课程名称：微生物学 班级：生物工程1101 (第二十七讲) 章节标题：第三节微生物与自然界物质循环 第四节微生物与环境保护 目的要求：1.掌握自然养物质循环的过程 2.了解微生物与环境保护的关系 教学重点：自然界物质循环的过程 教学难点：自然界物质循环的过程 教学方法：多媒体讲授及讨论法 内容提要及课时分配： 1.C、N、P、S循环 50分钟 2。微生物与环境保护的关系 45分钟 3.小结 5分钟 主讲教师：赵萌萌 授课日期：2013年5月28日 兰州交通大学化学与生物工程学院
第三节微生物与自然界物质循环 地球上绝大部分元素都以不同的循环速率参与生物地球循环。生命物质的主 要组成元素C、H、O、K、P、S循环很快，而少量元素a、Mg、K等则循环很慢 在这一节我们主要将大量元素的循环。碳、氮、磷、硫的循环主要受二个生物过 程的控制：一是光和生物对无机营养物质的同化：二是后来进行的异养生物的矿 化。实际上所有的生物都参与生物地球化学循环，但微生物在第二个过程中起决 定性作用，地球上90%的矿化作用都是由细菌和真菌完成的。 一、微生物在碳素循环中的作用 C元素是一切生命有机体的最大组分，接近有机物质干重的50%。因此，碳 循环是最重要的物质循环。碳循环主要包括C2的周定和再生。二氧化碳通过绿 色植物和自养微生物的光和作用被固定在植物和滋养微生物体内生成一些有机 物质。当植物被动物取食，然后动物死亡后，他的尸体可以分解为有机残余物质， 植物和自养微生物的尸体也可被一些微生物分解为有机残余物质。在这一过程中 二氧化碳被固定下米。 但是如果仅有消耗系统而没有再生系统则大气中的二氧化碳不超过20年就 会被消耗殆尽。而微生物正是在这一过程中发挥着不可替代的作用。那么二氧化 碳是怎样再生的呢？有机残余物质被异养微生物分解可以形成二氧化碳：有一 小部分的有机物质由于地质作用形成石油、煤炭、天然气等化石燃料，开采出来， 燃烧或经微生物氧化也可放出二氧化碳：动物可以利用呼吸作用释放二氧化碳： 有些植物和微生物也可通过呼吸作用释放二氧化碳。 以上这个过程就完成了碳素的循环，维持了空气中二氧化碳的平衡，保证了 生命的延续。 二、微生物在氨素循环中的作用 氮是合成蛋白质、核酸等重要生命物质的主要成份，是构成生命体不可缺少 的营养元素之一。 (一)自然界中的氮素循环（通过图示来表示） 画出蔡信之的图8-一2。（图解）空中氯气经微生物与化学周定进入土壤，被 植物和微生物利用转变为有机氯化物，继而又转变为人、动物体的有机氮化物
那么植物动物死亡以后会变成含氮有机残余物：这种残余物它又可以回归土壤； 被微生物的氨化作用分解氨化成为氨：氨继而经过亚硝酸细菌和硝酸细菌的硝 化作用形成硝酸：这一硝化作用不仅可以正向进行，还可以反向进行。即硝酸盐 被生物体合成氨的过程，硝酸离子被还原为亚硝酸的作用，还有亚硝酸被转变成 氨的作用。铵与硝酸是植物易吸收利用的氮素养料：同时，在厌氧条件下，反硝 化细菌可将硝酸还原为氮气，弥散于大气中，从而形成了自然养氮素的生物循环。 在该循环过程中，我用红粉笔划的这些过程都是只有微生物才能进行的过程，可 以看到微生物起着非常重要的作用，而且其每一作用都是不可缺少的： (二)微生物在氮素循环中的作用 1、固氮作用 将空中氮气转变为氯素化合物，称之为同氮。固氯分为生物固氮与化学同氮 两种方法。生物法是利用有固氮功能的微生物，在常温、常压下把氮气转变为 N+的形式，所需的能源是生物的光合产物。该过程做生物固氮。现己知有周氮 作用的微生物近50个属，种类更多，但均属原核微生物。生物固氨量是工业固 氨量的2一4倍。贡献最大的是与豆科植物共生根瘤菌属，其次是与非豆科植物 共生的-弗兰克氏菌属(Frankia),再次是各种兰细菌，最后是一些自生固氨菌。 2、氨化作用 主要的含氨有机物物质为腐植质、动植物残体。其成分主要为：蛋白质、氨 基酸、几丁质、核酸、胆碱、氨基糖、尿素、尿酸及马尿酸等。 分解蛋白质产生氨能力强的微生物称氨化微生物。土壤里氨化微生物种类 多，数量大。 氨化作用产生的氨，溶解于水成NH+,是植物可利用的氨素养料。若无足 够土粒吸附，则向空气中挥发，引起氮素损失，因之，氮素肥料均应深施，并 复尽快覆土，因微生物分解有机物时可同化一些氨，则可减少氨损失，提高肥效。 3、硝化作用 氨化作用产生的氨和施用的铵态氮肥，更多的则是在硝化细菌作用下，氧化 为硝酸，变成易溶的植物更易利用的速效氮素养料。 硝化过程包括两个阶段，分别由两类细菌引起，第一阶段是氨氧化为亚硝酸， 叫做亚硝酸化作用，作用的细菌是亚硝酸细菌。第二阶段是亚硝酸氧化为硝酸
作用的细菌是硝酸细菌。 硝化作用的意义N4+氧化为NO3-,易溶于水，并随水移动，更容易被植物 根系吸收利用：硝酸溶解作用强，能促进矿物、岩石的风化过程，可使一些不溶 性养料转变为植物可利用的形态：水田里施用硝态氮肥，损失量大。进入水井和 江河、湖泊，污染水域，损害人体健康，导致水体“营养富集”。 4、同化作用 铵盐、硝酸盐被植物和微生物吸收利用，合成氨基酸、蛋白质、核酸和其他 含氮有机物。 5、反硝化作用 在厌气条件下，硝酸还原为N20或N2的过程为反硝化作用.因还原产物N20 或2向空中弥散，故可引起土壤氮素损失，又称之为脱氯作用。 反硝化作用引起土壤氮素损失，是氮素化肥利用率不高的一个重要原因。但 从自然界氮素循环角度看，它又是不可缺少的一种有益作用。如该作用停止，大 气中氨气减少和组成分的改变，势必影响生物的生存：当然也会对生物固氨与 生产氮素化肥带米不利影响。 三、微生物在硫素循环中的作用 (一)自然界中的硫素循环 植物可吸收利用硫酸盐同化为含硫有机物质：在多种土壤微生物作用下，含 硫有机物质分解形成硫化氢：多种硫细菌与硫化细菌又将硫化氢和不完全氧化的 硫化物的氧化为硫酸：硫酸盐经反硫化作用又形成硫化氢.这样构成了自然界硫 素的生物循环。 (二)微生物在硫素循环中的作用 1、脱硫作用 土壤中有多种细菌、放线菌和真菌等均能水解蛋白质产生含硫氨基酸。若在 厌气条件下，含硫氨基酸再分解形成H2S和硫醇，并伴随氨的形成。 2、硫化作用 在通气条件下，硫化氢、硫和不完全氧化的硫化物，在微生物作用下可逐步氧 化为硫酸的过程。 引起硫化作用的细菌统称为硫细菌
3、同化作用 植物和微生物把硫酸盐转变成还原态的硫化物。 4、反硫化作用 在厌氧条件下，硫酸盐还原为2S的过程叫反硫化作用。 四、微生物在磷素循环中的作用 五、铁循环（沈平的p192) 第四节微生物与环境保护 随着工业生产的高速发展和城镇人口的急剧增加，人类不断将大量的生活污 物和工业废物以及农药残留物等排入江河、湖泊、海洋、土壤以及空气中，使人 类的生存的环境受到日益严重的污染，给人类生产和生活带来极大的危害，甚至 蟛响到了人类的发展。 环境污染是大家需要了解的一个概念：指生态系统的结构和机能受到外来物 质的影响和破坏，超过了生态系统的自净能力，打破了正常的生态平衡，给人类 造成严重的危害。 水体的自净作用：自然界中，水体中的污染物浓度可通过河水向下游流动而 自然降低，此现象称为水体的自净作用。 污水：当经过水体的外米污染物质数量超过了水体的自净能力，并达到破坏 水体原有用途的程度。环境污染是我们最不愿意看到的结果，因此在很多事情还 没有发生以前，我们就要未雨绸缪，对环境加以保护。环境保护涉及的范围很广， 主要是消除污染和保护生态环境，而微生物在这两方面都有非常重要的作用。 在第一个方面，消除污染方面：可以想象水源的污染是危害最大、最广的环 境污染。比如说我们前面，第一节课就讲到了赤潮的形成，这就是一种水体富营 养化导致的污染。此外，污水还包括生活污水、农牧业污水、工业有机污水和工 业有毒污水等等。尤其在大中城市，水的污染尤其严重。在治理水污染的方法中， 包括物理方法、化学方法及生物方法，其中最重要、最有效、最普遍的方法就是 生物方法，在生物法中，微生物是不可替代的主角。 微生物处理污水的原理：利用微生物的催化作用和代谢活性、好氧和厌氧分 解，吸收和转化污水中的污染物质，将大量的有机物分解成无机盐。C02和水， 达到净化水体的作用。一、微生物与污水处理微生物处理污水过程的本质是
微生物代谢污水中的有机物，作为营养物质取得能量生长繁殖的过程，这和一般 的微生物培养过程是相同的。 污水处理按程度可分为一级处理、二级处理和三级处理，以及处理也称为顶 处理，二级处理称为常规处理，三级处理称为高级处理。 一级处理主要通过格栅等过滤器除去粗固体，二级处理主要去处可溶性的有 机物，微生物的作用主要在这一过程中发挥；三级处理主要是除氮、磷和其他无 机物，还包括出水的氯化消毒等等。 在这里我们主要讲生物处理。依照处理过程中氧的状况，生物处理可分为好 氧处理和厌氧处理。 (一)好氧生物处理 1、活性污泥法： 活性污泥就是以需氧性细菌为主体的微生物与水中的悬浮物质、胶体物质聚 集在一起形城的肉眼可见的絮状颗粒，有较强的吸附力、州缓冲力和氧化分解 有机质的能力。这种处理方法对生活污水的BOD5去除率达95%，也就是说可去 除95%的有机物，去除悬浮固体也达90%左右，是一种使用最广的二级处理方法。 盛放活性污泥的池子叫曝气池。进入曝气池的污水与污泥相接触，净化过程包括 两种作用：一是使生化作用，污水中的有机物为微生物所代谢：二是物理吸附、 化学分解等物理化学作用。活性污泥在曝气池中呈悬浮状态，而在沉淀池中引起 重力而沉淀实现固液分离，沉淀下来的活性污泥被连续回流到曝气池，以维持污 水处理所需的一定污泥浓度。多余的被排出。 2、生物膜法 生物膜：是指生长在潮湿、通气的固体表面上的一层由多种活微生物构成的 粘膜、暗色菌膜，能氧化、分解污水中的有机物或某些有毒物质。 (1)生物转盘法：通过许多串联在一起的、下半部浸没在污水中上半部暴露 在空气中塑料圆板的缓慢转动，在其表血形成一层生物膜，通过生物膜上的微生 物的作用来吸附、氧化和分解污水中的有机物和毒物。 (2)塔式生物滤池法：图是在沈平308页图11-6。 (二)厌氧生物处理 厌氧生物处理用来处理高浓度有机废水。处理过程可杀死各种病源微生物
去除有机物，并获得大量的沼气作为能源，因此也称为沼气发酵。 从复杂的有机物变成沼气也就是甲烷，要经历一个复杂的生物化学过程。首 先在发酵细菌的作用下，有机物被解聚，转化成脂肪酸、乙醇、CO2、2和NH3。 而后产氢产乙酸细菌把乙醇和脂肪酸转化成乙酸、2和C02。最后甲烷细菌（甲 烷细菌：严格厌氧条件下生存并伴有甲烷产生的一种古生菌)可以利用乙酸并将 它的甲基直接还原产生甲烷，C02也被还原产生甲烷。 二、同体废弃物处理 利用微生物分解同体废弃物中的有机物，从而实现其无害化和资源化，使处 理周体废弃物的有效而经济的技术方法。 1、堆肥化处理 堆肥化是处理有机废弃物（生活垃圾）的主要方法，分为好氧堆肥和厌氧推 肥。好氧堆肥的基本生化过程与污水生物处理相似，但堆肥处理只进行到腐熟阶 段，并不需要有机物的彻底氧化。一般认为达到腐熟则堆肥中易降解有机物基本 上被降解。在这一过程中微生物的群落组成也会发生一定的变化，从中温需氧微 生物变为嗒热微生物群体。 厌氧堆肥（沼气化）是将堆料在与空气隔绝的条件下堆制发酵。最后产生甲 烷、C02等产物，这种技术在城市下水道污泥、农业固体废弃物（秸秆等）和粪 便处理中得到广泛应用。 2、生态工程处理方法 基本原理是利用适当的防渗和阻断材料，将垃圾堆进行物理隔离，然后再隔 离的垃圾堆上重建移植物为主的土壤一植物生态系统，同时辅以适当的景观建 筑，园林等将原来的垃圾山建成公园式的风景娱乐场所或为农牧业重新利用。 三、微生物与环境监测 生态环境中的微生物是环境污染的直接承受者，环境状况的任何变化都对微 生物群落结构和生态功能产生影响，因此可以用微生物指示环境污染。 (一)粪便污染指示菌 粪便中肠道病原菌对水体的污染是引起霍乱、伤寒等流行病的主要原因。沙 门氏菌、志贺氏菌等肠道病原菌数量少，捡出鉴定困难。因此不能把直接检测病 原菌作为常规的监测手段，从而提出了检测与病原菌并存于肠道，且具相关性的
“指示菌”，从它们的数量来判定水质污染程度和饮水的安全性。总大肠菌群是 最基本的粪便污染指示菌，最常用的水质指标之一。肠道菌群的数量作为水体质 量的指标 (二)致突变物与致癌物的微生物检测 环境污染物的遗传学效应主要表现在污染物的致突变作用，致突变作用是致 癌和致畸的根本原因。具有致突变作用或怀疑具有致突变效应的化合物数量巨 大，这就要求发展快速准确的监测手段。微生物生长快的特点正适合这种要求， 微生物监测被公认是对致突变物最好的初步检测方法。 现在被广泛使用的美国人Ams发明的实验方法。其原理是利用鼠伤寒沙门 氏菌的组氨酸营养缺陷型菌株在致突变物的作用下发生回复突变的性能，来检测 物质的致突变性。当培养基中含有微量组氨酸时，倒入过量菌液的平板上形成 层微小的菌落，但当受到致突变物作用时，缺陷型菌株回复为野生型菌株，这是 在培养基上会长出明显的南落，便于观察。 (三)发光细菌检测法 发光细南发光是菌体生理代谢正常的一种表现，这类菌在生长对数期发光能 力极强。当环境条件不良或有毒物质存在时，发光能力受到影响而减弱，其减弱 程度与毒物的毒性大小和浓度成一定的比例关系。通过灵敏的光电测定装置，检 查在毒物作用下发光细菌的发光强度变化可以评价待测物的毒性。应用最多的为 明亮发光杆菌。 (四)硝化细菌的相对代谢率实验 硝化细菌所进行的把铵离子在好氧条件下氧化成硝酸根的硝化作用在生态 系统的氨循环中有重要作用，这个过程只有微生物才能进行。用测定硝化细菌相 对代谢率的方法检测水及土壤中的有毒物，并以此评判水体、土壤环境及环境污 染物的生物毒性，对于宏观生态环境健康程度的评价有重要意义。 在环境污染的微生物监测种以上介绍的几种方法重复性好，易于规范，可以 作为标准的监测方法使用
