062第六章3节微生物的代谢

1一、微生物的新陈代谢二、呼吸作用的本质三、微生物的呼吸类型四、有机污染物降解中营养物需求量的计算 第六章第三节 微生物的代谢2一、微生物的新陈代谢（代谢的概念）新陈代谢（metabolism）：生物化学变化的总称，是生命活动的基础。（包括物质代谢和能量代谢两种代谢）代谢物质代谢：物质变化的过程，它常伴随着能量的消耗或产生。能量代谢(energy metabolism)：能量的产生、变换过程。能量代谢是从能量的角度看物质代谢，两者是不可分的（单说代谢时通常指物质代谢）。第三节 微生物的代谢3物质代谢异化作用（catabolism/dissimilation）/分解代谢 大分子分解成小分子的过程，伴有能量产生同化作用（anabolism/assimilation）/合成代谢 小分子合成大分子的过程，需要能量同化（合成代谢酶）大分子、复杂分子异化（分解代谢酶）小分子、简单分子+ATP第三节 微生物的代谢4能量代谢的核心是如何把各式各样的最初能源转化为生命活动能使用的能源ATP。ATP三磷酸腺苷（Adenosine triphosphate）ADP二磷酸腺苷（Adenosine diphosohate）最初能源有机物还原态无机物光什么菌?化能自养菌光能营养菌通用能源(ATP)在本节中主要讨论分解代谢。化能异养菌第三节 微生物的代谢5二、分解代谢与呼吸作用分解代谢是微生物将复杂的有机物分解为简单化合物的过程，其本质是生物氧化反应。可分为三种类型：氧化反应的类型与氧结合脱氢失去电子生物氧化反应的主要类型1.分解代谢第三节 微生物的代谢生物氧化的过程：递氢（电子）递氢（电子）受氢受氢（CHON）CO2HADPATPO2H2O受氢体电子受体脱氢（电子）脱氢（电子）6第三节 微生物的代谢71)复杂分子CO2、H2O、简单分子CHONCO2+H2O+2.呼吸作用第三节 微生物的代谢无机代谢产物CO2、H2、CH4、H2S、NH3、NO2、NO3、SO42有机代谢产物糖类、酮类、有机酸类。呼吸作用（respiration）是与微生物分解代谢相关的氧化还原的统一过程，是在基质氧化的同时释放能量的过程。呼吸作用过程中的主要生物学现象如下：82)分解代谢过程中产生能量（用途？）供给合成作用维持生命活动变成热能放到环境中3)产生中间代谢产物（去向？）继续被分解作为合成细胞成分的原料4)在分解代谢过程中吸收、同化许多营养物。第三节 微生物的代谢9三、微生物的呼吸类型根据递氢特别是受氢过程中氢受体/电子受体的不同，呼吸作用可分为：呼吸作用(respiration)好氧（有氧）呼吸（aerobic respiration）厌氧（无氧）呼吸（anaerobic respiration）（亦称分子外无氧呼吸）发酵（fermentation）（亦称分子内无氧呼吸）第三节 微生物的代谢10（一）基质脱氢的主要途径1、EMP途径（Embdem-Meyerhof-Parnas Pathway）糖酵解途径（Glycolysis）己糖二磷酸途径（hexose diphospate pathway）（1）1分子葡萄糖为底物，经10步反应而产生2分子丙酮酸和2分子ATP的过程。C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶10步反应2CH3CCOOH2NADH2ATP2H+2H2OO还原型辅酶第三节 微生物的代谢11（2）总反应可概括为二个阶段（耗能阶段和产能阶段）、三种产物、十个步骤。C62C32NADH2丙酮酸甘油醛-3-磷酸2ATP4ATP2ATP第三节 微生物的代谢1213（3）代谢产物的去路a.有氧条件下：2NADH进入呼吸链，产生6个ATP。丙酮酸进入TCA途径，最后CO2H2Ob.无氧条件下：丙酮酸被NADH还原产生乳酸或乙醇。脱羧酸乙醛乙醇第三节 微生物的代谢142、HMP途径（hexose monophosphate pathway）己糖-磷酸途径（亦称戊糖磷酸途径或Warburg-Dickens 途径、磷酸葡萄糖途径）葡萄糖不经EMP和TCA途径而得到彻底氧化的途径，该过程中产生大量NADH和多种中间产物。6C612NADPH+H+CO26C5ATP还原型辅酶葡萄糖戊糖5C6重新合成己糖第三节 微生物的代谢15HMP途径中间产物的去向a.12NADPH进入呼吸链，产生36个ATP。（净产35）作为还原剂合成细胞物质。b.其他中间产物合成细胞大分子的原料。特别是戊糖是合成苷酸和核酸的原料。第三节 微生物的代谢16173、ED途径（Eutuer-Doudoroff Pathway）2酮3脱氧6磷酸葡萄糖酸（KDPG途径）i.ED途径是在缺乏EMP途径的微生物所具有的一种替代途径，在细菌中广泛存在，其他生物还没发现。ii.Glucose只经4步即可获得丙酮酸，比EMP途径少6步，即反应步骤简单，但产能效率低（glucose产1分子ATP），能产生一个重要的中间产物KDPG，其反应的关键是它的裂解。第三节 微生物的代谢18C6KDPG2ATPNADH+H+NADPH+H+2丙酮酸6ATP有氧呼吸链无氧2乙醇ATPATP中间产物的去路iii.反应过程中产生6磷酸葡萄糖和6磷酸葡萄酸，它们可进入EMP和HMP途径。ED途径可以与EMP、HMP和TCA途径相连接、可以互相协调、以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢产物的需要。第三节 微生物的代谢19204、三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle）i.TCA循环是一种循环方式的反应顺序，在异养生物的代谢中起着关键的作用，是物质代谢的枢纽。ii.以丙酮酸进入循环前的“入门反应”（gateway step）算起其主要反应产物如下：C3CH3CCOAO乙酰辅酶A一分子丙酮酸可产生15个ATP12ATP呼吸链2ATP呼吸链4NADH+4H+FADH2ATP3CO2黄素蛋白柠檬酸、谷氨酸等多种有机酸TCA第三节 微生物的代谢212223产能形式EMPHMPEDEMP+TCA底物水平NADH+H+NADPH+H+FADH221净产ATP835*73638*ATPGTP2(相当6ATP)12(相当36ATP)1(相当3ATP）1(相当3ATP）22(相2ATP）2+8*(相当30ATP)2(相4ATP）葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率*在TCA循环的异柠檬酸至-酮戊二酸反应中，有的微生物（如细菌）产生的是NADPH+H+；*因为在葡萄糖变成葡糖6磷酸过程中消耗1ATP,故净产35ATP；*在原核生物中，因呼吸链组分在细胞膜上，故产38ATP；而真核微生物的呼吸链组分在线粒体膜上，NADH线粒体时要消耗2ATP，故最终只产36ATP。24菌名EMP(%)Saccharomyces cerevisiae（酿酒酵母）Candida Utilis（产朊假丝酵母）Streptomyces griseus（灰色莲霉菌）Penicillium chrysogenum(产黄青素)Escherichia coli(大肠杆菌)Pseudomonas aeruginosa(铜绿假单胞菌)PsSaccharophila(嗜糖假单胞菌)Bacillus sbtilis（枯草杆菌）Gluconobacter axydans（氧化葡糖杆菌）Alcaligenes eutrophus(真养产碱菌)Zymomonas mobilis(运动发酵单胞菌)Sarcina lutea(藤黄八叠球菌)88 6681 97 77 72 74 70 12 1934 3 23 28 29 26 100 30 71 100 100 100 葡萄糖三条降解途径在不同微生物中的分布ED(%)HMP(%)25HHHADPATP1/2O2(或有机物、无机氧化物)H2O或有机、无机还原物C6H12O6CO2TCA循环ED途径EMP途径HMP途径HHHHH脱氢递氢受氢底物脱氢的途径及其与递氢、受氢阶段的联系26（二）递氢和受氢过程 基质通过“脱氢”，产生的氢原子通过一系列的“传递体”（能进行可逆氧化还原反应），最终传递给某一氧化还原电位较高的化合物的过程叫做递氢和受氢过程。H e传递体I氧化态传递体I(H)还原态传递体II(H)还原态传递体II氧化态O2H 2O通过接力的方式，把H 或电子e传给氧1、递氢和受氢机制第三节 微生物的代谢27递氢和受氢系统的特点v由一系列的能发生可逆氧化还原反应、且具有不同氧化还原电位的氢传递体组成的一组链状传递系统。该系统能把氢（电子）从氧化还原电位低的化合物最终传递给氧化电位高的化合物，如氧分子等。v该过程是一个产能的过程。v这种链状传递系统称为“呼吸链”第三节 微生物的代谢2829 呼吸链（RC：respiratory chain）亦称电子传递链（ETC：electron transport chain）：由一系列氧化还原电位不同的氢（或电子）传递体组成的一组链状传递系统，该系统能把氢（或电子）从氧化还原低的化合物传给氧化还原电位高的分子，如氧分子等。第三节 微生物的代谢呼吸链的所在场所？细菌细胞膜 真核生物线粒体膜30 氢供体/电子供体（electron donor）能提供氢或电子的化合物。受氢体/电子受体（electron acceptor）在生物氧化还原反应中接受氢或电子的化合物。最终电子（氢）受体（terminal electron acceptor）呼吸链中最后一个接受电子（氢）的化合物。第三节 微生物的代谢 电子传递体（electron carrier）能发生可逆氧化还原反应的物质。在呼吸链中该物质被前一个传递体还原（接受氢/电子），之后又被后一个传递体氧化（把氢、电子交给下一个）。31 常见的电子传递体a.NAD（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸），辅酶 NADP（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）辅酶E0=0.12V第三节 微生物的代谢b.黄素蛋白（FP：flavoprotein）FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）FMN（黄素单核苷酸）E0=0.22Vc.铁硫蛋白（Fe-S）分子中含有Fe-S结构，存在于几种酶复合物中，参与膜上的电子传递。E0=0.12V32 铁硫蛋白（FeS）是传递电子的氧化还原载体，这类小分子蛋白的辅基是其分子中含铁硫（有些为“2Fe2S”，另一些为“4Fe+4S”)的中心部分。铁硫蛋白存在与呼吸链的几种酶复合体中。参与膜上的电子传递。此外，在固氮、亚硫酸还原、亚硝酸还原、光合作用、分子氢的激活和释放以及链烷的氧化中也有作用。在呼吸链中的“2Fe2S”中心（如下图）每次仅能传递一个电子。肽链CysCysCysCysSSSSSSFeFe肽链铁硫蛋白的铁硫中心第三节 微生物的代谢33d.微生物醌（microbial quinone）泛醌（ubiquinone）/辅酶Q:广泛存在于生物体中，故称之为泛醌(主要存在于真核生物和G细菌中)。OH3COH3COCH3OHnOHOH还原型CH2CHCCH2HCH3n带有一个异戊二烯侧链（isoprenoid side chain）简写为UQ或Q、根据侧链的长度称之为UQ-n（n侧链的节数）E0=0.22v第三节 微生物的代谢34有些分子中、其侧链中的双键被氢所饱和，这时把氢的个数加在n的后面，写作UQ-n(H2)哺乳动物细胞内的泛醌为UQ-10（Q10）。细菌的种类不同所含UQ的结构不同，因此可用于细菌的鉴定和命名的依据。第三节 微生物的代谢35甲基萘醌（menaquinone,MK，维生素K2）MK常存在于G+细菌中，自然界中已发现MK有1520种。OCH3OHnE0=0.074v第三节 微生物的代谢36 Bacteria QuinoneAchromobacter,Corynebacterium*Q-8Pseudomonas aeruginosa*Q-9Ancylobacter,Methylobacterium*Q-10Bacillus pumilus*,SporolactobacillusMK-7Brevibacterium*MK-8(H2)Mycobacterium*MK-9(H2)Examples of dominate quinone species of some bacteria *Nitrile-degrading bacteria;*Dimethylformamide-degrading bacteria第三节 微生物的代谢37Absorbance at 275 nm0203040UQ-7UQ-8UQ-9UQ-102040600Absorbance at 270 nmMK-6MK-7MK-8(H4)MK-8MK-8(H2)MK-9(H2)MK-9MK-9(H4)MK-10MK-10(H2)MK-10(H4)MK-11Time(min)10Chromatogram of quinone fractions extracted from the activated sludge（活性（活性污污泥的微生物泥的微生物醌醌指指纹纹）第三节 微生物的代谢38e.细胞色素（如：Cyt.a,Cyt.b,c,d）位于呼吸链的后端，传递电子而不是传递氢。第三节 微生物的代谢391、好氧呼吸/有氧呼吸（aerobic respiration）呼吸链的最终电子受体为氧分子。第三节 微生物的代谢（三）微生物的呼吸类型402、厌氧呼吸/无氧呼吸（anaerobic respiration）最终电子(氢)受体为外源（分子外）化合物的呼吸，它是一种在无氧条件下进行的产能效率低的呼吸方式。营养物质脱氢后，经部分呼吸链递氢最终由氢受体接受。最终氢受体一般为氧化态无机物，特殊情况下为有机物，如延胡索酸等。第三节 微生物的代谢41 在无氧条件下发生的硝酸根还原反应，又称之为反硝化(denitrification).注意：NO3也可作为氮源利用，这种情况称之为同化性硝酸还原而不是反硝化。（1）硝酸盐呼吸（nitrate respiration）NO3NO2、NO、N2O、N2 定义：以硝酸根为最终电子受体的厌氧呼吸。硝酸根最终被还原为氮气。第三节 微生物的代谢42 反硝化细菌都具有完整的呼吸系统。只有在厌氧(缺氧)条件下才能诱导出反硝化作用需要的硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶。反硝化需要供氢体，一般由有机物提供。也可以利用H2或CH4在废水处理中有重要的意义。如生物脱氮。例如：Bacilluslichenifomis 地衣芽孢杆菌Pseudomonas aeruginosa 铜绿假胞单菌Thiobacillus denitrificans 脱氮硫杆菌 能进行反硝化作用的微生物，即反硝化细菌，都是一些兼性厌氧微生物，专性厌氧微生物无法进行反硝化作用。第三节 微生物的代谢43（2）硫酸盐呼吸（sulfate respiration）SO42SO32,S3O62,S2O32,H2S 最终产物是H2S，自然界中的大多数H2S是由此反应所产生的。是硫酸还原菌（反硫化细菌）的一种呼吸方式。严格的专性厌氧菌 注意与硫磺细菌的区别：H2SSSO42 定义：以硫酸根为最终电子受体的厌氧呼吸。硫酸根根最终被还原为硫化氢。第三节 微生物的代谢44（3）硫呼吸（sulphur respiration）S0H2S近几年才发现的一种无氧呼吸类型。Desulfuromonas acetoxidaus氧化乙酸脱硫单胞菌（4）碳酸盐呼吸（carbonate respiration）CO2、HCO3CH3COOH（乙酸细菌）CH4（甲烷菌）第三节 微生物的代谢45（5）延胡索酸呼吸（fumarate respiration）延胡索酸琥珀酸COOHCHCHCOOHCOOHCH2CH2COOH许多兼性厌氧菌都能进行延胡索酸呼吸。第三节 微生物的代谢463、发酵（fermentation）(又称分子内无氧呼吸)在无氧（厌氧）条件下，底物脱氢后产生的H不经过呼吸链而直接交给某一内源氧化性中间代谢产物的一类反应。注意：在发酵工业上，发酵是指任何利用好氧和厌氧微生物来生产有用代谢物的一类生产方式。R1H2R2R2H2R1能量第三节 微生物的代谢47i.大多数情况下基质失去氢被氧化，其某中间代谢产物又接受此氢被还原，故也被称为分子内呼吸（分子内氧化还原反应）。iii.厌氧微生物为了满足生命活动的需要，消耗的基质要比好氧微生物多，故在发酵过程中能积累大量中间产物。工业上：可以获得有用物质水处理：处理水质不好，难适用于低浓度废水。ii.基质氧化不彻底，还含有相当能量，故放出能量少。发酵的特点：第三节 微生物的代谢48C6H12O6ABCCO2A、B或CH发酵AH2,BH2 或 CH4(发酵产物：乙醇、乳酸等)经呼吸链好氧呼吸O212H2O厌氧呼吸2342,NOSOCO2234,NOSOCH脱氢递氢受氢好氧呼吸、厌氧呼吸和发酵示意图(小结)HHHHH49微生物的发光现象某些微生物能发光。e.g.发光细菌，常称为光呼吸现象。含有两种特殊成分荧光素酶（luciferase）长链脂肪醛（如月桂醛）G兼性厌氧菌（0.41.0）（1.02.5m）无孢子和荚膜端生鞭毛一根或数根最适温度：15300CpH：6.09.0用于毒性测定 Micro Tox第三节 微生物的代谢50属 DNA的GC栖息地发光细菌名称弧菌属Vibrio4548海洋哈维氏弧菌 V.harveyi 美丽弧菌型 V.splendidus 费氏弧菌 V.fischeri火神弧菌 V.logei 非海洋 霍氏弧菌易北变种 V.cholerae var albenis 发光杆菌属Photobacterium3944海洋明亮发光杆菌 P.phosphoreum 鲾鱼发光杆菌 P.leiognathi 曼达帕姆发光杆菌 P.mandapamensis 异短杆菌属Xenorhabdus 4344 非海洋 发光异短杆菌 X.luminescens 常见的几种发光细菌51NADH2FMNH2荧光素酶EFMNH2E黄素蛋白黄素单核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶）O2FMNH2EHOOHRCHORCOHOFMN+E+光+H2O峰值：475485nm在有氧条件下才能发光，但对氧很敏感，即使微量的氧存在也能发光。长链脂肪醛（如月桂醛）第三节 微生物的代谢52四、有机污染物降解的营养物需求量计算参与生物降解反应的组分及反应类型电子（氢）供体（electron donors）有机污染物电子（氢）受体（electron acceptor）无机营养物质（nutrient）O2、N、P细胞分解、代谢产物有机物的生物分解实质上是一系列的生物氧化还原反应。反应类型：电子（氢）供体的氧化反应、电子（氢）受体的还原反应、细胞合成反应第三节 微生物的代谢53氧化还原反应式氧化反应还原反应电子流量应该相等1、生物氧化还原反应式的确定方法NO3例：亚硝酸的好氧生物氧化NO2氧化反应：NO3H2O2e1因为是好氧氧化，所以电子受体应该是分子O2。O2还原反应：4OH2NO22OHO22H2O4e第三节 微生物的代谢541222NO2O24OH2H2O2 NO3 2H2O 4OH2NO2O22 NO3NO21/2O2 NO31摩尔NO2需要半摩尔的分子氧。第三节 微生物的代谢552、生物氧化还原反应的一般式（1）电子供体的半反应（氧化反应）（HD）z1（CaHbOcNd）（2ac）/zH2O=a/zCO2d/zNH3HeZ=4ab2c3d（2）电子受体的半反应（还原反应）（HA）好氧：1/4O2He=1/2H2O厌氧：1/2NO3 He=1/2NO2 1/2H2O1/5NO3 6/5 He=1/10N2 3/5H2O1/8SO42He=S21/2H2O1/8CO2He=1/8CH41/4H2O第三节 微生物的代谢56（3）细胞合成反应（Cs）NH3作N源时：1/4CO21/20NH3He=1/20C5H7O2N2/5H2ONO3作N源时:5/28CO21/28 NO3 29/28He=1/28C5H7O2N11/28H2O微生物生长所需的P是N的1/51/6左右（重量比）第三节 微生物的代谢57（4）总的反应fe：有机物用于获得能量的部分（比例）。fs：有机物用于细胞合成的部分。fe+fs=1电子受体fsO2NO3SO42CO20.120.60（mean 0.5）0.10.50.040.20.040.2HDfe HAfs Cs第三节 微生物的代谢58（1）调查污染状况调查（2）确定要降解的污染物的量（浓度）了解现场的营养物质的供应情况（能力）（3）计算电子受体、营养物质需求量3、污染净化所需电子受体和营养物的量的计算第三节 微生物的代谢59例：一污染土壤中含有7000mg/kg的碳氢化合物。计算生物净化时，所需要的电子受体和营养物的量。污染物含量（mg/kg）戊烷（C5H12）1200二甲苯（C8H10）800苯（C6H6）980甲苯（C7H8）400二甲基庚烷（C9H20）830苯二酚（C6H6O2）1470丁酸（C4H8O2）1320第三节 微生物的代谢601)对每一个化合物进行计算非常繁琐，可计算出平均分子量。C6.1H10O0.8C6H10O2)选择电子受体的种类：好氧，O23)选择氮源的种类：NH3、NO3都可以，在此选择NH3。NH3：易被微生物利用，但是要消费氧，所以需氧量要大一些NO3：同时作为电子受体。4)确定能量转化系数/细胞转化系数由于碳氢化合物较易降解，选择 fs=0.5第三节 微生物的代谢615)写出各反应式：C6H10Oa=6,b=10,c=1,d=0z=4ab2c3d=46102=32 氧化半反应：HD1/32 C6H10O11/32H2O=6/32CO2 He 还原半反应：feHA （fe=0.5）1/8O21/2H1/2e=1/4H2O 合成反应：1/8CO21/40NH31/2H1/2e=1/40C5H7O2N1/5H2O第三节 微生物的代谢62总反应式右边：6/32CO2 He 1/4H2O1/40C5H7O2N1/5H2O总反应：C6H10O 4O20.8NH3=2CO2 0.8C5H7O2N 3.4H2O 以NO3 作氮源时可得到以下反应式：C6H10O 4O20.57NO3=3.1CO2 0.57C5H7O2N 3.3H2O 6)写出总反应方程式总反应式左边：1/32 C6H10O11/32H2O1/8O21/2H1/2e 1/8CO2 1/40NH31/2H1/2e第三节 微生物的代谢637)计算营养物的需求量（重量比）：C6H10O=98O2=32NH3 as N=141g的污染物需氧量：432/98=1.31 gO2/g污染物需氮量：0.814/98=0.114需磷量：1/6氮量=0.019产CO2量：244/98=0.98)计算供应量：需要量现有量=供应量第三节 微生物的代谢