6哈工大考研 污染控制微生物本科课堂讲义

1、污染控制微生物学污染控制微生物学特点：生化反应的系列过程；温和条件；调节能力。特点：生化反应的系列过程；温和条件；调节能力。 微生物的产能方式有多种，能量也有多种，如电能、化微生物的产能方式有多种，能量也有多种，如电能、化学能、机械能、光能等。而能量的去向大致分为三部分：学能、机械能、光能等。而能量的去向大致分为三部分：以热的形式散失；供合成代谢用；暂时贮存于以热的形式散失；供合成代谢用；暂时贮存于ATP中。中。小分子小分子 前体物前体物 水解糖糖蛋白质蛋白质脂脂结构物质结构物质有机物有机物运输运输物质物质分解代谢分解代谢NADH2能量能量ATPQ代谢物代谢物合成代谢合成代谢 微生物同其它动植

2、物一样，一切生命活动都离不微生物同其它动植物一样，一切生命活动都离不开酶，没有酶的存在，生物的生命活动就不能进行开酶，没有酶的存在，生物的生命活动就不能进行。微生物对环境中的营养物质的吸收以及在体内的。微生物对环境中的营养物质的吸收以及在体内的利用都必须有酶参与。在废水生物处理中，微生物利用都必须有酶参与。在废水生物处理中，微生物对废水中污染物质的分解和转化过程实质上都是在对废水中污染物质的分解和转化过程实质上都是在酶的催化下进行的一系列复杂的生化反应过程。酶的催化下进行的一系列复杂的生化反应过程。 酶（酶（enzyme）是活细胞的成分，由活细胞自身是活细胞的成分，由活细胞自身合成的、并能在细

3、胞内或细胞外起催化作用的一种合成的、并能在细胞内或细胞外起催化作用的一种蛋白质，故又称为生物催化剂。酶虽是细胞的产物，但并蛋白质，故又称为生物催化剂。酶虽是细胞的产物，但并非必须在细胞内才能起作用，在一定条件下，精制的纯酶非必须在细胞内才能起作用，在一定条件下，精制的纯酶能离开机体而起催化作用，因此我们可以利用酶的这一性能离开机体而起催化作用，因此我们可以利用酶的这一性质制成所谓酶制剂。酶的本质是蛋白质，具有一般蛋白质质制成所谓酶制剂。酶的本质是蛋白质，具有一般蛋白质的理化性质；然而，酶又不是一般的蛋白质，它是具有催的理化性质；然而，酶又不是一般的蛋白质，它是具有催化活性的蛋白质。化活性的蛋白

4、质。 它与普通化学催化剂相比具有如下特性：它与普通化学催化剂相比具有如下特性：酶与一般催化剂的共同点酶与一般催化剂的共同点 反应前后结构性质不反应前后结构性质不变；缩短反映平衡时间；催化可进行的反应。变；缩短反映平衡时间；催化可进行的反应。酶的特性酶的特性 高效性、专一性、易失活。高效性、专一性、易失活。 酶的分类酶的分类 1.氧化还原酶类氧化还原酶类 氧化还原酶类能引起底物的脱氢或受氢作用，发氧化还原酶类能引起底物的脱氢或受氢作用，发生氧化还原反应。这类酶负有生物氧化的功能，是一生氧化还原反应。这类酶负有生物氧化的功能，是一类获得能量反应的酶。类获得能量反应的酶。 在生化反应中只有两种氧化还

5、原形式：氢的得失在生化反应中只有两种氧化还原形式：氢的得失失氢为氧化，得氢为还原失氢为氧化，得氢为还原;电子得失电子得失失电子为失电子为氧化，得电子为还原。氧化，得电子为还原。 催化氧化还原反应的酶数量很大，大致可分为氧催化氧化还原反应的酶数量很大，大致可分为氧化酶和脱氢酶两种。一般情况下，氧化酶催化的反应化酶和脱氢酶两种。一般情况下，氧化酶催化的反应都有氧分子直接参与，脱氢酶所催化的反应总伴随氢都有氧分子直接参与，脱氢酶所催化的反应总伴随氢原子的转移。原子的转移。 (1)脱氢酶脱氢酶 脱氢酶能活化底物上的氢并使它转移脱氢酶能活化底物上的氢并使它转移到另一物质上，使底物因脱氢而氧化。不同的底物

6、将到另一物质上，使底物因脱氢而氧化。不同的底物将由不同的脱氢酶进行脱氢作用。由不同的脱氢酶进行脱氢作用。 A2H+B A+B2H(2)氧化酶氧化酶 氧化酶能将分子氧氧化酶能将分子氧(空气中的氧空气中的氧)活化活化，从而作为氢的受体而形成水；或催化底物脱氢，并，从而作为氢的受体而形成水；或催化底物脱氢，并氧化生成过氧化氢。氧化生成过氧化氢。A-2H+O2A+H2OA-2H+O2A+H2O2 2.转移酶类转移酶类转移酶类能催化一种化合物分子的基团转移到另一种化合物转移酶类能催化一种化合物分子的基团转移到另一种化合物分子上。分子上。A-X+BA+B-X3.水解酶类水解酶类水解酶类能催化底物的水解作用

7、及其逆反应。水解酶类能催化底物的水解作用及其逆反应。A-B+H-OHAOH+BH4.裂解酶类裂解酶类裂解酶类能催化有机物碳链的断裂，产生碳链较短的产物。裂解酶类能催化有机物碳链的断裂，产生碳链较短的产物。A-BA+B 5.异构酶类异构酶类异构酶类能催化同分异构化合物之间的互相转化，异构酶类能催化同分异构化合物之间的互相转化，即分子内部基团的重新排列。即分子内部基团的重新排列。AA6.合成酶类合成酶类合成酶类能催化有三磷酸腺苷合成酶类能催化有三磷酸腺苷(ATP)参加的合成反参加的合成反应。这类酶关系着许多重要生命物质的合成。应。这类酶关系着许多重要生命物质的合成。A+B+ATPA-B+ADP+P

8、i1. 1.酶的命名酶的命名根据酶学委员会的建议，每一种酶都给以两个名称，一个根据酶学委员会的建议，每一种酶都给以两个名称，一个是系统名，一个是惯用名。是系统名，一个是惯用名。系统名可确切地表明底物的化学本质及酶的催化性质，因系统名可确切地表明底物的化学本质及酶的催化性质，因此，它包括两部分，底物名称和反应类型，并用此，它包括两部分，底物名称和反应类型，并用“：”分开来分开来表示。如表示。如L-乳酸：乳酸：NAD氧化还原酶氧化还原酶(EC1.1.1.27)。惯用名比较简短，亦常以酶所作用的底物及反应类型命名惯用名比较简短，亦常以酶所作用的底物及反应类型命名，但不够严格。如乳酸脱氢酶是催化乳酸生

9、成丙酮酸的反应，但不够严格。如乳酸脱氢酶是催化乳酸生成丙酮酸的反应，但事实上它包括两种酶：但事实上它包括两种酶：L-乳酸：乳酸：NAD氧化还原酶氧化还原酶(EC1.1.1.27)。 催化水解作用的酶的惯用名常省去反应类型，如水解蛋白催化水解作用的酶的惯用名常省去反应类型，如水解蛋白质的叫蛋白酶，水解淀粉的叫淀粉酶。质的叫蛋白酶，水解淀粉的叫淀粉酶。 此外，尚有以下两种分类常被人们所采用：此外，尚有以下两种分类常被人们所采用： 大多数酶存在于细胞内，在细胞内起催化作用，这类酶大多数酶存在于细胞内，在细胞内起催化作用，这类酶称为称为胞内酶胞内酶。存在于细胞外的酶称为。存在于细胞外的酶称为胞外酶胞外

10、酶。胞外酶能透过细。胞外酶能透过细胞膜，作用于细胞外面的物质，主要催化复杂的有机大分子水胞膜，作用于细胞外面的物质，主要催化复杂的有机大分子水解为简单的小分子，从而易于被微生物吸收利用。这类酶为水解为简单的小分子，从而易于被微生物吸收利用。这类酶为水解酶类。解酶类。 大多数微生物的酶的产生与底物存在与否无关。这类在大多数微生物的酶的产生与底物存在与否无关。这类在微生物体内始终都存在着的相当数量的酶，称为微生物体内始终都存在着的相当数量的酶，称为固有酶固有酶。在某。在某些情况下，例如，受到了某种持续的物理、化学因素影响或某些情况下，例如，受到了某种持续的物理、化学因素影响或某种生物存在，微生物会

11、在体内产生出适应新环境的酶，这种酶种生物存在，微生物会在体内产生出适应新环境的酶，这种酶称为称为诱导酶诱导酶。诱导酶的合成机制信息贮存于细胞。诱导酶的合成机制信息贮存于细胞DNA中，但其中，但其合成将受操纵子调控。诱导酶的产生在废水生物处理中具有重合成将受操纵子调控。诱导酶的产生在废水生物处理中具有重要意义。要意义。酶的化学组成酶的化学组成 酶的活性中心酶的活性中心 在酶的活性中心内，必在酶的活性中心内，必需基团有两种：需基团有两种：。这两个基团构成。这两个基团构成两个功能部分：结合基团部两个功能部分：结合基团部位与底物起结合作用，特定位与底物起结合作用，特定的底物靠此部位结合到酶分的底物靠此

12、部位结合到酶分子上；子上； 催化基团部位则催化化学反应，底物的某种化学键在催化基团部位则催化化学反应，底物的某种化学键在此部位上被打断或在此部位上形成新的化学键，从而发生此部位上被打断或在此部位上形成新的化学键，从而发生一定的化学变化。此外，还有活性中心外必需基团，这种一定的化学变化。此外，还有活性中心外必需基团，这种基团起着维持活性中心构型的作用。酶活性中心是酶催化基团起着维持活性中心构型的作用。酶活性中心是酶催化作用的关键部位，当酶的活性中心被非底物物质占据或空作用的关键部位，当酶的活性中心被非底物物质占据或空间构型被破坏，酶也就失去了催化活性。间构型被破坏，酶也就失去了催化活性。 酶的催

13、化作用发生在酶的活性中心部位，所以，酶催酶的催化作用发生在酶的活性中心部位，所以，酶催化作用的特异性就必然与活性中心结构有关。活性中心的化作用的特异性就必然与活性中心结构有关。活性中心的结合基团是行使识别底物，并且与底物进行特异性结合功结合基团是行使识别底物，并且与底物进行特异性结合功能的；然而催化基团的催化作用必须在结合基团完成了它能的；然而催化基团的催化作用必须在结合基团完成了它的结合功能，并判明是否为所催化底物后才有可能发生。的结合功能，并判明是否为所催化底物后才有可能发生。由此不难看出，酶催化作用的特异性实质上就是结合基团由此不难看出，酶催化作用的特异性实质上就是结合基团和催化基团的特

14、异性。和催化基团的特异性。 重要的辅酶重要的辅酶( (辅基辅基) )酶的催化作用与分子活化能酶的催化作用与分子活化能中间产物学说中间产物学说诱导契合学说诱导契合学说 酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响Tu 6.6 P92酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响 在酶浓度不变的条件下，底物浓度在酶浓度不变的条件下，底物浓度S与反应与反应速度速度v的相互关系。在低的底物浓度时，底物浓度增的相互关系。在低的底物浓度时，底物浓度增加，反应速度随之急剧增加，并成正比关系。当底物加，反应速度随之急剧增加，并成正比关系。当底物浓度较高时，增加底物浓度，反应速度增加的程度不浓度较高时，增加底物浓

15、度，反应速度增加的程度不再明显，并且不再成正比关系。当底物达到一定浓度再明显，并且不再成正比关系。当底物达到一定浓度后，若底物浓度再增加，则反应速度将趋于恒定，并后，若底物浓度再增加，则反应速度将趋于恒定，并不再受底物浓度的影响，此时底物的浓度称为饱和浓不再受底物浓度的影响，此时底物的浓度称为饱和浓度。当底物浓度等于或大于饱和浓度后反应速度不再度。当底物浓度等于或大于饱和浓度后反应速度不再增加的原因，是由于此时酶的活性中心全部为底物所增加的原因，是由于此时酶的活性中心全部为底物所占据（即达到饱和），酶分子已发挥了最大能力，所占据（即达到饱和），酶分子已发挥了最大能力，所以即使底物再增加，反应速

16、度也不可能提高。以即使底物再增加，反应速度也不可能提高。 (1)米门方程式米门方程式 Michaelis和和Menten根据中间产物学说推导了能根据中间产物学说推导了能够表示整个反应中底物浓度与反应速度关系的方程式够表示整个反应中底物浓度与反应速度关系的方程式，称为米门方程式。，称为米门方程式。式中式中v酶促反应的（初）速度；酶促反应的（初）速度； Vm最大反应速度；最大反应速度； S底物浓度；底物浓度； Km米氏常数。米氏常数。 vV SKSmm (2)米氏常数（米氏常数（Km）的意义的意义 Km是反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度是反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。因为，当。因为

17、，当v1/2Vm时，时， Km S。 米氏常数的单位为浓度单位。米氏常数是酶的特征米氏常数的单位为浓度单位。米氏常数是酶的特征性物理常数，它只与酶的性质和它所催化的底性物理常数，它只与酶的性质和它所催化的底物种物种类有关，而与酶浓度无关，所以一种酶在一定条件下类有关，而与酶浓度无关，所以一种酶在一定条件下对某一底物只有一个特定的对某一底物只有一个特定的Km值，因而值，因而Km值可作为值可作为鉴别酶的一种手段。鉴别酶的一种手段。 1 Km可近似地表示酶对底物亲和力的大小，可近似地表示酶对底物亲和力的大小，1 Km愈大，表明亲和力愈大，反应速度愈快；反之愈大，表明亲和力愈大，反应速度愈快；反之，亲

18、和力愈小，亲和力愈小,反应速度愈慢。反应速度愈慢。 温度对酶促反应速度的影响温度对酶促反应速度的影响 酶对温度具有高度敏感性是酶最重要的特性之一酶对温度具有高度敏感性是酶最重要的特性之一。每一种酶，在一定条件下，只有在某一个温度下才。每一种酶，在一定条件下，只有在某一个温度下才表现出最大活力，这个温度称为该酶作用的最适温度表现出最大活力，这个温度称为该酶作用的最适温度。各种酶在一定条件下，都有它的最适温度。各种酶在一定条件下，都有它的最适温度。 温度对酶活性有双重影响。温度对酶活性有双重影响。 酶反应速度在一定范围（酶反应速度在一定范围（040）内，随）内，随着温度升高而加快；着温度升高而加快

19、； 酶是蛋白质，随着温度升高，酶变性速度加酶是蛋白质，随着温度升高，酶变性速度加快。快。 vCvTT1010pH值对酶促反应速度的影响值对酶促反应速度的影响抑制剂对酶促反应速度的影响抑制剂对酶促反应速度的影响激活剂对酶促反应速度的影响激活剂对酶促反应速度的影响 微生物在生长繁殖过程中，需要不断地从外微生物在生长繁殖过程中，需要不断地从外界环境中吸收营养物质。营养物质的一部分通过界环境中吸收营养物质。营养物质的一部分通过同化作用用于细胞物质的合成；另一部分通过生同化作用用于细胞物质的合成；另一部分通过生物氧化（异化作用）用于产生微生物所需的能量物氧化（异化作用）用于产生微生物所需的能量和必要的中

20、间代谢产物。和必要的中间代谢产物。 化能自养微生物是一群广泛分布在水和土化能自养微生物是一群广泛分布在水和土壤之中的，能从无机物氧化中获得能量并以壤之中的，能从无机物氧化中获得能量并以CO2作为主要作为主要C源进行生长的微生物。它们的源进行生长的微生物。它们的种类和数量虽然不多，但在自然界物质循环中种类和数量虽然不多，但在自然界物质循环中起着重要作用，与异养微生物一起共同完成自起着重要作用，与异养微生物一起共同完成自然界中然界中C、N、Fe、S等元素的循环。缺少它们等元素的循环。缺少它们当中任何一方都将导致这种循环的破坏，使物当中任何一方都将导致这种循环的破坏，使物质失去平衡。质失去平衡。化能

21、自养微生物同人类社会密切相关，主要表现在：化能自养微生物同人类社会密切相关，主要表现在：v自然界中没有硝化细菌环境中的自然界中没有硝化细菌环境中的NH3-N会积累，没会积累，没有硫化细菌土壤中的有硫化细菌土壤中的H2S会积累，对生物产生危害。会积累，对生物产生危害。v许多种类在代谢过程中能使一些无机物氧化，并伴许多种类在代谢过程中能使一些无机物氧化，并伴有酸性物质如有酸性物质如H2SO4。HNO3，HNO2等产生，结果等产生，结果导致环境中导致环境中PH下降，引起土壤中某元素如下降，引起土壤中某元素如P等的溶等的溶解度增加，从而提高土壤中可溶性解度增加，从而提高土壤中可溶性P的含量。的含量。v在工业上可以利用相应的化能自养微生物进行石油在工业上可以利用相应的化能自养微生物进行石油脱硫，脱蜡和微生物浸矿，从而提高矿石和石油等脱硫，脱蜡和微生物浸矿，从而提高矿石和石油等级。级。v由于氢细菌能利用由于氢细菌能利用CO2和和H2生长，目前正在研究利生长，目前正在研究利用它们来制造单细胞蛋白的扩大饲料或食用蛋白的用它们来制造单细胞蛋白的扩大饲料或食用蛋白的来源，相反，某些细菌在代谢过程中能产生酸性物来源，相反，某