环境工程微生物学第五章微生物的能量代谢1.ppt
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,3,4,一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(substrate phosphorylation),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(oxidative phosphorylation),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:,18,EMP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+2ADP2CH3COCOOH（丙酮酸）+2NADH+2H+2ATP+2H2O。,1. 发酵(fermentation),(1)EMP途径（Embden-Meyerhof pathway）,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,NADH,NAD+,乙醇,磷酸二羟基丙酮,NADH,NAD+,磷酸甘油,甘油,3%的亚硫酸氢钠（pH7）,Saccharomyces cerevisiae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： Dunaliella aslina（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： （Chaim Weizmann） 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VP反应。产气气杆菌发酵葡萄糖的VP.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VP反应阴性。VP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:,31,HMP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:,32,ED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 + 3 NAD + FAD + GDP + Pi + 2 H2O CoA-SH + 3 NADH + 3 H + FADH2 + GTP + 2 CO2,二、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（aerobic respiration）：,无氧呼吸（anaerobic respiration）：,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,56,三自养微生物的生物氧化,第一节 微生物的能量代谢,57,三自养微生物的生物氧化,1、 氨的氧化,NH3、亚硝酸（NO2-）等无机氮化物可以被某些化能自养细菌用作能源,亚硝化细菌：,硝化细菌：,将氨氧化为亚硝酸并获得能量,将亚硝酸氧化为硝酸并获得能量,58,三自养微生物的生物氧化,1、 氨的氧化,这两类细菌往往伴生在一起，在它们的共同作用下将铵盐氧化成硝酸盐，避免亚硝酸积累所产生的毒害作用。 这类细菌在自然界的氮素循环中也起者重要的作用，在自然界中分布非常广泛。,59,三自养微生物的生物氧化,1、 氨的氧化,NH3、NO2-的氧化还原电势均比较高， 以氧为电子受体进行氧化时产生的能 量较少，而且进行合成代谢所需要的 还原力需消耗ATP进行电子的逆呼吸 链传递来产生，因此这类细菌生长缓 慢，平均代时在10h以上。,60,三自养微生物的生物氧化,2、 硫的氧化,硫细菌（sulfur bacteria）能够利用一种或多种还原态或部分 还原态的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多 硫酸盐和亚硫酸盐）作能源。,61,2、 硫的氧化,硫细菌在进行还原态硫物质的氧化时会产酸（主要是硫酸）， 因此它们的生长会显著地导致环境的pH下降，有些硫细菌可 以在很酸的环境，例如在pH低于1的环境中生长。,62,三自养微生物的生物氧化,2、 硫的氧化,和硝化细菌一样，硫细菌也是通过电子的逆呼吸链传递来生成还原力。,63,三自养微生物的生物氧化,3、铁的氧化,以嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans）为例：,从亚铁到高铁状态的铁的氧化，对于少数细菌来说也是一种 产能反应，但从这种氧化中只有少量的能量可以被利用。因 此该菌的生长会导致形成大量的Fe3+ （Fe(OH)3）。,64,3、铁的氧化,65,三自养微生物的生物氧化,3、铁的氧化,氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans） 在富含FeS2的煤矿中繁殖，产生大量的硫酸 和Fe(OH)3，从而造成严重的环境污染。,它的生长只需要FeS2及空气中的O2和CO2，因此 要防止其破坏性大量繁殖的唯一可行的方法是封 闭矿山，使环境恢复到原来的无氧状态。,66,三自养微生物的生物氧化,4、 氢的氧化,氢是微生物细胞代谢中的常见代谢产物，很多细菌都能通过 对氢的氧化获得生长所需要的能量。,能以氢为电子供体，以O2为电子受体，以CO2为唯一碳源进行 生长的细菌被称为氢细菌：,67,三自养微生物的生物氧化,4、 氢的氧化,氢的氧化可通过电子和氢离子在呼吸链上的传递产生ATP和 用于细胞合成代谢所需要的还原力。,氢细菌都是一些呈革兰氏阴性的兼性化能自养菌。它们能利用 分子氢氧化产生的能量同化CO2 ，也能利用其它有机物生长。,68,化能自养微生物以无机物作为能源，一般产能效率低，生长慢， 但从生态学角度看，它们所利用的能源物质是一般化能异养生物 所不能利用的，因此它们与产能效率高、生长快的化能异养微生 物之间并不存在生存竞争。,三自养微生物的生物氧化,69,
