分子生物学课件-微生物在自然界物质循环中的作用.ppt
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- 分子生物学 课件 微生物 自然界 物质 循环 中的 作用
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1、第九章第九章 微生物在自然界物质转化中的作用微生物在自然界物质转化中的作用本章主要内容本章主要内容: 第一节第一节 碳素生物循环碳素生物循环 第二节第二节 氮素生物循环氮素生物循环 第三节第三节 物质循环与土壤肥力物质循环与土壤肥力第一节第一节 碳素生物循环碳素生物循环碳素的根本来源是碳素的根本来源是COCO2 2。有两面性有两面性光合作用的原料光合作用的原料呼吸作用的废物呼吸作用的废物 绿色植物:光合作用绿色植物:光合作用 COCO2 2 有机物有机物一一 有机物质的合成有机物质的合成( COCO2 2作为光合作用的原料)作为光合作用的原料)光能自养菌:光合作用光能自养菌:光合作用COCO2
2、 2 有机物有机物化能自养菌:化能自养菌: COCO2 2、COCO3 3- - 有机物有机物二二 有机物质的分解有机物质的分解呼吸作用:含碳有机物呼吸作用:含碳有机物 COCO2 2O O2 2有氧呼吸有氧呼吸小分子含碳物小分子含碳物O O2 2厌氧呼吸厌氧呼吸含碳有机物含碳有机物酵解酵解O O2 2O O2 2甲烷形成甲烷形成O O2 2形成化石染料形成化石染料无氧条件无氧条件碳素循环碳素循环第二节第二节 氮素生物循环氮素生物循环本节主要内容:本节主要内容: 一一 氮素循环氮素循环 二二 生物体有机氮的分解生物体有机氮的分解氨化作用氨化作用 三三 无机氮之间的转化无机氮之间的转化一一 氮素
3、循环氮素循环自然界中自然界中除植物利用除植物利用无机氮转变为有机氮无机氮转变为有机氮外外,其它各转变过程,其它各转变过程均由微生物作用。均由微生物作用。氨化作用氨化作用硝化作用硝化作用反硝化作用反硝化作用生物固氮作用生物固氮作用生物固氮生物固氮硝化作用硝化作用反硝化作用反硝化作用氨化作用氨化作用生物体有机酸生物体有机酸NO3-NH4+NO2-NON2O大气大气N2同化作用同化作用氨化作用氨化作用硝化作用硝化作用硝化硝化作用反硝化作用反硝化作用生物固氮生物固氮同化作用同化作用还原作用还原作用二二 生物体有机氮的分解生物体有机氮的分解氨化作用氨化作用氨化作用氨化作用:含氮有机物含氮有机物通过微生物
4、的分解通过微生物的分解 转化成转化成氨氨的作用。的作用。含氮有机物:含氮有机物:蛋白质、氨基酸蛋白质、氨基酸 尿素、尿酸尿素、尿酸 几丁质几丁质氨化微生物氨化微生物:分解含氮有机物:分解含氮有机物产氨产氨能力强的微生物。能力强的微生物。(一)(一) 蛋白质的氨化蛋白质的氨化(二)(二) 尿素和尿酸的氨化尿素和尿酸的氨化(三)(三) 几丁质的氨化几丁质的氨化(一)(一) 蛋白质的氨化蛋白质的氨化微生物作用:微生物作用:肽肽蛋白酶蛋白酶水解水解肽酶肽酶水解水解蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸1 1 蛋白质初步水解成氨基酸蛋白质初步水解成氨基酸2 2 氨基酸脱氨基产生氨氨基酸脱氨基产生氨水解脱氨水解脱氨氧化
5、脱氨氧化脱氨还原脱氨还原脱氨(1 1)水解脱氨(产生氨、羟基酸、醇)水解脱氨(产生氨、羟基酸、醇)RCHNHRCHNH2 2COOH+HCOOH+H2 2O ORCH(OH)COOH+NHRCH(OH)COOH+NH3 3RCHNHRCHNH2 2COOH+HCOOH+H2 2O ORCHRCH2 2OH+COOH+CO2 2+NH+NH3 3(2 2)氧化脱氨基(产生氨、脂肪酸或酮酸)氧化脱氨基(产生氨、脂肪酸或酮酸)RCHNHRCHNH2 2COOH+OCOOH+O2 2RCOOH+CORCOOH+CO2 2+NH+NH3 3(3 3)还原脱氨基(产生氨、脂肪酸)还原脱氨基(产生氨、脂肪酸
6、)RCHNHRCHNH2 2COOH+2HCOOH+2H+ +RCHRCH2 2COOH+NHCOOH+NH3 3RCHNHRCHNH2 2COOH+2HCOOH+2H+ +RCHRCH3 3+CO+CO2 2+NH+NH3 33 3 氨化蛋白质的微生物氨化蛋白质的微生物细菌:细菌:枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、大肠杆枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、大肠杆 菌、荧光假单胞菌、腐败梭菌。菌、荧光假单胞菌、腐败梭菌。 好气、厌气、兼厌气好气、厌气、兼厌气真菌:真菌:毛霉、曲霉、根霉、青霉、交链孢霉毛霉、曲霉、根霉、青霉、交链孢霉放线菌:放线菌:土壤分离的有土壤分离的有15151717产蛋白酶。产蛋白酶。
7、 好热放线菌在堆肥的高温阶段分解蛋好热放线菌在堆肥的高温阶段分解蛋 白起重要作用白起重要作用(二)尿素和尿酸的氨化(二)尿素和尿酸的氨化两者是人畜主要排泄成分。两者是人畜主要排泄成分。尿酸水解成尿素尿酸水解成尿素。1 1 尿素的利用尿素的利用植物直接吸收作为氮肥(少量)植物直接吸收作为氮肥(少量)被尿素细菌、脲酶分解(大量)被尿素细菌、脲酶分解(大量)2 2 尿素的水解尿素的水解O = CO = C NHNH2 2NHNH2 2+ + H H2 2O O脲酶脲酶( (NHNH4 4) )2 2COCO3 32 2NHNH3 3 + CO+ CO2 2 + H+ H2 2O O无能量产生。无能量
8、产生。3 3 水解尿素的细菌水解尿素的细菌含有含有脲酶脲酶的细菌水解尿素产的细菌水解尿素产氨氨种类:种类: 尿芽孢八叠球菌、巴氏尿素芽孢杆菌、尿小球菌。尿芽孢八叠球菌、巴氏尿素芽孢杆菌、尿小球菌。分布:分布: 土壤、厩肥、污水土壤、厩肥、污水特性特性: 好气、兼厌气好气、兼厌气 中温中温 强碱环境强碱环境(三)几丁质的氨化(三)几丁质的氨化动物甲壳、真菌细胞壁含有。动物甲壳、真菌细胞壁含有。1 1 分解几丁质的微生物分解几丁质的微生物 需含有几丁质酶需含有几丁质酶。 细菌:细菌:嗜几丁质杆菌。几丁质色杆菌嗜几丁质杆菌。几丁质色杆菌 放线菌:放线菌:链霉菌、诺卡氏菌链霉菌、诺卡氏菌2 2 几丁质
9、的氨化分解几丁质的氨化分解几丁质几丁质几丁质酶几丁质酶乙酸乙酸 氨基葡萄糖氨基葡萄糖脱氨基作用脱氨基作用NHNH3 3 + C+ C6 6H H1212O O6 6三三 无机氮间的转化无机氮间的转化(一)(一) 硝化作用硝化作用(Nitrification)(二)反硝化作用(二)反硝化作用(Denitrification)(三)(三) 生物固氮作用生物固氮作用(biological nitrogen fixation)(一)硝化作用(一)硝化作用(Nitrification)概念概念:在有在有氧气氧气时,微生物将时,微生物将氨氨氧化为氧化为硝酸硝酸的作用。的作用。1 1 参加硝化作用的微生物参
10、加硝化作用的微生物2 2 硝化作用的过程硝化作用的过程3 3 硝化细菌的特性硝化细菌的特性4 4 硝化作用的农业和环境意义硝化作用的农业和环境意义1 1 参加硝化作用的微生物参加硝化作用的微生物硝化细菌硝化细菌亚硝酸细菌亚硝酸细菌硝酸细菌硝酸细菌两类细菌相伴而生,作用相连。两类细菌相伴而生,作用相连。2 2 硝化作用的过程硝化作用的过程(1 1)亚硝酸形成阶段)亚硝酸形成阶段2 2NHNH3 3 + 3O + 3O2 2亚硝酸细菌亚硝酸细菌2 2HNOHNO2 2 + 2H+ 2H2 2O + ATPO + ATP亚硝酸细菌亚硝酸细菌:亚硝酸单胞菌属、亚硝酸球菌属:亚硝酸单胞菌属、亚硝酸球菌属
11、 亚硝酸螺菌属、亚硝酸叶菌属亚硝酸螺菌属、亚硝酸叶菌属(2 2) 硝酸形成阶段硝酸形成阶段2 2HNO2 + O2HNO2 + O2硝酸细菌硝酸细菌2 2HNOHNO3 3 + ATP + ATP硝酸细菌硝酸细菌:硝酸杆菌属、硝酸刺菌属、硝酸球菌属:硝酸杆菌属、硝酸刺菌属、硝酸球菌属HNOHNO2 2毒性很强,累积起来对植物有毒害。毒性很强,累积起来对植物有毒害。HNOHNO3 3是植物吸收利用的有效氮素养料。是植物吸收利用的有效氮素养料。3 3 硝化细菌的特性硝化细菌的特性严格好气严格好气喜中温生长喜中温生长农业土壤主要是化能自养型农业土壤主要是化能自养型酸性森林土壤可能是化能异养型。酸性森
12、林土壤可能是化能异养型。农田墒情好,通气好,温度适中,农田墒情好,通气好,温度适中,利于硝化作用的进行。利于硝化作用的进行。4 4 硝化作用的农业和环境意义硝化作用的农业和环境意义有利方面有利方面: (1 1)利于植物吸收,提高产量)利于植物吸收,提高产量。 (易溶于水,不被土粒吸附)(易溶于水,不被土粒吸附) (2 2)促进难溶性磷酸盐溶解)促进难溶性磷酸盐溶解 CaCa3 3(PO(PO4 4) )2 2 + 4 + 4HNOHNO3 3Ca(HCa(H2 2POPO4 4) )2 2 + 2Ca(NO+ 2Ca(NO3 3) )2 2不利方面不利方面: (1 1)易随水流失,造成浪费和环
13、境污染。)易随水流失,造成浪费和环境污染。 硝态氮肥料利用率在低于硝态氮肥料利用率在低于4040。 流失的硝酸盐导致湖泊和近海的富营养化。流失的硝酸盐导致湖泊和近海的富营养化。 (2 2)影响人类健康)影响人类健康 植物累积植物累积NONO3 3-N-N,青储植物被反硝化细菌还原成青储植物被反硝化细菌还原成 NO NO2 2-N-N,在窑中积累,人吸入致死。在窑中积累,人吸入致死。克服措施:克服措施: (1 1)深施硝态氮肥料。)深施硝态氮肥料。 (2 2)集中施)集中施N N素化肥。素化肥。 (3 3)加施)加施N N肥增效剂。肥增效剂。(二)反硝化作用(二)反硝化作用(Denitrific
14、ation)概念概念:硝酸盐硝酸盐在通气不良环境中在通气不良环境中(无氧)(无氧),被,被 反硝化细菌还原成反硝化细菌还原成NONO2 2或或 N N2 2的过程。的过程。1 1 反硝化过程反硝化过程2 2 反硝化作用的微生物反硝化作用的微生物3 3 影响反硝化作用的环境因素影响反硝化作用的环境因素4 4 反硝化作用对农业和生态的影响反硝化作用对农业和生态的影响1 1 反硝化过程反硝化过程C C6 6H H1212O O6 6 + + 4NO4NO3 3- -6 6H H2 20 + 6CO0 + 6CO2 2 + 2 + 2N N2 2 +ATP +ATP无氧无氧N N2 2NONO3 3-
15、 -NONO2 2- -NONON N2 2O O反硝化细菌反硝化细菌2 2 反硝化作用的微生物反硝化作用的微生物 类型类型 含有反硝化细菌种的一些属含有反硝化细菌种的一些属有机营养型有机营养型 假单胞菌属、产碱杆菌属、芽孢杆菌属、假单胞菌属、产碱杆菌属、芽孢杆菌属、 土壤杆菌属、黄杆菌属、芽生杆菌属、土壤杆菌属、黄杆菌属、芽生杆菌属、 盐杆菌属、慢生根瘤菌属盐杆菌属、慢生根瘤菌属化能无机营养型化能无机营养型 硫杆菌属、硫微螺菌属、亚硝化单胞菌属硫杆菌属、硫微螺菌属、亚硝化单胞菌属光能营养型光能营养型 红假单胞菌属红假单胞菌属混合型混合型 副球菌属、布兰汉氏菌属、奈氏球菌属副球菌属、布兰汉氏菌
16、属、奈氏球菌属反硝化细菌反硝化细菌:进行反硝化作用的微生物。:进行反硝化作用的微生物。5050多属。多属。反硝化细菌的部分属群反硝化细菌的部分属群3 3 影响反硝化作用的环境因素影响反硝化作用的环境因素(1 1)土壤通气状况。)土壤通气状况。无氧无氧情况发生反硝化作用。情况发生反硝化作用。(2 2)有机质的影响)有机质的影响 有机质肥料有机质肥料刺激反硝化作用发生。刺激反硝化作用发生。 原因:原因:可溶性有机质刺激反硝化菌生长。可溶性有机质刺激反硝化菌生长。(3 3)NONO3 3- -存在。存在。(4 4)土壤含水量。)土壤含水量。 含水多或局部排水不良,反硝化作用易发生。含水多或局部排水不
17、良,反硝化作用易发生。(5 5)土壤)土壤PHPH值值 PH 6.0PH 6.0微碱性微碱性4 4 反硝化作用对农业和生态的影响反硝化作用对农业和生态的影响(1 1)造成土壤和化肥氮素损失的重要原因。造成土壤和化肥氮素损失的重要原因。 向土壤中施用向土壤中施用硝化抑制剂硝化抑制剂可阻止反硝化作用。可阻止反硝化作用。(2 2)破坏大气层中的臭氧层。破坏大气层中的臭氧层。N N2 2O + O + O O3 3NONONO + NO + O O3 3NONO2 2 + + O O2 2O O3 3阻挡紫外线,可防止对生物的伤害。阻挡紫外线,可防止对生物的伤害。(三)(三) 生物固氮作用生物固氮作用
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