环境工程微生物学第五章微生物的能量代谢(1)

第一节微生物的生物氧化第二节发光微生物与其应用第五章微生物的能量代谢1第一节微生物的生物氧化一ATP的生成方式第五章微生物的能量代谢二异养微生物的生物氧化三自养微生物的生物氧化2代谢（metabolism）：细胞内发生的各种化学反应的总称代谢分解代谢(catabolism)合成代谢(anabolism)复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]＋＋34一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是一切生物代谢的核心问题。能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源------ATP。这就是产能代谢。第一节微生物的生物氧化5最初能源有机物还原态无机物日光化能异养微生物化能自养微生物光能营养微生物通用能源（ATP）第一节微生物的生物氧化6生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种生物氧化的功能为：产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物第一节微生物的生物氧化7第一节微生物的生物氧化8分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程，这个过程就是生物氧化，是一个产能代谢过程。异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。第一节微生物的生物氧化9一ATP的生成方式1、基质（底物）水平磷酸化(substratephosphorylation)微生物在基质氧化过程中，形成含高自由能的中间产物，这一中间产物将高能键交给ADP而生成ATP，此过程中底物的氧化与磷酸化反应相偶联并生成ATP。第一节微生物的生物氧化10一ATP的生成方式2、氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)微生物在好氧呼吸或无氧呼吸时，通过电子传递体系产生ATP的过程。第一节微生物的生物氧化11一ATP的生成方式3、光合水平磷酸化(photophosphorylation)光引起叶绿素、菌绿素或菌紫素逐出电子，通过电子传递产生ATP的过程。第一节微生物的生物氧化12二、异养微生物的生物氧化生物氧化反应发酵呼吸有氧呼吸厌氧呼吸第一节微生物的生物氧化13二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)何为“发酵”？14二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)微生物代谢有机物的过程中,有机物氧化释放的电子直接交给本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。(不需要电子传递链)有机化合物只是部分地被氧化，因此，只释放出一小部分的能量。发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在一起的。被还原的有机物来自于初始发酵的分解代谢，即不需要外界提供电子受体。第一节微生物的生物氧化15二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)发酵的种类有很多，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解（glycolysis）糖酵解是发酵的基础主要有四种途径：EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径。16二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)EMP途径:共分两个阶段,十步反应.17二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)EMP途径:18EMP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。1.发酵(fermentation)(1)EMP途径（Embden-Meyerhofpathway）19日本人肠内酵母感染导致醉酒20二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)丙酮酸CO2乙醛NADHNAD+乙醇磷酸二羟基丙酮NADHNAD+磷酸甘油甘油3%的亚硫酸氢钠（pH7）Saccharomycescerevisiae厌氧发酵（磺化羟基乙醛）21二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)22第一次世界大战期间德国主要用这种方法生产甘油产量：1000吨/月目前的甘油生产方法：使用的微生物：Dunaliellaaslina（一种嗜盐藻类）胞内积累高浓度的甘油从而使细胞的渗透压保持平衡23二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)第一次世界大战期间，英国对有机溶剂丙酮和丁醇的需求增加丙酮：用于生产人造橡胶；丁醇：用于生产无烟火药；当时的常规生产方法：对木材进行干热分解大约80到100吨桦树、山毛榉、或枫木生产1吨丙酮24二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)英国：（ChaimWeizmann）丙酮酸乙酰乙酸丙酮丙酮丁醇羧菌发酵生产丙酮、丁醇（1915），每100吨谷物可以生产出12吨丙酮和24吨的丁醇。乙酰乙酸丁酸丁醇25二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)不同微生物发酵产物的不同，也是细菌分类鉴定的重要依据。大肠杆菌：大肠杆菌在无氧条件下进行混合酸发酵，通过发酵将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多种产物。大肠杆菌将丙酮酸分解成乙酰辅酶A与甲酸。甲酸在酸性条件下（pH6.2以下）经甲酸氢酶进一步分解为CO2和H2，因此大肠杆菌发酵葡萄糖既产酸又产气。产酸产气志贺氏菌：丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸，但不能使甲酸裂解产生H2和CO2产酸不产气26二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)不同微生物发酵产物的不同，也是细菌分类鉴定的重要依据。27二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)不同微生物发酵产物的不同，也是细菌分类鉴定的重要依据。大肠杆菌：由于上述大肠杆菌进行混合酸发酵产生较多有机酸，使发酵液pH下降到4.2以下，加入甲基红指示剂呈红色。故大肠杆菌甲基红反应阳性。产气气杆菌发酵葡萄糖形成的丙酮酸经缩合脱羧转变为乙酰甲基甲醇，进一步还原为2.3-丁二醇。乙酰甲基甲醇在碱性条件下氧化生成二乙酰，二乙酰与精氨酸中的胍基起反应生成红色化合物，此反应为V．P．反应。产气气杆菌发酵葡萄糖的V．P.反应阳性。由于大肠杆菌发酵葡萄糖不产生2.3-丁二醇，故大肠杆菌V．P．反应阴性。V．P．试验、甲基红试验对大肠杆菌的检测具有重要意义。28二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)大肠杆菌：产气气杆菌：V.P.试验阳性甲基红试验阴性V.P.试验阴性甲基红试验阳性29二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)（2）HMP途径（3）ED途径（4）TCA循环30二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)HMP途径:31HMP途径的总反应：6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O→5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++6CO2+Pi二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)ED途径:32ED途径的产能水平较低。1分子的葡萄糖分解为2分子丙酮酸时，只净得2分子ATP和1分子NADH。二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)TCA途径循环:33反应式Acetyl-CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O→CoA-SH+3NADH+3H+FADH2+GTP+2CO2二、异养微生物的生物氧化2.呼吸作用微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给NAD（P）+、FAD或FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程，称为呼吸作用。以氧化型化合物作为最终电子受体有氧呼吸（aerobicrespiration）：无氧呼吸（anaerobicrespiration）：以分子氧作为最终电子受体34二、异养微生物的生物氧化2.呼吸作用35二、异养微生物的生物氧化2.呼吸作用呼吸作用与发酵作用的根本区别：电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体。36二、异养微生物的生物氧化2.呼吸作用37二、异养微生物的生物氧化2.呼吸作用38二、异养微生物的生物氧化2.呼吸作用(1)有氧呼吸葡萄糖糖酵解作用丙酮酸发酵有氧无氧各种发酵产物三羧酸循环被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。39二、异养微生物的生物氧化2.呼吸作用有氧呼吸：电子传递链；氧分子；(最终电子受体)40二、异养微生物的生物氧化2.呼吸作用41二、异养微生物的生物氧化（2）无氧呼吸某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸（fumarate）等有机物。无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。2.呼吸作用42（2）无氧呼吸2.呼吸作用43（2）无氧呼吸硝酸盐呼吸：以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程，也称为硝酸盐的异化作用（Dissimilative）。只能接收2个电子，产能效率低；NO2-对细胞有毒；2.呼吸作用44（2）无氧呼吸有些菌可将NO2-进一步将其还原成N2，这个过程称为反硝化作用：2.呼吸作用45（2）无氧呼吸2.呼吸作用由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。46（2）无氧呼吸能进行硝酸盐呼吸的细菌被称为硝酸盐还原细菌，主要生活在土壤和水环境中，如假单胞菌、依氏螺菌、脱氮小球菌等。硝酸盐还原细菌被认为是一种兼性厌氧菌，无氧但环境中存在硝酸盐时进行厌氧呼吸，而有氧时其细胞膜上的硝酸盐还原酶活性被抑制，细胞进行有氧呼吸。2.呼吸作用47（2）无氧呼吸反硝化作用的生态学作用：硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸土壤及水环境好氧性机体的呼吸作用氧被消耗而造成局部的厌氧环境土壤中植物能利用的氮（硝酸盐NO3-）还原成氮气而消失，从而降低了土壤的肥力。松土，保证土壤中有良好的通气条件。反硝化作用在氮素循环中的重要作用硝酸盐是一种容易溶解于水的物质，通常通过水从土壤流入水域中。如果没有反硝化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水质变坏与地球上氮素循环的中断。2.呼吸作用48（2）无氧呼吸其它厌氧呼吸：2.呼吸作用49（2）无氧呼吸其它厌氧呼吸：2.呼吸作用50（2）无氧呼吸有关“鬼火”的生物学解释在无氧条件下，某些微生物在没有氧、氮或硫作为呼吸作用的最终电子受体时，可以磷酸盐代替，其结果是生成磷化氢（PH3），一种易燃气体。当有机物腐败变质时，经常会发生这种情况。若埋葬尸体的坟墓封口不严时，这种气体就很易逸出。农村的墓地通常位于山坡上，埋葬着大量尸体。在夜晚，气体燃烧会发出绿幽幽的光。长期以来人们无法正确地解释这种现象，将其称之为“鬼火”。2.呼吸作用51（2）无氧呼吸厌氧呼吸的产能较有氧呼吸少，但比发酵多，它使微生物在没有氧的情况下仍然可以通过电子传递和氧化磷酸化来产生ATP，因此对很多微生物是非常重要的。除氧以外的多种物质可被各种微生物用作最终电子受体，充分体现了微生物代谢类型的多样性。2.呼吸作用52三．自养微生物的生物氧化化能无机营养型：从无机物的氧化获得能量以无机物为电子供体这些微生物一般也能以CO2为唯一或主要碳源合成细胞物质自养微生物第一节微生物的能量代谢53自养微生物的合成代谢：将CO2先还原成[CH2O]水平的简单有机物，然后再进一步合成复杂的细胞成分。化能异养微生物：ATP和还原力均来自对有机物的生物氧化化能自养微生物：无机物氧化过程中产生ATP如果作为电子供体的无机物的氧化还原电位足够低，也在氧化磷酸化的过程中产生还原力，但大多数情况下都需要通过电子的逆向传递，以消耗ATP为代价获得还原力。三．自养微生物的生物氧化54三．自养微生物的生物氧化55三．自养微生物的生物氧化第一节微生物的能量代谢56三．自养微生物的