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6.微生物的代谢6.1新陈代谢综述6.2酶与酶促反应6.3化能异养型微生物的产能代谢——发酵与呼吸6.4化能自养型微生物的产能代谢6.5微生物对有机物的分解作用6.6代谢调节6.7总结与思考6.8作业6.3.3发酵（1）综述（2）微生物发酵类型（3）有机废水生物处理中常见的产酸发酵类型（4）底物水平磷酸化（1）综述（1-1）辅酶Ⅰ氧化型与还原型的平衡从EMP途径分析，其生物氧化过程中的氧化力（NAD+）与还原力（NADH+H+）是不平衡的，而在特定生物体内的NAD+和NADH+H+的含量和比例是一定的，一般分别为30％和70％，并且两者保持者动态平衡：NAD+＋2HNADH++H+一旦这一平衡被破坏，生物氧化过程就难以继续（1-2）不同发酵类型的形成机制不同的微生物可以在进一步转化丙酮酸的过程中，消耗EMP途径生成的NADH+H+，使NAD+得以再生，从而维持体内二者的动态平衡。如此，就形成了以不同最终产物为标志的不同的发酵类型：乙醇发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、丁二醇发酵、乳酸发酵、混合酸发酵等。辅酶Ⅰ的氧化还原与细菌发酵丙酮酸乙醇乙酸丙酸乳酸丁酸丁二醇乙醇发酵丙酸发酵乳酸发酵丁酸发酵丁二醇发酵混合酸发酵xNAD+xNADH+H+细菌的碳水化合物发酵途径产氢产氢--产酸发酵细菌对碳水化合物的代谢途径产酸发酵细菌对碳水化合物的代谢途径碳水化合物碳水化合物2CH3COCOH丙酮酸2CH3COSCoA2ATP2ADP2FdH22Fd2CO22NAD+2NADH+H+2NADH+H+2NAD+2ADP2ATP22CHCH33COOHCOOH乙酸乙酸22CHCH33CHCH22OHOH乙醇乙醇22CHCH33CHCH22COOHCOOH丙酸丙酸22HH2222CHCH33(CH(CH22))22COOHCOOH丁酸丁酸22CHCH33CHOHCOOHCHOHCOOH乳酸乳酸C6H12O6C6H12O622COCO224NAD+4NADH+H+2NAD+2NADH+H+ATP2ATPADP2ADP4NAD+4NADH+H+（2）微生物发酵类型根据微生物对碳水化合物进行发酵作用所产生的末端产物的不同，可将微生物的发酵类型分为丙酸发酵、乳酸发酵、乙醇发酵和混合酸发酵等。其中，微生物发酵作用末端产物的特性是受其遗传性决定的。（2-1）碳水化合物发酵的主要类型（P101）（2-2）区别大肠杆菌和产气气杆菌的特征试验（P195“水的卫生细菌学”）大肠埃希氏杆菌与产气气杆菌都属混合酸发酵的肠道细菌，在进行水的卫生细菌学检测时，有时需要对它们加以区别。V.P试验和甲基红试验是卫生防疫常用的鉴定方法。V.P试验原理3-羟基丁酮在碱性条件下易被氧化为乙二酰。乙二酰可与蛋白胨水解出的精氨酸所含的胍基作用，生成红色化合物，这就是V.P.试验。产气肠杆菌在进行发酵时，中间产物丙酮酸的一部分通过缩合生成乙酰乳酸，再脱羧为3-羟基丁酮，然后再还原生成终产物丁二醇。所以产气杆菌V.P.试验为阳性。大肠杆菌由于不产3-羟基丁酮，V.P.试验阴性。甲基红试验原理产气气杆菌进行混合酸发酵产生中性的丁二醇，而大肠埃希氏杆菌的混合酸发酵可使培养液的pH值下降至4.2或更低。在两者的培养液中加入甲基红，则大肠埃希氏杆菌的培养液呈红色，为甲基红反应阳性；产气气杆菌的培养液呈橙黄色，为（3）有机废水生物处理中常见产酸发酵类型有机废水采用厌氧生物处理工艺时，常见的产酸发酵类型有三个：丙酸型发酵、丁酸型发酵和乙醇型发酵，它们都是厌氧生物处理系统中混合微生物群体共同活动的结果。请注意与细菌纯培养发酵类型的比较.由于系统中的微生物是由多种微生物组成的混合菌群，其代谢产物的多元化是不可避免的。在反应器启动初期，微生物的多样性往往使系统发生混合酸发酵，即便是在反应系统达到运行的稳定阶段（形成三种发酵类型中的一种）后，其末端发酵产物中除主要的目标产物外，仍然有少量其它发酵产物的生成。（3-1）常见发酵类型的比较与分析发酵类型丙酸型丁酸型乙醇型主要末端发酵产物丙酸和乙酸CO2丁酸和乙酸CO2、H2乙醇和乙酸CO2、H21molG发酵净产ATP4mol3mol2mol产氢产乙酸菌的代谢从难到易排列：丙酸﹥丁酸﹥乙醇运行稳定性乙醇型，丁酸型﹥丙酸型丙酸型发酵是最易被厌氧生物处理系统选择的发酵类型，而乙醇型发酵是最理想的产酸发酵类型（3-2）乙醇发酵与乙醇型发酵的区别乙醇发酵乙醇型发酵微生物真核：酵母原核：细菌培养方式纯培养混合培养主要产物液相乙醇乙醇和乙酸气相CO2CO2、H2机制（乙醛的生成）丙酮酸脱羧产生乙醛乙酰辅酶A还原产生乙醛（4）底物水平磷酸化（P95）是在被氧化底物上发生的磷酸化作用，即底物被氧化过程中，形成了某些高能磷酸化合物，通过酶的作用可使ADP生成ATP。x～Ⓟ+ADP→ATP+x6.3.4呼吸（1）概念（2）有氧呼吸（3）无氧呼吸（1）概念有机物的生物氧化过程中，以分子氧或无机盐中的氧原子作为最终电子受体的产能代谢方式，称为呼吸。根据最终电子受体的不同，可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种类型。有氧呼吸与无氧呼吸的比较有氧呼吸无氧呼吸完全氧化不完全氧化在氧气充足的条件下，将基质彻底氧化分解为H2O和CO2，同时产生大量能量（O2为最终电子受体）在无氧或缺氧条件下，以无机盐中的氧原子作为最终氢受体，对基质进行不彻底的氧化分解，主要产物为小分子有机物，以及H2O和CO2等，同时产生少量能量在氧气不足的条件下，对有机物进行不彻底的氧化分解（O2为最终电子受体），末端产物除H2O和CO2外，还有小分子有机物，产生的能量要比完全氧化少（2）有氧呼吸（2-1）有氧呼吸的主要部位（2-2）主要代谢过程（2-3）电子传递体系与电子传递体系磷酸化（2-4）三羧酸循环及其意义（2-5）内源呼吸和外源呼吸（2-1）有氧呼吸的主要部位真核微生物的有氧呼吸主要发生在线粒体中；原核微生物则发生在细胞膜（内侧）上（2-2）主要代谢过程参见教材P100（2-3）电子传递体系与电子传递体系磷酸化A.电子传递体系：在有氧呼吸中，被氧化有机物脱下的质子和电子并不直接传递给氧，而是在多种酶及辅因子的作用下，依次传递，最终传递给氧原子，生成水，能量是在这一电子传递过程中产生的。电子传递体系又称呼吸链，辅酶NADH和FADH2为电子传递体，参与电子传递的各种辅因子称为电子中间传递体，O2最终电子受体。B.呼吸链的分类：根据电子传递体系中的第一电子受体（或受氢体），可将呼吸链分为NADH和FADH2呼吸链。NADH和FADH2呼吸链C.电子传递体系磷酸化当电子从NADH和FADH2经电子传递体系（呼吸链）传递给氧形成水的同时，伴有ADP的磷酸化生成ATP，这一生物氧化过程称为电子传递体系磷酸化。电子（或氢）经NADH呼吸链可产生3mol的ATP，经FADH2呼吸链可产生2mol的ATP。（2-4）三羧酸循环及其意义A.三羧酸循环(TAC)三羧酸循环又称柠檬酸循环。在该循环中有3mol的NADH和1molFADH2，经呼吸链可产生11molATP；同时还包含一次底物磷酸化作用，产生1molATP。循环中还有大量各种中间产物生成。三羧酸循环(TAC)B.1molG经有氧呼吸完全氧化产生ATP分析反应阶段反应ATP的消耗与合成（mol）消耗合成小计底物磷酸化传递体系磷酸化酵解葡糖→6-磷酸葡糖1－16-磷酸果糖→1,6二磷酸果糖1－13-磷酸甘油醛→1,3-二磷酸甘油酸NADH链3×261,3-二磷酸甘油酸→3-磷酸甘油酸1×222-磷酸丙酮酸→烯醇式丙酮酸1×22丙酮酸脱羧丙酮酸→乙酰辅酶A（NADH呼吸链）3×26TAC异柠檬酸→草酰琥珀酸（NADH呼吸链）3×26-酮戊二酸→琥珀酰辅酶A（NADH链）3×26琥珀酰辅酶A→琥珀酸1×22琥珀酸→延胡索酸（FNDH2呼吸链）2×24苹果酸→草酰乙酸（NADH呼吸链）3×26总计40mol（净产38mol）C.三羧酸循环的意义是生物有机体获得能量的最有效的方式；是糖类、脂类和蛋白质三大类物质转化的枢纽；TAC所产生的各种重要的中间产物，为其它化合物的合成提供了原料。发酵工业上利用微生物的三羧酸循环代谢途径，生产有关的有机酸，如柠檬酸、谷氨酸等。参考教材P109的相关内容（2-5）内源呼吸和外源呼吸(P102)在正常情况下，微生物主要利用外界供给的能源进行呼吸，叫外源性呼吸；同时，细胞内有机质也在不断更新，利用内部贮存的能源所进行的呼吸作用称为内源性呼吸，常称做内源呼吸。当外界缺乏或无能源供给时，微生物仅能利用自身内部贮存的能源(如多糖、脂类、聚β-羟丁酸等)进行呼吸，以提供细胞合成或维持有限的生命活动所需的能量，此时内源呼吸作为惟一的产能过程。（3）无氧呼吸能够作为无氧呼吸最终电子受体的无机物主要有NO3-、SO42-和CO32-，这些无机盐在接受电子后被还原，分别称为硝酸盐还原、硫酸盐还原和碳酸盐还原。（3-1）硝酸盐还原（反硝化作用）（P104）在缺氧条件下，有些细菌能以有机物为供氢体，以硝酸盐NO3-作为最终电子受体进行生物代谢，这类细菌称硝酸盐还原菌（反硝化细菌）；NO3-在反硝化细菌作用下，被还原为N2或氮氧化物的过程，称为反硝化作用，在此过程中有少量ATP生成。化害为利硝酸盐在自然界中，又被还原为NO2-的潜在可能，而NO2-对生物体是极其有害的，是一种严重的环境污染物，因此，国家对排放废水中总氮的含量有严格限制。利用反硝化细菌的反硝化作用，可以对废水进行脱氮处理，降低排放废水中总氮含量。你有办法将废水中的有机氮变为氮气吗？（3-2）硫酸盐还原（反硫化作用）（P105）硫酸盐还原菌：在生物氧化过程中，能以SO42-作为最终电子受体的细菌称为硫酸盐还原菌；反硫化作用：无氧条件下，SO42-在硫酸盐还原菌的作用下还原为H2S的过程利用硫酸盐还原菌，可以对含硫酸盐有机废水进行除硫处理，使废水中的硫酸盐含量达到排放标准。（3-3）碳酸盐还原（异型甲烷生成作用）（P106）有些产甲烷细菌能以H2作为电子供体，以CO32-作为最终电子受体合成甲烷，这一生物过程称为碳酸盐的还原作用，也称为异型产甲烷作用。这是产甲烷菌产生甲烷的机制之一。产甲烷菌的产甲烷作用（P107）4H2+HCO3-+H+→CH4+3H2O4HCOO-+4H+→CH4+CO2+2H2O4CH3OH→3CH4+CO2+2H2OCH3COO-+H+→CH4+CO2产甲烷细菌对营养条件要求苛刻，所能利用的底物种类十分有限，在二碳以上有机化合物中，只能利用乙酸6.3.5兼性微生物的生物氧化（1）兼性微生物的概念P108兼性厌氧微生物兼性好氧微生物以有氧呼吸为主（在好氧环境中代谢活跃），在厌氧环境中也能生存以无氧呼吸或发酵为主（在厌氧环境中代谢活跃），在有氧环境中也能生存（2）兼性微生物的特点在有氧条件下进行好氧呼吸，在厌氧条件下进行无氧呼吸或发酵。（3）有机废水好氧生物处理系统中，兼性微生物占主导地位有人统计，在活性污泥中有70%左右，甚至90％以上微生物为兼性微生物。因而，对于好氧活性污泥法，即使处理构筑物短时甚至长时间呈现缺氧状态，亦不致造成大量微生物死亡。（P108）（4）巴斯德效应现在请参见教材P108