氮含量多，但植物不能直接利用，只能利用无机氮。

微生物、植物和动物三者的协同作用下将三种形态的氮相互转化，构成氮循环。

自然界的氮素循环是各种元素循环的中心，这是由于氮元素在整个生物界中所处的重要地位所决定的。

微生物又是整个氮素
循环的中心，尤其是一些固氮微生物更可称作开辟整个生物圈氮素营养源的“先锋队”。

氮元素在自然界中的存在形式主要有以下五种：铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐、有机含氮物和氮气。

在以上五种形式的氮素进行循环转化过程中，微生物起着关键的作用。

一. 蛋白质水解与氨基酸转化
1.蛋白质水解
土壤中由于动植物残体的腐败，含有蛋白质和氨基酸；生活污水、屠宰废水、罐头食品加工废水、乳品加工废水、制革废水及生活污水等均含有蛋白质和氨基酸。

蛋白质分子量大，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。

分解蛋白质的微生物种类很多,有好氧细菌，如枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌及马铃薯芽孢杆菌；兼性厌氧菌有变形杆菌、假单胞菌；厌氧菌有腐败梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌。

此外，还有致病的链球菌和葡萄球
菌，曲霉、毛霉和木霉等真菌以及链霉菌(放线菌)。

2.氨基酸转化
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，称为氨化作用。

脱羧作用：氨基酸脱羧作用多数由腐败细菌和霉菌引起，经脱羧后生成胺。

二、尿素的氨化
A．降解尿素的微生物
细菌——尿八叠球菌、尿小球菌、尿素芽孢杆菌等。

B．降解机理
尿素降解机理很简单，只有一种酶参与反应的催化。

三、硝化作用
氨基酸脱下的氨在有氧条件下，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。

四、反硝化作用
兼性厌氧的硝酸盐还原细菌将硝酸盐还原为氮气，即为反硝化作用。

五、固氮作用
在固氮微生物的固氮酶催化作用下，把分子氧转化为氨，进而合成为有机氮化合物。

第三节硫循环
硫是生命物质所必需的元素，其需要量大约是氮素的十分之一（在生物体内C∶N∶S=100∶10∶1）。

硫元素在自然界中的贮量十分丰富，硫素循环类似于氮
素循环，其各个环节都有相应的微生物参与。

1、同化性硫酸盐还原作用由植物和微生物引起。

可把硫酸盐转变成还原态的硫化物，然后再固定到蛋白质等的成分中。

2、脱硫作用（desulfuration）指在厌氧条件下，通过一些腐败微生物的作用，把生物体的蛋白质或其他含硫有机物中的硫矿化成H2S的作用。

3、硫化作用：在好氧条件下，H2S可由Beggiatoa、Thiothrix（发硫菌属）等细菌氧化成硫或硫酸，游离的硫还可被硫化细菌Thiobacillus（硫杆菌属）的一些种氧化成硫酸。

而在厌氧条件下，H2S可被光合细菌Chlorobium（绿菌属）的一些种氧化成硫，或被Chromatium（着色菌属）的一些种氧化成硫酸。

4、异化性硫酸盐还原作用：在厌氧条件下，硫酸可通过Desulfovibrio（脱硫弧菌属）、Desul-fotomaculum（脱硫肠状菌属）等细菌还原成H2S。

5、异化性硫还原作用：硫通过Desulfuromonas（脱硫单胞菌属）等的一些菌种还原成H2S的过程，称异化性硫还原作用。