环境工程微生物课件.pptx
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- 环境工程 微生物 课件
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1、第一节碳循环第一节碳循环6.01011t6.01010t第1页/共105页l二氧化碳固定是二氧化碳还原到碳水化合二氧化碳固定是二氧化碳还原到碳水化合物的生化反应过程,这主要是通过光合作物的生化反应过程,这主要是通过光合作用来实现的。光合作用是地球上最重要的用来实现的。光合作用是地球上最重要的生物学过程之一,其实质是转化光能为化生物学过程之一,其实质是转化光能为化学能,把空气中的二氧化碳还原为细胞有学能,把空气中的二氧化碳还原为细胞有机碳。能进行光合作用的细菌统称为光合机碳。能进行光合作用的细菌统称为光合细菌(细菌(photosynthetic bacteria,缩写,缩写PSB)。)。 第2页
2、/共105页光合细菌的类群和特性 按光合细菌所含光合色素系统的按光合细菌所含光合色素系统的不同,分为不同,分为紫色细菌紫色细菌、绿色细菌绿色细菌和和蓝蓝细菌细菌。第3页/共105页第4页/共105页 CO2 + CH2O(糖) + H2O + (H2S类似类似中的中的H2O)第5页/共105页l 糖类糖类l 脂类(石油)脂类(石油)l 蛋白质蛋白质l 人工合成的有机化合物人工合成的有机化合物第6页/共105页 提问提问:哪些糖类会成为污染物?哪些糖类会成为污染物? 难溶的多糖难溶的多糖,且当一些难溶解的多糖数量,且当一些难溶解的多糖数量较大时才会使自净时间大大增加,从而对较大时才会使自净时间大
3、大增加,从而对环境造成污染。环境造成污染。这类多糖主要是这类多糖主要是纤维素纤维素、半纤维素半纤维素、果胶质果胶质、木质素木质素、淀粉淀粉。第7页/共105页:葡萄糖高聚物,每个纤维素分葡萄糖高聚物,每个纤维素分子含子含140010000个葡萄糖基(个葡萄糖基(-1,4糖苷糖苷键)。键)。:棉纺印染废水、造纸废水、人造纤棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水及城市垃圾等维废水及城市垃圾等。第8页/共105页 纤纤维维素素酶酶 纤纤维维二二糖糖酶酶 纤纤维维素素 纤纤维维二二糖糖 葡葡萄萄糖糖 糖糖酵酵解解 ATP 好好氧氧分分解解 H2O CO2 葡葡萄萄糖糖 丙丙酮酮丁丁醇醇发发酵酵 丙丙酮酮
4、 + 丁丁醇醇 + CO2 + H2 厌厌氧氧发发酵酵 丁丁酸酸发发酵酵 丁丁酸酸 + 乙乙酸酸 + CO2 + H2 三三羧羧酸酸 循循 环环 厌厌氧氧发发酵酵 第9页/共105页2)分解纤维素的微生物分解纤维素的微生物 好氧细菌好氧细菌粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌菌 厌氧细菌厌氧细菌产纤维二糖芽孢梭菌、无芽孢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。厌氧分解菌及嗜热纤维芽孢梭菌。 放线菌放线菌链霉菌属。链霉菌属。 真真 菌菌青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。毛霉。第10页/共105页2. 半纤维素的转化半纤维素的转化 存在
5、于植物细胞壁的存在于植物细胞壁的杂多糖杂多糖。造纸废水和人造纤维。造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。废水中含半纤维素。 好氧分解好氧分解 EMP途径途径 聚糖酶聚糖酶 (ATP/CO2 + H2O) 半纤维素半纤维素 单糖单糖 + 糖醛酸糖醛酸 H2O 各种发酵产物各种发酵产物 厌氧分解厌氧分解第11页/共105页l分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素l细菌细菌:芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌l霉菌霉菌:根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉l放线菌放线菌第12页/共105页由由D D半乳糖醛酸以
6、半乳糖醛酸以-1,4-1,4糖苷键构成的直链高糖苷键构成的直链高分子化合物分子化合物含果胶质废水:含果胶质废水:造纸废水造纸废水、制麻废水制麻废水细菌细菌:枯草芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌等好氧菌和枯草芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌等好氧菌和蚀果胶菌等厌氧菌蚀果胶菌等厌氧菌;真菌真菌:青霉、曲霉、木霉、毛霉和根霉等青霉、曲霉、木霉、毛霉和根霉等放线菌放线菌第13页/共105页原果胶原果胶可溶性果胶可溶性果胶果胶酸果胶酸半乳糖醛酸半乳糖醛酸好氧分解好氧分解丁酸发酵丁酸发酵H2OH2OH2O第14页/共105页4. 淀粉的转化淀粉的转化含淀粉废水:含淀粉废水:酿洒废水酿洒废水、印染废水印染废水、发发酵废水等酵废
7、水等细菌细菌:枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌真菌真菌:根霉、曲霉根霉、曲霉放线菌放线菌第15页/共105页淀粉淀粉葡萄糖葡萄糖乙醇发酵乙醇发酵三羧酸循环(好氧分解)三羧酸循环(好氧分解)丁酸发酵丁酸发酵丙酮丁酸发酵丙酮丁酸发酵厌氧发酵厌氧发酵第16页/共105页木质素木质素 空腔空腔 纤维素纤维素5木质素的转化木质素的转化木质素存在于除苔藓木质素存在于除苔藓和藻类外所有植物的和藻类外所有植物的细胞壁中,细胞壁中,是由松柏是由松柏醇、香豆醇和芥子醇醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度分枝聚合而成的高度分枝多聚物。多聚物。第17页/共105页聚合聚合交联交联第18页/共105页 自然界中哪些微生物能够进行木
8、质素的降解呢?自然界中哪些微生物能够进行木质素的降解呢? 主要是主要是真菌,包括真菌,包括白腐菌白腐菌、褐腐菌褐腐菌和和软腐菌软腐菌三类,能把木质素彻底降解为三类,能把木质素彻底降解为CO2 和水。和水。 此外还包括放线菌和细菌。此外还包括放线菌和细菌。第19页/共105页 白腐菌在木质素的生物降解中占有十分重要的白腐菌在木质素的生物降解中占有十分重要的地位。地位。是研究最多的木质素降解是研究最多的木质素降解菌。菌。(Phanerochaete chrysosprium)是是白腐真菌白腐真菌的一种,隶属于担子菌纲、的一种,隶属于担子菌纲、同担子菌亚纲、非褶菌目、同担子菌亚纲、非褶菌目、丝核菌科
9、。丝核菌科。白腐白腐树皮上木质素被该树皮上木质素被该菌分解后漏出菌分解后漏出白色白色的纤维的纤维素部分。素部分。第20页/共105页(二)油脂的转化(二)油脂的转化 水中来源:水中来源:毛纺、毛条厂废水、油脂厂废水、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降解油脂较快的微生物 细细 菌菌 荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌 丝状菌丝状菌 放线菌、分支杆菌放线菌、分支杆菌 真真 菌菌 青霉、乳霉、曲霉青霉、乳霉、曲霉 途径途径:水解水解+氧化氧化第21页/共105页脂肪脂肪-氧化氧化乙酰辅酶乙酰辅酶
10、A+(丙酸)(丙酸)脂肪酸脂肪酸甘油甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮水解水解脂肪酶脂肪酶CO2+H2O三羧酸循环三羧酸循环丙酮酸丙酮酸三羧酸循环三羧酸循环酵解酵解磷酸化磷酸化脱氢脱氢第22页/共105页(三)石油的转化(三)石油的转化 提问:提问:什么是石油?什么是石油? 石油是含有烷烃(石油是含有烷烃(直链和支链直链和支链)、环烷烃)、环烷烃(多多数是烷基环戊烷、烷基环己烷数是烷基环戊烷、烷基环己烷)、芳香烃(、芳香烃(多数是多数是烷基苯烷基苯)及少量非烃化合物()及少量非烃化合物(硫醇、硫醚、二硫硫醇、硫醚、二硫化物、噻吩、化物、噻吩、环烷酸、酚环烷酸、酚、吡啶、吡咯、喹啉和胺类吡啶、吡咯、喹
11、啉和胺类)的复杂混合物。的复杂混合物。 石油污染主要出现在石油污染主要出现在采油区采油区和和石油运输事石油运输事故现场故现场以及以及石化行业的工业废水石化行业的工业废水中。中。第23页/共105页第24页/共105页 链中等长度(链中等长度(C10C24)链很长的()链很长的(C24以上)以上)短链短链 直链直链 ? 支链支链 不饱和不饱和 ? 饱和饱和 烷烃烷烃 ? 芳烃芳烃 链末端有季碳原子链末端有季碳原子(四周都与(四周都与C相连)相连)的烃的烃以及以及多环芳烃极难降解多环芳烃极难降解 与分子结构有关与分子结构有关第25页/共105页2降解石油的微生物降解石油的微生物 降解石油的微生物很
12、多,降解石油的微生物很多,据报道有据报道有200多种多种 细细 菌菌 假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产碱杆菌属碱杆菌属 放线菌放线菌 诺卡氏菌诺卡氏菌 酵母菌酵母菌 假丝酵母假丝酵母 霉霉 菌菌 青霉属、曲霉属青霉属、曲霉属 藻藻 类类 蓝藻和绿藻蓝藻和绿藻第26页/共105页3石油的降解机理石油的降解机理 + O2R-CH2- CH2-CH3 R- CH2-CH2-COOH -氧化氧化 CO2 + H2O CH3-COOH + R-COOH第27页/共105页 以环己烷为例以环己烷为例 OH O O +O2 +2H 2H +O2 +2H H2O H2O + H
13、2O -2H HOOC-(CH2)4-COOH HOOC-(CH2)4-CH2OH 氧氧化化 CO2 + H2O OH第28页/共105页 通常一些微生物只能将环烷变为环己酮,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另一些微生物只能将环己酮氧化开链而不能氧化环己烷,化环己烷,在两类以上微生物的协同作用下将在两类以上微生物的协同作用下将污染物彻底降解。污染物彻底降解。这称为这称为微生物的共代谢微生物的共代谢。第29页/共105页C芳香烃的降解芳香烃的降解 芳香烃普遍具有生物毒性芳香烃普遍具有生物毒性,但在低浓度范围内,但在低浓度范围内它们可以不同程度的被微生物
14、分解。它们可以不同程度的被微生物分解。已知降解不同芳香烃的细菌类别已知降解不同芳香烃的细菌类别苯、酚苯、酚萘萘菲菲 蒽蒽微生物微生物荧光假单胞荧光假单胞菌、铜绿色菌、铜绿色假单胞菌及假单胞菌及苯杆菌苯杆菌铜绿色假单胞铜绿色假单胞菌、溶条假单胞菌、溶条假单胞菌、诺卡氏菌、菌、诺卡氏菌、球形小球菌、无球形小球菌、无色杆菌及分枝杆色杆菌及分枝杆菌菌菲杆菲杆菌、菲菌、菲芽孢杆芽孢杆菌菌荧光假单胞荧光假单胞菌、铜绿色菌、铜绿色假单胞菌、假单胞菌、小球菌及大小球菌及大肠埃希氏菌肠埃希氏菌第30页/共105页l苯的降解苯的降解第31页/共105页第32页/共105页第33页/共105页第34页/共105页
15、酚也是酚也是先被氧化为先被氧化为邻苯二酚邻苯二酚,这样各类芳香烃,这样各类芳香烃在降解的后半段是相同的,可表示如下:在降解的后半段是相同的,可表示如下: 苯苯 酚酚 氧氧化化酶酶 酶酶 萘萘 邻邻苯苯二二酚酚 酮酮基基己己二二酸酸 菲菲 + O2 + O2 +2H 蒽蒽 琥琥珀珀酸酸 三三羧羧酸酸循循环环 CO2 + H2O 乙乙酰酰辅辅酶酶A第35页/共105页第三节氮循环第三节氮循环第36页/共105页 自然界氮的存在形态自然界氮的存在形态:分子氮、有机氮化合分子氮、有机氮化合物(氨基酸、蛋白质)、无机氮化合物物(氨基酸、蛋白质)、无机氮化合物(氨氮和硝酸氮)。(氨氮和硝酸氮)。 氮循环氮
16、循环:由微生物、植物和动物三者的协同由微生物、植物和动物三者的协同作用下将三种形态的氮互相转化而完成。作用下将三种形态的氮互相转化而完成。 氮循环包括氮循环包括:氨化作用氨化作用、硝化作用硝化作用、反硝化反硝化作用作用及及固氮作用固氮作用。第37页/共105页一、氨化作用(Ammonification)概念概念:微生物分解有机氮化物产生氨的过程。微生物分解有机氮化物产生氨的过程。1. 蛋白质的水解和氨基酸转化蛋白质的水解和氨基酸转化2. 尿素的氨化尿素的氨化第38页/共105页1. 蛋白质水解与氨基酸转化 含蛋白质废水含蛋白质废水:生活污水、屠宰废水、罐头食品生活污水、屠宰废水、罐头食品加工废
17、水、制革废水等加工废水、制革废水等 好好 氧氧 细细 菌菌 链球菌和葡萄球菌链球菌和葡萄球菌 好氧芽孢细菌好氧芽孢细菌枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蜡状芽枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌及马铃薯芽孢杆菌孢杆菌及马铃薯芽孢杆菌 兼兼 性性 厌厌 氧氧 菌菌变形杆菌、假单胞菌变形杆菌、假单胞菌 厌厌 氧氧 菌菌腐败梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌腐败梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌 此外,还有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及链霉菌此外,还有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及链霉菌(放线菌放线菌)。第39页/共105页降解机理降解机理蛋白酶蛋白酶 蛋白质蛋白质 胨胨肽肽进入细胞进入细胞肽酶肽酶 氨基酸氨基酸l蛋
18、白质水解蛋白质水解l氨基酸转化氨基酸转化a.氧化脱氨(好氧菌)氧化脱氨(好氧菌)b.还原脱氨(兼性或专性厌氧菌)还原脱氨(兼性或专性厌氧菌)c.水解脱氨水解脱氨d.减饱和脱氨减饱和脱氨e.脱羧作用(腐败细菌或霉菌)脱羧作用(腐败细菌或霉菌)脱氨作用脱氨作用第40页/共105页2. 尿素的氨化 含尿素废水含尿素废水:印染废水等印染废水等CO(NH2)2+2H2O(NH4)2CO32NH3+CO2+H2O脲酶脲酶第41页/共105页二、硝化作用(Ntrification)1 1、概念:、概念:氨基酸脱下的氨,在有氧的条件氨基酸脱下的氨,在有氧的条件下,经亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用下转下,经亚硝酸细
19、菌和硝酸细菌的作用下转化为硝酸,这个过程称为化为硝酸,这个过程称为硝化作用硝化作用。2 2、硝化作用过程、硝化作用过程2NH3+3O22HNO2+2H2O+619kJ 2HNO2+O22HNO3+201kJ 第42页/共105页3 3、硝化作用微生物、硝化作用微生物把铵氧化成亚硝酸的代表性细菌把铵氧化成亚硝酸的代表性细菌:好氧菌,好氧菌,中性偏碱中性偏碱(pH6.58.0) 把亚硝酸氧化成硝酸代表性细菌把亚硝酸氧化成硝酸代表性细菌:、 好氧菌,好氧菌,中性偏碱中性偏碱(pH6.58.0) 第43页/共105页其他进行硝化作用的微生物其他进行硝化作用的微生物 好氧性的异养细菌和真菌,如节杆菌,芽
20、好氧性的异养细菌和真菌,如节杆菌,芽孢杆菌,铜绿假单胞菌(孢杆菌,铜绿假单胞菌(Paeruginosa),),姆拉克汉逊酵母(姆拉克汉逊酵母( Hansenula mrakii),黄曲),黄曲霉(霉(Aspergillus flavus),青霉等,能将),青霉等,能将NH4+氧化为氧化为NO2-和和NO3-,但它们并不依靠这个氧化,但它们并不依靠这个氧化过程作为能量来源,对自然界的硝化作用并不过程作为能量来源,对自然界的硝化作用并不重要。重要。 第44页/共105页自养硝化作用与异养硝化作用的比较自养硝化作用与异养硝化作用的比较第45页/共105页三、反硝化作用(Denitrification
21、)1 1、概念:、概念: 根据生物对硝酸盐的利用可分为:根据生物对硝酸盐的利用可分为: 异化硝酸盐还原作用(脱氮作用或狭义的反异化硝酸盐还原作用(脱氮作用或狭义的反硝化作用)硝化作用) 同化硝酸盐还原作用同化硝酸盐还原作用第46页/共105页(异化)反硝化作用(异化)反硝化作用 反硝化细菌(兼性厌氧菌)在厌氧条件下,反硝化细菌(兼性厌氧菌)在厌氧条件下,将硝酸盐还原为氮气。将硝酸盐还原为氮气。HNO3HNO2HNON2ON2 此过程使土壤氮素损失,对农业不利;环保此过程使土壤氮素损失,对农业不利;环保可用于减少氮素污染,防止水体富营养化。但大可用于减少氮素污染,防止水体富营养化。但大面积土壤反
22、硝化作用产生的面积土壤反硝化作用产生的N2O是温室效应气体是温室效应气体之一,会加重大气污染,还会破坏之一,会加重大气污染,还会破坏O3层。层。 第47页/共105页同化硝酸盐还原作用同化硝酸盐还原作用 大多数细菌、放线菌和真菌利用硝酸盐为氮素大多数细菌、放线菌和真菌利用硝酸盐为氮素营养,将硝酸盐还原成氨,进一步合成氨基酸、蛋营养,将硝酸盐还原成氨,进一步合成氨基酸、蛋白质和其他物质。白质和其他物质。HNO3HNO2HNOHN(OH)2NH2OHNH3 NO3- -用作微生物氮源时,它被还原成用作微生物氮源时,它被还原成NH4+,此过程消除了土壤中硝态氮易流失、淋失的途径。此过程消除了土壤中硝
23、态氮易流失、淋失的途径。 第48页/共105页2 2、参与反硝化作用的微生物、参与反硝化作用的微生物(1)异养型的反硝化菌)异养型的反硝化菌 如如 脱氮假单胞菌脱氮假单胞菌(Pdenitrificans) 铜绿假单胞菌铜绿假单胞菌(Paeruginosa) 荧光假单胞菌荧光假单胞菌(Pfluarescens)第49页/共105页 上述细菌在厌氧条件下利用上述细菌在厌氧条件下利用NO3-中的氧氧中的氧氧化有机质,获得能量:化有机质,获得能量:C6H12O64NO36H2O6CO22N2+能量能量第50页/共105页(2)自养型的反硝化菌)自养型的反硝化菌 脱氮硫杆菌脱氮硫杆菌(Tdenitrif
24、icans)在缺氧环)在缺氧环境中利用境中利用NO3-中的氧将硫或硫代硫酸盐氧化成中的氧将硫或硫代硫酸盐氧化成硫酸盐,从中获得能量来同化硫酸盐,从中获得能量来同化CO2。 (3)兼性化能自养型的反硝化菌)兼性化能自养型的反硝化菌 脱氮副球菌脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans)能)能利用氢的氧化作用作为能源,以利用氢的氧化作用作为能源,以O2或或NO3-作作为电子受体,使为电子受体,使NO3-被还原成被还原成N2O和和N2。第51页/共105页5 5、反硝化作用的实际应用、反硝化作用的实际应用u污(废)水处理后出水中的硝酸盐能通过反污(废)水处理后出水中的硝酸盐能通过反
25、硝化作用生成致癌物质亚硝酸胺,造成二次硝化作用生成致癌物质亚硝酸胺,造成二次污染污染u污水生物处理系统中可利用反硝化作用脱氮污水生物处理系统中可利用反硝化作用脱氮(硝酸盐)(硝酸盐)u污水生物处理系统中的二沉池发生反硝化作污水生物处理系统中的二沉池发生反硝化作用会导致污泥的上浮,影响出水水质用会导致污泥的上浮,影响出水水质u土壤中发生反硝化作用使肥力降低土壤中发生反硝化作用使肥力降低第52页/共105页四、固氮作用(Nitrogen Fixation)1 1、概念、概念:在固氮微生物的固氮酶催化作用在固氮微生物的固氮酶催化作用下,分子氮转化为氨,进而合成为有机氮下,分子氮转化为氨,进而合成为有
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