廢水生物處理微生物生物化學

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2第三章微生物生物化學細菌和其他微生物細胞物質(zhì)組成：大分子占95%以上，低分子有機物及鹽分約占3%。其代表組成如下表3-1。Hoover提出廢水處理中，通常用實驗式C5H7O2N來代表細菌的有機組成部分。如果考慮磷，則通常為C60H87O23N12P。大分子含量所占百分數(shù)蛋白質(zhì)52.4%多糖16.6%類脂9.4%RNA15.7%DNA3.2%總計97.3%表3-1微生物大分子組成第2頁/共85頁2023/4/4

3第三章微生物生物化學2細菌的大分子組成1）蛋白質(zhì)（約占52.4%）：分為兩種，一種是結(jié)合蛋白，如糖蛋白、脂蛋白、核蛋白等；另一種為溶解性的單純蛋白質(zhì)，主要分布于細胞質(zhì)中。各種蛋白質(zhì)的氮含量都接近于16%，所以可以根據(jù)樣品的總氮量估算蛋白質(zhì)含量，1g氮含量相當于6.25g蛋白質(zhì)含量。各種蛋白質(zhì)的元素組成很近似，都含有C、H、O、N等元素，大部分蛋白質(zhì)還含有S。一般蛋白質(zhì)的平均組成見表3-2。組成元素CHONS含量/%53723161表3-2蛋白質(zhì)的元素組成第3頁/共85頁2023/4/4

4第三章微生物生物化學蛋白質(zhì)的重要性質(zhì)：蛋白質(zhì)是大分子物質(zhì)，在水中形成膠體溶液，不能透過半透膜，能與水結(jié)合，在分子周圍形成一層水膜。蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和組成它們的氨基酸的性質(zhì)是分不開的。首先，蛋白質(zhì)與氨基酸類似，也是一種兩性電解質(zhì)。組成蛋白質(zhì)的天然氨基酸主要有20種，所以蛋白質(zhì)中所含氨基酸種類和數(shù)目眾多，且有支鏈，分子中離解基很多，是多價電解質(zhì)。因此蛋白質(zhì)在不同pH溶液中可為正離子、負離子或兩性離子。第4頁/共85頁2023/4/4

5第三章微生物生物化學其次，蛋白質(zhì)存在變性現(xiàn)象。當?shù)鞍踪|(zhì)受物理或化學因素的影響，其分子內(nèi)部原有的高度規(guī)則性的空間排列發(fā)生變化，以致其原有性質(zhì)發(fā)生部分或者全部喪失的現(xiàn)象，稱為蛋白質(zhì)的變性。變性的蛋白質(zhì)分子相互凝聚為固體的現(xiàn)象稱為凝固。引起蛋白質(zhì)變性的因素很多，熱（60～70℃）、酸、堿、有機溶劑（如乙醇、丙醇）、光（X射線、紫外線）、尿素、高壓等均可引起蛋白質(zhì)的變性。因此，當清洗帶有血漬的衣服時，不宜用熱水清洗。第5頁/共85頁2023/4/4

6第三章微生物生物化學2）核酸和核苷酸（約占20%）：是構(gòu)成微生物細胞核中染色體及細胞質(zhì)內(nèi)核糖體和質(zhì)粒的主要成分，在微生物遺傳變異和蛋白質(zhì)生物合成中具有特殊重要功能。核酸分為DNA和RNA，占RNA總量5%的mRNA起著傳遞遺傳信息到蛋白質(zhì)合成基地的作用；約占RNA總量10%～15%的tRNA在蛋白質(zhì)合成時起著運轉(zhuǎn)氨基酸到核糖體和翻譯的作用；核糖體（簡稱rRNA）約占80%，與蛋白質(zhì)特殊構(gòu)象的聚合有關(guān)。90%的RNA存在于細胞質(zhì)內(nèi)，10%在細胞核內(nèi)。而DNA主要存在于細胞核的染色體內(nèi)。第6頁/共85頁2023/4/4

7第三章微生物生物化學§3.2細菌的營養(yǎng)與生長環(huán)境1細菌營養(yǎng)類型營養(yǎng)物質(zhì)的作用不僅僅在于為細菌提供生物元素，而且還為細菌生命活動提供能源?？煞譃楣饽芎突軆煞N營養(yǎng)類型。1）光能營養(yǎng)：利用光和作用機構(gòu)，將光能轉(zhuǎn)化為ATP的高能磷酸鍵，分為光能自養(yǎng)型、光能異養(yǎng)型。類型電子供體電子受體代表細菌光能自養(yǎng)型H2OCO2藍細菌（含葉綠素）H2S，S，H2CO2著色細菌綠細菌光能異養(yǎng)型各種有機物有機物紅螺菌科（Rhodospirillum）表3-3光能營養(yǎng)細菌類型

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8第三章微生物生物化學光能營養(yǎng)菌（photoautotrophicbacteria），在利用CO2進行生長時，它們需要電子供體，以便將CO2還原為細胞物質(zhì)。光能自養(yǎng)菌通常用的電子供體是各種無機化合物，有些是分子氫或還原性硫化物。有些光能營養(yǎng)菌能利用有機物在光照條件下生長，這時還原反應的電子供體是有機物，這類細菌稱為光能有機營養(yǎng)菌，它們要求的碳源是有機化合物而不是CO2，因而又叫光能異養(yǎng)菌。光合細菌（photosyntheticbacteria簡稱PSB）能利用各種有機碳化物和氧化物，因而這幾年利用光合細菌凈化有機廢水取得較好效果，例如可以使洗毛廢水BOD的去除率達98%。第8頁/共85頁2023/4/4

9第三章微生物生物化學2）化能營養(yǎng)：大多數(shù)細菌依靠各種氧化還原反應獲得ATP。反應中一種底物被還原，一種底物被氧化，可表示成下列偶聯(lián)反應式。下標red代表還原劑，為電子供體，ox代表氧化劑，為電子受體。Aox可以是菌體內(nèi)的氧、硝酸鹽、硫酸鹽、CO2或有機物；Bred可以是無機物或有機物。這一氧化還原反應是一個放能反應，它所釋放的能量通過某種中間體的作用傳給了ADP+Pi的反應，ADP轉(zhuǎn)化為ATP的反應是一個吸能反應。第9頁/共85頁2023/4/4

10第三章微生物生物化學能利用有機物作為電子供體的稱為化能有機營養(yǎng)菌，或者化能異養(yǎng)菌，它們包括各種需氧菌和厭氧菌。典型的化能有機營養(yǎng)型有反硝化菌，它在缺氧時可將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽、氨和氮氣，即生物脫氮過程?；茏责B(yǎng)菌能利用無機物、氫、硫化氫、亞硝酸鹽或氨等作為電子供體。主要有需氧的硝化細菌、硫磺細菌、鐵細菌和絕對厭氧的產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)乙酸菌?；軤I養(yǎng)細菌的類型見表3-4。第10頁/共85頁2023/4/4

11第三章微生物生物化學2）化能營養(yǎng)類型電子供體電子受體碳源代表細菌化能有機營養(yǎng)有機物O2有機物各種細菌有機物NO3-有機物地衣芽孢桿菌有機物SO42-有機物硫酸鹽還原菌有機物有機物有機物梭菌、乳酸菌化能無機營養(yǎng)H2O2CO2氫-氧化細菌H2SO2CO2硫桿菌H2SNO3-CO2脫氮硫桿菌Fe2+O2CO2氧化亞鐵硫桿菌NH3O2CO2亞硝酸單胞菌NO2-O2CO2硝化桿菌H2CO2CO2產(chǎn)甲烷細菌H2CO2CO2醋桿菌表3-4化能營養(yǎng)細菌類型

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12第三章微生物生物化學2營養(yǎng)物質(zhì)的傳遞各種營養(yǎng)物質(zhì)進出細菌菌體，直接依賴于細菌細胞膜的功能，營養(yǎng)物質(zhì)從周圍環(huán)境通過細胞膜進入細胞質(zhì)有以下三種方式。（1）滲透作用（被動擴散）：相對分子質(zhì)量小的物質(zhì)進入細胞，一般主要決定于細胞外該物質(zhì)的濃度，物質(zhì)由高濃度透過細胞膜向低濃度擴散。通過細胞膜時不與膜內(nèi)任何成分發(fā)生特異性的相互作用。被動擴散速率受分子的大小和所帶電荷的影響很大。水、氣體及Na+、K+等都是借助滲透作用進入細胞內(nèi)的。第12頁/共85頁2023/4/4

13第三章微生物生物化學（2）促進擴散（facilitateddiffusion）：促進擴散通過專一性的膜蛋白質(zhì)載體傳送物質(zhì)。被傳送物質(zhì)現(xiàn)在細胞外與載體結(jié)合，然后在細胞內(nèi)釋放。這種運輸不需要能量，但對于被輸送物質(zhì)具有專一性，并且按濃度梯度方向進行運輸。在厭氧中，促進擴散的過程常參與某些化合物的吸收和發(fā)酵以及發(fā)酵產(chǎn)物的排出。在需氧菌中這種物質(zhì)傳送機制不太重要。第13頁/共85頁2023/4/4

14第三章微生物生物化學（3）主動運輸：首先，載體對底物具有專一性，運輸營養(yǎng)物質(zhì)的載體透酶在細胞膜的外側(cè)，與底物形成透酶-底物的復合體；其次，主動運輸需要代謝能，細胞外側(cè)透酶對底物具有高度親和力，而在細胞內(nèi)側(cè)透酶對底物的親和力降低，因此透酶的這種變構(gòu)需要能量；第三，運輸并釋放到細胞內(nèi)的底物性質(zhì)不發(fā)生改變。只有生活的細胞才具有這種功能，通過主動運輸可以使得細胞在底物濃度很低的情況下，獲得濃度增加幾百倍的營養(yǎng)物質(zhì)。第14頁/共85頁2023/4/4

15第三章微生物生物化學圖3-1大腸桿菌細胞內(nèi)乳糖濃度與細胞外乳糖濃度間的運輸關(guān)系第15頁/共85頁2023/4/4

16第三章微生物生物化學3

細菌的生長環(huán)境細菌的生長繁殖，除了需要必須的營養(yǎng)物質(zhì)和對氧的要求外，還需要其他適宜的環(huán)境條件，如溫度、酸堿度、無毒環(huán)境等。廢水處理中，把有計劃、有目的的控制細菌的生長條件，使細菌遺傳有利于處理某種廢水的定向誘導過程叫馴化。在工業(yè)廢水的生物處理中，往往要利用細菌對營養(yǎng)要求、溫度、pH值和耐毒力的變異，以改善處理效果。第16頁/共85頁2023/4/4

17第三章微生物生物化學（1）溫度

溫度對細菌有廣泛的影響。大多數(shù)細菌生長適宜的溫度為20～40℃。但有的細菌喜歡高溫，適宜的繁殖溫度是50～60℃，有機污泥的高溫厭氧消化就是利用這一類細菌來完成。按照溫度的不同，可將微生物（主要是細菌）分為低溫、中溫和高溫菌三類。低溫，在零度時，細菌并不死亡，只有在頻繁的反復結(jié)凍和解凍的條件下，才會使細胞受到破壞而死亡，但是低溫可降低細菌的代謝活動，溫度逐漸升高后，細菌會慢慢恢復活性。類別生長溫度（℃）備注最低最適最高低溫性微生物-5～010～2025～30水生微生物中溫性微生物5～1020～4045～50大多數(shù)腐生性微生物以及所有寄生性微生物高溫性微生物25～4550～6070～80土壤、堆肥、溫泉中的微生物表3-5微生物對于溫度的適應性第17頁/共85頁2023/4/4

18第三章微生物生物化學（2）pH值

每一種細菌生長時都要求一定的環(huán)境pH條件，大多數(shù)細菌在pH6.5～7.5之間生長最好，有些絕對厭氧菌（如產(chǎn)甲烷菌）的最適宜pH在6.8～7.2。pH值對細菌生長的影響，主要是可以改變底物和菌體酶蛋白的帶電狀態(tài)。當?shù)孜餅榈鞍踪|(zhì)、肽類或氨基酸等兩性電解質(zhì)時，隨著pH值的變化表現(xiàn)出不同的解離狀態(tài)，而菌體內(nèi)酶的活性部位只能作用于底物的某一種解離狀態(tài)。酶蛋白質(zhì)具有兩性解離特性，pH值的改變會改變酶活性部位上有關(guān)基團的解離狀態(tài)，從而影響酶與底物的結(jié)合。第18頁/共85頁2023/4/4

19第三章微生物生物化學（3）氧化還原電勢

各種細菌生活時要求的氧化還原條件不同。氧化還原條件的高低可用氧化還原電勢E來表示。一般需氧細菌要求E在0.3～0.4V左右，但E在0.1V以上均可生長；厭氧菌則需要E在0.1V以下才能生活；對于兼性細菌來說，E在0.1V以上，進行需氧呼吸，E在0.1V以下，則進行厭氧呼吸。在廢水生物處理的一般運轉(zhuǎn)情況下，需氧的活性污泥法系統(tǒng)，E常在200～600mV之間。生物濾池（高負荷）法濾池出水的E隨著濾池處理效率的降低，自311mV降至-39mV，二次沉淀池出水E可降至-89mV，這是由于氧的消耗和還原性物質(zhì)如氫的硫化氫的產(chǎn)生造成的。厭氧生物處理中污泥消化池中E值常保持在-100～-200mV的范圍內(nèi)。第19頁/共85頁2023/4/4

20第三章微生物生物化學（4）光線

除少數(shù)光和細菌外，大多數(shù)細菌不需要光線。許多微生物在日光直接照射下容易死亡，細菌更是如此。能起殺菌作用的光主要是紫外線。菌體內(nèi)蛋白質(zhì)和核酸都有高度吸收紫外線的能力，紫外線殺菌力最強的波長260nm正是核酸吸收的光譜。紫外線照射造成部分核酸的損傷，細菌細胞內(nèi)RNA發(fā)生突變，對微生物的誘變育種具有重要意義。第20頁/共85頁2023/4/4

21第三章微生物生物化學（5）壓力

壓力對細菌的作用可分為滲透壓、機械壓和氣體壓力。細菌生活在高滲透壓溶液中，細胞就要失水，發(fā)生質(zhì)壁分離，影響細胞生命活動甚至死亡。然而在低滲透壓溶液中，細菌細胞容易膨脹，甚至破裂。因此培養(yǎng)細菌時，不僅要注意無機鹽的種類，還需注意其濃度。在微生物試驗中稀釋菌液，一般用0.85%的食鹽溶液維持細菌等微生物的正常生活，這種濃度的鹽水稱為生理鹽水。培養(yǎng)細菌的培養(yǎng)基中無機鹽的滲透壓為0.05～0.1MPa，加入糖后可產(chǎn)生總的滲透壓約0.35～0.7MPa。高濃度的氧壓對細菌有害，0.2MPa的純氧能使一些細菌受抑制，但不能殺死。更高的氧壓可使其致死。5MPa的CO2在1.5h能將無芽孢細菌殺死，這是因為CO2容易滲透到細胞液中，一旦壓力突然降低，細菌可立即死亡。氮氣對細菌無大影響，12MPa的N2也不致使細菌死亡。此外，干燥程度、化學藥劑等對細菌的生活影響也很大。第21頁/共85頁2023/4/4

22第三章微生物生物化學§3.3細菌的生物催化劑—酶細菌的一切新陳代謝活動，都發(fā)生在細胞內(nèi)，這些復雜的反應都是在微生物酶的催化下進行的。酶（enzyme）是由活細菌細胞產(chǎn)生的一類具有高度催化專一性的特殊蛋白質(zhì)。微生物在廢水生物處理中之所以能起重要作用，就是由于它們能產(chǎn)生各種各樣的酶。在酶作用下進行化學變化的物質(zhì)叫底物，有酶催化的化學反應稱為酶促反應。酶也可以被分離出來，做成酶劑或固定化酶，在廢水生物處理中應用。第22頁/共85頁2023/4/4

23第三章微生物生物化學1酶的分類已知的酶有數(shù)千種，還有許多酶有待發(fā)現(xiàn)。1961年由國際酶學術(shù)委員會（I.E.C）制定的分類法，根據(jù)酶所催化的反應類型，將酶分為六大類，再根據(jù)化合物及被作用基團的性質(zhì)，每一大類又可分為若干亞類及次亞類。酶的分類見表3-6。第23頁/共85頁2023/4/4

24第三章微生物生物化學編號酶的名稱酶的催化反應性質(zhì)1氧化還原酶（oxido-reductase）此類酶能催化物質(zhì)進行氧化還原反應，即能引起物質(zhì)（底物）的脫氫和受氫作用，分為氧化酶和脫氫酶兩類。氧化酶類能活化分子氧（空氣中的氧）作為氫的受體而形成水，或使過氧化氫中的氧轉(zhuǎn)移到另一個物質(zhì)而使前者還原；脫氫酶類能催化直接從底物上脫氫2轉(zhuǎn)移酶類（transferase）此類酶能催化一種化合物分子上的基團，轉(zhuǎn)移到另一種化合物分子上3水解酶類（hydrolase）此類酶催化大分子物質(zhì)加水分解為小分子物質(zhì)。這類酶屬于細胞外酶（或適應酶）。在生物體內(nèi)分布最廣，數(shù)量也多，應用也最廣泛。例如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果膠酶等4異構(gòu)酶類（isomerase）此類酶催化同分異構(gòu)化合物之間的相互轉(zhuǎn)化，使分子內(nèi)部基團重新排列5裂解酶類（lyase）這些酶催化它們的底物發(fā)生非水解性裂解，其逆反應由相同的酶催化，因而又稱為縮合酶或裂和酶6合成酶類（Ligase）此類酶一般指在有腺苷三磷酸（ATP）參加的合成反應。這類酶關(guān)系著許多重要生命物質(zhì)的合成，如蛋白質(zhì)，核酸等的生物合成表3-6酶的分類第24頁/共85頁2023/4/4

25第三章微生物生物化學2酶的組成酶按其組成可分為單成分酶和雙成分酶（復合酶）。單成分酶一般僅由蛋白質(zhì)分子組成，不含非蛋白成分，大多數(shù)水解酶就屬于這一類。雙成分酶除蛋白質(zhì)部分（酶蛋白）外，還有非蛋白質(zhì)部分（輔酶或輔基）。雙成分酶中，蛋白質(zhì)部分稱為主酶，主酶與輔酶組成全酶。第25頁/共85頁2023/4/4

26第三章微生物生物化學在這種雙成分酶中，如酶蛋白與非蛋白質(zhì)部分結(jié)合得比較牢固，不易分離時，這種非蛋白質(zhì)部分稱輔基，一般只有酶蛋白與輔基結(jié)合在一起，才具有催化活性，兩者單獨分開后均無催化活性。另一些非蛋白質(zhì)部分與酶蛋白結(jié)合得不牢固，容易分離，這種非蛋白質(zhì)部分稱為輔酶，輔酶能與不同的酶蛋白結(jié)合，形成不同的全酶，這些全酶能催化同一類型的化學反應，但是它們所能作用的化合物是不同的。酶蛋白（主酶）部分決定化合物的專一性，即決定哪一種化合物可被催化，許多情況下，酶蛋白還決定反應的方向；而輔酶（或輔基）則決定催化反應的性質(zhì)。第26頁/共85頁2023/4/4

27第三章微生物生物化學3

酶的結(jié)構(gòu)

酶的催化功能是由酶的分子結(jié)構(gòu)，特別是由酶的特殊的空間構(gòu)象所決定的。當酶的構(gòu)象發(fā)生改變時，酶的催化功能將相應的發(fā)生改變。酶分子結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)一樣，具有一級、二級、三級甚至四級結(jié)構(gòu)，大多數(shù)酶只由一條肽鏈組成，有的酶有兩條或是多條肽鏈組成。由數(shù)條相同或相似的肽鍵組成的酶呈四級結(jié)構(gòu)，其中每一條肽鍵稱為一個亞基。酶的催化作用是由它的活性部位（活性中心）進行的。因酶所催化的底物通常是低相對分子質(zhì)量的，大分子的酶僅有一小部分酶蛋白與底物接觸并直接參與催化反應。這部分酶蛋白稱活性部位。第27頁/共85頁2023/4/4

28第三章微生物生物化學活性部位由為數(shù)不多的氨基酸殘基組成（有的還有金屬離子），它們在肽鏈上不一定是相鄰近的，而是肽鏈的折疊或是肽鏈的空間構(gòu)象中，按一定的相對位置相互接近在一起。因此酶的活性部位只有在酶蛋白保持一定的空間構(gòu)象時才能發(fā)揮催化功能。活性部位也包含活力需要的輔酶，活性部位的一部分與底物的結(jié)合有關(guān)（結(jié)合部位），而另外部分承擔著化學鍵的生成或斷裂（即催化部分）。酶蛋白非活性部位的分子的功能可以使活性部位的組分保持適當?shù)南鄬ξ恢煤投ㄏ?。?8頁/共85頁2023/4/4

29第三章微生物生物化學4

酶的性質(zhì)酶是真正的催化劑，因為酶并不改變它們所催化的反應的平衡點，在催化過程中，本身也不消耗。和其他催化劑一樣，酶能降低它所催化的反應的活化能，縮短反應到達平衡的時間，但酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)，尚有自己的特性。酶能夠在常溫和pH值近乎中性的溫和條件下發(fā)揮其催化功能。但一般催化劑卻需要高溫高壓、強酸強堿等劇烈條件，而這些條件會使酶變性而喪失其催化能力。酶的催化具有高效性，其效率要比一般的催化劑的催化效率高得多。同等條件下，氧化氫酶比Fe3+酶催化H2O2分解為水和氧氣，催化效率要高1010倍。第29頁/共85頁2023/4/4

30第三章微生物生物化學5

酶的催化機理酶的催化本質(zhì)是降低反應能閾、減少活化能，使反應能夠進行。關(guān)于酶的催化機理，目前較公認的是1913年由Michuelis和Menten首先提出的中間產(chǎn)物學說?；菊擖c是，首先由酶（E）和底物（S）結(jié)合生成中間產(chǎn)物（ES），然后中間產(chǎn)物再形成產(chǎn)物（P），同時使酶（E）重新游離出來，表示為下列反應：對于有兩種底物的酶促反應，可以下式表示：中間產(chǎn)物學說的關(guān)鍵，在于中間產(chǎn)物的形成。酶和底物可以通過共價鍵、氫鍵、離子鍵等結(jié)合成中間產(chǎn)物，中間產(chǎn)物穩(wěn)定性較低，易于分解成產(chǎn)物并使酶游離出來。第30頁/共85頁2023/4/4

31第三章微生物生物化學6

影響酶催化活性的因素因為酶是蛋白質(zhì)，同時又具有催化化學反應的特性，因而易受到各種環(huán)境因素的影響。（1）pH值氫離子濃度對酶反應速度的影響很大。每種酶都有其特定的最適宜pH值，大于或小于這個數(shù)值，酶的活力就會降低，甚至引起酶蛋白變性而失去活性。pH值對酶活力的影響主要因為pH值改變底物和酶分子的帶電狀態(tài)。當?shù)孜餅閮尚噪娊赓|(zhì)時，它們隨著pH值的變化表現(xiàn)出不同的解離狀態(tài)，而酶的活性部位往往只能作用于底物的某一種解理狀態(tài)。酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)，因而具有兩性解離特性，pH值的改變會改變酶的活性部位上有關(guān)基團的解離狀態(tài)，從而影響酶與底物的結(jié)合。假定酶在某一pH值時，酶分子的活性部位上存在一個帶正電的基團和帶負電荷的基團時，此時酶最容易與底物相結(jié)合，當pH偏高或偏低時，活性部位帶電情況改變，酶與底物的結(jié)合能力便降低。第31頁/共85頁2023/4/4

32第三章微生物生物化學（2）溫度各種酶的反應有其最適宜的溫度，此時，酶的反應速率最快。在酶的最適宜溫度范圍內(nèi)，溫度每升高10℃，反應速度相應地增加1～2倍。溫度對酶反應速率的影響通常用溫度系數(shù)Q10來表示：

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33第三章微生物生物化學（3）激活劑許多酶促反應必須有其它適當物質(zhì)存在時才能表現(xiàn)酶的催化活性或加強催化效力，這種作用稱為酶的激活作用。引起激活作用的物質(zhì)叫做激活劑。它與輔酶或輔基不同，無激活劑存在時，酶仍能表現(xiàn)一定的活性，而輔酶不存在時，酶完全失去活性。一般認為，金屬離子的激活作用是由于金屬離子與酶結(jié)合后，再與底物結(jié)合成三位一體的“酶-金屬-底物”的復合物，這里的金屬離子使底物更有利于同酶的活性部位的催化部位和結(jié)合部位相結(jié)合，使反應加速進行。金屬離子起了某種搭橋作用。第33頁/共85頁2023/4/4

34第三章微生物生物化學（4）抑制劑有些化學物質(zhì)可以減弱、抑制甚至破壞酶的作用，稱為酶的抑制劑。重金屬離子如Ag+、Hg2+、Cu2+等以及CO、H2S、HCN等都是典型的抑制劑。有的抑制作用可加入其它物質(zhì)或用其它方法解除，使酶活性恢復，這種抑制稱為可逆性抑制；有的抑制作用不能因加入某種物質(zhì)而解除，這種抑制稱為不可逆抑制。第34頁/共85頁2023/4/4

35第三章微生物生物化學（5）反饋抑制作用下列反應中，

起始物A被酶E1、E2、E3轉(zhuǎn)化為所需要的產(chǎn)物D，產(chǎn)物D對酶E1具有專一的可逆的抑制作用，稱為反饋抑制。這種抑制對微生物的代謝是有利的，因為它們準確地控制產(chǎn)物D的濃度。當D達到一定濃度時，通過反饋抑制了E1的活性，阻止了A轉(zhuǎn)化為B的作用，D的合成速率降低，中間產(chǎn)物B和C不能積累，起始物就讓給需要它的其它反應。當D的濃度降低時，對酶E1的抑制作用減低，D的合成再繼續(xù)進行。第35頁/共85頁2023/4/4

36第三章微生物生物化學§3.4分批培養(yǎng)物的生長規(guī)律細菌通過代謝作用將營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成細胞物質(zhì)，增加了菌體重量，這是生長。單細胞生物的生長往往伴隨著細胞的分裂繁殖。由于細菌繁殖一代的時間很短（20-30min），在一群體細菌中無法區(qū)分每單個細菌的生長狀態(tài)，因此，細菌的生長，實際是以群體細胞數(shù)目的增加作標志。第36頁/共85頁2023/4/4

37第三章微生物生物化學1分批培養(yǎng)物的生長在一給定容積的培養(yǎng)基中生長的細菌，稱為分批培養(yǎng)物。當細菌處于平衡生長時，如果生物量增長一倍，則細菌體內(nèi)所有可量測物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、RNA、DNA及胞內(nèi)水分也增長了一倍。也就是說，平衡生長的細菌，其化學組成是恒定的。如圖3-2。這一現(xiàn)象簡化了細菌培養(yǎng)物增殖率的測定工作，因為測量細菌培養(yǎng)物中任何一種成分的增長率就足以代表細菌的增殖率。第37頁/共85頁2023/4/4

38第三章微生物生物化學圖3-2：營養(yǎng)物濃度對比增殖率的影響第38頁/共85頁2023/4/4

39第三章微生物生物化學因此以下三個公式都可以認為是細菌的增殖率公式。μ為增殖率常數(shù)，或稱比增值率；N、X及Z分別表示每毫升溶液中的細菌個數(shù)、細菌質(zhì)量及任何一種細胞成分（RNA、DNA等）的質(zhì)量。第39頁/共85頁2023/4/4

40第三章微生物生物化學μ的單位一般用h-1。前面已講過倍增時間（doublingtime）td，是指細菌培養(yǎng)物的各種成分都增為原來二倍的時間，倍增時間（td）與μ的關(guān)系如下：第40頁/共85頁2023/4/4

41第三章微生物生物化學雖然，細菌的增殖率公式是一級反應的形式，增殖率常數(shù)μ相當于反應速率常數(shù)k，但兩者還是還有不同的一面。這可以從μ與限制營養(yǎng)物濃度ρ的關(guān)系看出來，由Monod方程

μmax—底物濃度不是限制條件時的比增長速度，即最大比增長速度（1/h）；圖3-2即反應了該公式的典型曲線，μ隨營養(yǎng)物質(zhì)濃度ρ的變化，當營養(yǎng)物質(zhì)濃度很低時，μ值降低，因而細菌生長率隨之下降。隨營養(yǎng)物濃度的提高，μ值增大，生長速率也上升，并得到更大的菌體量。但由于曲線隨著營養(yǎng)物濃度的繼續(xù)增加而逐漸平緩下來，細菌的生長速率也必然緩慢下來。第41頁/共85頁2023/4/4

42第三章微生物生物化學2細菌的增長曲線圖3-3：細菌的生長曲線微生物的增長一般需要經(jīng)過如下幾個階段。1）停滯期：細胞物質(zhì)有所增加，但細胞總數(shù)沒有增加。2）對數(shù)增長期：細胞數(shù)按一定的比生長速度增加。3）靜止期：由于缺乏底物（養(yǎng)料的消耗）或抑制物質(zhì)的積累等原因，微生物的生長繁殖處于停止狀態(tài)。4）衰亡期：由于細胞不能維持生命，細胞數(shù)目下降。這時的細菌稱為老齡菌，以別于指數(shù)生長期的幼齡菌。第42頁/共85頁2023/4/4

43第三章微生物生物化學在指數(shù)生長階段，細菌的增殖速率dx/dt與限制營養(yǎng)物的減少速率dρ/dt之間存在著下列正比例關(guān)系：式中Y稱為產(chǎn)率因數(shù)（yieldfactor），它的涵義在把上式寫成下式后就更明顯了：從上式可以看出，Y代表每克營養(yǎng)物所產(chǎn)生的細菌質(zhì)量。第43頁/共85頁2023/4/4

44第三章微生物生物化學在細菌生長的各個i時期中，細菌的大小和成分的變化見圖3-4。圖3-4：分批培養(yǎng)物中細菌的大小及成分A：滯后期結(jié)束；b：指數(shù)生長期結(jié)束；c：指數(shù)生長期細胞分裂結(jié)束；d：靜止期第44頁/共85頁2023/4/4

45第三章微生物生物化學圖3-4：分批培養(yǎng)物中細菌的大小及成分A：滯后期結(jié)束；b：指數(shù)生長期結(jié)束；c：指數(shù)生長期細胞分裂結(jié)束；d：靜止期圖中可以看出，單個細菌的質(zhì)量，只有在指數(shù)生長期才是恒定的，在滯后期以及靜止期以后，單個細菌的質(zhì)量都是變化的。另外，在指數(shù)生長期單位質(zhì)量中所含RNA以及DNA量都是恒定的。第45頁/共85頁2023/4/4

46第三章微生物生物化學§3.5細菌的呼吸與生物氧化細菌的呼吸可以定義為產(chǎn)生ATP的代謝過程。呼吸過程以有機或無機化合物作為電子供體（即使之氧化）開始，以無機化合物為最終電子受體（即使之還原）完成。生產(chǎn)ATP的過程即獲得能量的過程。通常的最終電子受體為分子氧，但是硫酸鹽、硝酸鹽和碳酸鹽等化合物也是電子最終受體的一些類型。在呼吸過程中將產(chǎn)生許多中間產(chǎn)物，這些產(chǎn)物一部分將繼續(xù)分解，一部分則作為合成細胞物質(zhì)的原料。第46頁/共85頁2023/4/4

47第三章微生物生物化學1

細菌的呼吸類型根據(jù)與氧氣的關(guān)系，細菌的呼吸作用分為需氧呼吸和厭氧呼吸兩大類。由于呼吸類型的不同，細菌也就分為需氧菌（好氣菌）、厭氧菌（厭氣菌）和兼性菌（兼氣菌）三類。需氧菌生活時需要氧氣，沒有氧氣就無法生存。它們在有氧的條件下，可以將有機物分解成二氧化碳和水，這個物質(zhì)分解的過程叫需氧分解。厭氧菌只有在沒有氧氣的環(huán)境中才能生長，氧氣甚至對它還有毒害作用。它們在無氧條件下，可以將復雜的有機物分解成簡單的有機物和二氧化碳等，這個過程稱為厭氧分解。兼性菌則既可以在有氧環(huán)境下生活，也可以在無氧環(huán)境下生長，在自然界中，大部分細菌屬于這一類。第47頁/共85頁2023/4/4

48第三章微生物生物化學1）需氧呼吸：需氧呼吸的過程是底物營養(yǎng)物質(zhì)進入需氧細菌細胞后，通過一系列氧化還原反應獲得能量的過程。這個過程是在氧化酶、脫氫酶、細胞色素（電子傳遞體）和氧氣的參與下進行的。首先是底物中的氫被脫氫酶活化，從底物中脫出交給其輔酶，同時放出電子。氧化酶利用底物放出的電子激活氧氣，活化氧與由脫氫酶從底物中脫出的氫結(jié)合成水。因此需氧呼吸的最終受氫體是游離的氧。在這個過程中放出能量。需氧呼吸過程中，底物被氧化得比較徹底，獲得能量較多，底物被氧化后得最終產(chǎn)物積累較少。如圖3-5。圖3-5：需氧呼吸過程圖示第48頁/共85頁2023/4/4

49第三章微生物生物化學2）厭氧呼吸：厭氧呼吸只具有脫氫酶系統(tǒng)，沒有氧化酶系統(tǒng)。在呼吸過程中，底物中的氫被脫氫酶活化，從底物中脫下來的氫經(jīng)輔酶傳遞給氧以外的有機物或無機物使其還原。接受氫的物質(zhì)就是受氫體。厭氧呼吸有分子內(nèi)呼吸之稱。這種分子內(nèi)的無氧呼吸也稱為發(fā)酵。在整個厭氧呼吸過程中底物氧化不徹底，在其最終代謝產(chǎn)物中有的還可以燃燒，還含有相當多的能量，故釋放的能量較少（有氧氧化的最終產(chǎn)物是含能量最低的二氧化碳和水，故釋放能量多）。如圖3-6。圖3-6：需氧呼吸過程圖示第49頁/共85頁2023/4/4

50第三章微生物生物化學由于厭氧呼吸氧化不徹底，釋放的能量較少，因此厭氧菌在進行生命活動過程中，為了滿足能量的需要，消耗的底物比需氧菌多。厭氧菌對氧氣很敏感，這是由于在有氧存在時，活化的氫和氧結(jié)合生成過氧化氫，而厭氧菌缺乏分解過氧化氫的酶，過氧化氫的積累對細胞發(fā)生毒害作用。第50頁/共85頁2023/4/4

51第三章微生物生物化學3）兼性細菌：兼性細菌在有氧和無氧條件下都能生長，在有氧時，進行需氧呼吸，在無氧時進行厭氧呼吸。進行厭氧呼吸時有兩種類型：分子內(nèi)呼吸和分子外呼吸。分子內(nèi)無氧呼吸類型的細菌兼有需氧菌和厭氧菌的酶系統(tǒng)。例如，酵母菌對葡萄糖的作用，在有氧條件下為：

C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2872kJ在無氧條件下則為：

C6H12O6→2CH3CH2OH

+2CO2+109kJ第51頁/共85頁2023/4/4

52第三章微生物生物化學分子外無氧呼吸的兼性細菌在有氧時可靠脫氫酶和氧化酶全部呼吸酶體系的作用，進行有氧呼吸；在無氧時，由于它們具有特殊的氧化酶，能使某些無機氧化物如硝酸鹽、亞硝酸鹽、硫酸鹽中的氧活化而作為受氫體，接受底物中被脫氫酶活化的氫生成水，硝酸鹽被還原為氮氣或氨等。硝酸鹽作為受氫體的反應如下：

C6H12O6+4NO3-→6CO2+2N2+6H2O+1758kJ第52頁/共85頁2023/4/4

53第三章微生物生物化學2生物氧化的類型生物氧化是生物體新陳代謝重要的基本反應，與一切在生理條件下所發(fā)生的其它反應，如水解、脫羧、醇醛縮合等相比，所提供的能量也是最多。生物氧化是生物體生命活動最重要和最基本的供能方式。生物氧化作用主要通過脫氫反應來實現(xiàn)，一般包括脫氫、傳遞氫和受氫三個環(huán)節(jié)。對于不同的微生物來說，因所含的氧化還原酶類的不同，它們的氧化方式的不同，脫氫、傳遞氫和受氫過程的不同，因而構(gòu)成各種不同的生物氧化體系。第53頁/共85頁2023/4/4

54第三章微生物生物化學1）好氧生物氧化（需氧氧化）：好氧生物氧化以分子氧作為最終電子受體，呼吸作用就是需氧和兼性微生物在有氧條件下所進行的好氧生物氧化。大多數(shù)細菌以及霉菌、放線菌、藻類和原生動物都需要由空氣中獲得氧氣以進行呼吸。微生物從呼吸底物分子脫下來的氫到最終電子受體之間，要經(jīng)過一系列的中間傳遞體的電子傳遞過程。中間傳遞體是一些能進行生物氧化還原反應的物質(zhì)，并按一定順序排列，按順序?qū)㈦娮觽鬟f到最終電子受體分子氧。這些傳遞體所構(gòu)成的鏈稱為呼吸鏈，也稱為電子傳遞體系或電子傳遞鏈。第54頁/共85頁2023/4/4

55第三章微生物生物化學2）厭氧生物氧化：厭氧條件下，氧化以有機物或無機物為最終電子受體。當以有機物作為最終受體時，這種有機物通常是代謝的中間產(chǎn)物。這種氧化作用不徹底，最終形成還原性產(chǎn)物，因此只放出一部分自由能。當厭氧氧化以無機化合物為最終電子受體時，常以NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-和CO2等為最終受體。第55頁/共85頁2023/4/4

56第三章微生物生物化學§3.6微生物的需氧代謝需氧生物代謝過程的主要途徑如圖3-7。降解代謝的起始物質(zhì)不外乎蛋白質(zhì)、多糖類、脂類和烷烴，而合成代謝的最終產(chǎn)物也只是蛋白質(zhì)、多糖類和脂類。無論是降解還是合成代謝，都可分為三個階段：水解、酵解和三羧酸循環(huán)。三羧酸循環(huán)既是降解的最后階段，又是合成的起始階段，是整個代謝過程的核心內(nèi)容。第56頁/共85頁2023/4/4

57第三章微生物生物化學需氧代謝三階段圖3-7：實線箭頭：降解代謝①：水解；②：末端甲基氧化；③：酵解；④：磷酸甘油EMP途徑；⑤：β-氧化；⑥：氨化作用（脫氨基）虛線箭頭：合成代謝第57頁/共85頁2023/4/4

58第三章微生物生物化學1

大分子有機物的水解大分子有機物或不溶性有機物必須先經(jīng)過微生物水解酶類的水解作用，變成小分子或可溶性有機物，然后再進一步降解。需氧生物處理和厭氧生物處理都需要經(jīng)過這一步。（1）蛋白質(zhì)的水解有機氮化物主要指蛋白質(zhì)，微生物不能直接吸收利用蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)經(jīng)過下列分解變成簡單的氨基酸才能吸收進細胞內(nèi)。一部分氨基酸作為合成細胞物質(zhì)的原料而被利用，另一部分繼續(xù)被分解成氨、CO2和H2O，或是有機酸及硫、磷化物。

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59第三章微生物生物化學（2）脂肪的水解脂類分子都含碳、氫、氧元素，有的也含有氮和磷。脂類被水解后產(chǎn)生醇和脂肪酸。脂類不溶于水，但溶于脂溶劑等，可以被生物所利用，作為構(gòu)造、修補組織或供給能量之用。脂肪的水解是逐步進行的，每一步水解只能水解出一個脂肪酸，經(jīng)過3次水解后就水解成1個分子甘油和3個脂肪酸分子。第59頁/共85頁2023/4/4

60第三章微生物生物化學（3）多糖的水解高分子多糖是由多個單糖分子縮合而成，因相對分子質(zhì)量很大，在水中只能成膠態(tài)溶液，不能成真溶液，纖維素根本不溶于水，無甜味，無還原性，經(jīng)分解成為葡萄糖。最重要的多糖是淀粉、纖維素、糖元、果膠及細菌多糖等。淀粉是自然界中容易被分解的不含氮有機物。能分解淀粉的微生物種類很多，包括各種細菌、放線菌和真菌中的曲霉、根酶和毛酶等。分解淀粉有兩個基本方式：一種是在磷酸化酶的作用下，將支鏈淀粉中的葡萄糖分子一個一個地分解下來，另一種是在淀粉酶作用下進行分解。纖維素的分解必須經(jīng)微生物（主要是細菌）外酶的水解，才能成為可溶性的纖維二糖或葡萄糖而被利用。第60頁/共85頁2023/4/4

61第三章微生物生物化學2、單糖、氨基酸和脂肪酸代謝（1）葡萄糖的酵解葡萄糖的酵解途徑幾乎是所有具有細胞結(jié)構(gòu)的生物所共有的主要代謝途徑，葡萄糖被降解為2分子的丙酮酸（如圖3-8），丙酮酸在好氧條件下通過三羧酸循環(huán)，最終氧化成CO2和H2O，并產(chǎn)生大量能量。第61頁/共85頁2023/4/4

62第三章微生物生物化學圖3-8：EMP途徑第62頁/共85頁2023/4/4

63第三章微生物生物化學（2）丙酮酸的有氧生物氧化丙酮酸有氧分解可分為兩個階段，首先是丙酮酸氧化脫羧作用釋放能量，形成高能硫酯鍵的乙酰輔酶A（反應如下），然后乙酰輔酶A進入三羧酸循環(huán)，徹底氧化。CH3COCOOH+NAD+CoASH————→CH3CO-SCoA+CO2+NADH2丙酮酸氧化脫羧酶乙酰輔酶A第63頁/共85頁2023/4/4

64第三章微生物生物化學（3）三羧酸循環(huán)（TCA環(huán)）三羧酸循環(huán)是因為循環(huán)中有檸檬酸等幾個含有三個羧基的有機酸而得名的。是葡萄糖有氧分解的一種方式，是葡萄糖酵解過程的繼續(xù)。由酵解得的丙酮酸，在有氧條件下進入TCA環(huán)后，產(chǎn)生乙酰輔酶A，并與草酰乙酸縮合成檸檬酸，再經(jīng)過脫氫、脫羧等一系列反應，最終是葡萄糖完全氧化分解為CO2和H2O。如圖3-9。三羧酸循環(huán)不僅是糖類好氧代謝的主要途徑，而且也是脂肪、蛋白質(zhì)、氨基酸等最終氧化的共同途徑。第64頁/共85頁2023/4/4

65第三章微生物生物化學三羧酸循環(huán)與乙醛酸循環(huán)圖3-9：TCA每循環(huán)一次由乙?；趸a(chǎn)生2個CO2，并再生一個草酰乙酸。第65頁/共85頁2023/4/4

66第三章微生物生物化學（4）氨基酸的代謝蛋白質(zhì)水解后生成各種氨基酸。脫氨基作用是氨基酸降解的第一步。不同的微生物和不同條件，氨基酸的脫氨基作用是不同的，主要分為氧化脫氨基和非氧化脫氨基兩類反應。氨基酸生成的酮酸進入三羧酸循環(huán)。第66頁/共85頁2023/4/4

67第三章微生物生物化學氧化脫氨基：氨基酸在酶的催化下，脫氫被氧化成亞氨基酸，壓氨基酸在水溶液中極不穩(wěn)定，自發(fā)水解成酮酸基和氨。脫氨的脫氫酶中活性最強、分布最廣的是L-谷氨酸脫氫酶，它的輔酶為NAD或NADP，它能催化谷氨酸脫氫脫氨基，生成α-酮戊二酸和氨。第67頁/共85頁2023/4/4

68第三章微生物生物化學聯(lián)合脫氨：由轉(zhuǎn)氨酶和L-谷氨酸脫氫酶聯(lián)合作用進行脫氨基。α-氨基酸先與α-酮戊二酸起轉(zhuǎn)氨基作用，形成谷氨酸，再經(jīng)谷氨酸脫氫酶作用進行氧化性脫氨基，生成氨。第68頁/共85頁2023/4/4

69第三章微生物生物化學非氧化性脫氨基：還原性脫氨基反應在厭氧條件下進行，主要發(fā)生在厭氧微生物和梭狀芽孢桿菌及一些兼性微生物中。在氫化酶的催化下，反應使氨基酸加氫脫氨。例如甘氨酸還原性脫氨基反應生成乙酸和氨（大腸桿菌，熒光桿菌）。第69頁/共85頁2023/4/4

70第三章微生物生物化學（5）甘油的代謝甘油的代謝，一般按照糖的分解途徑進行。甘油經(jīng)甘油激酶的作用形成α-磷酸甘油，α-磷酸甘油再經(jīng)脫氫酶的作用形成磷酸二羥丙酮，磷酸二羥丙酮進一步氧化進入三羧酸循環(huán)。第70頁/共85頁2023/4/4

71第三章微生物生物化學（6）脂肪酸的β-氧化每經(jīng)一次β-氧化，碳鏈短兩個碳原子，生成一分子乙酰－SCoA，如此反復反應，最后可使一個偶數(shù)碳原子的脂肪酸完全降解成乙酰輔酶A，而奇數(shù)碳原子的脂肪酸降解的結(jié)果除生成若干個分子的乙酰輔酶A外，還有一分子丙酰輔酶A。乙酰輔酶A進入三羧酸循環(huán)，最后氧化成CO2和H2O。脂肪酸的氧化主要是進行β-氧化。脂肪酸的有氧徹底氧化可以產(chǎn)生大量能量，一分子的C16飽和脂肪酸被徹底氧化時可獲得130個ATP。第71頁/共85頁2023/4/4

72第三章微生物生物化學§3.7微生物的厭氧代謝厭氧代謝整個過程可大致分為三個階段。第一階段是由兼性細菌產(chǎn)生的水解酶類，將大分子物質(zhì)或不溶性物質(zhì)水解成低分子可溶性的有機物，如葡萄糖（已糖）、氨基酸、脂肪酸和甘油等。第二階段是由產(chǎn)酸細菌把可溶性有機物氧化成為低分子的有機酸、醇等，并合成新細胞物質(zhì)。第三階段是產(chǎn)甲烷細菌把第二階段的產(chǎn)物進一步氧化成甲烷、二氧化碳等，并合成新的細胞物質(zhì)。第72頁/共85頁2023/4/4

73第三章微生物生物化學圖3-8:厭氧生物處理三階段第73頁/共85頁2023/4/4

74第三章微生物生物化學1、丙酮酸的厭氧氧化大多數(shù)厭氧和兼性厭氧微生物進行葡萄糖厭氧分解的途徑都是經(jīng)1，6-二磷酸果糖降解為丙酮酸。但不同的微生物在進一步處理丙酮酸上卻有很大差別，形成多種發(fā)酵類型。有乙醇發(fā)酵，乙酸發(fā)酵，同型乳酸發(fā)酵，丁醇，丁酸發(fā)酵等。多數(shù)細菌或酵母菌將丙酮酸進一步降解為乙醇。梭狀芽孢桿菌所進行的發(fā)酵產(chǎn)物中有丁酸、乙酸、乙醇、丙酮等。丙酸細菌將丙酮酸分解成丙酸、乙酸和CO2。大腸桿菌發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生甲酸、乙酸、乳酸和琥珀酸等各種有機酸。通常在堿性條件下（pH=7.8）才產(chǎn)生甲酸，在酸性條件下（pH=6.2以下）不產(chǎn)生甲酸，而產(chǎn)生大量氣體。第74頁/共85頁2023/4/4

75第三章微生物生物化學2、甲烷的生成厭氧生物處理最終的重要產(chǎn)物是沼氣。甲烷在沼氣中含量約占60%～70%，二氧化碳約占20%～30%。甲烷是有機物中最還原的化合物，其生成處于發(fā)酵微生物鏈的末端。產(chǎn)甲烷菌在有機物厭氧分解的過程中普遍存在，且對氧氣極端敏感。甲烷菌不能利用復雜的有機物，只能