ch6 微生物在自然界物质转化和分解中的作用

Chapter6 微生物在自然界物质 降解和转化中的作用 生物循环：自然界中由生物推动的物质在能

量与形态上的变化。 物质的生物循环可归结为： 1、化学元素的有机质化或生物合成——光 合性生物。 2、有机质的分解，无机化或矿质化。

第一节 概述

一、微生物降解与转化的巨大潜力。1、种类繁多的MS有能力及潜力对自然界中已有物质进行降 解。 2、微生物的变异特征提供了降解新合成有机有毒物的可能 性。 3、微生物细胞内的质粒是一类主要的降解性因子。

二、物质的可生物降解性：物质在自然界中的降解途径：1、光分解；2、化学分解；3、 生物分解。

(一)、可生物降解性：biodegradability 1、概念：大分子有机化合物在微生物作用下转变成小分 子的简单的无机物的可能性。CO2及H2O生成时称最终降解。 2、物质的生物降解类型： 1)、可生物降解性物质：单糖、Pr、sta、NA、Lip,迅速 彻底。 2)、难生物降解性物质：cellu,农药、烃类，缓慢可彻底。 3)、不可生物降解性物质：塑料、尼龙、人造革、泡膜等， 不降解。

(二)、可生物降解性的测定： 1、基质的可生物氧化率： 物质的可生物降解性用可生物氧化率来描述，可生物氧化 的物质即为可生物降解性的物质。 1)、概念：物质的生物氧化率是指某物质被微生物氧化 的实际耗氧量占被完全氧化的理论耗氧量的百分率。氧化率= 微生物作用下的实际耗氧量 100% 完全氧化的理论耗氧量

氧化率上升，物质物化降解越易。 2)、测量方法：瓦氏呼吸机，测定O2消耗量或CO2生成 量。 实际应用中常用BOD/COD,BOD/TOD来衡量。

2、基质生化呼吸曲线或基质耗氧曲线：

指微生物对基质进行呼吸(或生物氧化)时的耗氧量(或耗 氧速率)随时间变化的曲线。

内源呼吸：MS利用自身细胞物质进行的呼吸作用(耗氧速率恒 定不变)。

将基质呼吸与内源呼吸比较发现： 三种情况：假定MS1,基质S,S’,S”。 1)、基质曲线于内源曲线之上：可生物降解，斜率越大， 降解越快，然后进入内源呼吸阶段。 2)、两者重叠或平行：不可降解，斜率=内源 3)、基质曲线位于下方：A、不降解，有毒，斜率<内源 B、不降解，致死，斜率=0。

三、影响MS降解转化的因素四、MS降解有机物质的动态：(一)、简单有机物的分解转化：发酵(产酸)性MS,直 接迅速利用简单有机物，并大量生长、繁殖，时间随简单物 质数量而异。 (二)、复杂有机物的降解、转化、分解：放线菌、真菌、 芽孢杆菌。

1、降解：把大分子复杂物变成单体简

单物。 2、转化：把一种形态的复杂物变为另一种更为复杂的有机 物 3、分解：把简单物质彻底氧化。 转化形成腐殖质： 1)、胡敏酸：可溶于稀碱溶液，但碱性物在酸中沉淀 2)、富非酸：用碱萃取后在酸中不沉淀的组分，即酸碱 可溶。 3)、胡敏素：指酸碱均沉淀的组分(不能用酸碱萃取) 概念：是由未知组分结构的大分子物质构成的土壤肥力 的主要标志和土壤生物活性的重要因素。

有机质分解的动态： 第一阶段是利用简单有机质为主的微生物——发酵性微 生物的大量生长、繁殖，简单有机质降解后，其数量也随之 下降。此阶段时间不长。 第二阶段为复杂有机质的降解过程，主要是放线菌及一 些好气、厌气的芽孢杆菌的作用。此阶段持续时间较长。

第二节、不含氮有机物的分解 不含氮有机物包括： 1、简单的有机酸、醛、酮、醇 2、简单的糖类、单糖、双糖

一、淀粉与纤维素的转化分解： 淀粉与纤维素都是同一结构类型的化合物，基本单元都是葡 萄糖 (一)、淀粉与纤维素的结构特点： 淀粉： -1,4糖苷链， -1,6糖苷链 纤维素： -1,4糖苷链

淀粉 纤维素 (二)、降解淀粉及纤维素的微生物种类 1、降解淀粉的微生物; 放线菌：25-95%的能以淀粉为良好的碳源。小单胞菌属、 诺卡氏菌属、链霉菌属 细菌 好气性的有：芽孢杆菌，无芽孢的极毛杆菌，?杆 菌，食纤维杆菌 厌气的有：芽孢梭菌等 真菌：好气性的如曲霉、根霉、镰刀菌、多孔菌

参与水解淀粉的酶：凡是利用淀粉、分解淀粉的微生物可分 为三种酶 -淀粉酶：为内切酶，作用于直链淀粉 -1,4糖苷链， 产物为麦芽糖、麦芽三、葡萄糖 -淀粉酶：外切酶，从直链或支链一端切割，产物为麦、 支链糊精 -1,6糖苷酶， -糖苷酶：作用于直链及支链糊精、 麦芽糖、麦芽三等，产物为葡萄糖。

2、降解纤维素的微生物： 纤维粘菌：为好气性纤维分解菌，属真核微生物、粘菌 亚门，介于真菌与原生动物之间，多细胞核，有细胞壁，作 变形虫方式运动。 在无机盐平板培养基上覆盖一层滤纸，28。C,2-3周，能 看到 滤纸上形成浅黄或其他颜色的菌落。溶解利用纤维素，分 泌出粘液，这便是粘菌的作用。

粘菌在不同时期形成不同形态 常见的有：食纤维素粘菌Cytophaga, 生孢食纤维素粘菌Sporocytophaga 放线菌：分解纤维素的放线菌与分解淀粉的相比不论在数量 或种类上都远远不如，其分解能力也远不如细菌和 真菌。 真菌：分解纤维素的真菌以担子菌的能力最强，在酸性环境 中，纤维素的分解以真菌占有

优势。 细菌：厌气中温性纤维分解菌主要是芽孢梭菌 好热性纤维分解菌：55-65。C。

参与纤维素分解的酶：三类 C1酶：水解未经降解的自然纤维素，一种MS可分泌多种C1 酶 -1,4葡聚糖酶：不水解自然纤维素，只作用于部分降解. 的多糖，有内切和外切两类 葡萄糖苷酶：水解小分子的纤维二糖，三类？寡糖形成葡萄 糖 分解纤维素的MS对pH敏感：在偏酸性条件下，主要是 真菌的作用，在中性及偏碱性时以细菌为主。 EH>0.15V时，以好气分解菌为主 EH<0.06V时，以厌气菌为主

(三)、淀粉及纤维素的分解过程： 1、淀粉的分解过程： 酶 酶 淀粉 麦芽糖、麦芽三糖、糊精 葡萄糖 2、纤维素的分解： 酶 酶 酶 -葡萄糖 纤维素 降解性寡聚物 纤维二糖

(四)、淀粉纤维素的分解产物——葡萄糖的降解 淀粉的分解产物为 -葡萄糖 纤维素的分解产物为 -葡萄糖，经异构酶的作用转变为 -葡萄糖。 -葡萄糖在有氧情况下，被好氧性MS彻底分解，产物为 CO2和H2O;在无氧条件下进行发酵作用，产生各种有机酸、 醇、甲烷，进一步分解为CO2和H2O。

二、半纤维素及果胶质的降解 (一)、半纤维素的分解 1、半纤维素的化学结构： 半纤维素为各种五碳糖、六碳糖及糖醛酸组成的大分子， 常形成带有支链的长链。 六碳糖：葡萄糖、半乳糖、甘露糖、葡糖醛酸、半乳糖醛酸 五碳糖：木糖，阿拉伯糖 这些基本单位构成：1)、同聚糖 只含一种单糖 2)、异聚糖 含一种以上的单糖

2、分解半纤维素的微生物： 细菌：芽孢杆菌、食纤维粘菌、极毛杆菌 放线菌：链霉菌等 真菌：曲霉、毛壳霉、青霉、木霉等 它们可产生三种霉：为胞外酶 内切酶：对大分子内的基本单位连接链进行任意切割，形成 小分子。 外切酶：从小分子的一端开始切下一个或二个糖，使小片迅 速降解成单糖或二糖 糖苷酶：水解单糖或二糖，产生糖醛酸或单糖 要有专一的切开分枝的酶作用于支链及分枝点。

3、半纤维素的分解过程 糖苷酶 内切酶 酶 单糖、二糖 半纤维素 小片段 单糖、糖醛酸 半纤维素的分解一般比纤维素快得多，初期快，后期稳定。

(二)、果胶质的分解 1、果胶质的结构特征： 果胶一般在有机废物中的含量不多，但其结构复杂： 基本结构是由半乳糖醛酸连接成长链，其羧基可部分或全 部被甲基化或其他阳离子化，按甲基化程度分三类： 1)、原果胶：为非水溶性的果酸成分 2)、果胶：水溶性半乳糖醛酸聚合物，甲基化

程度高 3)、果胶酸：为非甲基化的半乳糖醛酸聚合物

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