第八章微生物在自然界碳氮素循环中的作用(2010.秋.

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第八章 微生物在物质循环中的作用
2023
*
01
氧循环
02
2碳循环
03
氮循环
04
硫循环
05
磷循环
06
6铁循环
目录
CONTENTS
人，动物，微生物呼吸活动需要氧气，植物，藻类和光合微生物释放氧气。
1
大气中氧气体积分数占到21%，以大气复氧形式进入水体和土壤中。
2
5.1 氧循环
5.2 碳循环
2
微生物：
3
磷脂在磷脂酶水解下，生成甘油，脂肪酸和磷酸。
4
无机磷的转化
5
土壤中的磷酸盐与有机酸等结合生成溶解性磷酸盐。
6
微生物：
7
磷灰石，正长石，玻璃能在硅酸盐细菌作用下分解成水溶性的磷酸和钾盐。
8
*
二价铁和三价铁的转化
5.6铁循环
1
趋磁性细菌
3
微生物：
在铁细菌作用下，吸收二价铁，转化为三价铁。
*
01
03
02
04
*
5.3 氮循环
03
01
02
固氮作用
固氮微生物的固氮酶作用下，大气中的分子氮转化为氨，进而合成有机氮化合物。
微生物：
根瘤菌属，褐球固氮菌，黄色固氮菌，万氏固氮菌。光合细菌如红螺菌，小着色菌，绿菌等在光照下也能固氮
*
5.5磷循环
有机磷的转化
1
核酸在微生物核酸酶作用下水解成核苷酸，和核苷和磷酸。
02
分解果胶质的微生物
枯草芽孢杆菌，多黏芽孢杆菌等。厌氧菌有蚀果胶梭菌，真菌有青霉，曲霉，木霉等。
*
5.3 氮循环

第八章微生物的生态名词解释1、微生物生态学：微生物生态学是生态学的一个分支，它研究对象是微生物生态系统的结构及其与周围生物及非生物环境系统间相互作用的规律。

29、正常菌群：生活在健康动物各部位，数量大、种类较稳定且一般是有益无害的微生物，称为正常菌群。

30、宏基因组：出生后才驻入人体，尤其是肠道内1000 种左右的正常菌群——共生微生物群的总基因组，即宏基因组。

31、微生态学：以微生物学和实验动物学为基础，研究正常微生物菌群与其宿主的相互关系及其作用机制的新兴边缘学科。

32、微生态系统：在特定的空间和时间范围内，由个体20〜200卩m不同种类组成的生物群与其环境组成的整体。

34、微生态失调：正常的微生物群之间和正常微生物群与宿主之间的微生态平衡，在外环境影响下，由生理性组合转变为病理性组合状态。

35、条件致病菌：条件致病菌又称为机会致病菌，在某种特定条件下可致病的细菌，称为条件致病菌。

条件致病菌是人体的正常菌群，当其集聚部位改变、机体抵抗力降低或菌群失调时则可致病，如变形杆菌。

37、微生态制剂：用于提高人类、畜禽宿主或植物寄主的健康水平的人工培养菌群及其代谢产物，或促进宿主或寄主体内正常菌群生长的物质制剂之总称。

可调整宿主体内的微生态失调，保持微生态平衡。

38、益生菌剂：通常是指一类分离自正常菌群，以高含量活菌为主体，一般以口服或粘膜途径投入，有助于改善宿主特定部位微生态平衡并兼有若干其他有益生理活性的生物制剂。

39、益生元（双歧分子）：专指一类人类不能消化吸收的低聚糖类食物成分，通过选择性的刺激一种或几种细菌的生长与活性而对寄主产生有益的影响，从而改善寄主健康的物质。

41、悉生生物：凡已人为地接种上某种或某些已知纯种微生物的无菌动物或植物，即已知其上所含微生物群的大生物称为悉生生物。

52、混菌培养（混合培养）：混菌培养又叫混合培养，也称混合发酵，是在深入研究微生物纯培养基础上的人工“微生物生态工程” ，指将两种或多种微生物混合在一起培养，以获得更好效果的培养方法。

二、微生物在氮循环中的作用 固氮作用：分子态氮被转化成氨，进而合成 有机氮化合物的过程称为固氮作用。 氨化作用：微生物分解有机氮化合物产生氨 的过程称为氨化作用。 硝化作用：微生物将氨氧化为硝酸盐的过程 称硝化作用。 反硝化作用：微生物还原硝酸盐释放出分子 态氮和一氧化二氮的过程称为反硝化作用。
第八章 微生物在环境物质循环 中的作用
介绍
物质循环：
自然界中，生物所需的各种化学元素，通过生物的生命
活动，一方面被合成为有机物，组成生物体；另一方面，这
些有机物又被分解为无机物质返回大自然。 在生态系统中，组成生物体的C、O、N、S、P、Fe等元素 不断地进行着从无机环境到生物群落，又从生物群落到无机 环境的循环过程，称物质循环
淀粉种类：由直链和支链淀粉两种组成，前者以α-（1→4）糖苷键构成无分
支，后者还具有α-（1→6）糖苷键
表1 不同作物中淀粉含量
作物名称 淀粉含量
小麦
玉米
大米
土豆
红薯
65％
65％
75％
20％
16％
（二）淀粉的转化
1.直链淀粉（Amylose）
一级结构
α（1→4）葡萄糖苷键
•可溶于热水 •遇碘呈紫蓝色
呼吸作用动 植物及微生 物
需氧 CH4 产甲烷细菌 甲基化合物 光合 细菌 沉积作用 厌氧呼吸、发 酵厌氧微生物， 包括光合细菌 CO2 厌氧
有机化合物 （CH2O） n
第一节 碳循环
含碳物质：
一碳（二氧化碳)，二碳、三碳、四碳、五碳、和六碳化合 物，二糖，多糖(纤维素和淀粉),脂肪及蛋白质等。
碳循环过程：
分解淀粉微生物：
① 好氧微生物枯草芽孢杆菌可直接将淀粉分解为二氧化碳和水； ②根霉和曲霉将淀粉先氧化为葡萄糖，后由酵母将其转化为二氧化碳和水 ； ③两酮丁醇梭状芽孢杆菌和丁酸梭状芽孢杆菌发酵生成丙酮丁醇等

微⽣物在碳素循环中的作⽤
微⽣物是⾃然界中许多有机物的分解者，如果没有它们的作⽤，⾃然界中各类元素及物质就不可能被周⽽复始地循环利⽤，⽣态平衡就会破坏，整个⽣命世界就会绝灭，⼈类⾃然也就⽆法⽣存。

碳素是构成各种⽣物体最基本的元素，碳素循环包括CO2的固定和CO2的再⽣。

植物和藻类，以及光合微⽣物，通过光合作⽤固定⾃然界中的CO2，合成有机碳化合物，进⽽转化成各种有机碳化合物。

动物以植物为⾷物，经过⽣物氧化释放出CO2，动物、植物的⼫体经微⽣物完全降解（即矿化作⽤）后，最终主要产物之⼀也是CO2。

地下埋藏的煤炭、⽯油等，经过⼈类的开发、利⽤，例如作为燃料，燃烧后也产⽣CO2，重新加⼊碳循环。

通过这些⽣物和⾮⽣物过程产⽣的CO2，随后⼜被植物和光合微⽣物利⽤，开始新的碳素循环。

碳素循环⽰意图。

COASH RCOSC OA + CH3CO-SCOA β氧化
18
RCOSC OA FAD
第二次 β氧化 FADH
2
O-SCOA 酶A 2015-1-11
环境微生物基础教学课件
天津工业大学
脂肪酸通常通过β－氧化过程氧化。以硬脂酸 为例，1mol硬脂酸含有18mol个碳原子，需要经 过8次β－氧化全部降解为9 mol乙酰辅酶A，总 反应式：
2015-1-11
6
环境微生物基础教学课件
天津工业大学
几种含碳化合物的转化
1.纤维素的转化
HOH C HOH C 22 O O O O HO HO OH OH HOH C HOH C 2 2 O O HO HO O O OH OH O O HO HO
HOH HOH 2 2
HOH2C O
O
纤维二糖 葡萄糖 纤维二糖 葡萄糖 纤维素 纤维素 细 细 HO OH厌 厌 氧 氧 氧化酶，脱氢酶，脱羧酶 AT P 发 萄糖 TCA 发 细胞色素，细胞色素氧化酶 酵 酵 循环 H2O 葡萄糖 葡萄糖 2015-1-11 7 丙酮丁醇发酵 丙酮丁醇发酵 CO2 +CO + + 丙酮+ 丁醇+ 乙酸 +CO
藻类 光合 作用 CH4 产甲烷菌 光合细菌 (CH2O)n
藻类 光合 作用 CH4 产甲烷菌 光合细菌
(CH2O)n 有机化合物 CO2
残体 厌氧 分解 有机酸，糖，维 生素，氨基酸 好氧 分解
(CH2O)n
(CH2O)n 有机化合物 CO2 呼吸: 动物 植物 微生物 发酵 厌氧微生物
4
残体 厌氧 分解 呼 有机酸，糖，维生素， 氨基酸 吸 好氧 分解 2015-1-11 CO2

二氧化碳的固定是将二氧化碳还原为碳水化合物的生化反 应过程。
1、光合微生物的种类和特性：
光合微生物：藻类、蓝细菌和光合细菌。
2、化能合成微生物的种类及特性
化能合成微生物的种类：氢细菌、硝化细菌、
有机物的矿化--二氧化碳的再生
• 食物链的媒介作用 • 自养生物同化作用合成的有机碳化合物，经食物链传递到 异养微生物体内并作为生长的基质被分解，有氧条件下有 机碳最终的代谢产物为 CO2及难以分解的腐殖质。无氧条 件下代谢产物为有机酸、醇、CO2、氢等。 • 微生物为：真菌、细菌和放线菌
定义：绿色植物和微生物在利用硝酸盐的过程中，硝
酸盐被重新还原成NH4+后再被利用于合成各种含氮有
机物，这就是硝酸盐的同化作用。
四、反硝化作用
• 定义：由硝酸盐还原成NO2–并进一步还原成N2的过程 （广义）。狭义的反硝化作用仅指由亚硝酸还原成N2的 过程。 • 条件：厌氧（淹水的土壤或死水塘中） • 菌种：化能自养菌和部分异养菌。 • 如：Bacillus lichenoformis（地衣芽孢杆菌）、 Paracoccus denitrificans（脱氮副球菌）、Pseudomonas aeruginosa（铜绿假单胞菌）、Ps. stutzeri（施氏假单胞 菌）、Thiobacillus denitrificans（脱氮硫杆菌）以及 Spirillum（螺菌属）和Moraxella（莫拉氏菌属）等。 • 意义：土壤中氮元素流失的重要原因之一。水稻田中施 用化学氮肥，有效利用率只有25%左右。另外可以利用 水生性反硝化细菌去除污水中的硝酸盐。
极生、双极生)进行趋磁性运动。
实验证明：当把一小滴泥浆用暗场照明的显 微镜在低倍率（约80倍）下放大检查时，游 动的、折射光的细菌看起来像一些游动的小 光点。在只有地磁场而没有其它磁场作用时， 一些细菌就持续不断地向北游动，并聚集在 小水滴的北面的边缘。如果把一条形磁铁放 在附近，细菌就游向吸引罗盘针指向北端的

解有机磷化物。包括细菌、放线菌和真菌的一些 种类，都能进行有机膦化物的矿化作用。 2. 难溶性无机磷的转化 难溶性的无机磷，如磷酸钙，可以和异养微生物 生命活动产生的有机酸和碳酸，硝酸细菌和硫细 菌产生的硝酸和硫酸等作用，转变成可溶性磷酸 盐。
3. 磷的同化作用 可溶性的无机磷化合物能被微生物同化为有机
（四）反硝化作用
发生反硝化的条件是： ① 硝酸盐存在（提供电子受体）、 ② 有机物存在（提供能量） ③ 缺氧。 反应过程，有三种结果： HNO3——→NH3
HNO3——→N2 HNO3——→HNO2 环境工程最关心的反硝化作用：在缺氧条件下， 硝酸盐被还原为氮气的过程。
在环境工程中，涉及反硝化作用的主要是：
共生固氮微生物 自生固氮微生物
共生固氮微生物
• 1、概念：是指与一些绿色植物 互利共生的固氮微生物.
• 2、代表生物：根瘤菌（属于细菌） 共生特性：不同的根瘤菌，各自只能侵入一 种或多种特定种类的豆科植物
• 共生关系：豆科植物为根瘤菌提供有机物， 根瘤菌为豆科植物提供氨
根瘤与根瘤菌
• 根瘤菌是与豆科等植物互利共生的一类细菌。能 够将大气中的氮还原为氨供给豆科植物，同时又
第二节 氮循环
自然界中的氮元素有：分子氮（空气中的N2）、 有 机 氮 （ 蛋 白 质 等 ） 、 无 机 氮 （ NH4+ 、 NO3等）。
在生物的协同作用下，三种形式的氮互相转化， 构成循环。其中，微生物在转化中起着重要作 用。
一、氮循环的过程
二、微生物在氮循环中的作用
（一）蛋白质水解与氨基酸转化
共生固氮微生物 －－根瘤菌
1.土壤中独立存在时有无固氮能力？
2.只有侵入到特定种类的豆科植 物的根内时才具有固氮能力。

摘要 微生物种类繁多，繁殖迅速，环境适应力强，分布广泛，因此在自然界物质循环的过程中发挥着重要的作用。自然界的物质循环是合成和分解两个对立过程的统一，主要包括C、N、S和P四种元素的循环。微生物是生物圈重要的生产者和有机物的主要分解者，它们的活动是自然界物质正常循环的基础。微生物在碳素循环中的作用主要体现在同化和产生CO2上，自养微生物可以利用CO2合成有机物，异养微生物则可以分解有机物产生CO2。自然界中的氮素绝大部分以大多数生物不能直接利用的N2的形式存在，微生物在氮素的转化和合成过程中发挥着重要的作用。自然界中的NH3大多数是微生物合成的；不同氮素之间的相互转化也需要微生物的参与；只有微生物才能分解有机物中的氮。微生物在自然界氮素循环中的作用形式主要有固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用以及同化作用。自然界中存在的硫素绝大部分不能被大多数生物直接利用，只有通过微生物的转化后才能被其它生物吸收和利用；有机物中硫素的分解同样离不开微生物。微生物利用和转化硫素的方式主要有脱硫作用、同化作用、硫化作用和反硫化作用。自然界中存在许多难溶的一般不能被植物所利用的无机磷化物，微生物的活动能促进磷在生物圈中的有效利用；许多微生物具有很强的分解核酸、卵磷脂和植酸等有机磷化物的能力，它们转化、释放的磷酸可供其它生物吸收利用。
ion to the quantitative study of some physiological groups microorganisms in the sediment of the Lakes Rosu bacub during 1990 [J] Trav Mus Hist Nat Grigore Anttipa 1993,19:143-146
[6] 王家玲等 环境微生物,北京:高等教育出版社,1988

第 1 页 共 4 页
五碳糖、六 放线菌（青铜色小单孢菌） 细菌（枯草杆菌） 原生动物 藻类
三、果胶物质的分解 半乳糖醛酸主要以α-1、4 糖苷键连成 1、分解果胶的微生物 细 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 真 菌：青霉、曲霉、木霉、根霉等 2、果胶分解的应用---麻类脱胶 水浸法：把麻类物质浸入水中，利用厌气微生物分解其中的果胶。 露浸法：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 四、木质素的分解 带支链的芳香族化合物的聚合体。 木质素主要存在于植物的细胞壁和细胞间隙。木质素在陆地上数量大，几乎与纤维素数量相等。 降解特点——难降解： 芳香族化合物 酚类
酚酶
主要微生物：真菌中的担子菌.
★第二节 氮素循环中微生物的作用
第 2 页 共 4 页
一、氨化作用 有机态 N 被微生物降解形成 NH3 的过程. (1)蛋白质的氨化作用过程 蛋白酶 蛋白质 水解 (2)尿素的氨化 尿酶 CO(NH2)2 + 2H2O (NH4)2CO3 2NH3 + CO2 + H2O 肽 水解 肽酶 氨基酸 NH3 降解（氧化脱氨基作用、水解脱氨基作用、还原脱氨基作用）
★
微生物生长的氮源 无机氮 植物生长的氮源 C：N = 5：1（微生物细胞） C/N 是 25：1
微生物生长发育过程中，从外界吸收利用的营养物质的
举例： 二、硝化作用 将铵离子氧化形成硝酸的微生物学过程。 化能自养型（好氧，主要） 硝化作用 异养型（厌氧；发现迟） 1、硝化细菌和硝化作用的过程
NO3 NO2 NH4
NO
3
含量——丰富
☞ 仅次于光合作用的化学反应——提供还原态氮化合物

饱和脂肪酸和甘油组成的常温下呈固态的称为脂 到21世纪中叶，全球温度将增加1.
土壤微生物分解半纤维素–的速厌率氧比分菌解纤：维素腐快 败梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌
5)铵盐同化作用：由所有绿色植物和许多微生物进行的以铵盐为营养，合成氨基酸、蛋白质、核酸和其他含氮有机物的作用。
7造）纸反、硝制化麻作废用水（多硝含酸有盐果–还胶原质致为氮病气）链球菌、葡萄球菌
酶
邻苯二酚
酮基己二酸
+O2 +2H
琥珀酸 三羧酸循环
乙酰辅酶A
CO2 +H2O
第三节 氮循环
1)生物固氮
3）硝酸盐同化作用
4）氨化作用（蛋白的水解和脱氨）
5）氨盐同化作用
（硝酸盐还原为氮气） 8）亚硝酸氨化作用
在固氮微生物的作用下把分子 氮转化为氨，进而合成为有机氮化合物的过 程。
共生固氮菌--Rhizobium根瘤菌属
氮源。
脲酶
三、硝化作用
在土壤或水体中的氨态氮经化能自养 细菌（亚硝化细菌和硝化细菌）的氧 化转化成为硝酸的过程。
四、反硝化作用
（脱氮作用）：兼性厌氧的
硝酸盐还原细菌将硝酸盐还原为氮气的
过程。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
反硝化作用一般只发生在厌氧条件下
少数异养和化能自养微生物可进行反硝 化作用。
反硝化细菌有：
施氏假单胞菌、脱氮假单胞菌、荧光假 单胞菌、紫色色杆菌、脱氮色杆菌等
8）
：亚硝酸通过异化
性还原可以经羟氨而转变成氨，这就叫
亚硝酸氨化作用。
一、蛋白质的水解和氨基酸的转化
（一） 蛋白质水解 生活污水、屠宰废水、罐头食品加工废
水、乳品加工废水、制革废水均含蛋白 质和氨基酸。

《微生物在自然界氮素循环中的作用》
微生物在自然界氮素循环中的作用是:①参与植物营养元素的吸收、运输和转化;②直接或间接地参与土壤肥力形成过程,特别是通过其固氮活性而对土壤供氮能力有重要影响.③在氮肥的利用方面也发挥着重要作用.④参与污染物质的降解和转化.
故答案为:①参与植物营养元素的吸收、运输和转化;②直接或间接地参与土壤肥力形成过程,特别是通过其固氮活性而对土壤供氮能力有重要影响;③在氮肥的利用方面也发挥着重要作用;④参与污染物质的降解和转化.
【点评】本题考查了微生物在自然界氮素循环中的作用及微生物在人类社会中所起到的重要作用等知识点.
【解析】本题主要考查学生对知识点的理解和掌握情况,意在考查考生调动和运用知识分析问题、解决问题的能力.
【详解】微生物在自然界氮素循环中的作用:(1)参与植物营养元素的吸收、运输和转化;(2)直接或间接地参与土壤肥力形成过程,特别是通过其固氮活性而对土壤供氮能力有重要影响;(3)在氮肥的利用方面也发挥着重要作用;(4)参与污染物质的降解和转化。

微观生物在地球的通量循环中的作用地球上的通量循环是指物质和能量在地球上不断循环流转。

微观生物虽然在地球上占据微小的一部分，但它们在通量循环中的作用却是不可小觑的。

一. 微观生物在碳循环中的作用微观生物包括细菌、真菌、病毒等，它们占据着一大部分的地球生物量。

在碳循环中，微观生物起到了重要的作用。

我们都知道植物的光合作用可以将二氧化碳转化为有机物，但我们可能不知道的是，微观生物的呼吸作用也会释放大量的二氧化碳。

而这些有机物和二氧化碳又被微观生物再次分解，这个过程被称为腐殖化过程。

腐殖化过程可以将有机物转化为可溶性的有机酸，使得它们更容易地被微生物吞噬和分解，并释放出二氧化碳。

这个过程在土壤、水体等地方发生着，可以提供给植物和其他微生物营养物质，同时也为生态系统提供了一定的稳定性。

二. 微观生物在氮循环中的作用在氮循环中，微观生物也起到了重要的角色。

在土壤中，微生物可以将氮气固定为铵盐，这提供了重要的营养物质给植物生长。

此外，微生物还能够将有机氮转化为无机氮。

这个过程被称为硝化作用。

硝化作用将氨转化为亚硝酸和硝酸，这可以为植物提供它们所需的营养物质。

在环境中，硝化作用还可以将硝酸根离子转化为氮气，这也是离子氮被还原为气态氮气的过程之一。

三. 微观生物在磷循环中的作用在磷循环中，微观生物也扮演着重要的角色。

磷是生命体内必须的元素，它对于 DNA 和 ATP 等分子是不可缺少的。

微生物能够将有机磷和无机磷转换为可被其他生物利用的活性磷。

此外，微生物还能将无机磷转化为有机磷，这个过程被称为酸解作用。

酸解作用可以将无机磷转化为有机酸，这可以为植物和其他微生物提供营养物质，同时也改善了土壤条件。

四. 微观生物在硫循环中的作用在硫循环中，微观生物也起到了重要的作用。

硫是所有蛋白质中必须的元素，它对于一些关键酶的活性是必须的。

微生物能够将有机硫和无机硫转换为可被其他生物利用的活性硫。

此外，微生物还能将硫化氢转化为亚硝酸、硝酸和二氧化硫。

霉菌：分解纤维素的还有青霉菌、曲霉、镰刀霉、 木霉及毛霉。
放线菌中的链霉菌属(Streptomyces),在23-65℃
生长，最适温度为50℃。
（三） 纤维素酶所在部位
细菌的纤维素酶结合在细胞质膜上，是表 面酶。真菌和放线菌的纤维素酶是胞外酶， 可分泌到培养基中，通过过滤和离心很容易 分离得到。
半纤维素的分解
第八章微生物在自然界物质循环中的作用..
微生物在环境物质循环中的作用
• 碳，氢，氧，氮，硫，磷，钾，铁等元素 是组成生物体的化学元素，生物必需不断 从环境中取得这些营养元素才能生长发育 和繁殖。
• 但是地球上这些元素的贮存量毕竟是有限 的，而生命的延续与发展却是无穷尽的， 两者之间的矛盾只有在自然界的物质不断 循环转化的条件下才能解决。
乙酰辅酶A进入三羧酸循环完全氧化成二氧化碳和 水。脂肪酸可重复下一次β－氧化，以至完全形成乙 辅酶A而告终。
β—氧化
三 羧 酸 循
环
脂肪酸氧化可得到很高的能量水平，如：
lmoL硬脂酸(C17H35COOH)被彻底氧化可得 147mol ATP。
六、木质素的分解
• 木质素：是植物木质化组织的重要成分，是 以苯环为核心，带有丙烷支链所组成的一种 或多种芳香族化合物氧化缩合而成。
氨化作用的微生物
• 氨化作用较强的细菌： 假单胞菌属 芽孢杆菌属 梭菌属 沙雷氏菌属
• 真菌中分解含氮有机物能力强的有： 毛霉，曲霉，根霉，青霉，交链孢霉等
蛋白质水解
脂肪结构式
（一）脂肪的分解
脂肪被微生物分解的反应式如下：
磷酸二羟丙酮可经酵解成丙酮酸，再氧化脱羧成乙 酰CoA，进入三羧酸循环完全氧化为二氧化碳和水。
磷酸二羟丙酮也可沿酵解途径逆行脂肪酸的β—氧化