第6章 生物化学工程基础 当代给水与废水处理原理

当代给水与废水处理原理安徽理工大学地球与环境学院高良敏博士、教授第六章生物化学工程基础

——应用微生物生物化学

生物化学工程是应用化学工程的原理和方法，将生物工程的研究成果进行工程应用的学科。生物化学工程认为：凡是微生物活动所产生的有机化合物的化学变化，都属于发酵。因此，废水的生物处理包含在生物化学工程的研究领域内，而微生物及相关的生物化学加识，是以微观水平理解生物化学反应过程的基础，是废水生化处理的基础理论。水处理中的微生物

给水与废水处所涉及的微生物种类很多，根据其细胞结构、功能和组分差异，主要分三类：原核细胞微生物、真核细胞微生物和病毒(噬菌体)。原核细胞微生物的细胞仅有原始的核物质，无核膜与核仁的分化，也无细胞器等。它包括细菌、放线菌、蓝细菌等，其细胞结构如图6-1所示。§6-1原核细胞微生物

1.细菌（真细菌）细菌是给水与废水处理中最重要的一类微生物。它是一种单细胞的类似植物的生物。根据细菌外型的不同，可分为球菌、杆菌和螺旋菌。细菌以单个或群体存在，通常以二分裂法繁殖，也有些可以进行有性繁殖。§6-1原核细胞微生物细菌细胞的最外层为细胞壁，起固定细菌形态和保护细胞的作用。细胞壁由脂类、蛋白质和多糖的聚合物组成。细胞膜化学组成主要是脂类和蛋白质，具有选择性吸收的半渗透性，膜上具有与物质渗透有关的酶类，在吸收营养物质和排除废物方面起着重要作用。细胞质主要成分是水、蛋白质、核酸和脂类等，可通过观察染色均匀与否来判断细菌是处于新生还是衰老阶段。核物质是细菌遗传变异的物质基础，质粒是细菌的另外一种遗传物质。在处理含毒物质废水及复杂的人工合成有机物废水时，常借助降解性质粒和抗性质粒等的去除作用。有些细菌还能进行光合作用。载色体是进行光合作用的场所，也是由细胞膜内陷形成的。

§6-1原核细胞微生物有些细菌在一定的环境条件下可形成一层粘液性物质，包围在细胞壁外面，这层物质叫粘液层。其成分主要是多糖和果胶类物质。当粘液层呈现均匀厚度时则称为荚膜。

菌胶团是活性污泥和生物膜的重要组成部分，有较强的吸附和氧化有机物的能力，在废水生物处理中具有重要作用。活性污泥性能的好坏，主要可根据所含菌胶团多少、大小及结构的紧密程度来确定。

某些杆菌和极少数球菌能在菌体内形成圆形或椭圆形的具有较厚的壁，称为芽孢。芽孢对干燥和辐射的抵抗力也很强，在废水生物处理过程中，特别是处理有毒废水时，都有芽孢细菌的生长。§6-1原核细胞微生物水处理所涉及的细菌种类很多。对给水处理而言，由于细菌在常规过程中不参与处理作用，因此水中出现的细菌只是一种应被去除的有害杂质；对废水的生物处理而言，细菌是参与处理过程的基本动力，它们直接或间接地氧化分解有机污染物．是生物絮体和生物膜的基本成分。

2.丝状菌丝状茵在废水处理中的作用重要而独特。废水处理中常见的丝状细菌主要有球衣菌属、铁细菌属、贝日阿托氏菌属和发硫菌属。但丝状细菌过度繁殖，特别是游离于菌胶团之外的非结构性丝状细菌的大量繁殖．会引起废水处理系统的污泥膨胀。§6-1原核细胞微生物3.放线菌放线菌为具有分枝的丝状菌，介于细菌与真菌之间，是单细胞微生物。放线菌中的诺卡氏菌属有分解氧化无机氰化物和烃类化合物的能力，在处理含烃类和无机氰化物的废水中起着重要作用。4.蓝细菌蓝细菌有时列入藻类，也称蓝藻。因其细胞结构为原核，故归入细菌类。蓝细菌是光合型微生物。多数蓝细菌生存于淡水中，是水生系统食物链中的重要一环。当恶性增殖时，可形成“水华”，造成水质恶化。海洋中的“赤潮”有时也系蓝细菌大量繁殖所致。§6-1原核细胞微生物真菌、单细胞藻类及原生动物等均属于真核细胞微生物。真核细胞的结构如图6-2所示。真核细胞微生物的细胞核分化程度较高，有核膜和核仁。细胞质内有完整的细胞器，包括中心粒、线粒体、叶绿体、核糖体和内质网等。§6-2真核细胞微生物原生动物是单细胞动物。原生动物具有核，核的数目有时不止一个，这与细菌不同；原生动物均有发育完善的运动器官或运动方法；原生动物通常按二分裂法繁殖，但有时也采取接合或自体受精等复杂的有性生殖。另外还有通过孢子增殖的方法原个动物可以分成五类：伪足类、鞭毛类、孢子虫类、纤毛类及吸着类。伪足、鞭毛及纤毛三类都是以它们的运动器官特征来命名的。伪足类中只有致病菌赤痢内变形虫得到了水处理工作者的注意。总结起来，在废水及废水处理过程中，从重要性及数量上说，原生动物为仅次于细菌的微生物。原生动物所起的最主要作用是吞食细菌。吞食细菌一方面起了净化废水的作用，另一方面控制了细菌的增殖速度。§6-2真核细胞微生物2.真菌真菌也是类似植物的低等生物，但结构比细菌和放线菌复杂。种类繁多，且都是有机应用型的。真菌形态有单细胞和多细胞两种形式。与水生物处理有关的是单细胞的酵母菌和多细胞的霉菌。酵母菌的培养条件要求不高，繁殖迅速，目前已广泛应用于无毒高浓度有机工业废水的综合利用，将废物转化为高营养的酵母菌体蛋白(单细胞蛋白)。3.藻类藻类是含有能进行光合作用的叶绿素的低等植物。一般须借助显微镜才能看见。藻类以其色素的颜色分成绿藻、蓝藻、红藻及褐藻等。由于光在废水中透过较差，故其在废水处理中所起的作用是有限的。§6-2真核细胞微生物病毒为没有细胞结构的唯一的微生物，大多病毒只是核酸与蛋白质组成的大分子，而且只含有DNA或RNA一种类型的核酸。能通过细菌滤器，须借助电子显微镜才能看见。病毒寄生于人、动物、植物及微生物等的细胞内，可引起人及动物、植物的传染病。寄生在细菌细胞内的病毒叫噬菌体。噬菌体具有高度的寄生专一性。1.病毒的大小与形态病毒的体积大小差别很大，大多数病毒为100nm左右。动物病毒多呈球形、卵圆形、砖形或多面体形。植物病毒多呈杆状或丝状。细菌病毒即噬菌体，多为蝌蚪状(见图6-3)，亦有球形及丝状。§6-3病毒2.病毒的结构大多数病毒是由蛋白质与核酸组成，一种病毒只含有DNA和RNA一种类型的核酸。噬茵体大多数只含有DNA，只有少数含RNA。蛋白质是病毒的主要组成，主要作用是构成病毒粒子的衣壳，保护病毒核酸，决定病毒感染的特异性．并具有抗原性。3.病毒的感染与繁殖病毒是以复制方式繁殖。繁殖过程可分为吸附、侵入与脱壳、复制与合成、装配和释放五步，如图6-4所示。说明如下：（1）吸附病毒与易感细胞接触时，由于细胞膜表面有特异的受体，与病毒表面相互结合而使病毒吸附于细胞表面，非易感细胞没有这种受体，故病毒不能吸附。§6-3病毒（2）侵入和脱壳噬菌体T2的尾部末端附着在大肠杆菌的细胞壁上，分泌一种能水解细胞壁的酶．使细菌细胞壁产生一个小孔，尾硝收缩．此时头部的DNA注入宿主细胞内，蛋白质的衣壳留在细胞外，称为脱壳。

（3）蛋白质合成噬菌体DNA接管了细胞的蛋白质合成机器，形成病毒的mRNA，从而合成噬菌体的蛋白质，也包括衣壳的蛋白质。（4）基因组合成病毒DNA通过复制产生许多病毒基因组的副本，为产生子代的前一步。（5）成熟与释放基因组包入蛋白质衣壳内形成成熟的子代噬菌体。当宿主细胞壁受溶菌酶的作用使细胞裂解后，噬菌体释放出来。放出的新噬菌体又可侵入新的细胞。§6-3病毒§6-3病毒细菌也和其它活的生物一样，需要某些营养物才能生长。这些营养物必须包含该细胞的细胞物质中所含的元素，以及酶的活力及运输系统所必需的元素。1.细菌的元素组成细菌所必需的元素称为细菌的生物元素。细菌元素可以通过细菌细胞物质的分析得出。细菌和其他微生物成分中所含的主要元素见表6-1。它们是判别在废水生物处理过程中，水质中所含有的几种主要元素含量是否满足了细菌生长需要量的根据，一般情况下都能满足，故不必加以核实。表6-2列出了细菌成分中的次要的生物元素。

若其中的某种微含量元素缺乏时，代谢作用就会受到影响，废水处理就会出现异常现象。§6-4细菌的成分§6-4细菌的成分§6-4细菌的成分2.细菌的大分子组成细菌或其它的微生物细胞物质主要是由一些大分子组成的，如表6-3所示。

§6-4细菌的成分（1）蛋白质的组成微生物细胞的蛋白质分为两种，一种为结合蛋白质，如糖蛋白等，是构成细胞组织的一部分；另一种为溶解性的单纯蛋白质，主要在细胞质中。各种蛋白质的元素组成都很有碳、氢、氧、氮四种元素，大部分还含有硫。有的还含有磷、铁、铜等。α-氨基酸是一切蛋白质的组成单位。组成蛋白质的天然氨基酸主要有20种，如甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、精氨酸、天冬氨酸、色氨酸、氨酸等。氨基酸的基本结构通式为：§6-4细菌的成分上式具有两个特点：第一，具有酸性的-COOH及碱性的-NH2，为两性电解质。第二，如果R≠H，，则具有不对称碳原子，因而是光活性物质。氨基酸在中性水溶液中是以两性离子形式存在的。

§6-4细菌的成分一个氨基酸的氨基与另一氨基酸的羧基可以缩合成肽，其键称肽键。§6-4细菌的成分（2）蛋白质的结构蛋白质是由α—氨基酸结合而成，水解后产生α—氨基酸。根据氨基酸分子数目、排列次序，以及肽链数目和空间结构的不同，形成了不同的蛋白质。蛋白质的结构可分为一级、二级、三级和四级结构。（3）蛋白质分子中的重要化学键蛋白质分子中的化学键可分为共价键与非共价键两大类。共价键如肽键、酯键，非共价键即次级键，如氢键、静电作用、范德华力等。（4）蛋白质的重要性质蛋白质是大分子物质，在水中形成胶体溶液，不能透过半透膜，能与水结合，在分子周围形成一层水膜。首先，蛋白质也是一种两性电解质。但其离解情况远比氨基酸复杂，可简化表示为§6-4细菌的成分上式表明蛋白质在不同pH溶液中可为正离子、负离子或两性离子。其次，蛋白质存在变性现象。当蛋白质受物理或化学因素的影响，其分子内部原有的高度规则性的空间排列发生变化，以致其原有性质发生部分或全部丧失的现象，称蛋白质的变性。变性的蛋白质分子互相凝聚为固体的现象称凝固。引起蛋白质变性的因素很多，热(60~70℃)、酸、碱、有机溶剂(如乙醇、丙酮)、光（X射线、紫外线）、尿素浓溶液水杨酸负离子、高压、剧烈振荡等均可引起蛋白质的变性。核酸又称多核苷酸，是单核苷酸的多聚体。核酸是构成微生物细胞核中染色体及细胞质内核糖体和质粒的主要成分。它们在微生物遗传变异和蛋白质生物合成中具有特殊重要功能。核酸又分成核糖核酸(简称RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。§6-4细菌的成分（1）核酸的组成RNA与DNA都是由氮碱(嘧啶或嘌呤)、戊糖(核糖或脱氧核糖)和磷酸组成的，它们的差别仅在于戊糖和嘧啶碱基的不同。（2）核酸的结构核酸也分一、二、三级结构。DNA分子是由两条多核苷酸链组成，均右旋，以相反方向围绕向一轴盘绕，形成右族的双螺旋二级结构。两条链由碱基对之间的氢键相连。碱基的配对规律是，—链腺嘌呤碱与另一链的胸腺嘧啶碱之间由两个氢键连接，而鸟嘌呤碱与胞嘧啶碱之间由三个氢键连接。（3）核酸的生物学功能以核蛋白形式存在的核酸，是微生物及其它生物细胞的重要组分，核酸是基本的遗传物质，核酸参与遗传信息的传递。DNA是生物遗传的主要物质基础，是基因的基础化学物质。在个体的生长、生殖、变异和转化等一系列生命现象中起决定性作用。§6-4细菌的成分DNA在遗传过程中的具体作用有两方面：一是在细胞分裂时按照自己的结构精确复制传给子代(又叫DNA的复制)。DNA分子在子代细胞内以特有的半保留方式进行复制，复制中双螺旋DNA分子的两条多核苷酸链先局部拆开为两条单链，每条单链分别作为模板各自合成一条同自己有互补碱基的新链，然后各自与具有互补碱基的新链配对，通过氢键联系形成与亲代DNA完全相同的新DNA双螺旋分子，见图6-9。二是DNA作为合成mRNA的模板，在遗传信息传递中．DNA首先把它以密码方式储存，然后在传递信息中转录给mRNA，由转移核糖核酸(tRNA)将遗传密码转译成相应的氨基酸带到核糖体上，照mRNA从DNA得到的密码顺序连接成多肽，见图6-10。§6-4细菌的成分§6-4细菌的成分§6-4细菌的成分生物的遗传特征实际上就是通过DNA→mRNA→蛋白质过程来传递的，这一过程称为基因表达。核酸结构改变与生物变异基因上任何一对碱基(即三联体遗传密码的碱基)的改变或增减，称为基团突变。现在研究巳能实现，针对某种废水用人工诱变法筛选出具有很强分解能力及絮凝能力的菌株，并做成干粉状变异菌成品(细菌处休眠状态)。应用时，先把干粉菌种置干30℃水中溶解30min，使细菌恢复活性，再投入处理废水的反应器，不必经驯化阶段，即能获得较好的处理效果。基因重组是将两个不同性状个体细胞内的遗传基因转移至一个个体细胞内，使之发生遗传性变异的过程。在废水处理的研究中，已有不少运用遗传工程的例子。遗化工程(或称基因工程)是通过对遗传物质的直接操纵、改组、重建来实现对遗传性状定向的改造。1983年学者Kulla利用两种假单胞菌分别具有降解印染废水中两种染料的能力，将两个菌株的两种基因接合到一个菌株内，获得具有降解两种染料的新菌种。§6-4细菌的成分新陈代谢是维持生命的各种活动过程中，生物化学变化(包括物质的分解合成)的总称。新陈代谢是维持生命的各种活动(如生长、繁殖、运动等)过程中，生物化学变化(包括物质的分解合成)的总称。新陈代谢包括两个作用，即同化作用和异化作用。同化作用吸收能量，进行合成反应，将吸收的营养物质转变为细胞物质的过程。异化作用为分解反应，放出能量，将自身细胞物质和细胞内的营养物质分解的过程。1.细菌的营养类型细菌可分为光能和化能两种营养类型（1）光能营养光能营养菌具有一整套光合作用机构，它能将光能转化为ATP的高能磷酸键，反应如下：§6-5细菌的营养与生长环境光合细菌能利用各种有机碳化物和氧化物，因而近几年利用光合细菌净化有机废水取得较好效果，例如可以使洗毛废水BOD的去除率达98%。（2）化能营养大多数细菌依靠各种氧化还原反应以获得ATP。在反应中一种底物被还原，另一种底物被氧化，可表示为下列的偶联反应式：

§6-5细菌的营养与生长环境§6-5细菌的营养与生长环境能利用有机物作为电子供体的称化能有机营养菌，或称化能异养菌。这类细菌中，硝酸盐还原菌与硫酸盐还原菌具有特别的水处理意义。硝酸盐还原菌在缺氧时能够以硝酸盐为氧源，把硝酸盐还原为亚硝酸盐、氨和氮气。这种作用称为反硝化，或称生物脱氮过程。反硝化是废水生物脱氮的重要方法，也是目前最常用的脱氮处理方法。各种营养物质的进出细菌菌体直接依赖于细菌细胞膜的功能，营养物质从周围环境通过细胞膜进入细胞质有以下三种方式。（1）渗透作用（被动扩散）对于相对分子质量小的物质进入细胞内，一般主要决定于细胞外该物质的浓度，物质出高浓度区透过细胞膜向低浓度区扩散。（2）促进扩散促进扩散通过专一性的膜蛋白质载体传送物质。被传送的物质先在细胞外与载体结合，然后在细胞内释放。这种运输不需要能量，但对被运输的物质有专—性，并按浓度梯度的方向运输。（3）主动运输特点：第一，对底物有专一性；第二，需要代谢能；第三，运输并释放到细胞内的底物的性质没有发生改变。§6-5细菌的营养与生长环境3.细菌的生长环境在工业废水的生物处理中，往往要利用细菌对营养要求、温度、pH值和耐毒力的变异，以改善处理效果。（1）温度大多数细菌生长适宜的温度为20~40℃。按照温度的不同，将微生物（主要是细菌）分为低温、中温和高温菌三类。（2）pH值大多数细菌在PH=6.5、7.5之间生长最好。PH的控制，在废水的生物处理中具有重要的意义，废水的pH值太高或太低都应作适当的调整。（3）氧化还原电势各种细菌生活时要求的氧化还原条件不同。在废水生物处理的一般运转情况下，需氧的活性污泥法系统，氧化还原电势常在200-400mV之间。（4）光线除少数光和细菌外，大多数细菌不需要光线。（5）压力压力对细菌的作用可分为渗透压、机械压和气体压力。§6-5细菌的营养与生长环境（6）干燥环境过于干燥，细菌就不能生长。一般没有荚膜、芽孢的细菌对环境的干燥比较敏感。（7）化学药剂一些化学药物对细菌的生活影响很大。强氧化剂可使细菌正常代谢受到阻碍，甚至死亡。高锰酸钾的消毒作用即属这一类。有些有机物在达到一定浓度时对细菌具有毒害作用。§6-5细菌的营养与生长环境酶是由活细菌细胞产生的一类具有高度催化专一性的特殊蛋白质。在酶作用下进行化学变化的物质叫底物，有酶催化的化学反应称为酶促反应。酶也可以被分离出来．做成酶剂或固定化酶，在废水生物处理中应用。1.酶的命名与分类（1）酶的命名目前采用的是1961年由国际酶学委员会制定的分类法。每一种酶的编号有四种数字，用圆点分开，如E·C·1·1·1·1前三个数字表示该酶所属的大类、亚类、次亚类，第四个数为该酶在次亚类中的位置，E·C为酶委员会代号。（2）酶的分类酶的分类除由国际酶学委员会进行编号并制定检索表外，根据酶在细胞内外的不同，可分为外酶和内酶两类。§6-6细菌的生物催化剂——酶2.酶的组成与性质（1）酶的组成酶按其组成，可分为单成分酶和双成分酶（复合酶）。（2）酶的性质酶具有蛋白质的理化性质。另外，酶是真正的催化剂。能够在常温和pH值近乎中性的温和条件下发挥其催化功能、酶的催化具有高效性，其效率要比一般催化剂的催化效率高得多。酶的催化功能是由酶的分子结构，特别是由酶的特殊的空间构象所决定的。关于酶的催化机理，目前较公认的是1913年由Michae

Iis和Menten首先提出的中间产物学说。基本论点是，首先酶(E)和底物(S)结合生成中间产物(ES)，然后中间产物再形成产物(P)，同时使酶更新游离出来，表示为下列反应：§6-6细菌的生物催化剂——酶对于有两种底物的酶促反应，可以下式表示：§6-6细菌的生物催化剂——酶对于有两种底物的酶促反应，可以下式表示：4.影响酶催化活性的因素（1）pH值每种酶都有其特定的最适宜pH值，大于或小于这个数值，酶的活力就要降低，甚至引起酶蛋白变性而失去活性。（2）各种酶的反应有其最适宜的温度，此时，酶的反应速率最快。温度对酶反应速率的影响通常用温度系数Q10来表示：§6-6细菌的生物催化剂——酶（3）激活剂引起激活作用的物质叫激活剂。激活剂的种类很多，其中有无机阳离子、无机阴离子、有机物分子和一些酶。酶的抑制剂有许多种：重金属离子、硫化氢、有机阳离子、表面活性剂等。（4）抑制剂有些化学物质可以减弱、抑制甚至破坏酶的作用，称为酶的抑制剂。（5）反馈抑制作用在下列反应式中：§6-6细菌的生物催化剂——酶起始物A被酶E1，E2，E3转化为所需要的产物D，产物D对酶E1具有专一的可逆的抑制作用，称为反馈抑制。细菌通过代谢作用将营养物质转变成细胞物质，增加了菌体重量，这是生长。实际上，细菌的生长是以群体细胞数日的增加作标志。1.分批培养物的生长在一给定容积的培养基中生长的细菌，称为分批培养物。平衡生长条件是通常的细菌增殖率公式表达的前提。平衡生长的细菌培养物的增值率可同时用下列三个公式来表示：§6-7分批培养物的生长规律另一个常用来描述细菌增殖率的参数称为倍增时间，或称增代时间，指细菌培养物的各种成分都增为原来的二倍所需要的时间。增代时间（td）与的关系如下：§6-7分批培养物的生长规律2.细菌的生长曲线细菌的增殖过程可用生长曲线来表示。一般用半对数坐标把生长曲线表示成成6-14所示的形式来介绍。生长曲线共分成滞后、指数生长、静止和死亡四个期。滞后期：幼龄菌菌体内物质增加显著，菌体体积增大，代谢机能却非常活跃，但抵抗力较低。该期长短与细菌菌种、菌龄和培养条件等有关。指数生长期：这一期细菌按下式的关系增长。§6-7分批培养物的生长规律静止期：细菌的生长速度逐渐降低，增代时间延长，细胞活力减退，或者是产生了有毒代谢物质，抑制乐自身生长繁殖。静止期的长短，随菌种和培养情况而异。死亡期：细菌死亡或变成休眠状态，活细菌呈对数直线关系下降。真实的典型生长曲线见下图。生长曲线分为七个期，即初静止期、滞后期、指数生长期、减速生长期、最大生长期、加速死亡期、指数死亡期。§6-7分批培养物的生长规律§6-7分批培养物的生长规律在细菌生长的各个时期中，单个细菌的质量．只有在指数生长期才是恒定的，并且在指数期的单位质量中所含RNA及DNA量都是恒定的。1.细菌的呼吸类型根据与氧气的义系，细菌的呼吸作用分为需氧呼吸和厌氧呼吸两大类。由于呼吸类型的不同，细菌也就分为需氧菌(好气菌)、厌氧菌(厌气菌)和兼性菌(兼气菌)三类。需氧细菌的呼吸过程是底物营养物质进入需氧细菌细胞后，通过一系列氧化还原反应获得能量的过程。这个过程是在氧化酶、脱氢酶、细胞色素(电子传递体)祁氧气的参与下进行的。如图6-17所示。厌氧细菌的呼吸是在无氧的条件下进行的。厌氧呼吸的过程见图6-18。§6—8细菌的呼吸与生物氧化§6—8细菌的呼吸与生物氧化兼性细菌在有氧和无氧条件下都能生长，在有氧时，进行需氧呼吸，在无氧时进行厌氧呼吸。进行厌氧呼吸时有两种类型：分子内呼吸和分子外呼吸。例如，酵母菌对葡萄糖的作用，在有氧条件下为：§6—8细菌的呼吸与生物氧化在无氧条件下则为：2.生物氧化的类型生物氧化是生物体生命活功最重要和最基本的供能方式。生物氧化作用主要通过脱氢反应来实现，一般包括脱氢、传递氢和受氢三个环节。（1）好氧生物氧化（需氧氧化）好氧生物氧化以分子氧作为最终电子受体。呼吸作用就是需氧和兼性微生物在有氧条件下所进行的好氧生物氧化。各种微生物由于中间传递体不同．其呼吸链也不同。具有线粒体的微个物，典型的呼吸链有两条，即NADH2锥和FADH2链。NADH2呼吸链如图6-19所示。§6—8细菌的呼吸与生物氧化§6—8细菌的呼吸与生物氧化电子在呼吸链中的流动方向是由底物与分子氧间的生物氧化还原电位决定的。电子总是由还原电位低的一端流向还原电位高的一端(注意电子的流向与习惯上假定的电流流向恰好相反)。细菌的呼吸链与典型的线粒体呼吸链基本上相似，只不过中间传递体的成员不同。细菌可能的几种呼吸链如图6-20。§6—8细菌的呼吸与生物氧化（2）厌氧生物氧化在厌氧情况下，氧化以有机物或无机物为最终电子受体。当厌氧氧化以无机化合物为最终电子受体时，常以NO3-，NO2-，SO42-，CO2等为最终受体。根据最终受体的不同，传递体的组成也不同。脱硫弧菌的厌氧氧化体系见图6-21。这个体系在废水厌氧处理中的脱氮、脱磷与甲烷生成过程中都具有重要意义。§6—8细菌的呼吸与生物氧化3.生物氧化中的能量代谢生物氧化的功能是为生物体的生命活动提供能量。生物体所能利用的能量仅限于化学能和光能。（1）氧化还原电势和自由能在呼吸链中总是通过氧化与还原相欧联的方式来传递电子的。§6—8细菌的呼吸与生物氧化上述氧化还原反应中，Ared起还原剂（即电子供体）的作用，而Bred起氧化剂（即电子受体）的作用。上述反应实际是下面两个半反应之和：在Ared／Aox半反应体系中，其接受电子的倾向大小由它的还原电位Eψ来反映。氧化还原电势用Nerst方程计算：§6—8细菌的呼吸与生物氧化（2）ATP与能量代谢微生物在生物氧化等过程中释放了能量，在合成新细胞、营养物的主动运输以及其它生命活动过程中则需要能量。ATP为最重要的高能化合物，其结构如图6-22所示。§6—8细菌的呼吸与生物氧化ATP的简式为A-P~P~P，式中-代表所谓的低能键，~代表高能键。高能键的特点释：在水解过程所释放的能量很大。释放的能量可用来推动各种需能过程的完成以及散失的热量。以化合物的氧化所释放的能量生成ATP的过程，称为氧化磷酸化作用；以光能生成ATP的过程，称为光合磷酸化作用。氧化磷酸化包括呼吸链磷酸化与底物水平磷酸化两种情况。底物水平磷酸化是指把高能磷酸基团从底物代谢中间体中传递给ADP以生成ATP。氧化磷酸化的机理目前尚不十分清楚，现有化学、渗透与构型三种主要假说。化学假说的主要思想认为存在一个参加反应的中间体；渗透假说认为产生ATP的动力是线粒休内膜两侧的质子浓度差和膜的电势差；构型说认为在电子传递过程中，氧化还原传递体首先变化成高能的构型。§6—8细菌的呼吸与生物氧化

§6—9需氧化1.代谢作用：是微生物最基本的特征之一，它包括生物体内一切分解和合成的作用。在生物处理过程中，细菌光对废水中的有机物(也包括无机物)进行分解，然后用分解所得的化合物以及水中其他成分提供能量和细胞物质所需的成分，合成新的细胞进行增值。2.降解代谢与合成代谢定义：生物降解与生物合成的两个过程分别称为降解代谢与合成代谢。3.微生物代谢分类：根据所处氧环境可分为需氧代谢和厌氧代谢。§6—9需氧化需氧生物代谢过程的主要途径如下：（以实线箭头表示降解的过程、以虚线箭头表示合成代谢的过程）。降解或合成代谢，都可分为三个阶段：水解、酯解和三羧酸循环。§6—9需氧化(1)蛋白质的水解

大分子的蛋白质必须经过蛋白质水解酶类的共同作用，通过加水分解，使蛋白质中的肽键断裂，经过多肽、二肽最后分解为氨基酸。蛋白质分解过程：1．大分子有机构的水解

大分子有机物或不溶性有机物必须先经过微个物水解酶类的水解作用。变成小分子或可溶性有机物，然后再进一步降解。（6-43）

（6-42）(1)蛋白质的水解

大分子的蛋白质必须经过蛋白质水解酶类的共同作用，通过加水分解，使蛋白质中的肽键断裂，经过多肽、二肽最后分解为氨基酸。蛋白质分解过程：（6-43）

（6-42）§6—9需氧化

(2)脂肪的水解

脂肪在脂酮的作用下可水解成甘油和脂肪酸，然后沿不同途径进行代谢。脂肪水解的总反应如下：§6—9需氧化(3)多糖的水解①淀粉的水解②纤维素的水解③果胶物质与半纤维素的水解2．单糖、氨基酸和脂肪酸代谢(1)葡萄糖的酵解葡萄糖的酵解主要经由以下两种不同的途径转变为丙酮酸，丙酮酸是所有己糖代谢途径共同的中间代谢产物。第一种为己糖二磷酸途径，简称EMP途径（图6-27）。葡萄糖经1，6-二磷酸果糖降解成丙酮酸的过程，实际上是个不需氧的过程，故称为酵解途径。

EMP途径包括10个独立的，但又是连续的反应，分别有特定的酶催化。§6—9需氧化§6—9需氧化经过EMP途径后，1分子葡萄糖被降解为2分子丙酮峻，并生成4分了ATP，但在激活己糖时消耗了2分子ATP，因此净生成2分子ATP。丙酮酸在好氧条件下通过三羧酸循环，最终氧化成CO2和H2O，并产生大量能量。

第二阶段是经过活化的1，6—二磷酸果糖在裂解酶的催化下，分裂成1个磷酸二羟丙酮和1个磷酸甘油醛，这是酵解过程中的关键步骤。第一阶段是糖的活化过程，需要2个ATP提供能量。第三阶段是3—磷酸甘油醛经过一系列异构化、脱氢、变位、脱水和能量转移等反应，最后生成丙酮酸。EMP的三个阶段§6—9需氧化

第二种途径为单磷酸己糖途径，简称HMP途径，葡萄糖在转化成6—磷酸葡萄糖后就分解成为CO2和5—磷酸核酮糖，又因为所生成的磷酸戊糖可以重新组成磷酸己糖，形成循环反应，故又称磷酸戊糖循环(PP循环)如图6—28所示。§6—9需氧化综合HMP途径的反应过程可以看作有6个分子6—P葡萄糖同时参加反应，经脱氢、脱羟等反应生成6分子CO2和6分子P戊糖，脱下的氢交给NADP生成12分子NADPH2，6分子P戊糠反应生成4分子6—P果糖和2分子3—P甘油醛，最终生成5分子6—P葡萄糖。总反应式为：

(6-48)葡萄糖首先经HMP途径的第一步反应进行磷酸化，生成6—磷酸葡萄糖，然后进入HMP途径。

HMP途径通常可以分为两个阶段：第一阶段由6—磷酸葡萄糠开始，经过①脱氢、②水解、③氧化脱羟等反应生成CO2和5—磷酸核酮糖；第二阶段由5—磷酸核酮糖反复通过④异构化、⑤⑦转酮基、⑥转醛基等反应，并逆EMP途径，又重新生成6—磷酸葡萄糖。§6—9需氧化（3）三羧酸循环（也称柠檬酸循环或Krebs循环）简称TCA环三羧酸循环是葡萄糖有氧分解的一种方式，是葡萄糖酵解过程的继续。由酵解得到的丙酮酸，在有氧条件下进入TCA环后，产生乙酰辅酶A，并与草酰乙酸缩合成柠檬酸，再经过脱氢、脱羧等一系列反应，最终使葡萄糖完全氧化分解为CO2和H2O（如图6—29所示）。(6-49)

(2)丙酮酸的有氧生物氧化

丙酮酸的有氧分解分为两个阶段：

首先是丙酮酸氧化脱羧作用释放能量，形成高能硫酯键的乙酰辅酶A，然后乙酰辅酶A进入三羧酸循环，彻底氧化。反应如下：§6—9需氧化§6—9需氧化(4)氨基酸的代谢

蛋白质水解后的各种氨基酸一部分被用于合成细胞新的蛋白质成分，其余被进一步的氧化降解。脱氨基作用是氨基酸降解的第一步，分为：氧化脱氨基和非氧化脱氨基两类反应。脱氨的脱氨酶中活性最强、分布最广的是L—谷氨酸脱氢酶，它的辅酶为NAD或NADP。它能催化谷氨酸脱氢脱氨基，生成α—酮戊二酸：§6—9需氧化除以上脱氨基反应外，还有一种需要有两种氨基酸参与反应的特殊脱氨方式，其中一种是进行氧化脱氨，将脱下的氢去还原另一种氨基酸，使其发生还原脱氨，两者偶联进行氧化还原脱氨作用，此反应又称比Stickland

反应：(5)甘油的代谢

甘油的分解代谢，一般按照糖的分解途径进行。甘油经甘油激酶的作用形成α—磷酸甘油，α—磷酸甘油再经脱氢酶的作用形成磷酸二羟丙酮，磷酸二羟丙酮进入EMP途径或HMP途径进一步氧化，生成丙酮酸进入二羧酸循环。甘油形成磷酸二羟丙酮的反应如下：§6—9需氧化(6)脂肪酸的β—氧化作用

脂肪水解成的长链脂肪酸从5R胞内的游离脂肪酸降解时。主要进行β—氧化(这种氧化在脂肪酸的β—碳位发生)，使碳原子两个两个地从脂肪酸链上断下来，最后全都降解成乙酞辅酶A（如图6—31）。§6—9需氧化§6-10厌氧代谢厌氧生物代谢过程（如图6-32）分为三个阶段。第一阶段是由兼性细菌产生的水解购类，将大分子物质或不溶性物质水解成低分子可溶性有机物，如葡萄糖(己糖)、氨基酸、脂肪酸和甘油等。第二阶段是由产酸细菌把可溶性有机物氧化成为低分子的有机酸、醇等，并合酸细胞物质。第三阶段是由产甲烷细菌把第二阶段的产物近一步氧化成甲烷、二氧化碳等，并合成新的细胞物质。§6-10厌氧代谢§6-10厌氧代谢（2）丁酸型发酵

这是由梭状芽孢秆菌所进行的一类发酵，因发酵产物中都有丁酸，不同梭菌的最终产物除有丁酸外，还可分别产生乙酸、乙醇、丁醇、丙酮、异丙醇等。根据发酵产物不同，可分为丁酸发酵、丁醇异丙醇发酵等。1．丙酮酸的厌氧氧化

葡萄糖经1，6—二磷酸果糖降解为丙酮酸，是大多数厌氧和兼性厌氧微生物进行葡萄糖厌氧分解的共同途径。（1）乙醇发酵

在厌氧条件下，细菌或酵母菌将EMP途径生成的丙酮酸进一步降解为乙醇。§6-10厌氧代谢（5）乳酸发酵1.同型乳酸发酵丙酮酸经乳酸脱氢酶的催化，被NADH2还原成乳酸，称为同型乳酸发酵，除生成乳酸外，还有乙醇和CO2。2.异型乳酸发酵异型乳酸发酵是经HMP途径分解至5—磷酸木酮糖，在磷酸解酮酶的作用下裂解，并吸收无机磷生成乙酰磷酸和3—磷酸甘油醛。乙酰磷酸被还原成乙醇，放出H3PO4

，3-磷酸甘油醛经酵解转化为丙酮酸，再还原成乳酸。整个过程净得1个ATP。（3）丙酸发酵

丙酸发酵的过程是葡萄糖、甘油或乳酸先转化为丙酮酸，再由丙酮酸经一序列反应生成丙酸。

（4）混合酸发酵和2，3—丁二醇发酵

大肠杆卤发酵葡萄粉产生甲酸、乙酸、乳酸和琥珀酸等各种有机酸，并产生2，3—丁二醇、乙酞甲基甲醇和甘油，称为混合酸发酵。它们发酵经EMP途径到丙酮酸，再由丙酮酸进一步分解或转化成甲酸、乙酸、乳酸和琥珀酸等产物。§6-10厌氧代谢2.甲烷的生成甲烷可能的生成途径如图6-34。(6)胶醋酸杆菌的醋酸发酵

胶醋酸杆菌的醋酸发酵是中国用于酿造糖醋的主要方式，利用葡萄糖或果糖进行厌氧发酵，生成醋酸。§6-10厌氧代谢（2）有关甲烷形成的机理，存在看多种学说，归纳起来主要有二种:

一种是二氧化碳还原论，最早出VanNiel于1930年提出，反应机理为

(6-59)

另一种为乙酸形成甲烷说，由Busewdll和S0llo于1948年提出，他们利用示踪原子研究的结果，认为甲烷是由乙酸直接分解而得。先将乙酸氧化生成CO2和H2，然后两形成CH4。乙酸产生甲烷的反应为脱羧反应：

(6-64)（1）厌氧生物处理最终的重要产物是沼气，甲烷占60%~70%。由产甲烷菌在厌氧条件下产生，产甲烷菌现已证明是由甲烷杆菌M.O.H.菌株和乙醇氧化菌“S”菌株组成。§6-11微生物的生物合成

1.氨基酸的合成氨基酸是合成蛋白质的原料，各种氨基酸结构不同，合成途径也各异、重要方式有氨基化作用和转氨基作用。另一方式是以初生氨基酸作为前体合成次生氨基酸。如以谷氨酸作前体合成脯氨酸、鸟氨峻、瓜氨酸和精氨酸。(1)以谷氨酸为前体合成的氨基酸(2)以天冬氨酸为前体合成的氨基酸(3)酪氢酸、苯丙氨酸和色氨酸的合成(4)其它氨基酸的合成在废水的生物处理过程中．有机物质的生物降解与微生物细胞物质的合成同时进行、有机物降解的中间产物一部分成为生物合成的原料，生成新的细胞物质；另一部分继续氧化分解放出能量为生物合成提供能源。