1、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）。,3,异化作用（catabolism/dissimilation）/分解代谢大分子分解成小分子的过程，
2、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,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。,什么菌?,化能自养菌,光能营养菌,在本节中主要讨论分解代谢。,化能异养菌,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：,1. 分解代谢,生物氧化的过程：,递氢（电子）,受氢,受氢体 电子受体,脱氢（电子）,6,7,2 . 呼吸作用,无机代谢产物,CO2、H2、CH4、H2S、NH3、 NO2、NO3、SO42,有机代谢产物,糖
3、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：,8,2) 分解代谢过程中产生能量（用途？）,3) 产生中间代谢产物（去向？）,4) 在分解代谢过程中吸收、同化许多营养物。,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（fermentatio
4、n）（亦称分子内无氧呼吸）,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,还原型辅酶,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。,12,13,（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。,b.无氧条件下：,
5、14,2、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。,15,HMP途径中间产物的去向,a. 12NADPH,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。,16,17,3、ED途径（Eutuer-Doudoroff Pathway）,2酮3脱氧6磷酸葡萄糖酸（KDPG途径）,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
6、没发现。,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。,18,C6,KDPG,2ATP,NADH+H+,NADPH+H+,2丙酮酸,6ATP,有氧呼吸链,无氧,2乙醇,ATP,ATP,中间产物的去路,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。,19,20,4、三羧酸循环（tricarboxylic acid cycl
7、e）,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。,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：,一分子丙酮酸可产生15个ATP,21,22,23,ATP,GTP,2 (相当6ATP),12(相当36ATP),1(相当3ATP）,1(相当3ATP）,2,2(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；
8、* * *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,葡萄糖三条降解途径在不同微生物中的分布,ED(%),HMP(%),25,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。,传递体II(H) 还原态,传递体II 氧化态,O2,H 2O,1、递氢和受氢机制,27,递氢和受氢系统的特点,由一系列的能发生可逆氧化还原反应、且
9、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。 该过程是一个产能的过程。 这种链状传递系统称为“呼吸链”,28,29,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。,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
10、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。,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,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,黄素蛋白（FP：flavoprotein）,FAD（黄
11、素腺嘌呤二核苷酸）,FMN（黄素单核苷酸）,E0 = 0.22V,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 = 0.12V,32,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。,铁硫蛋白的铁硫中心,33,微生物醌（microbial q
12、uinone）,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)。,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,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。,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。,E0 =0.074v,36,Bacteria QuinoneA
13、chromobacter, Corynebacterium* Q-8 Pseudomonas aeruginosa* Q-9 Ancylobacter, Methylobacterium* Q-10 Bacillus pumilus*, Sporolactobacillus MK-7 Brevibacterium* MK-8(H2) Mycobacterium * MK-9(H2),Examples of dominate quinone species of some bacteria,* Nitrile-degrading bacteria; * Dimethylformamide-deg
14、rading bacteria,37,Absorbance at 275 nm,0,20,30,40,UQ-7,UQ-8,UQ-9,UQ-10,20,40,60,0,Absorbance at 270 nm,MK-6,MK-7,MK-8(H,4,),MK-8,MK-8(H,2,),MK-9(H,2,),MK-9,MK-9(H,4,),MK-10,MK-10(H,2,),MK-10(H,4,),MK-11,Time (min),10,Chromatogram of quinone fractions extracted from the activated sludge （活性污泥的微生物醌指纹
15、）,38,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。,39,1、好氧呼吸/有氧呼吸（aerobic respiration）,呼吸链的最终电子受体为氧分子。,（三）微生物的呼吸类型,40,2、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。,41,在无氧条件下发生的硝酸根还原反应，又称之为反硝化(denitrifi
16、cation).,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）,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。,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。,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。,43,（2）硫酸盐呼吸（sulfate respiration
17、）,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。,注意与硫磺细菌的区别：,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。,44,（3）硫呼吸（sulphur respiration）,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）,45,（5）延胡索酸呼吸（fumarate respiration）,延胡索酸,琥珀酸,许多兼性厌氧菌都能进行延胡索酸呼吸。,46,3、发酵（fermentati
18、on）(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。,47,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）。,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。,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：,48,好氧呼吸、厌氧呼吸和发酵示意图
19、(小结),49,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。,50,常见的几种发光细菌,51,NADH2,FMNH2,荧光素酶E,FMNH2E,黄素蛋白黄素单核苷酸,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶）,O2,FMNH2EHOOH,FMN+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）,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
20、（nutrient）O2、N、P,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,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：,NO3H2O2e,因为是好氧氧化，所以电子受体应该是分子O2。,O2还原反应：,4OH,NO22OH,O22H2O4e,54,2NO2O24OH2H2O,2 NO3 2H2O 4OH,2NO2O2,2 NO3,NO21/2O2,NO3,1摩尔NO2需要半摩尔的分子氧。,55,2、生物氧化还
21、原反应的一般式,（1）电子供体的半反应（氧化反应）（HD）,Z = 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 1/2H2O,1/5NO3 6/5 He = 1/10N2 3/5H2O,1/8SO42He = S21/2H2O,1/8CO2He = 1/8CH41/4H2O,56,（3）细胞合成反应（Cs）,NH3作N源时：,1/4CO21/20NH3He= 1/20C5H7O2N2/5H2O,NO3作N源时:,5/28CO21/28 NO3 29/28He= 1/28C5H7O2N11/28H
22、2O,微生物生长所需的P是N的1/51/6左右（重量比）,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,HDfe HAfs Cs,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,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。,60,对每一个化合物进行计算非常繁琐，可计算出平均分子量。,选择电子受体的种类：好氧，O2,选择氮源
23、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。,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 = 0.5,61,写出各反应式：C6H10O,a=6 ,b=10, c=1, d=0,z =4ab2c3d=46102=32,氧化半反应：HD,1/32 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,62,总反应式右
24、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,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,63,计算营养物的需求量（重量比）：,C6H10O=98,O2 =32,NH3 as N =14,1g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=0.9,计算供应量：需要量现有量=供应量,
