環(huán)境工程微生物學-PPT課件第04章

1、第四章 微生物的生理本章主要內容 1、微生物的酶 2、微生物的營養(yǎng) 3、微生物的產能代謝 4、微生物的合成代謝 代謝：是生命細胞內發(fā)生的各種化學反應的總稱； 產能代謝：也稱異化作用，物質分解反應，放出能量； 合成代謝：也稱同化作用，物質合成反應，消耗能量。第一節(jié) 微生物的酶酶的概念酶是動植物、微生物等生物合成的，催化生物化學反應的、并傳遞電子、原子和化學集團的生物催化劑。 微生物的所有營養(yǎng)和代謝活動必須在酶的參與下才能正常進行。產地功用 1. 酶的組成有兩類：單成分酶，只含蛋白質；全酶，除了蛋白質，還含有輔助因子，如：小分子有機物（不含氮）、金屬離子等。全酶的所有組分必須齊全，缺一不可，否則就

2、會失去本有活性。一、酶的組成微生物的酶單成分酶全酶酶蛋白+有機物 脫氫酶酶蛋白+金屬離子 細胞色素氧化酶 酶蛋白+有機物+金屬離子 丙酮酸脫氫酶水解酶2.酶的各組分的功能：酶蛋白起加速反應作用；其他輔酶、輔基傳遞電子、原子和化學集團；金屬離子除傳遞電子，還起激活劑作用。輔酶輔基：Fe2+、NAD、NADP、FAD、FMN等。 輔酶與輔基的區(qū)別只在于它們與酶蛋白結合的牢固程度不同，并無嚴格的界限。前者與蛋白質結合的較松弛，后者則結合較緊。 二、酶蛋白的結構 酶蛋白也是蛋白質，由20種氨基酸組成。排列順序不同，蛋白質不同。 氨基酸由肽鍵（-CO-NH-）連接形成多肽鏈，兩條連或單鏈在卷曲時相鄰的基

3、團可以由氫鍵、鹽鍵、脂鍵、范德華力及金屬鍵相連接。 這樣，便使酶蛋白呈現(xiàn)以下四種結構。1.一級結構：多肽鏈本身結構；2.二級結構：多肽鏈形成的初級結構，由氫鍵連接；3.三級結構：在二級結構基礎上進一步扭曲形成的更 復雜的結構，有氫鍵、鹽鍵、脂鍵等；4.四級結構：由多個亞基形成。亞基：由一個或多個多肽鏈在三級結構的基礎上形成的小單位。二級結構三級結構四級結構三、酶的活性中心 酶的活性中心指的是酶蛋白分子能與底物結合，并發(fā)揮催化作用的小部分氨基酸區(qū)。分有結合部位和催化部位。四、酶的分類和命名 1.按照催化反應的類型：水解酶、氧化還原酶、轉移酶、異構酶、裂解酶、合成酶。a.水解酶：催化大分子有機物水

4、解成小分子。AB+H2O AOH+BHb.氧化還原酶：催化物質的氧化還原反應。AH2+B A+BH2乳酸 1.按照催化反應的類型： c.轉移酶：催化底物基團轉移到另一個有機物上。AR+B A+BRR:氨基、醛基、酮基、磷酸基 d.異構酶：催化同分異構體的基團重新排列。A A如：葡萄糖形成為果糖。 1.按照催化反應的類型：e.裂解酶：催化底物裂解為小分子有機物。A C+Bf.合成酶：催化底物的合成反應。A+B+ATP AB+ADP+Pi2.按照酶在細胞的位置：胞內酶（大部分）、胞外酶、表面酶3.按照催化的底物：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶五、酶的催化特性 1.酶和一般催化劑的比較共性：(1)

5、.用量少而催化效率高。(2).僅能改變化學反應的速度，并不能改變化學反應的平衡點。(3).可降低反應的活化能 2.酶作為生物催化劑的特性2.酶作為生物催化劑的特性 (1).催化效率高：反應速度是無酶催化或普通人造催化劑催化反應速度的103次方至1010次方倍。如：在同樣條件下，只是催化劑不同，催化H2O2分解,用H2O2酶1秒可催化105mol，用FeCl3，1秒只催化10-5 mol。 (2).酶的作用具有高度的專一性 一種酶只能催化一種或一類反應。 絕對專一性 酶的專一性 相對專一性 立體異構專一性 2.酶作為生物催化劑的特性(3).反應條件溫和：常溫、常壓、中性。(4).敏感性：對環(huán)境條

6、件極為敏感，酶容易失活 。六.影響酶活力的因素通過下列反應： k1 k3E + S ES E + P k2酶 底物 中間產物 酶 最終產物 得出米門公式（酶促反應方程式）其中Km米氏常數(shù)，表示反應速度為最大速度一半時的底物濃度。 從米門公式可知，酶促反應速度與E和S有關。實際上，也要受到溫度、pH、激活劑、抑制劑的影響。 1.E對酶促反應的影響理論：當?shù)孜锓肿訚舛茸銐驎r，酶促反應速度與E成正比，即當S足夠大時，E越大，酶促反應速度越快。實際：當E達到一定濃度時，酶促反應速度就趨于平緩。Ev酶濃度與v的關系Sv2.S對酶促反應的影響當E為定值，且S從零逐漸增大時，酶促反應與S成正比。但當所有的E

7、變成了ES后，即使再增加S，酶促反應速度也不會增加。當S為定值時，酶促反應速度與初始E0成正比。底物濃度與v的關系酶0.004酶0.003酶0.002酶0.0013.溫度對酶促反應的影響酶在最佳適應范圍內，它的活性最高，酶促反應速度最大。溫度每升高10，酶促反應速度提高12倍。用Q10表示，通常在1.42.0之間。過高過低的溫度都會影響酶促反應。但也有很大不同：高溫時，酶會受到破壞，發(fā)生不可逆變性，甚至完全失去活性。低溫時，可降低酶的活性，但不會失去活性，當溫度恢復時，活性即恢復。Tv溫度與v的關系4.pH對酶促反應的影響酶在最適pH值范圍內才表現(xiàn)出正?；钚?，過高過低的pH值都會降低酶的活性。

8、pH對酶活性的影響：a.改變底物與酶的帶電狀態(tài)，影響二者結合；b.過高、過低pH值都會影響酶的穩(wěn)定性，使酶受到不可逆破壞。5.激活劑對酶促反應的影響能夠對酶起激活作用的物質稱為激活劑。如：Fe2+、Cu2+、Br、SO42-、維生素等。某些酶必須在加入激活劑后才會真正表現(xiàn)出催化性能或增強催化性能。微生物體內有的酶雖然形成了，但并不起催化作用，稱為酶原。當加入了催化劑后才會表現(xiàn)為催化作用。6.抑制劑對酶促反應的影響有些物質可減弱、抑制、破壞酶活性，稱為抑制劑。如：重金屬離子（Ag+、Hg2+）、CO、H2S等。抑制劑作用機理：a.競爭性抑制b.非競爭性抑制 補充：酶的應用1.皮革脫毛傳統(tǒng)方式：灰

9、堿法（生石灰和硫化鈉）缺點：污染、勞動強度大、效率低。蛋白酶法：蛋白酶分解優(yōu)點：效率高、勞動條件好；無污染。2.生物制漿利用微生物的酶分解原料中的木質素，形成纖維素用于造紙。營養(yǎng)物質是微生物生存的物質基礎，而營養(yǎng)是微生物維持和延續(xù)其生命形式的一種生理過程。營養(yǎng)物質:能夠滿足機體生長、繁殖和完成各種生理活動所需要的物質。第二節(jié) 微生物的營養(yǎng)微生物不斷獲得營養(yǎng)物質，將其變成細胞組分，并將廢棄物排出體外的過程稱為新陳代謝。營養(yǎng):微生物獲得和利用營養(yǎng)物質的過程。一、微生物的化學組成主要元素：碳、氫、氧、氮、磷、硫、鉀、鎂、鈣、鐵、氯等微量元素：銅、鋅、錳、鉬、硒、鈷等微生物體內的7090為水，剩下的為

10、干物質。干物質，則主要為有機物和無機物組成。其中，有機物約占干重的90%97,主要為蛋白質、核酸、糖和脂肪。其中，C、H、O、N是所有生物的有機元素。 二、微生物的營養(yǎng)物及營養(yǎng)類型五大要素：水、碳源、氮源、生長因子、無機鹽。 1.水水是微生物本身組分；溶劑；有利于對營養(yǎng)的吸收；生化反應在溶液中進行。2.碳源在微生物生長過程中能為微生物提供碳素來源的物質。碳源有機碳無機碳異養(yǎng)微生物自養(yǎng)微生物光能異養(yǎng)化能異養(yǎng)光能自養(yǎng)化能自養(yǎng)微生物利用的碳源物質主要有糖類、有機酸、醇、脂類、烴、CO2及碳酸鹽等。微生物最好的碳源是糖尤其是葡萄糖、蔗糖。對于為數(shù)眾多的化能異養(yǎng)微生物來說，碳源是兼有能源功能營養(yǎng)物。 凡

11、是能夠供給微生物氮素營養(yǎng)的物質稱為氮源。氮源的作用是為蛋白質的合成提供原料。3.氮源氮源氨基酸蛋白質核 酸尿 素有機氮無機氮硝酸鹽銨 鹽NH3N2按對氮源的要求不同，微生物可分為：1.固氮微生物利用空氣中的N2合成自身所需的氨基酸及蛋白質。代表：根瘤菌、固氮藍菌、固氮菌。2.以無機氮化物為氮源的微生物利用NH3、銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽為氮源。代表：亞硝化菌、硝化菌、放線菌、霉菌等。按對氮源的要求不同，微生物可分為：3.以某種氨基酸為氮源的微生物也為異養(yǎng)微生物，不能利用無機氮合成蛋白質，只會利用現(xiàn)成的氨基酸合成。代表：乳酸菌、丙酸細菌等。4.以分解蛋白質而獲得氮源的微生物把蛋白質分解后，形成NH

12、3、氨基酸和肽，然后根據(jù)自己所需再次形成蛋白質。代表：氨化細菌、霉菌、酵母菌等。4.無機鹽作用1.細胞組成部分；2.構成酶的組分和維持酶的活性；3.調節(jié)滲透壓、pH、氧化還原電位；4.能源；5.酶的激活劑；微量元素:是指那些在微生物生長過程中起重要作用，而機體對這些元素的需要量極其微小的元素。通常需要量在106108mol/L。如：鋅、錳、鉬、硒、鈷、銅、鎢、鎳、硼等。 根據(jù)微生物對礦質元素需要量大小可以把它分成:大量元素： P 、S、 K、 Na、Mg、Ca、Fe等。1）PP對于微生物的作用很重要，所有的微生物都需要磷源。a.合成核酸、核蛋白、磷脂及其他含磷物質的重要元素。b.是一些輔酶的組

13、成部分。如：NAD、ATP、ADP等。c.在磷酸化中起作用。d.高能磷酸鍵。e.緩沖劑。2）SS是一些氨基酸的組分，一般為硫氫基（SH）的形式。S及硫化物是好氧微生物的能源。5.生長因子生長因子：那些微生物生長所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成的或合成量不足以滿足機體生長需要的有機化合物。生長因子主要有：維生素C、B維生素、氨基酸、堿基對等。 三 微生物的營養(yǎng)類型異養(yǎng)型生物自養(yǎng)型生物生長所需要的營養(yǎng)物質生物生長過程中能量的來源光能營養(yǎng)型化能營養(yǎng)型1.光能無機自養(yǎng)型2.光能有機異養(yǎng)型3.化能無機自養(yǎng)型4.化能有機自養(yǎng)型根據(jù)碳源、能源及電子供體性質的不同，可將微生物分為：營養(yǎng)類型劃分依據(jù)營

14、養(yǎng)類型特點碳源自養(yǎng)型以CO2 為唯一或主要碳源異養(yǎng)型以有機物為碳源能源光能營養(yǎng)型以光為能源化能營養(yǎng)型以有機物氧化釋放的化學能為能源電子供體無機營養(yǎng)型以還原性無機物為電子供體有機營養(yǎng)型以有機物為電子供體1光能無機自養(yǎng)型（光能自養(yǎng)型）能以CO2為主要唯一或主要碳源；進行光合作用獲取生長所需要的能量；以無機物如H2、H2S、S等作為供氫體或電子供體，使CO2還原為細胞物質；例如，藻類及藍細菌等和植物一樣，以水為電子供體（供氫體），進行產氧型的光合作用，合成細胞物質。而紅硫細菌，以H2S為電子供體，產生細胞物質，并伴隨硫元素的產生。CO2+ 2H2S光能光合色素 CH2O + 2S+ H2O2光能有機

15、異養(yǎng)型（光能異養(yǎng)型）不能以CO2為主要或唯一的碳源；以有機物作為供氫體，利用光能將CO2還原為細胞物質；在生長時大多數(shù)需要外源的生長因子；3化能無機自養(yǎng)型（化能自養(yǎng)型）生長所需要的能量來自無機物氧化過程中放出的化學能；以CO2或碳酸鹽作為唯一或主要碳源進行生長時，利用H2、H2S、Fe2+ 、NH3或NO2-等作為電子供體使CO2還原成細胞物質。化能無機自養(yǎng)型只存在于微生物中，可在完全無機及無光的環(huán)境中生長。它們廣泛分布于土壤及水環(huán)境中,參與地球物質循環(huán)；4化能有機異養(yǎng)型（化能異養(yǎng)型）生長所需要的能量均來自有機物氧化過程中放出的化學能；生長所需要的碳源主要是一些有機化合物，如淀粉、糖類、纖維素

16、、有機酸等。大多數(shù)細菌、真菌、原生動物都是化能有機異養(yǎng)型微生物；所有致病微生物均為化能有機異養(yǎng)型微生物；四、C/N/P比微生物要想正常生長、繁殖，需要穩(wěn)定的營養(yǎng)，栽培養(yǎng)時，應該注意五大營養(yǎng)都有供給。但是，不同的微生物對于營養(yǎng)元素的比例需求不同，一般用C/N/P比來表示。污水好氧處理：C：N：P100：5：1（化學污泥法）；厭氧法： C：N：P200：5：1對于一些行業(yè)的工業(yè)廢水，常常會出現(xiàn)營養(yǎng)不足，就需要進行供給或補充。五、微生物的培養(yǎng)基培養(yǎng)基是人工根據(jù)微生物得營養(yǎng)要求，將水、碳源、氮源、無機鹽、生長因子等物質按照一定得比例配制的，用以培養(yǎng)微生物（生長繁殖或產生代謝產物）的營養(yǎng)基質。培養(yǎng)基幾乎

17、是一切對微生物進行研究和利用工作的基礎。任何培養(yǎng)基都應該為微生物生長提供五大營養(yǎng)要素。(一)、配置培養(yǎng)基的順序和原則目的明確營養(yǎng)協(xié)調理化條件適宜經濟節(jié)約2.配置培養(yǎng)基的原則1.配置培養(yǎng)基的順序燒杯加水 依次加入營養(yǎng)物質各成分的順序：1).緩沖化合物；2).無機元素；3).微量元素；4).生長因子。最后調節(jié)pH。無菌3).營養(yǎng)協(xié)調培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質濃度合適時微生物才能生長良好，營養(yǎng)物質濃度過低時不能滿足微生物正常生長所需，濃度過高時則可能對微生物生長起抑制作用。培養(yǎng)基中各營養(yǎng)物質之間的濃度配比也直接影響微生物的生長繁殖和代謝產物的形成和積累，其中碳氮比（C/N）的影響較大。2).目的明確根據(jù)不同的

18、微生物的營養(yǎng)要求配制針對強的培養(yǎng)基。1).無菌例如，在利用微生物發(fā)酵生產谷氨酸的過程中，培養(yǎng)基碳氮比為4/1時，菌體量繁殖，谷氨酸積累少；當培養(yǎng)基碳氮比為3/1時，菌體繁殖受到抑制，谷氨酸產量則大量增加。培養(yǎng)基的pH必須控制在一定的范圍內，以滿足不同類型微生物的生長繁殖或產生代謝產物。通常培養(yǎng)條件：細菌與放線菌：pH77.5酵母菌和霉菌：pH4.56范圍內生長為了維持培養(yǎng)基pH的相對恒定，通常在培養(yǎng)基中加入pH緩沖劑，如K2HPO4、(NH4)2SO4或在進行工業(yè)發(fā)酵時補加酸、堿。有些緩沖劑既可調節(jié)pH也是營養(yǎng)物質。4).理化條件適宜 pH(二) 、培養(yǎng)基的類型及應用培養(yǎng)基種類繁多，根據(jù)其成分

19、、物理狀態(tài)和用途可將培養(yǎng)基分成多種類型。按成分不同劃分含用化學成分還不清楚或化學成分不恒定的天然有機物牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、麥芽汁培養(yǎng)基化學成分完全了解的物質配制而成的培養(yǎng)基天然培養(yǎng)基合成培養(yǎng)基復合培養(yǎng)基無機物+有機物按物理狀態(tài)不同劃分在液體培養(yǎng)基中加入一定量凝固劑，使其成為固體狀態(tài)，瓊脂含量一般為1.5%3.0%瓊脂含量一般為0.3%0.5%不加任何凝固劑液體培養(yǎng)基固體培養(yǎng)基半固體培養(yǎng)基固體培養(yǎng)基常用來進行微生物的分離、鑒定、活菌計數(shù)及菌種保藏 觀察微生物的運動特征、分類鑒定大規(guī)模工業(yè)生產及在實驗室進行微生物的基礎理論和應用方面的研究 用來將某種或某類微生物從混雜的微生物群體中分離出來的培養(yǎng)基

20、用于鑒別不同類型微生物的培養(yǎng)基在基礎培養(yǎng)基中加入某些特殊營養(yǎng)物質制成的一類營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基基礎培養(yǎng)基鑒別培養(yǎng)基選擇培養(yǎng)基加富培養(yǎng)基按用途不同劃分牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基是最常用的基礎培養(yǎng)基選擇培養(yǎng)基：利用微生物對某些物質的敏感程度不同，在培養(yǎng)基中加入一些敏感物質，這樣就可以利用這些物質來抑制非目的性微生物的生長，從而使得所需的微生物大量繁殖。如：在培養(yǎng)基中有革蘭氏陰性菌也有革蘭氏陽性菌，但想培養(yǎng)的是革蘭氏陰性菌，就可以加入膽汁酸鹽，抑制陽性菌的繁殖。鑒別培養(yǎng)基：利用幾種細菌對某一物質的分解能力不同，借助指示劑的顯色不同進行菌種鑒別和區(qū)分的培養(yǎng)基。如：大腸桿菌中的大腸埃希氏菌、枸櫞酸鹽桿菌、產氣桿菌、

21、副大腸桿菌四個，對乳糖的分解能力不同。其中副大腸桿菌不能分解，大腸埃希氏菌最強，菌落呈紫紅色且?guī)Ы饘俟鉂桑昏蹤此猁}桿菌次之，菌落呈紫紅色或深紅色；產氣桿菌最低，菌落呈淡紅色。根據(jù)物質運輸過程的特點，可將物質的運輸方式分為：1.單純擴散2.促進擴散3.主動運輸4.基團轉位六、營養(yǎng)物質進入細胞的方式四種運輸方式也稱為四種跨膜方式1單純擴散原生質膜是一種半透性膜，營養(yǎng)物質通過原生質膜上的小孔，由高濃度的胞外環(huán)境向低濃度的胞內進行擴散。特點物質在擴散過程中沒有發(fā)生任何反應；不消耗能量；不能逆濃度運輸；運輸速率較慢，與膜內外物質的濃度差成正比水、O2、CO2是可以通過擴散自由通過原生質膜的分子，脂溶性物

22、質被磷脂溶解也可通過單純擴散進出細胞，并比水溶性物質速度快。 單純擴散速度慢，不能滿足微生物要求，有些物質也無法靠單純擴散進入細胞。這些營養(yǎng)物質主要有氨基酸、單糖、維生素及無機鹽等。為了能夠獲得這些營養(yǎng)，微生物通過特殊的生理結構來幫助上述物質進入。這些特殊結構實際就是特異性蛋白質，可與營養(yǎng)物質進行可逆性結合，在細胞質膜內外循環(huán)往來運輸營養(yǎng)物質，稱其為載體蛋白。因其具有類似酶的一些性質，如專一性，又被稱為滲透酶。一種酶只對同一物質或同類進行運輸，因此，為了能夠獲得多重營養(yǎng)，細胞質膜上有多種載體蛋白來完成一些營養(yǎng)物質的促進擴散。 不耗能量，動力仍為濃度梯度。2促進擴散2促進擴散特點不消耗能量參與運

23、輸?shù)奈镔|本身的分子結構不發(fā)生變化不能進行逆濃度運輸運輸速率與膜內外物質的濃度差成正比需要載體參與3主動運輸它的一個重要特點是物質運輸過程中需要消耗能量和載體，而且可以進行逆濃度運輸。運輸過程需要三種滲透酶的作用即：單向轉運載體、同向轉運載體、反向轉運載體。主動運輸?shù)淖饔脵C理有3種：分別為鈉鉀泵主動運輸、離子濃度梯度主動運輸、H+濃度梯度主動運輸。主動運輸是廣泛存在于微生物中的一種主要的物質運輸方式。以H+濃度梯度主動運輸機制為例講解主動運輸：細菌將ATP水解后形成的H+（好氧呼吸氧化營養(yǎng)物質產生H+）排出膜外，產生的電子與O2結合形成OH-。如此就形成了細胞膜兩側的H+離子濃度梯度。H+可與營

24、養(yǎng)物質結合。滲透酶上有特異性的位點，可以與營養(yǎng)物質和H+結合。三者在電位差的作用下，將低濃度區(qū)的營養(yǎng)物質送到細胞內部。3主動運輸基團轉位又稱為磷酸烯醇丙酮酸磷酸糖轉移酶運輸系統(tǒng)（PTS），PTS 包括酶I、酶II和一種熱穩(wěn)定蛋白質（HPr）。4基團轉位基團轉位是另一種類型的主動運輸，它與主動運輸方式的不同之處在于它有一個復雜的運輸系統(tǒng)來完成物質的運輸，而物質在運輸過程中發(fā)生化學變化。PEP-P + HPr HPr-p + 丙酮酸鹽 P - HPr +糖 糖-P +HPr酶I酶I I基團轉移主要存在于厭氧型和兼性厭氧型細胞中，主要用于糖的運輸，脂肪酸、核苷、堿基等也可以通過這種方式運輸。比較項目

25、 單純擴散促進擴散主動運輸 基團移位特異載體蛋白 無有有有運送速度 慢快快快溶質運送方向 由濃至稀由濃至稀由稀至濃由稀至濃能量消耗 不需要不需要需要需要運送前后溶質分子狀態(tài) 不變 不變不變改變運送對象舉例 水、O2 糖、SO42-氨基酸、乳糖糖、嘌呤四種運輸方式比較第三節(jié) 微生物的產能代謝同化作用新陳代謝異化作用細胞物質合成（營養(yǎng)被轉變?yōu)闄C體組分）產生能量需要能量營養(yǎng)物質分解微生物生長繁殖需要營養(yǎng)，合成細胞需要能量，最終靠產能代謝提供。一、產能代謝與呼吸的關系呼吸本質：氧化還原的統(tǒng)一過程。其中有能量的產生與轉移。呼吸類型：發(fā)酵、好氧呼吸、無氧呼吸在呼吸過程中，都會發(fā)生電子轉移。提供電子的物質被

26、氧化，接受電子的物質被還原。所謂的產能代謝就是通過三種呼吸來實現(xiàn)的。一、產能代謝與呼吸的關系微生物產能種類：1.電能：電子轉移產生的能量；2.化學能：物質反應（氧化）過程中釋放的能量；3.機械能：鞭毛運動、細胞質流動等產生的能量；4.光能：發(fā)光菌產生的能量。這些能量有的被用于生化反應，有的以熱量的形式散發(fā)，有的被貯存在ATP中。一、產能代謝與呼吸的關系ATP生物能量轉移中心物質氧化放出能量 細胞合成需要能量ATPATP是在發(fā)酵、好氧呼吸、無氧呼吸中形成。具體方式：1.底物水平磷酸化厭氧微生物或兼性微生物的底物被氧化，會產生高能中間體，并把高能鍵（）交給ADP，從而形成ATP。2.氧化磷酸化好氧

27、微生物呼吸，通過電子傳遞體系形成ATP。3.光合磷酸化光可引發(fā)葉綠素、菌綠素等放出電子，電子在被傳遞過程中形成ATP。ATP含有高能磷酸鍵（31.4KJ），但僅是能量的暫時貯存物質，如果能量確實過剩，不能用ATP，而用其他內含顆粒來長期貯存。二、呼吸類型根據(jù)最終電子受體可將微生物呼吸分為：發(fā)酵、好氧呼吸、無氧呼吸三種。(一).發(fā)酵不存在外在的電子受體，底物進行部分氧化，用氧化產物作為最終電子受體。這個過程，能量有少量釋放，多數(shù)仍保留在產物中。以葡萄糖為例，講解發(fā)酵。葡萄糖被分解的過程稱為糖酵解過程，也叫EMP過程。糖酵解是微生物所共有的代謝途徑。糖酵解分為兩大步驟：1.預備反應，不發(fā)生氧化還原

28、反應。產物是3磷酸甘油醛。2.氧化還原反應，產生ATP，產物為丙酮酸，進一步發(fā)酵可產生乙醇和CO2。整個過程，1mol葡萄糖轉變成2molATP，2mol乙醇， 2mol水， 2molCO2 ，即產生能量231.4KJ62.8KJ。產能率為62.8/238.326丙酮酸是微生物糖酵解的必然產物，如果進一步發(fā)酵，可形成多種產物。因此，有可將發(fā)酵分為很多類型：如乙醇發(fā)酵；混合酸發(fā)酵等。其中，混合酸發(fā)酵是多數(shù)大腸桿菌的特征。人們利用V.P試驗進行大腸埃希氏桿菌和產氣桿菌的區(qū)分。大腸埃希氏桿菌的發(fā)酵產物為甲酸、乙酸、乳酸、CO2等。產氣桿菌也能進行混合酸發(fā)酵，丙酮酸經過縮合、脫羧后形成乙酰甲基甲醇，可

29、在堿性條件下被迅速氧化為二乙酰，二乙?？膳c蛋白胨水解出的精氨酸所含胍基反應形成紅色化合物。稱為陽性反應。另外，還可以用甲基紅試驗進行區(qū)別。產氣桿菌在混合酸發(fā)酵時會產生中性的乙酰甲基醇，但大腸埃希氏桿菌的混合酸發(fā)酵產生多種有機酸，使培養(yǎng)液呈酸性，p H在4.2左右甚至更低。當用甲基紅滴入時 ，大腸埃希氏桿菌培養(yǎng)液為紅色，稱之為陽性反應；產氣桿菌培養(yǎng)液為橙黃色，為甲基紅反應陰性。2.好氧呼吸電子受體為O2，底物被徹底的完全氧化成CO2和H2O，并有大量ATP產生。在好氧呼吸過程中，電子并不是直接傳遞給O2，而是先轉移給NAD，成為NADH2，然后NADH2被氧化后，電子傳遞給電子傳遞體系，最后由電

30、子傳遞體系轉給O2。得到電子的O2與H結合形成H2O。仍然以葡萄糖為例子，講解好氧呼吸過程。葡萄糖的好氧呼吸分為兩個階段：1.糖酵解階段，形成丙酮酸，即EMP途徑酵解階段；2.丙酮酸有氧分解階段，即三羧酸循環(huán)（TCA循環(huán)）階段。好氧呼吸第一階段：EMP途徑形成丙酮酸TCA循環(huán)1.TCA循環(huán)也稱為檸檬酸（CAC）循環(huán)。從丙酮酸開始，先形成乙酰輔酶A，乙酰輔酶A進入TCA循環(huán)，最終被徹底氧化成為CO2和H2O。1mol丙酮酸經過TCA循環(huán)后形成了3mol的CO2：a.丙酮酸形成乙酰輔酶A時，產生1mol；b.草酰琥珀酸脫羧時產生1mol；c. 脫羧時形成1mol。2.TCA循環(huán)的能量問題1mol丙

31、酮酸在TCA循環(huán)中，可產生4mol的NADH2,1 molNADH2通過電子傳遞體系重新氧化成為NAD，同時可生成3 mol ATP，則4molNADH2被氧化生成12molATP?？缮? molGTP，1 mol的GTP轉變成1 molATP；可生成1molFADH2, 1 mol的FADH2轉變成2 molATP;則， 1mol丙酮酸在TCA循環(huán)中共生產12+1+215molATP。 問題：為什么是產生38molATP?1mol葡萄糖可在EMP途徑形成2mol丙酮酸，則在TCA循環(huán)中可形成:21530molATP;由于葡萄糖的好氧呼吸包括兩部分，TCA已知產生30mol。那EMP途徑呢，

32、在發(fā)酵時凈剩2mol，在發(fā)酵過程中，可產生2mol的NADH2,則可換算成236molATP ,因此， 1mol葡萄糖可產生：30+2+638molATP.好氧微生物氧化分解1 mol葡萄糖分子總共可生成38molATP，共有1193kJ的能量轉變?yōu)锳TP。1 mol葡萄糖分子完全氧化產生的總能量大約為2876 U。這樣，好氧呼吸利用能量的效率大約是42，其余的能量以熱的形式散發(fā)掉。發(fā)酵l mol葡萄糖分子的能量利用率只有26。可見，進行發(fā)酵的厭氧微生物為了滿足能量的需要，消耗的營養(yǎng)物要比好氧微生物多。3.乙醛酸循環(huán)TCA循環(huán)的一個支路4.電子傳遞體系:有氧呼吸中傳遞電子的一系列 偶聯(lián)反應 組

33、成：NAD或NADP、FAD或FMN、輔酶Q、細胞色素a、a3、b、c、c1等。作用：a.接受電子供體放出的電子，最終傳遞給O2。b.合成ATP，把電子傳遞過程中釋放的能量收集貯存。其在細胞中的位置：真核細胞是線粒體，原核細胞是細胞質膜。 在好氧呼吸中，由前面EMP和TCA產生的H（NADH2和FADH2），通過電子傳遞體系（呼吸鏈），最終到達分子氧，形成水。在這一傳遞過程中，產生ATP。（稱為氧化磷酸化）好氧呼吸分為兩種：外源呼吸和內源呼吸。1.外源呼吸：正常條件下的呼吸，利用外界營養(yǎng)、能源進行呼吸。2.內源呼吸：外界不能供給能源，利用自身貯存的能源物質進行呼吸。好氧呼吸的條件：取決于O2的

34、體積分數(shù)，微生物環(huán)境中O2達到0.2（大氣中氧的體積分數(shù)的1）或0.2以上，可以進行好氧呼吸，達不到，則無法進行好氧呼吸。(三)無氧呼吸無氧呼吸的最終電子受體不是未徹底氧化的有機物，也不是O2，而是除了O2以外的含氧無機物，如NO3-、SO42-、CO32-及CO2、CO等。以NO3-為最終電子受體為例講解無氧呼吸。NO3-接受電子，形成NO2-、N2O、N2。NO3-NO3-N2這個過程稱為脫氮作用。亦稱為反硝化作用或硝酸鹽還原作用。以其他無機氧化物為最終電子受體的情況： 以SO42-為最終電子受體 如：2CH3CHOHCOOH+ H2SO4 - 2CH3COOH+2CO2+H2S+2H2O

35、+1125kJ 以CO2和CO為最終電子受體 如：2CH3CH2OH+CO2-CH4+2CH3COOH 4H2+CO2-CH4+2H2O 3H2+CO-CH4+H2O三種呼吸類型的比較呼吸類型最終電子受體參與反應的酶與電子傳遞體系最終產物釋放能量乙醇發(fā)酵中間代謝產物脫氫酶、脫羧酶輔酶NAD低分子有機物、CO2、ATP(2)238.3KJ好氧呼吸氧氣脫氫酶、脫羧酶輔酶NAD、FAD輔酶Q細胞色素a、a3、b、c、c1CO2、H2O、ATP(38)、SO42-2876KJ無氧呼吸NO3-CO32-SO42-脫氫酶、脫羧酶、硝酸還原酶、硫酸還原酶輔酶NAD、細胞色素b、cCO2、H2O、N2、ATP反硝化1756KJ反硫