水處理微生物學(xué)(第六講)

2.3微生物代謝——細(xì)菌的呼吸（產(chǎn)能代謝）一、呼吸作用的本質(zhì)高等生物的呼吸作用：需氧氣呼吸細(xì)菌的呼吸作用：需氧氣呼吸；不需氧氣呼吸（1）呼吸作用的本質(zhì)生物的氧化和還原的統(tǒng)一過程。即，在生物氧化中，呼吸基質(zhì)脫下的氫和電子經(jīng)載體傳遞，最終交給受體的生物學(xué)過程。（2）發(fā)生哪些生物學(xué)現(xiàn)象呢？

酶的催化復(fù)雜的有機(jī)物變成簡(jiǎn)單的物質(zhì)CO2、H2O等。發(fā)生能量的轉(zhuǎn)換（合成物質(zhì)、維持生命活動(dòng)）產(chǎn)生中間產(chǎn)物（繼續(xù)分解、作為原料合成機(jī)體物質(zhì)。吸收、同化各種營(yíng)養(yǎng)。二、細(xì)菌的呼吸類型

脫下氫和電子——氧化接受氫和電子——還原最終接受電子的物質(zhì)是誰(shuí)？根據(jù)是否是氧氣來分類：

好氧呼吸厭氧呼吸（1）好氧呼吸（respiration）最終電子受體：游離的氧氣（O2）舉例自養(yǎng)微生物硫磺細(xì)菌氧化H2S（無機(jī)物）：

H2S+2O2→H2SO4+ATP異養(yǎng)微生物大腸桿菌氧化葡萄糖（有機(jī)物）：

C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+ATP在好氧呼吸過程中，基質(zhì)被氧化較徹底，獲得的ATP多，最終產(chǎn)物積累少。活性污泥法處理有機(jī)廢水，即采用好氧呼吸。葡萄糖的有氧呼吸過程可分為3個(gè)階段：第一階段：葡萄糖經(jīng)EMP途徑分解形成中間產(chǎn)物丙酮酸，同時(shí)產(chǎn)生ATP和NADH+H+；第二階段：丙酮酸在丙酮酸脫氫酶系的作用下生成乙酰CoA，并釋放CO2和NADH+H+；第三階段：乙酰CoA進(jìn)入三羧酸循環(huán)，產(chǎn)生大量的ATP、CO2、NADH+H+和FADH2。

微生物氧化分解lmol葡萄糖總共可產(chǎn)生38molATP。糖酵解的三個(gè)階段（2）厭氧呼吸（anaerobicrespiration)

最終電子受體：除氧氣以外的物質(zhì)無機(jī)物（NO3-、NO2-、SO42-、CO32-）有機(jī)物（小分子）

分為：分子內(nèi)無氧呼吸類型分子外無氧呼吸類型分子內(nèi)無氧呼吸類型（又稱發(fā)酵） 最終電子受體：小分子有機(jī)物常見的發(fā)酵有：乳酸發(fā)酵，乙酸發(fā)酵，乙醇發(fā)酵（生產(chǎn)酒精）葡萄糖→3-磷酸甘油醛→1，3-二磷酸甘油醛→丙酮酸→乙醛→乙醇

產(chǎn)能量少（2個(gè)ATP），大部分儲(chǔ)存在乙醇中。

底物：葡萄糖最終電子受體：乙醛（代謝中間產(chǎn)物）分類主要末端產(chǎn)物典型微生物丙酸發(fā)酵丁酸發(fā)酵丙酮丁醇發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵混合酸發(fā)酵乙醇發(fā)酵丙酸、乙酸和CO2丁酸、乙酸、H2和CO2丁醇、丙酮乳酸乳酸、乙醇、乙酸和CO2乳酸、乙酸、琥珀酸、乙醇、甲酸、H2和CO2乙醇、CO2丙酸桿菌屬(Propionibacterium)梭狀芽孢桿菌屬(Clostridium)梭狀芽孢桿菌屬(Clostridium)乳酸桿菌屬(Latobacillus),鏈球菌屬(Streptococcus)明串球菌屬(Leuconostoc)埃希菌屬(Escherichia),假單胞菌屬(Psudomonas)酵母屬(Saccharomyces)碳水化合物發(fā)酵的主要類型

分子外無氧呼吸類型(無氧呼吸）最終電子受體：無機(jī)物（NO3-、NO2-、SO42-、CO32-）一般生活在河流、湖泊和池塘的底部淤泥等缺氧的環(huán)境中。

硝酸鹽呼吸：將NO3?還原為N2以及NO和N2O。硫酸鹽呼吸：使SO42?逐步還原為H2S。碳酸鹽呼吸：以CO2作為最終的電子受體，通過厭氧呼吸將CO2還原為甲烷。呼吸類型最終電子受體參與反應(yīng)的酶與電子傳遞體系最終產(chǎn)物釋放總能量／kJ乙醇發(fā)酵中間代謝產(chǎn)物脫氫酶，脫羧酶，乙醛還原酶輔酶：NAD底分子有機(jī)物，CO2,ATP238.3好氧呼吸O2脫氫酶，脫羧酶，細(xì)胞色素氧化酶，輔酶：NAD,FAD，輔酶Q，細(xì)胞色素b、cl、c、a、a3CO,H2O,ATP,S,NO3?，SO42?,Fe3+2876無氧呼吸NO3?，NO2?,SO42?,CO32?,CO2脫氫酶，脫羧酶，硝酸還原酶，硫酸還原酶，輔酶：NAD，細(xì)胞色素b、cH2O,CO2,NH3,N2,H2S,CH4,ATP反硝化作用：1756反硫化作用：1125乙醇發(fā)酵、好氧呼吸、無氧呼吸的比較

三、化能自養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝（1）氫細(xì)菌：

H2+1/2O2→H2O+237.2kJ

（2）硝化細(xì)菌：

NH4++3/2O2→NO2?+H2O+2H++270.7kJNO2?+1/2O2→NO3?+77.4kJ（3）硫細(xì)菌：

S2?+2O2→SO42?+794.5kJS+3/2O2+H2O→SO42?+2H++584.9kJ（4）鐵細(xì)菌：4FeCO3+O2+6H2O→4Fe(OH)3+4CO2+167.5kJ四、細(xì)菌與氧氣的關(guān)系（微生物與氧氣的關(guān)系）需氧（好氣）菌厭氧（嫌氣）菌兼性厭氧菌（1）好氧菌呼吸類型－有氧呼吸，生活時(shí)需要氧氣培養(yǎng)方式－固體表面，液體淺層，通氣，振蕩。如：多數(shù)細(xì)菌（枯草桿菌等）、真菌、藻類。有機(jī)物→CO2+H2O好氧分解（2）厭氧菌呼吸類型－無氧呼吸和發(fā)酵，在無氧氣的環(huán)境生長(zhǎng)培養(yǎng)方式－抽真空；在N2、H2條件下。如：乳酸桿菌，梭狀芽孢桿菌，產(chǎn)甲烷桿菌

為生么有氧氣不能生活？原因：有氧存在，代謝產(chǎn)生H2O2有毒，該類微生物沒有分解H2O2的氧化酶。（3）兼性厭氧菌呼吸類型：

水中DO＞0.2-0.3mg/L，發(fā)酵、無氧呼吸水中DO＜0.2-0.3mg/L，有氧呼吸培養(yǎng)方式：具體實(shí)驗(yàn)要求而定。如：腸道細(xì)菌（大腸桿菌），人及很多動(dòng)物的病原菌。五、細(xì)菌的呼吸類型在廢水生物處理中的應(yīng)用（1）活性污泥法和生物濾池

利用好氧微生物或兼性微生物進(jìn)行好氧呼吸，分解物質(zhì)徹底。產(chǎn)物是沒有異味的物質(zhì)，不破壞正常環(huán)境。供應(yīng)氧氣，設(shè)備復(fù)雜。（2）厭氧消化法

利用厭氧微生物和兼性微生物的厭氧呼吸對(duì)有機(jī)污泥和高濃度有機(jī)廢水進(jìn)行發(fā)酵。分解物質(zhì)不徹底，產(chǎn)物有臭味。沒有氧氣，需要時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備簡(jiǎn)單。2.4微生物代謝——物質(zhì)轉(zhuǎn)化工業(yè)廢水：碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、油脂、有機(jī)酸、醇、醛、酮、酚生活污水：碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、洗滌劑不含氮物質(zhì)好氧分解（好氧微生物）微生物參與分解含氮物質(zhì)厭氧分解（厭氧微生物）一、不含氮有機(jī)物的轉(zhuǎn)化

不含氮有機(jī)物：

碳水化合物、脂肪、酚、醛、酮、某些有機(jī)酸、烴、合成洗滌劑。（1）碳水化合物的分解

單糖：葡萄糖二糖：蔗糖、乳糖、麥芽糖多糖：淀粉、纖維素、半纖維素葡萄糖和二糖：CO2+H2O，細(xì)菌、酵母菌。淀粉的分解：淀粉酶主要包括如下幾類。a-淀粉酶：是一種內(nèi)切酶，以隨機(jī)方式分解a-1,4-糖苷鍵，使其成為相對(duì)分子質(zhì)量較小的糊精，使淀粉溶液粘度迅速下降。β-淀粉酶：是一種直鏈淀粉的端切酶，僅作用于鏈的末端單位。每次切下兩個(gè)葡萄糖單位——麥芽糖。由于麥芽糖能增加甜味，故又稱為糖化酶。葡萄糖淀粉酶：是一種外切酶，能從淀粉的非還原性末端開始，以葡萄糖為單位，逐步作用于淀粉的a-1,4-糖苷鍵，最終淀粉可完全水解為葡萄糖。a-1,6-糖苷酶：是一種特異性水解a-1,6-糖苷鍵的淀粉酶。細(xì)菌、放線菌和真菌等多種微生物都可以降解淀粉纖維素的轉(zhuǎn)化分解纖維素的微生物主要有細(xì)菌、放線菌和真菌半纖維素的轉(zhuǎn)化分解纖維素的微生物大多數(shù)能分解半纖維素果膠質(zhì)的轉(zhuǎn)化分解果膠質(zhì)的微生物主要有細(xì)菌、放線菌和真菌（2）脂肪的轉(zhuǎn)化洗毛、肉類加工、生活污水。熒光桿菌、綠濃桿菌、靈桿菌等。脂肪→甘油脂肪酸→CO2+H2O簡(jiǎn)單的酸+CO2+CH4脂肪酶Β-氧化（3）芳香族化合物的轉(zhuǎn)化（苯的衍生物）

煉焦、石油、煤氣。

酚為較重要的一種，對(duì)人、畜、水生生物有毒，必須處理。分解酚的細(xì)菌：食酚假單胞菌、解酚假單胞菌。酚→（氧氣參與）CO2+H2O生物法已經(jīng)廣泛用于含酚工業(yè)廢水的處理。（4）烴類化合物的轉(zhuǎn)化甲烷假單胞菌、青霉、頭孢霉、甲烷極毛桿菌可以分解烷烴。用于天然氣的勘探。

2O2+CH4→CO2重要作用：勘探天然氣石油脫蠟（酵母菌、細(xì)菌）二、含氮有機(jī)物的分解廢水中的含氮有機(jī)物：蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素、胺類、硝基化合物等。

蛋白質(zhì)★★（屠宰場(chǎng)、生活污水、制革業(yè)等）尿素☆氮的循環(huán):自然界中除植物利用無機(jī)氮轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)氮外，其它各轉(zhuǎn)變過程均由微生物作用。包括：氨化作用，硝化作用，反硝化作用，固氮作用（1）蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)化蛋白質(zhì)的氨化氨基酸：R-CH-COOHR代表不同的基團(tuán)NH2氨化作用：由有機(jī)氮化物轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮的過程（NH3、NH4+）。蛋白質(zhì)初步水解成氨基酸

蛋白質(zhì)→肽→氨基酸蛋白酶肽酶氨基酸脫氨基產(chǎn)生氨水解脫氨（產(chǎn)生氨、羥基酸、醇）RCHNH2COOH+H2O→RCH(OH)COOH+NH3氧化脫氨基（產(chǎn)生氨、脂肪酸或酮酸）RCHNH2COOH+O2→RCOOH+CO2+NH3還原脫氨基（產(chǎn)生氨、脂肪酸）RCHNH2COOH+2H+→RCH2COOH+NH3RCHNH2COOH+2H+→RCH3+CO2+NH3參加的微生物：氨化細(xì)菌（熒光假單胞菌、靈桿菌、腐敗梭菌、變形桿菌等）。硝化作用（Nitrification）硝化作用概念：

在有氧氣時(shí)，微生物將氨氧化為硝酸的作用。參加硝化作用的微生物：硝化細(xì)菌:亞硝酸細(xì)菌、硝酸細(xì)菌，兩類細(xì)菌相伴而生，作用相連。硝化細(xì)菌的特性：革蘭氏陰性菌，不生芽孢強(qiáng)好氧性中性或堿性環(huán)境。不能在強(qiáng)酸環(huán)境生活。對(duì)毒物敏感。很少的錳對(duì)其有毒害硝化作用的過程亞硝酸形成階段

2NH3+3O2→2HNO2+2H2O+ATP亞硝酸細(xì)菌：亞硝酸單胞菌屬、亞硝酸球菌屬、亞硝酸螺菌屬、亞硝酸葉菌屬。硝酸形成階段2HNO2+O2→2HNO3+ATP硝酸細(xì)菌：硝酸桿菌屬、硝酸刺菌屬、硝酸球菌屬。HNO2毒性很強(qiáng)，累積起來對(duì)植物有毒害。HNO3是植物吸收利用的有效氮素養(yǎng)料。亞硝酸細(xì)菌硝酸細(xì)菌硝化作用進(jìn)行的條件O2

NH3

堿性物質(zhì)（中和產(chǎn)生的亞硝酸和硝酸）不需有機(jī)物存在蛋白質(zhì)最終被氧化成：

CO2、H2O、HNO3、H2SO4反硝化作用（Denitrification）

概念：硝酸鹽在通氣不良環(huán)境中（缺氧），被反硝化細(xì)菌還原成NO2或N2的過程。反硝化過程C6H12O6+4NO3→6H2O+6CO2+2N2+ATPNO3→NO2→NO→N2O→N2反硝化細(xì)菌反硝化作用的微生物反硝化細(xì)菌：進(jìn)行反硝化作用的微生物。50多屬，兼性菌。反硝化細(xì)菌的部分屬群：假單胞菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、芽孢桿菌屬、土壤桿菌屬、黃桿菌屬、芽生桿菌屬、鹽桿菌屬、慢生根瘤菌屬；硫桿菌屬、硫微螺菌屬、亞硝化單胞菌屬；紅假單胞菌屬；副球菌屬、布蘭漢氏菌屬、奈氏球菌屬反硝化作用發(fā)生的條件：NO3-有機(jī)物質(zhì)存在氧氣＜0.5mg/L固氮作用

在固氮微生物的固氮酶催化作用下，把分子氮轉(zhuǎn)化為氨，進(jìn)而合成有機(jī)氮化合物，這叫固氮作用。各類固氮微生物進(jìn)行的反應(yīng)式基本相同。N2+6e?+6H+nATP→2NH3+nADP+nPi具有固氮能力的微生物都是原核的微生物。與其他生物相互依存進(jìn)行固氮的微生物稱為共生固氮微生物，如與豆科植物共生的根瘤菌（Rhizobium）（2）尿素的轉(zhuǎn)化尿素：人畜尿液的主要含氮有機(jī)物。含氮47%。尿酸：尿液中的組成成分。水解成尿素。CO(NH2)2+H2O→(NH4)2CO3→2NH3+CO2+H2O參加者：尿素細(xì)菌（好氧）。脲酶三、無機(jī)元素的轉(zhuǎn)化（1）硫的轉(zhuǎn)化硫化作用：有氧時(shí)，微生物將H2S氧化成硫磺、硫酸2S+3O2+2H2O→2H2SO4+能量5Na2S2O3+4O2+H2O→5Na2SO4+4S+H2SO4+能量2H2S+O2→2H2O+2S+能量4FeSO4+O2+2H2SO4→2Fe2(SO4)3+2H2OS+2NO3?→SO42?+N2

反硫化作用：無氧時(shí)，微生物將硫酸還原成H2S。作用：產(chǎn)生的硫酸腐蝕構(gòu)筑物；H2S有臭味。反硫化作用：無氧時(shí)，微生物將硫酸還原成H2S。例如，利用葡萄糖進(jìn)行硫酸鹽還原的過程為：

C6H12O6+3H2SO4→6CO2+6H2O+3H2S+能量危害：在混凝土排水管和鑄鐵排水管中，如果有硫酸鹽存在，會(huì)因缺氧而發(fā)生反硫化，產(chǎn)生的硫化氫升到污水表面或進(jìn)入空氣后，被硫化細(xì)菌或硫磺細(xì)菌氧化成硫酸，再與管頂部的凝結(jié)水結(jié)合，結(jié)果使混凝土管和鑄鐵管受到腐蝕；H2S有臭味。（