环境微生物学讲稿-第八章 微生物与生物地球化学循环

第八章微生物与生物地球化学循环

第一节碳素循环

概述

o碳素循环的基本过程

o微生物在碳素循环中的作用

∙有机物的合成（碳素同化作用）

o蓝细菌、微小藻类进行的产氧光合作用；

o红螺菌科、着色菌科、绿色菌科等光合细菌的不产氧的光合作用；

o化能自养型细菌氧化无机物得到能量与还原力同化CO2的作用；

o产甲烷细菌同化CO2生成CH4的作用。

∙有机物质分解的一般途径

o有机物质的好氧分解

o有机物质的厌氧分解

▪发酵性细菌

▪产氢产乙酸细菌

▪同型产乙酸细菌

▪利用H2和CO2的产甲烷细菌

▪分解乙酸的产甲烷细菌

纤维素的分解

o 纤维素及其分解方式

纤维素 小纤维素

纤维素 纤维二糖 葡萄糖

o 分解纤维素的微生物

∙

半纤维素和其他糖类化合物的分解

o 同聚糖 o 异聚糖

o 淀粉：а-淀粉酶，β-淀粉酶，糖化淀粉酶，异淀粉酶 o 几丁质

∙

脂肪的分解

脂肪 + H 2O 甘油 + 高级脂肪酸

甘油 → 磷酸二羟丙酮 → 糖酵解 → 三羧酸循环 → CO 2 + H 2O

CH 3(CH 2)16COOH （硬脂酸）

9CH 3COOH 三羧酸循环 CO 2 + H 2O

第二节 氮素循环 氮素循环

∙ 概述

o 氮素循环的基本过程

o氮素污染 固氮作用

将空气中的分子态氮转化为氨的微生物作用称为生物固氮作用。

o自生固氮：一些微生物在独自生活时能固定分子态氮。

o共生固氮：指微生物在同另一种生物紧密生活在一起甚至形成特殊的形态结构时，才能固氮或才能旺盛地固氮。如根瘤菌与豆科植物的根所形成的根瘤。

o联合固氮：某些固氮菌，与高等植物的根际或叶际之间的一种简单面特殊的共生固氮作用，是介于典型的自身固氮与共生固氮之间的一种中间型。

o固氮作用的总反应

N 2 + 6e- + 6H+ + nATP 2NH

3

+ nADP + nPi

反应要点：

a.固氮作用是N

2分子接受电子和质子的还原反应，还原1分子N

2

成为2分子NH

3

需要6

个电子和6个质子。

b.这个还原反应需要消耗能量。

c.整个反应由固氮酶所催化。

铁蛋白(图中的左部分)含有两个亚基和四个铁原子(黑色)，在光合作用或者有机物氧化过程中产生铁氧化

还原

蛋白，

铁蛋

白从

铁氧

化还

原蛋

白中

获得

电子，

并把

电子

传递

给固

氮酶

(图中

的右

部

分)，

固氮

酶是

铁蛋

白的

四聚

体，并

有一

个铁

钼辅

助因

子吸

附在

固氮

酶的

中心，

每个

中心

含有

两个

钼原

子。

氨的同化

将氨合成细胞物质的生物过程称为氨的同化（ammonia assimilation）.

∙氨化作用

含氮有机物经微生物降解释放出氨的过程，称为氨化作用（ammonification）。

o蛋白质的氨化作用

▪蛋白质的水解：在蛋白质酶和肽酶的联合催化下完成。

▪氨基酸的脱氨基作用

▪氧化脱氨基作用：产生酮酸和氨

▪水解脱氨基作用：产生醇酸和氨

▪还原脱氨基作用：产生饱和脂肪酸和氨

∙蛋白质氨化微生物

o兼性厌氧无芽孢

杆菌：荧光假单胞菌；普

通变形杆菌；粘质赛氏杆

菌等

o好氧性芽孢杆

菌：霉状芽孢杆菌；枯草

芽孢杆菌；巨大芽孢杆菌

等

o专性厌氧芽孢杆

菌

o霉菌，放线菌：

毛霉；曲霉；木霉

硝化作用

氨氧化成亚硝酸，再氧化成硝酸的微生物过程，称为硝化作用（nitrification）。

o异养型硝化作用

o自养型硝化作用

▪硝化细菌及其特性

▪硝化细菌

▪硝化细菌的能量利用特性

▪硝化细菌的生理特性

▪硝化作用的生化反应

▪亚硝化细菌的生化反应：氨单加氧酶（AMO），羟胺氧还酶（HAO）

NH

3→NH

2

OH→(NO)→NO

2

－

▪硝化细菌的生化反应：亚硝酸氧化酶

2HNO

2＋O

2

→ 2HNO

3

＋能量

∙硝酸盐还原作用

在厌氧条件下，硝酸盐被还原成气态氮（N

2或N

2

O）的微生物过程，称为反硝化作用或脱氮作用。

o同化硝酸盐还原作用

某些微生物将硝酸盐还原成氨，并用于合成菌体蛋白等细胞物质。即：

HNO

3→HNO

2

→…→NH

2

OH→NH

4

＋

o异化硝酸盐还原作用（还原成氨）

o反硝化作用

异养型微生物把硝酸盐用作电子受体而还原为气态氮的生物学过程。

▪反硝化细菌及其特性

▪异养型反硝化菌：脱氮假单胞菌（P．denitrificans）、铜绿假单胞

菌（P．aeruginosa）、荧光假单胞菌（P．fluorescens）等

▪自养型反硝化菌：脱氮硫杆菌（T．denitrificans）

▪兼性化能自养菌：脱氮副球菌（Paracoccus denitrificans）▪反作用的生化反应：硝酸盐还原酶，亚硝酸盐还原酶，NO还原酶，N2O还原酶

HNO

3→HNO

2

→HNO→N

2

O→N

2第三节硫素循环

硫素循环

∙概述