微生物的生理代谢.pptx

第三章第三章 微生物的生理代谢微生物的生理代谢l第一节第一节 微生物的营养微生物的营养l第二节第二节 微生物的酶微生物的酶l第三节第三节 能量代谢能量代谢第一节第一节 微生物的营养微生物的营养l一、微生物细胞的一、微生物细胞的组成组成(一一)、元素元素元素元素构成构成l微生物细胞的化学元素分析表明，和其它生物一微生物细胞的化学元素分析表明，和其它生物一样。样。l 有机元素：有机元素：C、H、O、N等，占等，占90%；无机元素：占无机元素：占10%lP、S lK、Ca、Na、Mg、FelZn、Cu、Mn、Mo、Co 元素元素 细菌细菌 酵母菌酵母菌 霉菌霉菌 碳碳 50 49.8 47.9 氮氮 15 12.4 5.2 氢氢 8 6.7 6.7 氧氧 20 31.1 40.2 磷磷 3 硫硫 1 第一节第一节 微生物的营养微生物的营养l一、微生物细胞的组成一、微生物细胞的组成(二二)、物质组成、物质组成l微生物细胞由微生物细胞由70%-90%的水份的水份l20%的干物质组成的干物质组成蛋白质蛋白质核酸核酸碳水化合物碳水化合物脂类脂类第一节第一节 微生物的营养微生物的营养l一、微生物细胞的组成一、微生物细胞的组成(二二)、物质组成、物质组成细菌细菌酵母菌酵母菌霉菌霉菌蛋白质蛋白质50-8023-7414-52核酸核酸10-206-81-2碳水化合物碳水化合物12-2827-637-40脂类脂类5-202-154-40此外，还有维生素、色素、抗生素或毒素有机物此外，还有维生素、色素、抗生素或毒素有机物第一节第一节 微生物的营养微生物的营养l(一一)、水、水l(二二)、碳素营养、碳素营养l(三三)、氮素营养、氮素营养 l(四四)、无机盐类营养、无机盐类营养(矿质营养元素）矿质营养元素）l(五五)、生长因子、生长因子二、微生物的二、微生物的营养物质营养物质水水S水是微生物生长所必不可少的。水在细胞中的生理功能主要有：S起到溶剂与运输介质的作用，营养物质的吸收与代谢产物的分泌必须以水为介质才能完成；S参与细胞内一系列化学反应；S维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；S因为水的比热高，是热的良好导体，能有效地吸收代谢过程中产生的热并及时地将热迅速散发出体外，从而有效地控制细胞内温度的变化；S保持充足的水分是细胞维持自身正常形态的重要因素；S微生物通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构，如酶、微管、鞭毛及病毒颗粒的组装与解离。微生物利用的碳源物质微生物利用的碳源物质种类种类碳源物质碳源物质备注备注糖糖葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉、葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉、半乳糖、乳糖、甘露糖、纤维二糖、纤半乳糖、乳糖、甘露糖、纤维二糖、纤维素、半纤维素、甲壳素、木质素等维素、半纤维素、甲壳素、木质素等单糖优于双糖，己糖优于戊糖，淀粉优于单糖优于双糖，己糖优于戊糖，淀粉优于纤维素，纯多糖优于杂多糖。纤维素，纯多糖优于杂多糖。有机酸有机酸糖酸、乳酸、柠檬酸、延胡索酸、低级糖酸、乳酸、柠檬酸、延胡索酸、低级脂肪酸、高级脂肪酸、氨基酸等脂肪酸、高级脂肪酸、氨基酸等与糖类比效果较差，有机酸较难进入细胞，与糖类比效果较差，有机酸较难进入细胞，进入细胞后会导致进入细胞后会导致pHpH下降。当环境中缺乏下降。当环境中缺乏碳源物质时，氨基酸可被微生物作为碳源碳源物质时，氨基酸可被微生物作为碳源利用。利用。醇醇乙醇乙醇在低浓度条件下被某些酵母菌和醋酸菌利在低浓度条件下被某些酵母菌和醋酸菌利用。用。脂脂脂肪、磷脂脂肪、磷脂主要利用脂肪，在特定条件下将磷脂分解主要利用脂肪，在特定条件下将磷脂分解为甘油和脂肪酸而加以利用。为甘油和脂肪酸而加以利用。烃烃天然气、石油、石油馏分、石蜡油等天然气、石油、石油馏分、石蜡油等利用烃的微生物细胞表面有一种由糖脂组利用烃的微生物细胞表面有一种由糖脂组成的特殊吸收系统，可将难溶的烃充分乳成的特殊吸收系统，可将难溶的烃充分乳化后吸收利用。化后吸收利用。COCO2 2COCO2 2为自养微生物所利用。为自养微生物所利用。碳酸盐碳酸盐NaHCONaHCO3 3、CaCOCaCO3 3、白垩等、白垩等为自养微生物所利用。为自养微生物所利用。其他其他芳香族化合物、氰化物芳香族化合物、氰化物蛋白质、肋、核酸等蛋白质、肋、核酸等利用这些物质的微生物在环境保护方面有利用这些物质的微生物在环境保护方面有重要作用。重要作用。当环境中缺乏碳源物质时，可被微生物作当环境中缺乏碳源物质时，可被微生物作为碳源而降解利用。为碳源而降解利用。微生物利用的氮源物质微生物利用的氮源物质种类种类氮源物质氮源物质备注备注蛋白质蛋白质类类蛋白质及其不蛋白质及其不同程度降解产同程度降解产物物(胨、肽、氨胨、肽、氨基酸等基酸等)大分子蛋白质难进入细胞，一些真菌和少数细菌大分子蛋白质难进入细胞，一些真菌和少数细菌能分泌胞外蛋白酶，将大分子蛋白质降解利用，能分泌胞外蛋白酶，将大分子蛋白质降解利用，而多数细菌只能利用相对分子质量较小其降解产而多数细菌只能利用相对分子质量较小其降解产物物氨及铵氨及铵盐盐NHNH3 3、(NH(NH4 4)2 2SOSO4 4等等容易被微生物吸收利用容易被微生物吸收利用硝酸盐硝酸盐KNOKNO3 3等等容易被微生物吸收利用容易被微生物吸收利用分子氮分子氮N N2 2固氮微生物可利用，但当环境中有化合态氮源时，固氮微生物可利用，但当环境中有化合态氮源时，固氮微生物就失去固氮能力固氮微生物就失去固氮能力其他其他嘌呤、嘧啶、嘌呤、嘧啶、脲、胺、酰胺、脲、胺、酰胺、氰化物氰化物大肠杆菌不能以嘧啶作为唯一氮源，在氮限量的大肠杆菌不能以嘧啶作为唯一氮源，在氮限量的葡萄糖培养基上生长时，可通过诱导作用先合成葡萄糖培养基上生长时，可通过诱导作用先合成分解嘧啶的酶，然后再分解并利用嘧啶可不同程分解嘧啶的酶，然后再分解并利用嘧啶可不同程度的被微生物作为氮源加以利用度的被微生物作为氮源加以利用无机盐及其生理功能无机盐及其生理功能元素元素化合物形式化合物形式(常用常用)生理功能生理功能磷磷KHKH2 2POPO4 4，K K2 2HPOHPO4 4核酸、核蛋白、磷脂、辅酶及核酸、核蛋白、磷脂、辅酶及ATPATP等高能分子的等高能分子的成分，作为缓冲系统调节培养基成分，作为缓冲系统调节培养基pHpH。硫硫(NH(NH4 4)2 2SOSO4 4，MgSOMgSO4 4含硫氨基酸含硫氨基酸(半胱氨酸、甲硫氨酸等半胱氨酸、甲硫氨酸等)、维生素的、维生素的成分，谷胱甘肽可调节胞内氧化还原电位。成分，谷胱甘肽可调节胞内氧化还原电位。镁镁MgSOMgSO4 4己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核酸聚合酶等己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核酸聚合酶等活性中心组分，叶绿素和细菌叶绿素成分。活性中心组分，叶绿素和细菌叶绿素成分。钙钙CaClCaCl2 2，Ca(NOCa(NO3 3)2 2某些酶的辅因子，维持酶某些酶的辅因子，维持酶(如蛋白酶如蛋白酶)稳定性，芽稳定性，芽孢和某些孢子形成所需，建立细菌感受态所需。孢和某些孢子形成所需，建立细菌感受态所需。钠钠NaClNaCl细胞运输系统组分，维持细胞渗透压，维持某些细胞运输系统组分，维持细胞渗透压，维持某些酶的稳定性。酶的稳定性。钾钾KHKH2 2POPO4 4，K K2 2HPOHPO4 4某些酶的辅因子，维持细胞渗透压，某些嗜盐细某些酶的辅因子，维持细胞渗透压，某些嗜盐细菌核糖体的稳定因子。菌核糖体的稳定因子。铁铁FeSOFeSO4 4细胞色素及某些酶的组分，某些铁细菌的能源物细胞色素及某些酶的组分，某些铁细菌的能源物质，合成叶绿素、白喉毒素所需。质，合成叶绿素、白喉毒素所需。微量元素与生理功能微量元素与生理功能元素元素生理功能生理功能锌锌存在于乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、碱性磷酸酶、醛缩酶、存在于乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、碱性磷酸酶、醛缩酶、RNARNA与与DNADNA聚合酶中聚合酶中锰锰存在于过氧化物歧化酶、柠檬酸合成酶中存在于过氧化物歧化酶、柠檬酸合成酶中钼钼存在于硝酸盐还原酶、固氮酶、甲酸脱氢酶中存在于硝酸盐还原酶、固氮酶、甲酸脱氢酶中硒硒存在于甘氨酸还原酶、甲酸脱氢酶中存在于甘氨酸还原酶、甲酸脱氢酶中钴钴存在于谷氨酸变位酶中存在于谷氨酸变位酶中铜铜存在于细胞色素氧化酶中存在于细胞色素氧化酶中钨钨存在于甲酸脱氢酶中存在于甲酸脱氢酶中镍镍存在于脲酶中，为氢细菌生长所必需存在于脲酶中，为氢细菌生长所必需l生长因子生长因子(growth factor)通常指那些微生通常指那些微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成或合成量不足以满足机体生自身不能合成或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。长需要的有机化合物。生长因子生长因子l根据生长因子的化学结构和它们在机体中的生理功能的不同，可将生长因子分为维生素(vitamin)、氨基酸与嘌呤与嘧啶三大类。l维生素在机体中所起的作用主要是作为酶的辅基或辅酶参与新陈代谢；l有些微生物自身缺乏合成某些氨基酸的能力，因此必须在培养基中补充这些氨基酸或含有这些氨基酸的小肽类物质，微生物才能正常生长；l嘌呤与嘧啶作为生长因子在微生物机体内的作用主要是作为酶的辅酶或辅基，以及用来合成核苷、核苷酸和核酸。维生素及其在代谢中的作用维生素及其在代谢中的作用 化合物化合物代谢中的作用代谢中的作用对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸四氢叶酸的前体，一碳单位转移的辅酶四氢叶酸的前体，一碳单位转移的辅酶生物素生物素催化羧化反应的酶的辅酶催化羧化反应的酶的辅酶辅酶辅酶M M甲烷形成中的辅酶甲烷形成中的辅酶叶酸叶酸四氢叶酸包括在一碳单位转移辅酶中四氢叶酸包括在一碳单位转移辅酶中泛酸泛酸辅酶辅酶A A的前体的前体硫辛酸硫辛酸丙酮酸脱氢酶复合物的辅基丙酮酸脱氢酶复合物的辅基尼克酸尼克酸NADNAD、NADPNADP的前体，它们是许多脱氢酶的辅酶的前体，它们是许多脱氢酶的辅酶吡哆素吡哆素(B(B6 6)参与氨基酸和酮酶的转化参与氨基酸和酮酶的转化核黄素核黄素(B(B2 2)黄素单磷酸黄素单磷酸(FMN)(FMN)和和FADFAD的前体，它们是黄素蛋白的辅基的前体，它们是黄素蛋白的辅基钴胺素钴胺素(B(B1212)辅酶辅酶B B1212包括在重排反应里包括在重排反应里(为谷氨酸变位酶为谷氨酸变位酶)硫胺素硫胺素(B(B1 1)硫胺素焦磷酸脱羧酶、转醛醇酶和转酮醇酶的辅基硫胺素焦磷酸脱羧酶、转醛醇酶和转酮醇酶的辅基维生素维生素K K甲基酮类的前体，起电子载体作用甲基酮类的前体，起电子载体作用(如延胡索酸还原酶如延胡索酸还原酶)氧肟酸氧肟酸促进铁的溶解性和向细胞中的转移促进铁的溶解性和向细胞中的转移第一节第一节 微生物的营养微生物的营养l三、微生物的三、微生物的营养类型营养类型 光能自养光能自养 光能异养光能异养 化能自养化能自养 化能异养化能异养能源能源光能光能光能光能化学能化学能化学能化学能碳源碳源无机碳无机碳有机碳有机碳无机碳无机碳有机碳有机碳l三、微生物的三、微生物的营养类型营养类型(一一)、光能自养型（蓝细菌和藻类）、光能自养型（蓝细菌和藻类）l1、植物光合作用、植物光合作用(产产O2光合作用光合作用)l2、细菌光合作用、细菌光合作用(不产不产O2光合作用光合作用)第一节第一节 微生物的营养微生物的营养O2S无机无机化合物化合物第一节第一节 微生物的营养微生物的营养l三、微生物的三、微生物的营养类型营养类型(二二)、光能异养型、光能异养型第一节第一节 微生物的营养微生物的营养l三、微生物的三、微生物的营养类型营养类型(三三)、化能自养型、化能自养型1、硝化细菌、硝化细菌(1)、亚硝化细菌、亚硝化细菌NH4+1.5O2 NO2-+2H+H2O+65.1Kcal(2)、硝化细菌、硝化细菌NO2-+0.5O2 NO3-+18.1Kcal CO2+4H CH2O+H2O第一节第一节 微生物的营养微生物的营养l三三、微生物的、微生物的营养类型营养类型(三三)、化能自养型、化能自养型l2、硫细菌、硫细菌 H2S+0.5O2 S+H2O+50.1Kcal氧化硫杆菌：氧化硫杆菌：S+1.5O2+H2O SO42-+2H+149.8Kcal 5Na2S2O3+H2O+4O2 5Na2SO4+H2SO4+4S H2SO4+CaCO3 CaSO4+CO2+H2O Ca3(PO4)2+2H2SO4 2CaHPO4+CaSO4氧化亚铁硫杆菌：氧化亚铁硫杆菌：4FeSO4+O2+2H2SO4 2Fe2(SO4)3+2H2O黄铁矿氧化：黄铁矿氧化：FeS2+7Fe2(SO4)3+8H2O 15FeSO4+8H2SO4第一节第一节 微生物的营养微生物的营养l三、微生物的三、微生物的营养类型营养类型(三三)、化能自养型、化能自养型l3、铁细菌、铁细菌 4FeCO3+O2+H2O 4Fe(OH)3+4CO2+40Kcal4、其它：、其它：CO细菌、细菌、CH4细菌细菌第一节第一节 微生物的营养微生物的营养l三、微生物的三、微生物的营养类型营养类型(四四)、化能、化能异异养型养型有机物既是它们的碳源又是能源，如有机物分解菌。有机物既是它们的碳源又是能源，如有机物分解菌。自然界中大多数微生物属于这种类型，它们在物质转化、自然界中大多数微生物属于这种类型，它们在物质转化、废物处理中具有重要作用。废物处理中具有重要作用。第二节第二节 微生物的酶微生物的酶(enzyme)l酶是活体细胞产生的，并能在生物体内和体外起催酶是活体细胞产生的，并能在生物体内和体外起催化作用的一类特殊的蛋白质，也叫生物催化剂。化作用的一类特殊的蛋白质，也叫生物催化剂。l一、酶的性质一、酶的性质(一一)、蛋白质特性、蛋白质特性l1、两性特征及等电点、两性特征及等电点l2、胶体性质、胶体性质l3、变性、变性l4、沉淀反应、沉淀反应l5、颜色反应、颜色反应第二节第二节 微生物的酶微生物的酶(enzyme)第二节第二节 微生物的酶微生物的酶(enzyme)l一、酶的性质一、酶的性质(二二)、催化特性、催化特性l1、具有高度的专一性、具有高度的专一性 酶的底物酶的底物(基质基质)：酶作用的物质：酶作用的物质(1)、绝对专一性、绝对专一性CO(NH2)2+H2O 2NH3+CO2(2)、相对专一性、相对专一性l2、高效性、高效性2H2O2 2H2O+O2 1molFe每秒催化每秒催化10-5mol的的H2O2分解分解1mol的的H2O2酶每秒能催化酶每秒能催化105mol的的H2O2分解分解脲酶脲酶第二节第二节 微生物的酶微生物的酶(enzyme)l一、酶的性质一、酶的性质(二二)、催化特性、催化特性l1、具有高度的专一性、具有高度的专一性l2、高效性、高效性l3、酶的催化作用条件温和、酶的催化作用条件温和l4、酶易失活、酶易失活l5、酶在参与反应的前后，其性质和数量不变、酶在参与反应的前后，其性质和数量不变第二节第二节 微生物的酶微生物的酶(enzyme)l二二、酶的酶的分分类类l1、存在位置、存在位置内酶内酶外酶外酶l2、酶的组成、酶的组成单成分酶单成分酶多成分酶多成分酶(全酶全酶)第二节第二节 微生物的酶微生物的酶(enzyme)l二二、酶的酶的分分类类3、根据酶催化反应的性质、根据酶催化反应的性质(1)、水解酶类、水解酶类A-B+HOH AOH+BH(2)、氧化还原酶类、氧化还原酶类 AH2+B A+BH2 AH2是供氢体，根据供氢体的性质分为氧化酶、脱氢酶是供氢体，根据供氢体的性质分为氧化酶、脱氢酶(3)、转移酶类、转移酶类A-R+B A+B-R R如氨基、醛基、如氨基、醛基、酮基、磷酸基酮基、磷酸基(4)、异构酶类、异构酶类A A第二节第二节 微生物的酶微生物的酶(enzyme)l二二、酶的酶的分分类类3、根据酶催化反应的性质、根据酶催化反应的性质(1)、水解酶类、水解酶类(2)、氧化还原酶类、氧化还原酶类(3)、转移酶类、转移酶类(4)、异构酶类、异构酶类(5)、裂解酶类、裂解酶类AB A+B(6)、合成酶类、合成酶类 A+B+ATP AB+ADP+H3PO4第二节第二节 微生物的酶微生物的酶(enzyme)l二二、酶的酶的分分类类4、根据酶作用的底物、根据酶作用的底物淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核酸酶维素酶、核糖核酸酶第二节第二节 微生物的酶微生物的酶(enzyme)l三三、酶催化反应动力学、酶催化反应动力学酶催化酶催化反应速度反应速度：用用单位时间内底物的减少量或产单位时间内底物的减少量或产物生成的量表示。物生成的量表示。tP酶的反应过程曲线酶的反应过程曲线第二节第二节 微生物的酶微生物的酶(enzyme)l三三、酶催化反应动力学、酶催化反应动力学酶催化反应式酶催化反应式酶促反应的速度方程式酶促反应的速度方程式 (米氏公式米氏公式)K1底物浓度底物浓度S反反应应速速度度v底物浓度对酶反应速度的影响底物浓度对酶反应速度的影响最大反应速度最大反应速度V1/2VKm第二节第二节 微生物的酶微生物的酶(enzyme)l三三、酶催化反应动力学、酶催化反应动力学(一一)、酶浓度、酶浓度E对酶促反应的影响对酶促反应的影响Ev反应速度与酶浓度的关系反应速度与酶浓度的关系v=kE第二节第二节 微生物的酶微生物的酶(enzyme)l三三、酶催化反应动力学、酶催化反应动力学(二二)、基质浓度、基质浓度Sl1、酶反应需要适量的基质浓度、酶反应需要适量的基质浓度l2、过量底物与酶的激活剂、过量底物与酶的激活剂(如金属离子如金属离子)结合，结合，降低了激活剂的有效浓度使反应速度下降。降低了激活剂的有效浓度使反应速度下降。l3、过量的底物分子聚集在酶分子上生成无活性、过量的底物分子聚集在酶分子上生成无活性的中间产物，它不能释放酶分子，生成产物的中间产物，它不能释放酶分子，生成产物底物浓度底物浓度S反反应应速速度度v底物浓度对酶反应速度的影响底物浓度对酶反应速度的影响最大反应速度最大反应速度V1/2VKm第二节第二节 微生物的酶微生物的酶(enzyme)l三三、酶催化反应动力学、酶催化反应动力学(三三)、温度对酶促反应速度的影响、温度对酶促反应速度的影响l1、各种生物酶的最适温度不同、各种生物酶的最适温度不同l2、过高或过低的温度会使酶的催化效率降低、过高或过低的温度会使酶的催化效率降低l3、最适温度范围内，反应速度最快；最适温度、最适温度范围内，反应速度最快；最适温度内，温度每升高内，温度每升高10度，速度可相应提高度，速度可相应提高1-2倍倍第二节第二节 微生物的酶微生物的酶(enzyme)l三三、酶催化反应动力学、酶催化反应动力学(三三)、温度对酶促反应速度的影响、温度对酶促反应速度的影响温度温度反反应应速速度度温度对酶反应速度的影响温度对酶反应速度的影响第二节第二节 微生物的酶微生物的酶(enzyme)l三三、酶催化反应动力学、酶催化反应动力学(四四)、pH值对酶促反应速度的影响值对酶促反应速度的影响l1、引起底物分子和酶分子的带电状态的改变，、引起底物分子和酶分子的带电状态的改变，从而影响酶和底物的结合从而影响酶和底物的结合l2、过高、过低、过高、过低PH会影响酶的稳定性，进而遭会影响酶的稳定性，进而遭到不可逆性的破坏到不可逆性的破坏第二节第二节 微生物的酶微生物的酶(enzyme)l三三、酶催化反应动力学、酶催化反应动力学(四四)、pH值对酶促反应速度的影响值对酶促反应速度的影响pH反反应应速速度度pH对酶反应速度的影响对酶反应速度的影响最适最适pH第二节第二节 微生物的酶微生物的酶(enzyme)l三三、酶催化反应动力学、酶催化反应动力学(五五)、激活剂对酶促反应速度的影响、激活剂对酶促反应速度的影响l激活作用：酶促反应只有当某一种适当的物质激活作用：酶促反应只有当某一种适当的物质存在时，才表现出酶的催化活性或强化其催化存在时，才表现出酶的催化活性或强化其催化活性，该性质叫对酶的激活作用。活性，该性质叫对酶的激活作用。l激活剂：引起酶的催化活性或强化催化活性的激活剂：引起酶的催化活性或强化催化活性的物质物质1、无机阳离子、无机阳离子2、无机阴离子、无机阴离子3、有机化合物、有机化合物第二节第二节 微生物的酶微生物的酶(enzyme)l三三、酶催化反应动力学、酶催化反应动力学(六六)、抑制剂对酶促反应速度的影响、抑制剂对酶促反应速度的影响l酶的抑制作用：使酶活性降低或丧失的作用。酶的抑制作用：使酶活性降低或丧失的作用。该物质叫酶的抑制剂。该物质叫酶的抑制剂。竞争性抑制：抑制剂与底物机构类似，争先与酶的竞争性抑制：抑制剂与底物机构类似，争先与酶的活性中心结合，活性中心结合，从而降低酶促反应速度；从而降低酶促反应速度；非竞争性抑制：抑制剂与酶的活性中心以外的位点非竞争性抑制：抑制剂与酶的活性中心以外的位点结合，并不妨碍酶与底物的结合结合，并不妨碍酶与底物的结合lCompetitive inhibitionFactors Affecting Enzyme ActivitylNoncompetitive inhibitionFactors Affecting Enzyme Activity第二节第二节 微生物的酶微生物的酶(enzyme)l四四、酶在环境工程中的应用、酶在环境工程中的应用(一一)、酶在污水净化中的应用、酶在污水净化中的应用l1、酶制剂、酶制剂l2、固定化酶、固定化酶过程：提取、与载体结合酶过程：提取、与载体结合酶净化污水的方法：固定化酶载体表面与污水净化污水的方法：固定化酶载体表面与污水接触，进而使污水中有机污染物质在酶的直接触，进而使污水中有机污染物质在酶的直接作用下进行分解接作用下进行分解第二节第二节 微生物的酶微生物的酶(enzyme)l五、酶在环境工程中的应用五、酶在环境工程中的应用(二二)、酶在生化处理运行管理中的应用、酶在生化处理运行管理中的应用l1、脱氢酶是生化处理中的重要酶类之一，是催化、脱氢酶是生化处理中的重要酶类之一，是催化有机化合物进行氧化还原的酶有机化合物进行氧化还原的酶l2、脱氢酶能客观地反映生化处理中的生物活性、脱氢酶能客观地反映生化处理中的生物活性l3、脱氢酶活力除受原水水质影响外，还受底物、脱氢酶活力除受原水水质影响外，还受底物、产物、温度和产物、温度和PH的影响的影响第三节 能量代谢l(1)EMP HMP ED TCA l(2)Electron Transport/Respiration and fermentation最初最初能源能源有机物有机物还原态无机物还原态无机物日光日光化能异养微生物化能异养微生物化能自养微生物化能自养微生物光能营养微生物光能营养微生物通用能源通用能源（ATP）l一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是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。一切生物代谢的核心问题。l能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境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一切生命活动都中的多种形式的最初能源转换成一切生命活动都能使用的通用能源能使用的通用能源-ATPATP。l生物氧化生物氧化:分解代谢实际上是物质在生物体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，是一个产能代谢分解并释放能量的过程，是一个产能代谢过程。过程。l不同类型微生物进行生物氧化所利用的物不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同的，异养微生物利用有机物，自质是不同的，异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。进行产能代谢。l脱氢、递氢、受氢脱氢、递氢、受氢lThe oxidation of glucose to pyruvic acid,produces ATP and NADH.EMP/Glycolysisl2 ATPs are usedlGlucose is split to form 2 Glucose-3-phosphateEnergy-consuming StagePreparatoryStageGlucoseGlucose6-phosphateFructose6-phosphateFructose1,6-diphosphateDihydroxyacetonephosphate(DHAP)Glyceraldehyde3-phosphate(GP)12345l2 Glucose-3-phosphate oxidized to 2 Pyruvic acidl4 ATP producedl2 NADH producedEnergy-Conserving Stage1,3-diphosphoglyceric acid3-phosphoglyceric acid2-phosphoglyceric acidPhosphoenolpyruvic acid(PEP)678910Pyruvic acidlGlucose+2 ATP+2 ADP+2 PO4+2 NAD+2 pyruvic acid+4 ATP+2 NADH+2H+Glycolysis 耗能阶段耗能阶段C6 2C3 产能阶段产能阶段 4 ATP 2ATP2C3 2 丙酮酸丙酮酸 2 NADH2C C6 6H H1212O O6 6+2NAD+2NAD+2ADP+2Pi 2CH+2ADP+2Pi 2CH3 3COCOOH+2NADHCOCOOH+2NADH2 2+2H+2H+2ATP+2H+2ATP+2H2 2O O HMPHMP途径的总反应途径的总反应6 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADP+6H2O5 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADPH+12H+6CO2+Pi由六个葡萄糖分子参加反应，经一系列反应，最后回收五个葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（彻底氧化成CO2 和水），称完全HMP途径。HMP 途径的特点：l HMP 途径是从 6-磷酸葡萄糖酸脱羧开始降解的，这与 EMP 途径不同，EMP 途径是在二磷酸己糖基础上开始降解的。l HMP 途径中的特征酶是转酮酶和转醛酶。l HMP 途径一般只产生 NADPH2，不产生 NADH2。l HMP 途径中的酶系定位于细胞质中。HMPHMP途径的重要意义途径的重要意义为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。磷酸。产产生生大大量量NADPHNADPH2 2，为为脂脂肪肪酸酸、固固醇醇等等物物质质的的合合成成提提供供还还原原力力，并并且且通通过过呼吸链产生大量的能量。呼吸链产生大量的能量。与与EMPEMP途径在果糖途径在果糖-1,6-1,6-二磷酸和甘油醛二磷酸和甘油醛-3-3-磷酸处连接，调节戊糖供需关系。磷酸处连接，调节戊糖供需关系。途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸、碱基及多糖合成。途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸、碱基及多糖合成。途径中存在途径中存在3-73-7碳的糖，使微生物所能利用的碳源谱更广泛。碳的糖，使微生物所能利用的碳源谱更广泛。通通过过该该途途径径可可产产生生许许多多种种重重要要的的发发酵酵产产物物。如如核核苷苷酸酸、若若干干种种氨氨基基酸酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。HMPHMP途途径径在在总总的的能能量量代代谢谢中中占占一一定定比比例例，且且与与细细胞胞代代谢谢活活动动对对其其中中间间产产物的需要量相关。物的需要量相关。EDED途径途径 ATP ADP NADP+NADPH2葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-葡萄酸葡萄酸 激酶激酶 （与与EMP途径连接途径连接）氧化酶氧化酶(与与HMP途径连接途径连接)EMP途径途径 3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛 脱水酶脱水酶 2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸 EMP途径途径 丙酮酸丙酮酸 醛缩酶醛缩酶 有氧时与有氧时与TCA环连接环连接 无氧时进行细菌发酵无氧时进行细菌发酵 EDED途径的特点途径的特点葡萄糖经转化为葡萄糖经转化为2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷酸葡萄糖酸后，裂解成磷酸葡萄糖酸后，裂解成丙酮酸和丙酮酸和3-3-磷酸甘油醛，磷酸甘油醛，3-3-磷酸甘油醛再经磷酸甘油醛再经EMPEMP途径转化途径转化成为丙酮酸。结果是成为丙酮酸。结果是1 1分子葡萄糖产生分子葡萄糖产生2 2分子丙酮酸，分子丙酮酸，1 1分分子子ATPATP。EDED途径的特征反应是途径的特征反应是关键中间代谢物关键中间代谢物2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷酸磷酸葡萄糖酸（葡萄糖酸（KDPGKDPG）裂解为丙酮酸和）裂解为丙酮酸和3-3-磷酸甘油醛。磷酸甘油醛。EDED途途径的特征酶是径的特征酶是KDPGKDPG醛缩酶醛缩酶.反应步骤简单，产能效率低反应步骤简单，产能效率低.此途径可与此途径可与EMPEMP途径、途径、HMPHMP途径和途径和TCATCA循环相连接，可循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。好氧时与的需要。好氧时与TCATCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵循环相连，厌氧时进行乙醇发酵.lOxidation of acetyl CoA produces NADH and FADH2TCA Cycle1、循环一次的结果是乙酰、循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为的乙酰基被氧化为2分子分子CO2，并重新生成，并重新生成1分子草酰乙酸；分子草酰乙酸；2、整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将、整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将NAD+还原为还原为NADH+H+，另一步为，另一步为FAD还原；还原；3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。4、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体；体；5、生物体提供能量的主要形式；、生物体提供能量的主要形式；6、为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如柠檬酸发酵；径。如柠檬酸发酵；Glu发酵等。发酵等。TCATCA循环的重要特点循环的重要特点电子传递与氧化呼吸链电子传递与氧化呼吸链定义：定义：由一系列氧化还原势不同的氢传递体组成的一组由一系列氧化还原势不同的氢传递体组成的一组链状传递顺序。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷链状传递顺序。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生酸化反应发生偶联，就可产生ATPATP形式的能量。形式的能量。部位部位：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在线粒：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在线粒体内膜上。体内膜上。成员：成员：电子传递是从电子传递是从NADNAD到到O O2 2，电子传递链中的电子传递，电子传递链中的电子传递体主要包括体主要包括FMNFMN、CoQCoQ、细胞色素、细胞色素b b、c c 1 1、c c、a a、a a和一和一些铁硫些铁硫蛋蛋白。这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们白。这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们的氧化还原电势大小排列，电子的氧化还原电势大小排列，电子依次依次传递传递。Chemiosmosis