理學(xué)環(huán)境微生物微生物代謝

理學(xué)環(huán)境微生物微生物代謝第1頁/共94頁2代謝（metabolism）：細胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱。代謝分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)分解代謝復(fù)雜分子（有機物）簡單分子ATP[H]合成代謝++第2頁/共94頁3第3頁/共94頁4Adenine(blue)Ribose(black)Triphosphate(red)第4頁/共94頁5Structuresoftheoxidizedformsofnicotinamide-derivedelectroncarriers.Nicotinamideadeninedinucleotide(NAD)andnicotinamideadeninedinucleotidephosphate(NADP)areprominentcarriersofhigh-energyelectrons.InNAD,R=H;inNADP,R=PO32-脫氫酶輔酶第5頁/共94頁6Structureoftheoxidizedformofflavinadeninedinucleotide(FAD).Thiselectroncarrierconsistsofaflavinmononucleotide(FMN)unit(showninblue)andanAMPunit(showninblack).第6頁/共94頁7一、微生物的生物氧化和產(chǎn)能微生物的生物氧化本質(zhì)是氧化還原反應(yīng)，這過程中有能量的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移、還原力[H]的產(chǎn)生、小分子中間代謝物的產(chǎn)生。微生物產(chǎn)生各種能量如電能、化學(xué)能、機械能、光能等。在所產(chǎn)生的能量中，一部分變?yōu)闊崃繂适?，一部分供給合成反應(yīng)和生命活動，另一部分貯存在ATP中。微生物的能源主要包括有機物、無機物和日光，能量代謝的主要內(nèi)容就是研究微生物如何利用這三類能源轉(zhuǎn)化為ATP的。第7頁/共94頁8ATP的生成方式有：1、基質(zhì)（底物）水平磷酸化：厭氧或兼性厭氧微生物在基質(zhì)氧化過程中，產(chǎn)生一個含有高能鍵的中間物，將高能鍵轉(zhuǎn)移到ADP，成為ATP，如1，3-二磷酸甘油酸和磷酸烯醇式丙酮酸。2、氧化磷酸化：是主要的能量來源。氧化磷酸化作用是將生物氧化過程中釋放出的自由能轉(zhuǎn)移形成高能ATP的作用，能量的轉(zhuǎn)移通過電子傳遞鏈實現(xiàn)，ATP的生成基于與電子傳遞相偶聯(lián)的磷酸化作用。氧化磷酸化的全過程可表示為：

NADH+H++3ADP+3Pi+1/2O2→NAD++4H2O+3ATP第8頁/共94頁9電子傳遞鏈：由NAD或NADP、FAD或FMN、輔酶Q、細胞色素b、c、a、a3組成。電子傳遞鏈的位置，原核生物中電子傳遞鏈與細胞質(zhì)膜相連，真核微生物在線粒體上。

基本功能：a、接受電子供體釋放出的電子，電子沿各組分傳遞，最后由細胞色素氧化酶將電子傳給氧；b、合成ATP。第9頁/共94頁10電子受體電子供體第10頁/共94頁11第11頁/共94頁123、光合磷酸化：光引起葉綠素、菌綠素或菌紫素逐出電子，通過電子傳遞產(chǎn)生ATP的過程叫光合磷酸化。非循環(huán)式光合磷酸化：光照后，激發(fā)態(tài)葉綠素分子從H2O得到電子傳遞給NADP+，經(jīng)過電子傳遞鏈后產(chǎn)生ATP：2H2O+2NADP++2ADP+2Pi→2NADPH+2H++2ATP+O2

環(huán)式光合磷酸化中電子循環(huán)流動，整個過程中只有ATP的產(chǎn)生不伴隨NADPH的生成，不產(chǎn)生O2。第12頁/共94頁13產(chǎn)能（ATP）生物氧化的功能：產(chǎn)還原力[H]

產(chǎn)小分子中間代謝物二、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化與產(chǎn)能代謝 好氧呼吸生物氧化的三種類型： 厭氧呼吸 發(fā)酵第13頁/共94頁141.好氧呼吸以分子態(tài)的氧作為最終電子受體的生物氧化過程。徹底氧化，放能最多。2.厭氧呼吸3.發(fā)酵作用電子供體是有機化合物，而最終電子受體也是有機化合物的生物氧化過程。不徹底氧化，放能最少。以無機氧化物作為最終電子受體的生物氧化過程，如NO2-、NO3-、SO42-、CO32-及CO2等。不需要氧氣，放能多。第14頁/共94頁15(一)葡萄糖代謝途徑(EMP、HMP、ED、PK途徑等)1、EMP途徑2、HMP途徑3、ED途徑4、磷酸酮解途徑（Phosphoketolasepathway)生物體內(nèi)葡萄糖降解成丙酮酸的過程第15頁/共94頁16

1.EMP途徑（Embden-Meyerhof-ParnasPathway）即糖酵解(Glycolysis)途徑，指在細胞質(zhì)中分解葡萄糖生成丙酮酸的過程，此過程中伴有少量ATP的生成。在缺氧條件下丙酮酸被還原為乳酸，有氧條件下丙酮酸可進一步氧化分解生成乙酰CoA進入三羧酸循環(huán)，生成CO2和H2O。第16頁/共94頁176碳階段無氧化還原反應(yīng)無ATP生成耗能3碳階段氧化還原反應(yīng)合成ATP產(chǎn)能第17頁/共94頁186碳階段無氧化還原反應(yīng)無ATP生成耗能第18頁/共94頁193碳階段氧化還原反應(yīng)合成ATP產(chǎn)能第19頁/共94頁20第20頁/共94頁21

EMP途徑反應(yīng)總反應(yīng)式：C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi→2CH3COCOOH+2ATP+2NADH+2H++2H2OC62C3耗能階段產(chǎn)能階段2ATP4ATP2ATP還原力2NADH+H+2丙酮酸第21頁/共94頁22EMP途徑的生理功能EMP是葡萄糖降解到丙酮酸的最常見途徑；多數(shù)微生物具有EMP途徑，存在于微生物的所有主要類群中；產(chǎn)生能量ATP、還原力NADH和多種中間產(chǎn)物；連接其它代謝途徑（ED，HM，TCA）的橋梁；與多種發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)密切相關(guān)；逆向可合成糖類物質(zhì)。第22頁/共94頁23丙酮酸是各種微生物糖酵解的產(chǎn)物，如果進一步發(fā)酵，可形成多種產(chǎn)物。因此，有可將發(fā)酵分為很多類型：如乙醇發(fā)酵；混合酸發(fā)酵等。其中，混合酸發(fā)酵是多數(shù)大腸桿菌的特征。第23頁/共94頁24

2.HMP途徑（戊糖磷酸途徑）

(HexoseMonophosphatePathway)PentosePhosphatePathway第24頁/共94頁25第25頁/共94頁26HMP途徑：葡萄糖經(jīng)轉(zhuǎn)化成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶的催化下，裂解成5-磷酸戊糖和CO2。磷酸戊糖進一步代謝有兩種結(jié)局，①磷酸戊糖經(jīng)轉(zhuǎn)酮—轉(zhuǎn)醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借EMP途徑的一些酶，進一步轉(zhuǎn)化為丙酮酸，稱為不完全HMP途徑。②由六個葡萄糖分子參加反應(yīng)，經(jīng)一系列反應(yīng)，最后回收五個葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（徹底氧化成CO2和水），稱完全HMP途徑。第26頁/共94頁27HMP是一條葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)而得到徹底氧化，并能產(chǎn)生大量NADPH+H+形式的還原力和多種中間代謝產(chǎn)物的代謝途徑葡萄糖經(jīng)過幾步氧化反應(yīng)產(chǎn)生核酮糖-5-磷酸和CO2

；核酮糖-5-磷酸發(fā)生同分異構(gòu)化或表異構(gòu)化而分別產(chǎn)生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸；上述各種戊糖磷酸在無氧參與的情況下發(fā)生碳架重排，產(chǎn)生己糖磷酸和丙糖磷酸。HMP途徑降解葡萄糖的三個階段第27頁/共94頁28HMP途徑關(guān)鍵步驟：1.葡萄糖→6-磷酸葡萄糖酸2.6-磷酸葡萄糖酸→5-磷酸核酮糖→5-磷酸木酮糖

↓

5-磷酸核糖→參與核酸生成3.5-磷酸核酮糖→6-磷酸果糖+3-磷酸甘油醛(進入EMP第28頁/共94頁296葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O

5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++12CO2+PiHMP途徑的總反應(yīng)第29頁/共94頁30HMP途徑的重要意義為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸；產(chǎn)生大量NADPH，一方面為脂肪酸、固醇等物質(zhì)的合成提供還原力，另方面可通過呼吸鏈產(chǎn)生大量的能量；與EMP途徑在果糖-1,6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸處連接，可以調(diào)劑戊糖供需關(guān)系；途徑中的赤蘚糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、堿基合成、及多糖合成；途徑中存在3~7碳的糖，使具有該途徑微生物的所能利用利用的碳源譜更為更為廣泛；通過該途徑可產(chǎn)生許多種重要的發(fā)酵產(chǎn)物。如核苷酸、若干氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等；HMP途徑在總的能量代謝中占一定比例，且與細胞代謝活動對其中間產(chǎn)物的需要量相關(guān)。第30頁/共94頁313.ED途徑又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑。1952年在Pseudomonassaccharophila中發(fā)現(xiàn)，后來證明存在于多種細菌中（革蘭氏陰性菌中分布較廣）。ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而單獨存在，是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的微生物的一種替代途徑，未發(fā)現(xiàn)存在于其它生物中。第31頁/共94頁32

ATPADPNADP+NADPH2葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡萄酸

~~激酶

（與EMP途徑連接）

~~氧化酶

(與HMP途徑連接)EMP途徑3-磷酸-甘油醛~~脫水酶

2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸丙酮酸~~醛縮酶有氧時與TCA連接無氧時進行細菌發(fā)酵

ED途徑第32頁/共94頁33ED途徑特征性化合物：（KDPG）2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸特征性酶：KDPG醛縮酶特征性反應(yīng)：KDPG裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛代謝產(chǎn)物：2丙酮酸

1ATP1NADH1NADPHGlycolyticpathway第33頁/共94頁34ED途徑的特點反應(yīng)步驟簡單，產(chǎn)能效率低；此途徑可與EMP途徑、HMP途徑和TCA循環(huán)相連接，可互相協(xié)調(diào)以滿足微生物對能量、還原力和不同中間代謝物的需要。好氧時與TCA循環(huán)相連，厭氧時進行乙醇發(fā)酵。第34頁/共94頁354.磷酸酮解途徑Phosphoketolasepathway，PK途徑存在于某些細菌如明串珠菌屬和乳桿菌屬中的一些細菌中。進行磷酸酮解途徑的微生物缺少醛縮酶，所以它不能夠?qū)⒘姿峒禾橇呀鉃?個三碳糖。磷酸酮解酶途徑有兩種：磷酸戊糖酮解途徑（PK）途徑磷酸己糖酮解途徑（HK）途徑第35頁/共94頁36磷酸戊糖酮解核酮糖5-P木酮糖5-P磷酸戊糖酮解酶異構(gòu)化作用ATP、NADH的產(chǎn)生？第36頁/共94頁37磷酸戊糖酮解途徑的特點:①分解1分子葡萄糖只產(chǎn)生1分子ATP，相當(dāng)于EMP途徑的一半;②幾乎產(chǎn)生等量的乳酸、乙醇和CO2第37頁/共94頁38磷酸己糖解酮途徑

2葡萄糖

2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖6-磷酸-果糖4-磷酸-赤蘚糖乙酰磷酸2木酮糖-5-磷酸2甘油醛-3-磷酸2乙酰磷酸2乳酸2乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶逆HMP途徑同EMP乙酸激酶第38頁/共94頁39☆概念：在生物氧化中發(fā)酵是指無氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力不經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接交給一內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能反應(yīng)。在發(fā)酵工業(yè)上，發(fā)酵是指任何利用厭氧或好氧微生物來生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一類生產(chǎn)方式?！畎l(fā)酵途徑：葡萄糖在厭氧條件下分解葡萄糖的產(chǎn)能途徑主要有EMP、HMP、ED和PK途徑?！畎l(fā)酵類型：根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物的種類有乙醇發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、丙酸發(fā)酵、丁酸發(fā)酵、混合酸發(fā)酵、丁二醇發(fā)酵、及乙酸發(fā)酵等。(二)發(fā)酵作用第39頁/共94頁40①酵母型酒精發(fā)酵②同型乳酸發(fā)酵③丙酸發(fā)酵④混合酸發(fā)酵⑤2,3—丁二醇發(fā)酵⑥丁酸發(fā)酵丙酮酸的發(fā)酵產(chǎn)物（一）乙醇發(fā)酵第40頁/共94頁411.乙醇發(fā)酵EthanolfermentationPyruvate+NADHEthanol+NAD++CO2EthanolametabolicendproductToxictocellsProvidesreoxidationofNADHtoNADCarbonlost第41頁/共94頁42

C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脫氫酶①酵母菌的乙醇發(fā)酵：概念菌種途徑特點發(fā)生條件※該乙醇發(fā)酵過程只在pH3.5~4.5以及厭氧的條件下發(fā)生。第42頁/共94頁43★當(dāng)發(fā)酵液處在堿性條件下，酵母的乙醇發(fā)酵會改為甘油發(fā)酵。原因：該條件下產(chǎn)生的乙醛不能作為正常受氫體，結(jié)果2分子乙醛間發(fā)生歧化反應(yīng)，生成1分子乙醇和1分子乙酸；CH3CHO+H2O+NAD+CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+CH3CH2OH+NAD+

此時也由磷酸二羥丙酮擔(dān)任受氫體接受3-磷酸甘油醛脫下的氫而生成-磷酸甘油，后者經(jīng)-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2CO2第43頁/共94頁44第44頁/共94頁45☆酵母菌（在pH3.5-4.5時）的乙醇發(fā)酵

丙酮酸乙醛乙醇通過EMP途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)式為：C6H12O6+2ADP+2Pi2C2H5OH+2CO2+2ATP☆細菌(Leuconostocmesenteroides)的乙醇發(fā)酵通過HMP途徑產(chǎn)生乙醇、乳酸等，總反應(yīng)如下：葡萄糖+ADP+Pi乳酸+乙醇+CO2+ATP☆細菌(Zymomonasmobilis)的乙醇發(fā)酵通過ED途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)如下：葡萄糖+ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP脫羧酶脫氫酶同型乙醇發(fā)酵：產(chǎn)物中僅有乙醇一種有機物分子的酒精發(fā)酵異型乙醇發(fā)酵：除主產(chǎn)物乙醇外，還存在有其它有機物分子的發(fā)酵第45頁/共94頁46利用Z.mobilis等細菌生產(chǎn)酒精優(yōu)點：代謝速率高；產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高；菌體生成少代謝副產(chǎn)物少；發(fā)酵溫度高；缺點：PH=5較易染菌；耐乙醇力較酵母低第46頁/共94頁47乳酸細菌能利用葡萄糖及其他相應(yīng)的可發(fā)酵的糖產(chǎn)生乳酸，稱為乳酸發(fā)酵。由于菌種不同，代謝途徑不同，生成的產(chǎn)物有所不同，將乳酸發(fā)酵又分為同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧桿菌發(fā)酵。同型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)EMP途徑）異型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)HMP途徑）雙歧桿菌發(fā)酵:（經(jīng)PK途徑—磷酸己糖解酮酶途徑）2.乳酸發(fā)酵第47頁/共94頁48葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮2(1,3-二-磷酸甘油酸）2乳酸

2丙酮酸①同型乳酸發(fā)酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADPLactococcuslactisLactobacillusplantarum概念菌種途徑特點第48頁/共94頁49②異型乳酸發(fā)酵：葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP2ATP-2H概念菌種途徑特點-CO2HMP途徑第49頁/共94頁50類型途徑產(chǎn)物產(chǎn)能/葡萄糖菌種代表同型EMP2乳酸2ATPLactobacillusdebruckii異型HMP1乳酸1乙醇1CO21ATPLeuconostocmesenteroides同型乳酸發(fā)酵與異型乳酸發(fā)酵的比較第50頁/共94頁51概念：埃希氏菌、沙門氏菌、志賀氏菌屬等通過EMP途徑將葡萄糖轉(zhuǎn)變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多種代謝產(chǎn)物，含有多種有機酸，故稱為混合酸發(fā)酵。發(fā)酵途徑：葡萄糖琥泊酸草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA甲酸乙醇乙酰磷酸CO2H2

乙酸丙酮酸甲酸裂解酶乳酸脫氫酶甲酸-氫裂解酶磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脫氫酶+2HpH﹤6.23.混合酸發(fā)酵第51頁/共94頁52葡萄糖乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA甲酸乙醇乙酰乳酸

二乙酰

3-羥基丁酮

2,3-丁二醇CO2H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脫羧酶2,3-丁二醇脫氫酶概念：腸桿菌、沙雷氏菌、和歐文氏菌屬中的一些細菌具有-乙酰乳酸合成酶系而進行丁二醇發(fā)酵。發(fā)酵途徑：EMP4.2,3-丁二酸發(fā)酵第52頁/共94頁53鑒別腸道細菌的V.P.試驗鑒別原理

縮合脫羧2丙酮酸乙酰乳酸乙酰甲基甲醇

堿性條件

2,3-丁二醇二乙酰

（與培養(yǎng)基蛋白胨中精氨酸的胍基結(jié)合）紅色化合物-CO2第53頁/共94頁54鑒別腸道細菌的產(chǎn)酸產(chǎn)氣、甲基紅（M.R）試驗產(chǎn)酸產(chǎn)氣試驗：

Escherichia與Shigella在利用葡萄糖進行發(fā)酵時，前者具有甲酸氫解酶，可在產(chǎn)酸的同時產(chǎn)氣，后者則因無此酶，不具有產(chǎn)氣的能力。甲基紅試驗：大腸桿菌與產(chǎn)氣氣桿菌在利用葡萄糖進行發(fā)酵時，前者可產(chǎn)生大量的混合酸，后者則產(chǎn)生大量的中性化合物丁二醇，因此在發(fā)酵液中加入甲基紅試劑時，前者呈紅色，后者呈黃色。大腸桿菌：產(chǎn)酸較多，使pH﹤4.5產(chǎn)氣桿菌：pH﹥4.5第54頁/共94頁55甲基紅試驗:甲基紅是pH指示劑，由于大腸埃希氏菌產(chǎn)酸較多，pH可低至4.2，用甲基紅指示劑可顯示出來，而丁二醇是中性化合物，反應(yīng)陰性。陽性陰性對照大腸桿菌：+產(chǎn)氣桿菌：-第55頁/共94頁56（三）好氧呼吸當(dāng)存在外在的最終電子受體——分子氧時，底物可全部氧化成二氧化碳和水，產(chǎn)生ATP，這一氧化作用稱為好氧呼吸（或呼吸作用）。在好氧呼吸過程中，底物在氧化過程中釋放的電子轉(zhuǎn)移給NAD，NAD還原成NADH2，電子轉(zhuǎn)移到電子傳遞鏈最終傳遞給O2，生成H2O。在好氧呼吸中，葡萄糖的氧化分解分為兩個階段：a、經(jīng)EMP途徑酵解，形成中間產(chǎn)物丙酮酸；b、丙酮酸通過TCA循環(huán)徹底氧化。第56頁/共94頁57TCA循環(huán)：也稱檸檬酸循環(huán)。由丙酮酸乙?；纬梢阴oA，乙酰CoA進入三羧酸循環(huán)，被徹底氧化為CO2、H2O。乙酰CoA是一個重要的中間產(chǎn)物，它的乙酰基與草酰乙酸結(jié)合生成檸檬酸。第57頁/共94頁58Overviewofthecitricacidcycle.Thecitricacidcycleoxidizestwo-carbonunits,producingtwomoleculesofCO2,onemoleculeofGTP,andhighenergyelectronsintheformofNADHandFADH2.第58頁/共94頁59

1mol丙酮酸經(jīng)TCA產(chǎn)生3molCO2。好氧呼吸中1mol葡萄糖分子氧化分解可得到38molATP（[4NAD×3+1FAD×2+1GTP]×2+2ATP+1NADP×3），利用能量的效率大約是42%，其余的能量以熱的形式散發(fā)掉。第59頁/共94頁60葡萄糖經(jīng)不同脫氫途徑后的產(chǎn)能效率的特點和差別第60頁/共94頁61好氧呼吸：外源性呼吸——微生物利用外界供給的能源進行呼吸；內(nèi)源性呼吸——利用自身內(nèi)部貯存的能源物質(zhì)（如多糖、脂肪、PHB等）進行呼吸，呼吸速度取決于細胞的原有營養(yǎng)水平。好氧呼吸能否進行取決于氧的體積分數(shù)是否達到0.2%，低于此不能進行。第61頁/共94頁62（四）厭氧呼吸厭氧呼吸中最終電子受體不是氧而是無機化合物如NO2-、NO3-、SO42-、CO32-及CO2等。氧化底物是有機物如葡萄糖、乙酸、乳酸，被氧化為CO2，產(chǎn)生ATP。氧化態(tài)有機物如延胡索酸可作為最終電子受體。第62頁/共94頁631、以NO3-作為最終電子受體供氫體可以是葡萄糖、乙酸、甲醇等有機物，也可以是H2和NH3。NO3-接受電子后變成NO2-、N2的過程叫脫氮作用，也叫反硝化作用或硝酸鹽還原作用，能進行硝酸鹽還原的細菌通常稱為硝酸鹽還原細菌.脫氮作用分兩步：a、NO3-→NO2-（硝酸還原酶）；b、NO2-→N2有機物生物氧化時產(chǎn)生的NADH2、FADH2中的H2通過硝酸鹽還原菌電子傳遞將電子傳遞給NO3-、NO2-、NO、N2O使相應(yīng)化學(xué)物質(zhì)還原。由于NO2-/NO3-氧化還原電位較低，比H2O/1/2O2低得多，因此電子通過上述的電子傳遞鏈只能產(chǎn)生2個ATP。第63頁/共94頁642、以SO42-為最終電子受體某些硫酸鹽還原菌如脫硫弧菌以有機物作為氧化的基質(zhì)，釋放的電子可使SO42-還原為H2S。硫酸鹽還原菌不以葡萄糖而是其他細菌的發(fā)酵產(chǎn)物主要是乳酸為生物氧化基質(zhì)，氧化不徹底，積累乙酸。2CH3CHOHCOOH+2H2O→2CH3COOH+CO2+8（H）SO42-+8（H）→S2-+4H2O

當(dāng)SO42-還原為H2S時，通過電子傳遞鏈產(chǎn)生ATP，其呼吸鏈只有細胞色素C。第64頁/共94頁65

3、以CO2和CO為最終電子受體——碳酸鹽還原（甲烷生成）這是產(chǎn)甲烷細菌的特點。產(chǎn)甲烷細菌都能以CO2為碳源，利用甲醇、乙醇、甲酸、乙酸、H2等作為供氫體，將CO2還原CH4。

CO2在甲酰-MFR脫氫酶作用下獲得2個電子，首先與MFR反應(yīng)生成甲酰-MFR，而后甲酰基轉(zhuǎn)移到四氫甲烷喋呤，形成CHO-H4MPT，第二步是水解脫氫得到CH2=H4MPT，還原得到CH3-H4MPT，在輔酶M參與下，甲基移到輔酶M上形成CH3-S-CoM，最后還原酶將甲基還原得到CH4。第65頁/共94頁66第66頁/共94頁67三、微生物發(fā)光現(xiàn)象明亮發(fā)光桿菌第67頁/共94頁68發(fā)光細菌含有蟲熒光素酶和長鏈脂肪族醛（如月桂醛）。發(fā)光過程包括電子傳遞和能量轉(zhuǎn)移。發(fā)光細菌的發(fā)光過程是一種光呼吸過程，是電子傳遞鏈上的一個側(cè)支即還原型的黃素單核苷酸，F(xiàn)MNH2充當(dāng)反應(yīng)的底物，螢光酶起催化作用，長鏈脂肪醛起作改變螢光酶構(gòu)造的“修飾”作用。螢光酶通過分子氧催化FMNH2和脂肪醛(RCHO)的氧化，產(chǎn)生磷光。第68頁/共94頁69發(fā)光細菌是兼性厭氧菌，對氧很敏感，即使氧含量很微時也可發(fā)光，因此可用于測定溶液中的微量氧。發(fā)光細菌對一些毒物很敏感。外界條件和培養(yǎng)基成分pH，溫度，氧濃度變化會影響細菌的發(fā)光，而有毒的化學(xué)物質(zhì)，重金屬離子，抗生素，化學(xué)治療劑，農(nóng)藥等同樣會影響細菌發(fā)光，故采用發(fā)光細菌作為敏感的指標物測定有毒有害物是可能的。第69頁/共94頁70AcutetoxicityassayusingbioluminescentbacteriaAsimplemethodfortoxicityscreeningViabilityassessment

第70頁/共94頁71四、微生物的合成代謝第71頁/共94頁72一、產(chǎn)甲烷菌的合成代謝產(chǎn)甲烷菌利用C1和C2有機物產(chǎn)生CO2、CH4，利用其中間代謝產(chǎn)物和能量物質(zhì)ATP合成蛋白質(zhì)、多糖、脂肪、核酸等。

特點：1、產(chǎn)甲烷細胞需要ATP較異養(yǎng)菌少，大約是一半2、產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)能量低，以H2/CO2為基質(zhì)產(chǎn)生CH4——131KJ，以乙酸為基質(zhì)產(chǎn)生CH4——32.5KJ3、能利用外源ATP催化自身反應(yīng)產(chǎn)生大量內(nèi)源ATP合成代謝三要素——小分子物質(zhì)、還原力、ATP第72頁/共94頁73二、生物固氮

微生物將氮還原為氨的過程稱為生物固氮具有固氮作用的微生物近50個屬，包括細菌、放線菌和藍細菌根據(jù)固氮微生物與高等植物以及其他生物的關(guān)系，可以把它們分為三大類自生固氮菌共生固氮菌聯(lián)合固氮菌第73頁/共94頁74a.自生固氮菌一類不依賴與它種生物共生而能獨立進行固氮的生物自生固氮菌好氧：固氮菌屬、氧化亞鐵硫桿菌屬、藍細菌等兼性厭氧：克雷伯氏菌屬、紅螺菌屬等厭氧：巴氏梭菌、著色菌屬、縁假單脃菌屬等第74頁/共94頁75b.共生固氮菌必須與它種生物共生在一起才能進行固氮的生物共生固氮菌非豆科：弗蘭克氏菌屬等滿江紅：滿江紅魚腥藍細菌等根瘤豆科植物：根瘤菌屬等植物地衣：魚腥藍細菌屬等第75頁/共94頁76c.聯(lián)合固氮菌必須生活在植物根際、葉面或動物腸道等處才能進行固氮的生物聯(lián)合固氮菌根際：生脂固氮螺菌芽胞桿菌屬等葉面：克雷伯氏菌屬、固氮菌屬等動物腸道：腸桿菌屬、克雷伯氏菌屬等第76頁/共94頁771．固氮反應(yīng)的條件

ATP

還原力[H]及其載體固氮酶鎂離子厭氧微環(huán)境底物N2

第77頁/共94頁78三、化能自養(yǎng)型微生物的合成代謝1、亞硝化細菌（氨氧化細菌）的合成代謝

NH4+氧化為羥胺，羥胺氧化為NO2-。羥胺在脫氫酶作用下，釋放兩個電子，經(jīng)電子傳遞后最終傳給O2，并產(chǎn)生能量：

NH4++1.5O2NO2-+2H++H2O+271KJ硝化細菌包括硝化桿菌屬、硝化刺菌屬、硝化球菌屬。將NO2-氧化為NO3-。NO2-氧化為NO3-的氧來自H2O，而不是O2：

NO2-+1/2O2NO3-+H++77.4KJ

2、硝化細菌的合成代謝第78頁/共94頁793、

硫氧化細菌硫細菌可以通過對無機硫、硫化氫及硫代硫酸鹽的氧化而得到能量。硫細菌分為光能自養(yǎng)和化能自養(yǎng)，化能自養(yǎng)通常稱為無色硫細菌以區(qū)別光能自養(yǎng)硫細菌。硫化氫先氧化為硫，硫再氧化為亞硫酸，再氧化為硫酸。硫代硫酸鹽先分解為硫和亞硫酸然后分別被氧化：

H2S+2O2SO42-+2H+794.5KJ第79頁/共94頁80

4、

鐵氧化細菌鐵細菌可以把Fe2+氧化為Fe3+，利用這個過程所產(chǎn)生的能量和還原力同化二氧化碳進行自養(yǎng)生長，這類細菌有硫桿菌屬、氧化亞鐵桿菌、嘉利翁氏菌、纖發(fā)菌屬等。大部分是專性化能自養(yǎng)。Fe2++1/4O2+H+→Fe3++1/2H2O+44.4KJ第80頁/共94頁81第81頁/共94頁825、

氫氧化細菌氫氧化細菌是一群將H2氧化成水，并從中獲得能量，用于同化二氧化碳的細菌。主要是好氧的兼性化能自養(yǎng)菌，少數(shù)是厭氧或兼性厭氧菌，G-。不僅能從氫的氧化中得到能量，還能利用有機物作為碳源和能源。H2+1/2O2→H2O+237.2KJ第82頁/共94頁83四、光合作用（一）藻類的光合作用和呼吸作用綠色植物或光合細菌利用光能將二氧化碳轉(zhuǎn)化成有機化合物的過程稱為光合作用。

藍細菌和真核藻類在光照條件下，利用光合色素進行非