第六章 微生物的代谢

2. 硫酸盐呼吸
经呼吸链传递的氢交给硫酸盐（末端氢受体）的一种厌氧呼 吸。硫酸盐还原的最终产物是H2S。
进行硫酸盐呼吸的细菌称“硫酸盐还原细菌”，包括脱硫弧 菌属、脱硫单胞菌属、脱硫球菌属、脱硫肠状菌属、脱硫八叠球 菌属等。它们都是严格厌氧的古生菌。 极大多数为专性化能异养型，利用有机酸（乳酸、丙酮酸、 延胡索酸和苹果酸等）、脂肪酸（乙酸和甲酸）和醇类（乙醇 ）等有机质生长。 少数为混合营养型生长，在有适宜有机碳源和能源时以化能 异养生活，若无适宜有机物时也能以H2、CO2进行自养生长。
（2）细菌的乙醇发酵
菌种：运动发酵单胞菌等 途径：ED （P145）
葡萄糖 +ATP
2H
2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸
ED途径又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解 3-磷酸甘油醛 丙酮酸 途径。 2H 2ATP saccharophila中发现，后来证明 1952年在Pseudomonas 存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）。 ED途径可 丙酮酸 不依赖于EMP和HMP途径而单独存在，是少数缺乏完整 EMP途径 2CO
1.乙醇发酵
（1） 酵母菌的乙醇发酵：
C6H12O6
EMP
概念
菌种
途径
NAD NADH2
特点 发生条件
2ATP
2CH3COCOOH 乙酸 乙醇
-2CO2
OH歧化
2CH3CHO （亚适量，3%） 磺化羟乙醛
亚硫酸氢钠
磷酸二羟丙酮 乙醛脱氢酶
2CH3CH2OH a-磷酸甘油 甘油 ※该乙醇发酵过程只在pH3.5~4.5以及厌氧的条件下发生。
烧会发出绿幽幽的光。长期以来人们无法正确地解释这种现象， 将其称之为“鬼火”。
厌氧呼吸的产能较有氧呼吸少，但比发酵多，它
使微生物在没有氧的情况下仍然可以通过电子传递和
氧化磷酸化来产生ATP，因此对很多微生物是非常重 要的。 除氧以外的多种物质可被各种微生物用作最终电 子受体，充分体现了微生物代谢类型的多样性。
（3）异型酒精 一些细菌能够通过HMP途径或PK途径进行异型乳酸发 酵产生乙醇、乳酸等，我们也可以称其为异型乙醇发酵，例 如Leuconostoc mesenteroides（肠膜明串珠菌）进行的异型 乙醇发酵总反应式为： 葡萄糖 ＋ ADP + Pi 乳酸 + 乙醇 + CO2 + ATP
பைடு நூலகம்
2.乳酸发酵
俄国著名微生物学家Winogradsky的杰出贡献：
化能无机自养型微生物的发现： 氧化无机物获得能量； 没有光和叶绿素的条件下也能同化CO2为细胞 物质（能以CO2为唯一或主要碳源）
• 特点： • 生物氧化也包括脱氢、递氢和受氢三个阶段；
–是通过氧化某些还原性的无机底物（NH4+、NO2-、
大肠杆菌也是一种反硝化细菌，但它只能将NO3-还原成NO2- 。
反硝化作用的生态学作用：
土壤及水环境
好氧性机体的呼吸作用
氧被消耗而造成局部的厌氧环境 硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸
害：土壤中植物能利用的氮（NO3-） 利：反硝化作用在氮素循环中的重要作用 还原成氮气而消失，从而降低了土 壤的肥力。 如果没有反硝化作用，硝酸盐将在水中积 O3 N2O NO NO2 (酸雨) 累，会导致水质变坏与地球上氮素循环的 中断。 防止措施：松土，排除过多的水分， 污水处理系统中：脱氮，保护环境 保证土壤中有良好的通气条件。
的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。
乙醛 2乙醇 乙醛
2
同型乙醇发酵（homoalcholic fermentation）
酿酒酵母能够通过EMP途径进行同型酒精发酵，这是 一个低效的产能过程，大量能量仍然贮存于乙醇中，其总 反应为： 葡萄糖 ＋ 2ADP + 2Pi 2乙醇 + 2 CO2 + 2ATP
葡萄糖
2,3-丁二醇发酵
葡萄糖
概念：肠杆菌、 沙雷氏菌、和 欧文氏菌属中 的一些细菌具 有-乙酰乳酸 乙醛 合成酶系而进 行丁二醇发酵。 发酵途径： 乙醇
EMP
乳酸
丙酮酸
乙酰CoA
-乙酰乳酸合成酶
甲酸 CO2 H2
乙酰乳酸
-乙酰乳酸脱羧酶
二乙酰
3-羟基丁酮
2,3-丁二醇脱氢酶
2,3-丁二醇
运动发酵单胞菌能通过ED途径进行同型乙醇发酵，但只 产生1个ATP。 葡萄糖 ＋ ADP + Pi 2乙醇 + 2 CO2 +ATP
2-酮-3-脱 氧-6-磷酸 葡萄糖酸
细菌进行的同型酒精发酵特点
缺乏完整EMP途径的少数细菌（假单胞菌，根瘤菌， 农杆菌，粪肠球菌）利用ED途径替代EMP途径产能。
优点： 代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产 物少，发酵温度高。 缺点： 对乙醇耐受力低（7%，酵母8%~10%）；pH较高（ 细菌约pH5，酵母菌为pH3），易染菌。
乙醛
乙酰CoA
NAD+ NADH
乙酰磷酸
葡萄糖
6-磷酸 葡萄糖
6-磷酸葡 5-磷酸 萄糖酸 -CO2 木酮糖 3-磷酸 -2H 甘油醛
2ADP 2ATP
乳酸
3. 混合酸发酵
概念：埃希氏 菌、沙门氏菌、 PEP羧化酶 志贺氏菌属的一 琥泊酸 草酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮酸 些菌通过EMP途 径将葡萄糖转变 乳酸脱氢酶 乳酸 丙酮酸 成琥珀酸、乳酸、 +2H 丙酮酸甲酸裂解酶 甲酸、乙醇、乙 酸、H2和CO2等 乙醛脱氢酶 乙醛 乙酰 CoA 甲酸 多种代谢产物， 甲酸-氢裂解酶 磷酸转乙酰酶 pH﹤6.2 由于代谢产物中 含有多种有机酸， 乙醇 乙酰磷酸 CO2 H2 故将其称为混合 乙酸激酶 酸发酵。 乙酸 发酵途径：
大肠杆菌：产酸较多，使pH﹤4.5 产气杆菌： pH﹥4.5
4. 丙酮、丁醇发酵
在丙酮丁醇梭状芽孢杆菌( Clostridum acetobutylium )中，丙 酮酸经过一系列的脱缩和缩合等过程而转变为丙酮、丁醇， 称为丙酮丁醇发酵。
5.Stickland反应机制
氨基酸发酵产能
二、化能自养微生物的生物氧化和产能
根据末端氢（电子）受体的不同，无氧呼吸分为多种类型： A. 硝酸盐呼吸 B. 硫酸盐呼吸 C. 硫呼吸 D. 铁呼吸 E. 碳酸盐呼吸 F. 延胡索酸呼吸
1、硝酸盐呼吸
又称为反硝化作用或硝酸盐还原 能进行硝酸盐呼吸的细菌被称为硝酸盐还原 细菌，主要生活在土壤和水环境中，如假单胞菌、 依氏螺菌、脱氮小球菌等。 进行硝酸盐呼吸的细菌都是兼性厌氧菌，无氧但 环境中存在硝酸盐时进行厌氧呼吸，而有氧时其细胞 膜上的硝酸盐还原酶活性被抑制，细胞进行有氧呼吸。
鉴别肠道细菌的V.P.试验
鉴别原理
缩合 脱羧
2丙酮酸
-CO2
乙酰乳酸 2,3-丁二醇
3-羟基丁酮
碱性条件
二乙酰
（与培养基中精氨酸的胍基结合）红色化合物
鉴别肠道细菌的产酸产气、甲基 红（M.R）试验
产酸产气试验： Escherichia与Shigella在利用葡萄糖进 行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气， 后者则因无此酶，不具有产气的能力。 甲基红试验：大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进 行发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者则产生大量 的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中加入甲基红试剂 时，前者呈红色，后者呈黄色。
3. 硫呼吸
元素硫作为无氧呼吸的最终氢受体，最终硫被异化 性还原形成H2S的过程。 兼性或专性厌氧菌 主要: 硫还原菌属、脱硫单胞菌属
例如，利用乙酸为电子供体： CH3COOH + 2H2O + 4 S 2 CO2 + 4 H2S
4. 碳酸盐呼吸（carbnate respiration） 以CO2或碳酸盐作为呼吸链的末端氢受体的无氧呼吸。 根据其还原产物的不同，可分为两种类型，一类是产甲烷菌 产生甲烷的碳酸盐呼吸，另一类为产乙酸细菌产生乙酸的碳 酸盐呼吸。 5. 铁呼吸（iron respiration） 无氧呼吸链的末端氢受体是Fe3+，这方面的研究目前仅 在嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌中有报道。 6. 延胡索酸呼吸（fumarate respiration） 某些兼性厌氧细菌可将延胡索酸还原成琥珀酸，即以延 胡索酸为最终电子受体，而琥珀酸是还原产物。 近年来，又发现了几种类似于延胡索酸呼吸的无氧呼 吸，它们都以有机氧化物作为无氧环境下呼吸链的末端氢受 体，包括甘氨酸（还原成乙酸）、二甲基亚砜（还原成二甲 基硫化物），氧化三甲基胺（还原成三甲基胺）等。
第五章 微生物的代谢 （Microbial metabolism）
第一节 微生物的能量代谢
研究能量代谢的实质就是追踪微生物可利用的
最初能源是如何转化并释放出一切生命活动的通
用能源 — ATP的过程。
微生物可利用的最初能源有哪些？
一、化能异氧微生物的生物氧化与产能
（二）无氧呼吸（anaerobic respiration）
无氧呼吸对“鬼火”的生物学解释
在无氧条件下，某些微生物在没有氧、氮或硫作呼吸作用 的最终电子受体时，可以磷酸盐代替，其结果是生成磷化氢 （PH3），一种易燃气体。当有机物腐败变质时，经常会发生 这种情况。 若埋葬尸体的坟墓封口不严时，这种气体就很易逸出。农
村的墓地通常位于山坡上，埋葬着大量尸体。在夜晚，气体燃
• EMP途径：酵母乙醇发酵（同型乙醇发酵）、乳酸发酵
（同型乳酸发酵）、混合酸和丁二醇发酵、丙酮-丁醇发 酵
• HMP途径：异型乳酸发酵、异型乙醇发酵
• ED途径：细菌同型乙醇发酵
• PK途径：双岐杆菌发酵
丙酮酸的发酵产物
①酵母型酒精发酵 ②同型乳酸发酵 ③丙酸发酵 ④混合酸发酵 ⑤2,3—丁二醇发酵 ⑥丁酸发酵