第四章 微生物的生理

本章主要内容 1、微生物的酶 2、微生物的营养 3、微生物的产能代谢 4、微生物的合成代谢 代谢：是生命细胞内发生的各种化学反应的总称； 产能代谢：也称异化作用，物质分解反应，放出能量； 合成代谢：也称同化作用，物质合成反应，消耗能量。

第一节 微生物的酶 功用 产地 酶的概念 酶是动植物、微生物等生物合成的，催化生物化学反应的、并传递电子、原子和化学集团的生物催化剂。 第一节 微生物的酶 功用 产地 酶的概念 酶是动植物、微生物等生物合成的，催化生物化学反应的、并传递电子、原子和化学集团的生物催化剂。 微生物的所有营养和代谢活动必须在酶的参与下才能正常进行。

一、酶的组成 1. 酶的组成有两类： ①单成分酶，只含蛋白质； ②全酶，除了蛋白质，还含有辅助因子，如：小分子有机物（不含氮）、金属离子等。 全酶的所有组分必须齐全，缺一不可，否则就会失去本有活性。

单成分酶 水解酶 微生物的酶 酶蛋白+有机物 脱氢酶 酶蛋白+有机物+金属离子 丙酮酸脱氢酶 全酶 酶蛋白+金属离子 细胞色素氧化酶

2.酶的各组分的功能： ①酶蛋白起加速反应作用； ②其他辅酶、辅基传递电子、原子和化学集团； ③金属离子除传递电子，还起激活剂作用。 辅酶辅基：Fe2+、NAD、NADP、FAD、FMN等。 辅酶与辅基的区别只在于它们与酶蛋白结合的牢固程度不同，并无严格的界限。前者与蛋白质结合的较松弛，后者则结合较紧。

二、酶蛋白的结构 酶蛋白也是蛋白质，由20种氨基酸组成。排列顺序不同，蛋白质不同。 氨基酸由肽键（-CO-NH-）连接形成多肽链，两条连或单链在卷曲时相邻的基团可以由氢键、盐键、脂键、范德华力及金属键相连接。 这样，便使酶蛋白呈现以下四种结构。

1.一级结构：多肽链本身结构； 2.二级结构：多肽链形成的初级结构，由氢键连接； 3.三级结构：在二级结构基础上进一步扭曲形成的更 复杂的结构，有氢键、盐键、脂键等； 4.四级结构：由多个亚基形成。 亚基：由一个或多个多肽链在三级结构的基础上形成的小单位。

三级结构 四级结构 二级结构

三、酶的活性中心 酶的活性中心指的是酶蛋白分子能与底物结合，并发挥催化作用的小部分氨基酸区。分有结合部位和催化部位。

四、酶的分类和命名 1.按照催化反应的类型： 水解酶、氧化还原酶、转移酶、异构酶、裂解酶、合成酶。 a.水解酶：催化大分子有机物水解成小分子。 AB+H2O AOH+BH b.氧化还原酶：催化物质的氧化还原反应。 AH2+B A+BH2

乳酸

c.转移酶：催化底物基团转移到另一个有机物上。 AR+B A+BR 1.按照催化反应的类型： c.转移酶：催化底物基团转移到另一个有机物上。 AR+B A+BR R:氨基、醛基、酮基、磷酸基 d.异构酶：催化同分异构体的基团重新排列。 A A` 如：葡萄糖形成为果糖。

1.按照催化反应的类型： e.裂解酶：催化底物裂解为小分子有机物。 A C+B f.合成酶：催化底物的合成反应。 A+B+ATP AB+ADP+Pi

2.按照酶在细胞的位置： 胞内酶（大部分）、胞外酶、表面酶 3.按照催化的底物： 淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶

五、酶的催化特性 1.酶和一般催化剂的比较 　　共性： 　　(1).用量少而催化效率高。 　　(2).仅能改变化学反应的速度，并不能改变化学反应的平衡点。 　　(3).可降低反应的活化能 2.酶作为生物催化剂的特性

2.酶作为生物催化剂的特性 (1).催化效率高：反应速度是无酶催化或普通人造催化剂催化反应速度的103次方至1010次方倍。 如：在同样条件下，只是催化剂不同，催化H2O2分解,用H2O2酶1秒可催化105mol，用FeCl3，1秒只催化10-5 mol。 　 (2).酶的作用具有高度的专一性 一种酶只能催化一种或一类反应。 绝对专一性 酶的专一性 相对专一性 立体异构专一性

2.酶作为生物催化剂的特性 (3).反应条件温和：常温、常压、中性。 (4).敏感性：对环境条件极为敏感，酶容易失活 。

六.影响酶活力的因素 通过下列反应： E + S ES E + P Km——米氏常数，表示反应速度为最大速度一半时的底物浓度。 k1 k3 酶 底物 中间产物 酶 最终产物 得出米－门公式（酶促反应方程式） 其中 Km——米氏常数，表示反应速度为最大速度一半时的底物浓度。

理论：当底物分子浓度足够时，酶促反应速度与[E]成正比，即当[S]足够大时，[E]越大，酶促反应速度越快。 从米－门公式可知，酶促反应速度与[E]和[S]有关。实际上，也要受到温度、pH、激活剂、抑制剂的影响。 1.[E]对酶促反应的影响 理论：当底物分子浓度足够时，酶促反应速度与[E]成正比，即当[S]足够大时，[E]越大，酶促反应速度越快。 实际：当[E]达到一定浓度时，酶促反应速度就趋于平缓。 [E] v 酶浓度与v的关系

当[E]为定值，且[S]从零逐渐增大时，酶促反应与[S]成正比。但当所有的E变成了ES后，即使再增加[S]，酶促反应速度也不会增加。 底物浓度与v的关系 [S] v 酶0.004 酶0.003 酶0.002 酶0.001

酶在最佳适应范围内，它的活性最高，酶促反应速度最大。 温度每升高10℃，酶促反应速度提高1～2倍。用Q10表示，通常在1.4～2.0之间。 3.温度对酶促反应的影响 酶在最佳适应范围内，它的活性最高，酶促反应速度最大。 温度每升高10℃，酶促反应速度提高1～2倍。用Q10表示，通常在1.4～2.0之间。 过高过低的温度都会影响酶促反应。但也有很大不同： 高温时，酶会受到破坏，发生不可逆变性，甚至完全失去活性。 低温时，可降低酶的活性，但不会失去活性，当温度恢复时，活性即恢复。 T v 温度与v的关系

4.pH对酶促反应的影响 酶在最适pH值范围内才表现出正常活性，过高过低的pH值都会降低酶的活性。 pH对酶活性的影响： a.改变底物与酶的带电状态，影响二者结合； b.过高、过低pH值都会影响酶的稳定性，使酶受到不可逆破坏。

5.激活剂对酶促反应的影响 能够对酶起激活作用的物质称为激活剂。如：Fe2+、Cu2+、Br－、SO42-、维生素等。 某些酶必须在加入激活剂后才会真正表现出催化性能或增强催化性能。 微生物体内有的酶虽然形成了，但并不起催化作用，称为酶原。当加入了催化剂后才会表现为催化作用。

6.抑制剂对酶促反应的影响 有些物质可减弱、抑制、破坏酶活性，称为抑制剂。 如：重金属离子（Ag+、Hg2+）、CO、H2S等。 抑制剂作用机理： a.竞争性抑制 b.非竞争性抑制

补充：酶的应用 1.皮革脱毛 传统方式：灰碱法（生石灰和硫化钠） 缺点：污染、劳动强度大、效率低。 蛋白酶法：蛋白酶分解 优点：效率高、劳动条件好；无污染。 2.生物制浆 利用微生物的酶分解原料中的木质素，形成纤维素用于造纸。

第二节 微生物的营养 营养:微生物获得和利用营养物质的过程。 营养物质:能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质。 第二节 微生物的营养 营养:微生物获得和利用营养物质的过程。 营养物质:能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质。 营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是微生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。 微生物不断获得营养物质，将其变成细胞组分，并将废弃物排出体外的过程称为新陈代谢。

其中，C、H、O、N是所有生物的有机元素。 一、微生物的化学组成 微生物体内的70～90％为水，剩下的为干物质。干物质，则主要为有机物和无机物组成。其中，有机物约占干重的90%~97％,主要为蛋白质、核酸、糖和脂肪。 主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁、氯等 微量元素：铜、锌、锰、钼、硒、钴等 其中，C、H、O、N是所有生物的有机元素。

水是微生物本身组分；溶剂；有利于对营养的吸收；生化反应在溶液中进行。 二、微生物的营养物及营养类型 　五大要素：水、碳源、氮源、生长因子、无机盐。 1.水 水是微生物本身组分；溶剂；有利于对营养的吸收；生化反应在溶液中进行。

在微生物生长过程中能为微生物提供碳素来源的物质。 2.碳源 在微生物生长过程中能为微生物提供碳素来源的物质。 光能自养 无机碳 自养微生物 化能自养 碳源 光能异养 有机碳 异养微生物 化能异养

微生物利用的碳源物质主要有糖类、有机酸、醇、脂类、烃、CO2及碳酸盐等。 微生物最好的碳源是糖尤其是葡萄糖、蔗糖。 对于为数众多的化能异养微生物来说，碳源是兼有能源功能营养物。

凡是能够供给微生物氮素营养的物质称为氮源。氮源的作用是为蛋白质的合成提供原料。 3.氮源 凡是能够供给微生物氮素营养的物质称为氮源。氮源的作用是为蛋白质的合成提供原料。 氨基酸 蛋白质 核 酸 尿 素 有机氮 氮源 硝酸盐 铵 盐 NH3 N2 无机氮

按对氮源的要求不同，微生物可分为： 1.固氮微生物 利用空气中的N2合成自身所需的氨基酸及蛋白质。 代表：根瘤菌、固氮蓝菌、固氮菌。 2.以无机氮化物为氮源的微生物 利用NH3、铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐为氮源。 代表：亚硝化菌、硝化菌、放线菌、霉菌等。

按对氮源的要求不同，微生物可分为： 3.以某种氨基酸为氮源的微生物 也为异养微生物，不能利用无机氮合成蛋白质，只会利用现成的氨基酸合成。 代表：乳酸菌、丙酸细菌等。 4.以分解蛋白质而获得氮源的微生物 把蛋白质分解后，形成NH3、氨基酸和肽，然后根据自己所需再次形成蛋白质。 代表：氨化细菌、霉菌、酵母菌等。

4.无机盐 1.细胞组成部分； 2.构成酶的组分和维持酶的活性； 3.调节渗透压、pH、氧化还原电位； 4.能源； 作用 5.酶的激活剂； 根据微生物对矿质元素需要量大小可以把它分成: 大量元素： P 、S、 K、 Na、Mg、Ca、Fe等。 微量元素:是指那些在微生物生长过程中起重要作用，而机体对这些元素的需要量极其微小的元素。 通常需要量在10－6～10－8mol/L。如：锌、锰、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。

1）P P对于微生物的作用很重要，所有的微生物都需要磷源。 a.合成核酸、核蛋白、磷脂及其他含磷物质的重要元素。 b.是一些辅酶的组成部分。如：NAD、ATP、ADP等。 c.在磷酸化中起作用。 d.高能磷酸键。 e.缓冲剂。 2）S S是一些氨基酸的组分，一般为硫氢基（－SH）的形式。 S及硫化物是好氧微生物的能源。

5.生长因子 生长因子：那些微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成的或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。 生长因子主要有：维生素C、B维生素、氨基酸、碱基对等。

三 微生物的营养类型 自养型生物 生长所需要的 营养物质 异养型生物 光能营养型 生物生长过程中 能量的来源 化能营养型

根据碳源、能源及电子供体性质的不同，可将微生物分为： 1.光能无机自养型 2.光能有机异养型 3.化能无机自养型 4.化能有机自养型

营养类型 划分依据 营养类型 特点 碳源 自养型 以CO2 为唯一或主要碳源 异养型 以有机物为碳源 能源 光能营养型 以光为能源 化能营养型 以有机物氧化释放的化学能为能源 电子供体 无机营养型 以还原性无机物为电子供体 有机营养型 以有机物为电子供体

能以CO2为主要唯一或主要碳源；进行光合作用获取生长所需要的能量；以无机物如H2、H2S、S等作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞物质； 1．光能无机自养型（光能自养型） 能以CO2为主要唯一或主要碳源；进行光合作用获取生长所需要的能量；以无机物如H2、H2S、S等作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞物质； 例如，藻类及蓝细菌等和植物一样，以水为电子供体（供氢体），进行产氧型的光合作用，合成细胞物质。而红硫细菌，以H2S为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。 光能 CO2+ 2H2S [ CH2O] + 2S+ H2O 光合色素

2．光能有机异养型（光能异养型） 不能以CO2为主要或唯一的碳源；以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原为细胞物质；在生长时大多数需要外源的生长因子；

3．化能无机自养型（化能自养型） 生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能；以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时，利用H2、H2S、Fe2+ 、NH3或NO2-等作为电子供体使CO2还原成细胞物质。 化能无机自养型只存在于微生物中，可在完全无机及无 光的环境中生长。它们广泛分布于土壤及水环境中,参 与地球物质循环；

4．化能有机异养型（化能异养型） 生长所需要的能量均来自有机物氧化过程中放出的化学能；生长所需要的碳源主要是一些有机化合物，如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等。 大多数细菌、真菌、原生动物都是化能有机异养型微生物； 所有致病微生物均为化能有机异养型微生物；

四、C/N/P比 微生物要想正常生长、繁殖，需要稳定的营养，栽培养时，应该注意五大营养都有供给。但是，不同的微生物对于营养元素的比例需求不同，一般用C/N/P比来表示。 污水好氧处理：C：N：P＝100：5：1（化学污泥法）； 厌氧法： C：N：P＝200：5：1 对于一些行业的工业废水，常常会出现营养不足，就需要进行供给或补充。

五、微生物的培养基 培养基是人工根据微生物得营养要求，将水、碳源、氮源、无机盐、生长因子等物质按照一定得比例配制的，用以培养微生物（生长繁殖或产生代谢产物）的营养基质。 培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础。任何培养基都应该为微生物生长提供五大营养要素。

(一)、配置培养基的顺序和原则 1.配置培养基的顺序 烧杯加水 依次加入营养物质 各成分的顺序：1).缓冲化合物；2).无机元素； 3).微量元素；4).生长因子。最后调节pH。 2.配置培养基的原则 无菌 目的明确 营养协调 理化条件适宜 经济节约

根据不同的微生物的营养要求配制针对强的培养基。 1).无菌 2).目的明确 根据不同的微生物的营养要求配制针对强的培养基。 3).营养协调 培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好，营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需，浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用。 培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（C/N）的影响较大。

例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，培养基碳氮比为4/1时，菌体量繁殖，谷氨酸积累少；当培养基碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。

4).理化条件适宜—— pH 培养基的pH必须控制在一定的范围内，以满足不同类型 微生物的生长繁殖或产生代谢产物。 通常培养条件： 细菌与放线菌：pH7~7.5 酵母菌和霉菌：pH4.5~6范围内生长 为了维持培养基pH的相对恒定，通常在培养基中加入 pH缓冲剂，如K2HPO4、(NH4)2SO4或在进行工业发酵时补加酸、碱。 有些缓冲剂既可调节pH也是营养物质。

(二) 、培养基的类型及应用 　　培养基种类繁多，根据其成分、物理状态和用途可将培养基分成多种类型。 含用化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物 牛肉膏蛋白胨培养基、麦芽汁培养基 天然培养基 合成培养基 复合培养基 按成分不同划分 化学成分完全了解的物质配制而成的培养基 无机物+有机物

按物理状态不同划分 固体培养基 琼脂含量一般为0.3%～0.5% 半固体培养基 液体培养基 在液体培养基中加入一定量凝固剂，使其成为固体状态，琼脂含量一般为1.5%～3.0% 固体培养基常用来进行微生物的分离、鉴定、活菌计数及菌种保藏 按物理状态不同划分 液体培养基 固体培养基 半固体培养基 琼脂含量一般为0.3%～0.5% 观察微生物的运动特征、分类鉴定 不加任何凝固剂 大规模工业生产及在实验室进行微生物的基础理论和应用方面的研究

牛肉膏蛋白胨培养基是最常用的基础培养基 基础培养基 按用途不同划分 加富培养基 选择培养基 鉴别培养基 在基础培养基中加入某些特殊营养物质制成的一类营养丰富的培养基 按用途不同划分 用来将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来的培养基 用于鉴别不同类型微生物的培养基

选择培养基： 利用微生物对某些物质的敏感程度不同，在培养基中加入一些敏感物质，这样就可以利用这些物质来抑制非目的性微生物的生长，从而使得所需的微生物大量繁殖。 如：在培养基中有革兰氏阴性菌也有革兰氏阳性菌，但想培养的是革兰氏阴性菌，就可以加入胆汁酸盐，抑制阳性菌的繁殖。

鉴别培养基： 利用几种细菌对某一物质的分解能力不同，借助指示剂的显色不同进行菌种鉴别和区分的培养基。 如：大肠杆菌中的大肠埃希氏菌、枸橼酸盐杆菌、产气杆菌、副大肠杆菌四个，对乳糖的分解能力不同。 其中副大肠杆菌不能分解，大肠埃希氏菌最强，菌落呈紫红色且带金属光泽；枸橼酸盐杆菌次之，菌落呈紫红色或深红色；产气杆菌最低，菌落呈淡红色。

六、营养物质进入细胞的方式 根据物质运输过程的特点，可将物质的运输方式分为： 1.单纯扩散 2.促进扩散 3.主动运输 4.基团转位 四种运输方式也称为四种跨膜方式

1．单纯扩散 原生质膜是一种半透性膜，营养物质通过原生质膜上的小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内进行扩散。 ①物质在扩散过程中没有发生任何反应； ②不消耗能量；不能逆浓度运输； 特点 ③运输速率较慢，与膜内外物质的浓度差成正比

水、O2、CO2是可以通过扩散自由通过原生质膜的分子，脂溶性物质被磷脂溶解也可通过单纯扩散进出细胞，并比水溶性物质速度快。

2．促进扩散 单纯扩散速度慢，不能满足微生物要求，有些物质也无法靠单纯扩散进入细胞。这些营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。为了能够获得这些营养，微生物通过特殊的生理结构来帮助上述物质进入。这些特殊结构实际就是特异性蛋白质，可与营养物质进行可逆性结合，在细胞质膜内外循环往来运输营养物质，称其为载体蛋白。因其具有类似酶的一些性质，如专一性，又被称为渗透酶。一种酶只对同一物质或同类进行运输，因此，为了能够获得多重营养，细胞质膜上有多种载体蛋白来完成一些营养物质的促进扩散。 不耗能量，动力仍为浓度梯度。

2．促进扩散

①不消耗能量 ②参与运输的物质本身的分子结构不发生变化 特点 ③不能进行逆浓度运输 ④运输速率与膜内外物质的浓度差成正比 ⑤需要载体参与

3．主动运输 主动运输是广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式。 它的一个重要特点是物质运输过程中需要消耗能量和载体，而且可以进行逆浓度运输。运输过程需要三种渗透酶的作用即：单向转运载体、同向转运载体、反向转运载体。 主动运输的作用机理有3种：分别为钠钾泵主动运输、离子浓度梯度主动运输、H+浓度梯度主动运输。

以H+浓度梯度主动运输机制为例讲解主动运输： 细菌将ATP水解后形成的H+（好氧呼吸氧化营养物质产生H+）排出膜外，产生的电子与O2结合形成OH-。如此就形成了细胞膜两侧的H+离子浓度梯度。H+可与营养物质结合。渗透酶上有特异性的位点，可以与营养物质和H+结合。三者在电位差的作用下，将低浓度区的营养物质送 到细胞内部。

3．主动运输

基团转位是另一种类型的主动运输，它与主动运输方式的不同之处在于它有一个复杂的运输系统来完成物质的运输，而物质在运输过程中发生化学变化。 4．基团转位 基团转位是另一种类型的主动运输，它与主动运输方式的不同之处在于它有一个复杂的运输系统来完成物质的运输，而物质在运输过程中发生化学变化。 基团转位又称为磷酸烯醇丙酮酸－磷酸－糖转移酶运输系统（PTS），PTS 包括酶I、酶II和一种热稳定蛋白质（HPr）。 PEP-P + HPr HPr-p + 丙酮酸盐 P - HPr +糖 糖-P +HPr 酶I 酶I I

基团转移主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细胞中，主要用于糖的运输，脂肪酸、核苷、碱基等也可以通过这种方式运输。

四种运输方式比较 比较项目 单纯扩散 促进扩散 主动运输 基团移位 特异载体蛋白 无 有 运送速度 慢 快 溶质运送方向 由浓至稀 由稀至浓 能量消耗 不需要 需要 运送前后溶质分子状态 不变 改变 运送对象举例 水、O2 糖、 SO42- 氨基酸、乳糖 糖、嘌呤

微生物生长繁殖需要营养，合成细胞需要能量，最终靠产能代谢提供。 第三节 微生物的产能代谢 细胞物质合成（营养被转变为机体组分） 同化 作用 需要能量 新陈代谢 产生能量 异化 作用 营养物质分解 微生物生长繁殖需要营养，合成细胞需要能量，最终靠产能代谢提供。

一、产能代谢与呼吸的关系 呼吸本质：氧化还原的统一过程。其中有能量的产生与转移。 呼吸类型：发酵、好氧呼吸、无氧呼吸 在呼吸过程中，都会发生电子转移。提供电子的物质被氧化，接受电子的物质被还原。 所谓的产能代谢就是通过三种呼吸来实现的。

一、产能代谢与呼吸的关系 微生物产能种类： 1.电能：电子转移产生的能量； 2.化学能：物质反应（氧化）过程中释放的能量； 3.机械能：鞭毛运动、细胞质流动等产生的能量； 4.光能：发光菌产生的能量。 这些能量有的被用于生化反应，有的以热量的形式散发，有的被贮存在ATP中。

ATP 一、产能代谢与呼吸的关系 ATP——生物能量转移中心 物质氧化放出能量 细胞合成需要能量 1.底物水平磷酸化 物质氧化放出能量 细胞合成需要能量 ATP ATP是在发酵、好氧呼吸、无氧呼吸中形成。具体方式： 1.底物水平磷酸化 厌氧微生物或兼性微生物的底物被氧化，会产生高能中间体，并把高能键（～）交给ADP，从而形成ATP。 2.氧化磷酸化 好氧微生物呼吸，通过电子传递体系形成ATP。 3.光合磷酸化 光可引发叶绿素、菌绿素等放出电子，电子在被传递过程中形成ATP。

ATP含有高能磷酸键（31.4KJ），但仅是能量的暂时贮存物质，如果能量确实过剩，不能用ATP，而用其他内含颗粒来长期贮存。

二、呼吸类型 根据最终电子受体可将微生物呼吸分为：发酵、好氧呼吸、无氧呼吸三种。 (一).发酵 不存在外在的电子受体，底物进行部分氧化，用氧化产物作为最终电子受体。 这个过程，能量有少量释放，多数仍保留在产物中。 以葡萄糖为例，讲解发酵。 葡萄糖被分解的过程称为糖酵解过程，也叫EMP过程。 糖酵解是微生物所共有的代谢途径。

糖酵解分为两大步骤： 1.预备反应，不发生氧化还原反应。产物是3－磷酸甘油醛。 2.氧化还原反应，产生ATP，产物为丙酮酸，进一步发酵可产生乙醇和CO2。 整个过程，1mol葡萄糖转变成2molATP，2mol乙醇， 2mol水， 2molCO2 ，即产生能量2×31.4KJ＝62.8KJ。产能率为62.8/238.3＝26％

丙酮酸是微生物糖酵解的必然产物，如果进一步发酵，可形成多种产物。因此，有可将发酵分为很多类型：如乙醇发酵；混合酸发酵等。其中，混合酸发酵是多数大肠杆菌的特征。 人们利用V.P试验进行大肠埃希氏杆菌和产气杆菌的区分。 大肠埃希氏杆菌的发酵产物为甲酸、乙酸、乳酸、CO2等。产气杆菌也能进行混合酸发酵，丙酮酸经过缩合、脱羧后形成乙酰甲基甲醇，可在碱性条件下被迅速氧化为二乙酰，二乙酰可与蛋白胨水解出的精氨酸所含胍基反应形成红色化合物。称为阳性反应。

另外，还可以用甲基红试验进行区别。 产气杆菌在混合酸发酵时会产生中性的乙酰甲基醇，但大肠埃希氏杆菌的混合酸发酵产生多种有机酸，使培养液呈酸性，p H在4.2左右甚至更低。 当用甲基红滴入时 ，大肠埃希氏杆菌培养液为红色，称之为阳性反应；产气杆菌培养液为橙黄色，为甲基红反应阴性。

2.好氧呼吸 电子受体为O2，底物被彻底的完全氧化成CO2和H2O，并有大量ATP产生。 在好氧呼吸过程中，电子并不是直接传递给O2，而是先转移给NAD，成为NADH2，然后NADH2被氧化后，电子传递给电子传递体系，最后由电子传递体系转给O2。 得到电子的O2与H结合形成H2O。 仍然以葡萄糖为例子，讲解好氧呼吸过程。 葡萄糖的好氧呼吸分为两个阶段： 1.糖酵解阶段，形成丙酮酸，即EMP途径酵解阶段； 2.丙酮酸有氧分解阶段，即三羧酸循环（TCA循环）阶段。

好氧呼吸第一阶段：EMP途径形成丙酮酸

TCA 循环

1.TCA循环 也称为柠檬酸（CAC）循环。从丙酮酸开始，先形成乙酰辅酶A，乙酰辅酶A进入TCA循环，最终被彻底氧化成为CO2和H2O。 1mol丙酮酸经过TCA循环后形成了3mol的CO2： a.丙酮酸形成乙酰辅酶A时，产生1mol； b.草酰琥珀酸脱羧时产生1mol； c. 脱羧时形成1mol。

2.TCA循环的能量问题 1mol丙酮酸在TCA循环中，可产生4mol的NADH2,1 molNADH2通过电子传递体系重新氧化成为NAD，同时可生成3 mol ATP，则4molNADH2被氧化生成12molATP。 可生成1 molGTP，1 mol的GTP转变成1 molATP； 可生成1molFADH2, 1 mol的FADH2转变成2 molATP; 则， 1mol丙酮酸在TCA循环中共生产12+1+2＝15molATP。

问题：为什么是产生38molATP?

1mol葡萄糖可在EMP途径形成2mol丙酮酸，则在TCA循环中可形成: 2×15＝30molATP; 由于葡萄糖的好氧呼吸包括两部分，TCA已知产生30mol。那EMP途径呢，在发酵时净剩2mol，在发酵过程中，可产生2mol的NADH2,则可换算成 2×3＝6molATP , 因此， 1mol葡萄糖可产生： 30+2+6＝38molATP.

好氧微生物氧化分解1 mol葡萄糖分子总共可生成38molATP，共有1193kJ的能量转变为ATP。1 mol葡萄糖分子完全氧化产生的总能量大约为2876 U。这样，好氧呼吸利用能量的效率大约是42％，其余的能量以热的形式散发掉。 发酵l mol葡萄糖分子的能量利用率只有26％。 可见，进行发酵的厌氧微生物为了满足能量的需要，消耗的营养物要比好氧微生物多。

3.乙醛酸循环 TCA循环的一个支路 4.电子传递体系:有氧呼吸中传递电子的一系列 偶联反应 组成：NAD或NADP、FAD或FMN、辅酶Q、细胞色素a、a3、b、c、c1等。

作用： a.接受电子供体放出的电子，最终传递给O2。 b.合成ATP，把电子传递过程中释放的能量收集贮存。 其在细胞中的位置：真核细胞是线粒体，原核细胞是细胞质膜。

在好氧呼吸中，由前面EMP和TCA产生的H（NADH2和FADH2），通过电子传递体系（呼吸链），最终到达分子氧，形成水。在这一传递过程中，产生ATP。（称为氧化磷酸化）

好氧呼吸分为两种：外源呼吸和内源呼吸。 1.外源呼吸：正常条件下的呼吸，利用外界营养、能源进行呼吸。 2.内源呼吸：外界不能供给能源，利用自身贮存的能源物质进行呼吸。 好氧呼吸的条件： 取决于O2的体积分数，微生物环境中O2达到0.2％（大气中氧的体积分数的1％）或0.2％以上，可以进行好氧呼吸，达不到，则无法进行好氧呼吸。

(三)无氧呼吸 无氧呼吸的最终电子受体不是未彻底氧化的有机物，也不是O2，而是除了O2以外的含氧无机物，如NO3-、SO42-、CO32-及CO2、CO等。 以NO3-为最终电子受体为例讲解无氧呼吸。 NO3-接受电子，形成NO2-、N2O、N2。

2CH3CHOHCOOH+ H2SO4 ---- 2CH3COOH+2CO2+H2S+2H2O+1125kJ NO3- N2 这个过程称为脱氮作用。亦称为反硝化作用或硝酸盐还原作用。 以其他无机氧化物为最终电子受体的情况： 以SO42-为最终电子受体 如： 2CH3CHOHCOOH+ H2SO4 ---- 2CH3COOH+2CO2+H2S+2H2O+1125kJ 以CO2和CO为最终电子受体 如：2CH3CH2OH+CO2----CH4+2CH3COOH 4H2+CO2----CH4+2H2O 3H2+CO----CH4+H2O

三种呼吸类型的比较 呼吸类型 最终电子受体 参与反应的酶与电子传递体系 最终产物 释放能量 乙醇发酵 中间代谢产物 脱氢酶、脱羧酶 辅酶NAD 低分子有机物、CO2、ATP(2) 238.3KJ 好氧呼吸 氧气 辅酶NAD、FAD辅酶Q 细胞色素a、a3、b、c、c1 CO2、H2O、ATP(38)、 SO42- 2876KJ 无氧呼吸 NO3- CO32- 脱氢酶、脱羧酶、 硝酸还原酶、 硫酸还原酶 辅酶NAD、 细胞色素b、c CO2、H2O、N2、ATP 反硝化 1756KJ 反硫化 1125KJ

三、微生物发光现象 细菌、真菌、藻类能够发光。 发光微生物有两种特殊成分：虫荧光素酶和长链脂肪醛。 发光过程实际上就是电子的传递及能量转移过程： 电子由NADH2传给FMN，和虫荧光素酶，从而虫荧光素酶得到激活，在长链脂肪醛的催化下，有氧气存在时就会发光。发光后，虫荧光素酶由激活态恢复到基态。

微生物发光作用： 1.测定环境中的微量氧。 2.测定环境中的微量有毒有害抑制剂。 发光的微生物多为兼性厌氧菌，但有氧时才会发光。对氧气很敏感，黑暗中，在微量氧气存在下，发光菌的光清晰可见。 微生物发光作用： 1.测定环境中的微量氧。 2.测定环境中的微量有毒有害抑制剂。

第四节 微生物的合成代谢 一 产甲烷菌的合成代谢 产甲烷菌利用有机物产生CO2和CH4，利用其中间代谢产物和能量物质ATP合成蛋白质、多糖、脂肪和核酸等物质，用以构成自身的细胞。

二、化能自养型微生物的合成代谢 各种化能自养型微生物的合成代 谢的合成途径不同

1 硝化细菌 2 硫氧化细菌 3 氢氧化细菌 亚硝化细菌：NH3 NO2- 硝化细菌: NO2- NO3- 是依靠H2的氧化获得能量，以CO2为碳源的自养菌。氢细菌利用氢酶氧化分子氢，产生生物合成所需要的能量。 3 氢氧化细菌

三 光合作用 1．藻类的光合作用（同绿色植物） 白天，在有光的条件下，利用体内的素 （叶绿素、类胡萝卜素、藻蓝素、藻红 素等），从H2O的光解中获得H2，还原 CO2成[CH2O]。 总反应式为： CO2+H2O →[CH2O]+ O2

2 细菌的光合作用 细菌光合作用的供氢体为H2S和H2。 因光合细菌种类不同，其光合反 应也有所不同。 能量来源： 光能 ATP 光合色素 能量来源： 光能 ATP 细菌叶绿素 (光合细菌) 光合色素： 叶绿素 (蓝细菌) 细菌紫素 (盐细菌) 细菌光合作用的供氢体为H2S和H2。 因光合细菌种类不同，其光合反 应也有所不同。

（1）绿硫细菌属 CO2+2H2S →[CH2O]+ 2S+ H2O （2）红硫细菌科 2CO2+H2S+2 H2O→2[CH2O]+ H2SO4 （3）氢单胞菌属 CO2+2H2 →[CH2O]+H2O 光合细菌通过光周期把CO2固定，并转变为 高能贮存物——聚β羟基丁酸（PHB）。 CO2固定的途径为卡尔文循环。

3 有机光合细菌的光合作用 以光为能源，以有机物为供氢体还原CO2，合 成有机物。有机酸和醇是它们的供氢体和碳源。 例如，红螺菌科的细菌能利用异丙醇作供氢 体进行光合作用，并积累丙酮。 (CH3)2CHOH+ CO2 → 2CH3COCH3+[CH2O]+H2O

四、异养微生物的合成代谢 异养微生物利用现成的有机物作碳源和能源，用分解过程中的中间代谢产物和分解代谢中得到的ATP合成自身细胞的组成成分。

思考 1 利用葡萄糖作为唯一碳源和能源的微生物属于哪一营养类型？利用元素硫作为能源的微生物属于哪一营养类型？如果后一种微生物利用CO2作为唯一碳源生长，又如何称呼？ 2 葡萄糖在好氧条件下是如何氧化从彻底的？ 3 当处理某一工业废水时，怎样着手和考虑配给营养？ 4 影响酶促反应的因素有哪些