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