微生物學(xué)：第六章微生物代謝第一節(jié)

1、第六章 微生物代謝第一節(jié) 微生物代謝概論 微生物代謝是指微生物細(xì)胞所進(jìn)行的一切化學(xué)反應(yīng)和物理作用。 分解代謝又稱降解反應(yīng)，是將大分子降解成小分子，并通常伴隨著能量釋放的過程。 合成代謝又稱生物合成，是指導(dǎo)致細(xì)胞分子和結(jié)構(gòu)合成的任何反應(yīng)，它是分子構(gòu)建和成鍵過程，需要消耗能量，是將小分子物質(zhì)合成較大和較復(fù)雜分子的過程。第二節(jié) 微生物的產(chǎn)能代謝 微生物產(chǎn)能代謝（fueling reactions） 微生物獲得生物合成所需的前體代謝物、能量和還原力，并提供微生物細(xì)胞生命活動所需要能量的代謝過程，稱作。 微生物產(chǎn)能代謝特點(diǎn) 它的產(chǎn)能代謝的多樣性，微生物作為一個類群能夠通過氧化有機(jī)化合物、或氧化無機(jī)化合物

2、、或通過俘獲光能獲得能量和還原力，據(jù)此可分為化能異養(yǎng)作用、化能自養(yǎng)作用和光合作用。 一、化能異養(yǎng)作用異養(yǎng)微生物利用有機(jī)物通過分解代謝途徑（即生物氧化）進(jìn)行產(chǎn)能代謝。 在化能異養(yǎng)微生物的分解代謝途徑中，能源有機(jī)物可以在有氧或厭氧條件下經(jīng)脫氫（或電子）、遞氫（或電子）、和受氫三個階段合成ATP、產(chǎn)生還原力H和小分子中間代謝物。 氧有氧呼吸 非氧無氧呼吸 無發(fā)酵作用有呼吸作用 呼吸電子傳遞鏈最終電子受體呼吸作用葡萄糖或其他有機(jī)基質(zhì)脫下的電子或氫經(jīng)過系列載體最終傳遞給外源的氧氣或其他氧化型化合物并產(chǎn)生較多ATP的生物氧化過程。有氧呼吸厭氧呼吸氫受體：氧氣氫受體：氧化型化合物 （一）有氧呼吸有氧呼吸是一

3、系列將葡萄糖轉(zhuǎn)化為CO2并放出能量的反應(yīng)，它依賴于自由氧作為電子和氫的最終受體，使用呼吸鏈細(xì)胞色素系統(tǒng)傳遞電子（氫），產(chǎn)生大量的ATP。 有氧呼吸是許多細(xì)菌、真菌、原生動物和動植物的特征，因而與動植物一樣，有著共同的代謝途徑，如糖酵解途徑、磷酸戊糖途徑、三羧酸循環(huán)和呼吸電子傳遞鏈途徑，這些共同的代謝途徑構(gòu)成了所謂的中心產(chǎn)能代謝（Central Fueling Metabolism）。 1、中心產(chǎn)能代謝呼吸電子傳遞鏈大多數(shù)細(xì)菌有糖酵解和磷酸戊糖途徑，只有少數(shù)微生物利用ED途徑代替糖酵解途徑產(chǎn)能。 ED途徑存在于假單胞菌、根瘤菌、固氮菌、農(nóng)桿菌和運(yùn)動發(fā)酵單胞菌中。2、替代產(chǎn)能途徑脫氧酮糖酸途徑特點(diǎn)

4、： a、步驟簡單 b、產(chǎn)能效率低：1 ATP c、關(guān)鍵中間產(chǎn)物 KDPG，特征酶：KDPG醛縮酶 (二) 無氧呼吸無氧呼吸（anearair respiration），又稱厭氧呼吸：是指某些細(xì)菌在厭氧條件下，以含氧化合物替代自由氧作為最終電子受體，仍使用呼吸鏈細(xì)胞色素系統(tǒng)傳遞電子（氫）的呼吸作用。特點(diǎn)無氧條件，厭氧或兼性厭氧微生物進(jìn)行的特殊呼吸作用；具有與好氧呼吸同樣的中心代謝途徑（EMP，HMP, TCA循環(huán)和呼吸鏈）；不以分子氧作最終電子受體，而是以NO3-、SO42-、CO22-、及延胡索酸等含氧化合物作為最終電子受體。 1、硝酸鹽呼吸，又稱反硝化作用：是指在無氧條件下，某些兼性厭氧菌以

5、硝酸鹽作為呼吸鏈最終氫受體，先由硝酸鹽還原酶催化產(chǎn)生亞硝酸鹽NO2-，然后再逐步被還原成NO、N2O和N2的過程。主要有銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）、脫氮副球菌(paracoccus denitrificans)等，這些菌為兼性厭氧菌。 反硝化作用是生物圈的氮循環(huán)中的重要組成部分，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及地球物質(zhì)循環(huán)有很大影響。 反硝化作用的生態(tài)學(xué)作用：硝酸鹽還原細(xì)菌進(jìn)行厭氧呼吸土壤及水環(huán)境好氧性機(jī)體的呼吸作用氧被消耗而造成局部的厭氧環(huán)境土壤中植物能利用的氮（硝酸鹽NO3-）還原成氮?dú)舛?，從而降低了土壤的肥?/p>

6、。松土，排除過多的水分，保證土壤中有良好的通氣條件。反硝化作用在氮素循環(huán)中的重要作用硝酸鹽是一種容易溶解于水的物質(zhì)，通常通過水從土壤流入水域中。如果沒有反硝化作用，硝酸鹽將在水中積累，會導(dǎo)致水質(zhì)變壞與地球上氮素循環(huán)的中斷。2、硫酸鹽呼吸，又稱硫酸鹽還原(sulfate reduction)：是指微生物在嚴(yán)格厭氧條件下以硫酸鹽(SO42-)作為末端電子受體的一類特殊呼吸。在這個過程中從底物脫下的氫，經(jīng)呼吸鏈傳遞至硫酸鹽形成最終產(chǎn)物H2S，并在遞氫過程中與氧化磷酸化作用相偶聯(lián)產(chǎn)生ATP。亞硫酸鹽(SO32-)、硫代硫酸鹽(S2O32-)或其他氧化態(tài)硫化合物也可作為電子受體。進(jìn)行硫酸鹽呼吸的細(xì)菌稱硫

7、酸鹽還原細(xì)菌(sulfate reducing bacteria)或反硫化細(xì)菌，它們是嚴(yán)格厭氧的古生菌，包括脫硫弧菌屬)、脫硫單胞菌屬、脫硫球菌屬、脫硫菌屬、脫硫葉菌屬、脫硫腸狀菌屬等。硫酸鹽呼吸在自然界的硫素循環(huán)以及促進(jìn)厭氧環(huán)境有機(jī)物循環(huán)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要作用。3、硫呼吸：以無機(jī)硫作為呼吸鏈末端氫受體而獲得生長所需能量的一類無氧呼吸。能進(jìn)行硫呼吸的都是兼性或?qū)Ｐ詤捬跫?xì)菌，如氧化乙酸脫硫單胞菌(Desulfuromonas acetoxidans)，能在厭氧條件下通過氧化乙酸為CO2和還原元素硫?yàn)镠2S的偶聯(lián)反應(yīng)而生長：CH3COOH+2 H2O+4 S 2 CO2+4 H2S。4、碳酸鹽呼

8、吸，又稱碳酸鹽還原。這是一類以CO2或碳酸鹽(HCO3-)作為呼吸鏈最終氫受體的無氧呼吸。根據(jù)還原產(chǎn)物不同而分兩類：一類是專性厭氧的產(chǎn)甲烷菌 (methanogens，methane-producing bacteria)，它們利用H2作為電子供體，以CO2作為末端電子受體，產(chǎn)物為甲烷。另一類是專性厭氧的乙酸菌，它們利用H2CO2進(jìn)行無氧呼吸產(chǎn)生乙酸。 （三）發(fā)酵作用 狹義概念：發(fā)酵作用是指在缺氧的條件下，葡萄糖或其他碳水化合物的不完全氧化作用，并以其不完全分解產(chǎn)物作為電子（氫）的最終受體，不經(jīng)過呼吸電子傳遞鏈直接接受電子，還原生成發(fā)酵產(chǎn)物，僅通過底物水平磷酸化產(chǎn)生少量的ATP。 廣義概念：利

9、用微生物的作用來大規(guī)模生產(chǎn)各種產(chǎn)品的工業(yè)過程被稱為發(fā)酵，盡管工業(yè)發(fā)酵甚至發(fā)生在有氧條件下，如抗生素、激素、維生素和氨基酸的生產(chǎn)。1、乙醇發(fā)酵微生物學(xué)與第一次世界大戰(zhàn)德國：（Carl Neuberg）磷酸二羥基丙酮NADHNAD+ 磷酸甘油 甘油丙酮酸CO2乙醛NADHNAD+乙醇3%的亞硫酸氫鈉 （pH7）Saccharomyces cerevisiae厭氧發(fā)酵 (pH 3.54.5)（磺化羥基乙醛） (難溶)GEMP 1 G 2丙酮酸 2 乙醛 + CO2 2 乙醇 + 2 ATP （EMP）1、 乙醇發(fā)酵a、酵母型乙醇發(fā)酵1. 發(fā)酵(fermentation)解淀粉歐文氏菌（Erwinia

10、 amylovora） 釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）厭氧發(fā)酵 (pH 3.54.5) 少數(shù)細(xì)菌（胃八疊球菌、解淀粉歐文氏菌等）（ED）乙醇+ 1ATP（丙酮酸甲酸解酶）乙醇甲酸 + 乙酰- CoAb、細(xì)菌型乙醇發(fā)酵 同型酒精發(fā)酵 1 G1 G2 丙酮酸異型酒精發(fā)酵2 丙酮酸乙醛 2、乳酸發(fā)酵a.同型乳酸發(fā)酵（德氏乳桿菌、植物乳桿菌等） EMP途徑（丙酮酸 乳酸）b.異型乳酸發(fā)酵（PK途徑）腸膜明串株菌（PK途徑） 產(chǎn)能 ：1ATP 雙歧雙歧桿菌（PK） 產(chǎn)能：2G 5 ATP 即 1G 2.5ATP1. 發(fā)酵(fermentation)乳酸葡萄糖6磷酸葡萄糖6磷

11、酸葡萄糖酸5磷酸核酮糖5磷酸木酮糖ATPADPNAD+NADH+H+NAD+NADH+H+CO25磷酸木酮糖裂解酶3磷酸甘油醛乙酰磷酸乳酸乙醛乙醇NAD+NADH+H+NADH+H+NAD+2ADP2ATP磷酸丙糖代謝丙酮酸葡萄糖6磷酸葡萄糖6磷酸果糖ATPADP3磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮NAD+NADH+H+1，6二磷酸果糖ATPADP1，3二磷酸甘油酸3磷酸甘油酸2磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸ADPATPADPATPNADH+H+ NAD+同型乳酸發(fā)酵：德氏乳桿菌植物乳桿菌（EMP途徑）產(chǎn)能 ：2ATP異型乳酸發(fā)酵：腸膜明串珠菌（PK途徑）產(chǎn)能 ：1ATP c.異型乳酸發(fā)酵的雙歧桿菌途徑3、

12、丙酮-丁醇發(fā)酵英國：有機(jī)溶劑丙酮和丁醇的需求增加：丙酮：用于生產(chǎn)人造橡膠；丁醇：用于生產(chǎn)無煙火藥；當(dāng)時(shí)的常規(guī)生產(chǎn)方法：對木材進(jìn)行干熱分解大約80到100噸樺樹、山毛櫸、或楓木生產(chǎn)1噸丙酮1. 發(fā)酵(fermentation)英國：（Chaim Weizmann）丙酮丁醇羧菌發(fā)酵生產(chǎn)丙酮、丁醇（1915），每100噸谷物可以生產(chǎn)出12噸丙酮和24噸的丁醇。 嚴(yán)格厭氧菌進(jìn)行的 唯一能大規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)酵產(chǎn)品。 （丙酮、丁醇、乙醇混合物，其比例3：6：1） 丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutyricum)2丙酮酸2乙酰-CoA乙酰-乙酰 CoA丙酮 + CO2（CoA轉(zhuǎn)移酶）丁醇1.

13、 發(fā)酵(fermentation)第一次世界大戰(zhàn)（1914-1918）爆發(fā)后，一名英籍猶太人查姆魏茲曼（Chaim Weizmann）助英國成功研制新型炸藥無煙炸藥，使在當(dāng)時(shí)處于劣勢的英國反敗為勝。為答謝魏茲曼的功勞，當(dāng)時(shí)的英國政府答應(yīng)協(xié)助猶太人在巴勒斯坦復(fù)國，在1917年11月發(fā)表了貝爾福宣言（Balfour Declaration）：英國政府贊成在巴勒斯坦為猶太人設(shè)立民族鄉(xiāng)土，為達(dá)成這一目的，將盡最妥善的努力。 以色列的首任總統(tǒng)1948年與杜魯門的會談對美國最終決定支持以色列建國發(fā)揮了關(guān)鍵作用4、混合酸發(fā)酵1. 發(fā)酵(fermentation)大腸桿菌：不同微生物發(fā)酵產(chǎn)物的不同，也是細(xì)菌分

14、類鑒定的重要依據(jù)。腸道菌E.coli、沙氏菌（Salmonalla）、志賀氏菌（Shigilla）等）丙酮酸裂解生成乙酰CoA與甲酸，甲酸在酸性條件下可進(jìn)一步裂解生成H2和CO2產(chǎn)酸產(chǎn)氣志賀氏菌：丙酮酸裂解生成乙酰CoA與甲酸，但不能使甲酸裂解產(chǎn)生H2和CO2產(chǎn)酸不產(chǎn)氣大腸桿菌：產(chǎn)氣腸桿菌：V.P.試驗(yàn)陽性甲基紅試驗(yàn)陰性V.P.試驗(yàn)陰性甲基紅試驗(yàn)陽性丁二醇發(fā)酵（2，3-丁二醇發(fā)酵）特點(diǎn)：5、氨基酸的發(fā)酵產(chǎn)能（stickland反應(yīng)）氨基酸的氧化與還原相偶聯(lián)； 產(chǎn)能效率低（1ATP）氫供體（氧化）氨基酸： Ala、Leu、Ile、Val、His、Ser、Phe、Tyr、Try等。氫受體（還原）氨

15、基酸： Gly、Pro、Arg、Met、Leo、羥脯氨酸等。 發(fā)酵菌體：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌、雙酶梭菌等1. 發(fā)酵(fermentation)二、化能自養(yǎng)作用一些微生物能夠以無機(jī)物作為能源，通過無機(jī)電子供體的氧化，從無機(jī)底物上脫下的氫(電子)直接進(jìn)入呼吸鏈而到達(dá)最終電子受體O2，并通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP，這種生物氧化與產(chǎn)能方式被稱為化能自養(yǎng)作用。 1）無機(jī)底物脫下的氫（電子）從相應(yīng)位置直接進(jìn)入呼吸鏈 2）存在多種呼吸鏈 3）產(chǎn)能效率低 4）生長緩慢，產(chǎn)細(xì)胞率低代謝特點(diǎn)CO2 + H +ATP CH2O CO2 還原成CH2O 簡單有機(jī)物，進(jìn)一步合成復(fù)雜細(xì)胞成分 大量耗能、耗還原力的過

16、程。俄國著名微生物學(xué)家Winogradsky的杰出貢獻(xiàn)：化能無機(jī)自養(yǎng)型微生物的發(fā)現(xiàn)：氧化無機(jī)物獲得能量；沒有光和葉綠素的條件下也能同化CO2為細(xì)胞物質(zhì)（能以CO2為唯一或主要碳源）1、 氨的氧化 2、 硫的氧化3、鐵的氧化 4、 氫的氧化根據(jù)氧化無機(jī)化合物種類 硝化細(xì)菌 硫細(xì)菌 鐵細(xì)菌 氫細(xì)菌 1.硝化細(xì)菌 土壤中的氨被氧化成硝酸鹽的過程稱為硝化作用(nitrification)。 能氧化氨、亞硝酸鹽一類還原含氮物的化能無機(jī)營養(yǎng)型細(xì)菌稱為硝化細(xì)菌，這包括亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)、亞硝化球菌屬(Nitrosococcus)和亞硝化螺菌屬(Nitrosospira)，它們將氨氧化

17、成亞硝酸鹽，故稱氨氧化細(xì)菌(ammonia-oxidizing bacteria)；然后硝化桿菌屬(Nitrobacter)、硝化刺菌屬(Nitrospina)和硝化球菌屬(Nitrococcus)則進(jìn)一步氧化亞硝酸鹽生成硝酸鹽，故也稱亞硝酸氧化細(xì)菌。 2.氫細(xì)菌 又稱氧化氫細(xì)菌(hydrogen oxidizing bacteria)，是一類利用氫作為能源的細(xì)菌類群，主要有假單胞菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬(Alcaligenes)、副球菌屬、芽孢桿菌屬、黃桿菌屬(Flavobacterium)、水螺菌屬(Aquaspirillum)、分支桿菌屬(Mycobacterium)和諾卡氏菌屬(Nocardi

18、a)等。3、 硫的氧化硫細(xì)菌（sulfur bacteria）能夠利用一種或多種還原態(tài)或部分還原態(tài)的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸鹽、多硫酸鹽和亞硫酸鹽）作能源。大多數(shù)硫桿菌，脫下的H+（e-）經(jīng) Cyt.c 部位進(jìn)入呼吸鏈； 而脫氮硫桿菌從FP或 Cyt.b水平進(jìn)入。2、 硫的氧化利用嗜酸性氧化鐵和硫細(xì)菌氧化礦物中硫和硫化物的能力，讓其不斷制造和再生酸性浸礦劑，將硫化礦中重金屬轉(zhuǎn)化成水溶性重金屬硫酸鹽而從低品位礦中浸出的過程。 4、鐵細(xì)菌和細(xì)菌瀝濾多數(shù)為化能自養(yǎng)，少數(shù)兼性厭氧，產(chǎn)能低。細(xì)菌瀝濾又稱細(xì)菌浸出或細(xì)菌冶金適于次生硫化礦和氧化礦的浸出，浸出率達(dá)70% 80%鐵氧化細(xì)菌呼吸鏈的

19、氧化磷酸化的產(chǎn)能途徑原理： a、浸礦劑的生成 b、低品位銅礦中銅以CuSO4形式浸出2S + 3O2 + 2H2O2H2SO44FeSO4 + 2H2SO4 + O22Fe2（SO4）3 + 2 H2OCuS + 2 Fe2(SO4)3 + 2H2O + O2CuSO4 + 4FeSO4 +2H2SO4c、鐵屑置換CuSO4中的銅FeSO4 + CuCuSO4 + Fe 微生物捕捉光能并將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程稱為光合作用。 光合作用是光能營養(yǎng)微生物產(chǎn)能的方式 微生物進(jìn)行的光合作用占地球上光合作用的50%以上。 微生物光合作用呈現(xiàn)多樣性：不產(chǎn)氧光合作用(anoxygenicphotosynth

20、esis)、產(chǎn)氧光合作用(oxygenicphotosynthesis)、嗜鹽菌紫膜的光合作用。三、光合作用 光合細(xì)菌類群 1）產(chǎn)氧光合細(xì)菌 藍(lán)細(xì)菌和微藻：專性光能自養(yǎng) (H2S環(huán)境中，只利用光合系統(tǒng) I 進(jìn)行不產(chǎn)氧作用)。 2）不產(chǎn)氧光合細(xì)菌a、紫色細(xì)菌 只含菌綠素a 或 bb、綠色細(xì)菌（綠硫細(xì)菌）含較多的菌綠素c、d 或 e ，少量 a3）極端嗜鹽古細(xì)菌 不含葉綠素 a、鹽生鹽桿菌(Halobacterium halobium) b、紅皮鹽桿菌(H. cutirubrum) 1、不產(chǎn)氧光合作用 不產(chǎn)氧光合微生物主要包括綠細(xì)菌（含綠色硫細(xì)菌和綠色非硫細(xì)菌）和紫細(xì)菌（含紫色硫細(xì)菌和紫色非硫細(xì)菌)兩個類群。 特點(diǎn)： 綠細(xì)菌和紫細(xì)菌含有細(xì)菌特有的葉綠素菌綠素（bacteriochlorophyll)，缺少光合系統(tǒng)II，光合作用過程中不以水為電子供體通過裂解產(chǎn)生O2，故稱不產(chǎn)氧光合作用。光合細(xì)菌依靠菌綠素的光合作用系統(tǒng)，在光能驅(qū)動下通過電子的循環(huán)傳遞與ADP磷酸化偶聯(lián)產(chǎn)生ATP，稱為循環(huán)光合磷酸化作用。不產(chǎn)氧光合作用特點(diǎn)a、光驅(qū)使下，電子自菌綠素上逐出后，經(jīng)過類似呼吸鏈的循 環(huán)，又回到菌綠素；b、產(chǎn)ATP和還原力H分別進(jìn)行，還原力來自H2SH2等還原 態(tài)無機(jī)物或有機(jī)物；c、不產(chǎn)氧（O2）; 三、光能營養(yǎng)微生物d