微生物第六章 - 2

硝化细菌的生物氧化反应和氧化磷酸化
硝化细菌在细胞膜上有亚 硝酸氧化酶，氧化亚硝酸 产生硝酸，释放的电子直 接交给呼吸链上的电子载 体cytc；有氧呼吸产生ATP， 逆呼吸产生NAD(P)H；
NO2
-＋
H2O
亚硝酸氧化酶
NO3- + 2H+＋2e 11
硝化细菌的产能效率
亚硝化细菌将1分子氨氧化为亚硝酸，净产生2e；经呼 吸链传递，排出2H+，产生1ATP（P/O=1）； 硝化细菌将1分子亚硝酸氧化为硝酸，产生2e ；经呼吸 链传递，排出2H+ ，产生1ATP（P/O=1）；硝化细菌 膜多内褶，生长缓慢；
无机物氧化产生的电子进入呼吸链的位置
还原电位高的电子，从上端进入呼吸链，呼吸过程能 够产生较高的PMF；还原电位较低的电子，从中部或 近末端进入呼吸链，呼吸过程只能产生较低的PMF； 不同无机物作为能源，产能效率不同，但一般都显著 低于有机物；
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NAD(P)H的产生
无机物氧化释放的电子还原电位较低，必须消耗ATP， 逆呼吸链传递，提高电子的还原电位，才能还原 NAD(P)+，产生NAD(P)H； 不同来源的电子还原NAD(P)+，需消耗的ATP不同；
亚硫酸氧化的APS途径
某些硫化细菌存在氧化亚硫酸的APS途径，其生理功 能为提高产能效率； 磷酸腺苷硫酸合成酶：催化亚硫酸与AMP生成高能分 子磷酸腺苷硫酸（APS），同时释放电子进行呼吸； 硫酸化酶：催化APS分解为ADP和硫酸； 2个亚硫酸经APS途径被氧化为2个硫酸，底物水平磷 酸化多产生1ATP；
化能自养菌的生物氧化和呼吸
化能自养菌将作为能源和电子供体（供氢体）的无机物 彻底氧化，或部分氧化，释放高能电子： 氧化产物作为代谢废物，直接排出细胞； 无机物氧化释放的电子还原电位较低，不足以还原 NAD+，只能还原呼吸链中电位较低的电子载体，顺 呼吸链传递，有氧呼吸，氧化磷酸化产生ATP； 或者电子逆呼吸链传递，消耗ATP，还原NAD(P)+， 产生NAD(P)H； 4
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硝化作用及其应用
硝化细菌将氨、亚硝酸氧化为硝酸的代谢作用，称为 硝化作用； 在自然环境中，硝化细菌在土壤和水体中分布广泛， 硝化作用可为陆生和水生植物、藻类提供氮肥，避免 因氨、亚硝酸积累所发生的毒害作用； 硝化细菌制剂是包含活菌或休眠菌的硝化细菌培养物， 用于降低养殖池水体中的氨和亚硝酸浓度，净化水体；
第三节 光能微生物的产能代谢
6.3.1 光合作用与光合系统 6.3.2 蓝细菌的光合作用 6.3.3 光合细菌的光合作用
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6.3.1 光合作用与光合系统
光合作用（Photosynthesis ）：吸收光能，通过光反应、 电子传递和供氢体氧化，产生ATP和NADPH的能量转 化代谢过程； 光合系统（photosynthetic system ）：催化光合作用的 酶系统； 大多数光能营养型微生物都具有光合系统，通过光合作 用利用光能和氧化供氢体产生ATP和NADPH； 不同光能营养型微生物的光合系统有所区别，供氢体各 不相同； 31
第二节 化能自养菌的产能代谢
6.2.1 化能自养菌的代谢特点 6.2.1 化能无机自养菌的产能代谢 6.2.2 硝化细菌 6.2.2 硝化细菌 6.2.3 硫化细菌 6.2.3 硫化细菌 6.2.4 氢细菌 6.2.4 氢细菌 6.2.5 铁细菌 6.2.5 铁细菌
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6.2.1 化能无机自养菌的产能代谢
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6.2.3 硫化细菌
硫化细菌：以还原态含硫无机物为能源和电子供体的 化能无机营养型细菌，也称为无色硫细菌，或硫氧化 细菌（sulphur-oxidising bacteria）； 硫化细菌生物氧化的最终产物为硫酸，氧化磷酸化产 生ATP，逆呼吸链传递电子产生NADPH； 多数硫氧化细菌为专性化能自养菌和专性好氧菌，少 数为兼性化能自养菌和兼性厌氧菌；
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无机物生物氧化的产能效率和生物量得率
无机物氧化释放的电子电位较低，氧化磷酸化的P/O值 较低，还需要消耗ATP提高电子电位，才能还原 NADP+，产生还原力，因此生物量得率较低； 生物量得率：氧化1 摩尔底物，所生长的 细胞量
产能效率：氧化1摩尔底物所获得的能量 7
6.2.2 硝化细菌
亚硝化细菌：以NH3为能源和供氢体，氧化NH3产生 NO2-，也称氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria)； 硝化细菌：以NO2-为能源和电子供体，氧化NO2-产生 NO3-； 亚硝化细菌和硝化细菌通常生活在同一环境中，共同将 氨氧化为硝酸，这两类细菌也统称为硝化细菌 ( nitrifying bacteria) ，； 大多数硝化细菌为专性自养型，极少数为兼性自养型； 8
硝化细菌的分类地位
硝化螺菌门（Nitrospira phy. nov.） 硝化螺菌属（Nitrospira） Alphaproteobacteria 硝化杆菌属（Nitrobacter） Gammaproteobacteria 硝化球菌属（Nitrococcus） Deltaproteobacteria 硝化刺菌属（Nitrospina）
H2 + NAD+
NADH + H+
NADH + NADP+
NADPH + NAD+
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氢细菌的分类地位
Betaproteobacteria 嗜氢菌属（Hydrogenophilus）兼性，好氧，嗜热 贪铜菌属（Cupriavidus）（真养产碱菌），好氧 食酸菌属（Acidovorax）（敏捷假单胞菌）好氧 氢噬胞菌属 （Hydrogenophaga）：兼性，好氧 Gammaproteobacteria 氢弧菌属（Hydrogenovibrio）专性自养，好氧 产液菌门（Aquificae phy. nov.） 氢杆菌属（Hydrogenobacter）嗜热，专性，好氧 25
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氢细菌的生物氧化和产能效率
氢细菌利用颗粒状氢氧化酶氧化H2，释放的电子能量 较高，可从上端进入呼吸链，有氧呼吸或无氧呼吸， 氧化磷酸化产ATP，P/O=3； 颗粒状氢氧化酶
H2
2H+＋2e
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氢细菌NADPH的产生
2H+/H2 有较高的还原电位（-0.41） ，能够直接还原 NAD+（ -0.32），产生NADH； 氢细菌利用可溶性氢氧化酶氧化H2，直接产生NADH； 在转氢酶催化下，NADH转化为NADPH； 可溶性氢氧化酶 转氢酶
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硫氧化细菌的生物氧化反应
硫化物氧化产生硫，释放的电子还原黄素蛋白； S＋ 2H ＋ 2e H2S 硫氧化酶与细胞色素系统直接相连，硫被氧化为亚硫
＋
硫化物氧化酶
酸，释放的电子从细胞色素c进入呼吸链； 硫氧化酶 ＋ 2H2SO3＋8e 8 2S＋3O2＋4H 亚硫酸-细胞色素还原酶可直接将亚硫酸氧化为硫酸， 释放电子从细胞色素aa3进入呼吸链； H2SO3 亚硫酸氧化酶 H2SO4＋2e 17
自养型：利用CO2或碳酸盐等无机碳源作为唯一碳源生 长，具有同化CO2的代谢途径； 兼性自养型：既能利用无机碳源，也能利用有机碳源， 有两种代谢途径； 化能无机营养型：利用还原态的无机物作为能源和电子 供体（供氢体）生长，具有氧化无机物释放高能电子， 产NAD(P)H和ATP的代谢途径； 还原态无机物 生物氧化 氧化态无机物＋NADPH ＋ATP 2
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主要铁细菌的分类地位
Betaproteobacteria 纤发菌属（Leptothrix）兼性自养 球衣菌属（Sphaerotilus） 嘉利翁氏菌属（Gallionella） Gammaproteobacteria 泉发菌属（Crenothrix） 酸硫杆菌属（Acidithiobacillus） 氧化亚铁酸硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans ） 29
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主要的亚硝化细菌的分类地位
亚硝化细菌和硝化细菌都是专性好氧，无芽孢的革兰 氏阴性菌； Betaproteobacteria 亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas） 亚硝化螺菌属（Nitrosospira） 亚硝化弧菌属（Nitrosovibrio） Gammaproteobacteria 亚硝化球菌属（Nitrosococcus） 14
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硫氧化细菌的产能效率
1分子H2S被氧化为亚硫酸，再经APS途径氧化为硫酸， 共释放8e，从不同位点进入呼吸链，有氧呼吸，平均 P/O=1.5，氧化磷酸化产生12ATP，加上底物水平磷酸 化产生的0.5ATP，共产12.5ATP； 但部分电子需逆呼吸链传递，消耗ATP产NAD(P)H； ATP NAD(P)H 兼性厌氧硫氧化细菌在无氧条件下，产能效率更低；
6.2.5 铁细菌
铁细菌（iron bacteria）：以二价铁盐为能源和电子供 体，氧化F2+生成三价铁化合物（F3+ ），氧化磷酸化 产生ATP和NADH的化能自养菌，也称铁氧化细菌； 铁细菌大多是专性自养菌，严格好氧，生长的最适pH 值为2.5-4.0； 生活在含高浓度F2+的强酸性水体中；在矿山污水，各 种管道中常见；
光合系统Hale Waihona Puke BaiduPS）
光合系统由一系列光合色素蛋白体、电子载体蛋白体和 ATP合成酶构成，位于光合膜上： 集光复合物（LHC） ：由辅助色素蛋白体-类胡萝卜 素、藻胆素等构成，也称光天线色素； 光反应中心（RC）：由光反应色素蛋白体（叶绿素 RC 蛋白体或细菌叶绿素蛋白体）构成； 电子传递链：与呼吸链类似，电子载体蛋白复合物 顺序排列而成； ATP合成酶：与氧化磷酸化的ATP酶类似； 32
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硫化作用及其应用
硫氧化细菌的主要能源物质是硫化物，产能代谢的产 物是硫酸： 用硫氧化细菌从低品位含硫金属矿石中浸提金属， 称为细菌冶金； 硫氧化细菌代谢产生的大量硫酸会造成矿井和海港 等处的金属构件腐蚀，造成矿山废水污染； 硫氧化细菌的产能代谢能改良土壤；
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硫氧化细菌的分类地位
Betaproteobacteria 硫单胞菌属（Thiomonas） 硫杆菌属（Thiobacillus） Gammaproteobacteria 贝日阿托菌属（Beggiatoa） 硫发菌属（Thiothrix） 硫小杆菌属（Thiobacterium） 无色硫菌属（Achromatium） 硫螺菌属（Thiospira） 硫微螺菌属（Thiomicrospira） 21
6.2.4 氢细菌
氢细菌（hydrogen bacteria ）：以H2作为能源和供氢体， 将氢氧化为水，产生ATP和NADPH的化能无机营养型 细菌，也称为氢氧化细菌（hydrogen-oxidizing bacterium）； 有些氢细菌是专性自养菌，也有兼性自养菌； 多数氢细菌是好氧菌，少数厌氧或兼性厌氧，厌氧氢 细菌进行硝酸盐呼吸；
亚硝化细菌的生物氧化反应
亚硝化细菌在胞内将氨氧化为羟氨，羟氨转运到周质 空间后被氧化为亚硝酸； 氨单氧化酶
NH3＋O2
＋2H++2e
NH2OH+H2O
NH2OH＋H2O
羟氨氧化酶
HNO2＋4H+＋4e
总反应式：NH3＋O2→HNO2＋2H+＋2e
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亚硝化细菌的氧化磷酸化
氨被氧化产生的2e 从细胞色素c进入呼 吸链，有氧呼吸， 氧化磷酸化产生 ATP； 同时需要2e逆呼吸链传递， 消耗ATP，还原NAD(P)H+， 产生还原力； 10
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铁细菌的生物氧化和产能效率
亚铁氧化酶（铜蛋白）催化 F2+→ F3++e，使cytc还原； 有氧呼吸氧化磷酸化产生ATP； F2+/ F3+的氧化还原电位＋0.77，产能效率极低；
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氧化亚铁酸硫杆菌的细菌冶金工艺
氧化亚铁酸硫杆菌先利用矿石中的硫化物为能源，经 生物氧化，产生硫酸和Fe2(SO4)3（酸性硫酸高铁）； 硫酸和酸性硫酸高铁进行化学反应，溶解黄铜矿 （CuFeS2）、赤铜矿（CuO2）、辉铜矿（Cu2S）、铜 蓝矿（CuS）等产生硫酸铜； 矿石中的铁与硫酸铜发生置换反应，生成铜和硫酸亚 铁；硫酸亚铁再被氧化亚铁酸硫杆菌作为能源，氧化 成酸性硫酸高铁；
化能自养菌的能源和电子供体
不同的化能自养菌利用不同的无机物作为能源和电子供 体，根据所用无机物区分各种化能自养菌： 硝化细菌：氨、亚硝酸； 硫化细菌：硫、硫化氢、硫化物（FeS、CdS、Ag2S、 CuS、MoS2、 Sb2S3、ZnS、SnS、CuFeS2、 Cu5FeS4 ）、硫代硫酸盐、亚硫酸盐等； 氢细菌：H2； 铁细菌：F2+（硫酸亚铁）、Mn2+； 3