微生物产能代谢的应用与技术

1)生物氧化

分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程，这个过程也称为生物氧化，是发生在活细胞内的一系列产能性反应的总称。 生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢或失去电子；生物氧化的过程可分为脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）3 个阶段；生物氧化的功能则有产能、产还原力和产小分子中间代谢物3 种。 不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同的，异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物。 在生物氧化过程中释放的能量可被微生物直接利用，也可通过能量转换贮存在高能化合物（如ATP）中，以便逐步被利用，还有部分能量以热的形式被释放到环境中。

（1）异养微生物的生物氧化

异养微生物氧化有机物的方式，根据氧化还原反应中电子受体的不同可分成发酵和呼吸两种类型，而呼吸又可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种方式。

①发酵。 发酵是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同代谢产物的过程。 在发酵条件下有机物只是部分被氧化，只释放一小部分能量。 发酵过程的氧化与有机物的还原相偶联，被还原的有机物来自初始发酵的分解代谢产物，即不需要提供外源的电子受体。

发酵的种类有很多，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。 生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解，主要分为4 种途径:EMP途径、HMP 途径、ED 途径、磷酸解酮酶途径。

②呼吸作用。 当存在外源电子受体时，微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给NAD、FAD 或FMN 等电子载体，经电子传递系统传给外源电子受体，生成水或其他还原型产物并释放出能量的过程，称为呼吸作用。 此过程合成ATP 的量大大多于发酵过程，呼吸作用与发酵作用的根本区别在于:电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体。 其中以分子氧作为最终电子受体的称为有氧呼吸，以氧化型化合物作为最终电子受体的称为无氧呼吸。

a.有氧呼吸。 葡萄糖经过糖酵解作用形成丙酮酸，在发酵过程中，丙酮酸在厌氧条件下转变成不同的发酵产物。 而在有氧呼吸过程中，丙酮酸进入三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA 循环），被彻底氧化生成CO2 和水，同时释放大量能量。

在三羧酸循环过程中，1 分子丙酮酸完全氧化为3 分子CO2，同时生成4 分子NADH 和1分子FADH2。 NADH 和FADH2可经电子传递系统重新被氧化，每氧化1 分子NADH 可生成3分子ATP，每氧化1 分子FADH2 可生成2 分子ATP。 另外，琥珀酰辅酶A 在氧化成延胡索酸时，包含底物水平磷酸化作用，由此产生1 分子GTP，随后这1 分子GTP 可转化1 分子成ATP。因此每一次三羧酸循环可生成15 分子ATP。 此外，在糖酵解过程中产生的2 分子NADH 可经电子传递系统重新被氧化，产生6 分子ATP。 在葡萄糖转变为2 分子丙酮酸时借底物水平磷酸化生成2 分子ATP。 因此，需氧微生物在完全氧化葡萄糖的过程中总共可得到38 分子ATP。

电子传递系统是由一系列氢和电子传递体组成的多酶氧化还原体系。 NADH、FADH2 以及其他还原型载体上的氢原子，以质子和电子的形式在其上进行定向传递，其组成酶系是定向有序的，又是不对称地排列在原核微生物的细胞质膜上或是在真核微生物的线粒体内膜上。这些系统具有两种基本功能:一是从电子供体接受电子并将电子传递给电子受体；二是通过合成ATP 把在电子传递过程中释放的一部分能量保存起来。 电子传递系统中的氧化还原酶包括NADH 脱氢酶、黄素蛋白、铁硫蛋白、细胞色素、辅酶Q（泛醌）。

b.无氧呼吸。 某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸，以NO 3- 、NO 2- 、、CO2 等外源含氧无机化合物为最终电子受体。 无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于微生物的生命活动。

（2）自养微生物的生物氧化

一些微生物可以氧化无机物获得能量，同化合成细胞物质，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ATP。(www.xing528.com)

①氨的氧化。 NH3 和亚硝酸（NO 2- ）是可以用作能源的最普通的无机氮化合物，能被硝化细菌所氧化，硝化细菌可分为2 个亚群:亚硝化细菌和硝化细菌。 氨氧化为硝酸的过程可分为2 个阶段，先由亚硝化细菌将氨氧化为亚硝酸，再由硝化细菌将亚硝酸氧化为硝酸。 氨氧化为硝酸是通过这两类细菌依次进行的。 硝化细菌都是一些专性好氧的革兰阳性菌，以分子氧为最终电子受体，且大多数是专性无机营养型。 它们的细胞都具有复杂的膜内褶结构，这有利于增加细胞的代谢能力。 硝化细菌无芽孢，多数为二分裂殖，生长缓慢，分布非常广泛。

②硫的氧化。 硫杆菌能够利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化合物作能源。 H2S首先被氧化成元素硫，随之被硫氧化酶和细胞色素系统氧化成亚硫酸盐，放出的电子在传递过程中可以偶联产生4 分子ATP。 亚硫酸盐可由亚硫酸盐-细胞色素c 还原酶和末端细胞色素系统催化，直接氧化成，产生1 分子ATP；或经磷酸腺苷硫酸的氧化途径，每氧化1 分子产生5 分子ATP。

③铁的氧化。 亚铁的氧化仅在嗜酸性氧化亚铁硫杆菌中进行了较为详细的研究。 在低pH 值环境中这种菌能利用亚铁放出的能量生长。 在该菌的呼吸链中发现了一种含铜蛋白质，它与几种细胞色素c 和一种细胞色素a1氧化酶构成电子传递链，在电子传递到氧的过程中细胞质内有质子消耗，从而驱动ATP 合成。

④氢的氧化。 氢细菌都是一些呈革兰氏阴性的兼性化能自氧菌，它们能利用分子氢氧化产生的能量同化CO2，也能利用其他有机物生长。 氢细菌的细胞膜上有泛醌、维生素K2 及细胞色素等呼吸链组分。 在该菌中，电子直接从氢传递给电子传递系统，电子在呼吸链传递过程中产生ATP。

2)能量转换

在产能代谢过程中，微生物可通过底物水平磷酸化和氧化磷酸化将某种物质氧化而释放的能量贮存于ATP 等高能分子中。 对光合微生物而言，可通过光合磷酸化将光能转变为化学能贮存于ATP 中。

（1）底物水平磷酸化

物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的中间化合物，这些化合物可直接偶联ATP 或GTP 的合成，这种产生ATP 等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。 底物水平磷酸化既存在于发酵过程中，是微生物发酵过程中产生ATP 的唯一方式，也存在于呼吸作用的某些步骤中。 例如，在EMP 途径中磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸的过程中，通过底物水平磷酸化形成1 分子ATP；在三羧酸循环过程中，琥珀酰辅酶A 转变为琥珀酸时也偶联着1 分子GTP的形成。

（2）氧化磷酸化

物质在生物氧化过程中形成的NADH 和FADH2 可通过位于线粒体内膜和细菌质膜上的电子传递系统将电子传递给氧或其他氧化型物质，在这个过程中偶联着ATP 的合成，这种产生ATP 的方式称为氧化磷酸化。 1 分子NADH 和FADH2 可分别产生3 分子和2 分子ATP。由于ATP 在生命活动中所起的重要作用，长期以来阐明ATP 合成的具体机制一直是人们的研究热点，并取得丰硕成果。 英国学者米切尔（P. Mitchell）1961 年提出化学渗透偶联假说，该学说认为电子传递过程中建立膜内外质子浓度差，从而将能量蕴藏在质子势中，质子势推动质子由膜外进入胞内，在这个过程中通过存在于膜上的F1-F0ATP 合酶偶联ATP 的形成。

（3）光合磷酸化

光合作用是自然界一个极其重要的生物学过程，其实质是通过光合磷酸化将光能转变成化学能，以用于从CO2 合成细胞物质。 光合磷酸化是指光能转变为化学能的过程。 当一个叶绿素分子吸收光量子时，叶绿素性质上即被激活，导致叶绿素（或细菌叶绿素）释放一个电子而被氧化，释放出的电子在电子传递系统的传递过程中逐步释放能量，这就是光合磷酸化的基本动力。 进行光合作用的生物体除了绿色植物外，还包括光合微生物，如藻类、蓝细菌和光合细菌（紫色细菌、绿色细菌、嗜盐菌等）。