《废水生物处理》第三章微生物生物化学.ppt

1、1,2020/8/22,第三章 微生物生物化学,2020/8/22,2,第三章 微生物生物化学,3.1 细菌的成分 1 细菌的元素组成 细菌本身约含水分80%，干物质约占20%（有机物约占90%，无机物约占10%）。 微生物细胞的化学组成随种类、培养条件和生长阶段的不同而有明显差异。通常细菌的元素组成有：生物元素C、O、N、H、P、S、Fe等元素约占90%97%，另有次要生物元素Zn、Mn等在细菌代谢过程中仍然不可或缺。,2020/8/22,3,第三章 微生物生物化学,细菌和其他微生物细胞物质组成：大分子占95%以上，低分子有机物及盐分约占3%。其代表组成如下表3-1。 Hoover提出废水处

2、理中，通常用实验式C5H7O2N来代表细菌的有机组成部分。如果考虑磷，则通常为C60H87O23N12P。,表3-1 微生物大分子组成,2020/8/22,4,第三章 微生物生物化学,2 细菌的大分子组成 1）蛋白质（约占52.4%）：分为两种，一种是结合蛋白，如糖蛋白、脂蛋白、核蛋白等；另一种为溶解性的单纯蛋白质，主要分布于细胞质中。各种蛋白质的氮含量都接近于16%，所以可以根据样品的总氮量估算蛋白质含量，1g氮含量相当于6.25g 蛋白质含量。 各种蛋白质的元素组成很近似，都含有C、H、O、N等元素，大部分蛋白质还含有S。一般蛋白质的平均组成见表3-2。,表3-2 蛋白质的元素组成,202

3、0/8/22,5,第三章 微生物生物化学,蛋白质的重要性质：蛋白质是大分子物质，在水中形成胶体溶液，不能透过半透膜，能与水结合，在分子周围形成一层水膜。蛋白质的分子结构和组成它们的氨基酸的性质是分不开的。 首先，蛋白质与氨基酸类似，也是一种两性电解质。组成蛋白质的天然氨基酸主要有20种，所以蛋白质中所含氨基酸种类和数目众多，且有支链，分子中离解基很多，是多价电解质。因此蛋白质在不同pH溶液中可为正离子、负离子或两性离子。,2020/8/22,6,第三章 微生物生物化学,其次，蛋白质存在变性现象。当蛋白质受物理或化学因素的影响，其分子内部原有的高度规则性的空间排列发生变化，以致其原有性质发生部分

4、或者全部丧失的现象，称为蛋白质的变性。变性的蛋白质分子相互凝聚为固体的现象称为凝固。 引起蛋白质变性的因素很多，热（6070）、酸、碱、有机溶剂（如乙醇、丙醇）、光（X射线、紫外线）、尿素、高压等均可引起蛋白质的变性。 因此，当清洗带有血渍的衣服时，不宜用热水清洗。,2020/8/22,7,第三章 微生物生物化学,2）核酸和核苷酸（约占20%）：是构成微生物细胞核中染色体及细胞质内核糖体和质粒的主要成分，在微生物遗传变异和蛋白质生物合成中具有特殊重要功能。 核酸分为DNA和RNA，占RNA总量5%的mRNA起着传递遗传信息到蛋白质合成基地的作用；约占RNA总量10% 15%的tRNA在蛋白质合

5、成时起着运转氨基酸到核糖体和翻译的作用；核糖体（简称rRNA）约占80%，与蛋白质特殊构象的聚合有关。 90%的RNA存在于细胞质内，10%在细胞核内。而DNA主要存在于细胞核的染色体内。,2020/8/22,8,第三章 微生物生物化学,3.2 细菌的营养与生长环境 1 细菌营养类型 营养物质的作用不仅仅在于为细菌提供生物元素，而且还为细菌生命活动提供能源。可分为光能和化能两种营养类型。 1）光能营养：利用光和作用机构，将光能转化为ATP的高能磷酸键，分为光能自养型、光能异养型。,表3-3 光能营养细菌类型,2020/8/22,9,第三章 微生物生物化学,光能营养菌（photoautotrop

6、hic bacteria），在利用CO2进行生长时，它们需要电子供体，以便将CO2还原为细胞物质。光能自养菌通常用的电子供体是各种无机化合物，有些是分子氢或还原性硫化物。 有些光能营养菌能利用有机物在光照条件下生长，这时还原反应的电子供体是有机物，这类细菌称为光能有机营养菌，它们要求的碳源是有机化合物而不是CO2，因而又叫光能异养菌。 光合细菌（photosynthetic bacteria 简称 PSB）能利用各种有机碳化物和氧化物，因而这几年利用光合细菌净化有机废水取得较好效果，例如可以使洗毛废水BOD的去除率达98%。,2020/8/22,10,第三章 微生物生物化学,2）化能营养：大多

7、数细菌依靠各种氧化还原反应获得ATP。反应中一种底物被还原，一种底物被氧化，可表示成下列偶联反应式。 下标red代表还原剂，为电子供体，ox代表氧化剂，为电子受体。Aox可以是菌体内的氧、硝酸盐、硫酸盐、CO2或有机物；Bred可以是无机物或有机物。这一氧化还原反应是一个放能反应，它所释放的能量通过某种中间体的作用传给了ADP+Pi的反应，ADP转化为ATP的反应是一个吸能反应。,2020/8/22,11,第三章 微生物生物化学,能利用有机物作为电子供体的称为化能有机营养菌，或者化能异养菌，它们包括各种需氧菌和厌氧菌。典型的化能有机营养型有反硝化菌，它在缺氧时可将硝酸盐还原为亚硝酸盐、氨和氮气

8、，即生物脱氮过程。 化能自养菌能利用无机物、氢、硫化氢、亚硝酸盐或氨等作为电子供体。主要有需氧的硝化细菌、硫磺细菌、铁细菌和绝对厌氧的产甲烷菌和产乙酸菌。 化能营养细菌的类型见表3-4。,2020/8/22,12,第三章 微生物生物化学,2）化能营养,表3-4 化能营养细菌类型,2020/8/22,13,第三章 微生物生物化学,2 营养物质的传递 各种营养物质进出细菌菌体，直接依赖于细菌细胞膜的功能，营养物质从周围环境通过细胞膜进入细胞质有以下三种方式。 （1）渗透作用（被动扩散）：相对分子质量小的物质进入细胞，一般主要决定于细胞外该物质的浓度，物质由高浓度透过细胞膜向低浓度扩散。通过细胞膜时

9、不与膜内任何成分发生特异性的相互作用。被动扩散速率受分子的大小和所带电荷的影响很大。水、气体及Na+、K+等都是借助渗透作用进入细胞内的。,2020/8/22,14,第三章 微生物生物化学,（2）促进扩散（facilitated diffusion）：促进扩散通过专一性的膜蛋白质载体传送物质。被传送物质现在细胞外与载体结合，然后在细胞内释放。这种运输不需要能量，但对于被输送物质具有专一性，并且按浓度梯度方向进行运输。在厌氧中，促进扩散的过程常参与某些化合物的吸收和发酵以及发酵产物的排出。在需氧菌中这种物质传送机制不太重要。,2020/8/22,15,第三章 微生物生物化学,（3）主动运输：首先

10、，载体对底物具有专一性，运输营养物质的载体透酶在细胞膜的外侧，与底物形成透酶-底物的复合体；其次，主动运输需要代谢能，细胞外侧透酶对底物具有高度亲和力，而在细胞内侧透酶对底物的亲和力降低，因此透酶的这种变构需要能量；第三，运输并释放到细胞内的底物性质不发生改变。只有生活的细胞才具有这种功能，通过主动运输可以使得细胞在底物浓度很低的情况下，获得浓度增加几百倍的营养物质。,2020/8/22,16,第三章 微生物生物化学,图3-1 大肠杆菌细胞内乳糖浓度与细胞外乳糖浓度间的运输关系,2020/8/22,17,第三章 微生物生物化学,3 细菌的生长环境 细菌的生长繁殖，除了需要必须的营养物质和对氧的

11、要求外，还需要其他适宜的环境条件，如温度、酸碱度、无毒环境等。废水处理中，把有计划、有目的的控制细菌的生长条件，使细菌遗传有利于处理某种废水的定向诱导过程叫驯化。在工业废水的生物处理中，往往要利用细菌对营养要求、温度、pH值和耐毒力的变异，以改善处理效果。,2020/8/22,18,第三章 微生物生物化学,（1）温度 温度对细菌有广泛的影响。大多数细菌生长适宜的温度为2040。但有的细菌喜欢高温，适宜的繁殖温度是5060，有机污泥的高温厌氧消化就是利用这一类细菌来完成。按照温度的不同，可将微生物（主要是细菌）分为低温、中温和高温菌三类。 低温，在零度时，细菌并不死亡，只有在频繁的反复结冻和解冻

12、的条件下，才会使细胞受到破坏而死亡，但是低温可降低细菌的代谢活动，温度逐渐升高后，细菌会慢慢恢复活性。,表3-5 微生物对于温度的适应性,2020/8/22,19,第三章 微生物生物化学,（2）pH值 每一种细菌生长时都要求一定的环境pH条件，大多数细菌在pH6.57.5之间生长最好，有些绝对厌氧菌（如产甲烷菌）的最适宜pH在6.87.2。pH值对细菌生长的影响，主要是可以改变底物和菌体酶蛋白的带电状态。当底物为蛋白质、肽类或氨基酸等两性电解质时，随着pH值的变化表现出不同的解离状态，而菌体内酶的活性部位只能作用于底物的某一种解离状态。酶蛋白质具有两性解离特性，pH值的改变会改变酶活性部位上有

13、关基团的解离状态，从而影响酶与底物的结合。,2020/8/22,20,第三章 微生物生物化学,（3）氧化还原电势 各种细菌生活时要求的氧化还原条件不同。氧化还原条件的高低可用氧化还原电势E来表示。 一般需氧细菌要求E在0.30.4V左右，但E在0.1V以上均可生长；厌氧菌则需要E在0.1V以下才能生活；对于兼性细菌来说，E在0.1V以上，进行需氧呼吸，E在0.1V以下，则进行厌氧呼吸。 在废水生物处理的一般运转情况下，需氧的活性污泥法系统，E常在200600mV之间。生物滤池（高负荷）法滤池出水的E随着滤池处理效率的降低，自311mV降至-39mV，二次沉淀池出水E可降至-89mV，这是由于氧

14、的消耗和还原性物质如氢的硫化氢的产生造成的。厌氧生物处理中污泥消化池中E值常保持在-100-200mV的范围内。,2020/8/22,21,第三章 微生物生物化学,（4）光线 除少数光和细菌外，大多数细菌不需要光线。许多微生物在日光直接照射下容易死亡，细菌更是如此。能起杀菌作用的光主要是紫外线。菌体内蛋白质和核酸都有高度吸收紫外线的能力，紫外线杀菌力最强的波长260nm正是核酸吸收的光谱。紫外线照射造成部分核酸的损伤，细菌细胞内RNA发生突变，对微生物的诱变育种具有重要意义。,2020/8/22,22,第三章 微生物生物化学,（5）压力 压力对细菌的作用可分为渗透压、机械压和气体压力。细菌生活

15、在高渗透压溶液中，细胞就要失水，发生质壁分离，影响细胞生命活动甚至死亡。然而在低渗透压溶液中，细菌细胞容易膨胀，甚至破裂。因此培养细菌时，不仅要注意无机盐的种类，还需注意其浓度。 在微生物试验中稀释菌液，一般用0.85%的食盐溶液维持细菌等微生物的正常生活，这种浓度的盐水称为生理盐水。培养细菌的培养基中无机盐的渗透压为0.050.1MPa，加入糖后可产生总的渗透压约0.350.7MPa。高浓度的氧压对细菌有害，0.2MPa的纯氧能使一些细菌受抑制，但不能杀死。更高的氧压可使其致死。5MPa的CO2在1.5h能将无芽孢细菌杀死，这是因为CO2容易渗透到细胞液中，一旦压力突然降低，细菌可立即死亡。

16、氮气对细菌无大影响，12MPa的N2也不致使细菌死亡。 此外，干燥程度、化学药剂等对细菌的生活影响也很大。,2020/8/22,23,第三章 微生物生物化学,3.3 细菌的生物催化剂酶 细菌的一切新陈代谢活动，都发生在细胞内，这些复杂的反应都是在微生物酶的催化下进行的。酶（enzyme）是由活细菌细胞产生的一类具有高度催化专一性的特殊蛋白质。微生物在废水生物处理中之所以能起重要作用，就是由于它们能产生各种各样的酶。在酶作用下进行化学变化的物质叫底物，有酶催化的化学反应称为酶促反应。 酶也可以被分离出来，做成酶剂或固定化酶，在废水生物处理中应用。,2020/8/22,24,第三章 微生物生物化学

17、,1 酶的分类 已知的酶有数千种，还有许多酶有待发现。1961年由国际酶学术委员会（I.E.C）制定的分类法，根据酶所催化的反应类型，将酶分为六大类，再根据化合物及被作用基团的性质，每一大类又可分为若干亚类及次亚类。 酶的分类见表3-6。,2020/8/22,25,第三章 微生物生物化学,表3-6 酶的分类,2020/8/22,26,第三章 微生物生物化学,2 酶的组成 酶按其组成可分为单成分酶和双成分酶（复合酶）。单成分酶一般仅由蛋白质分子组成，不含非蛋白成分，大多数水解酶就属于这一类。双成分酶除蛋白质部分（酶蛋白）外，还有非蛋白质部分（辅酶或辅基）。双成分酶中，蛋白质部分称为主酶，主酶与辅

18、酶组成全酶。,2020/8/22,27,第三章 微生物生物化学,在这种双成分酶中，如酶蛋白与非蛋白质部分结合得比较牢固，不易分离时，这种非蛋白质部分称辅基，一般只有酶蛋白与辅基结合在一起，才具有催化活性，两者单独分开后均无催化活性。另一些非蛋白质部分与酶蛋白结合得不牢固，容易分离，这种非蛋白质部分称为辅酶，辅酶能与不同的酶蛋白结合，形成不同的全酶，这些全酶能催化同一类型的化学反应，但是它们所能作用的化合物是不同的。 酶蛋白（主酶）部分决定化合物的专一性，即决定哪一种化合物可被催化，许多情况下，酶蛋白还决定反应的方向；而辅酶（或辅基）则决定催化反应的性质。,2020/8/22,28,第三章 微生物生物化学,3 酶的结构 酶的催化功能是