【正文】 生物的產(chǎn)能代謝一、產(chǎn)能代謝與生物氧化（呼吸作用）的關(guān)系生物氧化的概念：發(fā)生在活細(xì)胞內(nèi)的一系列產(chǎn)能性氧化反應(yīng)的總稱。生物氧化（呼吸作用）的本質(zhì)——氧化還原作用的統(tǒng)一過程。這過程中有能量的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移。微生物的生物氧化有三類：發(fā)酵、好氧呼吸和無氧呼吸。無論是哪一種類型，其本質(zhì)都是氧化還原反應(yīng)，即在化學(xué)反應(yīng)中一種物質(zhì)失去電子而被氧化，另一種物質(zhì)得到電子而被還原，微生物從中獲得生命活動需要的能量。生物氧化還原過程不同于一般的化學(xué)氧化還原過程，有以下幾個差別：在酶的作用下，常溫常壓的溫和條件；復(fù)雜有機(jī)物被氧化成二氧化碳、水和其他簡單的物質(zhì)；產(chǎn)生能量供給生物（合成、生命活動、熱能）；多步反應(yīng)，產(chǎn)生許多中間產(chǎn)物；同時吸收和同化各種營養(yǎng)物質(zhì)。生物能量的轉(zhuǎn)移中心——ATP，在微生物的生物氧化過程中，底物的氧化分解產(chǎn)生能量；同時，微生物將能量用于細(xì)胞組分的合成。在這兩者之間存在能量轉(zhuǎn)移的中心，即ATP。ATP是在發(fā)酵、好氧呼吸及無氧呼吸中生成的。微生物（包括各種生物）的能量的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移都是通過ATP進(jìn)行的。ATP生成的有三種方式：1．基質(zhì)(底物)水平磷酸化 微生物在基質(zhì)氧化過程中，產(chǎn)生一種含高自由能的中間體，如發(fā)酵中產(chǎn)生含高能健的1，3二磷酸甘油酸。這一中間體將高能鍵(~)交給ADP，使ADP磷酸化而生成ATP。2．氧化磷酸化 微生物在在氧化底物后產(chǎn)生的電子，通過電子傳遞體系傳遞并產(chǎn)生ATP的過程叫氧化磷酸化。3．光合磷酸化 光引起葉綠素、菌綠素或菌紫素逐出電子，通過電子傳遞產(chǎn)生ATP的過程叫光合磷酸化。產(chǎn)氧光合生物包括藻類和藍(lán)細(xì)菌，它們依靠葉綠素通過非環(huán)式的光合磷酸化合成ATP。不產(chǎn)氧的光合細(xì)菌則通過環(huán)式光合磷酸化合成ATP。ATP中的能量，通過與ADP的轉(zhuǎn)換吸收或釋放：ATP中的能量，通過與ADP的轉(zhuǎn)換吸收或釋放：由反應(yīng)式可知：ADP是能量的載體，ATP是能量庫。ATP含高能磷酸鍵，它水解釋放出高能鍵。ATP只是一種短期的貯能物質(zhì)。若要長期貯能，還需轉(zhuǎn)換形式。如果有過剩的ATP，大多數(shù)微生物會將其能量轉(zhuǎn)化到儲能物中去，如PHB(聚β烴基丁酸)、異染粒、淀粉、肝糖、糖原及硫粒等，以備缺乏營養(yǎng)和能源時用。二、生物氧化的類型在微生物體系中，能量的釋放、ATP的生成都是通過生物氧化實現(xiàn)的。根據(jù)最終電子受體（或最終受氫體），可劃分為3種類型：發(fā)酵 以分解過程中的中間代謝產(chǎn)物(低分子有機(jī)物)為最終電子受體好氧呼吸以O(shè)2為最終電子受體無氧呼吸以除O2外的無機(jī)化合物，如NONOSO4CO32及CO2等作為最終電子受體1．發(fā)酵在無外在電子受體時，微生物氧化一些有機(jī)物。有機(jī)物僅發(fā)生部分氧化，以它的中間代謝產(chǎn)物(即分子內(nèi)的低分子有機(jī)物)為最終電子受體，釋放少量能量，其余的能量保留在最終產(chǎn)物中。以葡萄糖的酵解為例，葡萄糖的逐步分解稱糖酵解(即EMP途徑或EM途徑)。糖酵解幾乎是所有具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物所共有的主要代謝途徑。以葡萄糖的乙醇發(fā)酵為例，可分為兩大步：（1）不涉及氧化還原反應(yīng)的預(yù)備性反應(yīng)：葡萄糖（C6H12O6）→→→3磷酸甘油醛；（2）有氧化還原的反應(yīng)：→→丙酮酸（CH3COCOOH）→乙醛（CH3CHO）（二氧化碳）→乙醇（CH3CH2OH）。通過底物磷酸化，得到ATP。1mol的葡萄糖，可以得到2mol的ATP、2mol的乙醇和2mol的二氧化碳。 （圖）乙醇發(fā)酵的能量利用效率為：2。?從丙酮酸開始，通過各種微生物不同的發(fā)酵作用，產(chǎn)生各種不同的產(chǎn)物。如：混合酸發(fā)酵、丁二醇發(fā)酵、丙酸發(fā)酵等等。2．好氧呼吸在分子氧存在的條件下，以O(shè)2為最終電子受體，底物被全部氧化成CO2和H2O，并產(chǎn)生ATP。底物氧化釋放的電子首先轉(zhuǎn)移給NAD，使之成為NADH2，然后再轉(zhuǎn)移給電子傳遞體系，最終到達(dá)分子氧O2。好氧呼吸能否進(jìn)行，%（為大氣中O2的體積分?jǐn)?shù)21%的1%）。%，好氧呼吸不能發(fā)生。以葡萄糖為例，葡萄糖的氧化分解分兩階段：（1）經(jīng)EMP途徑，形成中間產(chǎn)物——丙酮酸。 C6H12O6→→→2 CH3COCOOH。產(chǎn)生2 NADH2和4ATP，并消耗2ATP。此步同在發(fā)酵中的過程。（2）丙酮酸的有氧分解，經(jīng)過三羧酸（TCA）循環(huán)得到分解。丙酮酸→乙酰輔酶A和1mol的NADH2，然后進(jìn)入TCA循環(huán)，被徹底氧化分解，產(chǎn)生NADH2和CO2等。呼吸鏈：有氧呼吸中傳遞電子的一系列偶聯(lián)反應(yīng)，由NAD或NADP、FAD或FMN、輔酶Q、細(xì)胞色素等組成。其功能是傳遞電子和產(chǎn)生ATP。?其在細(xì)胞中的位置：真核細(xì)胞是線粒體，原核細(xì)胞是細(xì)胞質(zhì)膜。 ?在好氧呼吸中，由前面EMP和TCA產(chǎn)生的H（NADH2和FADH2），通過電子傳遞體系（呼吸鏈），最終到達(dá)分子氧，形成水。在這一傳遞過程中，產(chǎn)生ATP。（稱為氧化磷酸化）能量的平衡：1份葡萄糖，轉(zhuǎn)化成2丙酮酸時，產(chǎn)生2 NADH2和4ATP（底物磷酸化），并消耗2ATP；1mol的丙酮酸經(jīng)TCA 循環(huán)，生成4mol NADH1mol FADH2 (黃素腺嘌呤二核苷酸) 、1molGTP(鳥嘌呤三核苷酸，隨后轉(zhuǎn)化成1mol的ATP)。通過呼吸鏈，1molNADH2產(chǎn)生3mol的ATP，1molFADH2產(chǎn)生2mol的ATP。最后得到的能量：（43+12+1）2+23+42=38（mol）ATP。釋放的總能量約2876KJ，38/2876=42%。其余的能量變成熱能耗散。這個效率是高的，所以好氧呼吸氧化徹底，能量利用效率高?？偡磻?yīng)過程：C6H12O6+6 O2 → 6 CO2+6 H2O +38 ATP3．無氧呼吸(分子外的無氧呼吸)在電子傳遞體系中，氧化NADH2時的最終電子受體不是氧氣，而是除O2外的無機(jī)化合物，如NONOSO4CO32及CO2等。無氧呼吸的氧化底物一般為有機(jī)物，如葡萄糖、乙酸和乳酸等，它們被氧化為CO2，有ATP產(chǎn)生。例如，以NO3為最終電子受體的情況： C6H12O6+6 H2O→ 6 CO2+24H24H+4 NO3→ 12 H2O +2N2總反應(yīng)：C6H12O6+4 NO3→6 CO2+2N2+6 H2O+能量釋放總能量為1756KJ ,得到2 ATP。上述過程被稱為反硝化作用，或硝酸鹽還原作用以其他無機(jī)氧化物為最終電子受體的情況：以SO42為最終電子受體如：2CH3CHOHCOOH+ H2SO4 2CH3COOH+2CO2+H2S+2H2O+1125kJ以CO2和CO為最終電子受體如：2CH3CH2OH+CO2CH4+2CH3COOH4H2+CO2CH4+2H2O3H2+COCH4+H2O三、微生物的發(fā)光現(xiàn)象發(fā)光細(xì)菌含兩種特殊的成分：蟲熒光素酶和長鏈脂肪族醛。發(fā)光過程（見圖）發(fā)光細(xì)菌被應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測及其他領(lǐng)域。第四節(jié) 微生物的合成代謝一、產(chǎn)甲烷菌的合成代謝產(chǎn)甲烷菌利用C1和C2有機(jī)物產(chǎn)生CO2和CH4，利用其中間代謝產(chǎn)物和能量物質(zhì)ATP合成蛋白質(zhì)、多糖、脂肪和核酸等物質(zhì)，用以構(gòu)成自身的細(xì)胞。如：嗜熱乙酸梭菌同化CO2合成乙酸（見圖）產(chǎn)甲烷菌同化CO2（逆三羧酸循環(huán)途徑） （見圖）二、化能自養(yǎng)型微生物的合成代謝各種化能自養(yǎng)型微生物的合成代謝的合成途徑不同，如硫氧化細(xì)菌的合成代謝為：H2S+2O2→SO42+2H+795KJ— CO2+4H→[CH2O]+H2O其余的見教材。三、光合作用1．藻類的光合作用（同綠色植物）白天，在有光的條件下，利用體內(nèi)的色素（葉綠素、類胡蘿卜素、藻藍(lán)素、藻紅素等），從H2O的光解中獲得H2，還原CO2成[CH2O]?？偡磻?yīng)式為：CO2+H2O →[CH2O]+ O22．細(xì)菌的光合作用細(xì)菌光合作用的供氫體為H2S和H2。因光合細(xì)菌種類不同，其光合反應(yīng)也有所不同。有三種生化反應(yīng)：（1）綠硫細(xì)菌屬 CO2+2H2S →[CH2O]+ 2S+ H2O（2）紅硫細(xì)菌科 2CO2+H2S+2 H2O→2[CH2O]+ H2SO4 （3）氫單胞菌屬 CO2+2H2 →[CH2O]+H2O光合細(xì)菌通過光周期把CO2固定，并轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣苜A存物——聚β羥基丁酸（PHB）。CO2固定的途徑為卡爾文循環(huán)，詳見圖。3．有機(jī)光合細(xì)菌的光合作用以光為能源，以有機(jī)物為供氫體還原CO2，合成有機(jī)物。有機(jī)酸和醇是它們的供氫體和碳源。例如，紅螺菌科的細(xì)菌能利用異丙醇作供氫體進(jìn)行光合作用，并積累丙酮。? (CH3)2CHOH+ CO2 → 2CH3COCH3+[CH2O]+H2O4．藻類光合作用與細(xì)菌光合作用的比較四、異養(yǎng)微生物的合成代謝異養(yǎng)微生物利用現(xiàn)成的有機(jī)物作碳源和能源，用分解過程中的中間代謝產(chǎn)物和分解代謝中得到的ATP合成自身細(xì)胞的組成成分。第五章 微生物的生長繁殖和影響因子主要內(nèi)容： ?微生物的生長繁殖 ?細(xì)菌的生長曲線 ?細(xì)菌生長曲線在污（廢）水微生物處理中的應(yīng)用 ?微生物的生存因子 ?不利環(huán)境因子對微生物的影響 ?微生物與微生物之間的關(guān)系第一節(jié) 微生物的生長繁殖一、生長繁殖的概念 ?(微)生物在適宜的環(huán)境條件下，不斷吸收營養(yǎng)物質(zhì)，按照自己的代謝方式進(jìn)行新陳代謝活動。正常情況下，同化作用大于異化作用，微生物的細(xì)胞不斷迅速增長，細(xì)胞長到一定程度時，就會由一個細(xì)胞分裂成細(xì)胞。 ?當(dāng)發(fā)生個體數(shù)目的增加時，就稱為繁殖。?單細(xì)胞生物的生長和繁殖?裂殖、芽殖、孢子繁殖等?多細(xì)胞生物的生長和繁殖 世代時間： ?單細(xì)胞微生物的世代時間：兩次細(xì)胞分裂之間的時間 ?多細(xì)胞生物的世代時間：兩次繁殖之間的時間 ? ?世代時間的大小反映了一種微生物繁殖速度的快慢。?不同種的微生物，其生長繁殖速度不同。原核微生物的繁殖速度一般比真核微生物快。? ?從一般應(yīng)用的角度，對于單細(xì)胞生物（如細(xì)菌），我們常常把生長=繁殖。二、研究微生物生長的方法 ?由于微生物個體太小，難以研究單個微生物，多數(shù)是通過培養(yǎng)研究其群體生長。常用的培養(yǎng)方法有：分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)。 ?（一）分批培養(yǎng) ?分批培養(yǎng)是將一定量的微生物接種在一個封閉的、盛有一定量液體培養(yǎng)基的容器內(nèi)，保持一定的溫度、pH和溶解氧量，微生物在其中生長繁殖；結(jié)果會出現(xiàn)微生物數(shù)量由少變多，達(dá)到高峰后又由多變少，甚至死亡的變化規(guī)律。細(xì)菌的生長曲線 ? ?各種細(xì)菌的生長速率不一，每一種細(xì)菌都有各自的生長曲線，但曲線的形狀基本相同。其他微生物也有形狀類似的生長曲線。污(廢)水生物處理中混合生長的活性污泥微生物也有類似的生長曲線。細(xì)菌的生長曲線圖P117微生物的生長曲線，可以細(xì)分為六個時期：停滯期、加速期、對數(shù)期、減速期、穩(wěn)定期和衰亡期也可以粗分為四個時期（比較常用）下面按四個時期分別進(jìn)行介紹。 ?1．停滯期 ?少量細(xì)菌剛接入一定量的新鮮液體培養(yǎng)基中，并不立即生長繁殖，需要有一個適應(yīng)過程（產(chǎn)生適應(yīng)酶）。此時細(xì)胞物質(zhì)開始增加，但數(shù)量不增加或增加很少。?停滯的長短取決于某些因素：接種量、菌齡、營養(yǎng)等。如果接種量大、菌齡小、營養(yǎng)和環(huán)境條件好，則停滯期就短。?處于停滯期的細(xì)菌對外界環(huán)境條件較敏感，易受外界不良環(huán)境條件的影響而發(fā)生變異2．對數(shù)期（指數(shù)期） ?細(xì)菌的生長速度達(dá)到最大，細(xì)菌數(shù)以幾何級數(shù)增加，在生長曲線上呈直線關(guān)系。 ? ?處于對數(shù)期的細(xì)菌，得到豐富的營養(yǎng)，代謝活力最強(qiáng)，細(xì)菌旺盛生長。此時的細(xì)菌比較整齊（群體內(nèi)比較一致）健壯。對不良環(huán)境條件的抗性也比較強(qiáng)。計算世代時間G : 已知：ttXX2， X2= X12n n=(lg X2lg X1) 由G=( t2 t1)/n 可得：G=( t2 t1)/[(lg X2lg X1)] 另一種方法是假設(shè)：dX/dt=K1X 其中K1為微生物的生長速度常數(shù) ln(X2/X1)= K1(t2 t1) 令X2=2 X1，則t2 t1=G 代入，得：G=ln2/ K1 即G=3．靜止期 ?由于對數(shù)期的細(xì)菌迅速生長繁殖，消耗了大量的營養(yǎng)物質(zhì)，同時代謝產(chǎn)物的大量積累對細(xì)菌本身產(chǎn)生毒害作用；另外，pH 、溶解氧、氧化還原電位等條件也變得不利。結(jié)果造成細(xì)菌的生長速率逐漸下降，甚至到零。 ?在靜止期，細(xì)菌總數(shù)達(dá)到最大，新生數(shù)與死亡數(shù)大致相等，保持動態(tài)平衡。此時的細(xì)菌開始積累貯存物質(zhì)，芽孢菌形成芽孢。4．衰老期 ?營養(yǎng)物質(zhì)被耗盡，細(xì)菌進(jìn)入內(nèi)源呼吸階段（微生物消耗自身的貯存物質(zhì)進(jìn)行呼吸）。有害物質(zhì)大量積累，不利于細(xì)菌的生長繁殖，此時，死亡率增加，活菌數(shù)減少。細(xì)菌常出現(xiàn)畸形或衰退型。 ?從根本上說，細(xì)菌的不同生長時期，是由外界提供的營養(yǎng)物的量決定的，即所謂的負(fù)荷（F/M）。 (二)連續(xù)培養(yǎng) ?連續(xù)培養(yǎng)有恒濁連續(xù)培養(yǎng)和恒化連續(xù)培養(yǎng)兩種。 ?1．恒濁連續(xù)培養(yǎng)——是一種使培養(yǎng)液中細(xì)菌的濃度恒定，以濁度為控制指標(biāo)的培養(yǎng)方式。按試驗?zāi)康模紫却_定培養(yǎng)液的濁度保持在某一恒定值上。調(diào)節(jié)進(jìn)水(含一定濃度的培養(yǎng)基)流速，使?jié)岫冗_(dá)到恒定(用自動控制的濁度計測定)。當(dāng)濁度較大時，加大進(jìn)水流速，以降低濁度。濁度較小時，降低流速，提高濁度。發(fā)酵工業(yè)采用此法可獲得大量的菌體和有經(jīng)濟(jì)價值的代謝產(chǎn)物。2．恒化連續(xù)培養(yǎng)——是維持進(jìn)水中的營養(yǎng)成分恒定(其中對細(xì)菌生長有限制作用的成分要保持低濃度水平)，以恒定流速進(jìn)水，以相同流速流出代謝產(chǎn)物，使細(xì)菌處于最高生長速率狀態(tài)的培養(yǎng)方式。 ? 在連續(xù)培養(yǎng)中 ，微生物的生長狀態(tài)和規(guī)律與分批培養(yǎng)中的不同。它們往往處于相當(dāng)分批培養(yǎng)中生長曲線的某一個生長階段。 三、細(xì)菌生長曲線在污（廢）水微生物處理中的應(yīng)用 ? 在污水生物處理過程中，如果條件適宜，活性污泥的增長過程，與純種單細(xì)胞微生物的增值過程大體相仿，也可以存在停滯期、對數(shù)期、靜止期和衰老期。但由于活性污泥是多種微生物的混合群體，其生長受廢水性質(zhì)、濃度、水溫、pH、溶解氧等多種環(huán)境因素影響，因此，在處理構(gòu)筑物中通常僅出現(xiàn)生長曲線中的某一、二個階段。且處于不同階段時的污泥，其特性有很大的區(qū)別。