常见细菌的化学

常见细菌的化学 【专题讲座】 在生物世界里，除了鸟兽、鱼虫、花草树木等等能看得见的大型生物之外，还有一类用肉眼不容易看见的形体微小、结构简单的生物，我们把它们称之为微生物。细菌是其中的一个主要类群，它在生命活动过程中不断进行着许多特有的化学反应，从而使它在生产实践上有着广泛的应用。下面重点介绍几种常见的细菌及其生命活动过程中的化学。 一、生物界的“元老”甲烷菌 甲烷菌是地球上最古老的生命体。在地球诞生初期，死寂而缺氧的环境造就了首批性情随和的“生灵”，它们不需要氧气便能呼吸，仅靠现成简单的碳酸盐、甲酸盐等物质维持生计，然而它们具有生命实体 细胞，并开始自然繁殖。这就是生物界的元老 甲烷菌。时至今日，地球几经沧桑，甲烷菌仍保持着厌氧习性。沼泽和水草茂密的池塘底部极为缺氧，甲烷菌躲在这里“饱餐”一顿之后，便舒心地呼出一口气来，这便是沼气泡。沼气泡中充满沼气。因为沼气最早从沼泽地发现而得名。 气体组成的混合气体，包括甲烷占 60% 70% ， CO 2 占 30% 35% ， H 2 S 、 N 2 、 H 2 和 NH 3 这些气体含量微小，约占沼气的 5% 左右。在沼气中 CH 4 含量 50% 以上就可燃烧。沼气是来自有机物质的分解，但有机物质的分解不一定都能产生沼气。沼气是在特定的厌氧条件，同时又不存在硝酸盐、硫酸盐和日光的环境中形成的。形成沼气的过程叫沼气发酵。在沼气发酵过程中二氧化碳为碳素氧化的终产物，甲烷为碳素还原的终产物。在沼气发酵过程中参与甲烷形成的细菌统称为甲烷菌。 甲烷菌都是专性严格厌氧菌，对氧非常敏感，遇氧后会立即受到抑制，不能生长、繁殖，有的还会死亡。甲烷菌生长很缓慢，在人工培养条件下需经过十几天甚至几十天才能长出菌落。有的甲烷菌需要培养七八十天才能长出菌落，在自然条件下甚至更长。菌落也相当小，如果不仔细观察很容易遗漏。甲烷菌生长缓慢的原因，是它可利用的底物很少，只能利用很简单的物质，如 CO 2 、 H 2 、 甲酸、乙酸和甲基胺等。这些简单物质必须由其它发酵性细菌，把复杂有机物分解后提供给甲烷菌，所以甲烷菌一定要等到其它细菌都大量生长后才能生长。同时甲烷菌世代时间也长，有的细菌 20 min 繁殖一代，甲烷菌需几天乃至几十天才能繁殖一代。 甲烷菌在自然界中分布极为广泛，在与氧气隔绝的环境中都有甲烷菌生长，海底沉积物，河湖淤泥，沼泽地，水稻田以及人和动物的肠道，反刍动物瘤胃，甚至在植物体内都有甲烷细菌存在。 在自然界中绿色植物经光合作用合成碳水化合物，主要形成糖、淀粉、纤维素等。纤维素合成的数量最大，储量也最多，是地球上很难被微生物分解的物质。在厌氧条件下，多种菌联合作用，能将纤维素发酵生成乙酸，甲烷菌再将乙酸形成甲烷，这是甲烷生成的主要途径。由乙酸形成甲烷过程是很复杂的，用 14 C 示踪原子试验表明，由乙酸形成甲烷有两种途径： 由乙酸的甲基形成甲烷 14 CH 3 COOH 14 CH 4 +CO 2 由乙酸转化为 CO 2 和 H 2 形成甲烷 14 CH 3 COOH 14 CO 2 +4H 2 14 CH 4 +2H 2 O 现在世界上大多数国家都在为燃料不足而发愁，开发利用新能源已成为世界性的紧迫问题。而小小细菌却能为人类分忧，在解决能源危机的问题上作出了自己的贡献。在国外，已有许多工厂使用沼气作燃料开动机器。我国也有不少地区特别是农村兴建了沼气池，人工培养微生物制取沼气。据估计，每立方米沼气池可以生产 2.5 10 4 KJ 左右的热量，可供一个马力的内燃机工作 24h ；供一盏相当于 60 100 W 电灯亮度的沼气灯照明 5 6h 。还可以建成沼气发电站把生物能变成电能。 二、能制醋的醋酸杆菌 醋是家家必备的调味品。烧鱼时放一点醋，可以除去腥味；有些菜加醋后，风味更加好，还能增进食欲，帮助消化。镇江香醋、山西陈醋，都是驰名中外的佳品。 1856 年，在法国立耳城的制酒作坊里，发生了淡酒在空气中自然变醋这一怪现象，由此引起了一场历史性的大争论。当时有的科学家认为，这是由于酒吸收了空气中的氧气而引起的化学变化。而法国微生物学家、化学家巴斯德，令人信服地证明酒变成醋是由于醋酸杆菌的缘故。 原来，一般制醋有三个过程：第一步，曲霉先把大米、小米或高梁等淀粉类原料变成葡萄糖；第二步由酵母菌把糖变成酒精，以上全是真菌的作用。在真菌的帮助下，人们就可以喝上美酒了。但是，由酒变醋，还得有第三步，这就要醋酸杆菌来完成。醋酸杆菌是一种好气性细菌，它们可以从空气中落到低浓度的酒桶里，在空气流通和保持一定温度的条件下，迅速生长繁殖，使酒精氧化成味香色美的酸醋。 醋酸杆菌有个很大特点，就是对酒精的氧化不够彻底，往往只氧化到生成有机酸的阶段，所以有机酸便积累起来。人们利用它的这个特点，不仅用来生产醋酸，而且还广泛用于丙酸、丁酸和葡萄糖酸的生产。 醋酸杆菌还能将山梨中含有的山梨醇转化成山梨糖，这是自然界少有然而却是合成维生素 C 的主要原料。另外，醋酸杆菌还可以用于生产淀粉酶和果胶酶。 醋酸杆菌虽然是制醋巧手，但酿酒时可不欢迎它们，因为它们常常把一桶美酒搞得酸溜溜的。所以酿酒师总是把酒桶盖得严严实实的，不让醋酸杆菌混入酒桶，即使有少量溜进桶里的醋酸杆菌也会因缺氧而被闷死。最后，还要给酒桶加温，残存的醋酸杆菌和其他“捣乱”的微生物会一一被消灭掉，这时，酿酒师就放心地等着出酒了。 三、能造“化肥”的固氮菌 氮是植物生长不可缺少的元素，是合成蛋白质的主要原料。氮气是空气中的主要成分，占空气总量的五分之四。然而由于氮气分子被 3 个化学键所束缚，因此大部分植物只能“望氮兴叹”。固氮菌擅长空中取氮，它的本领在于有一把“神刀” 固氮酶，可以轻易地切断束缚氮分子的化学键，把氮分子变为能被植物消化、吸收的氮原子，最终转化成氮肥，源源不断地供植物享用。 在形形色色的固氮菌中，名声最大的要数根瘤菌了。根瘤菌平常生活在土壤中，以动植物残体为养料，进行腐生生活。当土壤中有相应的豆科植物生长时，根瘤菌便迅速向它的根部靠拢，并从根毛弯曲处进入根部。豆科植物的根部细胞在根瘤菌的刺激下加速分裂、膨大，形成了大大小小的“瘤子”，为根瘤菌提供了理想的活动场所，同时还供应丰富的养料，让根瘤菌生长繁殖。根瘤菌又会从空气中吸收氮气，为豆科植物制造氮肥，使它们枝繁叶茂，欣欣向荣。这样，根瘤菌与豆科植物结成了共生关系。因此人们把这类菌称为共生固氮菌。根瘤菌生产的氮肥不仅可以满足豆科植物的需要，而且还能分出一些来帮助其它植物，储存一部分留给下一代，所以我国历来有种豆肥田的习惯。 还有一些固氮菌，比如圆褐固氮菌，它们不住在植物体内，能自己从空气中吸收氮气，繁殖后代，死后将遗体“捐赠”给植物，使植物得到大量氮肥。这类固氮菌叫自生固氮菌。 现在人类生产氮肥使用的化学方法，不仅需要高温、高压等非常苛刻的条件，而且还浪费大量原料，氮分子的有效利用率很低。固氮菌每年从空气中约固定 1.5 10 8 t 氮肥，是全世界生产氮肥总量的几倍。所以，科学家正在认真研究固氮酶的构成。我国科学家早在 20 世纪 70 年代就仿制出与固氮酶功能相似、能够固氮的分子。相信在不远的将来，人类一定能学会并利用固氮菌固氮的本领。 四、生活中离不开的乳酸菌 乳酸菌不是一个分类学上的名称，而是指在代谢过程中能产生乳酸的细菌的总称。其中能进行乳酸发酵的大部分是细菌，有些为球菌、有些为杆菌，一般都不会运动。乳酸菌在自然界中种类很多，分布极广：有些种类生活在动物的肠、胃、口腔之中，皮肤表面以及乳、乳制品、肉类制品中；有的生存在水果、蔬菜、谷物及植物制品上。它们以单糖（葡萄糖、果糖、半乳糖）、二糖（蔗糖、麦芽糖、乳糖）为基质，代谢产物主要是乳酸。有些乳酸菌属耐气性厌氧微生物，它们的产能不需氧，但在有无氧的条件下都能进行典型的乳酸发酵。 乳酸菌经乳酸发酵的方式将糖类分解为乳酸。首先葡萄糖分解成丙酮酸，最后丙酮酸接受氢还原成乳酸，总反应是： C 6 H 12 O 6 +2ADP+Pi2CH 3 CHOHCOOH+2ATP 乳酸菌生成的乳酸，使环境变成酸性，从而有效地抑制其它腐败性细菌的生长。畜牧业上利用乳酸发酵制造饲料，食品工业及日常生活中利用乳酸发酵腌制泡菜，制造酸奶等都是应用乳酸发酵的实例。蔬菜、水果和牛乳经乳酸发酵，不仅可以增加营养价值和具有一定风味，而且还是一种具有悠久历史的食品保存方法。下面简单介绍一下酸奶及其制作： 酸奶是利用乳酸菌发酵牛奶而成的一种乳制品。酸奶中的乳酸菌能产生抗菌物质，具有抑制肠道内的腐败菌和防止自身中毒的作用。酸奶还能降低血中胆固醇的含量，可预防心血管疾病。它既容易消化、吸收，又能促进生长发育，还具有适量的酸度和芳香滋味，所以成为人们喜好的食品之一。酸奶因使用的发酵菌种不同或加入的调味剂不一而有不同的品种，但其制作方法基本上相同。可用乳酸菌作为酸奶引子（也可以用市上出售的酸奶作引子），将其接种至消毒过的牛奶中，培养在适温（约 40 ）下即可。 五、保障氮循环运转的硝化细菌 硝化细菌是一类能使土壤中的氨或铵盐转化成亚硝酸盐和硝酸盐的具有硝化作用的细菌。 化能自养的细菌具有通过氧化无机物获取能量，并以二氧化碳作为唯一碳源的能力。化能自养菌对于作为能量来源的无机物的要求严格，不同种类的化能自养菌，只能利用不同的无机物。硝化细菌根据作为能源的无机物的不同，将它们分为两种不同的生理类群，即亚硝酸细菌和硝酸细菌，这两类细菌分别将氨氧化成亚硝酸和将亚硝酸氧化成硝酸。 1 、亚硝酸细菌 亚硝酸细菌将氨氧化成亚硝酸的反应过程可概括为： 2NH 3 +3O 2 2HNO 2 +2H 2 O+ 能量（ 662KJ ） 在上述反应中，氮由负三价变为正三价。在氨氧化过程中脱下的电子传给分子氧形成 ATP ，从而使亚硝酸细菌可得到同化二氧化碳所需的能量。亚硝酸细菌利用这一能量合成有机物： 6CO 2 +6H 2 OC 6 H 12 O 6 +6O 2 2 、硝酸细菌 硝酸细菌能氧化亚硝酸为硝酸，其氧化过程可分为两步： 2HNO 2 +2H 2 O2HNO 3 +4H + +4e 4H + +4e+O 2 2H 2 O+ 能量（ 201KJ ） 即 2HNO 2 +O 2 2HNO 3 + 能量 硝酸细菌利用上述反应中形成的 ATP 同化二氧化碳合成细胞内的有机物。 6CO 2 +6H 2 OC 6 H 12 O 6 +6O 2 氮在作物生长发育和代谢方面有重要的作用，因为氮是农作物体内许多重要有机物的成分。例如氮是蛋白质和核酸的成分，氮还是叶绿素、一些维生素和生物碱等的成分。硝化细菌能把氨逐步转化成硝酸，硝酸又可以形成为硝酸盐。硝酸盐是植物用来制造含氮有机物所必需的无机盐。所以硝化细菌通过硝化作用为植物生活提供氮素营养，促进植物的生长发育。在自然界，氮元素以分子态氮、无机态氮和有机态氮三种形式存在着。其中分子态氮的含量最高，约占大气总量的五分之四。估计整个地球大气中氮含量约为 4 10 15 t 。在每公顷土壤上空的空气柱中，约含 8000t 氮，从理论上说，氮是足够供植物用上若干万年，但实际上植物根本无法利用它。无机态氮例如铵盐、硝酸盐是植物直接利用的氮素养料，但每亩含量约为 3 15kg ，还不够植物一季度使用。在土壤中有机含氮物的数量约为无机态氮的一百倍，但植物却不能直接利用。这就需要在这三种形态的氮素间发生相互转化。因此，通过各种途径使分子态氮和有机态氮迅速转化为无机态氮是农业生产的一项极为重要措施。 在自然界的氮素相互转化过程中，微生物起着关键性的作用。在氮素相互转化的每一环节，都有微生物参加，尤其是亚硝化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用，更为微生物所特有。 通过固氮作用形成的含氮化合物进入土壤后，有的要经过硝化细菌的硝化作用，使它们变成亚硝酸盐和硝酸盐，为植物所吸收，用来合成植物的蛋白质。动物则利用植物的蛋白质，改造成为自己的蛋白质。动物在新陈代谢过程中，有一部分蛋白质分解为含氮的废物如氨、尿素、尿酸等，排到土壤中。动植物尸体在腐生细菌作用下分解产生的氨，也排到土壤中。土壤中的氨经过硝化作用形成的硝酸盐，又可为植物所利用。但是，土壤中的硝酸盐也有一部分在反硝化细菌的作用下，分解成游离的氮，又返回到大气中。就这样，氮在生物群落与无机环境间不断地进行循环。所以硝化细菌在自然界氮的循环中起着非常重要的作用。总之，由于硝化细菌的硝化作用，促使自然界氮的转化，不仅满足了植物对氮素营养的需要，而且又在自然界氮的循环中起着不可缺少的作用。 六、参与金属腐蚀的细菌 上面所讲的硝化细菌，能在环境中积累一定量的硝酸和亚硝酸，从而对金属造成腐蚀。除硝化细菌外，下列细菌也能引起金属的腐蚀： 1 、铁细菌 该类菌分布广泛，在富含铁的水中尤为普遍。铁细菌能把水中溶解的亚铁氧化成高铁形式，沉积于菌体内或菌体周围，并从中取得能量同化 CO 2 进行自养生活，铁细菌常在水管内壁附着生长，形成结瘤，所以它们不仅能造成机械堵塞，而且还能形成氧差电池腐蚀管道，并出现“红水”，恶化水质。 2 、硫氧化菌 这类菌能氧化元素硫、硫代硫酸盐和亚硫酸盐等，产生代谢产物硫酸。硫氧化菌在酸性土壤及含黄铁矿的矿区中，能使土壤或矿水变酸导致腐蚀。如美国俄亥俄地区 1922 年这种酸矿水排出量就相当于 3 10 6 t 硫酸，对河上钢铁建筑、水闸、桥墩、水坝、排污管、自来水管等造成了严重腐蚀。 在日常生活中，我们要设法控制这些菌所引起的金属腐蚀，但在工业生产上我们还可利用这些菌来冶金。 细菌冶金又称微生物浸矿，是近代冶金工业上的一种新工艺。它主要是应用细菌法溶浸贫矿、废矿、尾矿和大冶炉渣等，以回收某些贵重有色金属和稀有金属，达到防止矿产资源流失，最大限度地利用矿藏的一种冶金方法。例如，硫酸和硫酸铁溶液是一般硫化物矿和其它矿物化学浸提法（湿法冶金）中普遍使用的有效溶剂。氧化硫硫杆菌和聚硫杆菌能把矿石中的硫氧化成硫酸，氧化亚铁硫杆菌能把硫酸亚铁氧化成硫酸铁。其反应式如下： 2S+3O 2 +2H 2 O2H 2 SO 4 4FeSO 4 +2H 2 SO 4 +O 2 2Fe 2 （ SO 4 ） 3 +2H 2 O 通过上述反应，细菌得到了所需要的能量，而硫酸铁可将矿石中的铁或铜等转变为可溶性化合物而从矿石中溶解出来，其化学过程是： FeS 2 （黄铁矿） +7Fe 2 （ SO 4 ） 3 +8H 2 O15FeSO 4 +8H 2 SO 4 Cu 2 S （辉铜矿） +2Fe 2 （ SO 4 ） 3 2CuSO 4 +4FeSO 4 +S 有关的金属硫化物经细菌溶浸后，收集含酸溶液，通过置换、萃取、电解或离子交换等方法将各种金属加以浓缩和沉淀。 有关细菌冶金的原理，至今仍在探讨之中。所以，这里仅举以上一例。 七、功能多样的光合细菌 光合细菌是一类具有光合作用能力的细菌。过去，人们几乎不知道它的存在，直到本世纪 30 年代才发现它。该细菌细胞中不存在叶绿体，但具双层膜的类似叶绿体的结构，该结构中含有类似于植物叶绿素 a 的光合色素 细菌叶绿素，有的还含有大量的类胡萝卜素。这类细菌不以 H 2 O 为供氢体，而是利用硫化氢、硫、硫代硫酸盐、分子氢或简单的有机物作还原剂，把 CO 2 还原为有机物。 6CO 2 +12H 2 SC 6 H 12 O 6 +6H 2 O+12S 光合细菌进行非放氧性的光合作用，在有光无氧条件下进行，都是专性光合、专性厌氧菌。 光合细菌适合原始的地球条件，成为生物自养的第一阶段。由于细菌光合作用能合成有机物，故对地球上生命发展起着重要的影响，但它利用的氢源物质比较特殊，存在不普遍，所以影响范围不大。现在地球上没有氧气的地方很少，它的发展受到了限制，仅见于接近水面光强度较高的厌气水层中或池沼、水田、海洋和灌水的土壤等中。光合细菌由于其特殊的本领，所以，它们已在人类生活和生产领域中大显身手。 1 、充当土壤和水域的“清洁工” 由于农药广泛使用，致使土壤中残留着大量的硫、氯等有毒化合物，既贻害庄稼，又危及人类的安全。光合细菌却能把这些化合物当作食物，并转化为无毒甚至有益的物质。例如红色无硫细菌，就能把土壤中有毒的硫化物中的硫，转化成为有营养价值的蛋白质中的硫。在海洋、江河、湖泊等水域中，光合细菌也起着“清洁工”的作用。在一个固定水域中，如果水生动物排泄出大量废物，达到一定数量时，就会危害鱼类及水生植物的生命，而光合细菌能把水中的污染物清除干净，改善其生态环境。有人做过这样的试验，在水域中投入 10ppm 的光合细菌，在光照条件下，只经过 3h ，光合细菌就把水域中的含氮化合物完全分解为自己的“食品”。由此可见，光合细菌的本领之大了。 2 、农业的增产能手 在农业生产上，光合细菌已大显身手。由于光合细菌内含有大量蛋白质，本身就是一种高效的氮肥，加上它还含有大量维生素等有益植物的营养成分，能使庄稼增产。实践证明，如把光合细菌施播给水稻、茄子、辣椒等作物，可分别增产 40% 、 35% 和 54% 。日本科学家把光合细菌喷洒到柿树、温州蜜桔的