微生物与能源
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2．能源性微生物的能源产生机理
• 2．1 甲烷产生菌的作用机理是沼气发酵过 程。
• 第一阶段是复杂有机物如纤维素、蛋白质、 脂肪等在微生物作用下降解至其基本结构 单位物质的液化阶段。
• 第二阶段是将第一阶段中产生的简单有机 物经微生物作用转化生成乙酸 ；
• 第三阶段是在甲烷产生菌的作用下将乙酸 转化为甲烷。
• 甲烷产生菌 • 乙醇产生菌 • 氢气产生菌
• 甲烷产生菌的主要种类有甲烷杆菌属 （Methanobacterium）、甲烷八叠菌属 （Methanosarcina）、甲烷球菌属 （Methanoccus）等。
• 乙醇产生菌的主要种类有酵母菌属 （Saccharomyces）、裂殖酵母菌属 （Schizosaccharomyces）、假丝酵母属 （Candida）、球拟酵母属（Torulopsis）、 酒香酵母属（Brettanomyces）、汉逊氏酵 母属（Hansenula）、克鲁弗氏酵母属 （Kluveromyces）、毕赤氏酵母属 （Pichia）、隐球酵母属（Cryptococcus）、 德巴利氏酵母属（Debaryomyces）、卵孢 酵母属（Oosporium）、曲霉属 （Aspengillus）等。
• HMP途径降解葡萄糖的三个阶段 ：
• 葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷 酸和CO2 核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或 表异构化而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖5-磷酸 上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情 况下发生碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖 磷酸。
• ED(Entner-Doudoroff)途径，又称2-酮-3-脱 氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途径
• 氢气产生菌的主要种类有红螺菌属 （Rhodospirillum）、红假单胞菌属 （Rhodopseudomonas）、红微菌属 （Rhodomicrobium）、荚硫菌属（Thiocapsa）、 硫螺菌属（Thiospirillum）、闪囊菌属 （Lamprocystis）、网硫菌属（Thiodictyon）、 板硫菌属（Thiopedia）、外硫红螺菌属 （Ectothiorhodospira）、梭杆菌属 （Fusobacterium）、埃希氏菌属 （Escherichia）、蓝细菌类等。
微生物与能源
张丽丽 2013年6月14
日
• 1．能源性微生物的主要种类 • 2．能源性微生物的能源产生机理 • 3．能源性微生物目前应用概况 • 4．利用微生物生产能源的前景
1．能源性微生物的主要种类
• 根据安斯沃思（Ainsworth ）的分类系统， 运用世界上主要依据的伯杰（Bergey's 1923—1957）细菌鉴定法和洛德（Lodder 1970）的酵母菌等鉴定法分类鉴定表明， 能源性微生物的主要种类是：
• 2．2 乙醇产生菌的作用机理是酒精发酵作
用，即把葡萄糖酵解生成乙醇。微生物酵 解葡萄糖的途径是EMP（糖酵解途径）， HMP(戊糖磷酸途径) 和ED（2-酮-3-脱氧-6磷酸葡糖酸（KDPG）途径 ）
• EMP途径，又称糖酵解或己糖二磷酸途径，是细 胞将葡萄糖转化为丙酮酸的代谢过程，总反应为：
• C6H12O6+2NAD++2Pi+2ADP→2CH3COCOOH （丙酮酸）+2NADH+2H+ +2ATP+2H2O。
• EMP途径是指在无氧条件下，葡萄糖被分解成丙 酮酸，同时释放出少量ATP的过程。
• HMP(戊糖磷酸途径) ：
• 6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O →5葡萄 糖-6-磷酸+12NADPH+12H++6CO2+Pi
4．利用微生物生产能源的前景
• 我国虽已探明煤储量6000亿t，石油70亿t，水力 发电6.8亿kw，但由于1978年以来我国总的能源 利用率已超过30％，能源分布不均匀，能源产量 低和农村能源供应短缺等因素，致使能源供应趋 于紧张。开发利用微生物能源，在这方面可以起 到显著的缓解作用。特别是在农村年产稻壳3 225 万t，玉米芯1 250万t，甘蔗渣400万t，棉籽壳 200万t，糠醛渣30万t，人畜粪便1380万t的条件 下，可用微生物作用年产沼气达14.28×108 m3， 相当于25.94×106 t标准煤，从而彻底改变现在农 村能源短缺的状况。
• 2．3 氢气产生菌的作用机理主要是丁酸发 酵作用。
• 除在丁酸菌作用下进行丁酸发酵外，氢气 产生菌的其他分解有机物产生氢气的代谢 机制目前尚未查清。
• 乙醇产生菌生产的能源性物质，目前主要 用于燃料和替代汽车等运输工具所使用的
汽车用油（如汽油和柴油）。例如巴西用 乙醇产生菌生产的乙醇1990年已达到 1.6×107 m3，足够供应200万辆汽车的驱 动能源之需要。
• 氢气产生菌生产的能源物质氢气，目前主 要是应用于燃料电池方面。由于许多自养 性和异养性微生物产氢的机制和条件还在
研究过程中，所以该类微生物能源的使用 尚处于试验阶段。已有的研究结果表明， 氢气产生菌在含有葡萄糖培养基的10 L发酵 罐中，产H2速度最高可达18～23L／h，并 进而利用所产生的H2推动功率为3.1～3.5 V燃料电池的工作。
• 这条途径是Entner和doudoroff在研究嗜糖 假单胞菌的代谢时发现的，所以简称为ED 途径。这是存在于某些缺乏完整EMP途径 的微生物中的一种替代途径，为微生物所 特有。特点是葡萄糖只经过4步反应即可快 速获得由EMP途径须经10步反应才能够形 成的丙酮酸。
3．能源性微生物目前应用概况
• 甲烷产生菌所产生的能源是当前已获大量实际应 用的一种微生物能源。我国现在正用人畜粪便、 农副产品下脚料、酒糟废液和其他工业生产中的 废液等生产甲烷，用于照明、燃烧等，其使用价 值是相当可观的。例如日产酒糟500～600 m3的 酒厂，可获得日产含甲烷55％～65％的沼气9 000～11 000 m3，相当于日发电量12 857～15 714 kw，日产标准煤17.1～20.9 t，可以代替橡胶 生产中烘干用油的30％～40％。
2．能源性微生物的能源产生机理
• 2．1 甲烷产生菌的作用机理是沼气发酵过 程。
• 第一阶段是复杂有机物如纤维素、蛋白质、 脂肪等在微生物作用下降解至其基本结构 单位物质的液化阶段。
• 第二阶段是将第一阶段中产生的简单有机 物经微生物作用转化生成乙酸 ；
• 第三阶段是在甲烷产生菌的作用下将乙酸 转化为甲烷。
• 甲烷产生菌 • 乙醇产生菌 • 氢气产生菌
• 甲烷产生菌的主要种类有甲烷杆菌属 （Methanobacterium）、甲烷八叠菌属 （Methanosarcina）、甲烷球菌属 （Methanoccus）等。
• 乙醇产生菌的主要种类有酵母菌属 （Saccharomyces）、裂殖酵母菌属 （Schizosaccharomyces）、假丝酵母属 （Candida）、球拟酵母属（Torulopsis）、 酒香酵母属（Brettanomyces）、汉逊氏酵 母属（Hansenula）、克鲁弗氏酵母属 （Kluveromyces）、毕赤氏酵母属 （Pichia）、隐球酵母属（Cryptococcus）、 德巴利氏酵母属（Debaryomyces）、卵孢 酵母属（Oosporium）、曲霉属 （Aspengillus）等。
• HMP途径降解葡萄糖的三个阶段 ：
• 葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷 酸和CO2 核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或 表异构化而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖5-磷酸 上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情 况下发生碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖 磷酸。
• ED(Entner-Doudoroff)途径，又称2-酮-3-脱 氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途径
• 氢气产生菌的主要种类有红螺菌属 （Rhodospirillum）、红假单胞菌属 （Rhodopseudomonas）、红微菌属 （Rhodomicrobium）、荚硫菌属（Thiocapsa）、 硫螺菌属（Thiospirillum）、闪囊菌属 （Lamprocystis）、网硫菌属（Thiodictyon）、 板硫菌属（Thiopedia）、外硫红螺菌属 （Ectothiorhodospira）、梭杆菌属 （Fusobacterium）、埃希氏菌属 （Escherichia）、蓝细菌类等。
微生物与能源
张丽丽 2013年6月14
日
• 1．能源性微生物的主要种类 • 2．能源性微生物的能源产生机理 • 3．能源性微生物目前应用概况 • 4．利用微生物生产能源的前景
1．能源性微生物的主要种类
• 根据安斯沃思（Ainsworth ）的分类系统， 运用世界上主要依据的伯杰（Bergey's 1923—1957）细菌鉴定法和洛德（Lodder 1970）的酵母菌等鉴定法分类鉴定表明， 能源性微生物的主要种类是：
• 2．2 乙醇产生菌的作用机理是酒精发酵作
用，即把葡萄糖酵解生成乙醇。微生物酵 解葡萄糖的途径是EMP（糖酵解途径）， HMP(戊糖磷酸途径) 和ED（2-酮-3-脱氧-6磷酸葡糖酸（KDPG）途径 ）
• EMP途径，又称糖酵解或己糖二磷酸途径，是细 胞将葡萄糖转化为丙酮酸的代谢过程，总反应为：
• C6H12O6+2NAD++2Pi+2ADP→2CH3COCOOH （丙酮酸）+2NADH+2H+ +2ATP+2H2O。
• EMP途径是指在无氧条件下，葡萄糖被分解成丙 酮酸，同时释放出少量ATP的过程。
• HMP(戊糖磷酸途径) ：
• 6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O →5葡萄 糖-6-磷酸+12NADPH+12H++6CO2+Pi
4．利用微生物生产能源的前景
• 我国虽已探明煤储量6000亿t，石油70亿t，水力 发电6.8亿kw，但由于1978年以来我国总的能源 利用率已超过30％，能源分布不均匀，能源产量 低和农村能源供应短缺等因素，致使能源供应趋 于紧张。开发利用微生物能源，在这方面可以起 到显著的缓解作用。特别是在农村年产稻壳3 225 万t，玉米芯1 250万t，甘蔗渣400万t，棉籽壳 200万t，糠醛渣30万t，人畜粪便1380万t的条件 下，可用微生物作用年产沼气达14.28×108 m3， 相当于25.94×106 t标准煤，从而彻底改变现在农 村能源短缺的状况。
• 2．3 氢气产生菌的作用机理主要是丁酸发 酵作用。
• 除在丁酸菌作用下进行丁酸发酵外，氢气 产生菌的其他分解有机物产生氢气的代谢 机制目前尚未查清。
• 乙醇产生菌生产的能源性物质，目前主要 用于燃料和替代汽车等运输工具所使用的
汽车用油（如汽油和柴油）。例如巴西用 乙醇产生菌生产的乙醇1990年已达到 1.6×107 m3，足够供应200万辆汽车的驱 动能源之需要。
• 氢气产生菌生产的能源物质氢气，目前主 要是应用于燃料电池方面。由于许多自养 性和异养性微生物产氢的机制和条件还在
研究过程中，所以该类微生物能源的使用 尚处于试验阶段。已有的研究结果表明， 氢气产生菌在含有葡萄糖培养基的10 L发酵 罐中，产H2速度最高可达18～23L／h，并 进而利用所产生的H2推动功率为3.1～3.5 V燃料电池的工作。
• 这条途径是Entner和doudoroff在研究嗜糖 假单胞菌的代谢时发现的，所以简称为ED 途径。这是存在于某些缺乏完整EMP途径 的微生物中的一种替代途径，为微生物所 特有。特点是葡萄糖只经过4步反应即可快 速获得由EMP途径须经10步反应才能够形 成的丙酮酸。
3．能源性微生物目前应用概况
• 甲烷产生菌所产生的能源是当前已获大量实际应 用的一种微生物能源。我国现在正用人畜粪便、 农副产品下脚料、酒糟废液和其他工业生产中的 废液等生产甲烷，用于照明、燃烧等，其使用价 值是相当可观的。例如日产酒糟500～600 m3的 酒厂，可获得日产含甲烷55％～65％的沼气9 000～11 000 m3，相当于日发电量12 857～15 714 kw，日产标准煤17.1～20.9 t，可以代替橡胶 生产中烘干用油的30％～40％。