《废水生物处理》(第三章-微生物生物化学-).ppt

1,2023/5/30,第三章 微生物生物化学,2023/5/30,2,第三章 微生物生物化学,3.1 细菌的成分1 细菌的元素组成细菌本身约含水分80%，干物质约占20%（有机物约占90%，无机物约占10%）。微生物细胞的化学组成随种类、培养条件和生长阶段的不同而有明显差异。通常细菌的元素组成有：生物元素C、O、N、H、P、S、Fe等元素约占90%97%，另有次要生物元素Zn、Mn等在细菌代谢过程中仍然不可或缺。,2023/5/30,3,第三章 微生物生物化学,细菌和其他微生物细胞物质组成：大分子占95%以上，低分子有机物及盐分约占3%。其代表组成如下表3-1。Hoover提出废水处理中，通常用实验式C5H7O2N来代表细菌的有机组成部分。如果考虑磷，则通常为C60H87O23N12P。,表3-1 微生物大分子组成,2023/5/30,4,第三章 微生物生物化学,2 细菌的大分子组成1）蛋白质（约占52.4%）：分为两种，一种是结合蛋白，如糖蛋白、脂蛋白、核蛋白等；另一种为溶解性的单纯蛋白质，主要分布于细胞质中。各种蛋白质的氮含量都接近于16%，所以可以根据样品的总氮量估算蛋白质含量，1g氮含量相当于6.25g 蛋白质含量。各种蛋白质的元素组成很近似，都含有C、H、O、N等元素，大部分蛋白质还含有S。一般蛋白质的平均组成见表3-2。,表3-2 蛋白质的元素组成,2023/5/30,5,第三章 微生物生物化学,蛋白质的重要性质：蛋白质是大分子物质，在水中形成胶体溶液，不能透过半透膜，能与水结合，在分子周围形成一层水膜。蛋白质的分子结构和组成它们的氨基酸的性质是分不开的。首先，蛋白质与氨基酸类似，也是一种两性电解质。组成蛋白质的天然氨基酸主要有20种，所以蛋白质中所含氨基酸种类和数目众多，且有支链，分子中离解基很多，是多价电解质。因此蛋白质在不同pH溶液中可为正离子、负离子或两性离子。,2023/5/30,6,第三章 微生物生物化学,其次，蛋白质存在变性现象。当蛋白质受物理或化学因素的影响，其分子内部原有的高度规则性的空间排列发生变化，以致其原有性质发生部分或者全部丧失的现象，称为蛋白质的变性。变性的蛋白质分子相互凝聚为固体的现象称为凝固。引起蛋白质变性的因素很多，热（6070）、酸、碱、有机溶剂（如乙醇、丙醇）、光（X射线、紫外线）、尿素、高压等均可引起蛋白质的变性。因此，当清洗带有血渍的衣服时，不宜用热水清洗。,2023/5/30,7,第三章 微生物生物化学,2）核酸和核苷酸（约占20%）：是构成微生物细胞核中染色体及细胞质内核糖体和质粒的主要成分，在微生物遗传变异和蛋白质生物合成中具有特殊重要功能。核酸分为DNA和RNA，占RNA总量5%的mRNA起着传递遗传信息到蛋白质合成基地的作用；约占RNA总量10%15%的tRNA在蛋白质合成时起着运转氨基酸到核糖体和翻译的作用；核糖体（简称rRNA）约占80%，与蛋白质特殊构象的聚合有关。90%的RNA存在于细胞质内，10%在细胞核内。而DNA主要存在于细胞核的染色体内。,2023/5/30,8,第三章 微生物生物化学,3.2 细菌的营养与生长环境1 细菌营养类型营养物质的作用不仅仅在于为细菌提供生物元素，而且还为细菌生命活动提供能源。可分为光能和化能两种营养类型。1）光能营养：利用光和作用机构，将光能转化为ATP的高能磷酸键，分为光能自养型、光能异养型。,表3-3 光能营养细菌类型,2023/5/30,9,第三章 微生物生物化学,光能营养菌（photoautotrophic bacteria），在利用CO2进行生长时，它们需要电子供体，以便将CO2还原为细胞物质。光能自养菌通常用的电子供体是各种无机化合物，有些是分子氢或还原性硫化物。有些光能营养菌能利用有机物在光照条件下生长，这时还原反应的电子供体是有机物，这类细菌称为光能有机营养菌，它们要求的碳源是有机化合物而不是CO2，因而又叫光能异养菌。光合细菌（photosynthetic bacteria 简称 PSB）能利用各种有机碳化物和氧化物，因而这几年利用光合细菌净化有机废水取得较好效果，例如可以使洗毛废水BOD的去除率达98%。,2023/5/30,10,第三章 微生物生物化学,2）化能营养：大多数细菌依靠各种氧化还原反应获得ATP。反应中一种底物被还原，一种底物被氧化，可表示成下列偶联反应式。下标red代表还原剂，为电子供体，ox代表氧化剂，为电子受体。Aox可以是菌体内的氧、硝酸盐、硫酸盐、CO2或有机物；Bred可以是无机物或有机物。这一氧化还原反应是一个放能反应，它所释放的能量通过某种中间体的作用传给了ADP+Pi的反应，ADP转化为ATP的反应是一个吸能反应。,2023/5/30,11,第三章 微生物生物化学,能利用有机物作为电子供体的称为化能有机营养菌，或者化能异养菌，它们包括各种需氧菌和厌氧菌。典型的化能有机营养型有反硝化菌，它在缺氧时可将硝酸盐还原为亚硝酸盐、氨和氮气，即生物脱氮过程。化能自养菌能利用无机物、氢、硫化氢、亚硝酸盐或氨等作为电子供体。主要有需氧的硝化细菌、硫磺细菌、铁细菌和绝对厌氧的产甲烷菌和产乙酸菌。化能营养细菌的类型见表3-4。,2023/5/30,12,第三章 微生物生物化学,2）化能营养,表3-4 化能营养细菌类型,2023/5/30,13,第三章 微生物生物化学,2 营养物质的传递各种营养物质进出细菌菌体，直接依赖于细菌细胞膜的功能，营养物质从周围环境通过细胞膜进入细胞质有以下三种方式。（1）渗透作用（被动扩散）：相对分子质量小的物质进入细胞，一般主要决定于细胞外该物质的浓度，物质由高浓度透过细胞膜向低浓度扩散。通过细胞膜时不与膜内任何成分发生特异性的相互作用。被动扩散速率受分子的大小和所带电荷的影响很大。水、气体及Na+、K+等都是借助渗透作用进入细胞内的。,2023/5/30,14,第三章 微生物生物化学,（2）促进扩散（facilitated diffusion）：促进扩散通过专一性的膜蛋白质载体传送物质。被传送物质现在细胞外与载体结合，然后在细胞内释放。这种运输不需要能量，但对于被输送物质具有专一性，并且按浓度梯度方向进行运输。在厌氧中，促进扩散的过程常参与某些化合物的吸收和发酵以及发酵产物的排出。在需氧菌中这种物质传送机制不太重要。,2023/5/30,15,第三章 微生物生物化学,（3）主动运输：首先，载体对底物具有专一性，运输营养物质的载体透酶在细胞膜的外侧，与底物形成透酶-底物的复合体；其次，主动运输需要代谢能，细胞外侧透酶对底物具有高度亲和力，而在细胞内侧透酶对底物的亲和力降低，因此透酶的这种变构需要能量；第三，运输并释放到细胞内的底物性质不发生改变。只有生活的细胞才具有这种功能，通过主动运输可以使得细胞在底物浓度很低的情况下，获得浓度增加几百倍的营养物质。,2023/5/30,16,第三章 微生物生物化学,图3-1 大肠杆菌细胞内乳糖浓度与细胞外乳糖浓度间的运输关系,2023/5/30,17,第三章 微生物生物化学,3 细菌的生长环境细菌的生长繁殖，除了需要必须的营养物质和对氧的要求外，还需要其他适宜的环境条件，如温度、酸碱度、无毒环境等。废水处理中，把有计划、有目的的控制细菌的生长条件，使细菌遗传有利于处理某种废水的定向诱导过程叫驯化。在工业废水的生物处理中，往往要利用细菌对营养要求、温度、pH值和耐毒力的变异，以改善处理效果。,2023/5/30,18,第三章 微生物生物化学,（1）温度 温度对细菌有广泛的影响。大多数细菌生长适宜的温度为2040。但有的细菌喜欢高温，适宜的繁殖温度是5060，有机污泥的高温厌氧消化就是利用这一类细菌来完成。按照温度的不同，可将微生物（主要是细菌）分为低温、中温和高温菌三类。低温，在零度时，细菌并不死亡，只有在频繁的反复结冻和解冻的条件下，才会使细胞受到破坏而死亡，但是低温可降低细菌的代谢活动，温度逐渐升高后，细菌会慢慢恢复活性。,表3-5 微生物对于温度的适应性,2023/5/30,19,第三章 微生物生物化学,（2）pH值 每一种细菌生长时都要求一定的环境pH条件，大多数细菌在pH6.57.5之间生长最好，有些绝对厌氧菌（如产甲烷菌）的最适宜pH在6.87.2。pH值对细菌生长的影响，主要是可以改变底物和菌体酶蛋白的带电状态。当底物为蛋白质、肽类或氨基酸等两性电解质时，随着pH值的变化表现出不同的解离状态，而菌体内酶的活性部位只能作用于底物的某一种解离状态。酶蛋白质具有两性解离特性，pH值的改变会改变酶活性部位上有关基团的解离状态，从而影响酶与底物的结合。,2023/5/30,20,第三章 微生物生物化学,（3）氧化还原电势 各种细菌生活时要求的氧化还原条件不同。氧化还原条件的高低可用氧化还原电势E来表示。一般需氧细菌要求E在0.30.4V左右，但E在0.1V以上均可生长；厌氧菌则需要E在0.1V以下才能生活；对于兼性细菌来说，E在0.1V以上，进行需氧呼吸，E在0.1V以下，则进行厌氧呼吸。在废水生物处理的一般运转情况下，需氧的活性污泥法系统，E常在200600mV之间。生物滤池（高负荷）法滤池出水的E随着滤池处理效率的降低，自311mV降至-39mV，二次沉淀池出水E可降至-89mV，这是由于氧的消耗和还原性物质如氢的硫化氢的产生造成的。厌氧生物处理中污泥消化池中E值常保持在-100-200mV的范围内。,2023/5/30,21,第三章 微生物生物化学,（4）光线 除少数光和细菌外，大多数细菌不需要光线。许多微生物在日光直接照射下容易死亡，细菌更是如此。能起杀菌作用的光主要是紫外线。菌体内蛋白质和核酸都有高度吸收紫外线的能力，紫外线杀菌力最强的波长260nm正是核酸吸收的光谱。紫外线照射造成部分核酸的损伤，细菌细胞内RNA发生突变，对微生物的诱变育种具有重要意义。,2023/5/30,22,第三章 微生物生物化学,（5）压力 压力对细菌的作用可分为渗透压、机械压和气体压力。细菌生活在高渗透压溶液中，细胞就要失水，发生质壁分离，影响细胞生命活动甚至死亡。然而在低渗透压溶液中，细菌细胞容易膨胀，甚至破裂。因此培养细菌时，不仅要注意无机盐的种类，还需注意其浓度。在微生物试验中稀释菌液，一般用0.85%的食盐溶液维持细菌等微生物的正常生活，这种浓度的盐水称为生理盐水。培养细菌的培养基中无机盐的渗透压为0.050.1MPa，加入糖后可产生总的渗透压约0.350.7MPa。高浓度的氧压对细菌有害，0.2MPa的纯氧能使一些细菌受抑制，但不能杀死。更高的氧压可使其致死。5MPa的CO2在1.5h能将无芽孢细菌杀死，这是因为CO2容易渗透到细胞液中，一旦压力突然降低，细菌可立即死亡。氮气对细菌无大影响，12MPa的N2也不致使细菌死亡。此外，干燥程度、化学药剂等对细菌的生活影响也很大。,2023/5/30,23,第三章 微生物生物化学,3.3 细菌的生物催化剂酶细菌的一切新陈代谢活动，都发生在细胞内，这些复杂的反应都是在微生物酶的催化下进行的。酶（enzyme）是由活细菌细胞产生的一类具有高度催化专一性的特殊蛋白质。微生物在废水生物处理中之所以能起重要作用，就是由于它们能产生各种各样的酶。在酶作用下进行化学变化的物质叫底物，有酶催化的化学反应称为酶促反应。酶也可以被分离出来，做成酶剂或固定化酶，在废水生物处理中应用。,2023/5/30,24,第三章 微生物生物化学,1 酶的分类已知的酶有数千种，还有许多酶有待发现。1961年由国际酶学术委员会（I.E.C）制定的分类法，根据酶所催化的反应类型，将酶分为六大类，再根据化合物及被作用基团的性质，每一大类又可分为若干亚类及次亚类。酶的分类见表3-6。,2023/5/30,25,第三章 微生物生物化学,表3-6 酶的分类,2023/5/30,26,第三章 微生物生物化学,2 酶的组成酶按其组成可分为单成分酶和双成分酶（复合酶）。单成分酶一般仅由蛋白质分子组成，不含非蛋白成分，大多数水解酶就属于这一类。双成分酶除蛋白质部分（酶蛋白）外，还有非蛋白质部分（辅酶或辅基）。双成分酶中，蛋白质部分称为主酶，主酶与辅酶组成全酶。,2023/5/30,27,第三章 微生物生物化学,在这种双成分酶中，如酶蛋白与非蛋白质部分结合得比较牢固，不易分离时，这种非蛋白质部分称辅基，一般只有酶蛋白与辅基结合在一起，才具有催化活性，两者单独分开后均无催化活性。另一些非蛋白质部分与酶蛋白结合得不牢固，容易分离，这种非蛋白质部分称为辅酶，辅酶能与不同的酶蛋白结合，形成不同的全酶，这些全酶能催化同一类型的化学反应，但是它们所能作用的化合物是不同的。酶蛋白（主酶）部分决定化合物的专一性，即决定哪一种化合物可被催化，许多情况下，酶蛋白还决定反应的方向；而辅酶（或辅基）则决定催化反应的性质。,2023/5/30,28,第三章 微生物生物化学,3 酶的结构 酶的催化功能是由酶的分子结构，特别是由酶的特殊的空间构象所决定的。当酶的构象发生改变时，酶的催化功能将相应的发生改变。酶分子结构与蛋白质一样，具有一级、二级、三级甚至四级结构，大多数酶只由一条肽链组成，有的酶有两条或是多条肽链组成。由数条相同或相似的肽键组成的酶呈四级结构，其中每一条肽键称为一个亚基。酶的催化作用是由它的活性部位（活性中心）进行的。因酶所催化的底物通常是低相对分子质量的，大分子的酶仅有一小部分酶蛋白与底物接触并直接参与催化反应。这部分酶蛋白称活性部位。,2023/5/30,29,第三章 微生物生物化学,活性部位由为数不多的氨基酸残基组成（有的还有金属离子），它们在肽链上不一定是相邻近的，而是肽链的折叠或是肽链的空间构象中，按一定的相对位置相互接近在一起。因此酶的活性部位只有在酶蛋白保持一定的空间构象时才能发挥催化功能。活性部位也包含活力需要的辅酶，活性部位的一部分与底物的结合有关（结合部位），而另外部分承担着化学键的生成或断裂（即催化部分）。酶蛋白非活性部位的分子的功能可以使活性部位的组分保持适当的相对位置和定向。,2023/5/30,30,第三章 微生物生物化学,4 酶的性质 酶是真正的催化剂，因为酶并不改变它们所催化的反应的平衡点，在催化过程中，本身也不消耗。和其他催化剂一样，酶能降低它所催化的反应的活化能，缩短反应到达平衡的时间，但酶的化学本质是蛋白质，尚有自己的特性。酶能够在常温和pH值近乎中性的温和条件下发挥其催化功能。但一般催化剂却需要高温高压、强酸强碱等剧烈条件，而这些条件会使酶变性而丧失其催化能力。酶的催化具有高效性，其效率要比一般的催化剂的催化效率高得多。同等条件下，氧化氢酶比Fe3+酶催化H2O2分解为水和氧气，催化效率要高1010倍。,2023/5/30,31,第三章 微生物生物化学,5 酶的催化机理酶的催化本质是降低反应能阈、减少活化能，使反应能够进行。关于酶的催化机理，目前较公认的是1913年由Michue lis 和Menten首先提出的中间产物学说。基本论点是，首先由酶（E）和底物（S）结合生成中间产物（ES），然后中间产物再形成产物（P），同时使酶（E）重新游离出来，表示为下列反应：对于有两种底物的酶促反应，可以下式表示：中间产物学说的关键，在于中间产物的形成。酶和底物可以通过共价键、氢键、离子键等结合成中间产物，中间产物稳定性较低，易于分解成产物并使酶游离出来。,2023/5/30,32,第三章 微生物生物化学,6 影响酶催化活性的因素因为酶是蛋白质，同时又具有催化化学反应的特性，因而易受到各种环境因素的影响。（1）pH值 氢离子浓度对酶反应速度的影响很大。每种酶都有其特定的最适宜pH值，大于或小于这个数值，酶的活力就会降低，甚至引起酶蛋白变性而失去活性。pH值对酶活力的影响主要因为pH值改变底物和酶分子的带电状态。当底物为两性电解质时，它们随着pH值的变化表现出不同的解离状态，而酶的活性部位往往只能作用于底物的某一种解理状态。酶的化学本质是蛋白质，因而具有两性解离特性，pH值的改变会改变酶的活性部位上有关基团的解离状态，从而影响酶与底物的结合。假定酶在某一pH值时，酶分子的活性部位上存在一个带正电的基团和带负电荷的基团时，此时酶最容易与底物相结合，当pH偏高或偏低时，活性部位带电情况改变，酶与底物的结合能力便降低。,2023/5/30,33,第三章 微生物生物化学,（2）温度各种酶的反应有其最适宜的温度，此时，酶的反应速率最快。在酶的最适宜温度范围内，温度每升高10，反应速度相应地增加12倍。温度对酶反应速率的影响通常用温度系数Q10来表示：,2023/5/30,34,第三章 微生物生物化学,（3）激活剂许多酶促反应必须有其它适当物质存在时才能表现酶的催化活性或加强催化效力，这种作用称为酶的激活作用。引起激活作用的物质叫做激活剂。它与辅酶或辅基不同，无激活剂存在时，酶仍能表现一定的活性，而辅酶不存在时，酶完全失去活性。一般认为，金属离子的激活作用是由于金属离子与酶结合后，再与底物结合成三位一体的“酶-金属-底物”的复合物，这里的金属离子使底物更有利于同酶的活性部位的催化部位和结合部位相结合，使反应加速进行。金属离子起了某种搭桥作用。,2023/5/30,35,第三章 微生物生物化学,（4）抑制剂有些化学物质可以减弱、抑制甚至破坏酶的作用，称为酶的抑制剂。重金属离子如Ag+、Hg2+、Cu2+等以及CO、H2S、HCN等都是典型的抑制剂。有的抑制作用可加入其它物质或用其它方法解除，使酶活性恢复，这种抑制称为可逆性抑制；有的抑制作用不能因加入某种物质而解除，这种抑制称为不可逆抑制。,2023/5/30,36,第三章 微生物生物化学,（5）反馈抑制作用下列反应中，起始物A被酶E1、E2、E3转化为所需要的产物D，产物D对酶E1具有专一的可逆的抑制作用，称为反馈抑制。这种抑制对微生物的代谢是有利的，因为它们准确地控制产物D的浓度。当D达到一定浓度时，通过反馈抑制了E1的活性，阻止了A转化为B的作用，D的合成速率降低，中间产物B和C不能积累，起始物就让给需要它的其它反应。当D的浓度降低时，对酶E1的抑制作用减低，D的合成再继续进行。,2023/5/30,37,第三章 微生物生物化学,3.4 分批培养物的生长规律细菌通过代谢作用将营养物质转变成细胞物质，增加了菌体重量，这是生长。单细胞生物的生长往往伴随着细胞的分裂繁殖。由于细菌繁殖一代的时间很短（20-30min），在一群体细菌中无法区分每单个细菌的生长状态，因此，细菌的生长，实际是以群体细胞数目的增加作标志。,2023/5/30,38,第三章 微生物生物化学,1 分批培养物的生长在一给定容积的培养基中生长的细菌，称为分批培养物。当细菌处于平衡生长时，如果生物量增长一倍，则细菌体内所有可量测物质，如蛋白质、RNA、DNA及胞内水分也增长了一倍。也就是说，平衡生长的细菌，其化学组成是恒定的。如图3-2。这一现象简化了细菌培养物增殖率的测定工作，因为测量细菌培养物中任何一种成分的增长率就足以代表细菌的增殖率。,2023/5/30,39,第三章 微生物生物化学,图3-2：营养物浓度对比增殖率的影响,2023/5/30,40,第三章 微生物生物化学,因此以下三个公式都可以认为是细菌的增殖率公式。为增殖率常数，或称比增值率；N、X及Z分别表示每毫升溶液中的细菌个数、细菌质量及任何一种细胞成分（RNA、DNA等）的质量。,2023/5/30,41,第三章 微生物生物化学,的单位一般用h-1。前面已讲过倍增时间（doubling time）td，是指细菌培养物的各种成分都增为原来二倍的时间，倍增时间（td）与的关系如下：,2023/5/30,42,第三章 微生物生物化学,虽然，细菌的增殖率公式是一级反应的形式，增殖率常数相当于反应速率常数k，但两者还是还有不同的一面。这可以从与限制营养物浓度的关系看出来，由Monod方程 max底物浓度不是限制条件时的比增长速度，即最大比增长速度（1/h）；图3-2即反应了该公式的典型曲线，随营养物质浓度的变化，当营养物质浓度很低时，值降低，因而细菌生长率随之下降。随营养物浓度的提高，值增大，生长速率也上升，并得到更大的菌体量。但由于曲线随着营养物浓度的继续增加而逐渐平缓下来，细菌的生长速率也必然缓慢下来。,2023/5/30,43,第三章 微生物生物化学,2 细菌的增长曲线,图3-3：细菌的生长曲线,微生物的增长一般需要经过如下几个阶段。,1）停滞期：细胞物质有所增加，但细胞总数没有增加。,2）对数增长期：细胞数按一定的比生长速度 增加。,3）静止期：由于缺乏底物（养料的消耗）或抑制物质的积累等原因，微生物的生长繁殖处于停止状态。,4）衰亡期：由于细胞不能维持生命，细胞数目下降。这时的细菌称为老龄菌，以别于指数生长期的幼龄菌。,2023/5/30,44,第三章 微生物生物化学,在指数生长阶段，细菌的增殖速率dx/dt 与限制营养物的减少速率d/dt之间存在着下列正比例关系：式中Y称为产率因数（yield factor），它的涵义在把上式写成下式后就更明显了：从上式可以看出，Y代表每克营养物所产生的细菌质量。,2023/5/30,45,第三章 微生物生物化学,在细菌生长的各个i时期中，细菌的大小和成分的变化见图3-4。,图3-4：分批培养物中细菌的大小及成分A：滞后期结束；b：指数生长期结束；c：指数生长期细胞分裂结束；d：静止期,2023/5/30,46,第三章 微生物生物化学,图3-4：分批培养物中细菌的大小及成分A：滞后期结束；b：指数生长期结束；c：指数生长期细胞分裂结束；d：静止期,图中可以看出，单个细菌的质量，只有在指数生长期才是恒定的，在滞后期以及静止期以后，单个细菌的质量都是变化的。另外，在指数生长期单位质量中所含RNA以及DNA量都是恒定的。,2023/5/30,47,第三章 微生物生物化学,3.5 细菌的呼吸与生物氧化细菌的呼吸可以定义为产生ATP的代谢过程。呼吸过程以有机或无机化合物作为电子供体（即使之氧化）开始，以无机化合物为最终电子受体（即使之还原）完成。生产ATP的过程即获得能量的过程。通常的最终电子受体为分子氧，但是硫酸盐、硝酸盐和碳酸盐等化合物也是电子最终受体的一些类型。在呼吸过程中将产生许多中间产物，这些产物一部分将继续分解，一部分则作为合成细胞物质的原料。,2023/5/30,48,第三章 微生物生物化学,1 细菌的呼吸类型根据与氧气的关系，细菌的呼吸作用分为需氧呼吸和厌氧呼吸两大类。由于呼吸类型的不同，细菌也就分为需氧菌（好气菌）、厌氧菌（厌气菌）和兼性菌（兼气菌）三类。需氧菌生活时需要氧气，没有氧气就无法生存。它们在有氧的条件下，可以将有机物分解成二氧化碳和水，这个物质分解的过程叫需氧分解。厌氧菌只有在没有氧气的环境中才能生长，氧气甚至对它还有毒害作用。它们在无氧条件下，可以将复杂的有机物分解成简单的有机物和二氧化碳等，这个过程称为厌氧分解。兼性菌则既可以在有氧环境下生活，也可以在无氧环境下生长，在自然界中，大部分细菌属于这一类。,2023/5/30,49,第三章 微生物生物化学,1）需氧呼吸：需氧呼吸的过程是底物营养物质进入需氧细菌细胞后，通过一系列氧化还原反应获得能量的过程。这个过程是在氧化酶、脱氢酶、细胞色素（电子传递体）和氧气的参与下进行的。首先是底物中的氢被脱氢酶活化，从底物中脱出交给其辅酶，同时放出电子。氧化酶利用底物放出的电子激活氧气，活化氧与由脱氢酶从底物中脱出的氢结合成水。因此需氧呼吸的最终受氢体是游离的氧。在这个过程中放出能量。需氧呼吸过程中，底物被氧化得比较彻底，获得能量较多，底物被氧化后得最终产物积累较少。如图3-5。,图3-5：需氧呼吸过程图示,2023/5/30,50,第三章 微生物生物化学,2）厌氧呼吸：厌氧呼吸只具有脱氢酶系统，没有氧化酶系统。在呼吸过程中，底物中的氢被脱氢酶活化，从底物中脱下来的氢经辅酶传递给氧以外的有机物或无机物使其还原。接受氢的物质就是受氢体。厌氧呼吸有分子内呼吸之称。这种分子内的无氧呼吸也称为发酵。在整个厌氧呼吸过程中底物氧化不彻底，在其最终代谢产物中有的还可以燃烧，还含有相当多的能量，故释放的能量较少（有氧氧化的最终产物是含能量最低的二氧化碳和水，故释放能量多）。如图3-6。,图3-6：需氧呼吸过程图示,2023/5/30,51,第三章 微生物生物化学,由于厌氧呼吸氧化不彻底，释放的能量较少，因此厌氧菌在进行生命活动过程中，为了满足能量的需要，消耗的底物比需氧菌多。厌氧菌对氧气很敏感，这是由于在有氧存在时，活化的氢和氧结合生成过氧化氢，而厌氧菌缺乏分解过氧化氢的酶，过氧化氢的积累对细胞发生毒害作用。,2023/5/30,52,第三章 微生物生物化学,3）兼性细菌：兼性细菌在有氧和无氧条件下都能生长，在有氧时，进行需氧呼吸，在无氧时进行厌氧呼吸。进行厌氧呼吸时有两种类型：分子内呼吸和分子外呼吸。分子内无氧呼吸类型的细菌兼有需氧菌和厌氧菌的酶系统。例如，酵母菌对葡萄糖的作用，在有氧条件下为：C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O+2872 kJ在无氧条件下则为：C6H12O6 2CH3CH2OH+2CO2+109 kJ,2023/5/30,53,第三章 微生物生物化学,分子外无氧呼吸的兼性细菌在有氧时可靠脱氢酶和氧化酶全部呼吸酶体系的作用，进行有氧呼吸；在无氧时，由于它们具有特殊的氧化酶，能使某些无机氧化物如硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐中的氧活化而作为受氢体，接受底物中被脱氢酶活化的氢生成水，硝酸盐被还原为氮气或氨等。硝酸盐作为受氢体的反应如下：C6H12O6+4NO3-6CO2+2N2+6H2O+1758 kJ,2023/5/30,54,第三章 微生物生物化学,2 生物氧化的类型生物氧化是生物体新陈代谢重要的基本反应，与一切在生理条件下所发生的其它反应，如水解、脱羧、醇醛缩合等相比，所提供的能量也是最多。生物氧化是生物体生命活动最重要和最基本的供能方式。生物氧化作用主要通过脱氢反应来实现，一般包括脱氢、传递氢和受氢三个环节。对于不同的微生物来说，因所含的氧化还原酶类的不同，它们的氧化方式的不同，脱氢、传递氢和受氢过程的不同，因而构成各种不同的生物氧化体系。,2023/5/30,55,第三章 微生物生物化学,1）好氧生物氧化（需氧氧化）：好氧生物氧化以分子氧作为最终电子受体，呼吸作用就是需氧和兼性微生物在有氧条件下所进行的好氧生物氧化。大多数细菌以及霉菌、放线菌、藻类和原生动物都需要由空气中获得氧气以进行呼吸。微生物从呼吸底物分子脱下来的氢到最终电子受体之间，要经过一系列的中间传递体的电子传递过程。中间传递体是一些能进行生物氧化还原反应的物质，并按一定顺序排列，按顺序将电子传递到最终电子受体分子氧。这些传递体所构成的链称为呼吸链，也称为电子传递体系或电子传递链。,2023/5/30,56,第三章 微生物生物化学,2）厌氧生物氧化：厌氧条件下，氧化以有机物或无机物为最终电子受体。当以有机物作为最终受体时，这种有机物通常是代谢的中间产物。这种氧化作用不彻底，最终形成还原性产物，因此只放出一部分自由能。当厌氧氧化以无机化合物为最终电子受体时，常以NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-和CO2等为最终受体。,2023/5/30,57,第三章 微生物生物化学,3.6 微生物的需氧代谢需氧生物代谢过程的主要途径如图3-7。降解代谢的起始物质不外乎蛋白质、多糖类、脂类和烷烃，而合成代谢的最终产物也只是蛋白质、多糖类和脂类。无论是降解还是合成代谢，都可分为三个阶段：水解、酵解和三羧酸循环。三羧酸循环既是降解的最后阶段，又是合成的起始阶段，是整个代谢过程的核心内容。,2023/5/30,58,第三章 微生物生物化学,需氧代谢三阶段,图3-7：,实线箭头：降解代谢：水解；：末端甲基氧化；：酵解；：磷酸甘油EMP途径；：-氧化；：氨化作用（脱氨基）虚线箭头：合成代谢,2023/5/30,59,第三章 微生物生物化学,1 大分子有机物的水解大分子有机物或不溶性有机物必须先经过微生物水解酶类的水解作用，变成小分子或可溶性有机物，然后再进一步降解。需氧生物处理和厌氧生物处理都需要经过这一步。（1）蛋白质的水解 有机氮化物主要指蛋白质，微生物不能直接吸收利用蛋白质，蛋白质经过下列分解变成简单的氨基酸才能吸收进细胞内。一部分氨基酸作为合成细胞物质的原料而被利用，另一部分继续被分解成氨、CO2和H2O，或是有机酸及硫、磷化物。,2023/5/30,60,第三章 微生物生物化学,（2）脂肪的水解脂类分子都含碳、氢、氧元素，有的也含有氮和磷。脂类被水解后产生醇和脂肪酸。脂类不溶于水，但溶于脂溶剂等，可以被生物所利用，作为构造、修补组织或供给能量之用。脂肪的水解是逐步进行的，每一步水解只能水解出一个脂肪酸，经过3次水解后就水解成1个分子甘油和3个脂肪酸分子。,2023/5/30,61,第三章 微生物生物化学,（3）多糖的水解高分子多糖是由多个单糖分子缩合而成，因相对分子质量很大，在水中只能成胶态溶液，不能成真溶液，纤维素根本不溶于水，无甜味，无还原性，经分解成为葡萄糖。最重要的多糖是淀粉、纤维素、糖元、果胶及细菌多糖等。淀粉是自然界中容易被分解的不含氮有机物。能分解淀粉的微生物种类很多，包括各种细菌、放线菌和真菌中的曲霉、根酶和毛酶等。分解淀粉有两个基本方式：一种是在磷酸化酶的作用下，将支链淀粉中的葡萄糖分子一个一个地分解下来，另一种是在淀粉酶作用下进行分解。纤维素的分解必须经微生物（主要是细菌）外酶的水解，才能成为可溶性的纤维二糖或葡萄糖而被利用。,2023/5/30,62,第三章 微生物生物化学,2、单糖、氨基酸和脂肪酸代谢（1）葡萄糖的酵解葡萄糖的酵解途径几乎是所有具有细胞结构的生物所共有的主要代谢途径，葡萄糖被降解为2分子的丙酮酸（如图3-8），丙酮酸在好氧条件下通过三羧酸循环，最终氧化成CO2和H2O，并产生大量能量。,2023/5/30,63,第三章 微生物生物化学,图3-8：EMP途径,2023/5/30,64,第三章 微生物生物化学,（2）丙酮酸的有氧生物氧化丙酮酸有氧分解可分为两个阶段，首先是丙酮酸氧化脱羧作用释放能量，形成高能硫酯键的乙酰辅酶A（反应如下），然后乙酰辅酶A进入三羧酸循环，彻底氧化。CH3COCOOH+NAD+CoASH CH3CO-SCoA+CO2+NADH2,2023/5/30,65,第三章 微生物生物化学,（3）三羧酸循环（TCA环）三羧酸循环是因为循环中有柠檬酸等几个含有三个羧基的有机酸而得名的。是葡萄糖有氧分解的一种方式，是葡萄糖酵解过程的继续。由酵解得的丙酮酸，在有氧条件下进入TCA环后，产生乙酰辅酶A，并与草酰乙酸缩合成柠檬酸，再经过脱氢、脱羧等一系列反应，最终是葡萄糖完全氧化分解为CO2和H2O。如图3-9。三羧酸循环不仅是糖类好氧代谢的主要途径，而且也是脂肪、蛋白质、氨基酸等最终氧化的共同途径。,2023/5/30,66,第三章 微生物生物化学,三羧酸循环与乙醛酸循环,图3-9：,TCA每循环一次由乙酰基氧化产生2个CO2，并再生一个草酰乙酸。,2023/5/30,67,第三章 微生物生物化学,（4）氨基酸的代谢蛋白质水解后生成各种氨基酸。脱氨基作用是氨基酸降解的第一步。不同的微生物和不同条件，氨基酸的脱氨基作用是不同的，主要分为氧化脱氨基和非氧化脱氨基两类反应。氨基酸生成的酮酸进入三羧酸循环。,2023/5/30,68,第三章 微生物生物化学,氧化脱氨基：,氨基酸在酶的催化下，脱氢被氧化成亚氨基酸，压氨基酸在水溶液中极不稳定，自发水解成酮酸基和氨。脱氨的脱氢酶中活性最强、分布最广的是L-谷氨酸脱氢酶，它的辅酶为NAD或NADP，它能催化谷氨酸脱氢脱氨基，生成-酮戊二酸和氨。,2023/5/30,69,第三章 微生物生物化学,联合脱氨：由转氨酶和L-谷氨酸脱氢酶联合作用进行脱氨基。-氨基酸先与-酮戊二酸起转氨基作用，形成谷氨酸，再经谷氨酸脱氢酶作用进行氧化性脱氨基，生成氨。,2023/5/30,70,第三章 微生物生物化学,非氧化性脱氨基：,还原性脱氨基反应在厌氧条件下进行，主要发生在厌氧微生物和梭状芽孢杆菌及一些兼性微生物中。在氢化酶的催化下，反应使氨基酸加氢脱氨。例如甘氨酸还原性脱氨基反应生成乙酸和氨（大肠杆菌，荧光杆菌）。,2023/5/30,71,第三章 微生物生物化学,（5）甘油的代谢甘油的代谢，一般按照糖的分解途径进行。甘油经甘油激酶的作用形成-磷酸甘油，-磷酸甘油再经脱氢酶的作用形成磷酸二羟丙酮，磷酸二羟丙酮进一步氧化进入三羧酸循环。,2023/5/30,72,第三章 微生物生物化学,（6）脂肪酸的-氧化每经一次-氧化，碳链短两个碳原子，生成一分子乙酰SCoA，如此反复反应，最后可使一个偶数碳原子的脂肪酸完全降解成乙酰辅酶A，而奇数碳原子的脂肪酸降解的结果除生成若干个分子的乙酰辅酶A外，还有一分子丙酰辅酶A。乙酰辅酶A进入三羧酸循环，最后氧化成CO2和H2O。脂肪酸的氧化主要是进行-氧化。脂肪酸的有氧彻底氧化可以产生大量能量，一分子的C16饱和脂肪酸被彻底氧化时可获得130个ATP。,2023/5/30,73,第三章 微生物生物化学,3.7 微生物的厌氧代谢厌氧代谢整个过程可大致分为三个阶段。第一阶段是由兼性细菌产生的水解酶类，将大分子物质或不溶性物质水解成低分子可溶性的有机物，如葡萄糖（已糖）、氨基酸、脂肪酸和甘油等。第二阶段是由产酸细菌把可溶性有机物氧化成为低分子的有机酸、醇等，并合成新细胞物质。第三阶段是产甲烷细菌把第二阶段的产物进一步氧化成甲烷、二氧化碳等，并合成新的细胞物质。,2023/5/30,74,第三章 微生物生物化学,图3-8:厌氧生物处理三阶段,2023/5/30,75,第三章 微生物生物化学,1、丙酮酸的厌氧氧化大多数厌氧和兼性厌氧微生物进行葡萄糖厌氧分解的途径都是经1，6-二磷酸果糖降解为丙酮酸。但不同的微生物在进一步处理丙酮酸上却有很大差别，形成多种发酵类型。有乙醇发酵，乙酸发酵，同型乳酸发酵，丁醇，丁酸发酵等。多数细菌或酵母菌将丙酮酸进一步降解为乙醇。梭状芽孢杆菌所进行的发酵产物中有丁酸、乙酸、乙醇、丙酮等。丙酸细菌将丙酮酸分解成丙酸、乙酸和CO2。大肠杆菌发酵葡萄糖产生甲酸、乙酸、乳酸和琥珀酸等各种有机酸。通常在碱性条件下（pH=7.8）才产生甲酸，在酸性条件下（pH=6.2以下）不产生甲酸，而产生大量气体。,2023/5/30,76,第三章 微生物生物化学,2、甲烷的生成厌氧生物处理最终的重要产物是沼气。甲烷在沼气中含量约占60%70%，二氧化碳约占20%30%。甲烷是有机物中最还原的化合物，其生成处于发酵微生物链的末端。产甲烷菌在有机物厌氧分解的过程中普遍存在，且对氧气极端敏感。甲烷菌不能利用复杂的有机物，只能靠CO2、H2、甲酸、乙酸和丙酸等简单化合物来生长，但自然界中最重要的底物为CO2、H2、乙酸。,2023/5/30,77,第三章 微生物生物化学,有关甲烷形成的机理，存在着多种学说，归纳起来主要有两种，一种是二氧化碳还原论，最早由Van Niel于1930年提出，反应机理为 CO2+4H2 CH4+2H2O,2023/5/30,78,第三章 微生物生物化学,到目前为止，已知的甲烷细菌都能氧化H2并还原CO2，上述反应中，产甲烷细菌的特有的一种辅酶，参与甲基的传递。但是由H2和CO2生成甲烷在硫酸盐含量多的环境中会受到硫酸盐的抑制。在对硫酸盐还原细菌和来自废水污泥的一种氢营养细菌的研究中，发现当H2的供给为速率限制步骤时，普通硫酸还原菌的耗H2速率是产甲烷细菌的5倍。因此，这种底物亲和性的差异可说明在低H2浓度的富硫酸盐环境中，硫酸盐还原菌对H2和CO2生成CH4的抑制作用。,2023/5/30,79,第三章 微生物生物化学,虽然CO2 是CH4生成的最主要还原剂，但甲酸甲烷杆菌却能利用CO生成CO2，CO2再被氢还原成CH4：CO+3H2 CH4+H2O,2023/5/30,80,第三章 微生物