环境微生物学4-微生物的生理3代谢与合成

丁二醇发酵
CO2、H2 丁二醇、乳酸、乙酸、
气杆菌属（Aerobacter）
乙醇、 CO2、H2
丁酸发酵
丁酸、乙酸、CO2、H2
丙酮-丁醇发酵 丁醇、丙酮、乙醇
丁酸梭菌(Clostridium butylicum) 梭菌属（Clostridium）
丙酸发酵
丙酸
丙酸杆菌属(Propionibacterium)
①发酵; ②好氧呼吸; ③无氧呼吸。
（一）生物氧化的概念
无论是哪一种类型，其本质都是氧化还原反应，即在化 学反应中一种物质失去电子而被氧化，另一种物质得到电 子而被还原，微生物从中获得生命活动需要的能量。
生物氧化还原过程不同于一般的化学氧化还原过程，有 以下几个差别：
在酶的作用下，常温常压的温和条件； 复杂有机物被氧化成二氧化碳、水和其他简单的物质； 产生能量供给生物（合成、生命活动、热能）； 多步反应，产生许多中间产物；同时吸收和同化各种营养物质。
1. ATP的化学组成、功能
ATP(腺苷三磷酸)的分子结构式
细胞的能量循环
2.生成ATP的方式
（1）基质(底物)水平磷酸化：微生物在基质氧化过程中，产 生一种含高自由能的中间体，如常1，3-二磷酸甘油酸。这一 中间体将能量→ADP，使ADP磷酸化而生成ATP。此过程中底 物的氧化与磷酸化反应相偶联并生成ATP，称为底物水平磷酸 化。
产甲烷菌同化CO2的途径 →嗜热自养甲烷杆菌; ┅┅→巴氏甲烷八叠球菌
二、化能自养型微生物的合成代谢
各种化能自养型微生物的合成代谢的合成途径不同，如 硫氧化细菌的合成代谢为：
H2S + 2O2→SO42- + 2H+ + 795kJ CO2+4[H]→[CH2O]+H2O
其余内容见教材。
三、光合作用
（三）无氧呼吸(分子外的无氧呼吸)
无氧呼吸又称厌氧呼吸，是一类电子传递体系末端的受氢 体为外源无机氧化物的生物氧化。这是一类在无氧下进行的 产能效率较低的（对好氧呼吸而言）特殊呼吸。其特点是底 物按常规脱氢后，经部分电子传递体系递氢，最终由氧化态 的无机物（个别为有机物）受氢。
根据呼吸链末端的最终受氢体的不同，可将无氧呼吸分成 硝酸盐呼吸（NO3- →NO2-、NO、N2O）、硫酸盐呼吸（ SO42-→SO32-、H2S）、碳酸盐呼吸（CO2 、HCO3→CH3COOH 、CH4）和延胡索酸呼吸（延胡索酸→琥珀酸） 等多种类型。
还原酶、硫酸还原酶； NH3、N2、
辅酶：NAD+、细胞色 H2S、
素b、c等
CH4、
ATP
底物水平磷酸 化；氧化磷酸
化
反硝化： 1756
反硫化： 1125
四、微生物的发光机制
发光细菌含两种特殊的成分:(虫)荧光素酶和长链脂肪族醛。 发光过程（下图）：
发光细菌被应用在环境监测及其他领域。
发光细菌的电子流途径
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三、光合作用
1．藻类的光合作用（同绿色植物） 在有光的条件下，利用体内的色素（叶绿素、类胡萝卜 素、藻蓝素、藻红素等），从H2O的光解中获得H2，还 原CO2成[CH2O]。因与植物的光合作用相同，都是利用 CO2为碳源，H2O为供氢体合成有机物，构成自身细胞 物质，故称植物性光合作用。
பைடு நூலகம்
4.乙醛酸循环
在好氧呼吸中，除进行三羧酸循环外，有的细菌还可利用 乙酸盐进行乙醛酸循环，如三羧酸循环图中虚线所示。 乙醛酸循环可以从异柠檬酸进入，将其裂解为乙醛酸和琥 珀酸，琥珀酸可进入三羧酸循环，乙醛酸乙酰化后形成苹果 酸也可进入三羧酸循环。由此弥补一些中间产物的不足，有 时也把乙醛酸循环称为TCA循环的支路。
（一）发酵
发酵是指在无外在电子受体时，底物脱氢后所产生的还原 力[H]不经呼吸链传递而直接交给某一内源性中间产物接受 ，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。
1.乙醇发酵
以葡萄糖的乙醇发酵为例，可分为两大步骤。 a.不涉及氧化还原反应的预备性反应：葡萄糖（C6H12O6）→3-磷酸甘 油醛； b.涉及氧化还原的反应：→丙酮酸（到此步称为糖酵解）→乙醛（ CH3CHO）（二氧化碳）→乙醇（CH3CH2OH），总反应为：
（二）生物能量的转移中心—ATP
在微生物的生物氧化过程中，底物的氧化分解产生能 量；同时，微生物将能量用于细胞组分的合成。在这两 者之间存在能量转移的中心，即ATP。 ATP是在发酵、好氧呼吸及无氧呼吸中生成的。微生 物（包括各种生物）的能量的产生和转移大多数是通过 ATP进行的。
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C6H12O6＋2Pi＋2ADP → 2CH3CH2OH + 2CO2＋2ATP
（一）发酵
（1）糖酵解：
糖酵解（glycolysis）被认为是生物最古老、最原始获
取能量的一种方式(底物水平磷酸化）。糖酵解途径几乎是
糖
所有具细胞结构的生物所共有的主要代谢途径，也是人们
酵
最早阐明的酶促反应系统。
解
总反应：
系列步骤的总称。 好氧呼吸总反应式： C6H12O6 ＋ 6O2 ＋ 38ADP ＋ 38Pi → 6CO2 ＋ 6H2O ＋ 38ATP
1.三羧酸循环
淀 粉 、 蛋 白 质 和 脂 肪 水 解 与 三 羧 酸 循 环 和 乙 醛 酸 循 环 的 关 系
2.电子传递体系（呼吸链）
好氧呼吸以O2为最终电子受体，底物被全部氧化成CO2和H2O， 并产生ATP。底物氧化释放的电子首先转移给NAD+，使之成为 NADH + H+，然后再转移给电子传递体系（呼吸链），最终到达 分子氧O2。 呼 吸 链 ： 有 氧 呼 吸 中 传 递 电 子 的 一 系 列 偶 联 反 应 ， 由 NAD 或 NADP、FAD或FMN、辅酶Q、细胞色素等组成。其功能是传递电 子和产生ATP。
C6H12O6+2NAD++2Pi+2ADP──>2CH3COCOOH+2NADH+2
H++2ATP 生
（2）生成乙醇:
成
乙
糖酵解终产物中的2NADH+2H+把丙酮酸的脱羧产物乙醛
醇
还原为乙醇。
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（一）发酵
乙醇发酵的能量利用效率为：
从丙酮酸开始，通过各种微生物不同的发酵作用，产生各 种不同的产物。如：混合酸发酵、丁二醇发酵、丙酸发酵等。
例如，以NO3-为最终电子受体的情况： 0.5C6H12O6 + 2HNO3→3CO2 + N2 + 3H2O + 2[H]+能量 释放总能量为1756kJ ,得到2mol ATP。
上述过程被称为反硝化作用，或硝酸盐还原作用。
硝酸盐呼吸
NO3-
NO2-、NO、N2O、N2
硫酸盐呼吸
SO42-、S3O62-、S2O32-、H2S、 SO42-
光合作用（photosynthesis）是地球上进行得最大的有机合 成反应。将太阳能转化为化学能的过程经常用“CO2固定” 这一术语来表示。
1．藻类的光合作用（同绿色植物） 藻类进行非环式光合磷酸化作用（non-cyclic photophosphorylation） ，是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化 反应方式其特点为： ① 电子传递途径属非循环式； ② 在有氧条件下进行； ③ 有2个光合系统——PSⅠ和PSⅡ； ④ 反应中同时有ATP、还原力、O2产生； ⑤ 还原力来自H2O的光解。
环境微生物学
第4章 微生物的生理
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内容提示
本章就微生物的酶、营养以及微生物的代谢作了论述。酶是生 物催化剂，微生物的一切生命活动都离不开酶。营养物质的吸 收、分解和合成等一系列过程都是在酶的作用下进行的。新陈 代谢(metabolism）是微生物进行分解代谢（catabolism）和合 成代谢（anabolism）的总和。因为一切生命活动都是耗能反应 ，因此，能量代谢就成了新陈代谢的核心问题。微生物的能量 代谢是通过三种主要途径来实现的：发酵 、好氧呼吸和无氧呼 吸。
（2）氧化磷酸化：微生物在氧化底物后产生的电子，通过电 子传递体系传递，并产生ATP的过程叫氧化磷酸化。
（3）光合磷酸化：光引起叶绿素、菌绿素或菌紫素逐出电子 ，通过电子传递产生ATP的过程叫光合磷酸化。产氧光合生物 包括藻类和蓝细菌，它们依靠叶绿素通过非环式的光合磷酸化 合成ATP。不产氧的光合细菌则通过环式光合磷酸化合成ATP 。
在好氧呼吸中，由EMP和TCA产生的［H］（NADH+H+和 FADH2 ），通过电子传递体系（呼吸链），最终到达分子氧，形 成水。在这一传递过程中，产生ATP（称为氧化磷酸化）。
自 EMP 2NADH+2H+
自乙酰 CoA 2NADH+2H+
自 TCA 6NADH+6H+
自 TCA 2FADH2
二、生物氧化的类型
在微生物体系中，能量的释放、ATP的生成都是通过生物 氧化实现的。根据最终电子受体（或最终受氢体）的不同， 可划分为3种类型：
① 发酵—以分解过程中的中间代谢产物(低分子有机 物)为最终电子受体 ② 好氧呼吸—以O2为最终电子受体 ③ 无氧呼吸—以除O2外的无机化合物，如NO2-、 NO3-、SO42-、CO32-及CO2等作为最终电子受体
电 子 传 递 体 系 （ 呼 吸 链 ）
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3. 产能效率
a.葡萄糖酵解为丙酮酸经EMP途径产生： 2mol(NADH+H+) ×3=6mol ATP，底物水平磷酸化产生2molATP,共
产生8 molATP b.三羧酸循环反应: CH3COCOOH+4NAD++FAD+GDP+Pi+3H2O→3CO2+4(NADH+H+)+ FADH2+GTP 底物水平磷酸化：
无机盐呼吸
S2-
无
硫呼吸
氧
S0 CH3COOH
呼 吸
碳酸盐呼吸
产乙酸细菌
CO2、HCO3-
延胡索酸呼吸（产琥珀酸细菌）
产甲烷菌 琥珀酸
延胡索酸
CH4 CO2、HCO3-
三、三种生物氧化类型比较（以葡萄糖为例）
生物氧 最终电子受体
化类型
参与反应的酶
最终 产物
产ATP 方式
释放总 能量/kJ
乙醇 发酵
中间代谢 产物
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发光细菌监测毒性实验
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发光细菌监测毒性实验
学生正在做发光细菌实验
发光细菌发光检测仪读取六组数据
第四节 微生物的合成代谢
一、产甲烷菌的合成代谢
产甲烷菌利用1C和2C有机物产生CH4，利用其中间代谢产物 和能量物质ATP合成蛋白质、多糖、脂肪和核酸等物质，用以 构成自身的细胞。
如：产甲烷菌同化CO2（逆三羧酸循环途径,见下图）。
1molGDP＋Pi → GTP → 1mol ATP 电子传递磷酸化（氧化磷酸化）
4mol(NADH+H+) ×3=12mol ATP 15mol ATP FADH2×2 = 2mol ATP 因为1mol丙酮酸产生15molATP，1mol葡萄糖酵解为2mol丙酮酸，所以共 产生30molATP, 则：1mol葡萄糖完全氧化总共产生38 mol ATP。
第一节 微生物的酶 第二节 微生物的营养 第三节 微生物的能量代谢 第四节 微生物的合成代谢
第三节 微生物的能量代谢
一、微生物的生物氧化和产能
（一）生物氧化的概念 微生物的生物氧化（biological oxidation）本质是氧化与还原 的统一过程，是指发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的 总称。 这过程中有能量的产生和转移。微生物的生物氧化有三类：
不同的发酵类型及其有关微生物
发酵类型
产物
微生物
乙醇发酵 乳酸同型发酵
乙醇、CO2 乳酸
酵母菌属（Saccharomyces） 乳酸细菌属（Lactobacillus）
乳酸异型发酵 乳酸、乙醇、乙酸、CO2 明串珠菌属（Leuconostoc） 混合酸发酵 乳酸、乙酸、乙醇、甲酸、 大肠埃希氏菌(Escherichia coli)
（二）好氧呼吸
好氧呼吸（aerobic respiration）是有外在最终电子受体（ O2）存在时，对底物（能源）的氧化。它是一种最普遍和最 重要的生物氧化方式。
以葡萄糖为例，葡萄糖的好氧呼吸分两阶段： ① 经EMP（糖酵解）途径 → 丙酮酸； ② 三羧酸循环（TCA）:三羧酸循环是丙酮酸有氧氧化过程的一
脱氢酶、脱羧酶、乙醇 低分子有
脱氢酶；辅酶：NAD+ 机物、
等
CO2、ATP
底物水平磷酸 化
238.3
好氧 呼吸
脱氢酶、脱羧酶、
底物水平磷酸
O2
NAD+ 、FAD、 辅酶Q、细胞色素等
CO2、 化；氧化磷酸
H2O、ATP
化
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无氧 呼吸
NO3- 、NO2-、 SO42- 、 CO32-
、CO2
脱氢酶、脱羧酶、硝酸 CO2、H2O、