微生物代謝和環(huán)境工程

1、關(guān)于微生物的代謝與環(huán)境工程第一張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月代謝（metabolism）：細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱。代謝分解代謝 (catabolism)合成代謝 (anabolism)分解代謝復(fù) 雜 分 子（有機(jī)物）簡(jiǎn)單分子ATPH合成代謝+第六章 微生物的代謝與環(huán)境工程第二張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 微生物的酶酶是動(dòng)物、植物及微生物等生物體內(nèi)合成的、催化生物化學(xué)反應(yīng)的、并傳遞電子、原子和化學(xué)基團(tuán)的生物催化劑。蛋白酶 常見(jiàn)核酸酶 很少，主要作用域核酸。第三張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一、酶的組成按照酶的化學(xué)組成可將酶分為單純酶和全酶兩大類

2、。單純酶分子中只有氨基酸殘基組成的肽鏈，全酶分子中則除了多肽鏈組成的蛋白質(zhì)酶，還有非蛋白成分（輔助因子），如金屬離子、鐵卟啉或含B族維生素的小分子有機(jī)物。全酶=酶蛋白+輔助因子，只有全酶才有催化作用。酶蛋白在酶促反應(yīng)中起著決定反應(yīng)特異性作用，而輔助因子則決定反應(yīng)類型，參與電子，原子及基團(tuán)的傳遞第四張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月(一) 酶的組成形式輔助因子輔酶輔基與酶蛋白結(jié)合緊密，不能通過(guò)透析或超濾的方法去除 與酶蛋白結(jié)合疏松，可用透析或超濾的方法去除。輔助因子的化學(xué)本質(zhì)是金屬離子或小分子有機(jī)化合物，按其與酶蛋白結(jié)合的緊密程度不同可分為輔酶與輔基第五張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于202

3、2年6月一、酶的組成（二）幾種重要輔基和輔酶見(jiàn)（P121124）常見(jiàn)的輔酶和輔基有：輔酶I （NAD）和輔酶II （NADP）、輔酶A（CoA或CoASH）、FMN（黃素單核苷酸）和 FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）、輔酶Q（CoQ）、磷酸腺苷及其他核苷酸類（包括AMP、ADP、ATP、GTP、UTP、CTP等）。專性厭氧菌特有的輔酶：輔酶M、F420（輔酶420）、F430（輔酶430）等。第六張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、酶的必需基團(tuán)活性中心活性中心外必需基團(tuán) 必需基團(tuán)活性中心內(nèi)必需基團(tuán) 結(jié)合基團(tuán) 催化基團(tuán) 結(jié)合底物催化底物概念：酶與底物直接結(jié)合并發(fā)揮催化作用的區(qū)域。不參與活性

4、中心構(gòu)成，穩(wěn)定酶分子的空間結(jié)構(gòu)第七張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月活性中心外必需基團(tuán) 酶的活性中心 多肽鏈底物分子 活性中心內(nèi)必需基團(tuán) 催化基團(tuán) 結(jié)合基團(tuán) 二、酶的必需基團(tuán)活性中心第八張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、酶的催化特性酶作為生物催化劑，具有一般催化劑的特征：（1）能加快化學(xué)反應(yīng)的速度 ，而本身在反應(yīng)前后沒(méi)有結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改變；（2）只能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡所需要的時(shí)間而不能改變反應(yīng)的平衡點(diǎn)。 酶作為一種生物大分子又有其不同與一般催化劑之處第九張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、酶的催化特性1 專一性高 酶對(duì)底物及催化的反應(yīng)有嚴(yán)格的選擇性（專一性），一種酶僅

5、能作用于一種物質(zhì)或一類結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，這種對(duì)底物的選擇性稱為酶的專一性。如蛋白酶只能水解蛋白質(zhì)、脂肪酶只能水解脂肪、而淀粉酶只能作用于淀粉。2 反應(yīng)條件溫和 酶催化的反應(yīng)是在常溫、常壓和近中性的溶液條件下進(jìn)行。酶本身是蛋白質(zhì)，故強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫、高壓、紫外線、重金屬鹽等一切導(dǎo)致蛋白質(zhì)不可逆變性的因素，都能使酶受到破壞而喪失其催化活性。第十張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3、 催化效率高 酶催化反應(yīng)的速率比非催化反應(yīng)高108 -1020 倍，比非生物催化劑高107 -1013 倍。如過(guò)氧化氫酶催化過(guò)氧化氫分解的的反應(yīng)，若用鐵離子作為催化劑，反應(yīng)速率為610-4；若用

6、過(guò)氧化氫酶催化，反應(yīng)速率為6106。酶能高效催化主要是能降低反應(yīng)的活化能 。 4、酶積極參與生物化學(xué)反應(yīng)，不改變反應(yīng)的平衡點(diǎn) 三、酶的催化特性第十一張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月四、酶的分類與命名(一）酶的分類1、國(guó)際系統(tǒng)分類法及酶的編號(hào)按酶所催化的化學(xué)反應(yīng)類型，把酶化分為6類，即1、水解酶類：是催化大分子有機(jī)物水解成小分子的酶。2、氧化還原酶類：是催化氧化還原反應(yīng)的酶。3、轉(zhuǎn)移酶類：是催化底物因團(tuán)轉(zhuǎn)移到另一有機(jī)物上的酶。4、異構(gòu)酶類：催化同分異構(gòu)分子內(nèi)的基團(tuán)重新排列。5、裂解酶類：催化有機(jī)物裂解分小分子有機(jī)物。6、合成酶類：催化底物的合成反應(yīng)。第十二張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2

7、022年6月四、酶的分類與命名（二）酶的命名1、按酶在細(xì)胞的不同部位，可把酶分為：胞外酶、胞內(nèi)酶和表面酶。2、按酶作用底物的不同，可把酶分為：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶、核糖核酸酶。第十三張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月四、酶的分類與命名（三）根據(jù)酶蛋白分子特點(diǎn)又可將酶分為三類1、單體酶 只有一條多肽鏈，屬于這一類的酶很少，一般都是催化水解反應(yīng)酶，分子量在13,00035,000之間，如溶菌酶、胰蛋白酶等。2、寡聚酶 由幾個(gè)甚至幾十個(gè)亞基組成，這些亞基可以是相同的多肽鏈，也可以是不同的多肽鏈。亞基之間不是共價(jià)結(jié)合，彼此很容易分開。寡聚酶分子量從35,000到幾百萬(wàn)。3、多酶體系

8、 是由幾種酶彼此嵌合形成的復(fù)合體。它有利于一系列反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行。例如在脂肪合成中的脂肪酸合成酶復(fù)合體。第十四張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 第二節(jié) 酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)1. 米氏方程I) 20世紀(jì)， 提出的酶底物復(fù)合物的形成和過(guò)度態(tài)概念E+S ES E+P E、S、ES、P分別代表酶、底物、中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物II) 1894年 Fischer 提出了鎖和鑰匙模型III）1958年 Koshland 提出了誘導(dǎo)契合模型第十五張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月鎖鑰學(xué)說(shuō)：第十六張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)：底物的誘導(dǎo)才形成互補(bǔ)形狀第十七張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)

9、作于2022年6月 第二節(jié) 酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 1913年Michaelis和Menten提出三假設(shè)1）反應(yīng)速度為初速度，即反應(yīng)剛剛開始，產(chǎn)物生成量極少，忽略逆反應(yīng)；2)底物濃度（S）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于酶的濃度（E）；3）反應(yīng)處于穩(wěn)態(tài)，即中間產(chǎn)物生成和分解的速率相等。Km 米氏常數(shù) Vmax 最大反應(yīng)速率一、米氏方程第十八張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 一、米氏方程Km的物理意義Km值是當(dāng)酶反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時(shí)的底物濃度。單位是底物濃度的單位，一般用mol/L或mmolL表示。計(jì)算：底物濃度反應(yīng)速度第十九張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 當(dāng)pH、溫度和離子強(qiáng)度等因素不變時(shí)，Km

10、是恒定的。Km是酶的特征性常數(shù)之一，Km值的大小，可以近似地表示酶和底物的親和力。Km值大，意味著酶和底物親和力小。 米氏方程只適應(yīng)于較為簡(jiǎn)單的酶促反應(yīng)。 一、米氏方程第二十張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月莫諾德模式 Monod基質(zhì)濃度（S）比增殖速率（）一級(jí)反應(yīng)區(qū)（n=1）混合級(jí)反應(yīng)區(qū)（0n1）零級(jí)反應(yīng)區(qū)（n=0）Ks 莫諾德于1942年和1950年曾兩次進(jìn)行了單一基質(zhì)的純菌種培養(yǎng)試驗(yàn)，關(guān)聯(lián)出微生物比增殖速率和基質(zhì)濃度之間的關(guān)系，如右圖所示?；钚晕勰喾磻?yīng)動(dòng)力學(xué)方程 莫諾德發(fā)現(xiàn)微生物比增殖速率和基質(zhì)濃度之間的關(guān)系與酶促反應(yīng)速度與基質(zhì)濃度之間的關(guān)系相同，從而提出了與米門方程式相似的莫諾

11、德模式第二十一張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1 微生物比增殖速率，d-1； max微生物最大比增殖速率，d-1；S 溶液中限制微生物生長(zhǎng)的基質(zhì)濃度，mg/L、g/m3；莫諾模式 Monod基質(zhì)濃度（S）比增殖速率（）一級(jí)反應(yīng)區(qū)（n=1）混合級(jí)反應(yīng)區(qū)（0n1）零級(jí)反應(yīng)區(qū)（n=0）KsKs 飽和常數(shù)。即當(dāng)=ax/2時(shí)的基質(zhì)濃度，故又稱為半速度常數(shù)，mg/L、g/m3。活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程第二十二張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月假設(shè)：微生物比增殖速率（）與基質(zhì)比降解速率（v）呈比例關(guān)系，即式中： 基質(zhì)比降解速率，d-1 ； 基質(zhì)最大比降解速率，d-1 ?；|(zhì)比降解速率（v），

12、可以用莫諾模式加以描述：對(duì)廢水處理來(lái)說(shuō)，有機(jī)物的降解是其基本目的，因此，式2的實(shí)際意義較大2活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程第二十三張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、影響酶促反應(yīng)速率的因素1、底物濃度對(duì)酶反應(yīng)速度的影響在底物濃度很低時(shí)，一級(jí)反應(yīng)隨著底物濃度升高， 混合級(jí)反應(yīng)繼續(xù)增大底物濃度， 零級(jí)反應(yīng)基質(zhì)濃度（S）比增殖速率（）一級(jí)反應(yīng)區(qū)（n=1）混合級(jí)反應(yīng)區(qū)（0n1）零級(jí)反應(yīng)區(qū)（n=0）Ks第二十四張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2酶濃度對(duì)酶促反應(yīng)的影響 在一定溫度和pH條件下，當(dāng)?shù)孜餄舛却蟠蟪^(guò)酶的濃度時(shí)，酶的濃度與反應(yīng)速率呈正比，但在一定條件下，酶的濃度很高時(shí)，曲線會(huì)逐漸向平

13、緩，這可能是高濃度的酶分子影響了分子擴(kuò)散，阻礙了酶的活性中心和底物的結(jié)合。 三、影響酶促反應(yīng)速率的因素第二十五張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3、溫度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響各種酶在最適溫度范圍內(nèi)，酶活性最強(qiáng)，酶促反應(yīng)速度最大。在適宜的溫度范圍內(nèi)，溫度每升高100C，酶促反應(yīng)速度可相應(yīng)提高12倍。用溫度系數(shù)Q10來(lái)表示溫度對(duì)酶促反應(yīng)的影響。Q10表示溫度每升高100C，酶反應(yīng)速度隨之相應(yīng)提高的因素。三、影響酶促反應(yīng)速率的因素第二十六張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一般微生物的溫度最適范圍在25-60。溫度的影響存在三基點(diǎn)：最高、最適、最低。溫度過(guò)高會(huì)破壞酶蛋白，造成變性；（約6

14、0）溫度過(guò)低會(huì)使酶作用降低或停止，但可以恢復(fù)。（約4）不同微生物的溫度適應(yīng)范圍不同。三、影響酶促反應(yīng)速率的因素第二十七張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4、pH對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響 酶反應(yīng)介質(zhì)pH可影響酶分子，特別是活性中心上必需基團(tuán)的解離程度和催化基團(tuán)中質(zhì)子供體或質(zhì)子受體所需的離子化狀態(tài)，同時(shí)也可影響底物和酶的解離程度，從而影響酶與底物的結(jié)合。三、影響酶促反應(yīng)速率的因素第二十八張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5、抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響 酶是蛋白質(zhì)，凡使酶蛋白變性而起酶活力喪失的作用稱為失活作用。凡使酶活力下降，但并不引起酶蛋白變性的作用稱為抑制作用。所以，抑制作用與變性

15、作用是不同的。引起酶蛋白變性，但能與酶分子上的某些必需基團(tuán)（主要是指酶活性中心上的一些基團(tuán)）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而引起酶活力下降，甚至喪失，致使酶反應(yīng)速度降低。能引起這種抑制作用的物質(zhì)叫做酶的抑制劑。三、影響酶促反應(yīng)速率的因素第二十九張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月根據(jù)抑制劑與酶作用方式及抑制作用是否可逆，可將抑制作用分為兩大類。（1）不可逆的抑制作用：這類抑制劑通常以比較牢固的共價(jià)鍵與酶蛋白中的基團(tuán)結(jié)合，而使酶失活。不能用透析、超濾等方法除去抑制劑而恢復(fù)酶活性。2）可逆的抑制作用：這類抑制劑與酶蛋白的結(jié)合是可逆的，可用透析法除去抑制劑，恢復(fù)酶的活性。根據(jù)抑制劑與底物的關(guān)系，可逆抑制作用

16、分為三種類型：三、影響酶促反應(yīng)速率的因素第三十張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 概念：抑制劑與底物競(jìng)爭(zhēng)酶的結(jié)合部位，從而影響了底物與酶的正常結(jié)合。最常見(jiàn)的一種可逆抑制作用。 原因： 抑制劑與底物的結(jié)構(gòu)類似，與酶可形成可逆的復(fù)合物，但此復(fù)合物不可能分解成產(chǎn)物，酶反應(yīng)速率下降。 增加底物濃度可解除這種抑制。（一）競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用（Competitive inhibition)第三十一張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 競(jìng)爭(zhēng)性抑制的特征 （一）競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用（Competitive inhibition)1. 抑制劑結(jié)構(gòu)與底物相似；2.抑制劑結(jié)合的部位是酶的活性中心；3.抑制作用的大

17、小取決于抑制劑與底物的相對(duì)濃度，在抑制劑濃度不變時(shí)，通過(guò)增加底物濃度可以減弱甚至解除競(jìng)爭(zhēng)性抑制；4.Vmax不變，Km增大第三十二張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 概念：底物和抑制劑同時(shí)與酶結(jié)合，兩者沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)作用。 抑制劑（I）和底物（S）可以同時(shí)結(jié)合在酶分子（E）的不同部位上，形成ESI三元復(fù)合物。但是，中間產(chǎn)物ESI三元復(fù)合物不能進(jìn)一步分解為產(chǎn)物,酶活力降低。(二）非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用noncompetitive inhibition）第三十三張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月特征1.抑制劑與底物結(jié)構(gòu)不相似；2.抑制劑結(jié)合的部位在酶活性中心外；3.抑制作用的強(qiáng)弱取決于抑制劑的

18、濃度，此種抑制不能通過(guò)增加底物濃度而減弱或消除；4.Vmax下降，Km不變(二）非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用noncompetitive inhibition）第三十四張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月概念酶只有與底物結(jié)合后，才能與抑制劑結(jié)合。與抑制劑結(jié)合后的三元復(fù)合物不能形成產(chǎn)物。(二）反競(jìng)爭(zhēng)性抑制（uncompetitive inhibition）特征Vmax和Km值均降低。第三十五張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月微生物從外界不斷地吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在體內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)，將復(fù)雜的有機(jī)物分解成簡(jiǎn)單的有機(jī)物的同時(shí)，也將其中一部分轉(zhuǎn)化為細(xì)胞自身的物質(zhì)成分，維系自身的生長(zhǎng)和繁殖；同時(shí)將產(chǎn)生的

19、廢物排出體外，這一過(guò)程稱之為新陳代謝。第三節(jié) 微生物的代謝概述第三十六張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月新陳代謝(metabolism) 1、按活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)分： 分解代謝(catabolism) 大分子 小分子（能量，細(xì)胞組分的前體） 合成代謝(anabolism) 小分子 大分子（酶，結(jié)構(gòu)組分等）第三節(jié) 微生物的代謝概述第三十七張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 微生物的代謝概述能量與代謝關(guān)系示意圖第三十八張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（一）微生物的生物氧化和產(chǎn)能 微生物的生物氧化本質(zhì)是氧化還原反應(yīng)，這過(guò)程中有能量的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移、還原力H的產(chǎn)生、小分

20、子中間代謝物的產(chǎn)生。 微生物產(chǎn)生各種能量如電能、化學(xué)能、機(jī)械能、光能等。在所產(chǎn)生的能量中，一部分變?yōu)闊崃繂适?，一部分供給合成反應(yīng)和生命活動(dòng)，另一部分貯存在ATP中。 微生物的能源主要包括有機(jī)物、無(wú)機(jī)物和日光，能量代謝的主要內(nèi)容就是研究微生物如何利用這三類能源轉(zhuǎn)化為ATP的。第四節(jié) 微生物的分解代謝第三十九張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1、底物水平磷酸化：厭氧或兼性厭氧微生物在底物氧化過(guò)程中，產(chǎn)生多種含有高能磷酸鍵化合物，這些高能化合物能將能量轉(zhuǎn)移給ADP，成為ATP，如1，3-二磷酸甘油酸和磷酸烯醇式丙酮酸。2、呼吸鏈與氧化磷酸化：是主要的能量來(lái)源。氧化磷酸化作用是將生物氧化過(guò)程中

21、釋放出的自由能轉(zhuǎn)移形成高能ATP的作用，能量的轉(zhuǎn)移通過(guò)電子傳遞鏈實(shí)現(xiàn)，ATP的生成基于與電子傳遞相偶聯(lián)的磷酸化作用。 氧化磷酸化的全過(guò)程可表示為： NADH + H+ +3ADP + 3Pi +1/2O2 NAD+ + 4H2O + 3ATP（二）ATP的生成方式有：第四節(jié) 微生物的分解代謝第四十張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月呼吸鏈：在分解過(guò)程中，代謝物脫下的氫經(jīng)多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終于氧結(jié)合生成水，并產(chǎn)生可利用的能量。這一系列遞氫體或電子的酶和輔酶/輔基形成電子傳遞體系叫呼吸鏈。 電子傳遞鏈的位置，原核生物中電子傳遞鏈與細(xì)胞質(zhì)膜相連，真核微生物在線粒體上。 基

22、本功能：a、接受電子供體釋放出的電子，電子沿各組分傳遞，最后由細(xì)胞色素氧化酶將電子傳給氧；b、合成ATP。第四節(jié) 微生物的分解代謝脫氫酶黃素蛋白第四十一張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3、光合磷酸化：光引起葉綠素、菌綠素或菌紫素逐出電子，通過(guò)電子傳遞產(chǎn)生ATP的過(guò)程叫光合磷酸化。 這種產(chǎn)能方式同氧化磷酸化的主要區(qū)別在于：氧化磷酸化是由高能化合物分子氧化驅(qū)動(dòng)的，而光合磷酸化是由光子驅(qū)動(dòng)的第四節(jié) 微生物的分解代謝第四十二張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 產(chǎn)能（ATP）生物氧化的功能： 產(chǎn)還原力H 產(chǎn)小分子中間代謝物（一）、異養(yǎng)微生物的生物氧化 呼吸生物氧化的二種類型： 發(fā)酵二、

23、微生物的氧化類型有氧呼吸無(wú)氧呼吸以分子態(tài)的氧作為最終電子受體的生物氧化過(guò)程。徹底氧化，放能最多以無(wú)機(jī)氧化物作為最終電子受體的生物氧化過(guò)程，如NO2-、 NO3-、 SO42-、 CO32-及CO2等。不需要氧氣，放能多。電子供體是有機(jī)化合物，而最終電子受體也是有機(jī)化合物的生物氧化過(guò)程。不徹底氧化，放能最少。第四十三張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月微生物細(xì)胞將有機(jī)物氧化釋放的電子直接交給底物未完全氧化的某中間產(chǎn)物，同時(shí)釋放能量，并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物的呼吸類型叫發(fā)酵在發(fā)酵條件下，有機(jī)化合物只是部分地被氧化，只釋放出一小部分的能量。發(fā)酵的過(guò)程是與有機(jī)物的還原偶聯(lián)在一起的，被還原的物質(zhì)來(lái)

24、自初始發(fā)酵的分解代謝，不需要外界提供電子受體。發(fā)酵的種類很多，可發(fā)酵的底物有糖類、有機(jī)酸、氨基酸等。1. 發(fā)酵第四十四張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月(1) 糖酵解(EMP)糖酵解作用：無(wú)氧條件下，微生物通過(guò)一系列的酶促反應(yīng)對(duì)葡萄糖進(jìn)行分解，將1分子葡萄糖分解成2分子丙酮酸并提供能量的過(guò)程稱為糖酵解作用。1. 發(fā)酵1. EMP途徑（Embden-Meyerhof-Parnas Pathway）即糖酵解 (Glycolysis) 途徑，指在細(xì)胞質(zhì)中分解葡萄糖生成丙酮酸的過(guò)程，此過(guò)程中伴有少量ATP的生成。在缺氧條件下丙酮酸被還原為乳酸，有氧條件下丙酮酸可進(jìn)一步氧化分解生成乙酰輔酶A（乙

25、酰CoA）進(jìn)入三羧酸循環(huán)，生成CO2和H2O。 第四十五張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月6碳階段無(wú)氧化還原反應(yīng)無(wú)ATP生成耗能3碳階段氧化還原反應(yīng)合成ATP產(chǎn)能葡萄糖-6-磷酸 磷酸果糖 二磷酸果糖酶 磷酸甘油醛脫氫酶 1，3-二磷酸甘油酸 丙酮酸 糖酵解(EMP)途徑第四十六張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 EMP途徑反應(yīng)總反應(yīng)式：C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 2CH3COCOOH + 2ATP + 2NADH + 2H+2H2OC62C3耗能階段產(chǎn)能階段2ATP4ATP2ATP還原力2NADH + H+2 丙酮酸糖酵解第四十七張，PPT共九十

26、三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月EMP是葡萄糖降解到丙酮酸的最常見(jiàn)途徑；多數(shù)微生物具有EMP途徑，存在于微生物的所有主要類群中；產(chǎn)生能量ATP、還原力NADH和多種中間產(chǎn)物；連接其它代謝途徑（ED，HM，TCA）的橋梁；與多種發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)密切相關(guān)；逆向可合成糖類物質(zhì)。EMP途徑的生理功能第四十八張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 丙酮酸是各種微生物糖酵解的產(chǎn)物，如果進(jìn)一步發(fā)酵，可形成多種產(chǎn)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。（2）發(fā)酵類型根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物的不同，發(fā)酵類型主要有乙醇發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、丙酮丁醇發(fā)酵和混合發(fā)酵等1. 發(fā)酵第四十

27、九張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月微生物在分解過(guò)程中，將釋放出的氫或電子交給NAD（P）+、FAD或FMN等電子載體，再經(jīng)電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，從而生成水或其他原型產(chǎn)物并釋放出能量的過(guò)程，稱為呼吸作用，呼吸作用又分為有氧呼吸和無(wú)氧呼吸1）有氧呼吸 在分子氧存在的條件下，有機(jī)物脫氫后，經(jīng)完整呼吸鏈遞氫，最終以分子氧作為受氫體產(chǎn)生水，釋放ATP形式的能量過(guò)程叫有氧呼吸。2. 呼吸第五十張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月在好氧呼吸過(guò)程中，底物在氧化過(guò)程中釋放的電子轉(zhuǎn)移給NAD，NAD還原成NADH2，電子轉(zhuǎn)移到電子傳遞鏈最終傳遞給O2，生成H2O。在好氧呼吸中，葡萄糖的氧化

28、分解分為兩個(gè)階段：a、經(jīng)EMP途徑酵解，形成中間產(chǎn)物丙酮酸；b、丙酮酸通過(guò)TCA循環(huán)徹底氧化。2. 呼吸（1）有氧呼吸階段第五十一張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月TCA循環(huán)：也稱檸檬酸循環(huán)。由丙酮酸乙?；纬梢阴oA (乙酰輔酶A) ，乙酰CoA進(jìn)入三羧酸循環(huán)，被徹底氧化為CO2、H2O的過(guò)程。乙酰CoA是一個(gè)重要的中間產(chǎn)物，它的乙?；c草酰乙酸結(jié)合生成檸檬酸。2. 呼吸（2）三羧酸循環(huán)（TCA）NAD 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸,傳遞電子的輔酶 輔酶A，傳遞?；?第五十二張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 1mol丙酮酸經(jīng)TCA產(chǎn)生3molCO2。 好氧呼吸中1mol 葡萄糖分

29、子氧化分解可得到38mol ATP（4NAD3+1FAD2+1GTP2+2ATP+1NADP3），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。第五十三張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月I）為有機(jī)體提供更多的能量，是機(jī)體利用糖和其他物質(zhì)氧化而獲得能量的最有效方式II）三羧酸循環(huán)是有氧代謝的樞紐，糖類、脂肪和蛋白質(zhì)（氨基酸）的有氧分解代謝，都匯集在三羧酸循環(huán)的反應(yīng)中，三羧酸循環(huán)的中間代謝物優(yōu)勢(shì)許多生物合成途徑的起點(diǎn)。2. 呼吸三羧酸循環(huán)（TCA）的生理意義第五十四張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2）無(wú)氧呼吸厭氧呼吸中最終電子受體不是氧而是無(wú)機(jī)化合物如NO2-、NO3-

30、、SO42-、CO32-及CO2等。氧化底物是有機(jī)物如葡萄糖、乙酸、乳酸，被氧化為CO2，產(chǎn)生ATP。氧化態(tài)有機(jī)物如延胡索酸可作為最終電子受體。第五十五張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1、以NO3-作為最終電子受體 在缺氧條件下，有些細(xì)菌能以某些有機(jī)物（可以是葡萄糖、乙酸、甲醇等有機(jī)物，也可以是H2和NH3）作為供氫體，以硝酸鹽作為最終電子受體。 NO3-接受電子后變成NO2-、N2的過(guò)程叫脫氮作用，也叫反硝化作用或硝酸鹽還原作用，能進(jìn)行硝酸鹽還原的細(xì)菌通常稱為硝酸鹽還原細(xì)菌.脫氮作用分兩步：a、NO3- NO2-（硝酸還原酶）；b、NO2- N22）無(wú)氧呼吸A 無(wú)氧呼吸的主要類型第

31、五十六張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、硫酸鹽呼吸 某些硫酸鹽還原菌如脫硫弧菌以有機(jī)物作為氧化的基質(zhì)，釋放的電子可使SO42-還原為H2S。硫酸鹽還原菌不以葡萄糖而是其他細(xì)菌的發(fā)酵產(chǎn)物主要是乳酸為生物氧化基質(zhì)，氧化不徹底，積累乙酸。2CH3CHOHCOOH + 2H2O 2CH3COOH + CO2 + 8（H）SO42- + 8（H） S2- + 4H2O 當(dāng)SO42-還原為H2S時(shí)，通過(guò)電子傳遞鏈產(chǎn)生ATP，其呼吸鏈只有細(xì)胞色素C。2）無(wú)氧呼吸第五十七張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3、碳酸鹽呼吸 這是產(chǎn)甲烷細(xì)菌的特點(diǎn)。產(chǎn)甲烷細(xì)菌都能以CO2為碳源，利用甲醇、乙醇、甲

32、酸、乙酸、H2等作為供氫體，將CO2還原CH4。 CO2在甲酰-MFR脫氫酶作用下獲得2個(gè)電子，首先與MFR反應(yīng)生成甲酰-MFR，而后甲?；D(zhuǎn)移到四氫甲烷喋呤，形成CHO-H4MPT，第二步是水解脫氫得到CH2=H4MPT，還原得到CH3-H4MPT，在輔酶M參與下，甲基移到輔酶M上形成CH3-S-CoM，最后還原酶將甲基還原得到CH4。2）無(wú)氧呼吸第五十八張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（二）自養(yǎng)微生物的生物氧化有些微生物可以從氧化無(wú)機(jī)物中獲取能量，同時(shí)合成細(xì)胞物質(zhì)，這類細(xì)菌稱為化能自養(yǎng)微生物。它們?cè)跓o(wú)機(jī)能源氧化過(guò)程中通過(guò)氧化磷酸化產(chǎn)生ATP氨的氧化（硝化細(xì)菌）硫的氧化（硫細(xì)菌）鐵

33、的氧化（鐵細(xì)菌）氫的氧化（氫細(xì)菌）第五十九張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、微生物的生物氧化與環(huán)境工程（一）異養(yǎng)微生物的生物氧化與環(huán)境工程1.發(fā)酵與環(huán)境工程 首先，復(fù)雜的有機(jī)物被生物處理系統(tǒng)中微生物發(fā)酵水解為簡(jiǎn)單小分子化合物，這一步是所有有機(jī)物質(zhì)生物分解的共同途徑無(wú)氧條件下，有機(jī)物最終生成CH4、CO2和H2等，即厭氧生物處理污水過(guò)程有氧條件下，被徹底氧化成CO2和H2O，即好氧生物處理污水過(guò)程第六十張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 有氧呼吸與環(huán)境工程 自然界中大部分有機(jī)污染物是通過(guò)好氧微生物種群在有氧呼吸中，將其分解為小分子物質(zhì)的。3. 無(wú)氧呼吸與環(huán)境工程 反硝化反

34、應(yīng) 厭氧發(fā)酵 硫酸鹽的廢水處理（硫酸鹽還原菌）三、微生物的生物氧化與環(huán)境工程第六十一張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（二）自養(yǎng)微生物的生物氧化與環(huán)境工程 硝化細(xì)菌、氫細(xì)菌、硫化細(xì)菌和鐵細(xì)菌等這類自養(yǎng)性微生物，能夠從無(wú)機(jī)物氧化過(guò)程中獲取能量，并以CO2作為唯一碳源或主要碳源進(jìn)行生長(zhǎng)。 在污水處理的消化階段，硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌就是利用無(wú)機(jī)碳（CO2、CO32-、HCO3-）作為碳源通過(guò)對(duì)NH3、NH4+的氧化反應(yīng)來(lái)獲取能量的三、微生物的生物氧化與環(huán)境工程第六十二張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第五節(jié) 微生物的合成代謝一、自養(yǎng)微生物的合成 自養(yǎng)微生物將生物氧化過(guò)程中取得的能量主

35、要用于CO2的固定，然后再進(jìn)一步合成糖、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等細(xì)胞組成，大多數(shù)自養(yǎng)微生物通過(guò)卡爾文循環(huán)固定CO2，Calvin循環(huán)又稱核酮糖二磷酸途徑、還原性戊糖途徑、三碳循環(huán)。Calvin循環(huán)的過(guò)程分為以下三個(gè)階段。1.CO2固定階段（羧化反應(yīng)）1,5-二磷酸核酮糖通過(guò)二磷酸羧化酶將CO2固定生成3-磷酸甘油酸。第六十三張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 固定CO2的還原階段 3-磷酸甘油酸上羥基被還原成醛的反應(yīng)，這種轉(zhuǎn)化是經(jīng)過(guò)逆向EMP途徑進(jìn)行的。第五節(jié) 微生物的合成代謝甘油醛-3-磷酸在Calvin循環(huán)中起到及其關(guān)鍵的作用第六十四張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3. CO2

36、受體的再生第五節(jié) 微生物的合成代謝來(lái)自甘油醛-3-三磷酸和果糖-6-磷酸或者是兩個(gè)甘油醛-3-磷酸第六十五張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 Calvin循環(huán)一輪循環(huán)中，新生葡萄糖的6個(gè)碳中只有一個(gè)來(lái)自CO2，其余5個(gè)碳來(lái)自受體核酮糖-1,5-二磷酸，因此全部由CO2合成一個(gè)葡萄糖必須用6個(gè)CO2第五節(jié) 微生物的合成代謝Calvin循環(huán)-6分子CO2還原成1分子果糖-6-磷酸的過(guò)程。 1為核酮糖二磷酸羧化酶2為磷酸核酮糖激酶CO2的固定階段CO2還原階段CO2受體的再生第六十六張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Calvin循環(huán)總式：6CO2+12 NAD(P)H2+18 ATP

37、 C6H12O6+ 12 NAD(P)+ 18 ADP +Pi Calvin 循環(huán)是自養(yǎng)微生物單糖的主要來(lái)源，是其他單糖和糖衍生物合成的起點(diǎn)，還是其他有機(jī)物合成的基礎(chǔ)二、異養(yǎng)微生物的合成略第五節(jié) 微生物的合成代謝合成代謝三要素小分子物質(zhì)、還原力、ATP第六十七張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、微生物的合成代謝與環(huán)境工程第五節(jié) 微生物的合成代謝微生物代謝將有機(jī)物分解為CO2、H2O和各種代謝產(chǎn)物微生物利用代謝釋放的能量將分解有機(jī)物過(guò)程中產(chǎn)生的如丙酮酸、乙酰輔酶A、草酰乙酸和三磷酸甘油醛，作為原料，合成自身復(fù)雜的細(xì)胞組成物質(zhì)分解合成細(xì)胞的增長(zhǎng)繁殖第六十八張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于20

38、22年6月第六節(jié) 微生物對(duì)污染物的代謝與轉(zhuǎn)化一、微生物降解污染物的巨大潛力1.誘導(dǎo)酶 微生物可能有降解某種污染物的基因，但當(dāng)該污染物不存在時(shí)，基因處于“關(guān)閉”狀態(tài)，污染物（誘導(dǎo)物）一旦出現(xiàn)，基因便被“打開”，從而合成相應(yīng)的酶，微生物即可降解這種污染物。2. 具有降解質(zhì)粒 微生物分解某些難降解污染物的能力受細(xì)胞內(nèi)質(zhì)粒的控制，質(zhì)粒上有編碼分解某污染物的酶的基因，降解性質(zhì)粒的研究具有重大的理論和實(shí)踐意義，特別是利用遺傳工程的方法組建“超級(jí)菌”，可大大提高處理效率第六十九張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3.微生物的易變異 微生物與其他生物相比，易發(fā)生變異。當(dāng)環(huán)境中存在某些污染物時(shí)，會(huì)誘發(fā)形成

39、突變體，微生物分泌相應(yīng)的酶，以降解這些污染物。然而，在自然狀態(tài)下，這種突變頻率很低，因此可采用人工誘變或分子遺傳的手段構(gòu)建降解特殊污染物的“工程菌”，對(duì)治理污染會(huì)帶來(lái)更大的突破。二、影響微生物降解與轉(zhuǎn)化污染物的生態(tài)學(xué)因素（一）物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu) 一般來(lái)講，小分子和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的物質(zhì)比大分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物質(zhì)易被分解，這是因?yàn)榇蠓肿游镔|(zhì)必須在胞外酶的作用下降解成小分子物質(zhì)后方能進(jìn)人細(xì)胞。另外，化合物的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜越難與酶的活性中心接近，因而，難以被酶降解。第六節(jié) 微生物對(duì)污染物的代謝與轉(zhuǎn)化第七十張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 結(jié)構(gòu)基團(tuán)的性質(zhì)、數(shù)目及位置直接干擾微生物的降解性。如各種羧酸易被生物降解

40、，而氯代或溴代羧酸則難以降解；氯苯比苯難以降解，且氯原子越多，難度越大；苯酚和苯胺卻比苯易被生物降解。三、微生物對(duì)污染物的代謝途徑中心途徑是糖類物質(zhì)從復(fù)雜多聚物產(chǎn)生的單糖，經(jīng)葡糖糖、丙酮酸進(jìn)一步氧化成CO2和H2O。旁支途徑是不同的微生物以及不同條件下所產(chǎn)生的代謝途徑，在局部上所發(fā)生的明顯改變。有機(jī)污染物代謝的基本過(guò)程包括：向基質(zhì)接近，基質(zhì)表面的吸附，分泌胞外酶，可滲透物質(zhì)的吸收和胞內(nèi)代謝。第六節(jié) 微生物對(duì)污染物的代謝與轉(zhuǎn)化第七十一張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 有些難降解的物質(zhì)如農(nóng)藥、石油烴等不能作為微生物的生長(zhǎng)基質(zhì),但這些污染物卻可以被微生物降解并消失，這是共代謝的結(jié)果。 共代

41、謝(又稱為協(xié)同代謝或輔代謝)。共代謝是指微生物依賴可利用碳源和能源在正常生長(zhǎng)過(guò)程中氧化非生長(zhǎng)基質(zhì)(目標(biāo)污染物)的過(guò)程。即微生物在有它可利用的惟一碳源存在時(shí)，對(duì)它原來(lái)不能利用的物質(zhì)也能分解代謝的現(xiàn)象。四 共代謝的原理與應(yīng)用第七十二張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 在微生物共代謝反應(yīng)中產(chǎn)生非專一性的酶，為關(guān)鍵酶。關(guān)鍵酶是一種誘導(dǎo)酶。 共代謝對(duì)難降解化合物的分解有很重要的作用，通過(guò)共代謝作用可以提高微生物降解難降解物質(zhì)的效率選擇到合適的菌種，通過(guò)共代謝可使多種有機(jī)污染物得到徹底降解。四 共代謝的原理與應(yīng)用第七十三張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月微生物對(duì)有機(jī)物的分解作用簡(jiǎn)稱生物分解

42、或生物降解。污水中一些大分子化合物不能透過(guò)細(xì)胞膜質(zhì)，必須經(jīng)過(guò)微生物分泌的胞外水解酶水解，形成小分子后，才能被吸收。微生物對(duì)污染物分解過(guò)程可分三個(gè)階段五 微生物對(duì)自然有機(jī)物的降解污水中蛋白質(zhì)，多糖，及脂類等大分子化合物氨基酸、單糖脂肪酸等小分子物質(zhì)胞外酶小分子進(jìn)一步被降解成更簡(jiǎn)單的乙酰輔酶A，丙酮酸以及能進(jìn)入三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物會(huì)產(chǎn)生ATP完全降解生成CO2，產(chǎn)生ATP、NADH及FADH2三羧酸循環(huán)第七十四張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月五 微生物對(duì)自然有機(jī)物的降解（一）蛋白質(zhì)的代謝 蛋白質(zhì)是有氨基酸組成的，分子巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物。微生物對(duì)氨基酸的分解，主要是脫氨作用和脫羧作用1

43、.脫氨作用1）氧化脫氨：脫氨方式須在有氧條件下進(jìn)行，專性厭氧菌不能進(jìn)行氧化脫氨 第七十五張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2）還原脫氨 還原脫氨在無(wú)氧條件下，生成飽和脂肪酸。能進(jìn)行還原脫氨的微生物是專性厭氧菌和兼性厭氧菌。（一）蛋白質(zhì)的代謝第七十六張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 3）水解脫氨氨基酸水解脫氨后生成羥酸（一）蛋白質(zhì)的代謝第七十七張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4）減飽和脫氨（直接脫氨） 氨基酸在脫氨的同時(shí)，其、鍵減飽和，結(jié)果生成不飽和酸。（一）蛋白質(zhì)的代謝第七十八張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.脫羧作用 氨基酸脫羧作用多數(shù)是由腐敗細(xì)菌和霉

44、菌引起的，經(jīng)脫羧后生成胺。二元胺對(duì)人有毒（一）蛋白質(zhì)的代謝（二）脂肪代謝（三）碳水化合物的分解第七十九張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 (1)降解石油的微生物種類 能降解石油的微生物很多，已報(bào)道的有70多個(gè)屬200多種，其中細(xì)菌28個(gè)屬，酵母菌12個(gè)屬，其余為放線菌和霉菌。土壤中真菌是石油的主要分解者。 石油烴降解菌的數(shù)量直接反映環(huán)境受烴污染的程度，當(dāng)環(huán)境受石油烴污染后，利用烴的微生物的數(shù)量相應(yīng)增加。六、微生物對(duì)有毒污染物的分解和轉(zhuǎn)化第八十張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月(2)影響石油降解的因素 1.石油烴的種類和組成 2.油的物理狀態(tài) 3.營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 4.溫度 5.氧氣 六、微生物對(duì)有毒污染物的分解和轉(zhuǎn)化第八十一張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（二） 農(nóng)藥的降解 農(nóng)藥是殺蟲劑、殺菌劑、除草劑及滅鼠劑等的總稱。目前使用的主要是有機(jī)磷、有機(jī)氯、有機(jī)汞等有機(jī)農(nóng)藥。(1)降解農(nóng)藥的微生物類別 已報(bào)道的能降解農(nóng)藥的微生物有細(xì)菌、真菌、放線菌、藻類等，這些微生物大多來(lái)自土壤。六、微生物對(duì)有毒污染物的分解和轉(zhuǎn)化第八十二張，PPT共九十三頁(yè)，創(chuàng)作于