√環(huán)境工程微生物學(xué)(五-微生物生理new)

第四章微生物的生理本章主要內(nèi)容：一、微生物的酶二、微生物的營(yíng)養(yǎng)三、微生物的產(chǎn)能代謝四、微生物的合成代謝微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝需在酶的作用下才能正常進(jìn)行。第一節(jié)微生物的酶什么是酶？酶是生物催化劑生物體內(nèi)一切生化反應(yīng)都需要酶的催化才能進(jìn)行！性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人造催化劑。絕大多數(shù)的酶是蛋白質(zhì)，分子量6000~106酶的種類(lèi)繁多酶是由細(xì)胞產(chǎn)生的、能在體內(nèi)或體外起催化作用的一類(lèi)具有活性中心和特殊構(gòu)象的生物大分子，包括蛋白質(zhì)類(lèi)酶和核酸類(lèi)酶。根據(jù)酶的化學(xué)組成情況，可以將酶分為兩大類(lèi)：1、單成分酶：它們的組成為單一蛋白質(zhì)，如水解酶.2、全酶：某些酶分子中除了蛋白質(zhì)外，還含有非蛋白組分.全酶的蛋白質(zhì)部分稱(chēng)為酶蛋白，非蛋白質(zhì)部分（輔助因子）包括輔酶或輔基（熱穩(wěn)定的小分子有機(jī)物或金屬離子），如維生素、ATP

。酶蛋白與輔助因子組成的完整分子稱(chēng)為全酶。單純的酶蛋白無(wú)催化功能.一、酶的組成（一）酶的組成形式全酶有3種形式：

1、全酶＝酶蛋白＋有機(jī)物(不含N)，如多種脫氫酶類(lèi)

2、全酶＝酶蛋白＋有機(jī)物(不含N)＋金屬離子，如丙酮酸脫氫酶

3、全酶＝酶蛋白＋金屬離子，如細(xì)胞色素氧化酶輔助因子(輔酶或輔基)全酶=酶蛋白+輔助因子（輔基或輔酶）

酶的功能酶蛋白：加速生化反應(yīng)輔基和輔酶：傳遞電子、原子和基團(tuán)金屬離子：傳遞電子、作為激活劑輔基和輔酶的區(qū)別：輔基與酶蛋白結(jié)合較緊，用透析法不能使兩者分開(kāi)。輔酶與酶蛋白結(jié)合較松，用透析法可使兩者分開(kāi)。（二）幾種重要的輔助因子某些小分子物質(zhì)與酶蛋白結(jié)合在一起并協(xié)同實(shí)施催化作用，這類(lèi)分子被稱(chēng)為輔助因子。輔助因子是一類(lèi)具有特殊化學(xué)結(jié)構(gòu)和功能的物質(zhì)。參與的酶促反應(yīng)主要為氧化-還原反應(yīng)或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)。(1)輔酶A(CoA或CoA-SH)輔酶A是生物體內(nèi)代謝反應(yīng)中乙酰化酶的輔酶，通過(guò)巰基的受酰和脫酰參與轉(zhuǎn)酰基反應(yīng)。功能：傳遞酰基，是形成代謝中間產(chǎn)物的重要輔酶。NAD+(煙酰胺-腺嘌呤二核苷酸，又稱(chēng)輔酶I)和NADP+(煙酰胺-腺嘌呤磷酸二核苷酸,又稱(chēng)輔酶II)(2)NAD+

和NADP+功能：是多種重要脫氫酶的輔酶，通用的電子載體。FAD(黃素-腺嘌呤二核苷酸)和FMN(黃素單核苷酸)。(3)FAD和FMN功能：在脫氫酶催化的氧化-還原反應(yīng)中，起著電子和質(zhì)子的傳遞體作用。輔酶Q又稱(chēng)為泛醌，其結(jié)構(gòu)為：輔酶Q的活性部分是它的醌環(huán)結(jié)構(gòu)，主要功能是作為線(xiàn)粒體呼吸鏈氧化-還原酶的輔酶，在酶與底物分子之間傳遞電子。(4)輔酶Q(CoQ)硫辛酸是少數(shù)不屬于維生素的輔酶。硫辛酸是6,8-二硫辛酸，有兩種形式，即硫辛酸（氧化型）和二氫硫辛酸（還原型）.起傳遞?；蜌涞淖饔?。（5）硫辛酸（L）焦磷酸硫胺素是脫羧酶的輔酶。(6)焦磷酸硫胺素(TPP)功能：催化酮酸的脫羧反應(yīng)。磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。磷酸吡哆素是轉(zhuǎn)氨酶的輔酶，轉(zhuǎn)氨酶通過(guò)磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺的相互轉(zhuǎn)換，起轉(zhuǎn)移氨基的作用。(7)磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺生物素是羧化酶的輔酶。生物素的功能是作為CO2的傳遞體，在生物合成中起傳遞和固定CO2的作用。(8)生物素（維生素H）四氫葉酸是合成酶的輔酶，其前體是葉酸(又稱(chēng)為蝶酰谷氨酸，維生素B11)。四氫葉酸的主要作用是作為一碳基團(tuán)，如-CH3,-CH2-,-CHO等的載體，參與多種生物合成過(guò)程。(9)四氫葉酸(FH4或THFA)(10)金屬離子金屬離子是酶的輔基，又是酶的激活劑。許多酶含銅、鋅、鈷、鉬、鎳等離子。金屬可能作為酶的活性基的一部分，如多酚氧化酶中的銅離子。鎂、錳、鋅離子等可激活多種酶的活性。專(zhuān)性厭氧菌（產(chǎn)甲烷菌）特有的輔酶：輔酶M、F420（輔酶420）、F430（輔酶430）等。二、酶蛋白的結(jié)構(gòu)大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)，具有蛋白質(zhì)的一切特性。由20種氨基酸組成，有一、二、三、四級(jí)結(jié)構(gòu)。變性、復(fù)性。

20種氨基酸：

Ala（丙氨酸）、Arg（精氨酸）、Asn（天門(mén)冬酰胺）、Asp（天門(mén)冬氨酸）、Cys（半胱氨酸）、Gln（谷氨酰胺)、Glu（谷氨酸）、Gly（甘氨酸）、His（組氨酸）、Ile（異亮氨酸）、Leu（亮氨酸）、Lys（賴(lài)氨酸）、Met（蛋氨酸）、Phe（苯丙氨酸）、Pro（脯氨酸）、Ser（絲氨酸）、Thr（蘇氨酸）、Trp（色氨酸）、

Tyr（酪氨酸）、Val（纈氨酸）。氨基酸之間通過(guò)肽鍵（-NH-CO-）連接成多肽鏈。多肽鏈之間或一條多肽鏈卷曲后相鄰的基團(tuán)之間通過(guò)氫鍵、鹽鍵、酯鍵、疏水鍵、范德華引力及金屬鍵等相連接，形成蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)：一級(jí)結(jié)構(gòu)：多肽鏈本身結(jié)構(gòu)；二級(jí)結(jié)構(gòu)：多肽鏈形成的初級(jí)結(jié)構(gòu)，由氫鍵連接；三級(jí)結(jié)構(gòu)：在二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步扭曲形成的更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，有氫鍵、鹽鍵、疏水鍵等；亞基：由一條或多條多肽鏈在三級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成的小單位。四級(jí)結(jié)構(gòu)：由多個(gè)亞基形成。

二、三和四級(jí)結(jié)構(gòu)為空間結(jié)構(gòu)。酶蛋白的結(jié)構(gòu)20種氨基酸一級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)肽鍵氫鍵氫鍵鹽鍵疏水鍵氫鍵鹽鍵疏水鍵范德華力少數(shù)酶具有四級(jí)結(jié)構(gòu)（圖）酶蛋白結(jié)構(gòu)圖酶蛋白的結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)三、酶的活性中心酶的活性中心是指酶的活性部位，是酶蛋白分子中直接參與和底物結(jié)合，并與酶的催化作用直接有關(guān)的部位。即酶蛋白肽鏈中由少數(shù)幾個(gè)氨基酸殘基組成的、具有一定空間構(gòu)象的與催化作用密切相關(guān)的區(qū)域。酶的活性中心分二個(gè)功能部位：結(jié)合部位和催化部位。如果酶蛋白發(fā)生變性，構(gòu)成酶活性中心的基團(tuán)互相分開(kāi)，酶與底物將無(wú)法形成結(jié)合，酶促反應(yīng)也就無(wú)法進(jìn)行?；钚灾行牡奶攸c(diǎn)：①活性中心是一個(gè)空間部位，一般在酶分子表面的一個(gè)空穴或深溝里；②活性中心的基團(tuán)由一些極性氨基酸殘基的側(cè)鏈基團(tuán)組成；③微區(qū)或處于同一肽鏈的不同部位，或處于不同的肽鏈上，但由于空間盤(pán)旋、折疊，使它們?cè)诳臻g結(jié)構(gòu)上彼此靠近。牛胰核糖核酸酶的活性中心（組12-組119-賴(lài)41）纈天天天天賴(lài)異甘組SS絲纈SS活性中心胰蛋白酶活性中心活性部位1.酶的分類(lèi)

根據(jù)酶所催化的反應(yīng)類(lèi)型，把酶劃分為6類(lèi)。水解酶催化底物的加水分解反應(yīng)。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反應(yīng)：四、酶的分類(lèi)與命名

(1)水解酶hydrolase氧化-還原酶催化氧化-還原反應(yīng)。主要包括脫氫酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如乳酸(Lactate)脫氫酶催化乳酸的脫氫反應(yīng)。(2)氧化-還原酶Oxidoreductase轉(zhuǎn)移酶催化基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)，即將一個(gè)底物分子的基團(tuán)或原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)底物的分子上。

例如，谷丙轉(zhuǎn)氨酶催化的氨基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。(3)轉(zhuǎn)移酶Transferase裂解酶催化底物分子裂解為幾個(gè)化合物或其逆反應(yīng)。主要包括醛縮酶、脫水酶及脫氨酶等。例如，醛縮酶催化的反應(yīng)果糖-1，6-二磷酸磷酸二羥丙酮+甘油醛-3-磷酸(4)裂解酶Lyase異構(gòu)酶催化各種同分異構(gòu)體的相互轉(zhuǎn)化。

例如，6-磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化的反應(yīng)。(5)異構(gòu)酶Isomerase合成酶，又稱(chēng)為連接酶，能夠催化C-C、C-O、C-N以及C-S鍵的形成反應(yīng)。這類(lèi)反應(yīng)必須與ATP分解反應(yīng)相互偶聯(lián)。A+B+ATP+H-O-H===A

B+ADP+Pi如CTP合成酶可催化UTP合成CTP。

ATP+UTP+NH3===ADP+Pi+CTP

(6)合成酶LigaseorSynthetase(1)習(xí)慣命名法:1、根據(jù)其催化底物來(lái)命名；如淀粉酶、蛋白酶。2、根據(jù)所催化反應(yīng)的性質(zhì)來(lái)命名；如水解酶、轉(zhuǎn)移酶、氧化酶等。3、結(jié)合上述兩個(gè)原則來(lái)命名，如琥珀酸脫氫酶。4、有時(shí)在這些命名基礎(chǔ)上加上酶的來(lái)源或其它特點(diǎn)，如胃蛋白酶等。5、根據(jù)酶在細(xì)胞的不同部位，分為胞外酶、胞內(nèi)酶和表面酶。2.酶的命名

按酶在細(xì)胞的不同部位，可把酶分為胞外酶、胞內(nèi)酶和表面酶；胞外酶表面酶胞內(nèi)酶6、按照酶在生物體內(nèi)存在的狀況固有酶，也稱(chēng)為組成酶（constitutiveenzyme），無(wú)論培養(yǎng)基中有無(wú)它們的底物，這種酶都能形成。誘導(dǎo)酶，也稱(chēng)為適應(yīng)酶（adaptiveemzyme），只有在培養(yǎng)基中存在其底物時(shí)才能形成。如在E.coli中的利用乳糖的酶就是適應(yīng)酶。

誘導(dǎo)酶的意義？(2)國(guó)際系統(tǒng)命名法系統(tǒng)名稱(chēng)包括底物名稱(chēng)、構(gòu)型、反應(yīng)性質(zhì)，最后加一個(gè)酶字。例如：習(xí)慣名稱(chēng):谷丙轉(zhuǎn)氨酶系統(tǒng)名稱(chēng):丙氨酸：

-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶催化的反應(yīng):丙氨酸+

-酮戊二酸

丙酮酸+谷氨酸

五、酶的催化特性催化劑的共性是什么？①機(jī)理：降低反應(yīng)活化能，提高反應(yīng)速度，不改變平衡點(diǎn)②只起催化作用，本身不消耗。酶的特點(diǎn)A.生物大分子除極個(gè)別RNA為催化自身反應(yīng)的酶外，其余所有的酶都是蛋白質(zhì)。B.高效性反應(yīng)速度是無(wú)酶催化或普通人造催化劑催化反應(yīng)速度的106~1016倍；

且絕無(wú)副反應(yīng)；

C.高度專(zhuān)一性

單一類(lèi)物質(zhì)（相對(duì)專(zhuān)一）例如脂肪酶（催化含酯鍵的脂質(zhì)進(jìn)行水解反應(yīng)）

單一物質(zhì)（絕對(duì)專(zhuān)一）（如脲酶只能催化尿素水解）

單一物質(zhì)單一立體構(gòu)型（“超級(jí)專(zhuān)一”）

如β-葡萄糖氧化酶僅能將β-D-葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟撬?，而?duì)α-D-葡萄糖不起作用。酶的催化雙氧水裂解D.反應(yīng)條件溫和常溫、常壓、中性E.酶對(duì)環(huán)境條件極為敏感高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿都能使酶喪失活性。F.催化活力與輔助因子有關(guān)酶與底物作用假說(shuō)

1.鎖鑰學(xué)說(shuō)認(rèn)為整個(gè)酶分子的天然構(gòu)象是具有剛性結(jié)構(gòu)的，酶表面具有特定的形狀。酶與底物的結(jié)合如同一把鑰匙對(duì)一把鎖一樣酶與底物結(jié)合的機(jī)理2.誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)該學(xué)說(shuō)認(rèn)為酶表面并沒(méi)有一種與底物互補(bǔ)的固定形狀，而只是由于底物的誘導(dǎo)才形成了互補(bǔ)形狀.外界條件，如溫度、酸堿度等對(duì)生命活動(dòng)的影響，在很大程度上，是通過(guò)影響酶促反應(yīng)速度實(shí)現(xiàn)的。因而，人們也常常通過(guò)對(duì)這些因素的控制，影響生命機(jī)體內(nèi)酶促反應(yīng)的強(qiáng)度和方向，從而促使體內(nèi)代謝的調(diào)節(jié)和控制朝著有益于人們需要的方向發(fā)展。六、影響酶促反應(yīng)速度（酶活力）的因素影響酶促反應(yīng)速度的因素反應(yīng)初速度隨底物濃度變化曲線(xiàn)A.酶濃度（或質(zhì)量）何種關(guān)系？正比B.底物濃度機(jī)理——中間產(chǎn)物E+SESP+Ek1k2k3條件：它們的濃度分別為[E]、[S]、[ES]、[P]總酶濃度[Et]K1、K2、K3速率常數(shù)穩(wěn)態(tài)時(shí)反應(yīng)速度

V=k3[ES]ES的生成速度=消耗速度

k1[E][S]=k2[ES]+k3[ES]E的質(zhì)量平衡方程

[E]=[Et]-[ES]E+SESP+Ek1k2k3米氏方程

V=Vmax=k3[ES]max=k3[Et]Km=

k2+k3k1米氏常數(shù)V=Vmax[S]Km+[S]

a.當(dāng)[S]很小時(shí)

V=V[S]/Km

一級(jí)反應(yīng)反應(yīng)初速度隨底物濃度變化曲線(xiàn)米氏曲線(xiàn)b.當(dāng)[S]很大時(shí)V=V[S]/[S]=V0

級(jí)反應(yīng)混合級(jí)V=

V[S]Km+[S]Km=?Km=[S]若V＝V/21Km+[S]=2[S]V=

Vmax[S]Km+[S]V2＝V

[S]Km+[S]米氏曲線(xiàn)c.米氏常數(shù)Km的意義1.酶的特性常數(shù)與酶及底物種類(lèi)有關(guān)，與酶濃度無(wú)關(guān)。酶底物Km(mmol/L)脲酶尿素25溶菌酶6-N-乙酰葡萄糖胺0.006葡萄糖-6-磷酸脫氫酶6-磷酸-葡萄糖0.058胰凝乳蛋白酶苯甲酰酪氨酰胺2.5甲酰酪氨酰胺12.0乙酰酪氨酰胺32.0Km=

k2+k3k1Km≈k2（分離能力）/k1（親合能力）E+SESP+Ek1k2k3Km越小，親和力越強(qiáng)。當(dāng)k2>>k3時(shí)（通常都是這樣）2.大小表示酶對(duì)底物的親和力大小C.pH的影響最適pH時(shí)的酶活力最大胃蛋白酶木瓜蛋白酶膽堿酯酶胰蛋白酶酶最適pH，因酶而異，大多數(shù)酶最適pH在7.0左右。相對(duì)酶活力過(guò)氧化氫酶胃蛋白酶胰蛋白酶精氨酸酶延胡索酸酶RNA酶pH對(duì)酶活力產(chǎn)生影響的原因？改變底物分子和酶分子的帶電狀態(tài)，從而影響酶和底物的結(jié)合；過(guò)高、過(guò)低的pH都會(huì)影響酶的穩(wěn)定性，進(jìn)而使酶遭到不可逆的破壞。D.溫度的影響上圖反映出溫度如何影響酶活力？產(chǎn)物累積量相對(duì)酶活％1.最適溫度（高于該溫度酶開(kāi)始變性失活）

2.反應(yīng)初速度隨溫度升高而上升

最適溫度動(dòng)物酶35~40℃植物酶40~50℃微生物大部分

40~50℃?zhèn)€別高溫菌100℃以上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(diǎn)：最高、最適、最低。溫度過(guò)高會(huì)破壞酶蛋白，造成變性；（約60℃）溫度過(guò)低會(huì)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。E.激活劑的影響能提高（酶）活性的物質(zhì)——

（酶）激活劑a.無(wú)機(jī)離子陽(yáng)離子

K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Zn2+等陰離子

Cl

-、Br-等機(jī)理改變穩(wěn)定中心、提高親和力。1.與底物結(jié)合，使底物形狀更適合酶的活性中心2.與別構(gòu)酶的別構(gòu)中心結(jié)合，使酶的構(gòu)象變化，更適合與底物的結(jié)合。b.中等大小的有機(jī)分子1.某些還原劑如Vc、半胱氨酸、氰化物機(jī)理：還原酶活性中心的二硫鍵-S-S-→-SH+-SH

參與催化2.EDTA（乙二胺四乙酸）機(jī)理？解除重金屬抑制F.抑制劑的影響使酶活性降低的物質(zhì)。抑制作用分可逆抑制與不可逆抑制?？赡娴囊罁?jù)：能否用透析、超濾等物理方法除去抑制劑，使酶復(fù)活不可逆抑制原因？活性區(qū)與之以牢固的共價(jià)鍵相連；均為劇毒物質(zhì)重金屬、有機(jī)磷、有機(jī)汞、有機(jī)砷、氰化物、青霉素、毒鼠強(qiáng)等。有機(jī)磷農(nóng)藥（敵百蟲(chóng)、沙林）膽堿酯酶OHPOC2H5OC2H5S有機(jī)磷農(nóng)藥部分神經(jīng)傳導(dǎo)中毒?。〉诙?jié)微生物營(yíng)養(yǎng)新陳代謝過(guò)程：微生物從外界不斷地?cái)z取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)過(guò)一系列的生物化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成細(xì)胞的組分，同時(shí)產(chǎn)生廢物并排泄到體外，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為新陳代謝（代謝）。新陳代謝包括同化作用（物質(zhì)合成，吸收能量）和異化作用（物質(zhì)分解，釋放能量）。兩者是相輔相成的：異化作用為同化作用提供物質(zhì)基礎(chǔ)和能量。同化作用為異化作用提供基質(zhì)。異化作用同化作用物質(zhì)能量基質(zhì)分解物質(zhì)，放出能量合成物質(zhì)，吸收能量了解微生物的營(yíng)養(yǎng)及其所需營(yíng)養(yǎng)物的種類(lèi)和數(shù)量，首先要了解微生物的化學(xué)組成、元素組成和生理特性。一、微生物的化學(xué)組成主要元素：碳、氫、氧、氮、磷、硫、鉀、鎂、鈣、鐵、氯等微量元素：銅、鋅、錳、鉬、硒、鈷等微生物體內(nèi)的70～90％為水，剩下的為干物質(zhì)。干物質(zhì)，則主要為有機(jī)物和無(wú)機(jī)物組成。其中，有機(jī)物約占干重的90%~97％,主要為蛋白質(zhì)、核酸、糖和脂肪。其中，C、H、O、N是所有生物的有機(jī)元素。微生物需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有水、碳素營(yíng)養(yǎng)源、氮素營(yíng)養(yǎng)源、無(wú)機(jī)鹽及生長(zhǎng)因子。二、微生物的營(yíng)養(yǎng)物及營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型從微生物的化學(xué)組成中，我們可以看到：微生物首先需要大量的水分；需要較多地供給構(gòu)成有機(jī)物碳架和含氮物質(zhì)的碳元素和氮元素；另外，還需要一些含P、Mg、K、Ca、Na、S等的鹽類(lèi)，及微量的Cu、Zn、Mn等元素。因此，除了某些特殊要求的微生物外，培養(yǎng)一般微生物必須提供上述這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，微生物才能正常地生長(zhǎng)繁殖。

（一）水各類(lèi)微生物都含有大量水分,占90%左右。一般說(shuō)低等微生物含水量大于高等微生物,幼齡菌含水量大于老齡菌。水有哪些作用？①微生物機(jī)體重要組成;②直接參加各種代謝反應(yīng);③是微生物代謝反應(yīng)的中間介質(zhì);④調(diào)節(jié)微生物細(xì)胞溫度;⑤維持細(xì)胞膨壓。

（二）碳源和能源1）碳源

種類(lèi)？有機(jī)物、無(wú)機(jī)碳化合物隨微生物種類(lèi)不同，各有偏好微生物最喜好的碳源是？提供碳元素來(lái)源的物質(zhì)細(xì)菌細(xì)胞中的碳素含量占干物質(zhì)質(zhì)量的50％左右。碳源作用—細(xì)胞的碳骨架、大多還是能源物質(zhì)。

糖類(lèi)物質(zhì)

尤其是葡萄糖及其多糖2）能源微生物的能源種類(lèi)化學(xué)能、光能所有微生物細(xì)胞內(nèi)能量傳遞體都是ATP可以產(chǎn)生化學(xué)能物質(zhì)？有機(jī)碳源特殊的無(wú)機(jī)物（如S2-、Fe2+、NH3)利用光能的細(xì)菌？含有光合色素微生物營(yíng)養(yǎng)型分類(lèi)根據(jù)碳源不同分為無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)、有機(jī)營(yíng)養(yǎng)（自養(yǎng)、異養(yǎng)）①無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)微生物（自養(yǎng)微生物）無(wú)機(jī)（自養(yǎng)）—CO2、CO和CO32-又根據(jù)能源不同又分為光能自養(yǎng)型微生物和化能自養(yǎng)型微生物。（1）光能自養(yǎng)微生物紫硫細(xì)菌和綠硫細(xì)菌

紫硫、綠硫細(xì)菌代謝方式

光照

CO2+

H2S

→[CH2O]（糖）+H2O+

2S↓

菌綠素（與葉綠素大同小異）在自然界的作用是什么呢？早期無(wú)氧地球，清除H2S毒物（H2S類(lèi)似植物光合作用中的H2O）條件苛刻，不是污水處理菌較潔凈的光照池塘無(wú)臭（H2S)區(qū)紫硫細(xì)菌湖中4～7m硫化物（2）化能自養(yǎng)微生物（有氧）自養(yǎng)——碳源CO32－化能——以？物質(zhì)氧化產(chǎn)能S、H2S、H2、NH3、Fe2+種類(lèi)：硫細(xì)菌、（亞）硝化細(xì)菌及鐵細(xì)菌、氫細(xì)菌。例如，亞硝化細(xì)菌進(jìn)行有機(jī)物合成反應(yīng)如下

2NH3

+2O2

HNO2

+4H+619千焦耳

ATPCO2+4H[CH2O]+H2O提問(wèn)：化能自養(yǎng)細(xì)菌能用于污水處理嗎？能，脫氨、脫硫；條件容易②有機(jī)營(yíng)養(yǎng)微生物（異養(yǎng)微生物）有機(jī)（異養(yǎng)）——以有機(jī)物為碳源提問(wèn)：自養(yǎng)、異養(yǎng)菌哪種繁殖快？污水處理中異養(yǎng)產(chǎn)能率高、有機(jī)污染物充足，異養(yǎng)菌是污水處理的主角（1）光能異養(yǎng)與化能異養(yǎng)以有機(jī)物作為碳源和能源的微生物。絕大多數(shù)的細(xì)菌都屬于化能異養(yǎng)菌。.Ⅰ、化能異養(yǎng)微生物不受氧氣限制，尤其適于高濃度有機(jī)廢水（食品行業(yè)）的高效處理Ⅱ.光能異養(yǎng)微生物（無(wú)氧有光）

光能+色素有機(jī)物+CO2→菌體

[CH2O]小分子有機(jī)物碳源主要指紅螺菌（有氧無(wú)光時(shí)可化能異養(yǎng)生存）

在污水處理中的優(yōu)勢(shì)是什么？問(wèn)題：與水分離困難，光照問(wèn)題——嗜鹽紅螺菌大量滋生時(shí)的紅鹽田人工投加光合細(xì)菌（PSB,紅螺菌）有利于水產(chǎn)養(yǎng)殖，原因？迅速轉(zhuǎn)化毒物（水族排泄物被細(xì)菌分解后的氨、有機(jī)酸）；為高蛋白的菌體，作為魚(yú)的飼料，且不消耗氧；優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)時(shí)能抑制水族病原菌的生長(zhǎng)絕大多數(shù)細(xì)菌和全部真菌凡是能夠供給微生物氮素營(yíng)養(yǎng)的物質(zhì)稱(chēng)為氮源。氮源的作用：提供微生物合成蛋白質(zhì)的原料（一般不充當(dāng)能源）。

（三）氮源哪些物質(zhì)可作為微生物的氮源？有機(jī)氮（氨基酸和蛋白質(zhì)）、無(wú)機(jī)氮（N2、NH3、銨鹽、亞硝酸鹽、硝酸鹽）等。實(shí)驗(yàn)室中有機(jī)氮源——蛋白胨工業(yè)投加的微生物氮源？尿素、糞便根據(jù)對(duì)氮源要求的不同，將微生物分為4類(lèi)：（1）固氮微生物（2）利用無(wú)機(jī)氮作為氮源的微生物（3）需要某種氨基酸作為氮源的微生物（4）從分解蛋白質(zhì)中取得銨鹽或氨基酸的微生物

（四）無(wú)機(jī)鹽陰離子鹽：磷酸鹽、硫酸鹽、氯化物、碳酸鹽、碳酸氫鹽。陽(yáng)離子鹽：氨、鉀、鈉、鈣、鎂、鐵的鹽P和S、Fe、Mg的需求量較大同時(shí)還需要鋅、錳、鈷、鋁、銅、硼、釩、鎳等微量元素。

元素人為提供形式主要生理功能大量元素PK2HPO4、KH2PO4核酸、磷脂和輔酶的組成成分；糖代謝磷酸化過(guò)程中起重要作用；高能磷酸鍵能貯存和傳遞能量；緩沖劑SMgSO4某些氨基酸的組成成分；某些輔酶的組成成分；某些硫化細(xì)菌的能源物質(zhì)MgMgSO4某些酶的激活劑；葉綠素的組成元素；穩(wěn)定核糖體、細(xì)胞膜和核酸FeFeSO4某些酶的組成成分；鐵細(xì)菌的能源；細(xì)胞色素和鐵氧化還原蛋白的氧化還原反應(yīng)中不可少的電子載體CaCa(NO3)2、CaCl2蛋白酶的激活劑；細(xì)菌芽孢和真菌孢子的組成元素；穩(wěn)定細(xì)胞壁KK2HPO4、KH2PO4某些酶的輔助因子；參與細(xì)胞內(nèi)某些物質(zhì)運(yùn)輸系統(tǒng)的組成；維持電位差和滲透壓NaNaCl某些酶的輔助因子；調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透壓；與嗜鹽菌營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收有關(guān)大腸桿菌缺Fe的影響表現(xiàn)：影響甲酸脫氫酶的合成，使得不能催化甲酸分解為H2和CO2，則分解葡萄糖時(shí)只產(chǎn)酸不產(chǎn)氣；影響細(xì)胞分裂。此時(shí)大腸桿菌細(xì)胞核物質(zhì)只增長(zhǎng)、延長(zhǎng)而不分裂，整個(gè)細(xì)胞呈絲狀生長(zhǎng)。若污水生物處理中出現(xiàn)這種情況，則會(huì)引起活性污泥絲狀膨脹，造成二沉池的出水水質(zhì)差。元素人為提供形式主要生理功能微量元素MnMnSO4黃嘌呤氧化酶的組分；一些酶(丙酮酸脫羧酶等)的輔助因子CuCuSO4某些酶(乳糖酶等)的輔助因子CoCoSO4參與維生素B12的組成ZnZnSO4乙醇脫氫酶和乳酸脫氫酶的活性基，是酶的激活劑Mo(NH4)6Mo7O24促進(jìn)固氮作用磷源和硫源磷源比較單一，主要是無(wú)機(jī)磷酸鹽或偏磷酸鹽。硫源—從還原性的S2-化合物、元素硫一直到最高氧化態(tài)的S042-化合物，都可以作為硫源。通常不缺工業(yè)污水常補(bǔ)加磷酸三鈉等。無(wú)機(jī)鹽的功能是什么？①細(xì)胞的組成成分;②酶的組成成分，維持酶的活性;③調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓、pH、Eh;④某些礦質(zhì)元素作為化能自養(yǎng)菌的能源。（五）生長(zhǎng)因子種類(lèi)：嘌呤、嘧啶類(lèi)、維生素類(lèi)作用：嘌呤和嘧啶參與合成核酸和輔酶;維生素，重要輔酶多數(shù)微生物不存在生長(zhǎng)因子問(wèn)題。只有少數(shù)微生物需要外界提供現(xiàn)成的生長(zhǎng)因子，才能生長(zhǎng)，如乳酸菌需要多種維生素，因此只能生活在這些物質(zhì)供應(yīng)充足的環(huán)境，如牛奶、腸道。——必需，但不能自身合成的有機(jī)物在環(huán)境工程實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)注意1.

營(yíng)養(yǎng)要求小范圍可改變指微生物對(duì)碳源等的種類(lèi)、數(shù)量一定程度上可馴化適應(yīng)（酶的誘導(dǎo)、易變異）2.“營(yíng)養(yǎng)要平衡”，存在一定比例搭配的現(xiàn)象主要是指碳氮磷的比例關(guān)系，通常稱(chēng)碳氮磷比。三、碳氮磷比根瘤菌要求碳氮比為11.5：1土壤中微生物混合群體要求碳氮比為25：1污(廢)水生物處理中好氧微生物群體(活性污泥)要求為BOD5：N：P＝100：5：1厭氧消化污泥中的厭氧微生物群體要求BOD5：N：P＝100：6：1

為了保證污(廢)水(有機(jī)固體廢物）生物處理要按碳氮磷比配給營(yíng)養(yǎng)。城市生活污水不存在營(yíng)養(yǎng)不足的問(wèn)題。但有的工業(yè)廢水缺某種營(yíng)養(yǎng)，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)量不足時(shí)，應(yīng)供給或補(bǔ)足。如酒精廢水缺？

；洗滌劑水？N、P缺NP過(guò)剩煉油廢水？N、P但如果工業(yè)廢水不缺營(yíng)養(yǎng)，就切勿盲目補(bǔ)充！微生物往往先利用這類(lèi)現(xiàn)成的容易被吸收、利用的有機(jī)物質(zhì)，而不再利用工業(yè)廢水中難以吸收、利用的有機(jī)物，從而導(dǎo)致微生物分解特殊有機(jī)物的能力下降這與微生物馴化正好相反（反馴化）。留意！四．培養(yǎng)基培養(yǎng)基是一種人工配制的、適合微生物生長(zhǎng)繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物用的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)。任何培養(yǎng)基都應(yīng)具備微生物所需要的營(yíng)養(yǎng)要素，且其間的比例是合適的。任何培養(yǎng)基一旦配成，必須立即進(jìn)行滅菌，否則很快引起雜菌叢生，并破壞其固有成分和性質(zhì)。1.根據(jù)不同微生物的營(yíng)養(yǎng)需要配制不同的培養(yǎng)基。2.注意營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度比和C/N比。一般微生物適應(yīng)C/N是25:1。3.調(diào)節(jié)適宜的pH值微生物在培養(yǎng)過(guò)程中會(huì)引起pH變化,為了保持培養(yǎng)基中有恒定的pH值,要加入一些緩沖劑或不溶性的碳酸鹽。4.根據(jù)培養(yǎng)微生物的目的決定成分的量。如培養(yǎng)目是為了得到大量的菌體,氮源要高,有利于菌體蛋白質(zhì)合成。培養(yǎng)基配制原則1.認(rèn)識(shí)化能自養(yǎng)菌氧化硫桿菌的培養(yǎng)基粉末狀硫10gKH2PO44gMgSO40.5gCaCl20.5g(NH4)2SO40.4gFeSO40.01g

水1000mL（自來(lái)水即可）

其中各組分作用是什么？空氣中的CO2能源磷源、緩沖物碳源是什么？氮源鹽也可補(bǔ)加一部分碳酸鈉。異養(yǎng)細(xì)菌的培養(yǎng)基中至少有一種有機(jī)物，實(shí)驗(yàn)室中通常是葡萄糖如一種大腸桿菌培養(yǎng)基葡萄糖0.5gK2HPO41gMgSO40.2gNaCl5gNH4H2PO40.4g水1000mL2.配制

通常？加水3.培養(yǎng)基的類(lèi)別根據(jù)培養(yǎng)基物理狀態(tài)、用途、組分組成分類(lèi)(一)根據(jù)物理狀態(tài)

固體培養(yǎng)基、半固體培養(yǎng)基和液體培養(yǎng)基（1）液體培養(yǎng)基——廢水也可看作是一種廣義的液體培養(yǎng)基（2）固體培養(yǎng)基人工做法——(與果凍方法一樣)向液體培養(yǎng)基中加入15~20g/L左右的瓊脂，加熱至100℃溶解，40℃下冷卻并凝固。石花菜(紅藻）→瓊脂瓊脂主要成份—半乳聚糖，分子量大，呈網(wǎng)狀粘著力強(qiáng)，溶解分散（溫度為96℃以上）條狀瓊脂粉末瓊脂瓊脂特性A.不能被絕大多數(shù)微生物利用、分解液化；有什么好處？不作為額外碳源，干擾試驗(yàn)，保持固體特性B.高壓滅菌結(jié)構(gòu)不被破壞，且顏色透明不妨礙觀察；C.多數(shù)微生物在瓊脂培養(yǎng)基表面生長(zhǎng)并形成獨(dú)立菌落；有何好處？易于純化分離（3）半固體培養(yǎng)基半——流動(dòng)性介于固體與液體之間如何制作？在液體培養(yǎng)基中加入3~5g/L的瓊脂作用：半固體培養(yǎng)基中可以融入少量的溶解氧，因此這種培養(yǎng)基常被用于培養(yǎng)在較低氧濃度環(huán)境下才能最佳生長(zhǎng)的細(xì)菌。天然的固體培養(yǎng)基——土豆塊、培養(yǎng)真菌的麩皮、大米、大麥等。（二）根據(jù)培養(yǎng)基組分天然培養(yǎng)基、合成培養(yǎng)基和半合成培養(yǎng)基。（1）合成培養(yǎng)基合成——純化學(xué)試劑（2）天然培養(yǎng)基天然——？純生物制品(細(xì)胞提取物)常用的細(xì)菌肉湯培養(yǎng)基牛肉膏3g蛋白胨5g水1000mLpH7.2~7.4牛肉膏——瘦牛肉經(jīng)過(guò)加熱濃縮抽提的膏狀物（主要作碳源）優(yōu)點(diǎn)——穩(wěn)定、選擇性缺點(diǎn)——很多細(xì)菌營(yíng)養(yǎng)需求較為復(fù)雜，配方獲取較難類(lèi)似物如酵母膏、麥芽汁、土壤浸出液、牛奶、玉米粉優(yōu)點(diǎn)——營(yíng)養(yǎng)豐富、配制容易缺點(diǎn)？質(zhì)量不穩(wěn)定、選擇性差；（3）半合成培養(yǎng)基半——不純優(yōu)缺點(diǎn)介于前兩者之間，因而使用最廣。蛋白胨——?jiǎng)又参锏鞍祝ù蠖够騽?dòng)物骨粉等）經(jīng)初步酶解形成的短肽（主要作氮源）酵母膏大腸桿菌培養(yǎng)基葡萄糖0.5gK2HPO41gMgSO40.2gNaCl5gNH4H2PO40.4g水1000mL屬于哪種培養(yǎng)基類(lèi)型？合成培養(yǎng)基、半合成培養(yǎng)基、天然培養(yǎng)基(三)根據(jù)培養(yǎng)基用途基礎(chǔ)培養(yǎng)基、選擇培養(yǎng)基、鑒別培養(yǎng)基、加富培養(yǎng)基（1）基礎(chǔ)培養(yǎng)基——大多數(shù)微生物均可在上面生長(zhǎng)。有兩種制備思路：？肉湯培養(yǎng)基牛肉膏3g蛋白胨5g水1000mLpH7.2~7.4（2）選擇培養(yǎng)基

選擇性——？待選的細(xì)菌能優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)①投毒法常用物質(zhì)為染料、膽汁酸鹽、金屬鹽類(lèi)、酸、堿和抗生素。例如欲分離古細(xì)菌，培養(yǎng)基中通常加入青霉素，古細(xì)菌就唯一分離并存活下來(lái)。膽汁酸鹽——抑制革蘭氏陽(yáng)性菌能選擇性生長(zhǎng)革蘭氏陰性細(xì)菌毒——選擇性的抑制劑待選細(xì)菌有抗性②投其所好法好→→→營(yíng)養(yǎng)、環(huán)境因子（1）專(zhuān)一性營(yíng)養(yǎng)源培養(yǎng)法待選細(xì)菌專(zhuān)門(mén)需要的某種碳源或氮源例如篩選纖維素分解菌選用纖維素作為培養(yǎng)基中的唯一碳源.各類(lèi)降解石化廢水特殊有機(jī)物的細(xì)菌篩選通常是以這類(lèi)有機(jī)物為培養(yǎng)基中的唯一碳源，將目的細(xì)菌富集篩選下來(lái)。（2）理化因素控制法理化因素——特殊的溫度、氧氣、pH、鹽度等環(huán)境條件主要用于篩選極端環(huán)境微生物。如嗜鹽、嗜熱、嗜冷、嗜酸、嗜堿等的細(xì)菌，同時(shí)也被用于選擇性培養(yǎng)好氧或厭氧細(xì)菌。嗜冷菌嗜熱菌（3）鑒別培養(yǎng)基鑒別——明查分別（細(xì)菌種類(lèi)）提供培養(yǎng)環(huán)境外還同時(shí)具有類(lèi)似于“驗(yàn)鈔機(jī)”的作用方法？

鑒—加入指示劑別—不同菌落制造不同的代謝物，顯色不同水處理中常用的EMB培養(yǎng)基就是典型大腸菌群內(nèi)不同種屬細(xì)菌的鑒別培養(yǎng)基。EMB培養(yǎng)基五、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入微生物細(xì)胞的方式對(duì)絕大多數(shù)屬于滲透營(yíng)養(yǎng)型的微生物來(lái)說(shuō)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞的問(wèn)題，是一個(gè)較復(fù)雜又很重要的生理學(xué)問(wèn)題。細(xì)胞壁在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)送上不起多大作用，僅簡(jiǎn)單地排阻分子量過(guò)大的溶質(zhì)的進(jìn)入，細(xì)胞膜則是控制營(yíng)養(yǎng)物進(jìn)入和代謝產(chǎn)物排出的主要屏障。細(xì)胞膜以四種方式控制物質(zhì)的運(yùn)送，即單純擴(kuò)散（被動(dòng)擴(kuò)散）、促進(jìn)擴(kuò)散、主動(dòng)運(yùn)送和基團(tuán)移位（基團(tuán)轉(zhuǎn)位），其中尤以主動(dòng)運(yùn)送為最重要。1、被動(dòng)擴(kuò)散（單純擴(kuò)散、被動(dòng)運(yùn)送）。細(xì)胞膜這層疏水性屏障可以通過(guò)物理擴(kuò)散方式讓許多小分子、非電離分子尤其是親脂性的分子被動(dòng)地通過(guò)，這就是單純擴(kuò)散。單純擴(kuò)散不是細(xì)胞獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要方式，因?yàn)榧?xì)胞既不能通過(guò)它來(lái)選擇必需的營(yíng)養(yǎng)成分，也不能將稀溶液中的溶質(zhì)分子進(jìn)行逆濃度梯度運(yùn)送，以滿(mǎn)足細(xì)胞的需要。水、無(wú)機(jī)鹽、氣體、甘油等小分子被動(dòng)擴(kuò)散?推動(dòng)力?推動(dòng)力—濃度梯度無(wú)載體蛋白不消耗能量?jī)?nèi)部能量消耗YorN?2、促進(jìn)擴(kuò)散與單純擴(kuò)散的一個(gè)主要差別，是在溶質(zhì)的運(yùn)送過(guò)程中，必須借助于膜上底物特異性載體蛋白的參與。促進(jìn)擴(kuò)散只能把環(huán)境中濃度較高的分子加速擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi)，直至膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度相等時(shí)為止，而決不能引起溶質(zhì)的逆濃度梯度運(yùn)送。因此，它只對(duì)生長(zhǎng)在高營(yíng)養(yǎng)物濃度下的微生物發(fā)揮作用。

促進(jìn)擴(kuò)散促進(jìn)——載體蛋白協(xié)助

載體蛋白

細(xì)胞外

||細(xì)胞膜

||細(xì)胞內(nèi)糖、氨基酸、金屬離子等?推動(dòng)力—濃度梯度有載體蛋白不

內(nèi)部能量消耗YorN?推動(dòng)力?3、主動(dòng)運(yùn)輸是微生物吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要機(jī)制。其特點(diǎn)是它的特異性載體蛋白在運(yùn)送溶質(zhì)的過(guò)程中，需要提供能量（ATP等）；同時(shí)，它可逆濃度梯度進(jìn)行運(yùn)送，從而使生活在低營(yíng)養(yǎng)環(huán)境下的微生物能獲得濃縮形式的營(yíng)養(yǎng)物。主動(dòng)運(yùn)輸運(yùn)輸——載體蛋白主動(dòng)——逆濃度梯度方向糖、氨基酸、有機(jī)酸、Na+、K+、硫酸根、磷酸根等?推動(dòng)力—ATP放能有載體蛋白消耗內(nèi)部能量消耗YorN?推動(dòng)力?

細(xì)菌吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的最主要方式。4、基團(tuán)移位也是一種既需特異性載體蛋白又須耗能的運(yùn)送方式，但溶質(zhì)在運(yùn)送前后會(huì)發(fā)生分子結(jié)構(gòu)的變化，因而不同于上述的主動(dòng)運(yùn)送。磷酸化—自由能升高，能量級(jí)別、位置的升高。細(xì)胞膜細(xì)胞外細(xì)胞內(nèi)酶1磷酸烯醇式丙酮酸酶2熱穩(wěn)定蛋白丙酮酸長(zhǎng)途車(chē)短途車(chē)轉(zhuǎn)位葡萄糖高能磷酸——長(zhǎng)途車(chē)磷酸葡萄糖基團(tuán)轉(zhuǎn)位基團(tuán)——被轉(zhuǎn)運(yùn)的營(yíng)養(yǎng)物轉(zhuǎn)位——？短途車(chē)與長(zhǎng)途車(chē)倒人，轉(zhuǎn)座位磷酸化的益處？（一）直接完成代謝前活化（二）防止?fàn)I養(yǎng)物從細(xì)胞內(nèi)流失；（三）保持營(yíng)養(yǎng)物在細(xì)胞內(nèi)的低濃度糖(葡萄糖、甘露糖、果糖及糖的衍生物N—乙酰葡萄糖胺)、嘌呤、嘧啶、脂肪酸?

—磷酸烯醇式丙酮酸放能有載體蛋白消耗能量?jī)?nèi)部能量消耗YorN?推動(dòng)力?視情況，以能量最省選擇方式第三節(jié)微生物的產(chǎn)能代謝微生物細(xì)胞的各項(xiàng)活動(dòng)，如物質(zhì)運(yùn)輸、合成代謝、分解代謝、細(xì)胞分裂和鞭毛運(yùn)動(dòng)等都要利用能量。熱力學(xué)第一定律指出，能量即不能創(chuàng)生，也不能消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)變成另一種形式。微生物體內(nèi)的這種能量轉(zhuǎn)變過(guò)程稱(chēng)為微生物的能量代謝。一、微生物的生物氧化和產(chǎn)能微生物的生物氧化:是指發(fā)生在活細(xì)胞內(nèi)一系列產(chǎn)能代謝的總稱(chēng)。產(chǎn)能代謝是通過(guò)呼吸作用（發(fā)酵、好氧呼吸和無(wú)氧呼吸）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。生物氧化（呼吸作用）的本質(zhì)——是氧化與還原的統(tǒng)一過(guò)程，伴隨能量的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移、還原力（〔H〕）和小分子中間代謝物的產(chǎn)生，這是微生物新陳代謝得以順利進(jìn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)。生物氧化還原過(guò)程不同于一般的化學(xué)氧化還原過(guò)程，有以下幾個(gè)差別：1、在酶的作用下，常溫常壓的溫和條件；2、復(fù)雜有機(jī)物被氧化成二氧化碳、水和其他簡(jiǎn)單的物質(zhì)；3、產(chǎn)生能量供給生物（合成、生命活動(dòng)、熱能）；4、多步反應(yīng)，產(chǎn)生許多中間產(chǎn)物；5、同時(shí)吸收和同化各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。微生物產(chǎn)生能量的方式有多種：電能（電子移動(dòng)產(chǎn)生）化學(xué)能（氧化有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的化學(xué)反應(yīng)中釋放的能量）機(jī)械能（運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的）光能（發(fā)光細(xì)菌產(chǎn)生的）微生物產(chǎn)生的能量的去向：變?yōu)闊?，散失；供合成反?yīng)和生命的其他活動(dòng)；貯存在ATP（三磷酸腺苷）中。微生物體內(nèi)有一套完善的能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)：在放能反應(yīng)和吸能反應(yīng)之間有一個(gè)偶聯(lián)者-ATP(腺苷三磷酸)，是能量轉(zhuǎn)移的“中心站”。（一）生物能量的轉(zhuǎn)移中心-ATPATP是生物能存在的主要形式在微生物的呼吸過(guò)程中，底物的氧化分解產(chǎn)生能量；同時(shí)，微生物將能量用于細(xì)胞組分的合成及其他生命活動(dòng)。在這兩者之間存在能量轉(zhuǎn)移中心—ATP。

ATP是能夠被生物細(xì)胞直接利用的能量形式?；軤I(yíng)養(yǎng)菌通過(guò)發(fā)酵、好氧呼吸及無(wú)氧呼吸生成ATP;光能營(yíng)養(yǎng)菌通過(guò)光合作用將光能轉(zhuǎn)化為ATP。焦磷酸31.4KJ/molATP（三磷酸腺苷）底物氧化分解產(chǎn)生能量ATP用于細(xì)胞組分的合成生物能量的轉(zhuǎn)移中心——ATP（1）氧化磷酸化好氧微生物呼吸時(shí)，通過(guò)電子傳遞體系產(chǎn)生ATP的過(guò)程。氧化磷酸化的過(guò)程表示為：NADH+H++3ADP+3Pi+1/2O2NAD++4H2O+3ATP1個(gè)NADH產(chǎn)生3個(gè)ATP（二）ATP的產(chǎn)生方式電子傳遞體系電子傳遞體系組成：由NAD（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）或NADP（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）、FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）或FMN（黃素單核苷酸）、輔酶Q、細(xì)胞色素b、細(xì)胞色素c1等組成。電子傳遞體系的功能：接受電子；合成ATP，把電子傳遞過(guò)程釋放的能量貯存。電子傳遞體系在細(xì)胞中的部位原核微生物－－細(xì)胞質(zhì)膜真核微生物－－線(xiàn)粒體電子傳遞體系產(chǎn)能情況NADH3ATPFADH2ATP1個(gè)ADP生成1個(gè)ATP（2）底物水平磷酸化厭氧微生物和兼性厭氧微生物在底物氧化過(guò)程中，產(chǎn)生一種含高自由能的中間體，這一中間體將高能鍵交給ADP，使ADP磷酸化而生成ATP。底物水平磷酸化作用與氧化磷酸化作用的區(qū)別：底物水平磷酸化作用是指ATP的形成直接與一個(gè)中間代謝物上的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移相偶聯(lián)。氧化磷酸化作用是指ATP的生成基于電子傳遞相偶聯(lián)的磷酸作用（二）ATP的產(chǎn)生方式（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(guò)電子傳遞產(chǎn)生ATP的過(guò)程。ADP+H3PO4ATPAMP+2H3PO4ATPATP生成的反應(yīng)式（二）ATP的產(chǎn)生方式ATP中的能量，通過(guò)與ADP（AMP）的轉(zhuǎn)換吸收或釋放：ADP+Pi→ATP和AMP+2Pi→ATP由反應(yīng)式可知：ADP是能量的載體，ATP是能量庫(kù)。ATP含高能磷酸鍵，它水解釋放出高能鍵，每一個(gè)高能鍵含31.4KJ的能量。ATP只是一種短期的貯能物質(zhì)。若要長(zhǎng)期貯能，還需轉(zhuǎn)換形式。如果有過(guò)剩的ATP，大多數(shù)微生物會(huì)將其能量轉(zhuǎn)化到儲(chǔ)能物中去。呼吸作用是微生物ATP的生成的主要方式。根據(jù)最終電子受體（或最終受氫體），微生物的呼吸類(lèi)型有三類(lèi)：發(fā)酵、好氧呼吸及無(wú)氧呼吸。發(fā)酵--以分解過(guò)程中的中間代謝產(chǎn)物(低分子有機(jī)物)為最終電子受體

好氧呼吸--以O(shè)2為最終電子受體無(wú)氧呼吸--以除O2外的無(wú)機(jī)化合物，如NO2-、NO3-、SO42-、CO32-及CO2等作為最終電子受體微生物的產(chǎn)能代謝是通過(guò)上述三種類(lèi)型呼吸作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，微生物從中獲得生命所需要的能量。二、生物氧化類(lèi)型與產(chǎn)能代謝（一）發(fā)酵“發(fā)酵”這一名詞用得十分普遍。在發(fā)酵工業(yè)上，發(fā)酵是指任何利用好氧或厭氧微生物來(lái)生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一類(lèi)生產(chǎn)方式。在生物氧化或能量代謝中，發(fā)酵是指在無(wú)氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力[H]不經(jīng)過(guò)呼吸鏈傳遞而直接交給某一內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物，以實(shí)現(xiàn)底物水平磷酸化產(chǎn)能的一類(lèi)低效產(chǎn)能反應(yīng)。1、發(fā)酵的類(lèi)型厭氧微生物和兼性厭氧微生物：無(wú)外來(lái)受氫體→受氫體來(lái)自葡萄糖的分解產(chǎn)物→產(chǎn)生多種發(fā)酵類(lèi)型（以其終產(chǎn)物命名）。葡萄糖為起始底物：先行糖酵解（EMP途徑）（產(chǎn)生丙酮酸）→按各種發(fā)酵類(lèi)型繼續(xù)發(fā)酵→生成各種最終產(chǎn)物不同的發(fā)酵類(lèi)型及其有關(guān)微生物發(fā)酵類(lèi)型產(chǎn)物微生物乙醇發(fā)酵乙醇、CO2酵母菌屬（Saccharomyces)乳酸同型發(fā)酵乳酸乳酸細(xì)菌屬（Lactobacillus)乳酸異型發(fā)酵乳酸、乙酸、乙醇、CO2明串球菌屬（Leuconostoc)混合酸發(fā)酵乳酸、乙酸、乙醇、甲酸、CO2、H2大腸埃希氏菌（Escherichiacoli)丁二醇發(fā)酵丁二醇、乳酸、乙酸、乙醇、CO2、H2腸道桿菌（Aerobacter)丁酸發(fā)酵丁酸、乙酸、CO2、H2丁酸梭菌（Clostridium)丙酮-丁酸發(fā)酵丁醇、丙醇、乙醇丙醇丁醇梭菌屬（Clostridium)丙酸發(fā)酵丙酸丙酸桿菌屬（Propionibacterium)2、乙醇發(fā)酵分2大階段，3小階段：階段1和階段2為糖酵解。階段1：包括一系列不涉及氧化還原反應(yīng)的預(yù)備性反應(yīng)，產(chǎn)生3-磷酸甘油醛階段2：進(jìn)行氧化還原反應(yīng)→產(chǎn)生1,3-二磷酸甘油酸→形成磷酸烯醇式丙酮酸（形成ATP）階段3：進(jìn)行氧化還原反應(yīng)→由丙酮酸→乙醛、CO2→乙醇CO2糖酵解也稱(chēng)EMP途徑或E-M途徑，糖酵解幾乎是所有具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物所共有的主要代謝途徑。即在無(wú)氧條件下，1摩爾葡萄糖逐步分解而產(chǎn)生2摩爾丙酮酸、2摩爾NADH+H+和2摩爾ATP的過(guò)程。（1）糖酵解EMP途徑的總反應(yīng)

耗能階段C62C3

產(chǎn)能階段

4ATP2ATP2C32丙酮酸

2NADH2C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH2+2H++2ATP+2H2O

糖酵解步驟：

①預(yù)備性反應(yīng)(非氧化還原反應(yīng))，中間產(chǎn)物為3－磷酸甘油醛；

②氧化還原反應(yīng)，生成2mol丙酮酸和2molATP(凈)。（1）葡萄糖磷酸化形成6-磷酸-葡萄糖。糖酵解的詳細(xì)步驟：（2）6-磷酸-葡萄糖經(jīng)磷酸己糖異構(gòu)酶異構(gòu)成6-磷酸-果糖。（3）6-磷酸-果糖通過(guò)磷酸果糖激酶催化成1，6-二磷酸-果糖。磷酸果糖激酶是EMP途徑中的一個(gè)關(guān)鍵酶，故它的存在就意味著該微生物具有EMP途徑。（4）1，6-二磷酸-果糖在二磷酸果糖醛縮酶的催化下，分裂成磷酸二羥丙酮和3-磷酸-甘油醛兩種三碳化合物。（5）磷酸二羥丙酮在丙糖磷酸異構(gòu)酶的作用下轉(zhuǎn)化成3-磷酸-甘油醛。（6）3-磷酸-甘油醛在3-磷酸-甘油醛脫氫酶的催化下產(chǎn)生1，3-二磷酸甘油酸(含高能磷酸鍵)。（7）1，3-二磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶的催化下形成3-磷酸甘油酸（形成ATP分子）。（8）3-磷酸甘油酸在磷酸甘油酸變位酶的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油酸。（9）2-磷酸甘油酸在烯醇酶作用下經(jīng)脫水反應(yīng)而產(chǎn)生含有一個(gè)高能磷酸鍵的磷酸烯醇式丙酮酸。（10）磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶的催化下產(chǎn)生了丙酮酸（形成ATP分子）。糖酵解終產(chǎn)物去向：1、在無(wú)氧條件下，丙酮酸被還原為乳酸；2、丙酮酸脫羧后，還原乙醛為乙醇；3、在有氧條件下可經(jīng)呼吸鏈的氧化磷酸化反應(yīng)產(chǎn)生6摩爾ATP。糖酵解的生理功能：1、提供ATP和還原力（NADH+H+）；2、提供生物合成的中間代謝物，逆向合成多糖；3、好氧呼吸的前奏，與HMP等代謝途徑關(guān)系密切，在乙醇、乳酸、甘油和丙酮生產(chǎn)等發(fā)酵工業(yè)上具有重要意義。乙醇發(fā)酵的總反應(yīng)方程式：C6H12O6+2Pi+2ADP→2CH3CH2OH+2CO2+2ATP+238.3kJ乙醇發(fā)酵的能量利用效率為2×31.4/238.3=26%。（2）生成乙醇階段3：丙酮酸脫羧→乙醛+CO2→乙醇發(fā)酵底物具備的條件:(1)不能被過(guò)分氧化，也不能被過(guò)分還原；

(2)必須能轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N可參與底物水平磷酸化的產(chǎn)物。從丙酮酸開(kāi)始，通過(guò)各種微生物不同的發(fā)酵作用，產(chǎn)生各種不同的產(chǎn)物。如：混合酸發(fā)酵、丁二醇發(fā)酵、丙酸發(fā)酵等等。（二）好氧呼吸

好氧呼吸：是有外在最終電子受體（O2）存在時(shí)，對(duì)底物（能源）的氧化過(guò)程。是一種最普遍和最重要的生物氧化方式。其特點(diǎn)：在有氧條件下,底物按常規(guī)方式脫氫后，經(jīng)完整的呼吸鏈遞氫，最終由分子氧接受氫并產(chǎn)生水和釋放能量（ATP）。好氧呼吸能否進(jìn)行，取決于O2的體積分?jǐn)?shù)能否達(dá)到0.2%。O2的體積分?jǐn)?shù)低于0.2%，好氧呼吸不能發(fā)生。葡萄糖通過(guò)糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸，在有氧條件下，將進(jìn)入三羧酸循環(huán)進(jìn)行完全氧化，生成H2O和CO2，并釋放出大量能量。丙酮酸的有氧氧化包括兩個(gè)階段：第一階段：丙酮酸的氧化脫羧丙酮酸

乙酰輔酶A（乙酰CoA）第二階段：三羧酸循環(huán)乙酰CoA

H2O和CO2，釋放出能量。1、好氧呼吸的兩階段（1）葡萄糖的糖酵解（EMP途徑）（2）三羧酸循環(huán)（TCA）階段1、丙酮酸的氧化脫羧丙酮酸氧化脫羧反應(yīng)是連接糖酵解和三羧酸循環(huán)的中間環(huán)節(jié)。階段2、三羧酸循環(huán)（TCA）

（Krebs循環(huán)、克雷伯斯循環(huán)、檸檬酸循環(huán)）丙酮酸氧化脫羧產(chǎn)物乙酰CoA與草酰乙酸結(jié)合生成檸檬酸進(jìn)入循環(huán)。在循環(huán)過(guò)程中，乙酰CoA被氧化成H2O和CO2，并釋放出大量能量。三羧酸循環(huán)草酰乙酸檸檬酸異檸檬酸a-酮戊二酸琥珀酰輔酶A琥珀酸延胡索酸蘋(píng)果酸乙酰輔酶A（1）乙酰CoA及草酰乙酸在檸檬酸合成酶催化下，縮合形成檸檬酸。（2）檸檬酸在順烏頭酸酶催化下，脫水生成順烏頭酸，再水化生成異檸檬酸。（3）異檸檬酸在異檸檬酸脫氫酸催化下，脫氫形成草酰琥珀酸，草酰琥珀酸脫羧基形成α-酮戊二酸。

（4）α-酮戊二酸在α-酮戊二酸脫氫酶系統(tǒng)催化下脫氫形成琥珀酰CoA。（5）琥珀酰CoA在有GDP+Pi存在下，由琥珀酰CoA合成酶，催化形成琥珀酸和GTP，GTP可轉(zhuǎn)化為ATP。（6）琥珀酸在琥珀酸脫氫酶催化下形成延胡索酸。（7）延胡索酸在延胡索酶催化下形成蘋(píng)果酸。（8）蘋(píng)果酸在蘋(píng)果酸脫氫酶催化下，脫氫形成草酰乙酸。2、好氧呼吸的產(chǎn)能效率（1）EMP途徑的產(chǎn)能效率：3-磷酸甘油醛脫氫→2摩爾（NADH+H+），借電子傳遞體系被氧化生成6摩爾ATP，加上底物水平磷酸化生成的2摩爾ATP，共計(jì)8摩爾ATP。（2）TCA的產(chǎn)能效率：1摩爾丙酮酸經(jīng)1次TCA可生成15摩爾ATP,由于1摩爾葡萄糖經(jīng)EMP途徑可生成2摩爾丙酮酸，故總共生成30摩爾ATP。1摩爾葡萄糖完全氧化總共產(chǎn)生38摩爾ATP好氧呼吸的能量利用率1摩爾葡萄糖完全氧化產(chǎn)生的總能量大約為2876kJ，貯存在ATP中的能量為31.4×38=1193kJ，故好氧呼吸的能量利=1193/2876×100%=42%3、電子傳遞體系

NADH或琥珀酸所攜帶的高能電子通過(guò)呼吸鏈傳遞到O2的過(guò)程中，釋放出大量的能量。這種高能電子傳遞過(guò)程的釋能反應(yīng)與ADP和磷酸合成ATP的需能反應(yīng)相偶聯(lián)，是ATP形成的基本機(jī)制。(1)呼吸鏈（電子傳遞鏈）的組成由NAD或NADP、FAD或FMN、輔酶Q、細(xì)胞色素b、細(xì)胞色素c1和c及細(xì)胞色素a和a3等組成。原核生物中，電子傳遞體系和細(xì)胞質(zhì)膜系統(tǒng)連在一起成為細(xì)胞質(zhì)膜的一部分。真核生物中，位于線(xiàn)粒體內(nèi)。(2)呼吸鏈（電子傳遞鏈）的功能一是接受電子，將其傳遞給最終電子受體-O2二是合成ATP，把電子傳遞過(guò)程中釋放出的能量貯存起來(lái)。按呼吸基質(zhì)來(lái)源分類(lèi)外源呼吸與內(nèi)源呼吸

什么是內(nèi)源呼吸、外源呼吸？?jī)?nèi)、外—細(xì)胞內(nèi)外源—能源物質(zhì)呼吸—氧化產(chǎn)能處于什么樣呼吸狀態(tài)？

兩種同時(shí)進(jìn)行只能內(nèi)源呼吸污泥消化4、好氧呼吸的外、內(nèi)源性呼吸

無(wú)氧呼吸（厭氧呼吸）：是一類(lèi)呼吸鏈末端的氫受體為外源無(wú)機(jī)氧化物（如NO2-、NO3-、SO42-、CO32-及CO2等。）的生物氧化。這是一類(lèi)在無(wú)氧條件下進(jìn)行的產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。其特點(diǎn)：底物按常規(guī)途徑脫氫后，經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無(wú)機(jī)物受氫。無(wú)氧呼吸的氧化底物：一般為有機(jī)物，如葡萄糖、乙酸和乳酸等，它們被氧化為CO2，有ATP產(chǎn)生。（三）無(wú)氧呼吸有機(jī)物脫氫硫還原鐵還原硝酸鹽還原—反硝化硫酸鹽還原碳酸鹽還原什么營(yíng)養(yǎng)型的細(xì)菌？化能異養(yǎng)無(wú)機(jī)離子代替氧在無(wú)氧條件下，微生物利用硝酸鹽作為呼吸鏈的最終氫受體。NO3-

被還原成NO2-、N2O和N2。其氫供體可以是葡萄糖、乙酸、甲醇等有機(jī)物，也可以是H2和NH3。C6H12O6+4NO3-==2N2+6CO2+6H2O+1756KJ

5CH3COOH+10NO3-==10CO2+6H2O+4N2+OH-CH3OH+NO3-==0.5N2+2H2O+CO2

6H2+4NO3-==N2+6H2O

2NH3+4NO3-==1.5N2+3H2O（1）硝酸鹽呼吸(反硝化作用)反硝化菌：地衣芽孢菌屬、銅綠假單胞菌、脫氮球菌、脫氮硫桿菌等。都是一些兼性厭氧微生物若硝酸鹽是作為氮源，產(chǎn)物為自身的蛋白質(zhì)等含氮化合物，這是否屬于反硝化？否，反硝化產(chǎn)物為N2釋放，稱(chēng)為異化硝酸鹽還原，上述為同化硝酸鹽還原。自然界氮循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)！減少水體硝酸鹽污染和富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生一種由硫酸鹽還原細(xì)菌把經(jīng)呼吸鏈傳遞的氫交給硫酸鹽這類(lèi)末端氫受體的一種厭氧呼吸。硫酸鹽還原的最終產(chǎn)物是H2S，自然界中的大多數(shù)H2S是由這一反應(yīng)產(chǎn)生的。Desulfovibrio

desulfuricans（脫硫脫硫弧菌），D．gigas（巨大脫硫弧菌），Desulfotoma

culumnigrificans（致黑脫硫腸狀菌）以及D．ruminis（瘤胃脫硫腸狀菌）等。（2）硫酸鹽呼吸：Desulfuromonas

acetoxidans（氧化乙酸脫硫單胞菌）能進(jìn)行硫呼吸。其過(guò)程為無(wú)機(jī)硫作為無(wú)氧呼吸鏈的最終氫受體，結(jié)果硫被還原成H2S。（3）硫呼吸:一類(lèi)以CO2作為無(wú)氧呼吸鏈的末端氫受體的無(wú)氧呼吸。根據(jù)其還原產(chǎn)物的不同，可分為兩種類(lèi)型，一類(lèi)是產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生甲烷的碳酸鹽呼吸，另一類(lèi)為產(chǎn)乙酸細(xì)菌產(chǎn)生乙酸的碳酸鹽呼吸。（4）碳酸鹽呼吸:細(xì)菌類(lèi)型：產(chǎn)甲烷菌、產(chǎn)乙酸菌。產(chǎn)甲烷菌

4H2+H++HCO3-

→

CH4

↑+3H2O產(chǎn)乙酸菌

4H2+2H++2HCO3-→

CH3COOH

+4H2O（氫來(lái)源于發(fā)酵）為什么相同的反應(yīng)物而出現(xiàn)不同的產(chǎn)物？不同的酶系是廢水厭氧處理中關(guān)鍵性微生物。（5）延胡索酸呼吸

琥珀酸是