微生物生理學(xué)幻燈片(第六章)

第六章自養(yǎng)微生物的營(yíng)養(yǎng)及代謝

按照獲得能量和合成細(xì)胞物質(zhì)的方式（碳源利用），可以把微生物界分為兩大類群——自養(yǎng)微生物和異養(yǎng)微生物。所謂自養(yǎng)微生物（Autotrophs）是指一群能夠在完全無(wú)機(jī)環(huán)境中生長(zhǎng)的微生物（能量和碳架來(lái)源？）。利用光能或從氧化簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)物獲得能量，利用二氧化碳作為細(xì)胞的碳源進(jìn)行生長(zhǎng)，因此這是一群具有特殊生物合成能力的微生物。自養(yǎng)微生物的種類很多，但如果從生理學(xué)角度考慮，根據(jù)自養(yǎng)微生物所利用的能量，可以將它們分為化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌和光能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌，然后根據(jù)它們所利用的特殊能源和其它生理特性，再將它們分為幾個(gè)不同的生理亞群?；茏责B(yǎng)菌光能自養(yǎng)菌甲基營(yíng)養(yǎng)菌——和自養(yǎng)菌有許多相似之處。一、自養(yǎng)微生物的主要類群及其生理特性㈠、化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌㈡、光能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌

㈠、化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌又稱化能自養(yǎng)菌，多數(shù)為革蘭氏陽(yáng)性好氧細(xì)菌，能在黑暗條件下，以CO2為碳源，從無(wú)機(jī)物的氧化作用中獲得能量（ATP）和還原力（NADH2或NADPH2）1、硝化細(xì)菌2、硫化細(xì)菌3、氫細(xì)菌4、鐵細(xì)菌化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌的生理類群細(xì)菌類型主要碳源能源電子受體與氧的關(guān)系有機(jī)物利用硝化細(xì)菌氨氧化細(xì)菌CO2NH4+O2好氧非常有限亞硝酸鹽氧化細(xì)菌CO2NO2-O2好氧非常有限硫氧化細(xì)菌專性無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)和自養(yǎng)型CO2H2S、S、S2O32-O2好氧非常有限兼性自養(yǎng)型CO2或有機(jī)物H2S、S、S2O32-有機(jī)物O2好氧有限鐵細(xì)菌CO2或有機(jī)物Fe2+O2好氧多數(shù)可以利用氫細(xì)菌CO2H2O2好氧可以利用一些無(wú)機(jī)電子供體氧化時(shí)放出的能量

反應(yīng)化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)生物種類氧化還原電位E’0（V）ΔG0’（kJ/反應(yīng)）ΔG0’（kJ/2e-）H2+1/2O2→H2O氫細(xì)菌-0.42-237.2-237.2HS-+H++1/2O2→S0+H2O硫細(xì)菌-0.27-209.4-209.4S0+3/2O2+H2O→SO42-+H+硫細(xì)菌-0.25-587.1-195.7NH4++3/2O2→NO2-+2H++H2O硝化細(xì)菌0-274.7-137.4NO2-+1/2O2→NO3-硝化細(xì)菌+0.43-75.8-75.8Fe2++H++1/4O2→Fe3++1/2H2O鐵細(xì)菌+0.77-31-621/2O2+2H+

→H2O+0.815合成1個(gè)ATP的電勢(shì)差至少為ΔE=0.158V（傳遞2個(gè)電子）——30.5kJ/mol1、硝化細(xì)菌是自然界氮素循環(huán)的重要成員，也是化能自養(yǎng)菌中的主要生理類群。分為亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌兩個(gè)亞群，同屬于一科——硝化桿菌科（Nitrobacteraceae）。硝化作用的機(jī)制：硝化作用是由兩個(gè)連續(xù)而又不相同的階段組成，在第一階段中，氨被亞硝酸細(xì)菌氧化為亞硝酸；第二階段中，亞硝酸被硝化細(xì)菌氧化為硝酸。氨的氧化——NH4+→羥胺（NH2OH）→亞硝酸氨氧化過(guò)程中，氮原子由-3價(jià)變?yōu)?3價(jià)，共失去6個(gè)電子。如果每步移去2個(gè)電子，那么至少要經(jīng)過(guò)兩個(gè)中間代謝物——羥胺、硝酰（NOH）。——經(jīng)無(wú)細(xì)胞提取液實(shí)驗(yàn)，只有40-70%亞硝酸的生成量證明——反應(yīng)一定時(shí)間后，測(cè)定氨的減少量及亞硝酸的生成量?！C明不是一步完成的，還有中間代謝物存在。NH2OH/NH3的氧化還原電位為+0.89V（1/2O2+2H+→H2O

，+0.815V），太高，不可能使氨加水脫氫經(jīng)呼吸鏈氧化成羥胺，可能是通過(guò)加氧反應(yīng)形成羥胺——氨在單加氧酶（羥化酶）和細(xì)胞色素P460催化下生成羥胺。P460是一種專性的細(xì)胞色素b，這一步驟伴隨著有氧的消耗，在無(wú)氧條件下，氨不能氧化成羥胺。羥胺在羥胺-細(xì)胞色素c還原酶和末端細(xì)胞色素系統(tǒng)催化，生成亞硝酸。從氨到亞硝酸的全部氧化僅消耗3/2O2，大約只產(chǎn)生一個(gè)ATP；其中大量的能量用于驅(qū)使電子的逆轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生還原力NADH2，用于CO2的固定和還原，所以這種微生物的摩爾生長(zhǎng)量極低。氨氧化細(xì)菌的氨氧化和電子傳遞周質(zhì)空間中的細(xì)胞色素c與膜中的細(xì)胞色素c不同。AMO：氨單加氧酶；HAO：羥胺氧化還原酶；Q：泛醌亞硝酸氧化成硝酸水和NO2-結(jié)合形成一個(gè)水化亞硝酸分子（H2O·NO2-），H2O·NO2-脫下來(lái)的電子（或氫）經(jīng)細(xì)胞色素電子傳遞系統(tǒng)，傳遞到O2，最后生成水。電子傳遞過(guò)程中，偶聯(lián)氧化磷酸化作用，每一分子的亞硝酸氧化為硝酸可產(chǎn)生一分子ATP。由嚴(yán)格好氧菌硝化細(xì)菌（Nitrobacter）進(jìn)行完成的。硝化細(xì)菌把亞硝酸還原成硝酸時(shí)的質(zhì)子、電子流向

和ATP合成硝化細(xì)菌電子傳遞中的電子流硝化細(xì)菌進(jìn)行正常的電子傳遞產(chǎn)生質(zhì)子動(dòng)勢(shì)供ATP合成用（示意圖的右邊分支）。一些質(zhì)子動(dòng)勢(shì)也被用來(lái)將電子從亞硝酸逆著還原電勢(shì)梯度流向NAD+（左邊分支）。細(xì)胞色素c和4種復(fù)合物與此過(guò)程有關(guān)：（1）NADH-泛醌氧化還原酶；（2）泛醌醇-細(xì)胞色素c氧化還原酶；（3）亞硝酸鹽氧化酶；（4）細(xì)胞色素a、a3氧化酶。2、硫化細(xì)菌對(duì)元素硫和還原態(tài)無(wú)機(jī)硫化物進(jìn)行氧化的自養(yǎng)細(xì)菌有光能自養(yǎng)硫細(xì)菌和化能自養(yǎng)硫細(xì)菌兩類?；茏责B(yǎng)硫細(xì)菌通常稱為硫化細(xì)菌，主要包括硫桿菌屬（Thiobacillus）、硫化葉菌屬（Sulfotobus）、硫小桿菌屬（Thiobacterium）等6個(gè)屬。多數(shù)硫化細(xì)菌為專性化能自養(yǎng)菌，少數(shù)為兼性化能自養(yǎng)菌，其中研究得最多的是硫桿菌屬，它們分布廣，與人類關(guān)系密切。關(guān)于無(wú)機(jī)硫的氧化途徑基本上分為兩種類型：第一種類型以氧化硫桿菌（Thiobacillus

thiooxidans）為代表，在硫化物氧化過(guò)程中是經(jīng)過(guò)一系列的多硫酸鹽中間體（主要是四硫酸鹽積累），然后再轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩猁}。

4S2-→2S2O32-→S4O62-→SO32-+S3O62-→4SO32-→4SO42-第二種類型以排硫桿菌（Thiobacillus

thioparus）為代表，在硫的氧化過(guò)程中沒(méi)有多硫酸鹽的中間體。氧化的第一個(gè)產(chǎn)物是亞硫酸鹽，再進(jìn)一步氧化為硫酸鹽。

S→SO32-→SO42-硫桿菌能夠利用一種或多種還原態(tài)或部分還原態(tài)硫化物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸鹽、多硫酸鹽、亞硫酸鹽）作為能源以同化CO2。它們可以通過(guò)氧化磷酸化和涉及腺苷酰硫酸（APS）的底物水平磷酸化方式產(chǎn)生ATP。APS是由亞硫酸與腺苷單磷酸形成的一種高能分子。硫氧化產(chǎn)生能量（a）亞硫酸鹽能直接氧化硫酸鹽，并為電子傳遞和氧化磷酸化提供電子。（b）亞硫酸鹽也能氧化并轉(zhuǎn)變成APS。這條途徑產(chǎn)生的電子用于電子傳遞以及同APS一起以底物水平磷酸化方式產(chǎn)生ATP。（c）腺苷酰硫酸（APS）的結(jié)構(gòu)硫化物被氧化成硫酸鹽和產(chǎn)生ATP的過(guò)程3、氫細(xì)菌氫細(xì)菌是一群將H2氧化為水，并從中獲得能量，用于同化CO2，合成細(xì)胞物質(zhì)進(jìn)行化能自養(yǎng)生物的微生物。氫細(xì)菌的種類很多，是一類革蘭氏陰性的兼性化能自養(yǎng)菌，包括假單菌屬、副球菌屬（Paracoccus）、黃桿菌屬（Flavobacterium）、產(chǎn)堿桿菌屬（Alcaligenes）、諾卡氏菌屬（Nocardia）等。H2+1/2O2→H2O氧化還原電位（氫化酶）為-0.42V，高于NAD（P）H2/NAD（P）+的-0.32V。在多數(shù)氫細(xì)菌中，有兩種氫化酶，其結(jié)構(gòu)和功能各不相同：

①顆粒狀氫化酶——結(jié)合在細(xì)胞膜上，直接與呼吸鏈偶聯(lián)，不經(jīng)過(guò)依賴于NAD+脫氫酶作中間體，催化氫的氧化，并把電子直接傳遞給呼吸鏈產(chǎn)生ATP，主要產(chǎn)生能量。

②可溶性氫化酶——存在于細(xì)胞質(zhì)中，催化氫的還原，能直接還原NAD+，還能還原Cytb、Cytc等，主要功能是為菌體生長(zhǎng)提供固定CO2的還原力。氫細(xì)菌中兩種氫酶的作用方式氫細(xì)菌是一類兼性化能自養(yǎng)菌，在有O2無(wú)H2，可利用糖或有機(jī)酸或氨基酸而生長(zhǎng)。有的還可利用嘌呤和嘧啶進(jìn)行生長(zhǎng)。當(dāng)氫細(xì)菌以無(wú)機(jī)化能營(yíng)養(yǎng)方式生長(zhǎng)時(shí)，H2的存在能阻抑菌體對(duì)有機(jī)物（如對(duì)果糖）的利用，這種現(xiàn)象稱為氫效應(yīng)。原因：①分子氫阻遏ED途徑中相關(guān)酶的誘導(dǎo)合成；②當(dāng)有O2和H2時(shí)，氫化酶催化生成NAD（P）H2大量合成，造成NAD（P）+的不足，從而影響了果糖ED途徑的脫氫作用?！惯€原力和能量產(chǎn)生過(guò)程簡(jiǎn)單化。4、鐵細(xì)菌（氧化亞鐵硫桿菌）自然界中有些細(xì)菌，例如氧化亞鐵硫桿菌、硫桿菌屬、嘉利翁氏菌屬、纖發(fā)菌屬和球衣菌屬中的許多菌種。能夠?qū)嗚F離子氧化為高鐵離子，并利用這個(gè)過(guò)程所產(chǎn)生的能量和還原力同化CO2進(jìn)行自養(yǎng)生長(zhǎng)，統(tǒng)稱為鐵細(xì)菌。因?yàn)镕e3+／Fe2+（在pH3時(shí)E0’=+0.77V）具有正的氧化還原電位。因?yàn)镕e3+／Fe2+的氧化還原電位很高，因而到氧（1/202／H20，E0’=+0.82V）的電子傳遞途徑很短。Fe2+氧化產(chǎn)生的電子不足以還原NAD+、FAD和許多其他的電子傳遞鏈成分。不足以產(chǎn)生ATP（ΔE=0.158V）。這種菌的呼吸鏈包括細(xì)胞色素c、a1及一種含銅的鐵硫菌藍(lán)蛋白（褐銅蛋白）。氧化亞鐵硫桿菌電子傳遞的生物化學(xué)研究顯示嗜酸鐵氧化細(xì)菌可以利用環(huán)境中已存在質(zhì)子梯度來(lái)產(chǎn)生能量。建立的條件——包括嗜酸性生物在內(nèi)的任何生物的細(xì)胞質(zhì)必須保持中性，氧化亞鐵硫桿菌的內(nèi)部pH大約為6?？墒撬車h(huán)境的pH值比這還低（接近2），細(xì)胞質(zhì)膜兩側(cè)的pH值差異蘊(yùn)含了可用于合成ATP的天然質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)。質(zhì)子通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)子的ATP酶進(jìn)入細(xì)胞（在這個(gè)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)ADP的磷酸化——合成ATP）。——如何使此過(guò)程長(zhǎng)期性、連續(xù)性的保持？為了保持細(xì)胞內(nèi)中性pH值，涉及2個(gè)問(wèn)題：

——電子的獲得，并和質(zhì)子結(jié)合形成水（在細(xì)胞內(nèi)完成）；

——相應(yīng)物質(zhì)的氧化及電子傳遞。所以，必須考慮到Fe2+的氧化在這里非常重要。從Fe2+到Fe3+的氧化反應(yīng)是一個(gè)消耗質(zhì)子的反應(yīng)（Fe2++1/202+2H+→Fe3++H20）。實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明1/2O2+2H+→H20的反應(yīng)發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)膜的內(nèi)側(cè)，而Fe2+→Fe3+的反應(yīng)發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)膜的近外側(cè)——這樣就涉及了電子傳遞過(guò)程。

Fe2+→Fe3+1/2O2+2H+→H20++

Fe2++1/202+2H+→Fe3++H20從Fe2+傳出的電子在周質(zhì)空間被鐵硫菌藍(lán)蛋白（褐銅蛋白）接收。作為對(duì)于周質(zhì)的適應(yīng)，鐵硫菌藍(lán)蛋白是對(duì)酸穩(wěn)定的，而在pH=2時(shí)具有最適合的活力——特殊性。鐵硫菌藍(lán)蛋白的電子被傳給一種不尋常的高電勢(shì)的膜結(jié)合細(xì)胞色素c（Cytc，不同與以往所涉及的？），由它接著將電子傳遞給終端氧化酶——細(xì)胞色素a1（Cyta1）。細(xì)胞色素a1（Cyta1）將電子供給1/202，加上從細(xì)胞質(zhì)中來(lái)的兩個(gè)質(zhì)子形成水。經(jīng)ATP酶進(jìn)入的質(zhì)子流量彌補(bǔ)了質(zhì)子供給（生成H2O），只要Fe2+是可利用的，氧化亞鐵硫桿菌質(zhì)膜內(nèi)外存在的自然質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)就能持續(xù)地驅(qū)動(dòng)ATP的合成。中性pH下的鐵氧化——在中性pH條件下，亞鐵離子在有氧存在時(shí)不穩(wěn)定，很快被氧化為鐵離子（不溶性的）；亞鐵離子存在的唯一中性環(huán)境是缺氧；相關(guān)鐵細(xì)菌也就存在于缺氧和有氧的界面。㈡、光能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌這類細(xì)菌具有光合色素、即葉綠素、類胡蘿卜素、藻膽蛋白，它們可以象綠色植物那樣進(jìn)行光合作用而生活。根據(jù)光合細(xì)菌所具的光合色素，大致可以將它們分為綠色細(xì)菌、紫色細(xì)菌（著色細(xì)菌和紅螺細(xì)菌）和藍(lán)細(xì)菌三類。光合細(xì)菌的類群和特性類群光合作用和細(xì)胞增殖對(duì)生長(zhǎng)因子的要求光合作用時(shí)氧的釋放主要供氫體碳源增殖條件綠硫細(xì)菌S2-、S2O32-、H2主要是CO2光照、厭氧--著色細(xì)菌主要為S2-、S2O32-、H2CO2和有機(jī)物光照、厭氧--紅螺細(xì)菌主要為有機(jī)物或S2-主要為有機(jī)物暗處、有氧或光照厭氧+-藍(lán)細(xì)菌H2OCO2光照、需氧-+此類菌中（除藍(lán)細(xì)菌外）為什么只能在有光照和厭氧條件下增殖？即綠硫細(xì)菌，為專性厭氧、專性光能自養(yǎng)菌，它們不能在無(wú)光環(huán)境中生長(zhǎng)。在有光照和H2S存在條件下進(jìn)行光合作用，細(xì)胞內(nèi)不累積硫顆粒。1、綠色細(xì)菌2、紫色細(xì)菌細(xì)胞呈紅色或具有多量紅色與黃色類胡蘿卜素。根據(jù)它們對(duì)無(wú)機(jī)硫化物的代謝特性，將它劃分為：

著色細(xì)菌（紅色硫細(xì)菌或紫色硫細(xì)菌），這是一些專性厭氧、專性無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌，利用H2S作為還原CO2的電子供體，氧化H2S并在細(xì)胞內(nèi)累積硫顆粒。

紅螺細(xì)菌（紅色非硫細(xì)菌或紫色非硫細(xì)菌），兼性光合細(xì)菌，在無(wú)光、有氧時(shí)利用有機(jī)物作為氫供體和碳源行異養(yǎng)生活；在有光照、厭氧條件下可氧化H2S進(jìn)行光合作用，胞內(nèi)不積累硫，生長(zhǎng)時(shí)大多數(shù)需要生長(zhǎng)因子（說(shuō)明什么？），所以屬于光能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌。3、藍(lán)細(xì)菌又名藍(lán)藻或藍(lán)綠藻。細(xì)胞單個(gè)存在或形成絲狀體，細(xì)胞內(nèi)含有葉綠素、藍(lán)色的藻藍(lán)素和紅色的藻紅素，并因其所含上述色的不同而使細(xì)胞帶有不同的顏色。二、自養(yǎng)微生物的代謝特點(diǎn)自養(yǎng)微生物包括光能自養(yǎng)菌和化能自養(yǎng)菌兩個(gè)類群，它們都能通過(guò)卡爾文循環(huán)同化CO2，因此都需要能量（ATP）和還原力（NADH2或NADPH2）。這兩類自養(yǎng)微生物的能量來(lái)源和產(chǎn)能方式是不同的。其中化能自養(yǎng)菌是從無(wú)機(jī)物的氧化作用中獲得能量，光合細(xì)菌的能量來(lái)自光能，通過(guò)光合磷酸化作用產(chǎn)生能量㈠、能量代謝㈡、還原力產(chǎn)生㈢、CO2的同化㈠、能量代謝1、化能自養(yǎng)菌的能量代謝化能自養(yǎng)細(xì)菌從無(wú)機(jī)物的氧化中獲得能量，并以CO2為碳源合成細(xì)胞物質(zhì)。它們所氧化的無(wú)機(jī)主要有：氫、硫、硫化物、銨鹽、亞硝酸、亞鐵離子，并在氧化作用中通過(guò)氧化磷酸化作用和底物水平磷酸化作用產(chǎn)生生物合成可利用的能量。（1）化能自養(yǎng)菌的氧化磷酸化硝化細(xì)菌——硝化細(xì)菌氧化亞硝酸生成硝酸的過(guò)程，底物氮原子由+3變?yōu)?5價(jià)，失去一對(duì)電子，上述電子直接交給細(xì)胞色素系統(tǒng)，最后傳遞到O2，產(chǎn)生1個(gè)ATP。硫細(xì)菌——前述氫細(xì)菌——前述鐵細(xì)菌（氧化亞鐵硫桿菌）——前述（2）底物水平磷酸化某些硫桿菌，如排硫硫桿菌（Thiobacillus

thioparus）和氧化硫硫桿菌在對(duì)底物氧化時(shí)可發(fā)生“底物水平”磷酸化作用生成ATP。這種底物水平磷酸化作用是發(fā)生在無(wú)機(jī)硫化物的末端氧化階段，即發(fā)生在亞硫酸氧化為硫酸階段。氧化是通過(guò)一個(gè)中間體：磷酸腺苷硫酸鹽（APS），按下列反應(yīng)進(jìn)行：2SO32-+2AMP→2ASP+4e-（APS還原酶）（1）2ASP+Pi→2SO42-+2ADP（ADP硫酸化酶）（2）2ADP→ATP+AMP（腺苷酸激酶）（3）反應(yīng)（1）中釋放的4個(gè)電子可以通過(guò)細(xì)胞色素傳遞鏈，傳遞給分子氧，并通過(guò)磷酸化作用產(chǎn)生4分子ATP。在反應(yīng)（2）中，在ADP硫酸化酶催化下，使APS磷酸化產(chǎn)生ADP和SO42-。在反應(yīng)（3）中，2個(gè)ADP在腺苷酸激酶的作用下，通過(guò)底物水平磷酸化作用，生成1分子ATP。因些，2分子S032-通過(guò)APS途徑被氧化，其中由底物水平產(chǎn)生1分子ATP，由氧化磷酸化產(chǎn)生4分子ATP，細(xì)菌共得5分子ATP。硫化物被氧化成硫酸鹽和產(chǎn)生ATP的過(guò)程2、光能自養(yǎng)菌的能量代謝光合器官——葉綠素（類囊體）；光合細(xì)菌的光合作用部位是質(zhì)膜和質(zhì)膜內(nèi)褶的片層結(jié)構(gòu)，包括三個(gè)功能部分：天線色素（捕光色素）——葉綠素、類胡蘿卜素、藻膽色素；光化學(xué)反應(yīng)中心、電子傳遞鏈。光合色素——細(xì)菌葉綠素（菌綠素Bchl，a\b\c\d\e）光吸收（1）光能自養(yǎng)菌的環(huán)式光合磷酸化循環(huán)光合磷酸化有兩種形式：紫色細(xì)菌和綠色細(xì)菌特點(diǎn)：電子傳遞途徑屬循環(huán)方式，即在光能驅(qū)動(dòng)下，電子從菌綠素分子上逐出，通過(guò)類似呼吸鏈的循環(huán)，又回到菌綠素，其間產(chǎn)生了ATP（b→c2——紫色細(xì)菌；b→c555——綠色細(xì)菌）；產(chǎn)能（ATP）與產(chǎn)還原力[H]分別進(jìn)行；還原力來(lái)自H2S、S2O32-、H2、Fe2+等無(wú)機(jī)氫供體（琥珀酸→延胡索酸）——反向電子傳遞；不產(chǎn)生氧。電子直接來(lái)源光合色素（菌綠素）注意雖然綠色和紫色細(xì)菌都不同時(shí)具備兩種光合系統(tǒng)，但是紫色細(xì)菌具有一種類似循環(huán)式光合系統(tǒng)Ⅰ，而綠色細(xì)菌具有一種類似于非循環(huán)式光合系統(tǒng)Ⅰ（產(chǎn)生還原力，F(xiàn)eS蛋白的能級(jí)較高，可以把電子直接傳遞給NAD+或NADP+）。循環(huán)式光合作用還原力的產(chǎn)生過(guò)程合成反應(yīng)中需要NADH2或NADPH2參與

——用于固定CO2，有三種方式：①利用氫（H→H++e-）直接合成；②逆電子梯度傳遞合成（供能情況下）；③電子非環(huán)式流動(dòng)合成。（2）非循環(huán)光合磷酸化特點(diǎn)：電子的傳遞途徑屬非循環(huán)式的；在有氧條件下進(jìn)行；有PSⅠ和PSⅡ2個(gè)光合系統(tǒng)，PSⅠ含葉綠素a，反應(yīng)中心的吸收光波為“P700”，有利于紅光吸收，PSⅡ含葉綠素b，反應(yīng)中心的吸收光波為“P680”，有利于藍(lán)光吸收；反應(yīng)中可同時(shí)產(chǎn)ATP（產(chǎn)自PSⅡ）、還原力[H]（產(chǎn)自PSⅠ）和O2（產(chǎn)自PSⅡ）；還原力NADPH2中的[H]來(lái)自H2O分子的光解產(chǎn)物H+和電子。電子不直接來(lái)源光合色素（葉綠素a\b），由外源電子供體提供。既能產(chǎn)生ATP，而且還能提供NADPH2。有對(duì)ATP和NADPH2合成的調(diào)節(jié)功能。一些無(wú)機(jī)電子供體氧化時(shí)放出的能量

反應(yīng)化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)生物種類氧化還原電位E’0（V）ΔG0’（kJ/反應(yīng)）ΔG0’（kJ/2e-）H2+1/2O2→H2O氫細(xì)菌-0.42-237.2-237.2HS-+H++1/2O2→S0+H2O硫細(xì)菌-0.27-209.4-209.4S0+3/2O2+H2O→SO42-+H+硫細(xì)菌-0.25-587.1-195.7NH4++3/2O2→NO2-+2H++H2O硝化細(xì)菌0-274.7-137.4NO2-+1/2O2→NO3-硝化細(xì)菌+0.43-75.8-75.8Fe2++H++1/4O2→Fe3++1/2H2O鐵細(xì)菌+0.77-31-62合成1個(gè)ATP的電勢(shì)差至少為ΔE=0.158V（傳遞2個(gè)電子）——30.5kJ/mol㈡、還原力產(chǎn)生——反向電子傳遞化能自養(yǎng)菌產(chǎn)生還原力的方式——反向電子傳遞氫細(xì)菌所進(jìn)行的氫的氧化作用產(chǎn)生ATP及NADH2的機(jī)理比較簡(jiǎn)單——直接氧化（氧化還原電勢(shì)高，氫化酶）。大多數(shù)化能自養(yǎng)菌，如硝化細(xì)菌、硫化細(xì)菌等，由于它們所利用的無(wú)機(jī)底物的氧化還原電位都比NADH/NAD+高，因此這些無(wú)機(jī)底物的氧化，不能直接與NAD+的還原相偶聯(lián)而產(chǎn)生NADH2。在這些細(xì)菌中，為了使NAD+還原，就必須在提供能量的情況下，進(jìn)行反向電子傳遞。也就是說(shuō)，在這些細(xì)菌中，在提供能量的情況下，電子從氧化還原電位高的載體流向氧化還原電位低（負(fù)）的NADH/NAD+，使NAD+還原，生成NADH2㈢、CO2的同化把無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳，從而構(gòu)成細(xì)胞物質(zhì)。1、卡爾文循環(huán)——多數(shù)生物CO2的同化途徑2、還原性三羧酸循環(huán)（嗜硫綠硫細(xì)菌）3、還原性單羧酸循環(huán)4、厭氧乙酰CoA途徑5、羥基丙酸途徑1、卡爾文循環(huán)關(guān)鍵酶：核酮糖二磷酸羧化酶、磷酸核酮糖激酶羧化反應(yīng)——3個(gè)核酮糖-1，5-二磷酸（Ru-1,5-P）通過(guò)核酮糖二磷酸羧化酶將3分子CO2固定，并形成6個(gè)3-磷酸甘油酸分子。還原反應(yīng)——緊接在羧化反應(yīng)后，立即發(fā)生3-磷酸甘油酸上的羧基還原成醛基的反應(yīng)（通過(guò)逆EMP途徑進(jìn)行）。CO2受體的再生——指核酮糖-5-磷酸在磷酸核酮糖激酶的催化轉(zhuǎn)變?yōu)楹送?1，5-二磷酸的生化反應(yīng)。2、還原性三羧酸循環(huán)（嗜硫綠硫細(xì)菌）需要ATP（3個(gè)），2個(gè)NAD（P）H2和1分子FADH2乙酰CoA的還原羧化反應(yīng)——在還原型鐵氧還蛋白參與下，由丙酮酸合成酶催化，還原羧化成丙酮酸琥珀酰CoA的還原羧化反應(yīng)——也是在還原型鐵氧還蛋白參與下，由α-酮戊二酸合成酶催化，還原羧化成α-酮戊二酸。短還原羧酸循環(huán)——只有α-酮戊二酸合成酶，無(wú)丙酮酸合成酶，故每循環(huán)一次固定2分子CO2，生成1分子乙酰CoA。3、還原性單羧酸循環(huán)不需要ATP克氏梭菌（Clostridiumkluyveri）可將CO2直接轉(zhuǎn)化成甲酸，發(fā)現(xiàn)有丙酮酸合成酶和丙酮酸-甲酸裂解酶，在有乙酰CoA、CO2和Fd（red）存在下可產(chǎn)生甲酸。還原性單羧酸循環(huán)因在循環(huán)中，只涉及單羧酸（丙酮酸和甲酸）而得名。4、厭氧乙酰CoA途徑專性厭氧菌，能利用氫。這種非循環(huán)式的CO2固定機(jī)制主要存在于一些產(chǎn)乙酸菌、硫酸鹽還原菌和產(chǎn)甲烷菌等化能自養(yǎng)細(xì)菌中。不存在Calvin循環(huán)。5、羥基丙酸途徑只有少數(shù)綠彎菌屬在以H2或H2S作為電子供體進(jìn)行自養(yǎng)生活時(shí)所特有的一種CO2固定機(jī)制。針對(duì)化能異養(yǎng)菌的總結(jié)無(wú)機(jī)底物的氧化直接與呼吸鏈發(fā)生聯(lián)系，即由脫氫酶或氧化還原酶催化的無(wú)機(jī)底物脫氫或脫電子后，可直接進(jìn)入呼吸鏈傳遞（異養(yǎng)菌是多途徑逐級(jí)脫氫）；呼吸鏈的組分更為多樣化，氫或電子可以從任一組分直接進(jìn)入呼吸鏈；產(chǎn)能效率即P/O比一般低于化能異養(yǎng)微生物。產(chǎn)能機(jī)制效率低，及固定CO2要大量耗能，造成生長(zhǎng)速率和生長(zhǎng)得率都很低（摩爾生長(zhǎng)量）?！焕谂囵B(yǎng)觀察三、自養(yǎng)菌的實(shí)際應(yīng)用㈠、物質(zhì)轉(zhuǎn)化㈡、環(huán)境保護(hù)㈢、細(xì)菌冶金㈠、物質(zhì)轉(zhuǎn)化自地球形成至今約48億年的歷程中，發(fā)生了化學(xué)進(jìn)化與生物學(xué)進(jìn)化兩大階段，它們又各可分3個(gè)小階段。在生物學(xué)進(jìn)化的3個(gè)小階段中，以微生物為主體的分解者是始終不可缺少的一方，以植物為主體的生產(chǎn)者其次，而以動(dòng)物為主體的消費(fèi)者則最遲形成。整個(gè)生物圈要獲得繁榮昌盛和發(fā)展，其能量的主要來(lái)源是太陽(yáng)，而其元素來(lái)源則主要依賴于由微生物所推動(dòng)的生物地球化學(xué)循環(huán)。自然界蘊(yùn)藏著極其豐富的元素貯備。原始地球上所含的主要元素有O、Si、Mg、S、Na、Ca、Fe、Al、P、H、C、Cl、F和N等，大自然對(duì)于生命世界來(lái)說(shuō)，可比喻為一個(gè)龐大無(wú)比的“元素銀行”。

生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)化1、參與氮素循環(huán)2、參與硫素循環(huán)

3、鐵的轉(zhuǎn)化4、微量元素的轉(zhuǎn)化Mn、碲、硒、銠等。㈡、環(huán)境保護(hù)脫硫作用（石油、煤碳等）重金屬的無(wú)毒化或低毒化（價(jià)態(tài)的變化）降低水體的富營(yíng)養(yǎng)化——水華或赤潮（硝酸鹽造成）㈢、細(xì)菌冶金不僅能從低品位礦物中回收金屬，也不帶來(lái)空氣污染。細(xì)菌瀝濾在銅回收中所占的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，在美國(guó)，年產(chǎn)近100萬(wàn)噸金屬銅中約25％是通過(guò)細(xì)菌瀝濾而獲得。許多有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的礦物是金屬硫化物，金屬硫化物礦大多存在于火山或巖漿的源地，其它則是在生物進(jìn)化過(guò)程中通過(guò)金屬離子與硫化氫（微生物產(chǎn)生）反應(yīng)而生成的。例如CuS、Cu2S。氧化亞鐵硫桿菌（Thiobacillus

ferrooxidans）分為溶礦、置換、再生浸礦劑，僅適合于次生硫化礦和氧化礦，浸取率達(dá)70~80%1、間接瀝濾（CuS）利用Fe3+氧化性，使硫化礦的S2-氧化為SO42-，從而使不溶金屬離子變化可溶性離子，再進(jìn)一步提煉。CuS+8Fe3++4H2O→Cu2++8Fe2++SO42-+8H+Fe0+Cu2+→Fe2++Cu0Fe2++1/4O2+H+→Fe3++1/2H2O（微生物的主要作用要此步）浸礦堆的排布和微生物浸硫化銅礦

產(chǎn)生Cu（金屬銅）的反應(yīng)2、直接瀝濾（CuS）在直接瀝濾過(guò)程中，氧化亞鐵硫桿菌附著在礦石顆粒上，然后，再利用細(xì)胞膜上有關(guān)氧化作用的酶催化破壞金屬硫化物的晶格，礦石的氧化可分兩步進(jìn)行（溶礦、硫的氧化），反應(yīng)如下：CuS+1/2O2+2H+→Cu2++S+H2OS+3/2O2+H2O→H2SO4對(duì)于Cu2S礦：Cu2S+1/2O2+2H+→CuS+Cu2++H2O

細(xì)菌冶金的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：投資少、成本低、操作簡(jiǎn)便、規(guī)模可大可小。缺點(diǎn)：周期長(zhǎng)、礦種有限、不適宜高寒地帶使用。四、甲基營(yíng)養(yǎng)菌㈠、概念甲基營(yíng)養(yǎng)菌通常是指那些能夠利用一碳甲基化合物（不含碳-碳鍵）作為碳源與能源進(jìn)行生長(zhǎng)的一類細(xì)菌。它們是一類廣泛分布在土壤和水域之中的革蘭氏陰性細(xì)菌。主要一碳化合物有：甲烷、甲醇、甲酸、甲基胺等。和自養(yǎng)菌的比較和自養(yǎng)菌相似？從以下幾方面比較說(shuō)明：①甲基營(yíng)養(yǎng)菌類的細(xì)菌也都屬于原核生物；②細(xì)胞內(nèi)的膜狀結(jié)構(gòu)相似，營(yíng)養(yǎng)要求簡(jiǎn)單；③需要的能源物質(zhì)專一性很強(qiáng)；④都能利用一碳化合物合成細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)；⑤細(xì)胞質(zhì)膜上有磷脂酰膽堿（自養(yǎng)菌特有）；⑥呼吸鏈組成不同于異養(yǎng)型生物，基本上都為好氧菌。甲基營(yíng)養(yǎng)菌的類型甲基營(yíng)養(yǎng)菌可以分為專性甲基營(yíng)養(yǎng)菌與兼性甲基營(yíng)養(yǎng)菌兩種類型。區(qū)別在于：①前者都能利用甲烷進(jìn)行生長(zhǎng)，少數(shù)也可以利用甲醚或甲酸進(jìn)行生長(zhǎng)（不能同化，只能維持生長(zhǎng)作用——只提供能量）——甲烷營(yíng)養(yǎng)菌；②后者主要利用甲醇或甲胺進(jìn)行生長(zhǎng)，但不能利用甲烷進(jìn)行生長(zhǎng)（能利用甲醇和甲基胺），少數(shù)可以利用甲酸、二碳或四碳化合物進(jìn)行生長(zhǎng)。專性甲基營(yíng)養(yǎng)菌的類型在原核生物中專性甲基營(yíng)養(yǎng)菌（甲烷營(yíng)養(yǎng)菌）還特殊都含有大量的甾醇（甾醇是真核生物膜系統(tǒng)的功能部分，但在大多數(shù)原核生物里不存在）。甾醇的存在可能是與甲烷氧化作用有關(guān)的復(fù)雜內(nèi)膜系統(tǒng)的基本組成部分。甲烷營(yíng)養(yǎng)菌最初是根據(jù)形態(tài)及靜息階段的形式加以區(qū)分和分類的。但后來(lái)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)它們的細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)及碳同化作用途徑可將其分為兩大類。專性甲基營(yíng)養(yǎng)菌的類型Ⅰ類是通過(guò)一種獨(dú)特的途徑——核酮糖單磷酸循環(huán)來(lái)進(jìn)行一碳化合物的同化作用；Ⅱ類是通過(guò)絲氨酸途徑來(lái)同化C1中間產(chǎn)物。所有的甲烷營(yíng)養(yǎng)菌都是好（耗）氧菌，因此O2必須參與甲烷的氧化作用，但有些菌也可利用甲醇為電子供體（以硝酸鹽為電子受體）厭氧生長(zhǎng)——特定條件。甲烷營(yíng)養(yǎng)菌的內(nèi)膜系統(tǒng)及代謝特點(diǎn)兩種類型的甲烷營(yíng)養(yǎng)菌都含有豐富的內(nèi)膜系統(tǒng)，這與其氧化甲烷的能力有關(guān)。類型Ⅰ的細(xì)菌其內(nèi)膜為成束的盤狀囊分布于整個(gè)細(xì)胞內(nèi)（核酮糖單磷酸循環(huán)）；類型Ⅱ沿著細(xì)胞的外周（膜內(nèi)側(cè)）有成對(duì)的膜（絲氨酸途徑）。甲烷營(yíng)養(yǎng)菌的電子顯微照片

（顯示膜系統(tǒng)）外周成對(duì)膜——Ⅱ型細(xì)胞內(nèi)成束的盤狀囊——Ⅰ型類型Ⅰ的甲烷營(yíng)養(yǎng)菌缺少一套完整的三羧酸循環(huán)（缺少α-酮戊二酸脫氫酶）；而類型Ⅱ則擁有完整的三羧酸循環(huán)。說(shuō)明缺少完整的三羧酸循環(huán)，在很大程度上降低了該類細(xì)菌利用有機(jī)物的能力，因?yàn)槿绻人嵫h(huán)不完整，則NADH2無(wú)法形成，而若該菌所利用的有機(jī)物要通過(guò)三羧酸循環(huán)進(jìn)行代謝，這些菌的生長(zhǎng)將受到抑制。㈡、代謝概況各種甲基營(yíng)養(yǎng)菌的合成代謝的差異是從甲醛開始，也就是說(shuō)甲基營(yíng)養(yǎng)菌先將甲烷等含甲基的一碳化合物氧化為甲醛，然后甲醛經(jīng)不同代謝途徑被固定。針對(duì)甲烷營(yíng)養(yǎng)菌的生物化學(xué)有兩個(gè)方面使人們感興趣，一個(gè)是甲烷氧化為CO2的方式，即它是如何與ATP的形成偶聯(lián)，另一個(gè)是一碳化合物以什么方式同化為細(xì)胞物質(zhì)。甲烷氧化的總途徑是分階段的（8個(gè)電子），形成雙電子氧化作用：甲烷氧化的開始階段與甲烷單加氧酶有關(guān)