微生物的代謝與環(huán)境工程

關(guān)于微生物的代謝與環(huán)境工程代謝（metabolism）：細胞內(nèi)發(fā)生的各種化學反應(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++第六章微生物的代謝與環(huán)境工程第2頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

第一節(jié)微生物的酶酶是動物、植物及微生物等生物體內(nèi)合成的、催化生物化學反應(yīng)的、并傳遞電子、原子和化學基團的生物催化劑。蛋白酶常見核酸酶很少，主要作用域核酸。第3頁,共93頁，2024年2月25日，星期天一、酶的組成按照酶的化學組成可將酶分為單純酶和全酶兩大類。單純酶分子中只有氨基酸殘基組成的肽鏈，全酶分子中則除了多肽鏈組成的蛋白質(zhì)酶，還有非蛋白成分（輔助因子），如金屬離子、鐵卟啉或含B族維生素的小分子有機物。全酶=酶蛋白+輔助因子，只有全酶才有催化作用。酶蛋白在酶促反應(yīng)中起著決定反應(yīng)特異性作用，而輔助因子則決定反應(yīng)類型，參與電子，原子及基團的傳遞第4頁,共93頁，2024年2月25日，星期天(一)酶的組成形式輔助因子輔酶輔基與酶蛋白結(jié)合緊密，不能通過透析或超濾的方法去除

與酶蛋白結(jié)合疏松，可用透析或超濾的方法去除。輔助因子的化學本質(zhì)是金屬離子或小分子有機化合物，按其與酶蛋白結(jié)合的緊密程度不同可分為輔酶與輔基第5頁,共93頁，2024年2月25日，星期天一、酶的組成（二）幾種重要輔基和輔酶見（P121～124）常見的輔酶和輔基有：輔酶I（NAD）和輔酶II（NADP）、輔酶A（CoA或CoASH）、FMN（黃素單核苷酸）和FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）、輔酶Q（CoQ）、磷酸腺苷及其他核苷酸類（包括AMP、ADP、ATP、GTP、UTP、CTP等）。專性厭氧菌特有的輔酶：輔酶M、F420（輔酶420）、F430（輔酶430）等。第6頁,共93頁，2024年2月25日，星期天二、酶的必需基團活性中心活性中心外必需基團必需基團活性中心內(nèi)必需基團結(jié)合基團催化基團結(jié)合底物催化底物概念：酶與底物直接結(jié)合并發(fā)揮催化作用的區(qū)域。不參與活性中心構(gòu)成，穩(wěn)定酶分子的空間結(jié)構(gòu)第7頁,共93頁，2024年2月25日，星期天活性中心外必需基團

酶的活性中心

多肽鏈底物分子活性中心內(nèi)必需基團

催化基團

結(jié)合基團

二、酶的必需基團活性中心第8頁,共93頁，2024年2月25日，星期天三、酶的催化特性

酶作為生物催化劑，具有一般催化劑的特征：（1）能加快化學反應(yīng)的速度，而本身在反應(yīng)前后沒有結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改變；（2）只能縮短反應(yīng)達到平衡所需要的時間而不能改變反應(yīng)的平衡點。酶作為一種生物大分子又有其不同與一般催化劑之處第9頁,共93頁，2024年2月25日，星期天三、酶的催化特性1

專一性高酶對底物及催化的反應(yīng)有嚴格的選擇性（專一性），一種酶僅能作用于一種物質(zhì)或一類結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，發(fā)生一定的化學反應(yīng)，這種對底物的選擇性稱為酶的專一性。如蛋白酶只能水解蛋白質(zhì)、脂肪酶只能水解脂肪、而淀粉酶只能作用于淀粉。2反應(yīng)條件溫和酶催化的反應(yīng)是在常溫、常壓和近中性的溶液條件下進行。酶本身是蛋白質(zhì)，故強酸、強堿、高溫、高壓、紫外線、重金屬鹽等一切導致蛋白質(zhì)不可逆變性的因素，都能使酶受到破壞而喪失其催化活性。第10頁,共93頁，2024年2月25日，星期天3、催化效率高

酶催化反應(yīng)的速率比非催化反應(yīng)高108-1020倍，比非生物催化劑高107-1013倍。如過氧化氫酶催化過氧化氫分解的的反應(yīng)，若用鐵離子作為催化劑，反應(yīng)速率為6×10-4；若用過氧化氫酶催化，反應(yīng)速率為6×106。酶能高效催化主要是能降低反應(yīng)的活化能。

4、酶積極參與生物化學反應(yīng)，不改變反應(yīng)的平衡點三、酶的催化特性第11頁,共93頁，2024年2月25日，星期天四、酶的分類與命名(一）酶的分類1、國際系統(tǒng)分類法及酶的編號按酶所催化的化學反應(yīng)類型，把酶化分為6類，即1、水解酶類：是催化大分子有機物水解成小分子的酶。2、氧化還原酶類：是催化氧化還原反應(yīng)的酶。3、轉(zhuǎn)移酶類：是催化底物因團轉(zhuǎn)移到另一有機物上的酶。4、異構(gòu)酶類：催化同分異構(gòu)分子內(nèi)的基團重新排列。5、裂解酶類：催化有機物裂解分小分子有機物。6、合成酶類：催化底物的合成反應(yīng)。第12頁,共93頁，2024年2月25日，星期天四、酶的分類與命名（二）酶的命名1、按酶在細胞的不同部位，可把酶分為：胞外酶、胞內(nèi)酶和表面酶。2、按酶作用底物的不同，可把酶分為：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶、核糖核酸酶。第13頁,共93頁，2024年2月25日，星期天四、酶的分類與命名（三）根據(jù)酶蛋白分子特點又可將酶分為三類1、單體酶只有一條多肽鏈，屬于這一類的酶很少，一般都是催化水解反應(yīng)酶，分子量在13,000～35,000之間，如溶菌酶、胰蛋白酶等。2、寡聚酶

由幾個甚至幾十個亞基組成，這些亞基可以是相同的多肽鏈，也可以是不同的多肽鏈。亞基之間不是共價結(jié)合，彼此很容易分開。寡聚酶分子量從35,000到幾百萬。3、多酶體系

是由幾種酶彼此嵌合形成的復(fù)合體。它有利于一系列反應(yīng)的連續(xù)進行。例如在脂肪合成中的脂肪酸合成酶復(fù)合體。第14頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

第二節(jié)酶促反應(yīng)動力學1.米氏方程I)20世紀，提出的酶——底物復(fù)合物的形成和過度態(tài)概念E+SESE+PE、S、ES、P分別代表酶、底物、中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物II)1894年Fischer提出了鎖和鑰匙模型III）1958年Koshland提出了誘導契合模型第15頁,共93頁，2024年2月25日，星期天鎖鑰學說：第16頁,共93頁，2024年2月25日，星期天誘導契合學說：底物的誘導才形成互補形狀

第17頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

第二節(jié)酶促反應(yīng)動力學1913年Michaelis和Menten提出三假設(shè)1）反應(yīng)速度為初速度，即反應(yīng)剛剛開始，產(chǎn)物生成量極少，忽略逆反應(yīng)；2)底物濃度（S）遠遠大于酶的濃度（E）；3）反應(yīng)處于穩(wěn)態(tài)，即中間產(chǎn)物生成和分解的速率相等。Km—米氏常數(shù)Vmax—最大反應(yīng)速率一、米氏方程第18頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

一、米氏方程Km的物理意義Km值是當酶反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時的底物濃度。單位是底物濃度的單位，一般用mol/L或mmol／L表示。計算：底物濃度—反應(yīng)速度第19頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

當pH、溫度和離子強度等因素不變時，Km是恒定的。Km是酶的特征性常數(shù)之一，Km值的大小，可以近似地表示酶和底物的親和力。Km值大，意味著酶和底物親和力小。米氏方程只適應(yīng)于較為簡單的酶促反應(yīng)。

一、米氏方程第20頁,共93頁，2024年2月25日，星期天莫諾德模式Monod基質(zhì)濃度（S）比增殖速率（μ）一級反應(yīng)區(qū)（n=1）混合級反應(yīng)區(qū)（0＜n＜1）零級反應(yīng)區(qū)（n=0）Ks

莫諾德于1942年和1950年曾兩次進行了單一基質(zhì)的純菌種培養(yǎng)試驗，關(guān)聯(lián)出微生物比增殖速率和基質(zhì)濃度之間的關(guān)系，如右圖所示?；钚晕勰喾磻?yīng)動力學方程

莫諾德發(fā)現(xiàn)微生物比增殖速率和基質(zhì)濃度之間的關(guān)系與酶促反應(yīng)速度與基質(zhì)濃度之間的關(guān)系相同，從而提出了與米—門方程式相似的莫諾德模式第21頁,共93頁，2024年2月25日，星期天1μ—微生物比增殖速率，d-1；μmax—微生物最大比增殖速率，d-1；S—溶液中限制微生物生長的基質(zhì)濃度，mg/L、g/m3；莫諾模式Monod基質(zhì)濃度（S）比增殖速率（μ）一級反應(yīng)區(qū)（n=1）混合級反應(yīng)區(qū)（0＜n＜1）零級反應(yīng)區(qū)（n=0）KsKs—飽和常數(shù)。即當μ=μｍax/2時的基質(zhì)濃度，故又稱為半速度常數(shù)，mg/L、g/m3。活性污泥反應(yīng)動力學方程第22頁,共93頁，2024年2月25日，星期天假設(shè)：微生物比增殖速率（μ）與基質(zhì)比降解速率（v）呈比例關(guān)系，即式中：－基質(zhì)比降解速率，d-1

；－基質(zhì)最大比降解速率，d-1

。基質(zhì)比降解速率（v），可以用莫諾模式加以描述：對廢水處理來說，有機物的降解是其基本目的，因此，式2的實際意義較大2活性污泥反應(yīng)動力學方程第23頁,共93頁，2024年2月25日，星期天三、影響酶促反應(yīng)速率的因素

1、底物濃度對酶反應(yīng)速度的影響在底物濃度很低時，一級反應(yīng)隨著底物濃度升高，混合級反應(yīng)繼續(xù)增大底物濃度，零級反應(yīng)基質(zhì)濃度（S）比增殖速率（μ）一級反應(yīng)區(qū)（n=1）混合級反應(yīng)區(qū)（0＜n＜1）零級反應(yīng)區(qū)（n=0）Ks第24頁,共93頁，2024年2月25日，星期天2．酶濃度對酶促反應(yīng)的影響在一定溫度和pH條件下，當?shù)孜餄舛却蟠蟪^酶的濃度時，酶的濃度與反應(yīng)速率呈正比，但在一定條件下，酶的濃度很高時，曲線會逐漸向平緩，這可能是高濃度的酶分子影響了分子擴散，阻礙了酶的活性中心和底物的結(jié)合。三、影響酶促反應(yīng)速率的因素

第25頁,共93頁，2024年2月25日，星期天3、溫度對酶促反應(yīng)速度的影響各種酶在最適溫度范圍內(nèi)，酶活性最強，酶促反應(yīng)速度最大。在適宜的溫度范圍內(nèi)，溫度每升高100C，酶促反應(yīng)速度可相應(yīng)提高1～2倍。用溫度系數(shù)Q10來表示溫度對酶促反應(yīng)的影響。Q10表示溫度每升高100C，酶反應(yīng)速度隨之相應(yīng)提高的因素。三、影響酶促反應(yīng)速率的因素

第26頁,共93頁，2024年2月25日，星期天一般微生物的溫度最適范圍在25-60℃。溫度的影響存在三基點：最高、最適、最低。溫度過高會破壞酶蛋白，造成變性；（約60℃）溫度過低會使酶作用降低或停止，但可以恢復(fù)。（約4℃）不同微生物的溫度適應(yīng)范圍不同。三、影響酶促反應(yīng)速率的因素

第27頁,共93頁，2024年2月25日，星期天4、pH對酶促反應(yīng)速度的影響酶反應(yīng)介質(zhì)pH可影響酶分子，特別是活性中心上必需基團的解離程度和催化基團中質(zhì)子供體或質(zhì)子受體所需的離子化狀態(tài)，同時也可影響底物和酶的解離程度，從而影響酶與底物的結(jié)合。三、影響酶促反應(yīng)速率的因素

第28頁,共93頁，2024年2月25日，星期天5、抑制劑對酶促反應(yīng)速度的影響

酶是蛋白質(zhì)，凡使酶蛋白變性而起酶活力喪失的作用稱為失活作用。凡使酶活力下降，但并不引起酶蛋白變性的作用稱為抑制作用。所以，抑制作用與變性作用是不同的。引起酶蛋白變性，但能與酶分子上的某些必需基團（主要是指酶活性中心上的一些基團）發(fā)生化學反應(yīng)，因而引起酶活力下降，甚至喪失，致使酶反應(yīng)速度降低。能引起這種抑制作用的物質(zhì)叫做酶的抑制劑。三、影響酶促反應(yīng)速率的因素

第29頁,共93頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)抑制劑與酶作用方式及抑制作用是否可逆，可將抑制作用分為兩大類。（1）不可逆的抑制作用：這類抑制劑通常以比較牢固的共價鍵與酶蛋白中的基團結(jié)合，而使酶失活。不能用透析、超濾等方法除去抑制劑而恢復(fù)酶活性。2）可逆的抑制作用：這類抑制劑與酶蛋白的結(jié)合是可逆的，可用透析法除去抑制劑，恢復(fù)酶的活性。根據(jù)抑制劑與底物的關(guān)系，可逆抑制作用分為三種類型：三、影響酶促反應(yīng)速率的因素

第30頁,共93頁，2024年2月25日，星期天①概念：抑制劑與底物競爭酶的結(jié)合部位，從而影響了底物與酶的正常結(jié)合。最常見的一種可逆抑制作用。②原因：抑制劑與底物的結(jié)構(gòu)類似，與酶可形成可逆的復(fù)合物，但此復(fù)合物不可能分解成產(chǎn)物，酶反應(yīng)速率下降。

增加底物濃度可解除這種抑制。（一）競爭性抑制作用（Competitiveinhibition)第31頁,共93頁，2024年2月25日，星期天③競爭性抑制的特征

（一）競爭性抑制作用（Competitiveinhibition)1.抑制劑結(jié)構(gòu)與底物相似；2.抑制劑結(jié)合的部位是酶的活性中心；3.抑制作用的大小取決于抑制劑與底物的相對濃度，在抑制劑濃度不變時，通過增加底物濃度可以減弱甚至解除競爭性抑制；4.Vmax不變，Km增大第32頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

概念：底物和抑制劑同時與酶結(jié)合，兩者沒有競爭作用。抑制劑（I）和底物（S）可以同時結(jié)合在酶分子（E）的不同部位上，形成ESI三元復(fù)合物。但是，中間產(chǎn)物ESI三元復(fù)合物不能進一步分解為產(chǎn)物,酶活力降低。(二）非競爭性抑制作用noncompetitiveinhibition）第33頁,共93頁，2024年2月25日，星期天特征1.抑制劑與底物結(jié)構(gòu)不相似；2.抑制劑結(jié)合的部位在酶活性中心外；3.抑制作用的強弱取決于抑制劑的濃度，此種抑制不能通過增加底物濃度而減弱或消除；4.Vmax下降，Km不變(二）非競爭性抑制作用noncompetitiveinhibition）第34頁,共93頁，2024年2月25日，星期天①概念酶只有與底物結(jié)合后，才能與抑制劑結(jié)合。與抑制劑結(jié)合后的三元復(fù)合物不能形成產(chǎn)物。(二）反競爭性抑制（uncompetitiveinhibition）②特征Vmax和Km值均降低。第35頁,共93頁，2024年2月25日，星期天微生物從外界不斷地吸收營養(yǎng)物質(zhì)，在體內(nèi)發(fā)生的各種化學反應(yīng)，將復(fù)雜的有機物分解成簡單的有機物的同時，也將其中一部分轉(zhuǎn)化為細胞自身的物質(zhì)成分，維系自身的生長和繁殖；同時將產(chǎn)生的廢物排出體外，這一過程稱之為新陳代謝。第三節(jié)微生物的代謝概述第36頁,共93頁，2024年2月25日，星期天新陳代謝(metabolism)1、按活細胞內(nèi)進行的化學反應(yīng)分：

分解代謝(catabolism)大分子

小分子（能量，細胞組分的前體）

合成代謝(anabolism)小分子

大分子（酶，結(jié)構(gòu)組分等）第三節(jié)微生物的代謝概述第37頁,共93頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)微生物的代謝概述能量與代謝關(guān)系示意圖第38頁,共93頁，2024年2月25日，星期天（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。第四節(jié)微生物的分解代謝第39頁,共93頁，2024年2月25日，星期天1、底物水平磷酸化：厭氧或兼性厭氧微生物在底物氧化過程中，產(chǎn)生多種含有高能磷酸鍵化合物，這些高能化合物能將能量轉(zhuǎn)移給ADP，成為ATP，如1，3-二磷酸甘油酸和磷酸烯醇式丙酮酸。2、呼吸鏈與氧化磷酸化：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（二）ATP的生成方式有：第四節(jié)微生物的分解代謝第40頁,共93頁，2024年2月25日，星期天呼吸鏈：在分解過程中，代謝物脫下的氫經(jīng)多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終于氧結(jié)合生成水，并產(chǎn)生可利用的能量。這一系列遞氫體或電子的酶和輔酶/輔基形成電子傳遞體系叫呼吸鏈。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。第四節(jié)微生物的分解代謝脫氫酶黃素蛋白第41頁,共93頁，2024年2月25日，星期天3、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。這種產(chǎn)能方式同氧化磷酸化的主要區(qū)別在于：氧化磷酸化是由高能化合物分子氧化驅(qū)動的，而光合磷酸化是由光子驅(qū)動的第四節(jié)微生物的分解代謝第42頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

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（一）、異養(yǎng)微生物的生物氧化

呼吸生物氧化的二種類型：發(fā)酵二、微生物的氧化類型有氧呼吸無氧呼吸以分子態(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。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。第43頁,共93頁，2024年2月25日，星期天微生物細胞將有機物氧化釋放的電子直接交給底物未完全氧化的某中間產(chǎn)物，同時釋放能量，并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物的呼吸類型叫發(fā)酵在發(fā)酵條件下，有機化合物只是部分地被氧化，只釋放出一小部分的能量。發(fā)酵的過程是與有機物的還原偶聯(lián)在一起的，被還原的物質(zhì)來自初始發(fā)酵的分解代謝，不需要外界提供電子受體。發(fā)酵的種類很多，可發(fā)酵的底物有糖類、有機酸、氨基酸等。1.發(fā)酵第44頁,共93頁，2024年2月25日，星期天(1)糖酵解(EMP)糖酵解作用：無氧條件下，微生物通過一系列的酶促反應(yīng)對葡萄糖進行分解，將1分子葡萄糖分解成2分子丙酮酸并提供能量的過程稱為糖酵解作用。1.發(fā)酵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輔酶A（乙酰CoA）進入三羧酸循環(huán)，生成CO2和H2O。第45頁,共93頁，2024年2月25日，星期天6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)能葡萄糖-6-磷酸磷酸果糖二磷酸果糖酶

磷酸甘油醛脫氫酶

1，3-二磷酸甘油酸

丙酮酸糖酵解(EMP)途徑第46頁,共93頁，2024年2月25日，星期天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丙酮酸糖酵解第47頁,共93頁，2024年2月25日，星期天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)。EMP途徑的生理功能第48頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

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。（2）發(fā)酵類型根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物的不同，發(fā)酵類型主要有乙醇發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、丙酮丁醇發(fā)酵和混合發(fā)酵等1.發(fā)酵第49頁,共93頁，2024年2月25日，星期天微生物在分解過程中，將釋放出的氫或電子交給NAD（P）+、FAD或FMN等電子載體，再經(jīng)電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，從而生成水或其他原型產(chǎn)物并釋放出能量的過程，稱為呼吸作用，呼吸作用又分為有氧呼吸和無氧呼吸1）有氧呼吸

在分子氧存在的條件下，有機物脫氫后，經(jīng)完整呼吸鏈遞氫，最終以分子氧作為受氫體產(chǎn)生水，釋放ATP形式的能量過程叫有氧呼吸。2.呼吸第50頁,共93頁，2024年2月25日，星期天在好氧呼吸過程中，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。2.呼吸（1）有氧呼吸階段第51頁,共93頁，2024年2月25日，星期天TCA循環(huán)：也稱檸檬酸循環(huán)。由丙酮酸乙?；纬梢阴oA(乙酰輔酶A)，乙酰CoA進入三羧酸循環(huán)，被徹底氧化為CO2、H2O的過程。乙酰CoA是一個重要的中間產(chǎn)物，它的乙?；c草酰乙酸結(jié)合生成檸檬酸。2.呼吸（2）三羧酸循環(huán)（TCA）NAD煙酰胺腺嘌呤二核苷酸,傳遞電子的輔酶

輔酶A，傳遞?；?/p>

第52頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

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53頁,共93頁，2024年2月25日，星期天I）為有機體提供更多的能量，是機體利用糖和其他物質(zhì)氧化而獲得能量的最有效方式II）三羧酸循環(huán)是有氧代謝的樞紐，糖類、脂肪和蛋白質(zhì)（氨基酸）的有氧分解代謝，都匯集在三羧酸循環(huán)的反應(yīng)中，三羧酸循環(huán)的中間代謝物優(yōu)勢許多生物合成途徑的起點。2.呼吸三羧酸循環(huán)（TCA）的生理意義第54頁,共93頁，2024年2月25日，星期天2）無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55頁,共93頁，2024年2月25日，星期天1、以NO3-作為最終電子受體在缺氧條件下，有些細菌能以某些有機物（可以是葡萄糖、乙酸、甲醇等有機物，也可以是H2和NH3）作為供氫體，以硝酸鹽作為最終電子受體。

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-→N22）無氧呼吸A無氧呼吸的主要類型第56頁,共93頁，2024年2月25日，星期天2、硫酸鹽呼吸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。2）無氧呼吸第57頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

3、碳酸鹽呼吸這是產(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?；D(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。2）無氧呼吸第58頁,共93頁，2024年2月25日，星期天（二）自養(yǎng)微生物的生物氧化有些微生物可以從氧化無機物中獲取能量，同時合成細胞物質(zhì)，這類細菌稱為化能自養(yǎng)微生物。它們在無機能源氧化過程中通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP氨的氧化（硝化細菌）硫的氧化（硫細菌）鐵的氧化（鐵細菌）氫的氧化（氫細菌）第59頁,共93頁，2024年2月25日，星期天三、微生物的生物氧化與環(huán)境工程（一）異養(yǎng)微生物的生物氧化與環(huán)境工程1.發(fā)酵與環(huán)境工程

首先，復(fù)雜的有機物被生物處理系統(tǒng)中微生物發(fā)酵水解為簡單小分子化合物，這一步是所有有機物質(zhì)生物分解的共同途徑無氧條件下，有機物最終生成CH4、CO2和H2等，即厭氧生物處理污水過程有氧條件下，被徹底氧化成CO2和H2O，即好氧生物處理污水過程第60頁,共93頁，2024年2月25日，星期天2.有氧呼吸與環(huán)境工程

自然界中大部分有機污染物是通過好氧微生物種群在有氧呼吸中，將其分解為小分子物質(zhì)的。3.無氧呼吸與環(huán)境工程反硝化反應(yīng)厭氧發(fā)酵硫酸鹽的廢水處理（硫酸鹽還原菌）三、微生物的生物氧化與環(huán)境工程第61頁,共93頁，2024年2月25日，星期天（二）自養(yǎng)微生物的生物氧化與環(huán)境工程

硝化細菌、氫細菌、硫化細菌和鐵細菌等這類自養(yǎng)性微生物，能夠從無機物氧化過程中獲取能量，并以CO2作為唯一碳源或主要碳源進行生長。

在污水處理的消化階段，硝化細菌和亞硝化細菌就是利用無機碳（CO2、CO32-、HCO3-）作為碳源通過對NH3、NH4+的氧化反應(yīng)來獲取能量的三、微生物的生物氧化與環(huán)境工程第62頁,共93頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)微生物的合成代謝一、自養(yǎng)微生物的合成

自養(yǎng)微生物將生物氧化過程中取得的能量主要用于CO2的固定，然后再進一步合成糖、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等細胞組成，大多數(shù)自養(yǎng)微生物通過卡爾文循環(huán)固定CO2，Calvin循環(huán)又稱核酮糖二磷酸途徑、還原性戊糖途徑、三碳循環(huán)。Calvin循環(huán)的過程分為以下三個階段。1.CO2固定階段（羧化反應(yīng)）1,5-二磷酸核酮糖通過二磷酸羧化酶將CO2固定生成3-磷酸甘油酸。第63頁,共93頁，2024年2月25日，星期天2.固定CO2的還原階段

3-磷酸甘油酸上羥基被還原成醛的反應(yīng)，這種轉(zhuǎn)化是經(jīng)過逆向EMP途徑進行的。第五節(jié)微生物的合成代謝甘油醛-3-磷酸在Calvin循環(huán)中起到及其關(guān)鍵的作用第64頁,共93頁，2024年2月25日，星期天3.CO2受體的再生第五節(jié)微生物的合成代謝來自甘油醛-3-三磷酸和果糖-6-磷酸或者是兩個甘油醛-3-磷酸第65頁,共93頁，2024年2月25日，星期天Calvin循環(huán)一輪循環(huán)中，新生葡萄糖的6個碳中只有一個來自CO2，其余5個碳來自受體核酮糖-1,5-二磷酸，因此全部由CO2合成一個葡萄糖必須用6個CO2第五節(jié)微生物的合成代謝Calvin循環(huán)-6分子CO2還原成1分子果糖-6-磷酸的過程。1為核酮糖二磷酸羧化酶2為磷酸核酮糖激酶CO2的固定階段CO2還原階段CO2受體的再生第66頁,共93頁，2024年2月25日，星期天Calvin循環(huán)總式：6CO2+12NAD(P)H2+18ATPC6H12O6+12NAD(P)+18ADP+Pi

Calvin循環(huán)是自養(yǎng)微生物單糖的主要來源，是其他單糖和糖衍生物合成的起點，還是其他有機物合成的基礎(chǔ)二、異養(yǎng)微生物的合成略第五節(jié)微生物的合成代謝合成代謝三要素——小分子物質(zhì)、還原力、ATP第67頁,共93頁，2024年2月25日，星期天三、微生物的合成代謝與環(huán)境工程第五節(jié)微生物的合成代謝微生物代謝將有機物分解為CO2、H2O和各種代謝產(chǎn)物微生物利用代謝釋放的能量將分解有機物過程中產(chǎn)生的如丙酮酸、乙酰輔酶A、草酰乙酸和三磷酸甘油醛，作為原料，合成自身復(fù)雜的細胞組成物質(zhì)分解合成細胞的增長繁殖第68頁,共93頁，2024年2月25日，星期天第六節(jié)微生物對污染物的代謝與轉(zhuǎn)化一、微生物降解污染物的巨大潛力1.誘導酶

微生物可能有降解某種污染物的基因，但當該污染物不存在時，基因處于“關(guān)閉”狀態(tài)，污染物（誘導物）一旦出現(xiàn)，基因便被“打開”，從而合成相應(yīng)的酶，微生物即可降解這種污染物。2.具有降解質(zhì)粒

微生物分解某些難降解污染物的能力受細胞內(nèi)質(zhì)粒的控制，質(zhì)粒上有編碼分解某污染物的酶的基因，降解性質(zhì)粒的研究具有重大的理論和實踐意義，特別是利用遺傳工程的方法組建“超級菌”，可大大提高處理效率第69頁,共93頁，2024年2月25日，星期天3.微生物的易變異

微生物與其他生物相比，易發(fā)生變異。當環(huán)境中存在某些污染物時，會誘發(fā)形成突變體，微生物分泌相應(yīng)的酶，以降解這些污染物。然而，在自然狀態(tài)下，這種突變頻率很低，因此可采用人工誘變或分子遺傳的手段構(gòu)建降解特殊污染物的“工程菌”，對治理污染會帶來更大的突破。二、影響微生物降解與轉(zhuǎn)化污染物的生態(tài)學因素（一）物質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)一般來講，小分子和結(jié)構(gòu)簡單的物質(zhì)比大分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物質(zhì)易被分解，這是因為大分子物質(zhì)必須在胞外酶的作用下降解成小分子物質(zhì)后方能進人細胞。另外，化合物的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜越難與酶的活性中心接近，因而，難以被酶降解。第六節(jié)微生物對污染物的代謝與轉(zhuǎn)化第70頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

結(jié)構(gòu)基團的性質(zhì)、數(shù)目及位置直接干擾微生物的降解性。如各種羧酸易被生物降解，而氯代或溴代羧酸則難以降解；氯苯比苯難以降解，且氯原子越多，難度越大；苯酚和苯胺卻比苯易被生物降解。三、微生物對污染物的代謝途徑中心途徑是糖類物質(zhì)從復(fù)雜多聚物產(chǎn)生的單糖，經(jīng)葡糖糖、丙酮酸進一步氧化成CO2和H2O。旁支途徑是不同的微生物以及不同條件下所產(chǎn)生的代謝途徑，在局部上所發(fā)生的明顯改變。有機污染物代謝的基本過程包括：向基質(zhì)接近，基質(zhì)表面的吸附，分泌胞外酶，可滲透物質(zhì)的吸收和胞內(nèi)代謝。第六節(jié)微生物對污染物的代謝與轉(zhuǎn)化第71頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

有些難降解的物質(zhì)如農(nóng)藥、石油烴等不能作為微生物的生長基質(zhì),但這些污染物卻可以被微生物降解并消失，這是共代謝的結(jié)果。

共代謝(又稱為協(xié)同代謝或輔代謝)。共代謝是指微生物依賴可利用碳源和能源在正常生長過程中氧化非生長基質(zhì)(目標污染物)的過程。即微生物在有它可利用的惟一碳源存在時，對它原來不能利用的物質(zhì)也能分解代謝的現(xiàn)象。四共代謝的原理與應(yīng)用第72頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

在微生物共代謝反應(yīng)中產(chǎn)生非專一性的酶，為關(guān)鍵酶。關(guān)鍵酶是一種誘導酶。共代謝對難降解化合物的分解有很重要的作用，通過共代謝作用可以提高微生物降解難降解物質(zhì)的效率選擇到合適的菌種，通過共代謝可使多種有機污染物得到徹底降解。四共代謝的原理與應(yīng)用第73頁,共93頁，2024年2月25日，星期天微生物對有機物的分解作用簡稱生物分解或生物降解。污水中一些大分子化合物不能透過細胞膜質(zhì)，必須經(jīng)過微生物分泌的胞外水解酶水解，形成小分子后，才能被吸收。微生物對污染物分解過程可分三個階段五微生物對自然有機物的降解污水中蛋白質(zhì)，多糖，及脂類等大分子化合物氨基酸、單糖脂肪酸等小分子物質(zhì)胞外酶小分子進一步被降解成更簡單的乙酰輔酶A，丙酮酸以及能進入三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物會產(chǎn)生ATP完全降解生成CO2，產(chǎn)生ATP、NADH及FADH2三羧酸循環(huán)第74頁,共93頁，2024年2月25日，星期天五微生物對自然有機物的降解（一）蛋白質(zhì)的代謝

蛋白質(zhì)是有氨基酸組成的，分子巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物。微生物對氨基酸的分解，主要是脫氨作用和脫羧作用1.脫氨作用1）氧化脫氨：脫氨方式須在有氧條件下進行，專性厭氧菌不能進行氧化脫氨

第75頁,共93頁，2024年2月25日，星期天2）還原脫氨還原脫氨在無氧條件下，生成飽和脂肪酸。能進行還原脫氨的微生物是專性厭氧菌和兼性厭氧菌。（一）蛋白質(zhì)的代謝第76頁,共93頁，2024年2月25日，星期天3）水解脫氨氨基酸水解脫氨后生成羥酸（一）蛋白質(zhì)的代謝第77頁,共93頁，2024年2月25日，星期天4）減飽和脫氨（直接脫氨）氨基酸在脫氨的同時，其α、β鍵減飽和，結(jié)果生成不飽和酸。（一）蛋白質(zhì)的代謝第78頁,共93頁，2024年2月25日，星期天2.脫羧作用

氨基酸脫羧作用多數(shù)是由腐敗細菌和霉菌引起的，經(jīng)脫羧后生成胺。二元胺對人有毒（一）蛋白質(zhì)的代謝（二）脂肪代謝（三）碳水化合物的分解第79頁,共93頁，2024年2月25日，星期天(1)降解石油的微生物種類能降解石油的微生物很多，已報道的有70多個屬200多種，其中細菌28個屬，酵母菌12個屬，其余為放線菌和霉菌。土壤中真菌是石油的主要分解者。石油烴降解菌的數(shù)量直接反映環(huán)境受烴污染的程度，當環(huán)境受石油烴污染后，利用烴的微生物的數(shù)量相應(yīng)增加。六、微生物對有毒污染物的分解和轉(zhuǎn)化第80頁,共93頁，2024年2月25日，星期天(2)影響石油降解的因素

1.石油烴的種類和組成

2.油的物理狀態(tài)

3.營養(yǎng)物質(zhì)

4.溫度

5.氧氣

六、微生物對有毒污染物的分解和轉(zhuǎn)化第81頁,共93頁，2024年2月25日，星期天（二）農(nóng)藥的降解農(nóng)藥是殺蟲劑、殺菌劑、除草劑及滅鼠劑等的總稱。目前使用的主要是有機磷、有機氯、有機汞等有機農(nóng)藥。(1)降解農(nóng)藥的微生物類別已報道的能降解農(nóng)藥的微生物有細菌、真菌、放線菌、藻類等，這些微生物大多來自土壤。六、微生物對有毒污染物的分解和轉(zhuǎn)化第82頁,共93頁，2024年2月25日，星期天(2)