第五章第五章 新陈新陈代谢代谢1代谢概论代谢概论代谢（代谢（metabolism）：）：推动一切生命活动的动力源，细胞内发生的各种推动一切生命活动的动力源，细胞内发生的各种化学反应的总称。化学反应的总称。代谢代谢分解代谢分解代谢(catabolism) 异化作用异化作用合成代谢合成代谢(anabolism) 同化作用同化作用复杂分子复杂分子（有机物）（有机物）分解代谢分解代谢合成代谢合成代谢简单小分子简单小分子ATPH新陈代谢的本质既存在高度的新陈代谢的本质既存在高度的统一性统一性，又存在明显的，又存在明显的多样性多样性。23微生微生物产物产生和生和利用利用能量能量及其及其与代与代谢的谢的关系关系图图4一、概述 葡萄糖降解代谢途径生物氧化： 发酵作用 产能过程 呼吸作用（有氧或无氧呼吸）1、化能异养微生物的生物氧化与产能第一节第一节 微生物的产能代谢微生物的产能代谢 将最初能源转换成通用的ATP过程5生物氧化的生物氧化的形式形式：某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种：某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种生物氧化的生物氧化的功能功能为：为：产能（产能（ATP）、产还原力）、产还原力HH和产小分子中间代谢物和产小分子中间代谢物自养微生物利用自养微生物利用无机物无机物异养微生物利用异养微生物利用有机物有机物生物生物氧化氧化能量能量微生物直接利用微生物直接利用储存在高能化合物（如储存在高能化合物（如ATP）中）中以热的形式被释放到环境中以热的形式被释放到环境中生物氧化的生物氧化的过程过程：脱氢、递氢和受氢三种：脱氢、递氢和受氢三种62、化能自养微生物的生物氧化与产能 通常是化能自养型细菌，一般是好氧菌。利用固定C02作为它们的碳源。其产能的途径主要也是借助于无机电子供体(能源物质)的氧化，从无机物脱下的氢(电子)直接进入呼吸链通过氧化磷酸化产生ATP。代谢特点 1）无机底物脱下的氢（电子）从相应位置 直接进入呼吸链 2）存在多种呼吸链 3）产能效率低； 4）生长缓慢，产细胞率低。73、光能自养或异氧微生物的产能代谢 指具有捕捉光能并将它用于合成ATP和产生NADH或NADPH的微生物。分为不产氧光合微生物和产氧光合微生物 。前者利用还原态无机物H2S，H2或有机物作还原C02的氢供体以生成NADH和NADPH。后者由H2O分子光解产物H和电子形成还原力(NADPH+H) （还原型烟酰胺腺嘌呤二还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸核苷酸磷酸）8二、葡萄糖降解代谢途径（EMPEMP、HMPHMP、EDED等。）等。） 1）EMP途径（糖酵解途径、己糖二磷酸途径） 葡萄糖 丙酮酸丙酮酸 有氧：有氧：EMPEMP途径与途径与TCATCA途径连接；产生途径连接；产生6ATP6ATP 无氧：还原一些代谢产物，无氧：还原一些代谢产物， ( (专性厌氧微生物专性厌氧微生物专性厌氧微生物专性厌氧微生物) )产能的唯一途径。产能的唯一途径。 10 步反应丙酮酸丙酮酸乳酸：无氧乳酸：无氧乙醛乙醇：无氧与TCA连接，将丙酮酸彻底氧化成二氧化碳和水9分为两个阶段：1、3个分子6-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶等催化下经氧化脱羧生成6个分子NADPH+HNADPH+H+ +，3个分子COCO2 2和3个分子5-磷酸核酮糖2、5-5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖在转酮酶和转醛酶催化下使部分碳链进行相互转换，经三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最终生成2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油醛（中间产物：核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸）。2）HMP 途径（戊糖戊糖磷酸途径磷酸途径、己糖一磷酸途径、己糖一磷酸途径）1011HMP途径的总反应6 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADP+6H2O 5 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADPH+12H+6CO2+Pi6C6ATP12NADPH+H+6C56CO2经呼吸链经呼吸链36ATP5C635ATP重新合成己糖重新合成己糖12特点：a a 、不经、不经EMPEMP途径和途径和TCATCA循环而得到彻底氧化，无循环而得到彻底氧化，无ATPATP生生成，成， b b、产大量的产大量的NADPH+HNADPH+H+ +还原力还原力 ；c c、产各种不同长度的产各种不同长度的重要的中间物（重要的中间物（5-5-5-5-磷酸核糖磷酸核糖磷酸核糖磷酸核糖、4-4-磷酸磷酸- -赤藓糖赤藓糖 ）d d、单独单独HMPHMP途径较少，一般与途径较少，一般与EMPEMP途径同存途径同存 e e、HMPHMP途径是戊糖代谢的主要途径途径是戊糖代谢的主要途径。 13 3）ED（KDPG）途径 2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂解途径 1952年 Entner-Doudoroff ：嗜糖假单胞嗜糖假单胞菌菌 过程： （4步反应） 1 葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡糖酸 KDPG6-磷酸-葡萄糖-脱氢酶3-磷酸-甘油醛 + 丙酮酸KDPG醛缩酶醛缩酶特点: a、步骤简单 b、产能效率低：1 ATP c、关键中间产物 KDPG，特征酶：KDPG醛缩酶 细菌：铜绿、荧光假单胞菌,根瘤菌,固氮菌,农杆菌,运动发酵单胞菌等。14ATPATP 有氧时经呼吸链有氧时经呼吸链6ATP6ATP 无氧时无氧时 进行发酵进行发酵 2 2乙醇乙醇2ATP2ATPNADH+HNADH+H+ +NADPH+HNADPH+H+ +2 2丙酮酸丙酮酸 ATP C6H12O6 KDPGED途径的总反应C6H12O6+ADP+ Pi +NADP+ +NAD+2CH3COCOOH+ATP+NADPH+H+NADH+H+15 1、定义定义 广义：广义：利用微生物利用微生物生产有用代谢一种生产方式。生产有用代谢一种生产方式。 狭义：狭义：厌氧条件下，以自身内部某些厌氧条件下，以自身内部某些中间代谢中间代谢 产物产物作为最终氢（电子）受体的产能过程作为最终氢（电子）受体的产能过程 特点：特点： 1 1）通过底物水平磷酸化产）通过底物水平磷酸化产ATPATP； 2 2）葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在于）葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在于 发酵产物中；发酵产物中； 3 3）产能率低；）产能率低； 4 4）产多种发酵产物。）产多种发酵产物。 三、发酵（fermentantion）162、发酵类型1） 乙醇发酵 a、酵母型乙醇发酵 1 G 2丙酮酸 2 乙醛 + CO2 2 乙醇 + 2 ATP 条件：pH 3.54.5 , 厌氧菌种：酿酒酵母、少数细菌（胃八叠球菌、解淀粉欧文氏菌等） i、加入NaHSO4 NaHSO4 + 乙醛 磺化羟乙醛（难溶） 甘油甘油 ii、弱碱性（pH 7.5） 2 乙醛 1 乙酸 + 1 乙醇 （歧化反应）磷酸二羟丙酮作为氢受体，经水解去磷酸生成甘油甘油发酵（EMP）17b b、细菌型乙醇发酵、细菌型乙醇发酵 ( (发酵单胞菌和嗜糖假单胞菌发酵单胞菌和嗜糖假单胞菌) ) 同型酒精发酵同型酒精发酵 ：EDED途径途径G+2ADP+2Pi 2乙醇+2 CO2+2ATP 异型酒精发酵(乳酸菌、肠道菌和一些嗜热细菌） ：HMP途径G+ADP+Pi 乳酸+乙醇+CO2+ATP 18 2）乳酸发酵乳酸发酵 同型乳酸发酵 （德氏乳杆菌、植物乳杆菌等） EMP途径（丙酮酸 乳酸） G+2ADP+2Pi 2乳酸+2ATP 异型乳酸发酵:除乳酸外还有乙醇、乙酸、CO2 肠膜明串株菌 产能 ：1ATP 双歧杆菌（HMP） 产能：2G 5 ATP即 1G 2.5ATP 193)混合酸、丁二醇发酵a 混合酸发酵： 肠道菌（E.coli、沙氏菌、志贺氏菌等）1 G丙酮酸乳酸乳酸乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 乙酰-CoA +甲酸甲酸丙酮酸甲酸解酶丙酮酸甲酸解酶草酰乙酸丙酸丙酸PEP羧化酶羧化酶磷酸转乙酰基酶磷酸转乙酰基酶乙醛脱氢酶乙醛脱氢酶乙酸激酶乙酸激酶乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶乙酸乙酸 乙醇乙醇E.coli与志贺氏菌的区别：葡萄糖发酵试验： E.coli、产气肠杆菌 甲酸 CO2 + H2 （甲酸氢解酶甲酸氢解酶、H+） 志贺氏菌无此酶，故发酵G 不产气。CO2 + H2 20b b 丁二醇发酵（丁二醇发酵（2 2，3-3-丁二醇发酵）丁二醇发酵） 肠杆菌、沙雷氏菌、欧文氏菌等丙酮酸乙酰乳酸3-羟基丁酮乙二酰红色物质（乙酰乳酸脱氢酶）（乙酰乳酸脱氢酶）（OHOH- -、O O2 2）中性丁二醇丁二醇精氨酸胍基其中两个重要的鉴定反应： 1 、VP实验 2、甲基红（M.R）反应产气肠杆菌： V.P.试验（+），甲基红（-） E.coli： V.P.试验（-），甲基红（+）V.P.试验的原理：21 4）氨基酸的发酵产能（stickland反应）stickland反应：以一种氨基酸作底物脱氢，而以另一种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵类型。发酵菌体：生孢梭菌生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌、双 酶梭菌等。 特点：氨基酸的氧化与另一些氨基酸还原相偶联； 产能效率低（1ATP） 22氧化 丙氨酸丙酮酸-NH3NADNAD+ +NADHNADH乙酰-CoANADNAD+ +NADHNADH乙酸乙酸 + + ATPATP甘氨酸乙酸乙酸甘氨酸-NH3还原CH3CHNH2COOH+ 2CH2NH2CH2NH2ADP+Pi ATP3CH3COOH+3NH3+CO2(丙氨酸丙氨酸)供体供体(甘氨酸甘氨酸)受体受体(乙酸乙酸)23四、呼吸（respiration） 从葡萄糖或其他有机物质脱下的电子或氢 经过系列载体最终传递给外源O2或其他氧 化型化合物并产生较多ATP的生物氧化过程。 有氧呼吸（aerobic respiration） 无氧呼吸（anaerobic respiration） 1 有氧呼吸 原核微生物：胞质中，仅琥珀酸脱氢酶在膜上 真核微生物：线粒体内膜上 2 个产能的环节：TCA 循环、电子传递。24TCATCA循环的生理意义：循环的生理意义：（1 1）为细胞提供能量。）为细胞提供能量。（2 2）三羧酸循环是微生物细胞内各种能源物质彻底）三羧酸循环是微生物细胞内各种能源物质彻底氧化的共同代谢途径。氧化的共同代谢途径。 （3)3)三羧酸循环是物质转化的枢纽。三羧酸循环是物质转化的枢纽。 25（2）电子传递链1）电子传递链载体: NAD(P)H脱氢酶 黄素蛋白(FP) 铁-硫蛋白 辅酶Q（CoQ） 细胞色素类蛋白 在线粒体内膜中以5个载体复合物的形式从低氧化还原势的化合物到高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物逐级排列。 262） 氧化磷酸化产能机制 化学渗透假说化学渗透学说-英国生物化学家PeterMitchell于1961年提出的。 在氧化磷酸化过程中,通过呼吸链有关酶系的作用,可将底物分子上的质子从膜内侧传递到膜的外侧,从而造成了膜两侧质子分布不均匀,此即质子动势的由来,也是合成ATP的能量来源.通过ATP酶的逆反应可把质子从膜的外侧重新回到膜的内侧,于是在消除质子动势的同时合成了ATP. 质子推动力（p）取决于跨膜的质子浓度（pH）和内膜两侧的电位差（）。 27 特点： a常规途径脱下的氢，经部分呼吸链传递； b氢受体：氧化态无机物（个别：延胡索酸） c产能效率低。 硝酸盐呼吸（反硝化作用）即硝酸盐还原作用 特点： a 有其完整的呼吸系统； b 只有在无氧条件下，才能诱导出反硝化作 用所需的硝酸盐还原酶A、亚硝酸还原酶等 c 兼性厌氧 细菌：铜绿假单胞、地衣芽孢杆菌等。2 无氧呼吸（厌氧呼吸）28同化性硝酸盐作用：同化性硝酸盐作用： 作为氮源营养物作为氮源营养物 NONO3 3- - NH NH3 3 - N - N R - NHR - NH2 2 异化性硝酸盐作用：还原异化性硝酸盐作用：还原 无氧条件下，利用无氧条件下，利用NONO3 3 3 3- - - -为最终氢受体为最终氢受体 NONO3 3- - NO NO2 2 NO NO N N2 2O O N N2 2 反硝化意义：反硝化意义：1 1）使土壤中的氮（硝酸盐）使土壤中的氮（硝酸盐NONO3-3-）还原成氮气而消失，降低土壤的肥力；）还原成氮气而消失，降低土壤的肥力；2 2）反硝化作用在氮素循环中起重要作用）反硝化作用在氮素循环中起重要作用。 亚硝酸还原酶亚硝酸还原酶氧化氮还原酶氧化氮还原酶氧化亚氮还原酶氧化亚氮还原酶硝酸盐还原酶硝酸盐还原酶 硝酸盐呼吸（反硝化作用）硝酸盐呼吸（反硝化作用）29 硫酸盐呼吸（硫酸盐还原） 厌氧时，SO42- 、SO32-、S2O32- 等为末端电 子受体的呼吸过程。 特点： a、严格厌氧； b、大多为古细菌 c、极大多数为专性化能异氧型，少数为混合型； d、最终产物为H2S； SO42- SO32- SO2 S H2S e、利用有机质（有机酸、脂肪酸、醇类）作 为氢供体或电子供体； f、环境： 富含SO42-的厌氧环境（土壤、海水、污水等） 30硫呼吸硫呼吸 （硫还原）（硫还原） 以元素以元素S S作为唯一的末端电子受体。作为唯一的末端电子受体。 电子供体：乙酸、小肽、葡萄糖等电子供体：乙酸、小肽、葡萄糖等 最终产物为最终产物为H H2 2S S，一般为厌氧菌。，一般为厌氧菌。氧化乙酸脱硫单胞菌氧化乙酸脱硫单胞菌氧化乙酸脱硫单胞菌氧化乙酸脱硫单胞菌碳酸盐呼吸（碳酸盐还原） 以以COCO2 2、HCOHCO3 3- - - - 为末端电子受体为末端电子受体 产甲烷菌产甲烷菌 利用利用H H2 2作电子供体（能源）、作电子供体（能源）、COCO2 2为为 受体，受体，产物产物CHCH4 4；产乙酸细菌产乙酸细菌 H H2 2 / CO / CO2 2 进行无氧呼吸，产物进行无氧呼吸，产物为为乙酸乙酸。 31其他类型无氧呼吸 以以FeFe3+3+、MnMn2+2+许多有机氧化物等作为末许多有机氧化物等作为末 端电子受体的无氧呼吸。端电子受体的无氧呼吸。 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 + 1 ATP + 1 ATP 。被砷、硒化合物污染的土壤中，厌氧条件下生长一些还被砷、硒化合物污染的土壤中，厌氧条件下生长一些还原硫细菌。原硫细菌。利用微生物还原利用微生物还原AsO43-生产三硫化二砷（雌黄）生产三硫化二砷（雌黄）作用：生物矿化和微生物清污作用：生物矿化和微生物清污32第二节 微生物特有的合成代谢途径一、细菌的光合作用 真核生物：藻类及其他绿色植物 产氧 原核生物：蓝细菌光能营养型生物 不产氧 （仅原核生物有）：光合细菌1、光合细菌类群1）产氧光合细菌好氧菌 各种绿色植物、藻类 蓝细菌：专性光能自养。 (H2S环境中，只利用光合系统进行不产氧作用)。 332）不产氧光合细菌a、紫色细菌 只含菌绿素a 或 b。紫硫细菌（着色菌科）（紫硫细菌（着色菌科）（旧称红硫菌科）含紫色类胡萝卜素，菌体较大，沉积胞内。氢供体：H2S、H2 或 有机物。 H2S S SO42- ； 少数暗环境以S2O32-作为电子供体。氧化铁紫硫细菌（氧化铁紫硫细菌（Chromatium属）利用FeS,或Fe2+ 2+ 氧化产生Fe(OH)3沉淀342、细菌光合色素 1）叶绿素（chlorophyll）：680、440nm 2）菌绿素 a、b、c、d、e、g。 a ：与叶绿素 a 基本相似；850nm处。 b：最大吸收波长8401030。 3）辅助色素：提高光利用率 类胡萝卜素： 藻胆素：蓝细菌独有 藻红素（550nm）、藻蓝素（620 640 nm） 藻胆蛋白：与蛋白质共价结合的藻胆素。 353、细菌光合作用1）循环光合磷酸化 细菌叶绿素将捕获的光能传输给其反应中心叶绿素，吸收光能并被激发，使它的还原电势变得很负，被逐出的电子经过由脱镁菌绿素(bacteriopheophytin，Bph)、CoQ、细胞色素b和c组成的电子传递链传递返回到细菌叶绿素，同时造成了质子的跨膜移动，提供能量用于合成ATP。特点： a、光驱使下，电子自菌绿素上逐出后，经过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素； b、产ATP和还原力H分别进行，还原力来自H2S等无机物； c、不产氧（O2）。 36 2 2）非循环光合磷酸化）非循环光合磷酸化 特点：特点： a a、电子传递非循环式；、电子传递非循环式； b b、在有氧的条件下进行；、在有氧的条件下进行； c c、ATPATP、还原力、还原力、O O2 2同时产生同时产生 当光反应中心的叶绿素吸收光量子能量后释放的电子，当光反应中心的叶绿素吸收光量子能量后释放的电子，经过黄素蛋白和铁氧还蛋白经过黄素蛋白和铁氧还蛋白(Fd)(Fd)传递给传递给NAD+NAD+（NADPNADP ）生成）生成NADHNADH（NADPHNADPH）+H+H ( (还原力还原力) )，而不是返回氧化型。而不是返回氧化型。 37二、细菌化能自养作用细菌化能自养作用 化能无机营养型细菌：通常是化能自养型细菌，一般是好氧菌。 产能的途径主要是借助于无机电子供体(能源物质)的氧化，从无机物脱下-的氢(电子)直接进入呼吸链通过氧化磷酸化产生ATP。最普通的电子供体是氢、还原型氮化合物、还原型硫化合物和亚铁离子(Fe2)。 固定C02作为它们的碳源。最重要反应： CO2 还原成CH20水平的简单有机物，进一步合成复杂细胞成分 大量耗能、耗还原力的过程。381 1 硝化细菌硝化细菌硝化细菌硝化细菌 能氧化氮的化能无机营养型细菌。杆状、椭圆形、球形、螺旋形或裂片状，能氧化氮的化能无机营养型细菌。杆状、椭圆形、球形、螺旋形或裂片状，能氧化氮的化能无机营养型细菌。杆状、椭圆形、球形、螺旋形或裂片状，能氧化氮的化能无机营养型细菌。杆状、椭圆形、球形、螺旋形或裂片状，且它们可能有极生或周生鞭毛。且它们可能有极生或周生鞭毛。且它们可能有极生或周生鞭毛。且它们可能有极生或周生鞭毛。好氧、没有芽孢的革兰氏阴性有机体，好氧、没有芽孢的革兰氏阴性有机体，好氧、没有芽孢的革兰氏阴性有机体，好氧、没有芽孢的革兰氏阴性有机体， 在细胞质中有非常发达的内膜复合体。在细胞质中有非常发达的内膜复合体。在细胞质中有非常发达的内膜复合体。在细胞质中有非常发达的内膜复合体。将氨氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用。将氨氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用。将氨氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用。将氨氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用。 a a、亚硝化细菌亚硝化细菌 NHNH3 3 3 3 +O +O2 2 2 2 + 2H + 2H+ + NH NH2 2 2 2OH + HOH + H2 2 2 2O O 氨单加氧酶羟氨氧化酶HNO2 +4H+ +4e- b、硝化细菌NO2- + H2O 亚硝酸氧化酶NO3-+ 2H+ +2e-根据它们氧化无机化合物的不同也称氨氧化细菌(产生1分子ATP) 39 2 2 氢细菌（氧化氢细菌）氢细菌（氧化氢细菌） 能利用氢作为能源的细菌组成的生理类群称氢细菌或氢氧化能利用氢作为能源的细菌组成的生理类群称氢细菌或氢氧化细菌细菌( (hydrogen oxidizing bacteriahydrogen oxidizing bacteria) )。 兼性化能自养菌兼性化能自养菌 主要有假单胞菌属、产碱杆菌属主要有假单胞菌属、产碱杆菌属(Alcaligenes)(Alcaligenes)、副球菌属、芽、副球菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属孢杆菌属、黄杆菌属(Flavobacterium)(Flavobacterium)、水螺菌属、水螺菌属(Aquaspirillum)(Aquaspirillum)、分支杆菌属、分支杆菌属( (Mycobacterium)Mycobacterium)和诺卡氏菌属和诺卡氏菌属(Nocardia)(Nocardia)等。等。 产能：产能： 2H2H2 2 + O + O2 2 2 H 2 H2 2O O 合成代谢反应：合成代谢反应： 2H2H2 2 + CO + CO2 2 CH CH2 2O + HO + H2 2O O。403 3 3 3 硫细菌（硫氧化细菌）硫细菌（硫氧化细菌）硫细菌（硫氧化细菌）硫细菌（硫氧化细菌） 利用利用H H2 2 2 2S S、S0S02 2 2 2、S S2 2 2 2O O3 3 3 32-2-2-2-等无机硫化物进等无机硫化物进行自养生长行自养生长, ,主要指化主要指化能自氧型硫细菌能自氧型硫细菌 嗜酸型嗜酸型硫细菌硫细菌能氧化能氧化元素硫和还原性硫化元素硫和还原性硫化物外，还能将亚铁离物外，还能将亚铁离子子(Fe(Fe2 2) )氧化成铁离子氧化成铁离子(Fe(Fe3 3) )。41产能途径第一阶段，H2S、S0和S2O32等硫化物被氧化为SO32第二阶段，形成的SO32进一步氧化为SO42和产能。1、由细胞色素亚硫酸氧化酶将SO32直接氧化成为SO42，并通过电子传递磷酸化产能，普遍存在于硫杆菌中。2、磷酸腺苷硫酸(adenosine phosphosulfate，APS)途径。在这条途径中，亚硫酸与腺苷单磷酸反应放出2个电子生成一种高能分子，放出的电子经细胞电子传递链的氧化磷酸化产生ATP。由腺苷酸激酶的催化，每氧化1分子SO32产生1.5分子ATP。 424 4 铁细菌和细菌沥滤铁细菌和细菌沥滤 (1) (1) 铁细菌铁细菌（多数为化能自养，少数兼性厌氧，多数为化能自养，少数兼性厌氧，产能低。）产能低。） 定义：能氧化定义：能氧化FeFe2 2成为成为FeFe3 3并产能的细菌被称并产能的细菌被称为铁细菌为铁细菌( (iron bacteriairon bacteria) )或铁氧化细菌或铁氧化细菌( (iron iron oxidizing bacteriaoxidizing bacteria) )。包括亚铁杆菌属。包括亚铁杆菌属( (FerrobacillusFerrobacillus) )、嘉利翁氏菌属、嘉利翁氏菌属( (GallionellaGallionella) )、纤发菌属、纤发菌属( (LeptothrixLeptothrix) )、泉、泉发菌属发菌属( (CrenothrixCrenothrix) )和球衣菌属和球衣菌属( (SphaerotilusSphaerotilus) )的成员。的成员。 有些氧化亚铁硫杆菌有些氧化亚铁硫杆菌( (Thiobacillus Thiobacillus frrooxidansfrrooxidans) )和硫化叶菌的一些成员，除了能和硫化叶菌的一些成员，除了能氧化元素硫和还原性硫化物外，还能将亚铁离氧化元素硫和还原性硫化物外，还能将亚铁离子子(Fe(Fe2 2) )氧化成铁离子氧化成铁离子(Fe(Fe3 3) )，所以它们既是，所以它们既是硫细菌硫细菌硫细菌硫细菌，也是，也是铁细菌铁细菌铁细菌铁细菌。 大多数铁细菌为专性化能自养，但也有兼性大多数铁细菌为专性化能自养，但也有兼性化能自养的。化能自养的。 大多数铁细菌还是嗜酸性的。大多数铁细菌还是嗜酸性的。 铁细菌的细胞产率也相当低铁细菌的细胞产率也相当低 43 (2) 细菌沥滤 利用嗜酸性氧化铁和硫细菌氧化矿物中硫和硫化物的能力，让其不断制造和再生酸性浸矿剂，将硫化矿中重金属转化成水溶性重金属硫酸盐而从低品位矿中浸出的过程。又称细菌浸出或细菌冶金。原理：a、浸矿剂的生成 2S + 3O2 + 2H2O 2H2SO4 4FeSO4 + 2H2SO4 + O2 2Fe2（SO4）3 + 2 H2Ob、低品位铜矿中铜以CuSO4形式浸出 CuS + 2 Fe2（SO4）3 + 2H2O + O2 CuSO4 + 4FeSO4 +2H2SO4 c、铁屑置换CuSO4中的铜 CuSO4 + Fe FeSO4 + Cu 适于次生硫化矿和氧化矿的浸出，浸出 率达70% 80%。 441、固氮微生物的种类 一些特殊类群的原核生物原核生物能够将分子态氮还原为氨，然后再由氨转化为各种细胞物质。微生物利用其固氮酶系催化大气中的分子氮还原成氨的过程称为固氮作用固氮作用。 自生固氮菌自生固氮菌：独立固氮（氧化亚铁硫杆菌等） 共生固氮菌：与它种生物共生才能固氮 形成根瘤及其他形式 联合固氮菌： 必须生活在植物根际、叶面或动物 肠道等处才能固氮的微生物。 根际芽孢杆菌属；叶面固氮菌属。三、固氮作用452、固氮机制、固氮机制1 1）固氮反应的条件）固氮反应的条件 a a ATPATP的供应：的供应： 1 mol N1 mol N2 2 10 15 ATP 10 15 ATP b b 还原力还原力HH及其载体及其载体 氢供体：氢供体：H H2 2、丙酮酸、甲酸、异柠檬酸等。、丙酮酸、甲酸、异柠檬酸等。 电子载体：铁氧还蛋白（电子载体：铁氧还蛋白（FdFd）或黄素氧）或黄素氧 还蛋白（还蛋白（FldFld） 。 c c 固氮酶固氮酶固氮酶固氮酶 组分组分 I I ：真正：真正“ “固氮酶固氮酶” ”，又称，又称钼铁蛋钼铁蛋 白白（MFMF）、）、钼铁氧还蛋白钼铁氧还蛋白（MoFdMoFd） 46组分组分II： 固氮酶还原酶，不含钼，又称固氮酶还原酶，不含钼，又称铁蛋白铁蛋白、固氮、固氮 铁氧还蛋白（铁氧还蛋白（AzoFdAzoFd）特性：特性： 对氧极为敏感；需有对氧极为敏感；需有MgMg2+2+的存在；的存在； 专一性：除专一性：除N N2 2外，可还原其他一些化合物外，可还原其他一些化合物 C C2 2H H2 2 C C2 2H H4 4； 2H2H+ + H H2 2 ； N N2 2O O N N2 2 ；HCN HCN CH CH4 4 + NH + NH3 3 （乙炔反应：乙炔反应：可用来测知酶活）可用来测知酶活） d d 还原底物还原底物N N2 2： NHNH3 3存在时会抑制固氮作用存在时会抑制固氮作用。47 N2 + 2e + 6H+ +（18 24）ATP 2NH3 + H2 +（18 24）ADP + 18 24 Pi 固氮阶段 N2* 2NH3 + H2 即 75% 还原力用来还原N2，25%的还原力 以H2形式浪费2）固氮生化过程48 第三节第三节 微生物次级代谢与次级代谢产物微生物次级代谢与次级代谢产物次级代谢与次级代谢产物次级代谢与次级代谢产物 一一般般将将微微生生物物通通过过代代谢谢活活动动所所产产生生的的自自身身繁繁殖殖所所必必需需的的物物质质和和能能量量的的过过程程，称称为为初初级级代代谢谢, ,该该过过程程所所产产生生的的产产物物即即为为初初级级代代谢谢产产物物，如如氨氨基基酸酸、核核苷苷类类，以以及及酶酶或或辅辅酶酶等。等。 次次级级代代谢谢是是指指微微生生物物在在一一定定的的生生长长时时期期，以以初初级级代代谢谢产产物物为为前前体体，合合成成一一些些对对于于该该微微生生物物没没有有明明显显的的生生理理功功能能且且非非其其生生长长和和繁繁殖殖所所必必需需的的物物质质的的过过程程。这这一一过过程程的的产产物物，即即为为次次级级代代谢谢产产物物，如如抗抗生生素素、激激素素、生生物物碱碱、毒毒素及维生素等。素及维生素等。49 次次级级代代谢谢与与初初级级代代谢谢关关系系密密切切，初初级级代代谢谢的的关关键键性性中中间间产产物物往往往往是是次次级级代代谢谢的的前前体体，比比如如糖糖降降解解过过程程中中的的乙乙酰酰-CoA-CoA是是合合成成四四环环素素、红红霉霉素素的的前前体体；一一般般菌菌体体的的次次级级代代谢谢在在对对数数生生长长后后期期或稳定期间进行，受环境条件的影响；或稳定期间进行，受环境条件的影响； 次次级级代代谢谢产产物物的的合合成成，因因菌菌株株不不同同而而异异，但但与与分分类类地地位位无无关关；与次级代谢的关系密切的质粒则控制着多种抗生素的合成。与次级代谢的关系密切的质粒则控制着多种抗生素的合成。 次级代谢产物次级代谢产物在微生物生命活动过程中的产生极其微量，对微在微生物生命活动过程中的产生极其微量，对微生物本身的生命活动没有明显作用，当次级代谢途径被阻断时，生物本身的生命活动没有明显作用，当次级代谢途径被阻断时，菌体生长繁殖仍不会受到影响，因此，它们菌体生长繁殖仍不会受到影响，因此，它们没有一般性的生理没有一般性的生理功能，功能，也也不是不是生物体生长繁殖的生物体生长繁殖的必需物质必需物质，但对其它生物体往，但对其它生物体往往往具有不同的生理活性作用具有不同的生理活性作用，因此，人们利用这些具有各种生，因此，人们利用这些具有各种生理活性的次级代谢产物生产具有应用价值的药物。理活性的次级代谢产物生产具有应用价值的药物。 50一、微生物代谢产物的利用利用微生物代谢过程中产生的众多代谢产物生产各种发酵产品。按照积累产物类型： 初级代谢产物，如氨基酸、核苷类，以及酶或辅酶； 次级代谢产物，抗生素、激素、生物碱、毒素及维生 素等。按照发酵类型： 自然发酵：酒精、乳酸等， 代谢控制发酵：终端产物，赖氨酸、鸟苷酸、腺苷酸等； 中间产物，柠檬酸、-酮戊二酸、琥珀酸、 高丝氨酸、肌苷酸、黄苷酸等；第四节第四节 微生物代谢与生产实践微生物代谢与生产实践 51发酵条件的控制人们通过对微生物菌种营养和培养条件的控制生产所要的目的产品:1）培养条件：温度、pH值、渗透压的控制；2）营养成分的控制：葡萄糖浓度、碳氮比、生长因子、无机离子等；3）溶解氧的控制：通气量，搅拌等。52微生物代谢与代谢工程微生物代谢与代谢工程微生物代谢与代谢工程微生物代谢与代谢工程 近近年年来来，基基因因工工程程的的不不断断发发展展，也也为为微微生生物物代代谢谢在在发发酵酵生生产的应用提供了新的方法。产的应用提供了新的方法。 人人们们通通过过分分子子生生物物学学技技术术和和DNADNA重重组组技技术术, , 可可以以定定向向地地对对细细胞胞代代谢谢途途径径进进行行修修饰饰或或引引入入新新的的反反应应，以以改改进进产产物物的的生生成成或或改改变变细细胞胞的的代代谢谢特特性性。但但这这些些改改进进都都是是与与微微生生物物的的基基因调控和代谢调控及生化工程相结合来实现的。因调控和代谢调控及生化工程相结合来实现的。 利利用用DNADNA重重组组技技术术改改变变微微生生物物代代谢谢流流，扩扩展展和和构构建建新新的的代代谢谢途途径径，或或通通过过关关联联酶酶将将两两个个代代谢谢途途径径连连接接形形成成新新的的的的代代谢流的研究谢流的研究，取得了令人瞩目的进展，取得了令人瞩目的进展。53 二、微生物代谢活性的利用 1生物转化 生生物物转转化化是是指指利利用用生生物物体体代代谢谢过过程程中中产产生生的的酶酶使使底底物物进进行行有有机机反反应应。生生物物转转化化一一般般采采用用微微生生物物细细胞胞或或微生物酶作催化剂，故又称作微生物酶作催化剂，故又称作微生物转化。微生物转化。 微微生生物物转转化化的的一一个个重重要要领领域域是是手手性性化化合合物物的的合合成成与与拆分。拆分。 主主要要应应用用在在药药物物、香香料料，杀杀虫虫剂剂、杀杀菌菌剂剂，除除草草剂剂，昆虫激素等方面昆虫激素等方面。542 2 2 2微生物降解秸杆微生物降解秸杆微生物降解秸杆微生物降解秸杆 秸秸秆秆成成分分中中的的纤纤维维素素和和半半纤纤维维素素能能够够被被草草食食动动物物的的瘤瘤胃胃微微生生物物充充分分降降解解利利用用，但但由由于于木木质质素素和和纤纤维维素素之之间间镶镶嵌嵌在在一一起起形形成成坚坚固固的的酯酯键键，阻阻碍碍了了瘤瘤胃胃微微生生物物对对纤纤维维素素的的降降解解，导导致致秸秸秆秆消消化化率率低低。因因此此提提高高秸秸秆秆消消化化率率的的关关键键是是降降解解木木质质素素，打打断酯键。断酯键。 英英国国AstonAston大大学学最最近近从从秸秸秆秆堆堆中中分分离离出出一一种种白白腐腐真真菌菌，用用作作处处理秸秆，可使秸秆的体外消化率从理秸秆，可使秸秆的体外消化率从19.63%19.63%提高到提高到41.13%41.13%。 白白腐腐真真菌菌分分解解木木质质素素的的机机理理是是：在在适适宜宜的的条条件件下下，白白腐腐真真菌菌的的菌菌丝丝首首先先用用其其分分泌泌的的超超纤纤维维氧氧化化酶酶溶溶解解表表面面的的蜡蜡质质，然然后后菌菌丝丝进进入入秸秸秆秆内内部部，并并产产生生纤纤维维素素酶酶、半半纤纤维维素素酶酶、内内切切聚聚糖糖酶酶、外外切切聚聚糖糖酶酶，降降解解秸秸秆秆中中的的木木质质素素和和纤纤维维素素，使使其其成成为含有酶的糖类，从而使秸秆变得香甜可口，易于消化吸收。为含有酶的糖类，从而使秸秆变得香甜可口，易于消化吸收。553 3 3 3微生物冶金、采油微生物冶金、采油微生物冶金、采油微生物冶金、采油 人类利用具有人类利用具有氧化硫化物矿中的硫和硫化物能力的微生物氧化硫化物矿中的硫和硫化物能力的微生物将硫化矿中的重金属通过转化成高度水溶性的重金属硫酸将硫化矿中的重金属通过转化成高度水溶性的重金属硫酸盐而从低品位矿中浸出来盐而从低品位矿中浸出来生产黄金生产黄金。 如，氧化亚铁硫杆菌如，氧化亚铁硫杆菌( (Thiobacillus ferooxidansThiobacillus ferooxidans) )的氧化的氧化作用可从金矿石中除去硫、砷，浸提黄金，如果用化学方作用可从金矿石中除去硫、砷，浸提黄金，如果用化学方法浸提金的话，其得率不到法浸提金的话，其得率不到7070； 俄罗斯科学家使用多种适于在俄罗斯科学家使用多种适于在石油石油中生存的中生存的微生物微生物，将其，将其与催化剂一同置于采油管内，这些微生物新陈代谢的产物与催化剂一同置于采油管内，这些微生物新陈代谢的产物可以大大可以大大增强石油的流动性增强石油的流动性，从而，从而提高采油率提高采油率，而不会影，而不会影响石油的质量。响石油的质量。 564 4生物降解生物降解 迄今为止迄今为止, ,已知的环境污染物达数十万种之多，已知的环境污染物达数十万种之多，其中大量的是有机物。由于微生物的代谢类型其中大量的是有机物。由于微生物的代谢类型极其多样，作为一个整体，极其多样，作为一个整体，微生物分解有机物微生物分解有机物的能力是惊人的。可以说，凡自然界存在的有的能力是惊人的。可以说，凡自然界存在的有机物，几乎都能被微生物所分解。机物，几乎都能被微生物所分解。 我们可从中我们可从中筛选筛选出一些出一些污染物的高效降解菌污染物的高效降解菌。更可利用这一原理定向驯化、选出污染物的高更可利用这一原理定向驯化、选出污染物的高效降解菌，以使不可降解的或难降解的污染物，效降解菌，以使不可降解的或难降解的污染物，转变为能降解的，甚至能使它们迅速、高效地转变为能降解的，甚至能使它们迅速、高效地去除。去除。 57n谢谢 谢！谢！58