硫循環(huán)磷循環(huán)鐵錳循環(huán)(20)

1、環(huán)境工程微生物學(xué)環(huán)境工程微生物學(xué)第二十講第二十講第二篇第二篇 第二章第二章 微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用（中的作用（2）第八章第八章 微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中的作用第四節(jié)第四節(jié) 硫循環(huán)硫循環(huán)o 硫是生物的重要營養(yǎng)元素，它是一些必需氨基酸和某些維生素、輔酶等的成分。o 在自然界中，硫以元素硫、元機硫化合物和有機態(tài)硫的形式存在。生物圈中的硫進行著許多復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)，這些反應(yīng)大多是由微生物調(diào)節(jié)的。o 自然界中的硫和硫化氫，經(jīng)微生物氧化作用形成SO42-(硫酸根離子) ，SO42-在缺氧環(huán)境中可被微生物還原成H2S，也可被植物或微生物同化還原成有機硫化

2、合物，成為自身的組成成分。動物食用植物和微生物，又將其轉(zhuǎn)變成動物的有機硫化合物；當(dāng)動物、植物和微生物尸體，以及排泄物中的有機硫化合物被微生物分解時，再以H2S和S的形態(tài)返回自然界，于是整個硫素循環(huán)完成。概括地說硫素循環(huán)包括分解作用、同化作用、硫化作用和反硫化作用。微生物參與硫素循環(huán)的各個過程，并在其中起重要作用。o 一、含硫有機物的轉(zhuǎn)化一、含硫有機物的轉(zhuǎn)化o 動物、植物和微生物尸體中的有機硫化物，被微生物降解成無機硫的過程稱為分解作用（轉(zhuǎn)化）。這主要是異養(yǎng)微生物在降解有機碳化合物時往往同時放出其中含硫的組分，這一過程并不具有專一性。o 分解含硫有機物的微生物很多，引起含氮有機物分解的氨化微生物

3、都有能分解含硫有機物產(chǎn)生硫化氫。含硫氨基酸，例如蛋氨酸、半胱氨酸和脫氨酸被氨化微生物分解產(chǎn)生硫化氫和氨。變形桿菌將半胱氨酸和脫氨酸水解為氨和硫化氫。o 含硫有機物如果分解不徹底，會有硫醇如硫甲醇（CH3SH）暫時積累。而后再轉(zhuǎn)化為硫化氫。o 二、無機硫的轉(zhuǎn)化二、無機硫的轉(zhuǎn)化o ( (一一) )硫化作用硫化作用o 在有氧條件下，通過硫細菌的作用將硫化氫氧化為元素硫，再進而氧化為硫酸，這一過程稱為硫化作用。參于硫化作用的微生物有硫化細菌和硫磺細菌。o 1 1、硫化細菌、硫化細菌o 硫化細菌歸于硫桿菌屬，為革蘭氏陰性桿菌，從氧化硫化氫、元素硫，硫代硫酸鹽、亞硫酸鹽及多硫磺酸鹽獲得能量，產(chǎn)生硫酸，同化

4、二氧化碳合成有機物。它們多半在細胞外積累硫，有些菌株也在細胞內(nèi)積累硫。硫被氧化為硫酸，使環(huán)境PH下降至2以下，同時產(chǎn)生能量。硫桿菌廣泛分布于土壤、淡水、海水、礦山排水溝中。o 2 2、硫磺細菌、硫磺細菌o 硫化氫氧化為硫，并將硫粒積累在細胞內(nèi)的細菌，統(tǒng)稱為硫磺細菌。它們包括絲狀硫磺細菌和光能自養(yǎng)的硫細菌。絲狀硫磺細菌在生活污水和含硫工業(yè)廢水的生物處理過程中出現(xiàn)，與活性污泥絲狀膨脹有密切關(guān)系。光能自養(yǎng)硫細菌含細菌葉綠素，在光照下，將硫化氫氧化為元素硫，在體內(nèi)積累硫?；蝮w外積累硫粒。o （二）反硫化作用（二）反硫化作用o 在厭氧條件下微生物將硫酸鹽還原為H2S的過程稱為反硫化作用。參與這一過程的微

5、生物稱為硫酸鹽還原菌。反硫化作用具有高度特異性，主要是脫硫弧菌屬來完成。如脫硫脫硫弧菌是一典型反硫化作用的代表菌。產(chǎn)生的H2S與鐵化學(xué)氧化產(chǎn)生的Fe2+形成FeS和Fe（OH）2，這是造成鐵銹蝕的主要原因。o 在混凝土排水管和鑄鐵排水管中，如果有硫酸鹽存在，管的底部則常因缺氧而產(chǎn)生硫化氫。硫化氫上升到污水表層（或逸出空氣層），與污水表面溶解氧相遇，硫化氫被硫化細菌或硫磺細菌將氧化為硫酸。再與管頂部的凝結(jié)水結(jié)合，使混凝土管和鑄鐵管受到腐蝕。為了減少對管道的腐蝕，除要求管道有適當(dāng)?shù)钠露?，使污水流動暢通外，還要加強管道的維護工作。o 河流、海岸、港口碼頭鋼樁的腐蝕是硫酸鹽和硫化氫腐蝕的結(jié)果。在建造碼

6、頭前，要測表面水、中部水和底部泥層中每毫升水或每克土含硫酸鹽還原菌的個數(shù)，判定硫酸鹽污染的嚴重程度，從而制定防腐蝕措施。一般是通電提高氧化還原電位，達到防腐蝕。第五節(jié)第五節(jié) 磷循環(huán)磷循環(huán)o 元素磷是所有生物細胞都必不可少的。磷存在于一切核甘酸結(jié)構(gòu)中，三磷酸腺苷（ATP）與生物體內(nèi)能量轉(zhuǎn)化密切相關(guān)。在生物圈內(nèi)，磷主要以三種狀態(tài)存在，即以可溶解狀態(tài)存在與水溶液中；在生物體內(nèi)結(jié)合；不溶解的磷酸鹽大部分存在于沉積物內(nèi)。微生物對磷的轉(zhuǎn)化起著重要作用。天然水體中可溶性磷酸鹽濃度過大會造成水體富營養(yǎng)化。o 一、循環(huán)途徑及有關(guān)微生物一、循環(huán)途徑及有關(guān)微生物o 磷循環(huán)包括可溶性無機磷的同化、有機磷的礦化及不溶性

7、磷的溶解等。o 可溶性的無機磷化合物被微生物同化為有機磷，成為活細胞的組分。在水體中，磷的同化作用主要是由藻類進行的，并在食物鏈中傳遞。植物不能利用有機磷,在土壤有機磷含量高的地方，植物會表現(xiàn)缺磷。o 而許多普遍的土壤微生物都有植酸酶和磷酸酶，可利用有機磷。有機磷的礦化作用而生成的磷酸，與土壤中鹽基結(jié)合，成為不溶解的磷酸鹽。在天然水體中，大部分磷存在于沉積物中。土壤和水體中的某些生理類群微生物在代謝過程中產(chǎn)生硝酸、硫酸和一些有機酸，使鹽基中的磷釋出；微生物和植物在生命活動中釋出的CO2，溶于水生成H2CO3(碳酸) ，也有同樣的作用。o 二、含磷有機物的轉(zhuǎn)化二、含磷有機物的轉(zhuǎn)化o 動植物、微生

8、物體中含磷有機物有核酸、磷酸酯、植素。它們均可被微生物分解。o （一）核酸（一）核酸o 各種生物的細胞含有大量的核酸，它是核苷酸的多聚物。核酸在微生物核酸酶的作用下，被分解成核苷酸，又在核苷酸酶的作用下分解成核苷和磷酸，核苷在經(jīng)過核苷酶水解成嘧啶（或嘌呤）和核糖。生成的嘌呤繼續(xù)分解，經(jīng)脫氨基生成氨。o （二）磷酸（二）磷酸o 卵磷脂是含膽堿的磷酸脂，它可被微生物卵磷脂酶水解為甘油、脂肪酸、磷酸和膽堿。膽堿再分解為氨、二氧化碳、有機酸和醇。o （三）植素（三）植素o 植素是由植酸（肌醇六磷酸脂）和鈣、鎂結(jié)合而成的鹽類。植素在土壤中分解很慢，經(jīng)微生物的植酸酶分解為磷酸和二氧化碳。o 三、無機磷化合

9、物的轉(zhuǎn)化三、無機磷化合物的轉(zhuǎn)化o 在土壤中存在難溶性的磷酸鈣，它可以和異養(yǎng)微生物生命活動產(chǎn)生的有機酸和碳酸，硝酸細菌和硫細菌產(chǎn)生的硝酸和硫酸等作用生成溶解性磷酸鹽?？扇苄粤姿猁}被植物、藻類及其他微生物吸收利用，組成卵磷脂、核酸及ATP等，無色桿菌屬中有的種能溶解磷酸三鈣和磷礦粉。o 磷灰石、正長石、玻璃等能被硅酸鹽細菌分解，產(chǎn)生水溶性的磷鹽和鉀鹽。硅酸鹽細菌又叫鉀細菌，如膠質(zhì)芽孢桿菌。第六節(jié)第六節(jié) 鐵錳的循環(huán)鐵錳的循環(huán)o 鐵循環(huán)的基本過程是氧化和還原。微生物參與的鐵循環(huán)包括氧化,還原和螯合作用。由此延伸出的微生物對鐵作用的三個方面:鐵的氧化和沉積 在鐵氧化菌作用下亞鐵化合物被氧化高鐵化合物而沉

10、積下來;鐵的還原和溶解 鐵還原菌可以使高鐵化合物還原成亞鐵化合物而溶解;鐵的吸收 微生物可以產(chǎn)生非專一性和專一性的鐵整合體作為結(jié)合鐵和轉(zhuǎn)運鐵的化合物.通過鐵整合化合物使鐵活躍以保持它的溶解性和可利用性。o 錳的轉(zhuǎn)化與鐵相似。許多細菌和真菌有能力從有機金屬復(fù)合物中沉積錳的氧化物和氫氧化物。第六節(jié)第六節(jié) 鐵錳的循環(huán)鐵錳的循環(huán)o 一、鐵和錳對生物體的重要作用一、鐵和錳對生物體的重要作用o 鐵和錳是生物體中很重要的痕量元素。在生物體的酶系中，是輔因子的一部分，能促使蛋白質(zhì)和輔因子牢固地結(jié)合在一起，并以化學(xué)價的改變來催化氧化還原反應(yīng)。如細胞色素的輔基就是鐵卟啉的衍生物，依靠螯合在四個卟啉中間的Fe的價電

11、子的變化傳遞電子，催化氧化還原反應(yīng)。o 在PH7以上的土壤中，往往因一些氧化錳的微生物的活動，使可溶性錳氧化而沉淀，造成作物缺錳癥狀。o 二、微生物對鐵錳轉(zhuǎn)化的重要影響二、微生物對鐵錳轉(zhuǎn)化的重要影響o 自然界有許多微生物對鐵、錳的生物學(xué)轉(zhuǎn)化，起著重要作用。而且有些微生物即對鐵又對錳起作用。o 在天然水體中，鐵的氧化和H2S的氧化，在不同PH條件下有不同的微生物在不同的水層中起作用。參與硫化氫與鐵的生物氧化的微生物大體上有四類：o 1、當(dāng)PH5時，對氧化亞鐵硫桿菌最為適宜。在這一條件下不發(fā)生非生物性Fe的氧化作用，而只有該細菌能將Fe2氧化Fe3，同時氧化H2S，從中吸取能量。o 2、當(dāng)PH5-

12、7時，氧化H2S的細菌起作用，如貝氏硫細菌需要在PH6左右的條件下生長，同時需要低的氧分壓。要是向上接近水表時，由于氧分壓升高，就成為非生物氧化了。o 3當(dāng)PH6時，是嘉氏鐵柄桿菌在起作用。它不僅要求PH6的環(huán)境，而且是微好氧菌，生長在水層的底部。因此，這是在氧分壓低，厭氣條件下發(fā)生的生物氧化作用。o 4、第4類是在水層中生長部位較高，微需氧的絲狀細菌，如纖發(fā)菌屬細菌，這類絲狀菌是具衣鞘，衣鞘上有鐵的沉淀，廣泛分布于地下水道和自來水管道中，可能為自養(yǎng)細菌，也可能是不完全的自養(yǎng)細菌。當(dāng)環(huán)境中存在有少量鐵時，衣鞘上就有顆粒的沉積。細胞經(jīng)常離開鞘。故在顯微鏡下經(jīng)常出現(xiàn)空鞘。o 由于微生物對鐵和錳的氧

13、化，與環(huán)境的PH有嚴格的、密切的關(guān)系。所以我們可以根據(jù)環(huán)境中PH的情況，來判斷所出現(xiàn)的鐵和錳的氧化作用是微生物的作用還是非生物的化學(xué)作用。鐵的生物氧化只發(fā)生在PH4.5以下的環(huán)境中，主要是氧化亞鐵硫桿菌的作用，最適PH為3。 o 嘉氏鐵柄桿菌適于在PH6條件下生長，可能在自然界鐵的生物氧化中并不重要，因為在這個PH條件下主要為化學(xué)氧化。在PH57的范圍內(nèi)，一些土壤細菌亦起著次要作用。錳的生物氧化作用發(fā)生在PH7.5以下。PH7.59則發(fā)生非生物氧化作用，但必須有羧酸的催化，即有羧酸存在時才能發(fā)生錳的非生物氧化。o 三、進行鐵、錳氧化的微生物三、進行鐵、錳氧化的微生物o 鐵銹嘉利翁氏菌是重要鐵細

14、菌，嚴格好氧和微好氧，僅以Fe2作電子供體，化能自養(yǎng)。o 鐵細菌氧化亞鐵產(chǎn)生能量合成細胞物質(zhì)。當(dāng)它們生活在鑄鐵水管中時，常因水管中有酸性水而將鐵轉(zhuǎn)化為溶解性的二價鐵，鐵細菌就轉(zhuǎn)化二價鐵為三價鐵（鐵銹）并沉積于水管壁上，越積越多，以致阻塞水管，故經(jīng)常要更換水管。在含有機物和鐵鹽的陰溝和水管中一般都有鐵細菌存在，纖發(fā)菌和球衣菌更易發(fā)現(xiàn)。它們常以一端固著于河岸邊的固體物上旺盛生長成叢簇而懸垂于河水中。o 1975年由一位美國學(xué)者在海底泥中發(fā)現(xiàn)了趨磁性細菌。為革蘭氏陰性菌的原核生物。形態(tài)多種多樣。趨磁性細菌的游泳方向受磁場的影響，由鞭毛進行趨磁性運動。o 趨磁性細菌永久性的磁性特征是由體內(nèi)大小4010

15、0的鐵氧化物單晶體包裹的磁體引起。o 氧化錳的細菌中能氧化鐵的有覆蓋生金菌和共生生金菌，還有土微菌屬。它們能將氧化的錳、鐵產(chǎn)物積累，包裹在細胞表面或積累于細胞內(nèi)。它們廣泛分布于湖泥，淡水湖浮游生物和南半球土壤中?；苡袡C營養(yǎng)或寄生在真菌菌絲體上，為好氧菌，氧化來自各種盼望Mn2+的錳礦瀝濾的錳化合物。o 第八節(jié)第八節(jié) 汞循環(huán)汞循環(huán)o 汞污染已造成日本的水俁病和瑞典野鴨突然滅跡的驚人事件。因而汞被認為是重金屬污染的“元兇”。汞可分為無機汞（金屬汞、汞的無機化合物）和有機汞（烷基汞、苯基汞等化合物）。汞在自然界分布很廣，但豐度不高，受污染的水中汞的濃度卻很高。o 汞循環(huán)是重金屬在生態(tài)系統(tǒng)中循環(huán)的典

16、型，汞以元素狀態(tài)在水體、土壤、大氣和生物圈中遷移和轉(zhuǎn)化。o （1）汞是在生態(tài)系統(tǒng)中能完善循環(huán)的惟一重金屬。汞排入水中后，通過食物鏈，受汞污染水中的魚體內(nèi)甲基汞濃度可比水中高上萬倍。o （2）汞循環(huán)顯示復(fù)雜過程包括：顆粒物的遷移；干、濕物的沉降；火山揮發(fā)進入大氣；入水沉積污泥中；在細菌作用下生成甲基汞；進入生物體；在生物體內(nèi)累積o （3）生物甲基化：在微生物的作用下，金屬汞和二價離子汞等無機汞會轉(zhuǎn)化成甲基汞和二甲基汞，這種轉(zhuǎn)化稱為汞的生物甲基化作用。o （4）甲基汞易被人體吸收，排出慢，而且毒性大。這是因為，甲基汞易溶于脂類中；汞在體內(nèi)不易分解，由于其分子結(jié)構(gòu)中有碳-汞鍵不易切斷；是高神經(jīng)毒劑，多在腦部積累。o 汞循環(huán)途徑主要有兩條:無機汞被生物甲基化后的