几种自养微生物的新陈代谢类型和作用机理分析

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旧人教版《新陈代谢类型》一节的内容中,陈述到的自养型的生物主要有两类:光能自养和化能自养。其中光能自养以植物较为重要和熟谙,而化能自养仅较细致举了硝化细菌为例,光合细菌、硫细菌和铁细菌只是简朴的提及。在生物复习中关于微生物的种类和代谢特点却往往有陈述,给好多学生甚至教师带来不解。

光合细菌(包括紫硫细菌、红硫细菌、绿硫细菌)、硫细菌、铁细菌,这些微生物从同化作用的角度讲都是自养生物,但异化作用却不尽一致,那么他们的异化作用类型是什么?作用机理又是什么呢?

一、光合细菌的代谢类型和作用机理

光合细菌包括紫硫细菌、红硫细菌、绿硫细菌等,这些细菌都是厌氧光合菌,多栖息于含硫化氢的厌氧水域中,利用硫化氢中的氢作为电子供体恢复二氧化碳。它们举行光能自养的实质是通过光合磷酸化将光能转变成化学能,用于将CO2合成为有机物。

光合细菌细胞内均含有光合色素,光合色素存在于光合细菌的载色体中,载色体是小泡状的布局,相当于真核细胞的类囊体。光合细菌含有的光合色素主要是细菌叶绿素、细菌叶褐素和类胡萝卜素等。呈粉红、紫红、橙、褐、绿等色。细菌叶绿素的布局与高等植物中的叶绿素具有类似的化学布局,但侧链基团不同,由此导致光吸收有差异。细菌叶绿素的吸收波长在近红外区(660nm～870nm),所以在昏暗的环境中仍能举行光合作用,而光合细菌恰恰是生活在缺少光线的水底泥中。类胡萝卜素布局和作用与高等植物一致。

在光合细菌细胞中,存在好多光合单位(恢复一分子CO2所需的叶绿素分子数即为光合单位),一个光合单位由一个光捕获复合体和一个回响中心复合体组成。光捕获复合体中的色素吸收和转化光子后,激发P870(光合细菌仅有的光化学作用中心)释放高能电子举行光合磷酸化(主要通过环式光合磷酸化,少数经过非环式磷酸化),最终产生ATP和[H]。

光合细菌在产生ATP和[H]之后,进一步利用这两种物质固定同化CO2,固定CO2的途径有三条:卡尔文循环、恢复性三羧酸循环和恢复单羧酸循环。

光合细菌光合作用的电子供体不是水,因而也不放出氧气,即光合细菌的“光回响”不发生绿色植物的“水的光解”,所以光合细菌都是厌氧的,在有氧的条件下不能生存。

二、化能自养细菌的代谢类型和作用机理

化能自养细菌主要包括硝化细菌、硫细菌和铁细菌等,化能自养生物可以从氧化无机物获得能量,同化合成细胞物质。它们在无机能源氧化过程中通过氧化磷酸化产生ATP。

化能自养细菌的能量代谢主要有三个特点:

①无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系。由脱氢酶或氧化恢复酶催化的无机底物脱氢或脱电子后,直接进入呼吸链传递。②呼吸链的组分更加多样化,氢或电子可以从任一组分进入呼吸链。③产能效率一般较异养微生物更低。

1.硝化细菌。硝化细菌包括两个亚群:亚硝化细菌和硝化细菌。它们能将NH3或NO2-氧化为硝酸,由氨氧化为硝酸是有这两类细菌依次举行的。氧化的结果是分子氧作为最终的电子受体,所以硝化细菌是化能自养需氧型生物。但值得留神的是:在亚硝酸根(NO2-)氧化为硝酸根(NO3-)的过程中,氧来自水分子而非空气,即NO2-+H2O→H2O·NO2-→NO3-+2H++2e,之后H++e进入呼吸链,消耗ATP而产生[H]。

2.硫细菌。硫细菌都是不产色素的好氧菌,栖息于含硫化物和氧的水中,能够利用一种或多种恢复态或片面恢复态的硫化物(包括硫化物、硫单质、亚硫酸盐、多硫酸盐、硫代硫酸盐)作为能源。H2S首先被氧化为S,随之被硫氧化酶和细胞色素系统氧化成亚硫酸盐,在电子传递(氧化磷酸化途径)过程中产生4个ATP。亚硫酸盐可以被持续氧化成SO32-或SO42-,同时产生数量不等的ATP。与硝化细菌等其他自养菌一样,硫细菌恢复CO2所需的[H],也是通过消耗ATP的逆呼吸链传递而产生的,在一系列的过程中,硫细菌表现出化能自养的代谢特点。硫细菌能将自然界的恢复性硫化物氧化成硫磺或硫酸,是自然界中硫元素循环中不成缺少的一环。

3.铁细菌。铁细菌能将亚铁(Fe2+)氧化成高铁(Fe3+)状态,从而释放能量。在低PH环境中,铁细菌细胞中特殊的含铜蛋白质与几种细胞色素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,质子的消耗驱动了ATP