周德庆微生物学笔记06

第六章 微生物的代谢和发酵

微生物体进行化学反应统称为代谢，包括合成代谢和分解代谢。简单的小分子合成复杂的大分子，并组成细胞结构，称为合成代谢；各种营养物质或细胞物质降解为简单的产物，称为分解代谢。合成代谢是分解代谢的基础，分解代谢为合成代谢提供能量和原料。物质代谢过程中伴随着能量代谢。微生物代谢特点有两点1、代谢旺盛（强度高转化能力强）2、代谢类型多。由于微生物的代谢作用使得微生物在自然界的物质物质循环中起着极其重要的作用。

第一节 微生物对有机物的分解

第二节 异养微生物的产能代谢－发酵与呼吸 微生物的产能方式与其营养类型有关。异养微生物的能量来自有机物的分解。有发酵和呼吸两种产能方式。发酵与呼吸区别在于最终电子受体不同。发酵是以有机物为最终电子受体，而呼吸则是以无机物和氧气做为最终电子受体。呼吸又分有氧呼吸和无氧呼吸，以无氧呼吸为最终电子受体叫无氧呼吸，以氧为最终电子受体的叫有氧呼吸。 发酵：以有机物为最终电子受体

生物氧化 无氧呼吸：以无机物为最终电子受体 呼吸 有氧呼吸：以有机物为最终电子受体

一、发酵

发酵一词是十九世纪巴斯德提出的，有些微生物在没有氧气的情况下也可以生活，当时巴斯德把这种现象叫做“发酵”。

现代我们讲的发酵是指不需氧的产能过程能量的一种方式。是以有机物为最终电子受体的生物氧化过程。是由厌氧或兼性厌氧微生物在厌氧条件下实现的生化过程。

这显然有别于工业发酵所指的微生物产品的生产过程。工业常把好氧或兼性厌氧微生物在通气或厌气的条件下的产品生过程统称为发酵。在生产上通过微生物的代谢作用，把底物转化成中间产物，为获得某种工业产品，这种工业产品是发酵基质没有彻底氧化的产物。

微生物能以好多种有机物作为发酵基质，但它以大都能转化成葡萄糖或葡萄糖的中间代谢产物而被微生物利用。

根据代谢产物和代谢途径不同，有各种不同的发酵类型，以乙醇发酵，乳酸发酵，混合酸发酵，丙酮发酵研究得最重要最清楚。

下面以葡萄糖为发酵基质来讲述微生物如何通过发酵将葡萄糖分解，并获得能量和某些代谢产物的一般过程，微生物不同，它所分解葡萄糖后，积累的代谢产物也不同，目前根据主要代谢产物，将微生物发酵成不同的类型的主要发酵类型。

（一）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵的乙醇发酵：酵母菌和某些细菌

1、 酵母菌的乙醇发酵和酒精、白酒、葡萄酒、啤酒等各种酒类生产关系密切，发酵是以二磷酸己糖途径为基础进行的。丙酮酸脱羧E是酵母菌乙酸发酵的关键E。目前所知的它主要存在于酵母菌中。能催化二P己糖途径的最终产物丙酮酸脱羧为乙醛，乙醛接受磷酸甘油醛氧化成1，3－二磷酸甘油酸所释放出的H

还原成乙醇。G 二丙酮酸 二乙醇。 反应式：C6H12 2C2H5OH＋2CO2＋ATP 乙醇 3、3－P甘油醛－H2 2NAP 2NADH2 乙醛（受H2）

1、3－2P甘油酸 脱氢酶

1分子葡萄糖经酵母菌的乙醇发酵生成2分子乙醇，2分子CO2 ，净增2分子ATP这2个ATP基质在氧化过程中产生的这种产生ATP的方式称为基质水平P酸。

酵母菌乙醇发酵应严格控制三个条件：厌氧。培养基中不含有NaSO3PH<7.6。①酵母菌是兼性厌氧菌，在有氧条件下丙酮酸就进入三羧循环进行有氧呼吸，彻底氧化成CO2和水，其结果是糖的利用率低，乙醇的生成量减少。②在发酵环境中含有NaHSO3时，NaHSO3与乙醛结合成复合物（乙醛·HSO3）。③乙醛会发生歧化反应，两分子乙醛生成一分子乙醇和一分子乙酸。在后两种情况下，乙醛还原成乙醇过程受阻。由于以上三个原因，控制酵母菌乙醇发酵的条件具重要意义。 2、细菌的乙醇发酵

少数细菌如运动发酵单细胞菌也能进行乙醇发酵，但与酵母有的乙醇发酵途径不同，是通过E、D途径进行乙醇发酵。这一途径的特性E是α－酮3－脱氧－6磷酸葡萄糖醛缩E。

C6H12O6 2C2H5OH＋CO2＋ATP

乙醇发酵通常以糖类物质（甜菜）淀粉物质（玉米、高梁、谷物、薯类）或纤维物质为原料。淀粉和纤维素类须先糖化才能被利用，因为酵母不发酵淀粉和纤维素。

乙醇发酵特点：

1、发酵基质氧化不彻底，发酵结果仍结果有机物。 2、酶体系不完全，只有脱氢E，没有氧化酶。

3、产生能量少，酵母乙醇发酵净产2ATP，细菌1ATP。也就是丙酮酸直接接受糖酵解过程吕脱下H使之还原成乳酸的过程 。

（二）乳酸发酵 ：是指乳酸细菌将G分解产生的丙酮酸逐渐还原成乳酸细菌积累乳酸的过程 是典型 的乳酸发酵。我们熟悉的牛奶变酸，生产酸奶，渍酸菜，泡菜和青贮饲料都是乳酸发酵 。

进行乳酸发酵的都是细菌如：短乳杆菌，乳链球菌等 。 1、同型乳酸发酵

在糖的发酵中，产物只有乳酸的发酵称为同型乳酸发酵，青贮饮料中的乳链球菌发酵 即为同型 乳酸发酵 。

乳酸脱HE是同型乳酸发酵的关键E。细菌细胞内不含丙酮酸脱羧E其过程是丙酮酸为直接H受体。沿EMP途径生成丙酮酸在脱氢E催化下还原成乳酸。 总应式：C6H12O6+2ADP+Pi 2C3H6O3+2ATP 3-P甘油醛－H2 2NAD 2乳酸

＋2ATP 1，3－二甘油酸 2NAD H2 2丙酮酸

2、异型乳酸发酵（HMP途径）

发酵产物除乳酸外还有乙醇与CO2。青贮饲料中短乳杆菌发酵即为异型乳酸发酵。异型乳酸发酵。异型乳酸发酵以一磷酸己糖途径（ PK）为基础，发酵结果是1分子G1分子生成1分子乳酸，1分子乳，1分子乳酸，1分子乙醇，1分子CO2。

北方渍酸菜，南方泡菜是常见的乳酸发酵 ，这是自然发酵。散会上有很多微生物，如胚芽乳酸杆菌进行异型 乳酸发酵 。酵母也能进行乳酸发酵 。

乳酸发酵细菌不破坏杆植物细胞，只利用植物分泌物生长繁殖。腐败菌、霉菌能破坏菜的组织细胞，分解Pr，使菜变臭。

要想渍好酸菜（1）必须控制不被杂菌感染，白菜要清洗，避免杂菌起势高，易污染。（2）要创造适合乳酸发酸的厌氧环境条件，将酸菜上加压（放石块）在缸中加水，造成厌氧环境。（3）要加些盐，3—5%NaCl浓度为好，卤抑制亚硝酸胺的产生，又可调节渗透压，渗出营养物供乳酸菌生活。亚硝胺是致癌物质。（4）缸要刷净，并不要带进油污，因乳粉霉菌以脂肪为营养，有油污存在，这种菌繁殖起来，也会使 酸菜产生异味。（5）PH值3—4为宜。

乳酸发酵细菌多为杆菌，如乳酸杆菌，G+无芽孢少数为球菌，如乳链球菌。 近代工业以淀粉物质为原料 ，得天独厚经糖化，再接乳酸菌，发酵 生产纯乳酸，德氏乳酸杆核辐射是工业生产常用的菌种。 （三）混合酸发酵

某些细菌通过发酵将G变成琥珀酸乳酸甲酸、H2和CO2等多种代谢产物，由于代谢产物中含多种有机酸，因此将这种发酵称为混合酸发酵。大多数肠杆菌如大肠杆菌等均能进行混合酸发酵。

如图：混合酸发酵也是沿BMP途径进行。一般的产气杆菌发酵G可以得到大量的丁二醇，在丁二醇形成的过程中，可产生一种红色化合物。这是细菌分类鉴定中常用的V，P反应原理。大肠杆菌不产生2，3－丁二醇，因此VP反应阴性。产生气杆菌V，P阳性，在大肠混合酸发酵过程中，由于产生的有机酸较多PH在4.2以下，加入甲基红指示剂，发酵液红色（阳性）产气气杆菌甲基红反应为阴性（丁二醇PH高）。

从上述几种发酵类型可以看出（1）糖酵解作用是各种发酵的基础，而发酵则是糖酵解过程的发展（2）发酵的结果仍积累某些有机物，说明基质在氧化过程中不彻底（3）基质受体被氧化的基质同时又是电子受体。 二、呼吸

微生物以分子氧或无机物为最终电子受体的生物氧化过程。呼吸是大多数微生物用来产生能量（ATP）的一种方式。与发酵相比，基质在氧化过程中放出的电子不是直接交给有机物，而是通过业系列电子载体最终交给电子受体的生物学过程。

由许多电子载体并按它们氧化还原电势开高的顺序排列起的链称为电子传递链，（又称呼吸链）。呼吸的一个重要特征是基质上脱下的氢要通过电子传递链进行传递最终交给电子受体，并且电子在传递过程中伴随ATP生成。这种的生ATP的方式称为氧化磷酸化。

根据呼吸中电子最终受体性质的不同，可以将呼吸称为好氧呼吸与厌氧呼吸两

种类型，前者以分子氧为最终受体，后者以除氧以外的物质如硝酸盐或延胡索酸等作为最终电子受体。 （一）有氧呼吸

微生物的有氧呼吸与真核生物相同，只是细菌呼吸链在细胞膜上，真核生物的呼吸链在线粒体上进行。

葡萄糖通过好氧呼吸完全氧化生成CO2和水的过程除糖酵解作用外，还有三羧酸循环与电子传递链两部分的化学反应，前者使完全氧化成CO2，后者使脱下的电子交给分子氧生成水并伴随有ATP生成。最终产物是CO2和H2O。可产生38个ATP。反应式是：C6H12O6+6O2 6CO2+6 之所以能进行有氧呼吸是由酶系决定的，能进行有氧呼吸的细菌体内既有氧化E系，又有脱氢E系。 电子传递： 基质－H2 递H体 还原态细胞色素－H2 NAD、FAD、辅霉Q 细胞色素b、c、a、a3 基 质 递H体－H2 氧化态细胞色素 脱H霉 氧化E 1/2 O2 同时生成

H2O

但也有少数微生物在有氧的情况下，有机物的氧化不彻底，氧化最终产物不是CO2和H2O而是较少的有机物，如醋杆菌，在缓慢的三羧酸循环过程中，在进行有氧呼吸时大量积累醋酸，这种氧化称不完全氧化，由酒变醋也是不完全氧化。

有氧呼吸特点：

1、基质氧化彻底生成CO2和H2O，（少数氧化不彻底，生成小分子量的有机物，如醋酸发酵）。

2、E系完全，一分子脱氢E和氧化E两种E系。 3、产能量多，一分子G净产38个ATP （二）无氧呼吸

无氧呼吸是以无机物为最终电子受体的生物氧化过程能做为无氧呼吸最终电子受体的无机物有硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐，这些无机盐接受电子后被还原。 1、硝酸盐还原（反硝化作用）

微生物的硝酸盐还原，有同化型和异化型两种方式。N2O的作用称为异化型硝酸盐还原，又叫反硝化作用。

基质－ 辅霉 NO2 NO N2O N2 亚硝酸还原细菌 基 质 辅霉－H2 NO3－

脱H霉 硝酸盐还原细菌

通过电子传递最后产生2ATP。

硝酸盐还原可将土壤肥力降低一半，造成土壤中N素的损失，对农业生产不利，但对大气整体N素循环是有利的，能够进行异化型硝酸还原的微生物并不多主要是极毛杆菌属和色杆菌属以及某些特殊的脱N硝酸盐还原氧化基质有机物如G。

2、硫酸盐还原（反硫化作用）

有些硫酸盐还原菌如脱硫弧菌，以有机物为氧化基质（H2或有机物，大部分不能利用G）。使硫酸盐还原成H2S。乳酸常被脱硫弧菌氧化成乙酸，并脱下8个H，使硫酸盐还原为H2S。2乳酸＋2H2O 2乙酸＋2CO2＋8H

反应式SO42－＋8H 4H2O＋S2－同时通过电子传递磷酸化生成ATP。

硫酸盐还原菌，多生活在稻田，游泥等处，这些地方硫酸盐被其还原菌还原。生成H2S含量过高会造成小稻烂秧。 3、碳酸盐还原（甲烷生成作用）

甲烷细菌能在氢等物质的氧化过程中，以CO2还原成甲烷，这就是碳酸盐还原又称甲烷生成作用。

甲烷细菌为气性厌氧菌的分布很广，江河湖底、游泥中、沼泽地及动物消化道中都有很多甲烷菌。甲烷以CO2和H2为原料，以H2为电子供体CO2为电子受体和碳素来源合成甲烷－沼气，还有些甲烷细菌能以甲酸、乙酸、甲醇为碳源合成甲烷。

许多甲烷细菌能利用CO2和H2生长，这点类似自养型细菌，但又与自养型细菌不同，因为细胞物质，另一方面又将CO2还原成甲烷。也有将产甲烷细菌归属为自养微生物的。

在以CO2和H2为原料合成甲烷的过程中，辅霉M起着重要作用。辅霉M先与CO2结合，再逐步被还原，最后生成甲烷和辅酶M。甲烷细菌电子传递的方式和产能方式的具体细节，目前还没有完全弄清楚。

甲烷细菌特点：

（1） 产甲烷细菌细胞壁不含肽聚糖

（2） 产甲烷DNA分子量比一般细菌少2－3倍

（3） 产甲烷细菌tRNA分子中的JφC的T被或U取代。

（4） 产甲烷细菌起始tRNA所携带的AA为甲硫氨基一般细菌为甲醛甲硫氨酸。

（5） 无芽孢、厌氧、氧化还原电位低。

第三节 自养微生物的产能代谢