水处理生物学-第六章3

第六章微生物的生理第三节微生物的能量代谢内容提要1.新陈代谢、合成代谢、产能代谢、生物氧化2.好氧呼吸、无氧呼吸、发酵3.氧化磷酸化、底物水平磷酸化、光合磷酸化4.葡萄糖的氧化，EMP途径和TCA循环及产能5.厌氧呼吸的类型

新陈代谢新陈代谢是活细胞中全部化学反应的总称，它包括物质代谢和能量代谢两个方面。

物质代谢是指生物体与外界环境之间物质的交换和生物体内物质的转变过程。

能量代谢是指生物体与外界环境之间能量的交换和生物体内能量的转变过程。在新陈代谢过程中，既有同化作用，又有异化作用。异化作用(又叫做分解代谢，产能代谢)是指生物体将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。同化作用(又叫做合成代谢，耗能代谢)是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程，在这个过程中要消耗能量。

合成代谢所利用的小分子物质来源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境中的小分子营养物质。

一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是一切生物代谢的核心问题。能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源------ATP。这就是产能代谢。最初能源有机物还原态无机物日光化能异养微生物化能自养微生物光能营养微生物通用能源（ATP）物质在生物体内进行的氧化称为生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等有机物质在生物体内氧化分解并逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。亦称“组织氧化”、“组织呼吸”或“细胞氧化”。糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能生物氧化的概念

一、微生物的生物氧化和产能*

生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。是在细胞内温和的有水环境中（体温，pH接近中性），经一系列酶促反应逐步缓慢进行，能量逐步释放，以ATP形式储存和转运，有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。物质的氧化方式是脱氢反应，脱下的氢在酶、辅酶和电子传递系统参与下经一系列传递与氧结合生成H2O；二氧化碳（CO2）是由于糖、脂类和蛋白质转变成含羧基的化合物（有机酸）直接脱羧或氧化脱羧产生。*

生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化体外氧化在高温、高压以及干燥的条件下进行，是剧烈的自由基反应，能量是突发式释放的。产生的能量以光与热的形式散发在环境中。产生的CO2、H2O是由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。◆场所：真核细胞在线粒体内膜，原核细胞在质膜上进行。糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂肪酸+甘油氨基酸乙酰CoA

TCA循环

2H呼吸链H2OADP+PiATPCO2*生物氧化的一般过程

生物氧化的特点

1、生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，中性pH和常温）。

2、氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。

3、水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。

4、在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。

5、生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。

6、生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。生物氧化的3.3.3.3三形式:某物质与氧的结合、脱氢、失电子；三过程：脱氢（电子）、传氢（电子）、受氢（电子）三功能：产ATP、产还原力（指NADH2和NADPH2）、小分子中间代谢产物。三类型：呼吸（好氧）、无氧呼吸、发酵三形式生物氧化的本质是电子的得失，失电子者为还原剂，是电子供体，得电子者为氧化剂，是电子受体在生物体内，它有三种方式：某物质与氧的结合电子转移

脱氢氧化三类型有氧氧化生物氧化在有氧和无氧条件下都能进行。在有氧条件下，好气生物或兼性生物吸收空气中的氧作为电子受体，可将燃料分子完全氧化分解，这称为有氧氧化。因为有氧氧化燃烧完全，产能多，所以，只要有氧气存在，细胞都优先进行有氧氧化。无氧氧化在无氧条件下，兼性生物或厌气生物能利用细胞中的氧化型物质作为电子受体，将燃料分子氧化分解，这称为无氧氧化。这些生物有的以有机物分子作为最终的氢受体(如厌氧发酵)，有的则以无机物分子作为氢受体(如微生物中的化能自养菌对NO3-、SO42-的利用。如厌氧呼吸)。

生物能及其存在形式生物能和ATPATP是生物能存在的主要形式ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式。生物化学反应与普通的化学反应一样,也服从热力学的规律。高能化合物生物体通过生物氧化所产生的能量，除一部分用以维持体温外，大部分可以通过磷酸化作用转移至高能磷酸化合物ATP中。根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型：1磷氧键型乙酰磷酸10.1千卡/摩尔酰基磷酸化合物焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔氮磷键型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。硫酯键型3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸酰基辅酶A甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸～～最重要的高能化合物ATP(三磷酸腺苷)αβγADPATPAMP

ATP的特殊作用ATP在一切生物生命活动中都起着重要作用，在细胞的细胞核、细胞质和线粒体中都有ATP存在。ATP在磷酸化合物中所处的位置具有重要的意义，它在细胞的酶促磷酸基团转移中是一个“共同中间体”

ATP是生物体通用的能量货币。ATP是能量的携带者和转运者，但并不能量的贮存者。起贮存能量作用的物质称为磷酸原，有磷酸肌酸、磷酸精氨酸等。

ATP是磷酸基团转移反应的中间载体机械能--运动化学能--合成渗透能--分泌吸收电能--生物电热能--体温（散失）光能--生物发光ATP是生物系统能量交换的中心荧火虫ATP的特殊作用（1）氧化磷酸化微生物呼吸时，通过电子传递体系产生ATP的过程。氧化磷酸化的过程表示为：

ATP的生成方式NADH+H++3ADP+3Pi+1/2O2NAD++4H2O+3ATP1个NADH产生3个ATP电子传递体系电子传递体系由NAD（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）或NADP（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）、FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）或FMN（黄素单核苷酸）、辅酶Q、细胞色素b、细胞色素c1等组成。电子传递体系的功能：接受电子合成ATP，把电子传递过程释放的能量贮存电子传递体系在细胞中的部位原核微生物－－细胞质膜真核微生物－－线粒体电子传递体系产能情况NADH3ATPFADH2ATP1个ADP生成1个ATP（2）底物水平磷酸化厌氧微生物和兼性厌氧微生物在底物氧化过程中，产生一种含高自由能的中间体，这一中间体将高能键交给ADP，使ADP磷酸化而生成ATP。

ATP的生成方式底物水平磷酸化作用与氧化磷酸化作用的区别：底物水平磷酸化作用是指ATP的形成直接与一个中间代谢物上的磷酸基团转移相偶联。氧化磷酸化作用是指ATP的生成基于电子传递相偶联的磷酸作用（3）光合磷酸化光引起叶绿素、菌绿素或菌紫素逐出电子，通过电子传递产生ATP的过程。

ATP的生成方式ADP+H3PO4ATPAMP+2H3PO4ATPATP生成的反应式化能异养微生物的生物氧化生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢、失去电子。生物氧化的过程：脱氢（或e-）、递（传）氢（或e-）、受氢（或e-

）。生物氧化的功能：产能（ATP）、产还原力［H］、产小分子中间代谢物。生物氧化的类型：呼吸、无氧呼吸、发酵。二、生物氧化类型与产能代谢两大步骤（1）两大步骤第一步：不涉及氧化还原反应的预备性反应，生成2分子中间产物3－磷酸甘油醛；第二步：发生氧化还原反应，合成ATP并形成两分子的丙酮酸。1EMP途径一、底物脱氢的四种主要途径：EMP途径、HMP途径、ED途径、TCA循环。EMP途径产生2分子丙酮酸，获得2个ATP和2个NADH（或NADH+H+），NADH可在有氧条件下经呼吸链的氧化磷酸化产生6个ATP，在无氧条件下则可把丙酮酸还原成乳酸或乙醇。糖酵解的步骤步骤一步骤二发酵产物2、HMP途径（戊糖磷酸途径、磷酸葡萄糖酸途径等）

葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，并产生大量NADPH+H+形式的还原力及多种重要中间代谢产物。从6-磷酸-葡萄糖开始，即在单磷酸已糖基础上开始降解的故称为单磷酸已糖途径。HMP途径与EMP途径有着密切的关系，HMP途径中的3-磷酸-甘油醛可以进入EMP途径，—磷酸戊糖支路。HMP途径的一个循环的最终结果是一分子葡萄糖-6-磷酸转变成一分子甘油醛-3-磷酸、3个CO2、6个NADPH2。一般认为HMP途径不是产能途径，而是为生物合成提供大量还原力（NADPH2）和中间代谢产物。HMP途径HMP途径的主要反应

HMP途径在微生物生命活动中的重要意义

①供应合成原料：提供戊糖-P、赤藓糖-P；②产还原力：产生12NADPH2；③作为固定CO2的中介：自养微生物CO2的中介（核酮糖-5-P在羧化酶的催化下固定CO2并形成核酮糖-15-二磷酸）；④扩大碳源利用范围：为微生物利用C3～C7多种碳源提供了必要的代谢途径；⑤连接EMP途径：为生物合成提供更多的戊糖。在多数好氧菌和兼性厌氧菌中普遍存在HMP途径，且常与EMP途径同在。只有少数微生物如弱氧化醋杆菌、氧化葡糖杆菌、氧化醋单胞菌只有HMP途径，而无EMP途径。3、ED途径（2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径）

存在于某些缺乏完整EMP途径的微生物中的一种替代途径，为微生物所特有，在革兰氏阴性菌中分布较广。葡萄糖只经过四步反应即可形成丙酮酸。ED途径可不依赖于EMP与HMP而单独存在。ED途径结果：一分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH2、1分NADH。（1）

ED

途

径

的

主

要

反

应

（2）ED途径特点

1）KDPG（2-酮-3-脱氧-6-P-葡萄糖酸）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛；2）存在KDPG醛缩酶；3）两分子丙酮酸来历不同；4）产能效率低（1molATP/1mol葡萄糖）。

5）可与EMP、HMP、TCA循环等代谢途径相连，可相互协调、满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢产物的需要。

丙酮酸脱羧为乙醛，被NADH还原为乙醇。

具有ED途径的细菌有嗜糖假单胞菌、铜绿假单胞菌、荧光假单胞菌、林氏假单胞菌、真养产碱菌等。4、TCA循环（三羧酸循环、柠檬酸循环）

丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化脱羧，形成CO2、H2O和NADH2的过程。在各种好氧微生物中普遍存在。在真核微生物中在线粒体（基质）内进行；在原核生物中，在细胞质中进行。只有琥珀酸脱氢酶，在线粒体或原核细胞中都是结合在膜上。（1）TCA循环的主要反应总反应式为：乙酰-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+3NADH2+FADH2+CoA+GTP（2）TCA循环的特点

1）氧虽不直接参与反应，但必须在有氧的条件下进行（NAD+和FAD再生时需氧）；2）每分子丙酮酸可产4NADH2、1FADH2、1GTP，共相当于15ATP，产能效率极高。3）位于一切分解代谢和合成代谢的枢纽地位，可为微生物的生物合成提供各种碳架原料。（3）生产实践意义与发酵生产紧密相关（柠檬酸、苹果酸、谷氨酸、延胡索酸、琥珀酸等）葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率

（二）递氢和受氢

葡萄糖经四条途径脱下的氢，通过呼吸链（电子传递链）等方式传递，最终与氧、无机物或有机物等氢受体结合并释放出其中的能量。根据递氢特点尤其是氢受体性质的不同，可把生物氧化分为：呼吸、无氧呼吸、发酵三种类型。1、呼吸（好氧呼吸）

递氢和受氢都必须在有氧条件下完成的一种高效产能生物氧化作用。（1）特点1）底物脱下的氢（［H］）经完整的呼吸链传递；2）外源分子氧受氢；3）产生水并释放出ATP形式的能量。产能量多，一分子G净产38个ATP.4)基质彻底氧化生成CO2和H2O。（2）呼吸链1）位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上的由一系列氧化还原势呈梯度差的、链状排列的氢或电子的传递体。2）功能：把氢或电子从低氧化还原势的化合物处逐级传递到高氧化还原势的O2或其他无机、有机氧化物，并使它们还原。典型的呼吸链不论是真核生物还是原核生物，呼吸链的主要组分都是类似的。2、无氧呼吸（厌氧呼吸）

某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行的、呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。产能效率较低（不如有氧呼吸产生的多）。（1）特点

1）底物按常规脱下的氢经部分呼吸链传递；

2）最终由氧化态的无机物或有机物受氢（NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸等有机物）；

3）氧化磷酸化产能。（2）无氧呼吸的类型

根据呼吸链末端氢受体的不同，把无氧呼吸分成以下类型：1）硝酸盐呼吸（反硝化作用、异化性硝酸盐还原作用）无氧条件下，某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终受体，并把它还原为NO2-、NO-、N2O直至N2的过程。反硝化细菌：能进行硝酸盐呼吸的兼性厌氧菌。如：地衣芽孢杆菌、脱氮副球菌、脱氮硫杆菌等。造成土壤氮肥损失、NO和N2O会污染环境。2）硫酸盐呼吸严格厌氧菌——硫酸盐还原细菌（反硫化细菌）在厌氧条件下获取能量的方式。底物脱氢后，经呼吸链传递，最终由末端氢受体硫酸盐受氢，在递氢过程中与氧化磷酸化偶联产生ATP，最终的还原产物是H2S。硫酸盐还原细菌：脱硫脱硫弧菌、巨大脱硫弧菌、致黑脱硫肠状菌等。硫酸盐呼吸及其有害产物对植物根系不利。3）硫呼吸

兼性或专性厌氧菌（氧化乙酸脱硫单胞菌）以无机硫作为呼吸链的最终氢受体并产生H2S的生物氧化作用。4）铁呼吸某些兼性厌氧或专性厌氧的化能异养细菌、化能自养细菌和某些真菌所进行的呼吸链末端氢受体是Fe3+的无氧呼吸。5）碳酸盐呼吸

以CO2或重碳酸盐作为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。根据其还原产物不同分成两类：①产甲烷菌产生产生甲烷；②产乙酸细菌产生乙酸。广义的发酵：泛指任何利用好氧性或厌氧性微生物生产有用代谢产物或食品、饮料的一类生产方式。狭义的发酵：在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力［H］未经呼吸链传递而直接交某一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。3、发酵（fermentation）发酵的种类有很多，可发酵的底物有糖类、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解。如：酿酒酵母进行的酵母菌同型酒精发酵；由德氏乳杆菌、嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌进行的同型乳酸发酵。………..通过这些发酵，微生物可获得生命活动需要的能量，人类则可获得代谢产物由EMP途径中的丙酮酸出发的发酵，在不同微生物中可进入不同的发酵途径。底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)底物水平磷酸化既存在于发酵过程中也存在于呼吸过程中。物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成。这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。发酵仅为专性厌氧菌或兼性厌氧菌在无氧条件下的生物氧化机制，产能机制是底物水平的磷酸化反应。在发酵条件下有机化合物只是部分地被氧化，因此，只释放出一小部分的能量。发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在一起的。发酵中的产能反应发酵类型很多，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。（1）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵（2）通过HMP途径的发酵（3）通过ED进行的发酵——细菌酒精发酵（4）由氨基酸发酵产能——Stickland反应三种呼吸类型的比较呼吸类型最终电子受体参与反应的酶与电子传递体系最终产物释放能量乙醇发酵中间代谢产物脱氢酶、脱羧酶辅酶NAD低分子有机物、CO2、ATP(2)238.3KJ好氧呼吸氧气脱氢酶、脱羧酶辅酶NAD、FAD辅酶Q细胞色素a、a3、b、c、c1CO2、H2O、ATP(38)、SO42-2876KJ无氧呼吸NO3-CO32-SO42-脱氢酶、脱羧酶、硝酸还原酶、硫酸还原酶辅酶NAD、细胞色素b、cCO2、H2O、N2、ATP反硝化1756KJ反硫化1125KJ1.什么生物氧化，生物氧化的3.3.3.3是什么？2.根据递氢特点尤其是氢受体性质的不同，可把生物氧化分为哪三类。3.电子传递体系通常由什么组成？有什么功能？4.发酵的含义是什么？酒精发酵是如何进行的？5.什么叫底物水平磷酸化、氧化磷酸化和光合磷酸化？6.EMP途径的产物是什么？产能如何？TCA途径的产能如何？葡萄糖在好氧条件是如何彻底氧化，产能如何？思考三、微生物发光现象

细菌、真菌、藻类都有些种能够发光。发光微生物有两种特殊成分：虫荧光素酶和长链脂肪醛。发光过程实际上就是电子的传递及能量转移过程：电子由NADH2传给FMN，和虫荧光素酶，从而虫荧光素酶得到激活，在长链脂肪醛的催化下，有氧气存在时就会发光。发光后，虫荧光素酶由激活态恢复到基态。微生物发光作用：1.测定环境中的微量氧。2.测定环境中的微量有毒有害抑制剂。

发光的微生物多为兼性厌氧菌，但有氧时才会发光。对氧气很敏感，黑暗中，在微量氧气存在下，发光菌的光清晰可见。第四节微生物的合成代谢一、

产甲烷菌的合成代谢

产甲烷菌利用有机物产生CO2和CH4，利用其中间代谢产物和能量物质ATP合成蛋白质、多糖、脂肪和核酸等物质，用以构成自身的细胞。二、化能自养型微生物的合成代谢

各种化能自养型微生物的合成代谢的合成途径不同1、氨的氧化NH3、亚硝酸（NO2-）等无机氮化物可以被某些化能自养细菌用作能源1）亚硝化细菌：2）硝化细菌：将氨氧化为亚硝酸并获得能量将亚硝氧化为硝酸并获得能量这两类细菌往往伴生在一起，在它们的共同作用下将铵盐氧化成硝酸盐，避免亚硝酸积累所产生的毒害作用。这类细菌在自然界的氮素循环中也起者重要的作用，在自然界中分布非常广泛。2、硫的氧化硫细菌（sulfurbacteria）能够利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多硫酸盐和亚硫酸盐）作能源。俄国著名微生物学家Winogradsky的杰出贡献：化能无机自养型微生物的发现：氧化无机物获得能量；没有光和叶绿素的条件下也能同化CO2为细胞物质（能以CO2为唯一或主要碳源）硫细菌在进行还原态硫物质的氧化时会产酸（主要是硫酸），因此它们的生长会显著地导致环境的pH下降，有些硫细菌可以在很酸的环境，例如在pH低于1的环境中生长。和硝化细菌一样，硫细菌也是通过电子的逆呼吸链传递来生成还原力。3、铁的氧化以嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus

ferrooxidans）为例：从亚铁到高铁状态的铁的氧化，对于少数细菌来说也是一种产能反应，但从这种氧化中只有少量的能量可以被利用。因此该菌的生长会导致形成大量的Fe3+（Fe(OH)3）。氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus

ferrooxidans）

为什么要在酸性环境下生活？三．自养微生物的生物氧化氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus

ferrooxidans）在富含FeS2的煤矿中繁殖，产生大量的硫酸和Fe(OH)3，从而造成严重的环境污染。它的生长只需要FeS2及空气中的O2和CO2，因此要防止其破坏性大量繁殖的唯一可行的方法是封闭矿山，使环境恢复到原来的无氧状态。4、氢氧化细菌是依靠H2的氧化获得能量，以CO2为碳源的自养菌。氢细菌利用氢酶氧化分子氢，产生生物合成所需要的能量。三、

光合作用1．藻类的光合作用（同绿色植物）白天，在有光的条件下，利用体内的素（叶绿素、类胡萝卜素、藻蓝素、藻红素等），从H2O的光解中获得H2，还原CO2成[CH2O]。总反应式为：CO2+H2O→[CH2O]+O2

非环式光合磷酸化的反应式：2NADP+＋2ADP＋2Pi＋2H2O→2NADPH＋2H+＋2ATP＋O2非环式光合磷酸化产氧型光合作用（绿色植物、蓝细菌）2细菌的光合作用能量来源：光能ATP