1、第六章 生物化學工程基礎 應用微生物生物化學本章重點：水處理中的微生物、細菌生理和生物處理與代謝作用。生物化學工程是應用化學工程的原理和力法，將生物工程的研究成果進行工程應用的學科。生物化學工程的概念自1947年提出以后，便一直與發酵的工程問題聯系在一起。生物化學工程認為：凡是微生物活動所產生的有機化合物的化學變化，都屬于發酵。因此，廢水的生物處理包含在生物化學工程的研究領域內，而微生物及相關的生物化學加識，是以微觀水平理解生物化學反應過程的基礎，是廢水生化處理的基礎理論。水處理中的微生物給水與廢水處所涉及的微生物種類很多，根據其細胞結構、功能和組分差異，主要分三類：原核細胞微生物、真核細胞微

2、生物和病毒(噬菌體)。§6.1 原核細胞微生物原核細胞微生物的細胞僅有原始的核物質，無核膜與核仁的分化，也無細胞器等。它包括細菌、放線菌、藍細菌等，其細胞結構如圖6-1所示。1. 細菌（真細菌）細菌是給水與廢水處理中最重要的一類微生物。它是一種單細胞的類似植物的生物。根據細菌外型的不同，可分為球菌、桿菌和螺旋菌。細菌以單個或群體存在，通常以二分裂法繁殖，也有些可以進行有性繁殖。細菌細胞的最外層為細胞壁，是具有較強堅韌性的一層薄膜，起固定細菌形態和保護細胞的作用。細胞壁由脂類、蛋白質和多糖的聚合物組成，能抑制通過細胞壁的分子大小，使大分子物質不能進入細胞內。細胞膜是一層緊貼著細胞壁而包

3、圍著細胞質的薄膜，其化學組成主要是脂類和蛋白質，這種膜具有選擇性吸收的半滲透性，膜上具有與物質滲透有關的酶類，在吸收營養物質和排除廢物方面起著重要作用。細胞膜里面的細胞質是一種無色透明而粘稠的膠體、其主要成分是水、蛋白質、核酸和脂類等。年幼細菌很容易染色，成熟細菌染色能力較差，因此可以通過觀察染色均勻與否來判斷細菌是處于新生還是衰老階段。核物質是細菌遺傳變異的物質基礎，具有真核細胞細胞核的功能。質粒是細菌的另外一種遺傳物質。它可以獨立地復制，穩定地遺傳。在處理含毒物質廢水及復雜的人工合成有機物廢水時，常借助降解性質粒和抗性質粒等的去除作用。細胞質的中間體是由于細胞膜陷于細胞質內而形成的，其功能

4、是進行呼吸作用和供給細胞能量。有些細菌還能進行光合作用。載色體是進行光合作用的場所，也是由細胞膜內陷形成的。有些細菌在一定的環境條件下可形成一層粘液性物質，包圍在細胞壁外面，這層物質叫粘液層。其成分主要是多糖和果膠類物質。當粘液層呈現均勻厚度時則稱為莢膜。但是，有些細菌的粘液層能粘結起來，使許多細菌成團塊狀生長，稱為菌膠團或凍膠菌。并非所有的細菌都能形成菌膠團，能夠形成菌膠團的細菌，則稱為菌膠團細菌。菌膠團是活性污泥和生物膜的重要組成部分，有較強的吸附和氧化有機物的能力，在廢水生物處理中具有重要作用?；钚晕勰嘈阅艿暮脡?，主要可根據所含菌膠團多少、大小及結構的緊密程度來確定。因此，為了使廢水處理

5、達到較好的效果，要求菌膠團結構緊密，吸附、沉降性能良好，這就必須滿足菌膠團細菌對營養及環境的要求。某些桿菌和極少數球菌能在菌體內形成圓形或橢圓形的具有較厚的壁，稱為芽孢。芽袍是這些細菌在生長發育過程中特殊的休眠細胞形態，是在一定環境條件下細胞質和核質濃縮凝集所形成的。另外，芽孢對干燥和輻射的抵抗力也很強，在廢水生物處理過程中，特別是處理有毒廢水時，都有芽孢細菌的生長。還有些細菌可以形成一種由菌體內向菌體外伸出的細而長的鞭毛。鞭毛由特殊的鞭毛蛋白組成。水處理所涉及的細菌種類很多。對給水處理而言，由于細菌在常規過程中不參與處理作用，因此水中出現的細菌只是一種應被去除的有害雜質；對廢水的生物處理而言

6、，細菌是參與處理過程的基本動力，它們直接或間接地氧化分解有機污染物是生物絮體和生物膜的基本成分。例如：假單胞菌屬、動膠菌屬、產堿桿菌屬、黃桿菌屬、埃希氏菌屬等。2. 絲狀菌絲狀茵在廢水處理中的作用重要而獨特。廢水處理中常見的絲狀細菌主要有球衣菌屬、鐵細菌屬、貝日阿托氏菌屬和發硫菌屬。在正常運行的廢水生物處理系統中，這些絲狀細菌往往是生物絮體或生物膜的骨架，其上附著菌膠團，絲狀細菌與菌膠團細菌形成互惠關系。因此這種結構性的絲狀細菌對于維持廢水處理系統穩定性，提高系統抗沖擊負荷能力有重要點義。但絲狀細菌過度繁殖，特別是游離于菌膠團之外的非結構性絲狀細菌的大量繁殖會引起廢水處理系統的污泥膨脹。在需氧

7、生物處理生物膜法中，球衣菌是構成生物膜的重要菌種。在活性污泥中保持一定數量的球衣菌，對有機物的去除是有利的。但球衣菌在系統中易于游離，在活性污泥中大量繁殖時，會引起污泥膨脹。3. 放線菌放線菌為具有分枝的絲狀菌，介于細菌與真菌之間，是單細胞微生物。放線菌中的諾卡氏菌屬有分解氧化無機氰化物和烴類化合物的能力，在處理含烴類和無機氰化物的廢水中起著重要作用。4. 藍細菌藍細菌有時列入藻類，也稱為藍藻。因其細胞結構為原核，故歸入細菌類。藍細菌是光合型微生物。多數藍細菌生存于淡水中，是水生系統食物鏈中的重要一環。當惡性增殖時可形成“水華”，造成水質惡化。海洋中的“赤潮”有時也系藍細菌大量繁殖所致。

8、67;6.2 真核細胞微生物真核細胞微生物的細胞核分化程度較高，有核膜和核仁。細胞質內有完整的細胞器，包括中心粒、線粒體、葉綠體、核糖體和內質網等。真核生物與原核生物雖然在分子水平上相類似，但在遺傳物質結構及遺傳現象上有很大差異。真核生物的結構更復雜。真菌、單細胞藻類及原生動物等均屬于真核細胞微生物。真核細胞的結構如圖6-2所示。1. 原生動物原生動物是單細胞動物。原生動物具有核，核的數目有時不止一個，這與細菌不同；原生動物均有發育完善的運動器官或運動方法；原生動物通常按二分裂法繁殖，但有時也采取接合或自體受精等復雜的有性生殖。另外還有通過孢子增殖的方法：原生動物先變成球狀，在體外形成孢囊，體

9、內分裂成數個或干百個孢子。孢子破囊出來，各成個新個體。孢子有時是在兩個細胞融合后分裂出來的。原個動物可以分成五類：偽足類、鞭毛類、孢子蟲類、纖毛類及吸著類。偽足、鞭毛及纖毛三類都是以它們的運動器官特征來命名的。偽足類中只有致病菌赤痢內變形蟲得到了水處理工作者的注意。在活性污泥絮體及滴濾池生物膜中生活的可能全是需氧的原生動物。Rudolfs認為在污泥消化池中存在厭氧的原生動物，但Mc-Kinney則不同意這個看法。大多數的原生動物是從吞食細菌一類固體顆粒以取得營養。但是各種細菌合成的物質是有所不同的，因此原生動物在吞食細菌時，也是有選擇性的。因此原生動物常被用作系統的指示生物?？偨Y起來，在廢水及

10、廢水處理過程中，從重要性及數量上說，原生動物為僅次于細菌的微生物。原牛動物所起的最主要作用是吞食細菌。吞食細菌一方面起了凈化廢水的作用，另一方面控制了細菌的增殖速度。保持了微生物群體的生態平衡。另外，原生動物也可以直接從廢水中吞食固體有機物，吸收溶解的有機物，直接發揮凈化廢水的作用。2. 真菌真菌也是類似植物的低等生物，但結構比細菌和放線菌復雜。種類繁多，且都是有機應用型的。真菌形態有單細胞和多細胞兩種形式。與水生物處理有關的是單細胞的酵母菌和多細胞的霉菌。酵母菌的培養條件要求不高，繁殖迅速，目前已廣泛應用于無毒高濃度有機工業廢水的綜合利用，將廢物轉化為高營養的酵母菌體蛋白(單細胞蛋白)。霉菌

11、既能產生有機酸，也能產生氨以調整酸堿度，所以某些種類可以生存于pH值110之間的環境中。這對工業廢水的生物處理有著重要的意義。廢水處理的生物膜中，可能有很多的真菌組成膜網。今年來也發現某些霉菌如鐮刀霉等能有效地氧化分解無機氰化物，去除率可達90%以上，對有機氰化物（腈）的處理效果則差些。因此國內外都在進行利用霉菌處理含氰等廢水的研究。3. 藻類藻類是含有能進行光合作用的葉綠素的低等植物。一般都很微小，須借助顯微鏡才能看見。藻類以其色素的顏色分成綠藻、藍藻、紅藻及褐藻等。由于光在廢水中透過較差，故其在廢水處理中所起的作用是有限的，另外，湖水或水庫中的藻類，能使水質產生色度、異味和異臭等，并導致過

12、濾設備的堵塞。§6.3 病毒病毒為沒有細胞結構的唯一的微生物，大多病毒只是核酸與蛋白質組成的大分子，而且只含有DNA或RNA一種類型的核酸。是自然界最小的生物，能通過細菌濾器，須借助電子顯微鏡才能看見。只要在寄主體內才表現生命的特征。病毒寄生于人、動物、植物及微生物等的細胞內，可引起人及動物、植物的傳染病。寄生在細菌細胞內的病毒叫噬菌體。噬菌體具有高度的寄生專一性。1. 病毒的大小與形態病毒的體積大小差別很大，大多數病毒直接為100nm左右。病毒形態各不相同，動物病毒多呈球形、卵圓形、磚形或多面體形。植物病毒多呈桿狀或絲狀。細菌病毒即噬菌體，多為蝌蚪狀(見圖6-3)，亦有球形及絲狀。

13、圖6-3 T4 噬菌體結構示意2. 病毒的結構大多數病毒是由蛋白質與核酸組成，只有少數幾種較大病毒含有脂類和多糖等。一種病毒只含有DNA和RNA一種類型的核酸。噬茵體大多數只含有DNA，只有少數含有RNA。核酸位于病毒的中心，形成病毒的核髓。蛋白質是病毒的主要組成，主要作用是構成病毒粒子的衣殼，保護病毒核酸，決定病毒感染的特異性并具有抗原性。3. 病毒的感染與繁殖病毒是以復制方式繁殖。繁殖過程可分為吸附、侵入與脫殼、復制與合成、裝配和釋放五步，如圖6-4所示。說明如下：（1）吸附 病毒與易感細胞接觸時，由于細胞膜表面有特異的受體，與病毒表面相互結合而使病毒吸附于細胞表面，非易感細胞沒有這種受體

14、，故病毒不能吸附。（2）侵入和脫殼 噬菌體T2的尾部末端附著在大腸桿菌的細胞壁上，分泌一種能水解細胞壁的酶使細菌細胞壁產生一個小孔，尾硝收縮此時頭部的DNA注入宿主細胞內，蛋白質的衣殼留在細胞外，稱為脫殼。（3）蛋白質合成 噬菌體DNA接管了細胞的蛋白質合成機器，形成病毒的mRNA，從而合成噬菌體的蛋白質，也包括衣殼的蛋白質。（4）基因組合成 病毒DNA通過復制產生許多病毒基因組的副本，為產生子代的前一步。（5）成熟與釋放 基因組包入蛋白質衣殼內形成成熟的子代噬菌體。當宿主細胞壁受溶菌酶的作用使細胞裂解后，噬菌體釋放出來。放出的新噬菌體又可侵入新的細胞。噬菌體的命名往往利用數字編排來分辨感染同

15、一宿主的幾種病毒。多數病毒對熱敏感，5560數分鐘即可使病毒衣殼蛋白質變性而被滅活。而對低溫的耐受力較強。甲醛、碘、氯等對病毒有明顯的滅活作用。§6.4 細菌的成分細菌也和其它活的生物一樣，需要某些營養物才能生長。這些營養物必須包含該細胞的細胞物質中所含的元素，以及酶的活力及運輸系統所必需的元素。1. 細菌的元素組成細菌所必需的元素可以稱為細菌的生物元素。細菌元素可以通過細菌細胞物質的分析得出。細菌和其他微生物成分中所含的主要元素見表6-1。這些元素所占的百分數是以細菌干重計的。由表6-1可看出，大多數元素都占0.5%以上。表6-2列出了細菌成分中的次要的生物元素。表6-1所列的數據

16、，是判別在廢水生物處理過程中，水質中所含有的幾種主要元素含量是否滿足了細菌生長需要量的根據，一般情況下都能滿足，故不必加以核實。但表6-2中所列的某種微含量元素缺乏時，代謝作用就會受到影響，廢水處理就會出現異常現象。2. 細菌的大分子組成細菌或其它的微生物細胞物質主要是由一些大分子組成的，如表6-3所示。其中蛋白質和核酸是微生物細胞進行生命活動的最重要的物質基礎。（1）蛋白質的組成 微生物細胞的蛋白質分為兩種，一種為結合蛋白質，如糖蛋白等，是構成細胞組織的一部分；另一種為溶解性的單純蛋白質，主要在細胞質中。各種蛋白質的元素組成都很有碳、氫、氧、氮四種元素，大部分還含有硫。有的還含有磷、鐵、銅等

17、。-氨基酸是一切蛋白質的組成單位。組成蛋白質的天然氨基酸主要有20種，如甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、精氨酸、天冬氨酸、色氨酸、氨酸等。氨基酸的基本結構通式為：上式具有兩個特點： 第一，具有酸性的-COOH及堿性的-NH2，為兩性電解質。第二，如果RH，則具有不對稱碳原子，因而是光活性物質。氨基酸在中性水溶液中是以兩性離子形式存在的。一個氨基酸的氨基與另一氨基酸的羧基可以縮合成肽，其鍵稱肽鍵。（2）蛋白質的結構蛋白質是由氨基酸結合而成，水解后產生氨基酸。根據氨基酸分子數目、排列次序，以及肽鏈數目和空間結構的不同，形成了不同的蛋白質。蛋白質的結構可分為一級、二級、三級和四級結構。（3）蛋白質分子中的重

18、要化學鍵 蛋白質分子中的化學鍵可分為共價鍵與非共價鍵兩大類。共價鍵如肽鍵、酯鍵，非共價鍵即次級鍵，如氫鍵、靜電作用、范德華力等。（4）蛋白質的重要性質 蛋白質是大分子物質，在水中形成膠體溶液，不能透過半透膜，能與水結合，在分子周圍形成一層水膜。首先，蛋白質也是一種兩性電解質。但其離解情況遠比氨基酸復雜，可簡化表示為上式表明蛋白質在不同pH溶液中可為正離子、負離子或兩性離子。其次，蛋白質存在變性現象。當蛋白質受物理或化學因素的影響，其分子內部原有的高度規則性的空間排列發生變化，以致其原有性質發生部分或全部喪失的現象，稱蛋白質的變性。變性的蛋白質分子互相凝聚為固體的現象稱凝固。引起蛋白質變性的因素

19、很多，熱(6070)、酸、堿、有機溶劑(如乙醇、丙酮)、光（X射線、紫外線）、尿素濃溶液水楊酸負離子、高壓、劇烈振蕩等均可引起蛋白質的變性。3. 核酸核酸又稱多核苷酸，是單核苷酸的多聚體，它與蛋白質結合成核蛋白。核酸是構成微生物細胞核中染色體及細胞質內核糖體和質粒的主要成分。它們在微生物遺傳變異和蛋白質生物合成中具有特殊重要功能。核酸又分成核糖核酸(簡稱RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)。RNA中又分：信使RNA（簡稱mRNA），其功能為將DNA的遺傳信息傳遞到蛋白質合成基地(核糖核蛋白體)；轉移RNA(簡稱tRNA)，在蛋白質合成時起轉運氨基酸到核糖體和翻譯的作用；核糖體（簡稱rRNA），與蛋

20、白質特殊構象的聚合有關。90的RNA存在于細胞質內，10在細胞核內。而DNA主要存在于細胞核的染色體內。（1）核酸的組成 RNA與DNA都是由氮堿(嘧啶或嘌呤)、戊糖(核糖或脫氧核糖)和磷酸組成的，它們的差別僅在于戊糖和嘧啶堿基的不同。氮堿與戊糖組成核苷、核苷與磷酸組成核苷酸。（2）核酸的結構 核酸也分一、二、三級結構。核酸的一級結構中，核苷酸之間的連接皆是磷酸二酯鍵。DNA分子是由兩條多核苷酸鏈組成，這兩條鏈都是右旋，以相反方向圍繞向一軸盤繞，形成右族的雙螺旋二級結構。兩條鏈由堿基對之間的氫鍵相連。堿基的配對規律是，鏈腺嘌呤堿與另一鏈的胸腺嘧啶堿之間由兩個氫鍵連接，而鳥嘌呤堿與胞嘧啶堿之間由

21、三個氫鍵連接。大多數RNA是單鏈，鏈的許多區域自身發生回折。（3）核酸的生物學功能 以核蛋白形式存在的核酸，是微生物及其它生物細胞的重要組分，核酸是基本的遺傳物質，在蛋白質的生物合成中又占有重要位置，因而在個體的生長、生殖、變異和轉化等一系列生命現象中起決定性作用。核酸參與遺傳信息的傳遞。DNA是生物遺傳的主要物質基礎，是基因的基礎化學物質。每種生物的形態結構和生理特征通過親代DNA傳給子代。DNA在遺傳過程中的具體作用有兩方面：一是在細胞分裂時按照自己的結構精確復制傳給子代(又叫DNA的復制)。DNA分子在子代細胞內以特有的半保留方式進行復制，復制中雙螺旋DNA分子的兩條多核苷酸鏈先局部拆開

22、為兩條單鏈，每條單鏈分別作為模板各自合成一條同自己有互補堿基的新鏈，然后各自與具有互補堿基的新鏈配對，通過氫鍵聯系形成與親代DNA完全相同的新DNA雙螺旋分子，見下圖。二是DNA作為合成mRNA的模板，在遺傳信息傳遞中DNA首先把它以密碼方式儲存，然后在傳遞信息中轉錄給mRNA，由轉移核糖核酸(tRNA)將遺傳密碼轉譯成相應的氨基酸帶到核糖體上，照mRNA從DNA得到的密碼順序連接成多肽，見下圖。生物的遺傳特征實際上就是通過DNAmRNA蛋白質過程來傳遞的，這一過程又稱為基因表達。核酸結構改變與生物變異基因上任何一對堿基(即三聯體遺傳密碼的堿基)的改變或增減，稱為基團突變?；蚓褪菦Q定某種蛋白

23、質分子結構的一段DNA。凡是由外界環境的自然作用而發生的基因突變稱為自發突變。人為地利用物理化學因素，引起細菌細胞DNA分子中堿基對發生變化，稱誘發突變或簡稱誘變。能引起誘變作用的因素稱誘，如紫外線、亞硝酸鹽等?，F在研究巳能實現，陣對某種廢水用人工誘變法篩選出具有很強分解能力及絮凝能力的菌株，并做成干粉狀變異菌成品(細菌處休眠狀態)。應用時，先把干粉菌種置干30水中溶解30min，使細菌恢復活性，再投入處理廢水的反應器，不必經馴化階段，即能獲得較好的處理效果。基因重組是將兩個不同性狀個體細胞內的遺傳基因轉移至一個個體細胞內，使之發生遺傳性變異的過程。轉化是受體細胞直接吸收來自供體細胞的游離DN

24、A片段，并把它整合到自己的基因組中，從而獲得供體細胞部分遺傳性狀的過程。接合是兩個完整的細胞直接接觸由供體菌傳遞大段DNA(包括質粒)遺傳信息的過程。遺化工程(或稱基因工程)是通過對遺傳物質的直接操縱、改組、重建來實現對遺傳性狀定向的改造。目前基本采用把遺傳物質從一種細胞中提取出來，在體外施行“外科手術”，然后再把它導人另一細菌細胞中，改變其遺傳結構，使其產生符合人類需要的新遺傳特性，定向地創造新生物類型。在廢水處理的研究中，已有不少運用遺傳工程的例子。1983年瑞士學者Kulla利用兩種假單胞菌分別具有降解印染廢水中兩種染料的能力，將兩個菌株的兩種基因接合到一個菌株內，獲得具有降解兩種染料的

25、新菌種。§6.5 細菌的營養與生長環境細菌與其它生物一樣，需要不斷地進行新陳代謝活動以維持生命。新陳代謝是維持生命的各種活動(如生長、繁殖、運動等)過程中，生物化學變化(包括物質的分解合成)的總稱。新陳代謝包括兩個作用，即同化作用和異化作用。同化作用吸收能量，進行合成反應，將吸收的營養物質轉變為細胞物質的過程。異化作用為分解反應，放出能量，將自身細胞物質和細胞內的營養物質分解的過程。細菌種類繁多，因此，細菌的營養類型是多種多樣的。1. 細菌的營養類型細菌可分為光能和化能兩種營養類型，分述如下。（1）光能營養 光能營養菌具有一整套光合作用機構，它能將光能轉化為ATP的高能磷酸鍵，反應如

26、下：光合細菌能利用各種有機碳化物和氧化物，因而近幾年利用光合細菌凈化有機廢水取得較好效果，例如可以使洗毛廢水BOD的去除率達98%。近年來采用“厭氧酸化-多級好氧PSB反應柱”工藝與超濾工藝相結合處理生化制藥廢水，COD去除率達到95.6%。類型電子供體電子受體代表細菌光能自養型H2OCO2藍細菌H2S，S，H2CO2著色菌科綠菌科光能異養型各種有機物有機物紅螺菌科（2）化能營養 大多數細菌依靠各種氧化還原反應以獲得ATP。在反應中一種底物被還原，另一種底物被氧化，可表示為下列的偶聯反應式：能利用有機物作為電子供體的稱化能有機營養茵，或稱化能異養茵，它們包括各種需氧菌和厭氧菌。這類細菌中，硝酸

27、鹽還原菌與硫酸鹽還原菌具有特別的水處理意義。硝酸鹽還原菌在缺氧時能夠以硝酸鹽為氧源，把硝酸鹽還原為亞硝酸鹽、氨和氮氣。這種作用稱為反硝化，或稱生物脫氮過程。反硝化是廢水生物脫氮的重要fangf，也是目前最常用的脫氮處理方法。化能無機營養菌也稱化能自養菌，能利用無機物、氫、硫化氫、亞硝酸鹽或氨等作為電子供體，按其能源又可分成下列幾類：硝化細菌、硫黃細菌、鐵細菌，它們均是需氧菌。2. 營養物質的傳遞各種營養物質的進出細菌菌體直接依賴于細菌細胞膜的功能，營養物質從周圍環境通過細胞膜進入細胞質有以下三種方式。（1）滲透作用（被動擴散） 對于相對分子質量小的物質進入細胞內，一般主要決定于細胞外該物質的濃

28、度，物質出高濃度區透過細胞膜向低濃度區擴散。（2）促進擴散 促進擴散通過專一性的膜蛋白質載體傳送物質。被傳送的物質先在細胞外與載體結合，然后在細胞內釋放。這種運輸不需要能量，但對被運輸的物質有專性，并按濃度梯度的方向運輸。（3）主動運輸 特點：第一，對底物有專一性；第二需要代謝能；第三，運輸并釋放到細胞內的底物的性質沒有發生改變。3. 細菌的生長環境在廢水生物處理中，把有計劃、有目的地控制細菌的生長條件，使細菌遺傳性有利于處理某種廢水的定向誘導過程叫馴化。在工業廢水的生物處理中，往往要利用細菌對營養要求、溫度、pH值和耐毒力的變異，以改善處理效果。（1）溫度 大多數細菌生長適宜的溫度為2040

29、。按照溫度的不同，可將微生物（主要是細菌）分為低溫、中溫和高溫菌三類。（2）pH值 大多數細菌在PH =6.5、7.5之間生長最好。PH的控制，在廢水的生物處理中具有重要的意義，廢水的pH值太高或太低都應作適當的調整。 （3）氧化還原電勢 各種細菌生活時要求的氧化還原條件不同。在廢水生物處理的一般運轉情況下，需氧的活性污泥法系統，氧化還原電勢常在200-400mV之間。（4）光線 除少數光和細菌外，大多數細菌不需要光線。（5）壓力 壓力對細菌的作用可分為滲透壓、機械壓和氣體壓力。當細菌周圍水溶液的滲透壓與其細胞內液體的滲透壓相等時，細菌生活得最好；廢水生物處理的廢水滲透壓問題是否需考慮有待在實

30、踐中解決。另外，細菌在溶液中可以抵抗很高的壓力，但高濃度氧壓對細菌是有害的。（6）干燥 環境過于干燥，細菌就不能生長。一般沒有莢膜、芽孢的細菌對環境的干燥比較敏感。由于細菌等微生物在干燥環境中不能生長發育，因而人們廣泛用干燥法來保存食品，防止食品腐敗。（7）化學藥劑 一些化學藥物對細菌的生活影響很大。強氧化劑可使細菌正常代謝受到阻礙，甚至死亡。高錳酸鉀的消毒作用即屬這一類。有些有機物在達到一定濃度時對細菌具有毒害作用。§6.6 細菌的生物催化劑酶酶是由活細菌細胞產生的一類具有高度催化專一性的特殊蛋白質。在酶作用下進行化學變化的物質叫底物，有酶催化的化學反應稱為酶促反應。酶也可以被分離

31、出來做成酶劑或固定化酶，在廢水生物處理中應用。1. 酶的命名與分類（1）酶的命名 目前采用的是1961年由國際酶學委員會制定的分類法。每一種酶的編號有四種數字，用圓點分開，如E·C·1·1·1·1前三個數字表示該酶所屬的大類、亞類、次亞類，第四個數為該酶在次亞類中的位置，E·C為酶委員會代號。（2）酶的分類 酶的分類除由國際酶學委員會進行編號并制定檢索表外，根據酶在細胞內外的不同，可分為外酶和內酶兩類；大多數微生物的酶的產生與底物的存在與否無關，這些酶稱為固有酶；在某些情況下，微生物會在體內產生出適應新環境的酶，這種酶則稱為適應酶，適

32、應酶的產生在廢水生物處理中具有重要意義。2. 酶的組成與性質 （1）酶的組成 酶按其組成，可分為單成分酶和雙成分酶（復合酶）。單成分酶一般僅由蛋白質分子組成，不含非蛋白質成分；在雙成分酶中，蛋白質部分稱為主酶，主酶與輔酶組成全酶。另外，主酶部分決定化合物的專一性，即決定哪一種化合物可被催化。在許多情況下，它還決定反應的方向。而輔酶(或輔基)則決定催化反應的性質。（2）酶的性質 經研究證明，所有的酶皆是蛋白質，因而酶具有蛋白質的理化性質。另外，酶是真正的催化劑、酶能夠在常溫和pH值近乎中性的溫和條件下發揮其催化功能、酶的催化具有高效性，其效率要比一般催化劑的催化效率高得多。3. 酶的結構與催化機

33、理酶的催化功能是由酶的分子結構，特別是由酶的特殊的空間構象所決定的。當酶的構象發生改變時，酶的催化功能將相應地發生改變。酶的催化本質是降低反應能閾、減少活化能、使反應能夠進行。 關于酶的催化機理，目前較公認的是1913年由Michae Iis和Menten首先提出的中間產物學說?；菊擖c是，首先酶(E)和底物(S)結合生成中間產物(ES)，然后中間產物再形成產物(P)，同時使酶更新游離出來，表示為下列反應：對于有兩種底物的酶促反應，可以下式表示：4. 影響酶催化活性的因素（1）pH值 氫離子濃度對酶反應速度的影響很大。每種酶都有其特定的最適宜pH值，大于或小于這個數值，酶的活力就要降低，甚至引

34、起酶蛋白變性而失去活性。（2）各種酶的反應有其最適宜的溫度，此時，酶的反應速率最快。溫度對酶反應速率的影響通常用溫度系數Q10來表示：（3）激活劑 許多酶促反應必須有其它適當物質存在時才能表現酶的催化活性或加強催化效力，這種作用稱酶的激活作用。引起激活作用的物質叫激活劑。激活劑的種類很多，其中有無機陽離子、無機陰離子、有機物分子和一些酶。（4）抑制劑 有些化學物質可以減弱、抑制甚至破壞酶的作用，稱為酶的抑制劑。由于抑制而引起的作用稱為抑制作用。酶的抑制劑有許多種：重金屬離子、硫化氫、有機陽離子、表面活性劑等。有的抑制作用可加入其它物質或用其它方法解除，使酶活性恢復；有的不能。能使巰基氧化或改變

35、的抑制劑有：氧化劑、烷化劑、含重金屬的有機化合物。（5）反饋抑制作用 在下列反應式中：起始物A被酶E1，E2，E3轉化為所需要的產物D，產物D對酶E1具有專一的可逆的抑制作用，稱為反饋抑制。§6.7 分批培養物的生長規律 細菌通過代謝作用將營養物質轉變成細胞物質，增加了菌體重量，這是生長。實際上，細菌的生長是以群體細胞數日的增加作標志。 1. 分批培養物的生長在一給定容積的培養基中生長的細菌，稱為分批培養物。平衡生長條件是通常的細菌增殖率公式表達的前提。平衡生長的細菌培養物的增值率可同時用下列三個公式來表示：另一個常用來描述細菌增殖率的參數稱為倍增時間，或稱增代時間，指細菌培養物的各

36、種成分都增為原來的二倍所需要的時間。增代時間（td）與的關系如下：2. 細菌的生長曲線細菌的增殖過程可用生長曲線來表示。一般用半對數坐標把生長曲線表示成成6-14所示的形式來介紹。生長曲線共分成滯后、指數生長、靜止和死亡四個期。滯后期：幼齡菌菌體內物質增加顯著，菌體體積增大，代謝機能卻非?；钴S，但抵抗力較低。該期長短與細菌菌種、菌齡和培養條件等有關。指數生長期：這一期細菌按式的關系增長。靜止期：細菌的生長速度逐漸降低，增代時間延長，細胞活力減退，或者是產生了有毒代謝物質，抑制樂自身生長繁殖。靜止期的長短，隨菌種和培養情況而異。死亡期：細菌死亡或變成休眠狀態，活細菌呈對數直線關系下降。真實的典型

37、生長曲線見下圖。生長曲線分為七個期，即初靜止期、滯后期、指數生長期、減速生長期、最大生長期、加速死亡期、指數死亡期。在細菌生長的各個時期中，單個細菌的質量只有在指數生長期才是恒定的，并且在指數期的單位質量中所含RNA及DNA量都是恒定的。微生物的代謝與合成1.代謝作用：是微生物最基本的特征之一，它包括生物體內一切分解和合成的作用。在生物處理過程中，細菌光對廢水中的冉機物(也包括無機物)進行分解，然后用分解所得的化合物以及水中其他成分提供能量和細胞物質所需的成分，合成新的細胞進行增值。2.降解代謝與合成代謝定義：生物降解與生物合成的兩個過程分別稱為降解代謝與合成代謝。3. 微生物代謝分類：根據所

38、處氧環境可分為需氧代謝和厭氧代謝。§6.9 需氧化謝需氧生物代謝過程的主要途徑如下：（以實線箭頭表示降解的過程、以虛線箭頭表示合成代謝的過程）。降解或合成代謝，都可分為三個階段：水解、酯解和三羧酸循環。1大分子有機構的水解大分子有機物或不溶性有機物必須先經過微個物水解酶類的水解作用。變成小分子或可溶性有機物，然后再進一步降解。(1)蛋白質的水解蛋白質必須經過微生物蛋白酶的分解成為簡單的氨基酸才能吸收進細胞內。經吸收的氨基酸一部分作為合成細胞物質的原料而被利用，另一部分繼續分解成氨、CO2和H2O，和有機酸及硫、磷化物。大分子的蛋白質必須經過蛋白質水解酶類的共同作用，通過加水分解，使蛋

39、白質中的肽鍵斷裂，經過多肽、二肽最后分解為氨基酸。蛋白質分解過程： （6-42）二肽 （6-43） (2)脂肪的水解 脂類可分為單脂和復脂兩大類。單脂為脂肪酸與醇(甘油醇，高級一元醇)所組成，分為脂、油及蠟三類。復脂為脂肪酸與醇(甘油醇，神經醇)所產生的脂，同時含有其它非脂性物質，加糖、磷酸及氮堿等。復脂又分成磷脂和糖脂兩大類。脂肪在脂酮的作用下可水解成甘油和脂肪酸，然后沿不同途徑進行代謝。脂肪水解的總反應如下： （6-45） (3)多糖的水解淀粉的水解自然界廣泛分布著的各種微生物分解淀粉的兩種基本方式：一種在磷酸化酶的作用下，將支鏈淀粉中的葡萄糖分子一個一個地分解下來，另一種是在淀粉酶作用下

40、進行分解。纖維素的水解纖維素的分解必須經微生物(主要是細菌)外酶的水解，才能成為可溶性的纖維二糖或葡萄糖而被利用。果膠物質與半纖維素的水解果膠物質是以半乳糖醛酸組成的高分子化臺物，含有很多以鏈狀結合的個乳糖醛酸基。植物殘體的腐解，首先由微生物分泌的原果膠酶將植物組織間原果膠水解成可溶性果膠與多縮戊糖，使各個細胞分離，可溶性果膠再經果膠甲基酯酶水解成果膠酸，果膠酸再由多縮半乳糖酶水解成半乳糖醛酸。 半纖維素多為一年生植物細胞壁成分，是一種雜聚多糖。半纖維素可被微生物產中的半纖維素酶類水解成單糖和糖醛酸，然后被吸收進入細胞。 2單糖、氨基酸和脂肪酸代謝(1)葡萄糖的酵解葡萄糖的酵解主要經由以下兩種

41、不同的途徑轉變為丙酮酸，丙酮酸是所有己糖代謝途徑共同的中間代謝產物。第一種為己糖二磷酸途徑，簡稱LMP途徑。葡萄糖經1，6 - 二磷酸果糖降解成丙酮酸的過程，實際上是個不需氧的過程，故稱為酵解途徑。EMP途徑包括10個獨立的，但又是連續的反應，分別有特定的酶催化。EMP的過程大致分三個階段。第二階段是經過活化的1，6二磷酸果糖在裂解酶的催化下，分裂成1個磷酸二羥丙酮和1個磷酸甘油醛，這是酵解過程中的關鍵步驟。從這一步反應開始，己糖分子裂解成2個丙糖分子。這樣，一分子葡萄糖就分解成兩個三碳糖。第三階段是3磷酸甘油醛經過一系列異構化、脫氫、變位、脫水和能量轉移等反應，最后生成丙酮酸。經過EMP途徑

42、后，1分子葡萄糖被降解為2分子丙酮峻，并生成4分了ATP，但在激活己糖時消耗了2分子ATP，因此凈生成2分子ATP。丙酮酸在好氧條件下通過三羧酸循環，最終氧化成CO2和H2O，并產生大量能量。第二種途徑為單磷酸己糖途徑，簡稱HMP途徑，葡萄糖在轉化成6磷酸葡萄糖后就分解成為CO2和5磷酸核酮糖，又因為所生成的磷酸戊糖可以重新組成磷酸己糖，形成循環反應，故又稱磷酸戊糖循環(PP循環)如圖628所示。葡萄糖首先經HMP途徑的第一步反應進行磷酸化，生成6磷酸葡萄糖，然后進人HMP途徑。HMP途徑通?？梢苑譃閮蓚€階段：第階段由6磷酸葡萄糠開始，經過脫氫、水解、氧化羥竣等反應生成C02和5磷酸核酮糖；第

43、二階段由5磷酸核酮糖反復通過異構化、轉酮基、轉醛基等反應，并逆EMP途徑，又重新生成6磷酸葡萄糖。 反應中形成的6P果糖經己糖異構酶可轉化為6P葡萄糖。生成的3P甘油醛也可逆EMP途徑生成6P葡萄糠。同時3P甘油醛和6P果糖可經EMP途徑形成丙酮酸。綜合HMP途徑的反應過程可以看作有6個分子6P葡萄糖同時參加反應，經脫氫、脫羥等反應生成6分子C02和6分子P戊糖，脫下的氫交給NADP生成12分子NADPH2，6分子P戊糠反應生成4分子6P果糖和2分子3P甘油醛，最終生成5分子6P葡萄糖?？偡磻綖椋?(6-48)(2)丙酮酸的有氧生物氧化丙酮酸的有氧分解分為兩個階段：1.丙酮酸氧化脫羧作用釋放

44、能量，形成高能硫酯鍵的乙酰輔酶A，然后乙酰輔酶A進入三羧酸循環，徹底氧化。反應如下： (6-49)（3）三羧酸循環（也稱檸檬酸循環或Krebs循環）簡稱TCA環。三羧酸循環是葡萄糖有氧分解的一種方式，是葡萄糖酵解過程的繼續。由酵解得到的丙酮酸，在有氧條件下進入TCA環后，產生乙酰輔酶A，并與草酰乙酸縮合成檸檬酸，再經過脫氫、脫羧等一系列反應，最終使葡萄糖完全氧化分解為CO2和H2O。(4) 氨基酸的代謝蛋白質水解后的各種氨基酸一部分被用于合成細胞新的蛋白質成分，其余被進一步的氧化降解。氨基酸分解的主要部分是氨基的脫落，使氨基酸分解成氨和-氨基酸，-酮基酸可經不同途徑進入TCA環徹底氧化或者轉化

45、成糖和脂肪。另外，氨基酸尚有脫羧基作用。氨基酸的酰氨也可以水解產生氨。脫氨基作用是氨基酸降解的第一步，分為：氧化脫氨基和非氧化脫氨基兩類反應。脫氨的脫氨酶中活性最強、分布最廣的是L谷氨酸脫氫酶，它的輔酶為NAD或NADP。它能催化谷氨酸脫氫脫氨基，生成酮戊二酸：氧化脫氨基：是在有氧、酶及好氧菌條件下，氨基酸脫氫被氧化成亞氨基酸，亞氨基酸在水溶液中極不穩定，自發水解成酮基酸和氨。非氧化性脫氨基反應多在厭氧或兼性微生物體內發生，主要有：還原性脫氨基、脫水脫氨基、分解脫氨基以及氧化還原偶聯脫氨基等反應。還原性脫氨基反應在厭氧條件下進行，主要發生在厭氧微生物和梭狀芽飽桿菌及一些兼性生物中。在氫化酶的催

46、化下、反應使氨基酸加氫脫氨。 除以上脫氨基反應外，還有種需要有兩種氨基酸參與反應的特殊脫氨方式，其中一種是進行氧化脫氨，將脫下的氫去還原另一種氨基酸，使其發生還原脫氨，兩者偶聯進行氧化還原脫氨作用，此反應又稱比Stickland 反應：(5)甘油的代謝 甘油的分解代謝，一般按照糖的分解途徑進行。甘油經甘油激酶的作用形成磷酸甘油，磷酸甘油再經脫氫酶的作用形成磷酸二羥丙酮，磷酸二羥丙酮進入EMP途徑或HMP途徑進一步氧化，生成丙酮酸進入二羧酸循環。甘油形成磷酸二羥丙酮的反應如下： (6-50)(6)脂肪酸的氧化作用 脂肪水解成的長鏈脂肪酸從5R胞內的游離脂肪酸降解時。主要進行氧化(這種氧化在脂肪酸

47、的碳位發生)，使碳原子兩個兩個地從脂肪酸鏈上斷下來，最后全都降解成乙酞輔酶A。§6.10 厭氧代謝厭氧生物代謝過程（如圖6-32）分為三個階段。第一階段是由兼性細菌產生的水解購類，將大分子物質或不溶性物質水解成低分子可溶性有機物，如葡萄糖(己糖)、氨基酸、脂肪酸和甘油等。第二階段是由產酸細菌把可溶性有機物氧化成為低分子的有機酸、醇等，并合酸細胞物質。第三階段是由產甲烷細菌把第二階段的產物近一步氧化成甲烷、二氧化碳等，并合成新的細胞物質。1丙酮酸的厭氧氧化葡萄糖綽1，6二磷酸果糖降解為丙酮酸，是大多數厭氧和兼性厭氧微生物進行葡萄糖厭氧分解的共同途徑。（1） 乙醇發酵在厭氧條件下，細菌或

48、酵母菌將EMP途徑生成的丙酮酸進一步降解為乙醇。酵母菌可產生丙酮酸脫羧酶，催化丙酮酸脫羧生成乙醛和CO2乙醇在乙醇脫氫酶的作用下被NADH2還原成乙醇。這是正常的發酵形式。如果有亞硫酸氫鈉存在時，亞硫酸氫鈉和乙醛結合成復合物，使乙醛不能作為受氫體，而迫使磷酸二羥丙酮作為受氫體，生成磷酸甘油，磷酸甘油經催化水解，脫水磷酸，生成甘油。在堿性條件下可以促進甘油的生成，乙醛不是接受氫而還原，而是兩分子乙醛間起偶聯反應、一分子乙解醛氧化脫氫生成乙酸，另一分子乙醛則接受氫還原成乙醇。（2）丁酸型發酵這是由梭狀芽拖孢稈菌所進行的一類發酵，因發酵產物中都有1丁酸，不同梭菌的最終產物除有丁酸外，還可分別產生乙酸

49、、乙醇、丁醇、內酮、異丙醇等。根據發酵產物不問，可分為丁酸發酵、丁醇異丙醇發酵等。（3）丙酸發酵丙酸發酵的過程是葡萄糖、甘油或乳酸先轉化為丙酮酸，再由丙酮酸經一序列反應生成丙酸。內酮酸的羧化也可能不經過草酰乙酸的中間階段，而直接生成蘋果酸。丙酸細菌利用乳酸進行內酸發酵除上述途徑外，乳酸也可以先脫水生成丙烯酸，丙烯酸再還原成丙酸。（4）混合酸發酵和2，3丁二醇發酵大腸桿鹵發酵葡萄粉產生甲酸、乙酸、乳酸和琥珀酸等各種有機酸，并產生2，3丁二醇、乙酞甲基甲醇和甘油，稱為混合酸發酵。它們發酵經EMP途徑到丙酮酸，再由丙酮酸進一步分解或轉化成甲酸、乙酸、乳酸和琥珀酸等產物。（5）乳酸發酵1. 同型乳酸發

50、酵丙酮酸經乳酸脫氫酶的催化，被NADH2還原成乳酸，稱為同型乳酸發酵，除生成乳酸外，還有乙醇和CO2。2. 異型乳酸發酵異型乳酸發酵是經HMP途徑分解至5磷酸木酮糖，在磷酸解酮酶的作用下裂解，并吸收無機磷生成乙酰磷酸和3磷酸甘油醛。乙酰磷酸被還原成乙醇，放出H3PO4 ，3-磷酸甘油醛經酵解轉化為丙酮酸，再還原成乳酸。整個過程凈得1個ATP。(6)膠醋酸桿菌的醋酸發酵 膠酯酸桿菌的醋酸發酵是中國用于釀造糖醋的主要方式，利用葡萄糖或果糖進行厭氧發酵，生成醋酸。2 甲烷的生成甲烷可能的生成途徑如圖6-34。（1）厭氧生物處理最終的重要產物是沼氣，甲烷占60%70%。由產甲烷菌在厭氧條件下產生，產甲

51、烷菌現已證明是由甲烷桿菌M.O.H.菌株和乙醇氧化菌“S”菌株組成。（2）有關甲烷形成的機理，存在看多種學說，歸納起來主要有二種，一種是二氧化碳還原論，最早出Van Niel于1930年提出，反應機理為 (6-59)（圖6-32中46三步）三個反應都是能放的，但最佳范圍非常有限，而且受游離的丙酸、乙酸和H2濃度的控制。成熟的消化反應器在最佳條件范圍內運行時，丙酸和乙酸的濃度通常在104和10-3m01L之間H2的分壓不大于100 Pa。例如： 奧氏甲烷桿菌中的“S”細菌可發酵乙醇產生甲烷和乙酸 (6-61)甲烷桿菌MoH能用甲醇進行甲烷發酵 (6-62) 雖然CO2是CH4生成的最主要還原劑，

52、但甲酸甲烷桿菌卻能利用CO生成CO2，CO2再被氧化還原成CH4 (6-63)另一種為乙酸形成甲烷說，由Busewdll和S0llo于1948年提出，他們利用示蹤原子研究的結果，認為甲烷是由乙酸直接分解而得。先將乙酸氧化生成CO2和H2，然后兩形成CH4。乙酸產生甲烷的反應為脫羧反應： (6-64)主要的乙酸脫羧很可能是由索氏甲烷絲狀茵(Methanobacteriumsoehngenii)完成的，這種菌對乙酸具有很強的親和力。來自丙酸所產生的甲烷，一部分先通過轉化為乙酸的途徑產生另一部分則直接產生。例如丙酸甲烷桿菌反應如下： (6-65)由其它低分子降解產物所產生的甲烷主要是C4以上的脂肪酸

53、或醇類的酵解反應結果。這類反應仍然是一部分先通過轉化為乙酸的途徑，余下的才是直接產生的：例如弱氧化甲烷芽孢桿菌的產甲烷反應 (6-66)§6.10 微生物的生物合成在廢水的生物處理過程中有機物質的牛物降解與微生物細胞物質的合成同時進行、有機物降解的牛間產物一部分成為生物合成的原料生成新的細胞物質；另一部分繼續氧化分解放出能量為生物合成提供能源。在生物合成中，最重要的是氨基酸合成。在氨基酸合成基礎上通過核糖體得RNA進行蛋白質的合成。1 氨基酸的合成氨基酸是合成蛋白質的原料，各種氨基酸結構不同，合成途徑也各異、重要方式有氨基化作用和轉氨基作用。另一方式是以初生氫基酸作為前體合成次生氨基

54、酸。 如以谷氨酸作前體合成脯氨酸、鳥氨峻、瓜氨酸和精氨酸。(1)以谷氨酸為前體合成的氨基酸 由TCA環中間產物。酮戊二酸在谷氨酸合成酶作用下與暗合成谷氨酸，由谷氨酸的衍生物半醛通過還原作用閉合成環生成吡咯啉5羧酸再還原為脯氨酸。(2)以天冬氨酸為前體合成的氨基酸 由TCA環中間產物草酰乙酸或延胡索酸在天冬氨酸合成酶的催化下與氨合成天冬氨酸。天冬氨酸被激活后再還原生成天冬氨酸半醛，天冬氨酸半醛是個重要的中間產物，可直接生成賴氦酸，或通過形成高絲氨酸后再分別生成蛋氨酸和蘇氨酸與異亮氨酸。(3)酪氫酸、苯丙氨酸和色氨酸的合成 酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸是以糖代謝的中間產物為前體合成的。糖酵解的中間產物

55、烯醇式丙酮酸與己糖磷酸支路的中間產物4磷酸赤蘚糖縮合，經一系列反應生成烯醇丙酮酸對羥基苯甲酸，它是這三個氨基酸及有關物質生物合成中重要的中間產物。然后分別經轉氨基作用等生成酪氨酸、苯丙氦酸和色氨酸。 (4)其它氨基酸的合成 糖代謝生成的小間產物3磷酸甘油酸經過多步的反應分別生成甘氫酸、半胱氨酸、絲氨酸和色氨酸。丙酮酸經與氨的合成形成丙氨酸，丙氨酸經還原后與活性乙醛合成乙酰乳酸，再經多步反應分別生成纈氨酸和亮氨酸。氨基酸生成的另主要途徑為轉氨基作用利氨基化作用。微少物休內存在的谷氨酰胺和天冬氨酰胺可分別經本身的酰胺酶作用，分別脫氨生成谷氨酸和天冬氨酸：轉氨基反應是一個氨基酸的氨基通過轉氨基酶的催化將氨基轉移到一個酮基酸的酮基位置上，生成與原來酮基酸相應的氨基酸。原來的氨基酸轉變成相應的酮基酸。此反應沒有自由NH3生成，通式為