华北理工水处理生物学课件04细菌的生理特性2

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EC1.1.1.27——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.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。BHAOHHOHBA22HBABHA还原酶脱氢酶OHAO21HA222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。BXAXBA'AACBAPiADPBAATPBA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1µmol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。[E]v酶浓度与v的关系[S]v2.[S]对酶促反应的影响当[E]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1～2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+、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。常数分别是各步反应的速度产物酶中间产物底物酶321kkkkkk)(P)(E)(ES)(S)(E321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）S][kS]][E[kvES][kvS][kS]][E[ES][ES][S][ES]}[]E{[kkkkES][kES][kS][ES]}[]E{[kvvES][kES][kvESS][ES]}[]E{[kvESES][]E[ES][S][]E[.1m033m00m13232012132201100因此有生成的速度）则酶促反应速度（产物从而可以求得，则有由于平衡时的分解速度的生成速度游离态酶的浓度则有酶与基质复合物的浓度基质浓度酶的总浓度设00max3max30maxmmmaxm2.[ES][E][ES][E]vk[ES]k[E]v[S]k[S]kESvkS2MichaelisMenten从反应式可以知道，如果存在，也即所有的酶分子都被利用与基质形成结合状态，显然此时酶促反应速度最大即有＝，代入酶促反应速度公式有：ｖ＝米门公式（－）酶催化反应中间产物的分解速度与生成速度常数之比，米氏常数令＝，则可得ｖ＝即当基质浓度等于米氏mk常数时，酶促反应速度正好为最大反应速度的一般又称为半饱和常数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。m132kkkk4.米门公式的讨论S][kS][vmmaxｖ＝酶促反应速度vmaxvmax/2km[S]ABCO4.米门公式的讨论都有关系和与段，混合级反应，）图中曲线（速度不变被饱和，加入基质反应不变，此时酶已经全部的升高，随着段线呈零级反应，即图中曲时，ｖ＝）当（速度加快被饱和，加入基质反应增大，此时酶还未全部的升高，随着段线，一级反应，即图中曲即时，ｖ＝）当（）－米门公式（ｖ＝S][kvAB3vS][BC,vkS2vS][OAS][vS]['kkS][vkS1MentenMichaelisS][kS][vmmaxmmmaxmmmax5.未知参数的求解mmaxmaxmmaxmaxmaxmmmaxkvvkv1S][1v1v1S][1vkv1MentenMichaelisS][kS][v，，可以求出，斜率截距直线关系，则取倒数则有：）－米门公式（ｖ＝1/vkm/vmax1/vmax1/[S]6.Monod方程-基质浓度与微生物比增长速率的关系饱和常数基质浓度微生物最大比增长速率微生物比增长速率＝smaxsmaxk-SSkS7.Lawrence-McCarty公式反应器中有机物降解与微生物量、有机物浓度的关系饱和常数基质浓度微生物浓度最大比基质利用速率率反应器中有机物降解速＝ssk-SXKdtdSSkKXSdtdS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200mg/L时，1g微生物降解有机物的速率多少？g/d7200L,/200mgS3100k2050k501K3100K25100k1001K20g/dL,/50mgS25g/dL,/100mgSSkKXS33sss2211sdtdSdtdSdtdSdtdS当＝利用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，如果能量确实过剩，不能用ATP，而用其他内含颗粒来长期贮存。（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