微生物的代谢与环境工程精选PPT.ppt

关于微生物的代谢与环境工程第1页，讲稿共93张，创作于星期日代谢（metabolism）：细胞内发生的各种化学反应的总称。代谢分解代谢(catabolism)合成代谢(anabolism)分解代谢复 杂 分 子（有机物）简单分子ATPH合成代谢+第六章 微生物的代谢与环境工程第2页，讲稿共93张，创作于星期日第一节 微生物的酶酶是动物、植物及微生物等生物体内合成的、催化生物化学反应的、并传递电子、原子和化学基团的生物催化剂。蛋白酶 常见核酸酶 很少，主要作用域核酸。第3页，讲稿共93张，创作于星期日一、酶的组成按照酶的化学组成可将酶分为单纯酶和全酶两大类。单纯酶分子中只有氨基酸残基组成的肽链，全酶分子中则除了多肽链组成的蛋白质酶，还有非蛋白成分（辅助因子），如金属离子、铁卟啉或含B族维生素的小分子有机物。全酶=酶蛋白+辅助因子，只有全酶才有催化作用。酶蛋白在酶促反应中起着决定反应特异性作用，而辅助因子则决定反应类型，参与电子，原子及基团的传递第4页，讲稿共93张，创作于星期日(一)酶的组成形式辅助因子辅酶辅基与酶蛋白结合紧密，不能通过透析或超滤的方法去除与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法去除。辅助因子的化学本质是金属离子或小分子有机化合物，按其与酶蛋白结合的紧密程度不同可分为辅酶与辅基第5页，讲稿共93张，创作于星期日一、酶的组成（二）几种重要辅基和辅酶见（P121124）常见的辅酶和辅基有：辅酶I（NAD）和辅酶II（NADP）、辅酶A（CoA或CoASH）、FMN（黄素单核苷酸）和FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）、辅酶Q（CoQ）、磷酸腺苷及其他核苷酸类（包括AMP、ADP、ATP、GTP、UTP、CTP等）。专性厌氧菌特有的辅酶：辅酶M、F420（辅酶420）、F430（辅酶430）等。第6页，讲稿共93张，创作于星期日二、酶的必需基团活性中心活性中心外必需基团必需基团活性中心内必需基团结合基团催化基团结合底物催化底物概念：酶与底物直接结合并发挥催化作用的区域。不参与活性中心构成，稳定酶分子的空间结构第7页，讲稿共93张，创作于星期日活性中心活性中心外必需基外必需基团团 酶的活性中心 多肽链底物分子 活性中心活性中心内必需基内必需基团团 催化基团 结合基团结合基团 二、酶的必需基团活性中心第8页，讲稿共93张，创作于星期日三、酶的催化特性酶作为生物催化剂，具有一般催化剂的特征：（1）能加快化学反应的速度，而本身在反应前后没有结构和性质的改变；（2）只能缩短反应达到平衡所需要的时间而不能改变反应的平衡点。酶作为一种生物大分子又有其不同与一般催化剂之处第9页，讲稿共93张，创作于星期日三、酶的催化特性1专一性高酶对底物及催化的反应有严格的选择性（专一性），一种酶仅能作用于一种物质或一类结构相似的物质，发生一定的化学反应，这种对底物的选择性称为酶的专一性。如蛋白酶只能水解蛋白质、脂肪酶只能水解脂肪、而淀粉酶只能作用于淀粉。2反应条件温和酶催化的反应是在常温、常压和近中性的溶液条件下进行。酶本身是蛋白质，故强酸、强碱、高温、高压、紫外线、重金属盐等一切导致蛋白质不可逆变性的因素，都能使酶受到破坏而丧失其催化活性。第10页，讲稿共93张，创作于星期日3、催化效率高酶催化反应的速率比非催化反应高108-1020倍，比非生物催化剂高107-1013倍。如过氧化氢酶催化过氧化氢分解的的反应，若用铁离子作为催化剂，反应速率为610-4；若用过氧化氢酶催化，反应速率为6106。酶能高效催化主要是能降低反应的活化能。4、酶积极参与生物化学反应，不改变反应的平衡点三、酶的催化特性第11页，讲稿共93张，创作于星期日四、酶的分类与命名(一）酶的分类1、国际系统分类法及酶的编号按酶所催化的化学反应类型，把酶化分为6类，即1、水解酶类：是催化大分子有机物水解成小分子的酶。2、氧化还原酶类：是催化氧化还原反应的酶。3、转移酶类：是催化底物因团转移到另一有机物上的酶。4、异构酶类：催化同分异构分子内的基团重新排列。5、裂解酶类：催化有机物裂解分小分子有机物。6、合成酶类：催化底物的合成反应。第12页，讲稿共93张，创作于星期日四、酶的分类与命名（二）酶的命名1、按酶在细胞的不同部位，可把酶分为：胞外酶、胞内酶和表面酶。2、按酶作用底物的不同，可把酶分为：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核酸酶。第13页，讲稿共93张，创作于星期日四、酶的分类与命名（三）根据酶蛋白分子特点又可将酶分为三类1、单体酶只有一条多肽链，属于这一类的酶很少，一般都是催化水解反应酶，分子量在13,00035,000之间，如溶菌酶、胰蛋白酶等。2、寡聚酶由几个甚至几十个亚基组成，这些亚基可以是相同的多肽链，也可以是不同的多肽链。亚基之间不是共价结合，彼此很容易分开。寡聚酶分子量从35,000到几百万。3、多酶体系是由几种酶彼此嵌合形成的复合体。它有利于一系列反应的连续进行。例如在脂肪合成中的脂肪酸合成酶复合体。第14页，讲稿共93张，创作于星期日第二节酶促反应动力学1.米氏方程I)20世纪，提出的酶底物复合物的形成和过度态概念E+SESE+PE、S、ES、P分别代表酶、底物、中间产物和最终产物II)1894年Fischer提出了锁和钥匙模型III）1958年Koshland提出了诱导契合模型第15页，讲稿共93张，创作于星期日锁钥学说：第16页，讲稿共93张，创作于星期日诱导契合学说：底物的诱导才形成互补形状第17页，讲稿共93张，创作于星期日第二节 酶促反应动力学1913年Michaelis和Menten提出三假设1）反应速度为初速度，即反应刚刚开始，产物生成量极少，忽略逆反应；2)底物浓度（S）远远大于酶的浓度（E）；3）反应处于稳态，即中间产物生成和分解的速率相等。Km 米氏常数米氏常数 Vmax 最大反应速率最大反应速率一、米氏方程第18页，讲稿共93张，创作于星期日一、米氏方程Km的物理意义Km值是当酶反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。单位是底物浓度的单位，一般用mol/L或mmolL表示。计算：底物浓度反应速度第19页，讲稿共93张，创作于星期日当pH、温度和离子强度等因素不变时，Km是恒定的。Km是酶的特征性常数之一，Km值的大小，可以近似地表示酶和底物的亲和力。Km值大，意味着酶和底物亲和力小。米氏方程只适应于较为简单的酶促反应。一、米氏方程第20页，讲稿共93张，创作于星期日莫诺德模式Monod基质浓度（S）比增殖速率（）一级反应区（n=1）混合级反应区（0n1）零级反应区（n=0）Ks莫诺德于1942年和1950年曾两次进行了单一基质的纯菌种培养试验，关联出微生物比增殖速率和基质浓度之间的关系，如右图所示。活性污泥反应动力学方程l莫诺德发现微生物比增殖速率和基质浓度之间的关系与酶促反应速度与基质浓度之间的关系相同，从而提出了与米门方程式相似的莫诺德模式第21页，讲稿共93张，创作于星期日1微生物比增殖速率，d-1；max微生物最大比增殖速率，d-1；S溶液中限制微生物生长的基质浓度，mg/L、g/m3；莫诺模式Monod基质浓度（S）比增殖速率（）一级反应区（n=1）混合级反应区（0n1）零级反应区（n=0）KsKs饱和常数。即当=ax/2时的基质浓度，故又称为半速度常数，mg/L、g/m3。活性污泥反应动力学方程第22页，讲稿共93张，创作于星期日假设：微生物比增殖速率（）与基质比降解速率（v）呈比例关系，即式中：基质比降解速率，d-1；基质最大比降解速率，d-1。基质比降解速率（v），可以用莫诺模式加以描述：对废水处理来说，有机物的降解是其基本目的，因此，式2的实际意义较大2活性污泥反应动力学方程第23页，讲稿共93张，创作于星期日三、影响酶促反应速率的因素1、底物浓度对酶反应速度的影响在底物浓度很低时，一级反应随着底物浓度升高，混合级反应继续增大底物浓度，零级反应基质浓度（S）比增殖速率（）一级反应区（n=1）混合级反应区（0n1）零级反应区（n=0）Ks第24页，讲稿共93张，创作于星期日2酶浓度对酶促反应的影响 在一定温度和pH条件下，当底物浓度大大超过酶的浓度时，酶的浓度与反应速率呈正比，但在一定条件下，酶的浓度很高时，曲线会逐渐向平缓，这可能是高浓度的酶分子影响了分子扩散，阻碍了酶的活性中心和底物的结合。三、影响酶促反应速率的因素第25页，讲稿共93张，创作于星期日3、温度对酶促反应速度的影响各种酶在最适温度范围内，酶活性最强，酶促反应速度最大。在适宜的温度范围内，温度每升高100C，酶促反应速度可相应提高12倍。用温度系数Q10来表示温度对酶促反应的影响。Q10表示温度每升高100C，酶反应速度随之相应提高的因素。三、影响酶促反应速率的因素第26页，讲稿共93张，创作于星期日一般微生物的温度最适范围在25-60。温度的影响存在三基点：最高、最适、最低。温度过高会破坏酶蛋白，造成变性；（约60）温度过低会使酶作用降低或停止，但可以恢复。（约4）不同微生物的温度适应范围不同。三、影响酶促反应速率的因素第27页，讲稿共93张，创作于星期日4、pH对酶促反应速度的影响酶反应介质pH可影响酶分子，特别是活性中心上必需基团的解离程度和催化基团中质子供体或质子受体所需的离子化状态，同时也可影响底物和酶的解离程度，从而影响酶与底物的结合。三、影响酶促反应速率的因素第28页，讲稿共93张，创作于星期日5、抑制剂对酶促反应速度的影响 酶是蛋白质，凡使酶蛋白变性而起酶活力丧失的作用称为失活作用。凡使酶活力下降，但并不引起酶蛋白变性的作用称为抑制作用。所以，抑制作用与变性作用是不同的。引起酶蛋白变性，但能与酶分子上的某些必需基团（主要是指酶活性中心上的一些基团）发生化学反应，因而引起酶活力下降，甚至丧失，致使酶反应速度降低。能引起这种抑制作用的物质叫做酶的抑制剂。三、影响酶促反应速率的因素第29页，讲稿共93张，创作于星期日根据抑制剂与酶作用方式及抑制作用是否可逆，可将抑制作用分为两大类。（1）不可逆的抑制作用：这类抑制剂通常以比较牢固的共价键与酶蛋白中的基团结合，而使酶失活。不能用透析、超滤等方法除去抑制剂而恢复酶活性。2）可逆的抑制作用：这类抑制剂与酶蛋白的结合是可逆的，可用透析法除去抑制剂，恢复酶的活性。根据抑制剂与底物的关系，可逆抑制作用分为三种类型：三、影响酶促反应速率的因素第30页，讲稿共93张，创作于星期日 概念：抑制剂与底物竞争酶的结合部位，从而影响了底物与酶的正常结合。最常见的一种可逆抑制作用。原因：抑制剂与底物的结构类似，与酶可形成可逆的复合物，但此复合物不可能分解成产物，酶反应速率下降。增加底物浓度可解除这种抑制。（一）竞争性抑制作用（Competitiveinhibition)第31页，讲稿共93张，创作于星期日 竞争性抑制的特征（一）竞争性抑制作用（Competitiveinhibition)1.抑制剂结构与底物相似；2.抑制剂结合的部位是酶的活性中心；3.抑制作用的大小取决于抑制剂与底物的相对浓度，在抑制剂浓度不变时，通过增加底物浓度可以减弱甚至解除竞争性抑制；4.Vmax不变，Km增大第32页，讲稿共93张，创作于星期日 概念：底物和抑制剂同时与酶结合，两者没有竞争作用。抑制剂（I）和底物（S）可以同时结合在酶分子（E）的不同部位上，形成ESI三元复合物。但是，中间产物ESI三元复合物不能进一步分解为产物,酶活力降低。(二）非竞争性抑制作用noncompetitiveinhibition）第33页，讲稿共93张，创作于星期日特征1.抑制剂与底物结构不相似；2.抑制剂结合的部位在酶活性中心外；3.抑制作用的强弱取决于抑制剂的浓度，此种抑制不能通过增加底物浓度而减弱或消除；4.Vmax下降，Km不变(二）非竞争性抑制作用noncompetitiveinhibition）第34页，讲稿共93张，创作于星期日概念酶只有与底物结合后，才能与抑制剂结合。与抑制剂结合后的三元复合物不能形成产物。(二）反竞争性抑制（uncompetitiveinhibition）特征Vmax和Km值均降低。第35页，讲稿共93张，创作于星期日微生物从外界不断地吸收营养物质，在体内发生的各种化学反应，将复杂的有机物分解成简单的有机物的同时，也将其中一部分转化为细胞自身的物质成分，维系自身的生长和繁殖；同时将产生的废物排出体外，这一过程称之为新陈代谢。第三节 微生物的代谢概述第36页，讲稿共93张，创作于星期日新陈代谢(metabolism)1、按活细胞内进行的化学反应分：分解代谢(catabolism)大分子小分子（能量，细胞组分的前体）合成代谢(anabolism)小分子大分子（酶，结构组分等）第三节 微生物的代谢概述第37页，讲稿共93张，创作于星期日第三节 微生物的代谢概述能量与代谢关系示意图第38页，讲稿共93张，创作于星期日（一）微生物的生物氧化和产能 微生物的生物氧化本质是氧化还原反应，这过程中有能量的产生和转移、还原力H的产生、小分子中间代谢物的产生。微生物产生各种能量如电能、化学能、机械能、光能等。在所产生的能量中，一部分变为热量丧失，一部分供给合成反应和生命活动，另一部分贮存在ATP中。微生物的能源主要包括有机物、无机物和日光，能量代谢的主要内容就是研究微生物如何利用这三类能源转化为ATP的。第四节 微生物的分解代谢第39页，讲稿共93张，创作于星期日1、底物水平磷酸化：厌氧或兼性厌氧微生物在底物氧化过程中，产生多种含有高能磷酸键化合物，这些高能化合物能将能量转移给ADP，成为ATP，如1，3-二磷酸甘油酸和磷酸烯醇式丙酮酸。2、呼吸链与氧化磷酸化：是主要的能量来源。氧化磷酸化作用是将生物氧化过程中释放出的自由能转移形成高能ATP的作用，能量的转移通过电子传递链实现，ATP的生成基于与电子传递相偶联的磷酸化作用。氧化磷酸化的全过程可表示为：NADH+H+3ADP+3Pi+1/2O2NAD+4H2O+3ATP（二）ATP的生成方式有：第四节 微生物的分解代谢第40页，讲稿共93张，创作于星期日呼吸链：在分解过程中，代谢物脱下的氢经多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终于氧结合生成水，并产生可利用的能量。这一系列递氢体或电子的酶和辅酶/辅基形成电子传递体系叫呼吸链。电子传递链的位置，原核生物中电子传递链与细胞质膜相连，真核微生物在线粒体上。基本功能：a、接受电子供体释放出的电子，电子沿各组分传递，最后由细胞色素氧化酶将电子传给氧；b、合成ATP。第四节 微生物的分解代谢脱氢酶黄素蛋白第41页，讲稿共93张，创作于星期日3、光合磷酸化：光引起叶绿素、菌绿素或菌紫素逐出电子，通过电子传递产生ATP的过程叫光合磷酸化。这种产能方式同氧化磷酸化的主要区别在于：氧化磷酸化是由高能化合物分子氧化驱动的，而光合磷酸化是由光子驱动的第四节 微生物的分解代谢第42页，讲稿共93张，创作于星期日 产能（ATP）生物氧化的功能：产还原力H产小分子中间代谢物（一）、异养微生物的生物氧化 呼吸生物氧化的二种类型：发酵二、微生物的氧化类型有氧呼吸无氧呼吸以分子态的氧作为最终电子受体的生物氧化过程。彻底氧化，放能最多以无机氧化物作为最终电子受体的生物氧化过程，如NO2-、NO3-、SO42-、CO32-及CO2等。不需要氧气，放能多。电子供体是有机化合物，而最终电子受体也是有机化合物的生物氧化过程。不彻底氧化，放能最少。第43页，讲稿共93张，创作于星期日微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物未完全氧化的某中间产物，同时释放能量，并产生各种不同的代谢产物的呼吸类型叫发酵在发酵条件下，有机化合物只是部分地被氧化，只释放出一小部分的能量。发酵的过程是与有机物的还原偶联在一起的，被还原的物质来自初始发酵的分解代谢，不需要外界提供电子受体。发酵的种类很多，可发酵的底物有糖类、有机酸、氨基酸等。1.发酵第44页，讲稿共93张，创作于星期日(1)糖酵解(EMP)糖酵解作用：无氧条件下，微生物通过一系列的酶促反应对葡萄糖进行分解，将1分子葡萄糖分解成2分子丙酮酸并提供能量的过程称为糖酵解作用。1.发酵1.EMP途径（Embden-Meyerhof-ParnasPathway）即糖酵解(Glycolysis)途径，指在细胞质中分解葡萄糖生成丙酮酸的过程，此过程中伴有少量ATP的生成。在缺氧条件下丙酮酸被还原为乳酸，有氧条件下丙酮酸可进一步氧化分解生成乙酰辅酶A（乙酰CoA）进入三羧酸循环，生成CO2和H2O。第45页，讲稿共93张，创作于星期日6碳阶段无氧化还原反应无ATP生成耗能3碳阶段氧化还原反应合成ATP产能葡萄糖-6-磷酸磷酸果糖二磷酸果糖酶磷酸甘油醛脱氢酶1，3-二磷酸甘油酸丙酮酸糖酵解(EMP)途径第46页，讲稿共93张，创作于星期日EMP途径反应总反应式：C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2ATP+2NADH+2H+2H2OC62C3耗能阶段产能阶段2ATP4ATP2ATP还原力2NADH+H+2丙酮酸糖酵解第47页，讲稿共93张，创作于星期日EMP是葡萄糖降解到丙酮酸的最常见途径；多数微生物具有EMP途径，存在于微生物的所有主要类群中；产生能量ATP、还原力NADH和多种中间产物；连接其它代谢途径（ED，HM，TCA）的桥梁；与多种发酵产品生产密切相关；逆向可合成糖类物质。EMP途径的生理功能第48页，讲稿共93张，创作于星期日丙酮酸是各种微生物糖酵解的产物，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。（2）发酵类型根据发酵产物的不同，发酵类型主要有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酮丁醇发酵和混合发酵等1.发酵第49页，讲稿共93张，创作于星期日微生物在分解过程中，将释放出的氢或电子交给NAD（P）+、FAD或FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其他原型产物并释放出能量的过程，称为呼吸作用，呼吸作用又分为有氧呼吸和无氧呼吸1）有氧呼吸在分子氧存在的条件下，有机物脱氢后，经完整呼吸链递氢，最终以分子氧作为受氢体产生水，释放ATP形式的能量过程叫有氧呼吸。2.呼吸第50页，讲稿共93张，创作于星期日在好氧呼吸过程中，底物在氧化过程中释放的电子转移给NAD，NAD还原成NADH2，电子转移到电子传递链最终传递给O2，生成H2O。在好氧呼吸中，葡萄糖的氧化分解分为两个阶段：a、经EMP途径酵解，形成中间产物丙酮酸；b、丙酮酸通过TCA循环彻底氧化。2.呼吸（1）有氧呼吸阶段第51页，讲稿共93张，创作于星期日TCA循环：也称柠檬酸循环。由丙酮酸乙酰化形成乙酰CoA(乙酰辅酶A)，乙酰CoA进入三羧酸循环，被彻底氧化为CO2、H2O的过程。乙酰CoA是一个重要的中间产物，它的乙酰基与草酰乙酸结合生成柠檬酸。2.呼吸（2）三羧酸循环（TCA）NAD烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,传递电子的辅酶辅酶A，传递酰基第52页，讲稿共93张，创作于星期日1mol丙酮酸经TCA产生3molCO2。好氧呼吸中1mol葡萄糖分子氧化分解可得到38molATP（4NAD3+1FAD2+1GTP2+2ATP+1NADP3），利用能量的效率大约是42%，其余的能量以热的形式散发掉。第53页，讲稿共93张，创作于星期日I）为有机体提供更多的能量，是机体利用糖和其他物质氧化而获得能量的最有效方式II）三羧酸循环是有氧代谢的枢纽，糖类、脂肪和蛋白质（氨基酸）的有氧分解代谢，都汇集在三羧酸循环的反应中，三羧酸循环的中间代谢物优势许多生物合成途径的起点。2.呼吸三羧酸循环（TCA）的生理意义第54页，讲稿共93张，创作于星期日2）无氧呼吸厌氧呼吸中最终电子受体不是氧而是无机化合物如NO2-、NO3-、SO42-、CO32-及CO2等。氧化底物是有机物如葡萄糖、乙酸、乳酸，被氧化为CO2，产生ATP。氧化态有机物如延胡索酸可作为最终电子受体。第55页，讲稿共93张，创作于星期日1、以NO3-作为最终电子受体在缺氧条件下，有些细菌能以某些有机物（可以是葡萄糖、乙酸、甲醇等有机物，也可以是H2和NH3）作为供氢体，以硝酸盐作为最终电子受体。NO3-接受电子后变成NO2-、N2的过程叫脱氮作用，也叫反硝化作用或硝酸盐还原作用，能进行硝酸盐还原的细菌通常称为硝酸盐还原细菌.脱氮作用分两步：a、NO3-NO2-（硝酸还原酶）；b、NO2-N22）无氧呼吸A无氧呼吸的主要类型第56页，讲稿共93张，创作于星期日2、硫酸盐呼吸某些硫酸盐还原菌如脱硫弧菌以有机物作为氧化的基质，释放的电子可使SO42-还原为H2S。硫酸盐还原菌不以葡萄糖而是其他细菌的发酵产物主要是乳酸为生物氧化基质，氧化不彻底，积累乙酸。2CH3CHOHCOOH+2H2O2CH3COOH+CO2+8（H）SO42-+8（H）S2-+4H2O当SO42-还原为H2S时，通过电子传递链产生ATP，其呼吸链只有细胞色素C。2）无氧呼吸第57页，讲稿共93张，创作于星期日3、碳酸盐呼吸这是产甲烷细菌的特点。产甲烷细菌都能以CO2为碳源，利用甲醇、乙醇、甲酸、乙酸、H2等作为供氢体，将CO2还原CH4。CO2在甲酰-MFR脱氢酶作用下获得2个电子，首先与MFR反应生成甲酰-MFR，而后甲酰基转移到四氢甲烷喋呤，形成CHO-H4MPT，第二步是水解脱氢得到CH2=H4MPT，还原得到CH3-H4MPT，在辅酶M参与下，甲基移到辅酶M上形成CH3-S-CoM，最后还原酶将甲基还原得到CH4。2）无氧呼吸第58页，讲稿共93张，创作于星期日（二）自养微生物的生物氧化有些微生物可以从氧化无机物中获取能量，同时合成细胞物质，这类细菌称为化能自养微生物。它们在无机能源氧化过程中通过氧化磷酸化产生ATP1.氨的氧化（硝化细菌）2.硫的氧化（硫细菌）3.铁的氧化（铁细菌）4.氢的氧化（氢细菌）第59页，讲稿共93张，创作于星期日三、微生物的生物氧化与环境工程（一）异养微生物的生物氧化与环境工程1.发酵与环境工程首先，复杂的有机物被生物处理系统中微生物发酵水解为简单小分子化合物，这一步是所有有机物质生物分解的共同途径无氧条件下，有机物最终生成CH4、CO2和H2等，即厌氧生物处理污水过程有氧条件下，被彻底氧化成CO2和H2O，即好氧生物处理污水过程第60页，讲稿共93张，创作于星期日2.有氧呼吸与环境工程自然界中大部分有机污染物是通过好氧微生物种群在有氧呼吸中，将其分解为小分子物质的。3.无氧呼吸与环境工程反硝化反应厌氧发酵硫酸盐的废水处理（硫酸盐还原菌）三、微生物的生物氧化与环境工程第61页，讲稿共93张，创作于星期日（二）自养微生物的生物氧化与环境工程硝化细菌、氢细菌、硫化细菌和铁细菌等这类自养性微生物，能够从无机物氧化过程中获取能量，并以CO2作为唯一碳源或主要碳源进行生长。在污水处理的消化阶段，硝化细菌和亚硝化细菌就是利用无机碳（CO2、CO32-、HCO3-）作为碳源通过对NH3、NH4+的氧化反应来获取能量的三、微生物的生物氧化与环境工程第62页，讲稿共93张，创作于星期日第五节 微生物的合成代谢一、自养微生物的合成自养微生物将生物氧化过程中取得的能量主要用于CO2的固定，然后再进一步合成糖、脂质和蛋白质等细胞组成，大多数自养微生物通过卡尔文循环固定CO2，Calvin循环又称核酮糖二磷酸途径、还原性戊糖途径、三碳循环。Calvin循环的过程分为以下三个阶段。1.CO2固定阶段（羧化反应）1,5-二磷酸核酮糖通过二磷酸羧化酶将CO2固定生成3-磷酸甘油酸。第63页，讲稿共93张，创作于星期日2.固定CO2的还原阶段 3-磷酸甘油酸上羟基被还原成醛的反应，这种转化是经过逆向EMP途径进行的。第五节 微生物的合成代谢甘油醛-3-磷酸在Calvin循环中起到及其关键的作用第64页，讲稿共93张，创作于星期日3.CO2受体的再生第五节 微生物的合成代谢来自甘油醛-3-三磷酸和果糖-6-磷酸或者是两个甘油醛-3-磷酸第65页，讲稿共93张，创作于星期日Calvin循环一轮循环中，新生葡萄糖的6个碳中只有一个来自CO2，其余5个碳来自受体核酮糖-1,5-二磷酸，因此全部由CO2合成一个葡萄糖必须用6个CO2第五节 微生物的合成代谢Calvin循环-6分子CO2还原成1分子果糖-6-磷酸的过程。1为核酮糖二磷酸羧化酶2为磷酸核酮糖激酶CO2的固定阶段CO2还原阶段CO2受体的再生第66页，讲稿共93张，创作于星期日Calvin循环总式：6CO2+12NAD(P)H2+18ATPC6H12O6+12NAD(P)+18ADP+PiCalvin循环是自养微生物单糖的主要来源，是其他单糖和糖衍生物合成的起点，还是其他有机物合成的基础二、异养微生物的合成略第五节 微生物的合成代谢合成代谢三要素小分子物质、还原力、ATP第67页，讲稿共93张，创作于星期日三、微生物的合成代谢与环境工程第五节 微生物的合成代谢微生物代谢将有机物分解为CO2、H2O和各种代谢产物微生物利用代谢释放的能量将分解有机物过程中产生的如丙酮酸、乙酰辅酶A、草酰乙酸和三磷酸甘油醛，作为原料，合成自身复杂的细胞组成物质分解合成细胞的增长繁殖第68页，讲稿共93张，创作于星期日第六节 微生物对污染物的代谢与转化一、微生物降解污染物的巨大潜力1.诱导酶 微生物可能有降解某种污染物的基因，但当该污染物不存在时，基因处于“关闭”状态，污染物（诱导物）一旦出现，基因便被“打开”，从而合成相应的酶，微生物即可降解这种污染物。2.具有降解质粒微生物分解某些难降解污染物的能力受细胞内质粒的控制，质粒上有编码分解某污染物的酶的基因，降解性质粒的研究具有重大的理论和实践意义，特别是利用遗传工程的方法组建“超级菌”，可大大提高处理效率第69页，讲稿共93张，创作于星期日3.微生物的易变异 微生物与其他生物相比，易发生变异。当环境中存在某些污染物时，会诱发形成突变体，微生物分泌相应的酶，以降解这些污染物。然而，在自然状态下，这种突变频率很低，因此可采用人工诱变或分子遗传的手段构建降解特殊污染物的“工程菌”，对治理污染会带来更大的突破。二、影响微生物降解与转化污染物的生态学因素（一）物质的化学结构一般来讲，小分子和结构简单的物质比大分子结构复杂的物质易被分解，这是因为大分子物质必须在胞外酶的作用下降解成小分子物质后方能进人细胞。另外，化合物的结构越复杂越难与酶的活性中心接近，因而，难以被酶降解。第六节 微生物对污染物的代谢与转化第70页，讲稿共93张，创作于星期日 结构基团的性质、数目及位置直接干扰微生物的降解性。如各种羧酸易被生物降解，而氯代或溴代羧酸则难以降解；氯苯比苯难以降解，且氯原子越多，难度越大；苯酚和苯胺却比苯易被生物降解。三、微生物对污染物的代谢途径中心途径是糖类物质从复杂多聚物产生的单糖，经葡糖糖、丙酮酸进一步氧化成CO2和H2O。旁支途径是不同的微生物以及不同条件下所产生的代谢途径，在局部上所发生的明显改变。有机污染物代谢的基本过程包括：向基质接近，基质表面的吸附，分泌胞外酶，可渗透物质的吸收和胞内代谢。第六节 微生物对污染物的代谢与转化第71页，讲稿共93张，创作于星期日 有些难降解的物质如农药、石油烃等不能作为微生物的生长基质,但这些污染物却可以被微生物降解并消失，这是共代谢的结果。共代谢(又称为协同代谢或辅代谢)。共代谢是指微生物依赖可利用碳源和能源在正常生长过程中氧化非生长基质(目标污染物)的过程。即微生物在有它可利用的惟一碳源存在时，对它原来不能利用的物质也能分解代谢的现象。四共代谢的原理与应用第72页，讲稿共93张，创作于星期日 在微生物共代谢反应中产生非专一性的酶，为关键酶。关键酶是一种诱导酶。共代谢对难降解化合物的分解有很重要的作用，通过共代谢作用可以提高微生物降解难降解物质的效率选择到合适的菌种，通过共代谢可使多种有机污染物得到彻底降解。四共代谢的原理与应用第73页，讲稿共93张，创作于星期日微生物对有机物的分解作用简称生物分解或生物降解。污水中一些大分子化合物不能透过细胞膜质，必须经过微生物分泌的胞外水解酶水解，形成小分子后，才能被吸收。微生物对污染物分解过程可分三个阶段五 微生物对自然有机物的降解污水中蛋白质，多糖，及脂类等大分子化合物氨基酸、单糖脂肪酸等小分子物质胞外酶小分子进一步被降解成更简单的乙酰辅酶A，丙酮酸以及能进入三羧酸循环的中间产物会产生ATP完全降解生成CO2，产生ATP、NADH及FADH2三羧酸循环第74页，讲稿共93张，创作于星期日五 微生物对自然有机物的降解（一）蛋白质的代谢 蛋白质是有氨基酸组成的，分子巨大、结构复杂的化合物。微生物对氨基酸的分解，主要是脱氨作用和脱羧作用1.脱氨作用1）氧化脱氨：脱氨方式须在有氧条件下进行，专性厌氧菌不能进行氧化脱氨 第75页，讲稿共93张，创作于星期日2）还原脱氨还原脱氨在无氧条件下，生成饱和脂肪酸。能进行还原脱氨的微生物是专性厌氧菌和兼性厌氧菌。（一）蛋白质的代谢第76页，讲稿共93张，创作于星期日3）水解脱氨氨基酸水解脱氨后生成羟酸（一）蛋白质的代谢第77页，讲稿共93张，创作于星期日4）减饱和脱氨（直接脱氨）氨基酸在脱氨的同时，其、键减饱和，结果生成不饱和酸。（一）蛋白质的代谢第78页，讲稿共93张，创作于星期日2.脱羧作用 氨基酸脱羧作用多数是由腐败细菌和霉菌引起的，经脱羧后生成胺。二元胺对人有毒（一）蛋白质的代谢（二）脂肪代谢（三）碳水化合物的分解第79页，讲稿共93张，创作于星期日(1)降解石油的微生物种类能降解石油的微生物很多，已报道的有70多个属200多种，其中细菌28个属，酵母菌12个属，其余为放线菌和霉菌。土壤中真菌是石油的主要分解者。石油烃降解菌的数量直接反映环境受烃污染的程度，当环境受石油烃污染后，利用烃的微生物的数量相应增加。六、微生物对有毒污染物的分解和转化第80页，讲稿共93张，创作于星期日(2)影响石油降解的因素1.石油烃的种类和组成2.油的物理状态3.营养物质4.温度5.氧气六、微生物对有毒污染物的分解和转化第81页，讲稿共93张，创作于星期日（二）农药的降解农药是杀虫剂、杀菌剂、除草剂及灭鼠剂等的总称。目前使用的主要是有机磷、有机氯、有机汞等有机农药。(1)降解农药的微生物类别已报道的能降解农药的微生物有细菌、真菌、放线菌、藻类等，这些微生物大多来自土壤。六、微生物对有毒污染物的分解和转化第82页，讲稿共93张，创作于星期日(2)微生物降解农药的途径微生物对农药的降解有两种方式。一种方式是以农药作为惟一碳源和能源。有时作为惟一的氮源，使其得到降解；另一种方式是微生物利用其他化合物作为碳源和能源，将农药加以分解(共代谢作用)。一些难降解的农药多采用后一种方式降解。六、微生物对有毒污染物的分解和转化脱卤作用脱烃作用酯和酰胺的水解氧化作用还原作用环裂解缩合 第83页，讲稿共93张，创作于星期日（三）合成洗涤剂的降解 一般来讲，合成表面活性剂对环境并不造成严重影响，但应用浓度较高时，也会对某些水生动物产生毒害。六、微生物对有毒污染物的分解和转化第84页，讲稿共93张，创作于星期日降解机理整个表面活性剂的降解过程一般分为三步：初级降解，表面活性剂的母体结构消失，其特性发生变化；次级降解，降解得到的产物不再导致环境污染；最终降解，完全转化为CO2、NH3、H2O等无机物。六、微生物对有毒污染物的分解和转化第85页，讲稿共93张，创作于星期日（四）塑料的生物降解一般认为，以颗粒淀粉或改性胶状淀粉作为添加剂的塑料是较为理想的生物降解塑料。影响塑料降解的因素主要有微生物的种类、温度、pH值及养分等。在黑暗、湿度较大、有效碳源及大量无机盐存在的情况下，塑料的生物降解容易进行。六、微生物对有毒污染物的分解和转化第86页，讲稿共93张，创作于星期日塑料生物降解性的测定主要依据塑料降解后的物理或化学变化及微生物在塑料基质上的活性等。目前常用的方法有生长分级法、土埋法和CO2测定法、陪替氏平皿定量法、净区法等。六、微生物对有毒污染物的分解和转化第87页，讲稿共93张，创作于星期日（五）多氯联苯的降解PCBs生物降解的影响因素很多，主要有PCBs的理化特性、pH值、溶解氧浓度、养料、土壤对PCBs的吸附、氯代程度及氯原子在芳环上的位置等。其中氯代程度影响最大，氯代程度越大越难分解，超过四个氯原子便易在环境中积累。六、微生物对有毒污染物的分解和转化(1)PCBs的好氧降解均为共代谢过程。(2)PCBs的厌氧生物降解主要是一个还原脱氯过程。第88页，讲稿共93张，创作于星期日（六）偶氮化合物的降解偶氮化合物广泛应用于纺织业和印刷业。某些偶氮染料具有致突变和致癌作用。偶氮化合物的降解以厌氧降解为主，好氧降解较少。六、微生物对有毒污染物的分解和转化第89页，讲稿共93张，创作于星期日（七）氰和腈的降解随着人造纤维工业和石油化工工业的快速发展，含有机腈(如丙烯腈)和无机氰的废水量日益增大，腈和氰类化台物均属剧毒物。微生物能够以脂和氰作为碳源和能源加以降解。六、微生物对有毒污染物的分解和转化第90页，讲稿共93张，创作于星期日（八）微生物对重金属的转化(1)汞的转化自然界中汞以三种状态存在：金属汞、无机汞和有机汞。各种形态的汞都有毒性，但毒性大小有所差异，对人类来说，其毒性顺序为：烷基汞汞蒸气无机汞和苯汞。甲基汞的毒性比无机汞大50-l00倍。六、微生物对有毒污染物的分解和转化第91页，讲稿共93张，创作于星期日微生物参与汞的转化可归纳为三个方面：无机汞转化为甲基汞；无机汞转化为单质汞有机汞转化为单质汞。对于微生物来说，汞的毒性大小次序为：无机汞烷基汞单质汞。六、微生物对有毒污染物的分解和转化第92页，讲稿共93张，创作于星期日感感谢谢大大家家观观看看第93页，讲稿共93张，创作于星期日