华北理工水处理生物学课件04细菌的生理特性2

1、第二章 细菌的生理特性主要内容2-1细菌的营养2-2酶及其作用2-3细菌的呼吸2-4其他环境因素对细菌生长的影响2-2 酶及其作用微生物的新陈代谢都是在各种酶的作用下完成的，因此细菌的生长与繁殖与酶密切相关。在水处理中，有机物的降解与微生物的种类和数量相关，而微生物的生长又与酶密切相关。酶及其命名和分类酶是生物细胞内自己制成的催化剂（生物催化剂）。酶的基本成分是蛋白质，催化效率比一般的无机催化剂高达千、万、乃至千万倍。编号：根据酶催化的反应类型及所处的亚类可以对其进行编号，如EC 1.1.1.27乳酸脱氢酶命名：每一种酶都有系统名和惯用名。系统名：底物名称：反应类型L-乳糖：NAD氧化还原酶酶

2、的组成根据酶的组成可以分为两类：一类是只含蛋白质的叫做单成分酶；单成分酶=酶蛋白 如水解酶类另一类是全酶，由蛋白质和不含氮的小分子有机物组成，或由蛋白质和不含氮的小分子有机物加上金属离子组成。全酶中的各种成分缺一不可，否则全酶会丧失催化活性。全酶=酶蛋白+有机物 如各种脱氢酶类全酶=酶蛋白+有机物+金属离子 如丙酮酸脱氢酶全酶=酶蛋白+金属离子 如细胞色素氧化酶酶各种组分的功能：酶蛋白起加速生物、化学反应的作用；辅基和辅酶起传递电子、原子、化学基团的作用，金属离子除传递电子外，还起激活剂的作用。酶的分类根据酶促反应性质可以区分为以下六大类1.水解酶类水解酶类是催化大分子有机物水解反应的酶。2.

3、氧化还原酶类脱氢酶：能活化基质上的氢并转移到另一物质，使基质因脱氢而氧化。氧化酶：能活化分子氧（空气中的氧）作为电子受体而形成水，或使氧转移到另一物质，前者还原后者氧化。酶的分类3.转移酶：能催化一种化合物分子上的基团转移到另一种化合物分子上。4.同分异构酶：能推动化合物分子内的变化，形成同分异构体。5.裂解酶：能催化有机物碳链的断裂，产生碳链较短的产物。6.合成酶：能催化合成反应。酶的催化特性1.高效催化作用催化剂的共性酶积极参加生化反应，加快反应速度，但不改变反应平衡点，酶反应前后的性质和数量不变。酶的催化效率比一般催化剂高几千至上百亿倍。催化原理降低反应活化能H2O2分解反应的活化能催化

4、剂反应活化能（kJ/mol)过氧化氢酶8.36胶态钯48.94无催化剂75.24 在一个酶催化的具体反应中，往往是多种催化因素的协同作用，从而表现出酶催化功能的高效性。这是一般化学催化剂所无法比拟的。酶的催化特性2.酶催化作用的专一性一种酶只能作用于一种物质或一类物质，如淀粉酶催化淀粉水解反应生成糖，蛋白酶催化蛋白质水解生成氨基酸等。3.酶催化作用的可逆性酶的催化特性4.酶催化作用的温和性酶的催化作用只需在常温常压和近中性的水中即可反应，一般的催化剂需要在高温高压强酸等条件下发挥作用。5.酶的不耐热性酶是蛋白质，高温可使之丧失活性，强酸强碱也可以破坏酶的活性。酶的催化特性6.酶活力的可调节性酶

5、的活力（催化活性）受许多因素（抑制剂、激活剂等）影响，可以调节。酶的活力酶的活力（活性）：在一定条件下，酶所催化反应的反应速度，称为酶的活力。酶的活力单位：在25，最适宜pH值，最适宜的缓冲溶液和最佳底物浓度等条件下，每分钟能使1mol底物转化的酶量定为一个酶活力单位。酶的活力与酶的种类及含量有关。酶的活性中心：指酶蛋白分子中与底物结合，并直接起催化作用的小部分氨基酸区域（或微区）。影响酶促反应的因素 1.E对酶促反应的影响理论：酶促反应速度与E成正比，即当S足够大时，E越大，酶促反应速度越快。实际：当E达到一定浓度时，酶促反应速度就趋于平缓。Ev酶浓度与v的关系Sv2.S对酶促反应的影响当E

6、为定值，且S从零逐渐增大时，酶促反应与S成正比。但当所有的E变成了EP后，即使再增加S，酶促反应速度也不会增加。当S为定值时，酶促反应速度与初始E0成正比。底物浓度与v的关系酶0.004酶0.003酶0.002酶0.001影响酶促反应的因素3.温度对酶促反应的影响酶在最佳适应范围内，它的活性最高，酶促反应速度最大。温度升高10，酶促反应速度提高12倍。过高过低温度都会影响酶促反应，但也有很大不同：高温时，酶会受到破坏，发生不可逆变性，甚至完全失去活性。低温时，可降低酶的活性，但不会失去活性，当温度恢复时，活性即恢复。温度与v的关系Tv影响酶促反应的因素4.pH对酶促反应的影响酶在最适pH值范围

7、内才表现出正常活性，过高过低的pH值都会降低酶的活性。pH对酶活性的影响：a.改变底物与酶的带电状态，影响二者结合；b.过高、过低pH值都会影响酶的稳定性，使酶受到不可逆破坏。影响酶促反应的因素pH值酶促反应速度5.激活剂对酶促反应的影响能够对酶其激活作用的物质称为激活剂。如：Fe2+、Cu2+、Br、SO42-、维生素等。某些酶必须在加入激活剂后才会真正表现出催化性能或增强催化性能。微生物体内有的酶虽然形成了，但并不起催化作用，称为酶原。当加入了催化剂后才会表现为催化作用。影响酶促反应的因素6.抑制剂对酶促反应的影响有些物质可减弱、抑制、破坏酶活性，称为抑制剂。如：重金属离子Ag+、Hg2+

8、、CO、H2S等。抑制剂作用机理：a.竞争性抑制b.非竞争性抑制影响酶促反应的因素酶催化作用的基本原理中间产物学说诱导契合学说酶的活性中心结构与底物近似吻合，在酶与底物相接触时，可诱导酶的活性中心结构发生构象改变，从而与底物结构吻合，结合成中间产物，引起底物发生化学变化，产生产物。酶的催化作用与分子活化能酶能够降低底物分子的活化能，从而加快反应速度。底物浓度对酶促反应速度影响的动力学（米门公式）酶促反应的中间产物学说酶在催化某一反应时，首先酶与底物相结合成一个不稳定的中间产物，然后再分解生成产物与酶。底物浓度对酶促反应速度影响的动力学（米门公式）几点常识：后一步反应必然受前一步达平衡时的速度所

9、制约，亦后一步速度小于前一步速度。由于酶的催化活性很高，它的浓度往往是足量的当整个反应达平衡时，中间产物ES浓度不变，其生成速度与分解速度相等。米门公式推导（酶促反应速度与基质浓度的关系）3.关于km的讨论km近似表示酶对底物亲和力的大小km小，说明ES生成趋势大于分解趋势，即酶与底物的亲和力高，反应越趋完全km大，说明ES分解趋势大于生成趋势，即酶与底物的亲和力低，反应越趋不完全km是酶的特性常数，至于酶种类性质有关，与酶的浓度无关，受pH、T影响，如果同一种酶有几种底物，就有几个km ， km值最小的称为最适底物。4.米门公式的讨论酶促反应速度vmaxvmax/2kmSABCO4.米门公式

10、的讨论5.未知参数的求解1/vkm / vmax1/vmax1/S6.Monod方程-基质浓度与微生物比增长速率的关系7.Lawrence-McCarty公式反应器中有机物降解与微生物量、有机物浓度的关系例题Lawrence-McCarty公式应用由实验可知，当水中有机物浓度S为100mg/L时，1g微生物降解有机物的速率是25g/d；而当水中有机物为50mg/L时，1g微生物降解有机物的速率是20g/d，试计算当有机物浓度为200 mg/L时，1g微生物降解有机物的速率多少？2-3细菌的呼吸废水好氧生物处理中异养微生物的代谢途径内源呼吸产物 + 能量(CO2、H2O、NH3、SO42-)污水

11、中的可降解有机物新细胞物质（C5H7NO2）代谢产物 (CO2、H2O、NH3、SO42-)(1/3)分解代谢(2/3)合成代谢+ 异养微生物O2 能量净增细胞物质内源呼吸80%20%内源呼吸残留物O2无机代谢产物少量能量剩余污泥新陈代谢新陈代谢是指生物有机体从环境中将营养物质吸收进来，加以分解再合成，同时将不需要的产物排泄到环境中去，从而实现生物体的自然更新的过程。新陈代谢包括合成代谢与分解代谢。新陈代谢合成代谢分解代谢生物小分子合成生物大分子需要能量产生能量生物大分子分解为生物小分子物质代谢能量代谢分解代谢是指在生物体内进行的一切分解作用，往往伴随着能量的释放，释放的能量用于合成，分解形成

12、的小分子物质作为合成的原料。合成代谢是指生物从内外环境中取得原料合成生物体的结构，需要能量。能量代谢：生物体内能量的输入、转变和利用的过程。根据微生物供能底物的不同，可将产能方式分为四种：产能方式发酵呼吸无机物转化光能转化有氧呼吸无氧呼吸微生物产能种类1.电能：电子转移产生的能量；2.化学能：物质反应（氧化）过程中释放的能量；3.机械能：鞭毛运动、细胞质流动等产生的能量；4.光能：发光菌产生的能量。以热的形式散失；供合成代谢用；暂时贮存于ATP中。能量的去向有三部分：ATP生物能量转移中心物质氧化放出能量 细胞合成需要能量ATPATP含有高能磷酸键（31.4KJ），但仅是能量的暂时贮存物质，如

13、果能量确实过剩，不能用ATP，而用其他内含颗粒来长期贮存。产能方式1.底物水平磷酸化厌氧微生物或兼性微生物作用，底物被氧化，会产生高能中间体，并把高能键（）交给ADP，从而形成ATP。2.氧化磷酸化（呼吸链磷酸化）好氧微生物呼吸，通过电子传递体系形成ATP。3.光合磷酸化光可引发叶绿素、菌绿素等放出电子，电子在被传递过程中形成ATP。（一）呼吸作用的本质高等动物-氧气 微生物-可以无氧呼吸作用本质是生物的氧化和还原的统一过程，有以下生物学现象：1.通过呼吸作用使复杂有机物变成CO2、H2O及其他简单物质。2.呼吸作用过程中，发生能量交换，一部分用于合成作用，一部分维持生命活动，一部分能量变成热

14、能散失3.在呼吸作用一系列化学变化中，产生许多中间产物，一部分继续分解，一部分作为合成机体物质的原料4.进行呼吸作用过程中，吸收和同化各种营养（二）细菌的呼吸类型根据利用氧气的情形划分好氧菌好氧呼吸厌氧菌厌氧呼吸兼性菌兼有（二）细菌的呼吸类型根据电子受体划分呼吸作用是生物氧化还原的统一过程，即电子、原子或化学基团转移的过程，而在有机物分解和合成过程中都有电子的转移，电子需要某一物质来接受，接受电子的物质叫电子受体。大多数细菌代谢过程中电子的来源往往来自脱氢反应，故电子受体称为受氢体。电子受体划分呼吸类型呼吸类型好氧呼吸发酵(分子内无氧呼吸)厌氧呼吸(分子外无氧呼吸)最终电子受体（受氢体）是氧气

15、最终产物： CO2+H2O+能量最终电子受体（受氢体）是氧化过程的中间产物，为简单有机物最终产物：醇+有机酸+CO2+H2 +能量最终电子受体（受氢体）：NO3-、 NO2- 、 SO42-、CO2、CO32-等含氧酸根最终产物：CO2+H2S+ H2O+CH4 +N2+能量厌氧条件缺氧条件好氧呼吸过程：当营养物质进入细胞后，营养物质的氢被脱氢酶脱下，从基质中脱下的电子交给辅酶或者辅基，再通过电子呼吸链的传递与氧结合，氧化酶活化分子氧并与电子结合成水，电子受体为游离氧。呼吸过程反应图示好氧呼吸能量能量：好氧呼吸有机物氧化完全，放出能量大发酵与无氧呼吸厌氧菌只有脱氢酶系统没有氧化酶系统。呼吸过程

16、中，基质中的氢被脱氢酶活化，从基质中脱下来的氢经辅酶传递给O2以外的有机物或无机物，使其还原，根据受氢体不同又可分为分子内无氧呼吸和分子外无氧呼吸。呼吸过程反应图示分子内无氧呼吸（呼吸类型：发酵-厌氧条件）有机物发生部分氧化，以其中代谢产物（分子内有机物）作为最终电子受体。有机物氧化不完全，产物为低分子有机物，释放能量少如乳酸菌无氧发酵故厌氧微生物在生命活动中，消耗的基质比好氧微生物多，故高浓度有机废水采用厌氧方法处理分子外无氧呼吸（呼吸类型：厌氧呼吸缺氧条件）某些厌氧菌有特殊的氧化酶，能使无机氧化物如NO3-、SO42-、CO32-的氧活化作为电子受体产生能量较少如反硝化细菌兼性微生物的呼吸

17、与发酵自然界中除一部分微生物采取专性发酵、专性有氧呼吸或专性无氧呼吸外，大多数细菌为兼性微生物。兼性微生物由有氧生活到无氧生活的变化必须具有由氧诱导的酶系统来控制。兼性好氧微生物：无氧呼吸的微生物，有氧条件下也能够生存。兼性厌氧微生物：有氧呼吸的微生物，无氧条件下也能够生存。呼吸类型的比较（三）ATP循环微生物对能量的利用率比较高（2040%），这是因为微生物体内有一套完善的能量转移系统，即在微生物体内有一联结放能反应和需能反应的物质，常见的是含高能磷酸化合物的腺三磷（三磷酸腺苷ATP），微生物在呼吸过程中氧化营养物质产生的能量先以腺三磷的形式贮存在细胞内，然后利用ATP分解转化为ADP时放出的能量从事