《二氧化碳转化原理与技术》课件 第12章 微生物代谢基本原理

明德至善好学力行第12章微生物代谢基本原理2目录12.1

微生物学基础12.2

关于代谢过程的几个基本概念12.3

能量获取过程

微生物生长的主要影响因素12.4微生物12.1微生物学基础微生物是肉眼不可见、需显微镜观察的小生命，涵盖细菌、藻类、真菌、病毒和原生动物。其形态与功能多样，可为单细胞、多细胞或无细胞结构，广泛分布于地球各个环境。多数微生物对人类无害，通常以复杂群落形式存在，彼此及与环境相互作用。在碳循环、营养循环、动植物健康、农业生产与全球食物网中发挥关键支撑作用，维系更高营养级生物的生存。微生物细胞12.1微生物学基础细胞是生命结构与功能的基本单位，均由细胞质膜将细胞内部与外部环境隔离。细胞质由水溶性大分子（蛋白质、脂质、核酸、多糖）、小有机分子、无机离子及核糖体组成。核糖体普遍存在于所有细胞内，是负责蛋白质合成的关键结构。许多微生物与植物细胞具备细胞壁，位于细胞质膜外，为细胞提供机械强度。细胞分为真核细胞与原核细胞：真核细胞含膜包被的多种细胞器：细胞核（储存DNA）、线粒体与叶绿体（能量转换）等。原核细胞内部结构简单，无细胞核，也通常缺乏膜性细胞器。微生物分类12.1微生物学基础rRNA序列比较显示，细胞生物可分为三大域：细菌（Bacteria）、古菌（Archaea）、真核生物（Eukarya）。三域共同起源于假设的最后普遍共同祖先（LUCA）。约35亿年前：细菌首先从古菌/真核支系中分化。约25亿年前：古菌与真核生物开始进一步分化。rRNA系统发育树（右图）直观展示了三域及其进化关系。三域（domain）系统细菌、古菌和真核生物对比12.1微生物学基础项目细菌古菌真核生物细胞类型原核细胞原核细胞真核细胞典型尺寸0.5～4μm0.5～4μm>5μm细胞壁通常存在，含有肽聚糖存在，缺少肽聚糖不存在或由其他物质构成细胞膜中的脂质存在脂肪酸，以酯键连接存在异戊二烯，以酯键连接存在脂肪酸，以酯键连接蛋白质合成过程中的第一个氨基酸甲酰蛋氨酸蛋氨酸蛋氨酸基因物质小环状染色体和质粒，无组蛋白小环状染色体和质粒，存在类组蛋白具有一个以上的大型线性染色体的复杂细胞核，存在组蛋白运动简单的鞭毛、滑动运动、气泡体简单的鞭毛、气泡体复杂的鞭毛、纤毛、腿、鳍、翅膀栖息地存在于广泛环境中通常只存在于极端环境中存在于广泛环境中典型生物肠道细菌、蓝藻细菌产甲烷菌、嗜盐菌、极端嗜热菌藻类、原生动物、真菌、植物和动物微生物分类分类层次结构12.1微生物学基础微生物分类FromWikipedia目的：用全球统一的分类与命名规则，将相似微生物归为一类，阐明它们之间的进化关系，并提供通用交流语言。命名法：采用二名法（属名+种加词），属名首字母大写，整体斜体或下划线。例如Escherichiacoli可简写为E.coli。基本单元：种（species）是表型与亲缘最接近的菌株集合；菌株（strain）是种内具有独特特征的亚群，如E.coliK-12。层级结构：菌株→种→属→科→目→纲→门→界→域。属的示例：Escherichia属包含E.albertii、E.coli、E.fergusonii等多个物种。权威资料：《Bergey’sManualofSystematicsofArchaeaandBacteria》（2015起）对微生物分类进行了系统汇编。分类层次结构12.1微生物学基础微生物分类9目录12.1

微生物学基础12.2

关于代谢过程的几个基本概念12.3

能量获取过程

微生物生长的主要影响因素12.412.2关于代谢过程的几个基本概念能量来源和碳元素来源能源碳源碳源电子受体化能营养型生物光能营养型生物能源自养型生物异养型生物碳源/r/indesign/comments/dauo1w/how_do_i_type_words_through_arrows_like_that/?onetap_auto=true12.2关于代谢过程的几个基本概念能量来源和碳元素来源代谢类型主要能量来源主要碳元素来源示例化能异养型微生物（chemoheterotrophs）有机化合物有机化合物大部分细菌和古菌，所有真菌等化能自养型微生物（chemoautotrophs）无机化合物CO2铁氧化细菌、氢氧化细菌等光能异养型微生物（photoheterotrophs）光能有机化合物紫色非硫细菌、绿色非硫细菌等光能自养型微生物（photoautotrophs）光能CO2光合细菌（蓝藻细菌、紫硫细菌、绿硫细菌）、藻类等

微生物根据其营养模式（nutritionalpattern）进行代谢类型分类，即生长所需的主要能量来源和碳元素来源。具体可分为四类：化能异养型微生物、化能自养型微生物、光能异养型微生物和光能自养型微生物。其中，“化能”表示微生物主要从有机或无机化合物的氧化还原反应中获取能量，“光能”表示微生物主要能量来源为光能。“异养”表示微生物生长所需的主要碳元素来源为有机化合物，而“自养”微生物则主要利用CO2。12.2关于代谢过程的几个基本概念代谢（Metabolism）生物体内发生的生化反应的总和，包括分解代谢和合成代谢两种。Energy(ATP)EnergydeliveringnutrientsCarbohydratesLipidsProteinsLow-energyproductsCO2H2ONH3分解代谢（Catabolism）MacromoleculesofthecellProteinsPolysaccharidesLipidsNucleicacidsPrecursorsAminoacidsSugarsFattyacidsNitrogenousbases合成代谢（Anabolism）12.2关于代谢过程的几个基本概念生化反应（Biochemicalreactions）生化反应主要包括：Grouptransferreactions（基团转移）Formation/removalofcarbon-carbondoublebonds（碳碳双键的形成或断开）Isomerizationreactions（异构化）Ligationreactions（连接）Hydrolysisreactions（水解）Oxidation-reduction(redox)reactions（氧化还原反应）12.2关于代谢过程的几个基本概念氧化还原反应（Redoxreactions）C6H12O6+6O2

↔6CO2+6H2Oe-donore-acceptorDonor:C6H12O6+6H2O=6CO2+24H++24e-

ΔG0′=-992.4kJAcceptor:6O2+24H++24e-=12H2O

ΔG0′=-1889.28kJ

ΔG0′=-2881.68kJ

示例：https://ecampusontario.pressbooks.pub/microbio/chapter/energy-matter-and-enzymes/12.2关于代谢过程的几个基本概念代谢途径（Metabolicpathways）生化反应被组织成不同的代谢途径；每条代谢途径由一连串生化反应构成，每个生化反应都由特定的酶催化。Copyright©2005PearsonPrenticeHall,Inc.12.2关于代谢过程的几个基本概念酶（Enzymes）：酶是什么？在代谢中有什么作用？可降低反应的活化能，加快反应速率不改变化学反应平衡点②生物催化剂的特性：高的催化效率底物专一性（淀粉酶、凝乳酶）反应可逆性反应条件温和，常温常压，接近中性的酸碱度酶活力的可调节性酶定义为生物体内产生的具有催化功能的特殊蛋白质。①酶作为催化剂，具有一般催化剂的共性：淀粉酶https://www.sciencesetavenir.fr/fondamental/pourquoi-sans-les-enzymes-la-vie-serait-tres-tres-ralentie_16226712.2关于代谢过程的几个基本概念酶（Enzymes）：酶是什么？在代谢中有什么作用？/slide/7037959/12.2关于代谢过程的几个基本概念酶（Enzymes）：酶是什么？在代谢中有什么作用？/slide/7037959/19目录12.1微生物学基础12.2

关于代谢过程的几个基本概念12.3

能量获取过程

微生物生长的主要影响因素12.412.3能量获取过程ATP=代谢中的能量通用“货币”DOI:10.20944/preprints202003.0419.v3分解代谢ThepreferredsourceofuseableenergyforALLcells:Breakingbondof3rdphosphatereleasesidealamountofenergybondiseasilybroken(lowEa)12.3能量获取过程ATP的产生：底物水平磷酸化（Substrate-levelphosphorylation）直接从底物（高能中间体）中获取磷酸基团，与ADP生成ATP。发生在糖酵解（glycolysis）和TCA循环中。/ca/71536159/chapter-82-cellular-respiration-and-glycolysis-flash-cards/12.3能量获取过程ATP的产生：氧化磷酸化（OxidativePhosphorylation）以化能异养型微生物利用碳水化合物（葡萄糖）为例，其分解代谢类型主要分为：呼吸（respiration）【包含氧化磷酸化】HighATPyield发酵（fermentation）LowATPyield/slide/10863944/12.3能量获取过程ATP的产生：氧化磷酸化（OxidativePhosphorylation）糖酵解（glycolysis）将葡萄糖（C6H12O6）转化成丙酮酸（CH3COCOO−

+H+）的代謝途径。糖酵解是呼吸和发酵的共同起始途径。在这个过程中所释放的自由能被用于形成高能量化合物ATP（底物水平磷酸化）和NADH。NADH在氧化磷酸化中扮演重要角色：作为电子载体参与氧化还原反应。12.3能量获取过程ATP的产生：氧化磷酸化（OxidativePhosphorylation）呼吸（respiration）指通过一系列氧化还原反应将丙酮酸完全氧化掉，生成ATP的过程，包括Krebscycle(TCACycle)、electrontransportchain(电子传递链，也即氧化还原反应)、chemiosmosis（化学渗透）

三个阶段。氧化磷酸化=电子传递链+化学渗透。根据最终电子受体是否为氧气，分为有氧呼吸（aerobicrespiration）和厌氧呼吸（anaerobicrespiration）【缺氧呼吸】12.3能量获取过程ATP的产生：氧化磷酸化（OxidativePhosphorylation）呼吸（respiration）：Krebscycle(TCACycle)，又称“柠檬酸循环”准备阶段：乙酰辅酶A(acetyl-CoA)发生在线粒体或细胞质溶胶中8NADH+2FADH2+2ATP+4CO2

12.3能量获取过程ATP的产生：氧化磷酸化（OxidativePhosphorylation）呼吸（respiration）：氧化磷酸化(电子传递链+化学渗透)/popup/popup.php?id=127最终电子受体:O2酶复合物A酶复合物B酶复合物C酶复合物D12.3能量获取过程ATP的产生：氧化磷酸化（OxidativePhosphorylation）呼吸（respiration）：氧化磷酸化(电子传递链+化学渗透)12.3能量获取过程ATP的产生：氧化磷酸化（OxidativePhosphorylation）呼吸（respiration）：有氧呼吸

VS.

厌（缺）氧呼吸Aerobicrespiration:O2Anaerobicrespiration:noO212.3能量获取过程ATP的产生：发酵（fermentation）无需氧气无TCA/ETC最终电子受体为有机分子（如丙酮酸）细胞呼吸是将葡萄糖完全氧化为CO2和H2O，并伴随着大量ATP的合成；而发酵则是将丙酮酸转化为有机产物，如乳酸、乙醇等，同时再生NAD+，以维持氧化还原平衡，为糖酵解的持续进行提供条件。12.3能量获取过程有氧呼吸、厌氧呼吸和发酵的异同点对比（以葡萄糖为初始电子供体）

对比项目有氧呼吸厌氧呼吸发酵氧气需求需要不需要不需要最终电子受体氧气（分子态O2）无机含氧分子（硝酸盐、硫酸盐等）有机分子（通常是丙酮酸或它的衍生物）用于产生ATP的磷酸化类型底物水平磷酸化+氧化磷酸化底物水平磷酸化+氧化磷酸化底物水平磷酸化每分子葡萄糖产生的ATP分子数38（原核细胞）、36（真核细胞）2<ATP分子数<382包含的代谢步骤糖酵解+柠檬酸循环+氧化磷酸化糖酵解+柠檬酸循环+氧化磷酸化糖酵解12.3能量获取过程化能自养型微生物12.3能量获取过程化能自养型微生物EnergyconservationinRalstoniaeutropha,anautotrophicchemolithotrophthatoxidizesH2.化能自养型微生物代谢过程中的电子流示意图BrockBiologyofMicroorganisms-Pearson(2021)12.3能量获取过程化能自养型微生物Single-cellproteins(SCPs)derivedfromhydrogen-oxidizingbacteria(HOB)areapromisingstrategytoaddressglobalfoodchallenges.Asversatilemicroorganismswithrichcarbonmetabolism,theyalsohavethepotentialtoaddressenvironmentalemissionissues.HOBefficientlyutilizecarbonthroughtheCalvin-Benson-Basshamcycleunderautotrophicconditions,introducinganinnovativeapproachtoindustrialexhausttreatment.Inheterotrophicenvironments,HOBrapidlydegradeorganicpollutants,includingorganiccarbon,tomeetemissionstandards.Theirnitrogen-fixingcapacityfurthersupportstheproductionofsustainablenitrogenfertilizersandenablesgreeneragriculturalpractices.ThisstudysystematicallyreviewsthekeymetabolicpathwaysofHOBandsummarizestheirapplicationsinwastegastreatment,organicpollutantpurification,andammoniaproduction.ThepotentialofHOBasdriversofsustainablecarbonandnitrogencyclinghasbeenconfirmed,offeringbroadersolutionstovariousenvironmentalandfoodissues./10.1016/j.greenca.2025.02.00412.3能量获取过程光能营养型微生物：光能营养12.3能量获取过程光能营养型微生物：光合磷酸化12.3能量获取过程光能营养型微生物蓝藻细菌、藻类和绿色植物光合作用中的光反应示意图12.3能量获取过程光能营养型微生物：不产氧光能营养型微生物12.3能量获取过程光能营养型微生物：不产氧光能营养型微生物紫色细菌的光合磷酸化过程示意图12.3能量获取过程光能营养型微生物：产氧光能营养型微生物12.3能量获取过程光能营养型微生物：产氧光能营养型微生物产氧光合作用过程示意图12.3能量获取过程光能营养型微生物BiologicalandBioelectrochemicalSystemsforHydrogenProductionandCarbonFixationUsingPurplePhototrophicBacteriaDomesticandindus