水处理生物学第六章微生物代谢.ppt

水处理生物学第六章微生物代谢现在学习的是第1页，共55页微生物的新陈代谢和呼吸类型微生物的新陈代谢和呼吸类型微生物的能量代谢：微生物的能量代谢：微生物的新陈代谢微生物的新陈代谢新陈代谢新陈代谢 =分解代谢分解代谢 +合成代谢合成代谢 微生物的呼吸微生物的呼吸指微生物获取能量的生理功能（即分解代谢过程）。根据与氧气指微生物获取能量的生理功能（即分解代谢过程）。根据与氧气的关系分为的关系分为好氧呼吸好氧呼吸和和厌氧呼吸。厌氧呼吸。现在学习的是第2页，共55页微生物的呼吸类型根据递氢特别是受氢过程中氢受体/电子受体的不同，呼吸作用可分为：呼吸作用(respiration)好氧（有氧）呼吸（aerobic respiration）厌氧（无氧）呼吸（anaerobic respiration）（亦称分子外无氧呼吸）发酵（fermentation）（亦称分子内无氧呼吸）现在学习的是第3页，共55页一一、呼吸作用的本质呼吸作用的本质高等生物的呼吸作用高等生物的呼吸作用：需氧气呼吸：需氧气呼吸 细菌的呼吸作用细菌的呼吸作用：需氧气呼吸需氧气呼吸 ；不需氧气呼吸；不需氧气呼吸 1 呼吸作用的本质呼吸作用的本质生物的生物的氧化氧化和和还原还原的统一过程。的统一过程。即即:生物氧化中，呼吸基质生物氧化中，呼吸基质脱下脱下的的氢氢和和电子电子经载体传递，最经载体传递，最终终交给受体交给受体的生物学过程。的生物学过程。现在学习的是第4页，共55页1)复杂分子CO2、H2O、简单分子CHONCO2+H2O+呼吸作用第三节 微生物的代谢无机代谢产物CO2、H2、CH4、H2S、NH3、NO2、NO3、SO42有机代谢产物糖类、酮类、有机酸类。呼吸作用（respiration）是与微生物分解代谢相关的氧化还原的统一过程，是在基质氧化的同时释放能量的过程。呼吸作用过程中的主要生物学现象如下：现在学习的是第5页，共55页2)分解代谢过程中产生能量（用途？）供给合成作用维持生命活动变成热能放到环境中3)产生中间代谢产物（去向？）继续被分解作为合成细胞成分的原料4)在分解代谢过程中吸收、同化许多营养物。现在学习的是第6页，共55页二二、细菌的呼吸类型细菌的呼吸类型1 好氧呼吸好氧呼吸 aerobicaerobicrespirationrespiration：是在有分子氧（是在有分子氧（O2）参与的生物氧化，反应的最终受氢体是分子氧）参与的生物氧化，反应的最终受氢体是分子氧（1）最终电子受体）最终电子受体：游离的氧气（游离的氧气（O2）脱下氢和电子脱下氢和电子氧化，接受氢和电子氧化，接受氢和电子还原还原 最终接受电子的物质是谁？最终接受电子的物质是谁？根据是否是氧气来分类根据是否是氧气来分类（2）反应模式）反应模式基质基质H2基质基质（葡萄糖）（葡萄糖）2e-2H+脱氢酶脱氢酶脱氢酶脱氢酶2H传递体传递体2H传递体传递体2e 2H+2e 2H+2e+2H+O2H2O等等 氧化酶氧化酶现在学习的是第7页，共55页（4）举例）举例自养微生物硫磺细菌氧化自养微生物硫磺细菌氧化H2S（无机物（无机物）：以无机物为底：以无机物为底物，终点产物也是无机物，同时放出能量。物，终点产物也是无机物，同时放出能量。异养微生物大肠杆菌氧化异养微生物大肠杆菌氧化葡萄糖（有机物）葡萄糖（有机物）：以有机物：以有机物为底物（电子供体），终点产物为二氧化碳、氨和水等，同为底物（电子供体），终点产物为二氧化碳、氨和水等，同时放出能量。时放出能量。C6H12O6+6O26CO2+6H2O+ATP在好氧呼吸过程中，基质被氧化较彻底，获得的在好氧呼吸过程中，基质被氧化较彻底，获得的ATP 多多，最终产物积累少。，最终产物积累少。活性污泥法活性污泥法处理有机废水，即采用处理有机废水，即采用好氧呼吸好氧呼吸。2H2S+O22H2O+2S+ATP现在学习的是第8页，共55页好好氧氧呼呼吸吸（aerobic）：受受氢氢体体为为分分子子氧氧；依依据据底底物物不不同同,分为：分为：heterotrophic bacterium autotrophic bacterium 异养型异养型 自养型自养型受氢体受氢体 氧氧 氧氧底物底物 有机物有机物 无机物无机物终点产物终点产物 无机物无机物 无机物无机物能量能量 多多 比较少比较少现在学习的是第9页，共55页EMP途径（Embdem-Meyerhof-Parnas Pathway）糖酵解途径（Glycolysis）（1）1分子葡萄糖为底物，经10步反应而产生2分子丙酮酸和2分子ATP的过程。C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶10步反应2CH3CCOOH2NADH2ATP2H+2H2OO还原型辅酶现在学习的是第10页，共55页（2）总反应可概括为二个阶段（耗能阶段和产能阶段）、三种产物、十个步骤。C62C32NADH2丙酮酸甘油醛-3-磷酸2ATP4ATP2ATP第三节 微生物的代谢现在学习的是第11页，共55页现在学习的是第12页，共55页（3）代谢产物的去路a.有氧条件下：2NADH进入呼吸链，产生6个ATP。丙酮酸进入TCA途径，最后CO2H2Ob.无氧条件下：丙酮酸被NADH还原产生乳酸或乙醇。脱羧酸乙醛乙醇第三节 微生物的代谢现在学习的是第13页，共55页三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle）i.TCA循环是一种循环方式的反应顺序，在异养生物的代谢中起着关键的作用，是物质代谢的枢纽。ii.以丙酮酸进入循环前的“入门反应”（gateway step）算起其主要反应产物如下：C3CH3CCOAO乙酰辅酶A一分子丙酮酸可产生15个ATP12ATP呼吸链2ATP呼吸链4NADH+4H+FADH2ATP3CO2黄素蛋白柠檬酸、谷氨酸等多种有机酸TCA现在学习的是第14页，共55页现在学习的是第15页，共55页现在学习的是第16页，共55页 微生物的呼吸微生物的呼吸 现在学习的是第17页，共55页（二）递氢和受氢过程 基质通过“脱氢”，产生的氢原子通过一系列的“传递体”（能进行可逆氧化还原反应），最终传递给某一氧化还原电位较高的化合物的过程叫做递氢和受氢过程。H e传递体I氧化态传递体I(H)还原态传递体II(H)还原态传递体II氧化态O2H 2O通过接力的方式，把H 或电子e传给氧1、递氢和受氢机制第三节 微生物的代谢现在学习的是第18页，共55页递氢和受氢系统的特点由一系列的能发生可逆氧化还原反应、且具有不同氧化还原电位的氢传递体组成的一组链状传递系统。该系统能把氢（电子）从氧化还原电位低的化合物最终传递给氧化电位高的化合物，如氧分子等。该过程是一个产能的过程。这种链状传递系统称为“呼吸链”（RC：respiratorychain）亦称电子传递链（ETC：electrontransportchain）第三节 微生物的代谢现在学习的是第19页，共55页现在学习的是第20页，共55页氢供体/电子供体（electron donor）能提供氢或电子的化合物。受氢体/电子受体（electron acceptor）在生物氧化还原反应中接受氢或电子的化合物。最终电子（氢）受体（terminal electron acceptor）呼吸链中最后一个接受电子（氢）的化合物。第三节 微生物的代谢 电子传递体（electron carrier）能发生可逆氧化还原反应的物质。在呼吸链中该物质被前一个传递体还原（接受氢/电子），之后又被后一个传递体氧化（把氢、电子交给下一个）。现在学习的是第21页，共55页常见的电子传递体a.NAD（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸），辅酶 NADP（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）辅酶E0=0.12V第三节 微生物的代谢b.黄素蛋白（FP：flavoprotein）FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）FMN（黄素单核苷酸）E0=0.22Vc.铁硫蛋白（Fe-S）分子中含有Fe-S结构，存在于几种酶复合物中，参与膜上的电子传递。E0=0.12V现在学习的是第22页，共55页 铁硫蛋白（FeS）是传递电子的氧化还原载体，这类小分子蛋白的辅基是其分子中含铁硫（有些为“2Fe2S”，另一些为“4Fe+4S”)的中心部分。铁硫蛋白存在与呼吸链的几种酶复合体中。参与膜上的电子传递。此外，在固氮、亚硫酸还原、亚硝酸还原、光合作用、分子氢的激活和释放以及链烷的氧化中也有作用。在呼吸链中的“2Fe2S”中心（如下图）每次仅能传递一个电子。肽链CysCysCysCysSSSSSSFeFe肽链铁硫蛋白的铁硫中心第三节 微生物的代谢现在学习的是第23页，共55页d.微生物醌（microbial quinone）泛醌（ubiquinone）/辅酶Q:广泛存在于生物体中，故称之为泛醌(主要存在于真核生物和G细菌中)。OH3COH3COCH3OHnOHOH还原型CH2CHCCH2HCH3n带有一个异戊二烯侧链（isoprenoid side chain）简写为UQ或Q、根据侧链的长度称之为UQ-n（n侧链的节数）E0=0.22v第三节 微生物的代谢现在学习的是第24页，共55页e.细胞色素（如：Cyt.a,Cyt.b,c,d）位于呼吸链的后端，传递电子而不是传递氢。第三节 微生物的代谢现在学习的是第25页，共55页好氧呼吸/有氧呼吸（aerobic respiration）呼吸链的最终电子受体为氧分子。第三节 微生物的代谢现在学习的是第26页，共55页2 厌氧呼吸厌氧呼吸（anaerobic respiration)anaerobic respiration)：厌氧呼吸是厌氧呼吸是在无分子氧的情况下进行的生物氧化。厌氧微生物只有脱氢酶在无分子氧的情况下进行的生物氧化。厌氧微生物只有脱氢酶系统，没有氧化酶系统。系统，没有氧化酶系统。最终电子受体：最终电子受体：除氧气除氧气以外的物质以外的物质无机物无机物（NO3-、NO2-、SO4=、CO2=）有机物有机物（小分子）（小分子）现在学习的是第27页，共55页（1）分子外无氧呼吸类型分子外无氧呼吸类型(无氧呼吸）无氧呼吸）：是指以无机氧是指以无机氧化物，如化物，如NO3-,NO2-,SO42-,S2O32-,CO2等代替分子氧，等代替分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作用。作为最终受氢体的生物氧化作用。最终电子受体最终电子受体：无机物（：无机物（NO3-、NO2-、SO4=、CO2=）基质基质H2基质基质（葡萄糖）（葡萄糖）2e-2H+脱氢酶脱氢酶脱氢酶脱氢酶2H传递体传递体2H传递体传递体2e2e+2eNO3-NO2-+H2O 特殊氧化酶特殊氧化酶现在学习的是第28页，共55页厌氧呼吸/无氧呼吸（anaerobic respiration）最终电子(氢)受体为外源（分子外）化合物的呼吸，它是一种在无氧条件下进行的产能效率低的呼吸方式。营养物质脱氢后，经部分呼吸链递氢最终由氢受体接受。最终氢受体一般为氧化态无机物，特殊情况下为有机物，如延胡索酸等。第三节 微生物的代谢现在学习的是第29页，共55页 在无氧条件下发生的硝酸根还原反应，又称之为反硝化(denitrification).注意：NO3也可作为氮源利用，这种情况称之为同化性硝酸还原而不是反硝化。（1）硝酸盐呼吸（nitrate respiration）NO3NO2、NO、N2O、N2 定义：以硝酸根为最终电子受体的厌氧呼吸。硝酸根最终被还原为氮气。第三节 微生物的代谢现在学习的是第30页，共55页反硝化细菌都具有完整的呼吸系统。只有在厌氧(缺氧)条件下才能诱导出反硝化作用需要的硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶。反硝化需要供氢体，一般由有机物提供。也可以利用H2或CH4在废水处理中有重要的意义。如生物脱氮。例如：Bacilluslichenifomis 地衣芽孢杆菌Pseudomonas aeruginosa 铜绿假胞单菌Thiobacillus denitrificans 脱氮硫杆菌能进行反硝化作用的微生物，即反硝化细菌，都是一些兼性厌氧微生物，专性厌氧微生物无法进行反硝化作用。第三节 微生物的代谢现在学习的是第31页，共55页（2）硫酸盐呼吸（sulfate respiration）SO42SO32,S3O62,S2O32,H2S 最终产物是H2S，自然界中的大多数H2S是由此反应所产生的。是硫酸还原菌（反硫化细菌）的一种呼吸方式。严格的专性厌氧菌 注意与硫磺细菌的区别：H2SSSO42定义：以硫酸根为最终电子受体的厌氧呼吸。硫酸根根最终被还原为硫化氢。第三节 微生物的代谢现在学习的是第32页，共55页（3）硫呼吸（sulphur respiration）S0H2S近几年才发现的一种无氧呼吸类型。Desulfuromonas acetoxidaus氧化乙酸脱硫单胞菌（4）碳酸盐呼吸（carbonate respiration）CO2、HCO3CH3COOH（乙酸细菌）CH4（甲烷菌）第三节 微生物的代谢现在学习的是第33页，共55页（5）延胡索酸呼吸（fumarate respiration）延胡索酸琥珀酸COOHCHCHCOOHCOOHCH2CH2COOH许多兼性厌氧菌都能进行延胡索酸呼吸。第三节 微生物的代谢现在学习的是第34页，共55页3、发酵（fermentation）(又称分子内无氧呼吸)在无氧（厌氧）条件下，底物脱氢后产生的H不经过呼吸链而直接交给某一内源氧化性中间代谢产物的一类反应。注意：在发酵工业上，发酵是指任何利用好氧和厌氧微生物来生产有用代谢物的一类生产方式。R1H2R2R2H2R1能量第三节 微生物的代谢现在学习的是第35页，共55页i.大多数情况下基质失去氢被氧化，其某中间代谢产物又接受此氢被还原，故也被称为分子内呼吸（分子内氧化还原反应）。iii.厌氧微生物为了满足生命活动的需要，消耗的基质要比好氧微生物多，故在发酵过程中能积累大量中间产物。工业上：可以获得有用物质水处理：处理水质不好，难适用于低浓度废水。ii.基质氧化不彻底，还含有相当能量，故放出能量少。发酵的特点：第三节 微生物的代谢现在学习的是第36页，共55页 乙醇发酵（生产酒精）乙醇发酵（生产酒精）葡萄糖葡萄糖3磷酸甘油醛磷酸甘油醛1，3二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸2NAD2NADH2丙酮酸丙酮酸脱羧酶脱羧酶乙醛乙醛乙醇乙醇ATP CO2底物底物：葡萄糖：葡萄糖 最终电子受体最终电子受体：乙醛（代谢的中间产物）：乙醛（代谢的中间产物）产能量少（产能量少（2 2个个ATP)ATP)，大部分储存在乙醇中。，大部分储存在乙醇中。现在学习的是第37页，共55页C6H12O6ABCCO2A、B或CH发酵AH2,BH2 或 CH4(发酵产物：乙醇、乳酸等)经呼吸链好氧呼吸O2H2O厌氧呼吸脱氢递氢受氢好氧呼吸、厌氧呼吸和发酵示意图(小结)HHHHH现在学习的是第38页，共55页 呼吸方式呼吸方式受氢体受氢体化学反应式化学反应式好氧呼吸好氧呼吸分子氧分子氧C6H12O6+6O2-6CO2+6H2O+2817.3 kJ无氧呼吸无氧呼吸无机物无机物C6H12O6+4 NO3-6 CO2+6H2O+2N2+1755.6 kJ发酵发酵有机物有机物C6H12O6 2CH3CH2OH+2 CO2+92.0kJ三种呼吸方式获得的能量水平比较三种呼吸方式获得的能量水平比较现在学习的是第39页，共55页有机污染物降解的营养物需求量计算参与生物降解反应的组分及反应类型电子（氢）供体（electron donors）有机污染物电子（氢）受体（electron acceptor）无机营养物质（nutrient）O2、N、P细胞分解、代谢产物有机物的生物分解实质上是一系列的生物氧化还原反应。反应类型：电子（氢）供体的氧化反应、电子（氢）受体的还原反应、细胞合成反应第三节 微生物的代谢现在学习的是第40页，共55页氧化还原反应式氧化反应还原反应电子流量应该相等a 生物氧化还原反应式的确定方法NO3例：亚硝酸的好氧生物氧化NO2氧化反应：NO3H2O2e1因为是好氧氧化，所以电子受体应该是分子O2。O2还原反应：4OH2NO22OHO22H2O4e第三节 微生物的代谢现在学习的是第41页，共55页1222NO2O24OH2H2O2 NO3 2H2O 4OH2NO2O22 NO3NO21/2O2 NO31摩尔NO2需要半摩尔的分子氧。第三节 微生物的代谢现在学习的是第42页，共55页b 生物氧化还原反应的一般式（1）电子供体的半反应（氧化反应）（HD）z1（CaHbOcNd）（2ac）/zH2O=a/zCO2d/zNH3HeZ=4ab2c3d（2）电子受体的半反应（还原反应）（HA）好氧：1/4O2He=1/2H2O厌氧：1/2NO3 He=1/2NO2 1/2H2O1/5NO3 6/5 He=1/10N2 3/5H2O1/8SO42He=S21/2H2O1/8CO2He=1/8CH41/4H2O第三节 微生物的代谢现在学习的是第43页，共55页（3）细胞合成反应（Cs）NH3作N源时：1/4CO21/20NH3He=1/20C5H7O2N2/5H2ONO3作N源时:5/28CO21/28 NO3 29/28He=1/28C5H7O2N11/28H2O微生物生长所需的P是N的1/51/6左右（重量比）第三节 微生物的代谢现在学习的是第44页，共55页（4）总的反应fe：有机物用于获得能量的部分（比例）。fs：有机物用于细胞合成的部分。fe+fs=1电子受体fsO2NO3SO42CO20.120.60（mean0.5）0.10.50.040.20.040.2HDfe HAfs Cs第三节 微生物的代谢现在学习的是第45页，共55页（1）调查污染状况调查（2）确定要降解的污染物的量（浓度）了解现场的营养物质的供应情况（能力）（3）计算电子受体、营养物质需求量c 污染净化所需电子受体和营养物的量的计算第三节 微生物的代谢现在学习的是第46页，共55页废水的好氧生物处理废水的好氧生物处理现在学习的是第47页，共55页 有机物的氧化分解（有氧呼吸）：原生质的同化合成（以氨为氮源）：原生质的氧化分解（内源呼吸）：现在学习的是第48页，共55页废水的厌氧生物处理废水的厌氧生物处理现在学习的是第49页，共55页 好氧生物处理与厌氧生物处理的比较好氧生物处理与厌氧生物处理的比较：好氧生物处理的反应速度较快，所需的反应时间较短，故处理构筑物容积好氧生物处理的反应速度较快，所需的反应时间较短，故处理构筑物容积较小。且处理过程中散发的臭气较少。所以，目前对中、低浓度的有机废水，较小。且处理过程中散发的臭气较少。所以，目前对中、低浓度的有机废水，或者说或者说BOD5小于小于500mg/L的有机废水，基本采用好氧生物处理。的有机废水，基本采用好氧生物处理。由于厌氧生物处理不需另加氧源，故运行费用低。此外，它还具有剩余污泥量少，由于厌氧生物处理不需另加氧源，故运行费用低。此外，它还具有剩余污泥量少，可回收能量（可回收能量（CH4）等优点。其主要缺点是反应速度较慢，反应时间较长，处理）等优点。其主要缺点是反应速度较慢，反应时间较长，处理构筑物容积大等。此外，需维持较高的反应温度，就要消耗能源。对于有机污构筑物容积大等。此外，需维持较高的反应温度，就要消耗能源。对于有机污泥和高浓度有机废水（一般泥和高浓度有机废水（一般BOD52000mg/L）可采用厌氧处理法。）可采用厌氧处理法。现在学习的是第50页，共55页三三 细菌与氧气的关系（微生物与氧气的关系）细菌与氧气的关系（微生物与氧气的关系）1 1 需氧（好气）菌需氧（好气）菌 2 2 厌氧（嫌气）菌厌氧（嫌气）菌 3 3 兼性厌氧菌兼性厌氧菌现在学习的是第51页，共55页1 好氧菌好氧菌呼吸类型呼吸类型有氧呼吸，生活时需要氧气有氧呼吸，生活时需要氧气 培养方式培养方式固体表面，液体浅层，通气，振荡。固体表面，液体浅层，通气，振荡。如如多数细菌（枯草杆菌等）、真菌、藻类。多数细菌（枯草杆菌等）、真菌、藻类。有机物有机物CO2+H2O 好氧分解好氧分解现在学习的是第52页，共55页2 厌氧菌厌氧菌呼吸类型呼吸类型无氧呼吸和发酵，在无氧气的环境生长无氧呼吸和发酵，在无氧气的环境生长 培养方式培养方式抽真空；在抽真空；在N N2 2、H H2 2条件下。条件下。如如：乳酸杆菌，梭状芽孢杆菌，产甲烷杆菌：乳酸杆菌，梭状芽孢杆菌，产甲烷杆菌 为生么有氧气不能生活？为生么有氧气不能生活？原因原因：有氧存在，代谢产生：有氧存在，代谢产生H H2 2O O2 2和和O O2 2-,H H2 2O O2 2有毒有毒，该类微生物该类微生物没有没有分解分解H H2 2O O2 2的氧化酶和的氧化酶和分解分解O O2 2-的超的超氧化物歧化酶。氧化物歧化酶。现在学习的是第53页，共55页氧既是一个强的氧化剂，又是呼吸中的一个极好的电子受体，有氧条件下，氧被输送到生物体内，通过逐步加入电子，O2逐步被还原为O2-、H2O2、OH.，最终生成水，整个过程需要4个电子，而生成的所有中间物质都是强反应性的，对细胞都有毒性，这些有毒代谢产物在胞内积累而导致机体死亡，还原过程如下：O2+e-O2-O2-+2H+e-H2O2H2O2+H+e-H2O+OH.OH.+H+e-H2O总反应：O2+H+e-H2O另外，O2-+H2O2O2+OH.+OH-现在学习的是第54页，共55页过氧化氢酶：H2O2+H2O2H2O+O2过氧化物酶：H2O2+NADH+H+H2O+NAD+超氧化物歧化酶：O2-+O2-+2H+H2O2+O2超氧化物歧化酶和过氧化氢酶共同作用：4O2-+4H+2H2O+3O2现在学习的是第55页，共55页