【正文】 第三章 微生物生物化學(xué) ? 3 細(xì)菌的生長環(huán)境 細(xì)菌的生長繁殖，除了需要必須的營養(yǎng)物質(zhì)和對氧的要求外，還需要其他適宜的環(huán)境條件，如溫度、酸堿度、無毒環(huán)境等。廢水處理中，把有計(jì)劃、有目的的控制細(xì)菌的生長條件，使細(xì)菌遺傳有利于處理某種廢水的定向誘導(dǎo)過程叫馴化。在工業(yè)廢水的生物處理中，往往要利用細(xì)菌對營養(yǎng)要求、溫度、 pH值和耐毒力的變異，以改善處理效果。 2022/2/10 18 第三章 微生物生物化學(xué) （ 1）溫度 溫度對細(xì)菌有廣泛的影響。大多數(shù)細(xì)菌生長適宜的溫度為20～ 40℃ 。但有的細(xì)菌喜歡高溫，適宜的繁殖溫度是 50～ 60℃ ，有機(jī)污泥的高溫厭氧消化就是利用這一類細(xì)菌來完成。按照溫度的不同，可將微生物（主要是細(xì)菌）分為 低溫、中溫和高溫菌 三類。 低溫，在零度時(shí)，細(xì)菌并不死亡，只有在頻繁的反復(fù)結(jié)凍和解凍的條件下，才會(huì)使細(xì)胞受到破壞而死亡，但是低溫可降低細(xì)菌的代謝活動(dòng)，溫度逐漸升高后，細(xì)菌會(huì)慢慢恢復(fù)活性。 類別 生長溫度（ ℃ ） 備注 最低 最適 最高 低溫性微生物 5～ 0 10～ 20 25～ 30 水生微生物 中溫性微生物 5～ 10 20～ 40 45～ 50 大多數(shù)腐生性微生物以及所有寄生性微生物 高溫性微生物 25～ 45 50～ 60 70～ 80 土壤、堆肥、溫泉中的微生物 表 35 微生物對于溫度的適應(yīng)性 2022/2/10 19 第三章 微生物生物化學(xué) （ 2） pH值 每一種細(xì)菌生長時(shí)都要求一定的環(huán)境 pH條件，大多數(shù)細(xì)菌在 ～ ，有些絕對厭氧菌（如產(chǎn)甲烷菌）的最適宜 pH在 ～ 。 pH值對細(xì)菌生長的影響，主要是可以 改變底物和菌體酶蛋白的帶電狀態(tài) 。當(dāng)?shù)孜餅榈鞍踪|(zhì)、肽類或氨基酸等兩性電解質(zhì)時(shí)，隨著 pH值的變化表現(xiàn)出不同的解離狀態(tài)，而菌體內(nèi)酶的活性部位只能作用于底物的某一種解離狀態(tài)。酶蛋白質(zhì)具有兩性解離特性， pH值的改變會(huì)改變酶活性部位上有關(guān)基團(tuán)的解離狀態(tài)，從而影響酶與底物的結(jié)合。 2022/2/10 20 第三章 微生物生物化學(xué) （ 3）氧化還原電勢 各種細(xì)菌生活時(shí)要求的氧化還原條件不同。氧化還原條件的高低可用氧化還原電勢 E來表示。 一般 需氧細(xì)菌要求 E在 ～ ，但 E在 ； 厭氧菌則需要 E在 才能生活；對于兼性細(xì)菌來說， E在 ，進(jìn)行需氧呼吸， E在 ，則進(jìn)行厭氧呼吸。 在廢水生物處理的一般運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，需氧的活性污泥法系統(tǒng)， E常在200～ 600mV之間。生物濾池（高負(fù)荷）法濾池出水的 E隨著濾池處理效率的降低，自 311mV降至 39mV，二次沉淀池出水 E可降至 89mV，這是由于氧的消耗和還原性物質(zhì)如氫的硫化氫的產(chǎn)生造成的。厭氧生物處理中污泥消化池中 E值常保持在 100～ 200mV的范圍內(nèi)。 2022/2/10 21 第三章 微生物生物化學(xué) （ 4）光線 除少數(shù)光和細(xì)菌外，大多數(shù)細(xì)菌不需要光線。許多微生物在日光直接照射下容易死亡，細(xì)菌更是如此。能起殺菌作用的光主要是紫外線。菌體內(nèi)蛋白質(zhì)和核酸都有高度吸收紫外線的能力，紫外線殺菌力最強(qiáng)的波長 260nm正是核酸吸收的光譜。紫外線照射造成部分核酸的損傷，細(xì)菌細(xì)胞內(nèi) RNA發(fā)生突變，對微生物的誘變育種具有重要意義。 2022/2/10 22 第三章 微生物生物化學(xué) （ 5）壓力 壓力對細(xì)菌的作用可分為滲透壓、機(jī)械壓和氣體壓力。細(xì)菌生活在高滲透壓溶液中，細(xì)胞就要失水，發(fā)生質(zhì)壁分離，影響細(xì)胞生命活動(dòng)甚至死亡。然而在低滲透壓溶液中，細(xì)菌細(xì)胞容易膨脹，甚至破裂。因此培養(yǎng)細(xì)菌時(shí)，不僅要注意無機(jī)鹽的種類，還需注意其濃度。 在微生物試驗(yàn)中稀釋菌液，一般用 %的食鹽溶液維持細(xì)菌等微生物的正常生活，這種濃度的鹽水稱為生理鹽水。培養(yǎng)細(xì)菌的培養(yǎng)基中無機(jī)鹽的滲透壓為 ～ ，加入糖后可產(chǎn)生總的滲透壓約 ～ 。高濃度的氧壓對細(xì)菌有害， ，但不能殺死。更高的氧壓可使其致死。 5MPa的 CO2在 ，這是因?yàn)镃O2容易滲透到細(xì)胞液中，一旦壓力突然降低，細(xì)菌可立即死亡。氮?dú)鈱?xì)菌無大影響， 12MPa的 N2也不致使細(xì)菌死亡。 此外，干燥程度、化學(xué)藥劑等對細(xì)菌的生活影響也很大。 2022/2/10 23 第三章 微生物生物化學(xué) 167。 細(xì)菌的生物催化劑 — 酶 細(xì)菌的一切新陳代謝活動(dòng)，都發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)，這些復(fù)雜的反應(yīng)都是在微生物酶的催化下進(jìn)行的。酶（ enzyme）是由活細(xì)菌細(xì)胞產(chǎn)生的一類具有高度催化專一性的特殊蛋白質(zhì)。微生物在廢水生物處理中之所以能起重要作用，就是由于它們能產(chǎn)生各種各樣的酶。在酶作用下進(jìn)行化學(xué)變化的物質(zhì)叫底物，有酶催化的化學(xué)反應(yīng)稱為酶促反應(yīng)。 酶也可以被分離出來，做成酶劑或固定化酶，在廢水生物處理中應(yīng)用。 2022/2/10 24 第三章 微生物生物化學(xué) ? 1 酶的分類 已知的酶有數(shù)千種，還有許多酶有待發(fā)現(xiàn)。 1961年由國際酶學(xué)術(shù)委員會(huì)（ ）制定的分類法，根據(jù)酶所催化的反應(yīng)類型，將酶分為六大類，再根據(jù)化合物及被作用基團(tuán)的性質(zhì)，每一大類又可分為若干亞類及次亞類。 酶的分類見表 36。 2022/2/10 25 第三章 微生物生物化學(xué) 編號(hào) 酶的名稱 酶的催化反應(yīng)性質(zhì) 1 氧化還原酶（ oxidoreductase） 此類酶能催化物質(zhì)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，即能引起物質(zhì)（底物）的脫氫和受氫作用，分為氧化酶和脫氫酶兩類。氧化酶類能活化分子氧（空氣中的氧）作為氫的受體而形成水，或使過氧化氫中的氧轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物質(zhì)而使前者還原；脫氫酶類能催化直接從底物上脫氫 2 轉(zhuǎn)移酶類 （ transferase） 此類酶能催化一種化合物分子上的基團(tuán)，轉(zhuǎn)移到另一種化合物分子上 3 水解酶類（ hydrolase） 此類酶催化大分子物質(zhì)加水分解為小分子物質(zhì)。這類酶屬于細(xì)胞外酶（或適應(yīng)酶）。在生物體內(nèi)分布最廣，數(shù)量也多，應(yīng)用也最廣泛。例如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果膠酶等 4 異構(gòu)酶類 （ isomerase） 此類酶催化同分異構(gòu)化合物之間的相互轉(zhuǎn)化，使分子內(nèi)部基團(tuán)重新排列 5 裂解酶類 （ lyase） 這些酶催化它們的底物發(fā)生非水解性裂解，其逆反應(yīng)由相同的酶催化，因而又稱為縮合酶或裂和酶 6 合成酶類 （ Ligase） 此類酶一般指在有腺苷三磷酸（ ATP）參加的合成反應(yīng)。這類酶關(guān)系著許多重要生命物質(zhì)的合成，如蛋白質(zhì)，核酸等的生物合成 表 36 酶的分類 2022/2/10 26 第三章 微生物生物化學(xué) ? 2 酶的組成 酶按其組成可分為 單成分酶 和 雙成分酶（復(fù)合酶） 。單成分酶一般僅由蛋白質(zhì)分子組成，不含非蛋白成分，大多數(shù)水解酶就屬于這一類。雙成分酶除蛋白質(zhì)部分（酶蛋白）外，還有非蛋白質(zhì)部分（輔酶或輔基）。雙成分酶中，蛋白質(zhì)部分稱為主酶，主酶與輔酶組成全酶。 ??雙成分酶 酶蛋白 輔酶（或輔基）（全酶） （主酶）2022/2/10 27 第三章 微生物生物化學(xué) 在這種雙成分酶中，如酶蛋白與非蛋白質(zhì)部分結(jié)合得比較牢固，不易分離時(shí)，這種非蛋白質(zhì)部分稱 輔基 ，一般只有酶蛋白與輔基結(jié)合在一起，才具有催化活性，兩者單獨(dú)分開后均無催化活性。另一些非蛋白質(zhì)部分與酶蛋白結(jié)合得不牢固，容易分離，這種非蛋白質(zhì)部分稱為 輔酶 ，輔酶能與不同的酶蛋白結(jié)合，形成不同的全酶，這些全酶能催化同一類型的化學(xué)反應(yīng)，但是它們所能作用的化合物是不同的。 酶蛋白（主酶）部分決定化合物的專一性，即決定哪一種化合物可被催化，許多情況下，酶蛋白還決定反應(yīng)的方向；而輔酶（或輔基）則決定催化反應(yīng)的性質(zhì)。 ??雙成分酶 酶蛋白 輔酶（或輔基）（全酶） （主酶）2022/2/10 28 第三章 微生物生物化學(xué) ? 3 酶的 結(jié)構(gòu) 酶的催化功能是由酶的分子結(jié)構(gòu)，特別是由酶的特殊的空間構(gòu)象所決定的。當(dāng)酶的構(gòu)象發(fā)生改變時(shí)，酶的催化功能將相應(yīng)的發(fā)生改變。 酶分子結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)一樣，具有一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)甚至四級(jí)結(jié)構(gòu)，大多數(shù)酶只由一條肽鏈組成，有的酶有兩條或是多條肽鏈組成。由數(shù)條相同或相似的肽鍵組成的酶呈四級(jí)結(jié)構(gòu)，其中每一條肽鍵稱為一個(gè)亞基。 酶的催化作用是由它的 活性部位 （活性中心）進(jìn)行的。因酶所催化的底物通常是低相對分子質(zhì)量的，大分子的酶僅有一小部分酶蛋白與底物接觸并直接參與催化反應(yīng)。這部分酶蛋白稱活性部位。 2022/2/10 29 第三章 微生物生物化學(xué) 活性部位由為數(shù)不多的氨基酸殘基組成（有的還有金屬離子），它們在肽鏈上不一定是相鄰近的，而是肽鏈的折疊或是肽鏈的空間構(gòu)象中，按一定的相對位置相互接近在一起。 因此酶的活性部位只有在酶蛋白保持一定的空間構(gòu)象時(shí)才能發(fā)揮催化功能 。 活性部位也包含活力需要的輔酶，活性部位的一部分與底物的結(jié)合有關(guān)（結(jié)合部位），而另外部分承擔(dān)著化學(xué)鍵的生成或斷裂（即催化部分）。酶蛋白非活性部位的分子的功能可以使活性部位的組分保持適當(dāng)?shù)南鄬ξ恢煤投ㄏ颉? 2022/2/10 30 第三章 微生物生物化學(xué) ? 4 酶的性質(zhì) 酶是真正的催化劑，因?yàn)槊?并不改變它們所催化的反應(yīng)的平衡點(diǎn)，在催化過程中，本身也不消耗 。和其他催化劑一樣，酶能降低它所催化的反應(yīng)的活化能，縮短反