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微生物在物质循环中的作用.pptx
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1、第六章 微生物在物质循环中的作用1 1、掌握碳循环、氮循环过程。、掌握碳循环、氮循环过程。2 2、了解氧循环、硫循环、磷循环的途径。、了解氧循环、硫循环、磷循环的途径。生物地球化学循环生物地球化学循环(biogeochemical cycles):是指生物圈中的各种化学元素,经生物化学作用在生物圈中是指生物圈中的各种化学元素,经生物化学作用在生物圈中的转化和运动。这种循环是地球化学循环的重要组成部分。的转化和运动。这种循环是地球化学循环的重要组成部分。碳碳、氮氮、磷磷、硫硫的的循循环环受受二二个个主主要要的的生生物物过过程程控控制制,一一是是光光合合生生物物对对无无机机营营养养物物的的同同化化
2、,二二是是后后来来进进行行的的异异养养生生物物的的矿矿化化。实实际际上上所所有有的的生生物物都都参参与与生生物物地地球球化化学学循循环环。微微生生物物在在有有机机物物的的矿矿化化中中起起决决定定性性作作用用,地地球球上上90%以以上上有有机机物物的的矿矿化都是由细菌和真菌完成的。化都是由细菌和真菌完成的。前言前言 无机物无机物有机物有机物光合作用光合作用分解作用分解作用微生物与生物地球化学循环碳循环氮循环硫循环磷循环铁循环氧循环第一节第一节 氧循环氧循环O2CO2 光合作用光合作用 呼吸作用呼吸作用在大气中分布均匀,而在水体中有垂直方向上的变化。无论是O2还是CO2,除了在大气中的含量以外,它
3、们在水体(海洋)中的含量,也是不可忽视的。此循环的平衡,具有十分重要的意义,如维持大气中CO2的浓度。(包括水体)第二节第二节 碳循环碳循环一、一、纤维素的转化纤维素的转化 二、半纤维素的转化二、半纤维素的转化 三、果胶质的转化三、果胶质的转化 四、淀粉的转化四、淀粉的转化 五、脂肪的转化五、脂肪的转化 六、木质素的转化六、木质素的转化 七、烃类物质的转化七、烃类物质的转化 主要存在形式:主要存在形式:(1)大气中)大气中CO2(2)水中水中CO2(3)有机物:糖、淀粉、纤维素等)有机物:糖、淀粉、纤维素等(4)含有碳的岩石(石灰石、大理石)含有碳的岩石(石灰石、大理石)(5)化石燃料(煤、石
4、油、天然气)化石燃料(煤、石油、天然气)CO2+H2OCO2+CH2O醇有机酸醇有机酸 CO2+H2CH4光合作用光合作用发酵作用呼吸作用呼吸作用化石燃料化石燃料碳在生物圈中的总体循环 碳源污染物的转化碳源污染物的转化包括包括:糖类糖类、蛋白质、脂类、石油和人工合成有机化合物、蛋白质、脂类、石油和人工合成有机化合物。糖类污染物糖类污染物糖类污染物糖类污染物提问:提问:哪些糖类会成为污染物?哪些糖类会成为污染物?难难溶溶的的多多糖糖,且且当当一一些些难难溶溶解解的的多多糖糖数数量量较较大大时时才才会会使使自自净净时时间间大大大大增增加加,从从而而对对环环境境造造成成污污染染。这这类类多多糖糖主主
5、要要是是纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉。葡葡萄萄糖糖高高聚聚物物,每每个个纤纤维维素素分分子子含含140010000个个葡葡萄糖基(萄糖基(1-4糖苷键),不溶于水。糖苷键),不溶于水。来来源源:棉棉纺纺印印染染废废水水、造造纸纸废废水水、人人造造纤纤维维废废水水及及城城市垃圾等,其中均含有大量纤维素。市垃圾等,其中均含有大量纤维素。一、纤维素的转化一、纤维素的转化一、纤维素的转化一、纤维素的转化微生物依次通过三种酶:微生物依次通过三种酶:内切葡萄糖酶、外切葡萄糖内切葡萄糖酶、外切葡萄糖(纤纤维二糖水解酶维二糖水解酶)和和-葡萄糖苷酶葡萄糖苷酶(纤
6、维二糖酶纤维二糖酶)完成对纤维完成对纤维素的分解。素的分解。首先破坏纤维素的结晶状态,打断氢键,内切酶切开首先破坏纤维素的结晶状态,打断氢键,内切酶切开(1,4)糖苷键,外切酶从暴露的纤维链素末端切下二糖单糖苷键,外切酶从暴露的纤维链素末端切下二糖单位,最后位,最后-葡萄糖苷酶对纤维二糖水解得葡萄糖。葡萄糖苷酶对纤维二糖水解得葡萄糖。纤维素的转化示意图葡萄糖丙酮+丁醇+乙酸+CO2+H2丁酸+乙酸+CO2+H2厌 氧 发 酵丙酮丁醇发酵丁酸发酵厌氧发酵纤维素纤维二糖葡萄糖纤维素酶纤维二糖酶氧化酶、脱氢酶、脱羧酶细胞色素bc1caa3、细胞色素氧化酶 三羧酸循环(TCA)ATP H2O CO2好
7、 氧 分 解A A微生物微生物分解途径分解途径分解途径分解途径B B分解纤维素的微生物分解纤维素的微生物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菌粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌厌厌氧氧细细菌菌产产纤纤维维二二糖糖芽芽孢孢梭梭菌菌、无无芽芽孢孢厌厌氧氧分分解解菌菌及嗜热纤维芽孢梭菌。及嗜热纤维芽孢梭菌。放放 线线 菌菌链霉菌属。链霉菌属。真真 菌菌青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。需要时可以向需要时可以向有菌种库的研究机构购买有菌种库的研究机构购买或或自行筛选自行筛选。五碳糖、六碳糖及糖醛酸的组成的杂多糖。五碳糖、六碳糖及糖醛
8、酸的组成的杂多糖。造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素(而且快)分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素(而且快)。许多芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌及放线菌能分解半纤维素。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。霉菌有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。二、半纤维素的转化二、半纤维素的转化二、半纤维素的转化二、半纤维素的转化CO2+H2O 好氧分解 ATPATP 无氧分解 单糖和糖醛酸单糖和糖醛酸 H2O 聚糖酶聚糖酶 半纤维素半纤维素 EMPEMP途径途径各种发酵
9、产物各种发酵产物 TCATCA 半乳糖醛酸半乳糖醛酸以以-1,4糖苷键连成的多糖糖苷键连成的多糖1 1、分解果胶的微生物、分解果胶的微生物细细 菌:芽孢杆菌、梭菌、假单孢菌等菌:芽孢杆菌、梭菌、假单孢菌等放线菌:链霉菌、小单孢菌、游动放线菌等放线菌:链霉菌、小单孢菌、游动放线菌等真真 菌:青霉、曲霉、木霉、根霉等菌:青霉、曲霉、木霉、根霉等 水浸法:水浸法:把麻类物质浸入水中,利用厌气微生把麻类物质浸入水中,利用厌气微生物分解其中的果胶。物分解其中的果胶。露浸法:露浸法:把麻类物质堆置并保持一定的湿度,把麻类物质堆置并保持一定的湿度,利用好氧微生物分解果胶。利用好氧微生物分解果胶。2 2、果胶
10、分解的应用、果胶分解的应用-麻类脱胶麻类脱胶三、果胶质的转化三、果胶质的转化三、果胶质的转化三、果胶质的转化可溶性可溶性原果胶聚戊糖原果胶聚戊糖H2O 原果胶酶原果胶原果胶H2O 果胶酸果胶酸 甲醇甲醇果胶甲酯酶可溶性原果胶可溶性原果胶H2O 半乳糖醛酸半乳糖醛酸聚半乳糖酶果胶酸果胶酸 H2O 四、淀粉的转化四、淀粉的转化葡萄糖聚合而成的大分子化合物,有直链和支链两种。葡萄糖聚合而成的大分子化合物,有直链和支链两种。来源:印染废水、纺织、食品、粮食加工等。来源:印染废水、纺织、食品、粮食加工等。存在植物细胞中的贮藏性多糖物质。存在植物细胞中的贮藏性多糖物质。在磷酸化酶作用下分解在磷酸化酶作用下
11、分解在淀粉酶作用下分解在淀粉酶作用下分解四、淀粉的转化四、淀粉的转化淀粉的转化示意图淀粉的转化示意图葡萄糖葡萄糖丙酮丁醇发酵丙酮丁醇发酵丁酸发酵丁酸发酵丙酮丙酮+丁醇丁醇+乙酸乙酸+CO2+H2丁酸丁酸+乙酸乙酸+CO2+H2枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌好氧分解好氧分解厌厌 氧氧 发发 酵酵淀粉淀粉糊精糊精麦芽糖麦芽糖葡萄糖葡萄糖乙醇乙醇+CO2 糊精酶糊精酶麦芽糖苷酶麦芽糖苷酶葡萄糖苷酶葡萄糖苷酶乙乙 醇醇 发发 酵酵酵酵 母母 菌菌根霉、曲霉根霉、曲霉三羧酸三羧酸 循环循环CO2+H2O五、脂肪的转化五、脂肪的转化脂肪脂肪 甘油甘油 +高级脂肪酸高级脂肪酸脂肪酶脂肪酶3H2O 脂脂肪肪是是由由
12、甘甘油油和和高高级级脂脂肪肪酸酸(饱饱和和脂脂肪肪酸酸和和不不饱饱和脂肪酸)组成,不溶于水,可溶于有机溶剂。和脂肪酸)组成,不溶于水,可溶于有机溶剂。脂肪可被微生物分解:脂肪可被微生物分解:(一)甘油的转化(一)甘油的转化甘油甘油 磷酸甘油磷酸甘油 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮甘油激酶甘油激酶ATPADP 磷酸甘油脱氢酶磷酸甘油脱氢酶 NAD+NADH酵酵 解解丙丙 酮酮 酸酸乙酰乙酰CoACoA氧化脱羧氧化脱羧CO2 +H2O三羧酸循环三羧酸循环 (TCATCA)11磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖酵酵 解解 逆逆 行行葡萄糖葡萄糖淀粉淀粉(二)脂肪酸的氧化(以硬脂酸为例)ATPAMP+PPi脂酰磷激酶 脂
13、酰硫激酶CH3(CH2)16COOH+CoASH硬脂酸CH3(CH2)16COSCoA硬脂酰辅酶AFADFADH2脱氢酶CH3(CH2)14CH=CHCOSCoA2-反-烯硬脂酰辅酶ACH3(CH2)14CHOHCH2COSCoAL(+)-羟硬脂酰辅酶A 脱氢酶NAD+NADH+H+CH3(CH2)14COCH2COSCoA-酮硬脂酰辅酶ACH3(CH2)14COSCoACoASH 硫脂解酶CH3COSCoA继续7次-氧化8CH3COSCoA7FADH2+7NADH2H2O水化酶1mol硬脂酰辅酶A每经一次-氧化作用,产生1mol乙酰辅酶 A,1molFADH2及1molNADH2。1mol乙
14、酰辅酶 A经三羧酸循环氧化产 生 12molATP,1molFADH2经 呼 吸 链 氧 化 产 生 2molATP,1molNADH2经呼吸链氧化产生3molATP,共产生17molATP。经过8次-氧化作用,共产生9 mol乙酰辅酶 A、8molFADH2及8molNADH2,生成178+12=148molATP。硬脂酸在激活时消耗1molATP,故 1mol硬 脂 酸(C17H35COOH)彻 底 氧 化 生 成147molATP。六、木质素的转化六、木质素的转化木质素存在于除苔藓和藻类外所有植物的细胞壁中,由松柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度由松柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度分枝
15、多聚物。分枝多聚物。Lignin Lignin 木质素木质素木质素木质素木质素木质素 空腔空腔 纤维素纤维素*木质素降解的意义何在呢?如何实现工业化白腐菌降木质素降解的意义何在呢?如何实现工业化白腐菌降解木质素呢?解木质素呢?确证的只有确证的只有真菌中的黄孢原毛平革菌真菌中的黄孢原毛平革菌,疑似的只有,疑似的只有软软腐菌。腐菌。黄孢原平毛革菌黄孢原平毛革菌黄孢原平毛革菌黄孢原平毛革菌(Phanerochaete chrysosprium)是是白腐真菌白腐真菌的一种,隶属于的一种,隶属于担子菌纲、同担子菌亚纲、担子菌纲、同担子菌亚纲、非褶菌目、丝核菌科。非褶菌目、丝核菌科。白腐白腐树皮上木质素被
16、该菌分解后漏出白色白色的纤维素部分。第三节第三节 氮循环氮循环一、固氮作用一、固氮作用二、硝化作用二、硝化作用 三、三、硝酸盐同化作用硝酸盐同化作用 四、四、氨化作用氨化作用五、五、铵盐同化作用铵盐同化作用 六、六、异化性硝酸盐还原作用异化性硝酸盐还原作用七、反硝化作用七、反硝化作用八、八、亚硝酸氨化作用亚硝酸氨化作用 生物体有机酸生物体有机酸NO3-NH4+NO2-NON2O大气大气N2硝酸盐同化作用硝酸盐同化作用氨化作用氨化作用硝化作用硝化作用硝化作用硝化作用反反硝硝化化作作用用生物固氮生物固氮铵盐同化作用铵盐同化作用异化性硝酸盐还原作用异化性硝酸盐还原作用氮循环亚硝酸氨化作用亚硝酸氨化作
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