生物化学工程基础.docx

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1、第六章 生物化学工程基础 应用微生物生物化学本章重点：水处理中的微生物、细菌生理和生物处理与代谢作用。生物化学工程是应用化学工程的原理和力法，将生物工程的研究成果进行工程应用的学科。生物化学工程的概念自1947年提出以后，便一直与发酵的工程问题联系在一起。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

2、生物和病毒(噬菌体)。6.1 原核细胞微生物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。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。细菌细胞的最外层为细胞壁，是具有较强坚韧性的一层薄膜，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，能抑制通过细胞壁的分子大小，使大分子物质不能进入细胞内。细胞膜是一层紧贴着细胞壁而包围着细胞质的

3、薄膜，其化学组成主要是脂类和蛋白质，这种膜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。细胞膜里面的细胞质是一种无色透明而粘稠的胶体、其主要成分是水、蛋白质、核酸和脂类等。年幼细菌很容易染色，成熟细菌染色能力较差，因此可以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，具有真核细胞细胞核的功能。质粒是细菌的另外一种遗传物质。它可以独立地复制，稳定地遗传。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。细胞质的中间体是由于细胞膜陷于细胞质内而形成的，其功能是进行呼吸作

4、用和供给细胞能量。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。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。但是，有些细菌的粘液层能粘结起来，使许多细菌成团块状生长，称为菌胶团或冻胶菌。并非所有的细菌都能形成菌胶团，能够形成菌胶团的细菌，则称为菌胶团细菌。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。因此，为了使废水处理达到较好的效

5、果，要求菌胶团结构紧密，吸附、沉降性能良好，这就必须满足菌胶团细菌对营养及环境的要求。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。芽袍是这些细菌在生长发育过程中特殊的休眠细胞形态，是在一定环境条件下细胞质和核质浓缩凝集所形成的。另外，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。还有些细菌可以形成一种由菌体内向菌体外伸出的细而长的鞭毛。鞭毛由特殊的鞭毛蛋白组成。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

6、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。例如：假单胞菌属、动胶菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属、埃希氏菌属等。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。在正常运行的废水生物处理系统中，这些丝状细菌往往是生物絮体或生物膜的骨架，其上附着菌胶团，丝状细菌与菌胶团细菌形成互惠关系。因此这种结构性的丝状细菌对于维持废水处理系统稳定性，提高系统抗冲击负荷能力有重要点义。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。在需氧生物处理生物

7、膜法中，球衣菌是构成生物膜的重要菌种。在活性污泥中保持一定数量的球衣菌，对有机物的去除是有利的。但球衣菌在系统中易于游离，在活性污泥中大量繁殖时，会引起污泥膨胀。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，也称为蓝藻。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。6.2 真核细胞微

8、生物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。真核生物与原核生物虽然在分子水平上相类似，但在遗传物质结构及遗传现象上有很大差异。真核生物的结构更复杂。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。1. 原生动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：原生动物先变成球状，在体外形成孢囊，体内分裂成数个或干百个孢子

9、。孢子破囊出来，各成个新个体。孢子有时是在两个细胞融合后分裂出来的。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。在活性污泥絮体及滴滤池生物膜中生活的可能全是需氧的原生动物。Rudolfs认为在污泥消化池中存在厌氧的原生动物，但Mc-Kinney则不同意这个看法。大多数的原生动物是从吞食细菌一类固体颗粒以取得营养。但是各种细菌合成的物质是有所不同的，因此原生动物在吞食细菌时，也是有选择性的。因此原生动物常被用作系统的指示生物。总结起来，在废水及废水处理过程中，从重要性

10、及数量上说，原生动物为仅次于细菌的微生物。原牛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。保持了微生物群体的生态平衡。另外，原生动物也可以直接从废水中吞食固体有机物，吸收溶解的有机物，直接发挥净化废水的作用。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)。霉菌既能产生有机酸，也能产生

11、氨以调整酸碱度，所以某些种类可以生存于pH值110之间的环境中。这对工业废水的生物处理有着重要的意义。废水处理的生物膜中，可能有很多的真菌组成膜网。今年来也发现某些霉菌如镰刀霉等能有效地氧化分解无机氰化物，去除率可达90%以上，对有机氰化物（腈）的处理效果则差些。因此国内外都在进行利用霉菌处理含氰等废水的研究。3. 藻类藻类是含有能进行光合作用的叶绿素的低等植物。一般都很微小，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，另外，湖水或水库中的藻类，能使水质产生色度、异味和异臭等，并导致过滤设备的堵塞。6.3 病

12、毒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。是自然界最小的生物，能通过细菌滤器，须借助电子显微镜才能看见。只要在寄主体内才表现生命的特征。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，大多数病毒直接为100nm左右。病毒形态各不相同，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。图6-3 T4 噬菌体结构示意2.

13、病毒的结构大多数病毒是由蛋白质与核酸组成，只有少数几种较大病毒含有脂类和多糖等。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，只有少数含有RNA。核酸位于病毒的中心，形成病毒的核髓。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。（2）侵入和脱壳

14、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。噬菌体的命名往往利用数字编排来分辨感染同一宿主的几种病毒。多数病毒对热敏感，

15、5560数分钟即可使病毒衣壳蛋白质变性而被灭活。而对低温的耐受力较强。甲醛、碘、氯等对病毒有明显的灭活作用。6.4 细菌的成分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可以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。这些元素所占的百分数是以细菌干重计的。由表6-1可看出，大多数元素都占0.5%以上。表6-2列出了细菌成分中的次要的生物元素。表6-1所列的数据，是判别在废水生物处理过程中，水质中所含有的几种

16、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。但表6-2中所列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。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。其中蛋白质和核酸是微生物细胞进行生命活动的最重要的物质基础。（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。-氨基酸是一切蛋白质的组成单位。组成蛋白质的天

17、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：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RH，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。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。（2）蛋白质的结构蛋白质是由氨基酸结合而成，水解后产生氨基酸。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

18、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(6070)、酸、碱、有机溶剂(如乙醇、

19、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。3. 核酸核酸又称多核苷酸，是单核苷酸的多聚体，它与蛋白质结合成核蛋白。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)。RNA中又分：信使RNA（简称mRNA），其功能为将DNA的遗传信息传递到蛋白质合成基地(核糖核蛋白体)；转移RNA(简称tRNA)，在蛋白质合成时起转运氨基酸到核糖体和翻译的作用；核糖体（简称rRNA），与蛋白质特殊构象的聚合有关。90的RNA存在于细胞质

20、内，10在细胞核内。而DNA主要存在于细胞核的染色体内。（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。氮碱与戊糖组成核苷、核苷与磷酸组成核苷酸。（2）核酸的结构 核酸也分一、二、三级结构。核酸的一级结构中，核苷酸之间的连接皆是磷酸二酯键。DNA分子是由两条多核苷酸链组成，这两条链都是右旋，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。大多数RNA是单链，链的许多区域自

21、身发生回折。（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，在蛋白质的生物合成中又占有重要位置，因而在个体的生长、生殖、变异和转化等一系列生命现象中起决定性作用。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。每种生物的形态结构和生理特征通过亲代DNA传给子代。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

22、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，见下图。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，见下图。生物的遗传特征实际上就是通过DNAmRNA蛋白质过程来传递的，这一过程又称为基因表达。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。基因就是决定某种蛋白质分子结构的一段DNA。凡是由外界环境的自然作用

23、而发生的基因突变称为自发突变。人为地利用物理化学因素，引起细菌细胞DNA分子中碱基对发生变化，称诱发突变或简称诱变。能引起诱变作用的因素称诱，如紫外线、亚硝酸盐等。现在研究巳能实现，阵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。转化是受体细胞直接吸收来自供体细胞的游离DNA片段，并把它整合到自己的基因组中，从而获得供体

24、细胞部分遗传性状的过程。接合是两个完整的细胞直接接触由供体菌传递大段DNA(包括质粒)遗传信息的过程。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。目前基本采用把遗传物质从一种细胞中提取出来，在体外施行“外科手术”，然后再把它导人另一细菌细胞中，改变其遗传结构，使其产生符合人类需要的新遗传特性，定向地创造新生物类型。在废水处理的研究中，已有不少运用遗传工程的例子。1983年瑞士学者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。6.5 细菌的营养与生长环境细菌与其它生

25、物一样，需要不断地进行新陈代谢活动以维持生命。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。细菌种类繁多，因此，细菌的营养类型是多种多样的。1. 细菌的营养类型细菌可分为光能和化能两种营养类型，分述如下。（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：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

26、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%。近年来采用“厌氧酸化-多级好氧PSB反应柱”工艺与超滤工艺相结合处理生化制药废水，COD去除率达到95.6%。类型电子供体电子受体代表细菌光能自养型H2OCO2蓝细菌H2S，S，H2CO2着色菌科绿菌科光能异养型各种有机物有机物红螺菌科（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：能利用有机物作为电子供体的称化能有机营养茵，或称化能异养茵，它们包括各种需氧菌和厌氧菌。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

27、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fangf，也是目前最常用的脱氮处理方法。化能无机营养菌也称化能自养菌，能利用无机物、氢、硫化氢、亚硝酸盐或氨等作为电子供体，按其能源又可分成下列几类：硝化细菌、硫黄细菌、铁细菌，它们均是需氧菌。2. 营养物质的传递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

28、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。3. 细菌的生长环境在废水生物处理中，把有计划、有目的地控制细菌的生长条件，使细菌遗传性有利于处理某种废水的定向诱导过程叫驯化。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2040。按照温度的不同，可将微生物（主要是细菌）分为低温、中温和高

29、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。当细菌周围水溶液的渗透压与其细胞内液体的渗透压相等时，细菌生活得最好；废水生物处理的废水渗透压问题是否需考虑有待在实践中解决。另外，细菌在溶液中可以抵抗很高的压力，但高浓度氧压

30、对细菌是有害的。（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。由于细菌等微生物在干燥环境中不能生长发育，因而人们广泛用干燥法来保存食品，防止食品腐败。（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。6.6 细菌的生物催化剂酶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）

31、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EC1111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，EC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；大多数微生物的酶的产生与底物的存在与否无关，这些酶称为固有酶；在某些情况下，微生物会在体内产生出适应新环境的酶，这种酶则称为适应酶，适应酶的产生在废水生物处理中具有重要意义。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）。单成分酶一般仅由蛋

32、白质分子组成，不含非蛋白质成分；在双成分酶中，蛋白质部分称为主酶，主酶与辅酶组成全酶。另外，主酶部分决定化合物的专一性，即决定哪一种化合物可被催化。在许多情况下，它还决定反应的方向。而辅酶(或辅基)则决定催化反应的性质。（2）酶的性质 经研究证明，所有的酶皆是蛋白质，因而酶具有蛋白质的理化性质。另外，酶是真正的催化剂、酶能够在常温和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。3. 酶的结构与催化机理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。当酶的构象发生改变时，酶的催化功能将相应地发生改变。酶的催化本质是降低反应能

33、阈、减少活化能、使反应能够进行。 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：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 氢离子浓度对酶反应速度的影响很大。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：（3）激活

34、剂 许多酶促反应必须有其它适当物质存在时才能表现酶的催化活性或加强催化效力，这种作用称酶的激活作用。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。（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。由于抑制而引起的作用称为抑制作用。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。有的抑制作用可加入其它物质或用其它方法解除，使酶活性恢复；有的不能。能使巯基氧化或改变的抑制剂有：氧化剂、烷化剂、含重金属的有机化合物。（5）反馈抑制作用 在下列反应式中：起始物A被酶E1，E2，E3转化为所需要的产物D，产物D对

35、酶E1具有专一的可逆的抑制作用，称为反馈抑制。6.7 分批培养物的生长规律 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：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：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

36、-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：这一期细菌按式的关系增长。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。在细菌生长的各个时期中，单个细菌的质量只

37、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。微生物的代谢与合成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，细菌光对废水中的冉机物(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 需氧化谢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

38、，都可分为三个阶段：水解、酯解和三羧酸循环。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。(1)蛋白质的水解蛋白质必须经过微生物蛋白酶的分解成为简单的氨基酸才能吸收进细胞内。经吸收的氨基酸一部分作为合成细胞物质的原料而被利用，另一部分继续分解成氨、CO2和H2O，和有机酸及硫、磷化物。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： （6-42）二肽 （6-43） (2)脂肪的水解 脂类可分为单脂和复脂两大类。单脂为脂肪酸与醇(甘油

39、醇，高级一元醇)所组成，分为脂、油及蜡三类。复脂为脂肪酸与醇(甘油醇，神经醇)所产生的脂，同时含有其它非脂性物质，加糖、磷酸及氮碱等。复脂又分成磷脂和糖脂两大类。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： （6-45） (3)多糖的水解淀粉的水解自然界广泛分布着的各种微生物分解淀粉的两种基本方式：一种在磷酸化酶的作用下，将支链淀粉中的葡萄糖分子一个一个地分解下来，另一种是在淀粉酶作用下进行分解。纤维素的水解纤维素的分解必须经微生物(主要是细菌)外酶的水解，才能成为可溶性的纤维二糖或葡萄糖而被利用。果胶物质与半纤维素的水解果胶物质是以半乳糖醛酸组成的高

40、分子化台物，含有很多以链状结合的个乳糖醛酸基。植物残体的腐解，首先由微生物分泌的原果胶酶将植物组织间原果胶水解成可溶性果胶与多缩戊糖，使各个细胞分离，可溶性果胶再经果胶甲基酯酶水解成果胶酸，果胶酸再由多缩半乳糖酶水解成半乳糖醛酸。 半纤维素多为一年生植物细胞壁成分，是一种杂聚多糖。半纤维素可被微生物产中的半纤维素酶类水解成单糖和糖醛酸，然后被吸收进入细胞。 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LMP途径。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

41、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。EMP的过程大致分三个阶段。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。从这一步反应开始，己糖分子裂解成2个丙糖分子。这样，一分子葡萄糖就分解成两个三碳糖。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。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

42、H2O，并产生大量能量。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628所示。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，然后进人HMP途径。HMP途径通常可以分为两个阶段：第阶段由6磷酸葡萄糠开始，经过脱氢、水解、氧化羟竣等反应生成C02和5磷酸核酮糖；第二阶段由5磷酸核酮糖反复通过异构化、转酮基、转醛基等反应，并逆EMP途径，又重新生成6磷酸葡萄糖。 反应中形成的6P果糖经己糖异构酶可转化为6P葡萄糖。生成的3P甘油醛

43、也可逆EMP途径生成6P葡萄糠。同时3P甘油醛和6P果糖可经EMP途径形成丙酮酸。综合HMP途径的反应过程可以看作有6个分子6P葡萄糖同时参加反应，经脱氢、脱羟等反应生成6分子C02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6P果糖和2分子3P甘油醛，最终生成5分子6P葡萄糖。总反应式为： (6-48)(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：1.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： (6-49)（3）三羧酸循环（也称柠檬酸循环或Krebs循环）简称TCA环。三羧酸

44、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。(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。氨基酸分解的主要部分是氨基的脱落，使氨基酸分解成氨和-氨基酸，-酮基酸可经不同途径进入TCA环彻底氧化或者转化成糖和脂肪。另外，氨基酸尚有脱羧基作用。氨基酸的酰氨也可以水解产生氨。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

45、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，生成酮戊二酸：氧化脱氨基：是在有氧、酶及好氧菌条件下，氨基酸脱氢被氧化成亚氨基酸，亚氨基酸在水溶液中极不稳定，自发水解成酮基酸和氨。非氧化性脱氨基反应多在厌氧或兼性微生物体内发生，主要有：还原性脱氨基、脱水脱氨基、分解脱氨基以及氧化还原偶联脱氨基等反应。还原性脱氨基反应在厌氧条件下进行，主要发生在厌氧微生物和梭状芽饱杆菌及一些兼性生物中。在氢化酶的催化下、反应使氨基酸加氢脱氨。 除以上脱氨基反应外，还有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，

46、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磷酸甘油，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： (6-50)(6)脂肪酸的氧化作用 脂肪水解成的长链脂肪酸从5R胞内的游离脂肪酸降解时。主要进行氧化(这种氧化在脂肪酸的碳位发生)，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。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