第八章 微生物的在环境物质循环中的作用 环境工程微生物学课件.ppt

第八章 微生物在环境物质循环中的作用 微生物在对自然环境中的氧、碳、氮、硫、磷、铁、锰等物质的降解、转化起着极重要的作用。它们还能降解对环境污染的有害物质，对一些重金属的转化起到解毒的作用。 微生物与植物、动物配合维持生态系统的平衡。 微生物在环境物质循环中的作用 环境中的物质，除了人烟稀少、无工业的地区保留纯净的天然性状（碳水化合物、蛋白质、脂肪）外，一般都或多或少受到废物或毒物的污染。所以，物质循环包括天然物质和污染物质的循环。物质循环有氧、碳、氮、硫、磷、铁、锰及各种有毒或无毒污染物的循环。促使上述物质循环的有物理作用、化学作用和生物作用，生物作用占主导，微生物在生物作用中占极重要的地位。 第一节 氧 循 环? 大气中氧含量丰富，约占空气体积分数21％。人和动物呼吸、微生物分解有机物都需要氧。所消耗的氧由陆地和水体中的植物及藻类进行光合作用放氧，源源不断地补充到大气和水体中。氧在水体的垂直方向分布不均匀。表层水有溶解氧，深层和底层缺氧，当涨潮或湍流发生时，表层水和深层水充分混和，氧可能被转送到深水层。在夏季温暖地区的水体发生分层，温暖而密度小的表层水和冷而密度大的底层分开，底层缺氧。秋末、初冬时，表层水变冷，比底层水重，水发生“翻底” (图8-1)。温暖地区湖泊的氧一年四季有周期性变化。 第二节????碳 循 环 含碳物质有二氧化碳、一氧化碳、甲烷、糖类(如：糖、淀粉、纤维素)、脂肪、蛋白质等。碳循环以二氧化碳为中心，二氧化碳被植物、藻类利用进行光合作用，合成为植物性碳；动物吃植物就将植物性碳转化为动物性碳；动物和人呼吸放出二氧化碳，有机碳化合物被厌氧微生物和好氧微生物分解所产生的二氧化碳均回到大气。而后，二氧化碳再一次被植物利用进入循环(图8-2a)和(图8-2b)。 碳循环 二氧化碳是植物、藻类和光合细菌的唯一碳源，若以大气中二氧化碳的含量为0.032%为例，其储藏量约有6000×108t，全球(陆地、海洋、河流、湖泊)植物每年消耗大气中CO2约( 600～700 ) ×108t，10年就可将大气中CO2用尽。由于，人、动物呼吸、微生物分解有机物产生大量CO2，源源不断补充至大气。海洋、陆地、大气和生物圈之间碳长期自然交换的结果，使大气中的CO2保持相对平衡、稳定。因此，在过去的10 000年期间里，CO2含量变化极小，持续维持在280×10-6左右。自18世纪工业革命以来，由于石油和煤燃烧量日益增加，排放的CO2等温室气体含量正在大幅度增加。因而使大气圈中CO2浓度逐年增加，见图8-3和图8-4。 据报道：1750年，大气中的CO2含量仅为280×10-6，1996年测定CO2含量增加到360×10-6；据IPCC（美国政府间气候变化专门委员会）估计，2050年，大气CO2含量将上升到560×10-6。 以CO2为代表的温室气体的大量排放，导致了全球性的“温室效应”，并由此引发了一系列环境问题，直接影响了人们的生产和生活。由于CO2含量的持续增高，20世纪全球表面温度上升了0.3～0.6℃,海平面上升10～25 cm。到21世纪中叶，全球温度将增加1.5～4℃。 在整个生态系中，有机物厌氧发酵产生甲烷和二氧化碳，产甲烷菌将二氧化碳转化为甲烷，甲烷氧化菌将甲烷氧化成二氧化碳。大气中的甲烷含量以大约1％的速度逐年递增。在过去的300年中，从0.7×10-6上升到（1.6～1.7）×10-6（体积分数）。 甲烷来自水稻田、反刍动物、煤矿、污水处理厂、垃圾废弃物填埋场、沼泽地等。 一氧化碳来自石油、煤的燃烧、汽车尾气。 一、纤维素的转化 纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，每个纤维素分子含1 400～10 000个葡萄糖基，分子式为(C6H10O5)1400～10000 。树木、农作物秆杆和以这些为原料的工业产生的废水，如：棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水及有机垃圾等，均含有大量纤维素。 （一）纤维素的分解途径 纤维素在微生物酶的催化下沿下列途径分解： （二）分解纤维素的微生物 这类微生物有细菌、放线菌和真菌。其中细菌研究得较多。好氧的纤维素分解菌中，黏细菌为多，占重要地位，有生孢食纤维菌、食纤维菌及堆囊黏菌。它们都是革兰氏阴性菌，生孢食纤维菌中的球形生孢食纤维菌和椭圆形生孢食纤维菌二个种较常见，前者产生黄色素，后者产生橙色素。黏细菌没有鞭毛，能作“蠕”动运动，生活史复杂，能形成子实体(如图8-5)。 好氧的纤维分解菌还有镰状纤维菌和纤维弧菌。黏细菌和弧菌均能同化无机氮(主要是NO3--N )，对氨基酸、蛋白质及其他无机氮利用能力较低，有的能还