第五章
微生物的代谢
第一节 代谢概论
代谢（ metabolism）,
细胞内发生的各种化学反应的总称
代谢
分解代谢 (catabolism)
合成代谢 (anabolism)
复杂分子
（有机物）
分解代谢
合成代谢
简单小分子 ATP [H]
第二节 微生物产能代谢
一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是一切生物代谢
的核心问题。
能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中的多种形式的
最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源 ------ATP。
这就是产能代谢。
最初
能源
有机物
还原态无机物
日光
化能异养微生物
化能自养微生物
光能营养微生物
通用能源
（ ATP）
生物氧化就是发生在或细胞内的一切产能性氧化反应的总称
生物氧化与燃烧的比较
第二节 微生物产能代谢
生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种
生物氧化的功能为：
产能（ ATP）,产还原力 [H]和产小分子中间代谢物
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，这个过程就是
生物氧化，是一个产能代谢过程。 （参见 P98）
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
能量转换储存在高能化合物（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。
异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，
通过生物氧化来进行产能代谢。
二、异养微生物的生物氧化
生物氧化反应
发酵
呼吸
有氧呼吸
厌氧呼吸1,发酵 (fermentation)
有机物氧化释放的电子直接交给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的代谢产物。
有机化合物只是部分地被氧化，因此，只释放出一小部分的能量。
发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在一起的。被还原的有机物
来自于初始发酵的分解代谢，即不需要外界提供电子受体。
（参见 P98）
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。
（参见 P98）
生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为 糖酵解（ glycolysis）
糖酵解是发酵的基础
主要有四种途径：
EMP途径,HMP途径,ED途径、磷酸解酮酶途径。
(1)EMP途径（ Embden-Meyerhof pathway） （参见 P99）
二、异养微生物的生物氧化
微生物学与第一次世界大战
德国：
（ Carl Neuberg）
丙酮酸
CO2
乙醛
NADH NAD+
乙醇
磷酸 二羟基丙酮
NADH NAD+
磷酸甘油
甘油
3%的亚硫酸氢钠（ pH7）
Saccharomyces cerevisiae厌氧发酵
参见 P101,酵母菌的一型和二型发酵
（磺化羟基乙醛）
第一次世界打战期间德国主要用这种方法生产甘油
产量,1000吨 /月
目前的甘油生产方法：
使用的微生物：
Dunaliella aslina（ 一种嗜盐藻类）
胞内积累高浓度的甘油从而使细胞的渗透压保持平衡
生活在盐湖及海边的岩池等盐浓度很高环境
微生物学与第一次世界大战
有机溶剂丙酮和丁醇的需求增加,丙酮：用于生产人造橡胶；
丁醇：用于生产无烟火药；
当时的常规生产方法,对木材进行干热分解
大约 80到 100吨桦树,山毛榉、或枫木生产 1吨丙酮
英国：
（ Chaim Weizmann）
丙酮丁醇羧菌发酵生产丙酮、丁醇（ 1915），每 100吨谷物可以
生产出 12吨丙酮和 24吨的丁醇。
（参见 P102）
不同微生物发酵产物的不同，也是细菌分类鉴定的重要依据。
大肠杆菌：
丙酮酸裂解生成乙酰 CoA与甲酸，甲酸在酸性条件下可
进一步裂解生成 H2和 CO2
产酸产气
（参见“微生物学实验” P119-123）
志贺氏菌：
丙酮酸裂解生成乙酰 CoA与甲酸，但不能使甲酸裂解产生
H2和 CO2
产酸不产气
二、异养微生物的生物氧化
大肠杆菌：
产气气杆菌,V.P.试验阳性
甲基红试验阴性
V.P.试验阴性
甲基红试验阳性
（“微生物学实验” P121）
2,呼吸作用
微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给 NAD（ P） +、
FAD或 FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，
从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程，称为 呼吸作用,
以氧化型化合物作为最终电子受体
有氧呼吸（ aerobic respiration）：
无氧呼吸（ anaerobic respiration）：
以分子氧作为最终电子受体
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。
呼吸作用与发酵作用的根本区别,
（ 1）有氧呼吸
葡萄糖
糖酵解作用
丙酮酸
发酵
有氧无氧
各种发酵产物
三羧酸循环
被彻底氧化生成 CO2和水，释放大量能量。
有氧呼吸：
电子传递链；
氧分子；
(最终电子受体 )
（ 2）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；
无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是 NO3-,NO2-,SO42-、
S2O32-,CO2等无机物，或延胡索酸（ fumarate） 等有机物。
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生命活动。
由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量
不如有氧呼吸产生的多。
（参见 P106）
能进行硝酸盐呼吸的细菌被称为 硝酸还盐原细菌,主要生活在
土壤和水环境中，如假单胞菌、依氏螺菌、脱氮小球菌等。
硝酸盐还原细菌被认为是一种兼性厌氧菌，无氧但环境中存在硝酸盐时进行厌氧
呼吸，而有氧时其细胞膜上的硝酸盐还原酶活性被抑制，细胞进行有氧呼吸,
反硝化作用的生态学作用：
硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸
土壤及水环境
好氧性机体的呼吸作用
氧被消耗而造成局部的厌氧环境
土壤中植物能利用的氮
（硝酸盐 NO3-） 还原成
氮气而消失，从而降低
了土壤的肥力。
松土，排除过多的水
分，保证土壤中有良
好的通气条件。
反硝化作用在氮素循环中的重要作用
硝酸盐是一种容易溶解于水的物质，通常
通过水从土壤流入水域中。如果没有反硝
化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水
质变坏与地球上氮素循环的中断。
其它厌氧呼吸：
延胡索酸呼吸,兼性厌氧，将延胡索酸还原成琥珀酸，
以往都是把琥珀酸的形式作为微生物的一般发酵产物
来考虑。实际上在延胡索酸呼吸中，延胡索酸是最终
电子受体，而琥珀酸是还原产物。
有关“鬼火”的生物学解释 （参见 P106）
在无氧条件下，某些微生物在没有氧、氮或硫作为呼吸作用的最终
电子受体时，可以磷酸盐代替，其结果是生成磷化氢（ PH3）,一
种易燃气体。当有机物腐败变质时，经常会发生这种情况。若埋葬
尸体的坟墓封口不严时，这种气体就很易逸出。农村的墓地通常位
于山坡上，埋葬着大量尸体。在夜晚，气体燃烧会发出绿幽幽的光。
长期以来人们无法正确地解释这种现象，将其称之为,鬼火”。
厌氧呼吸的产能较有氧呼吸少，但比发酵多，它使微生物在
没有氧的情况下仍然可以通过电子传递和氧化磷酸化来产生
ATP,因此对很多微生物是非常重要的。
除氧以外的多种物质可被各种微生物用作最终电子受体，充
分体现了微生物代谢类型的多样性。
三．自养微生物的生物氧化
化能无机营养型,
从无机物的氧化获得能量以无机物为电子供体
这些微生物一般也能以 CO2为唯一或主要碳源合成细胞物质
自养微生物
从对无机物的生物氧化过程中获得生长所
需要能量的微生物一般都是：
化能无机自养型微生物
复杂分子
（有机物）
分解代谢
合成代谢
简单小分子 ATP [H]
自养微生物的合成代谢：
将 CO2先还原成 [CH2O]水平的简单有机物，然后再进一步合成复杂
的细胞成分。
化能异养微生物,ATP和还原力均来自对有机物的生物氧化
化能自养微生物,无机物氧化过程中主要通过氧化磷酸化产生 ATP
如果作为电子供体的无机物的氧化还原电位足够低，也在
氧化磷酸化的过程中产生还原力，但大多数情况下都需要
通过电子的逆向传递，以消耗 ATP为代价获得还原力。
1,氨的氧化 （参见 P106）
NH3、亚硝酸（ NO2-） 等无机氮化物可以被某些化能自养细菌用作能源
亚硝化细菌：
硝化细菌：
将氨氧化为亚硝酸并获得能量
将亚硝氧化为硝酸并获得能量
这两类细菌往往伴生在一起，在它们的共同作用下将铵盐
氧化成硝酸盐，避免亚硝酸积累所产生的毒害作用。
这类细菌在自然界的氮素循环中也起者重要的作用，在自然
界中分布非常广泛。
NH3,NO2-的氧化还原电势均比较高，以氧为电子受体进行
氧化时产生的能量较少，而且进行合成代谢所需要的还原力
需消耗 ATP进行电子的逆呼吸链传递来产生，因此这类细菌
生长慢，平均代时在 10h以上。
2,硫的氧化 （参见 P106）
硫细菌（ sulfur bacteria） 能够利用一种或多种还原态或部分
还原态的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多
硫酸盐和亚硫酸盐）作能源。
俄国著名微生物学家 Winogradsky的杰出贡献：
化能无机自养型微生物的发现：
氧化无机物获得能量；
没有光和叶绿素的条件下也能同化 CO2为细胞物质
（能以 CO2为唯一或主要碳源）
硫细菌在进行还原态硫物质的氧化时会产酸（主要是硫酸），
因此它们的生长会显著地导致环境的 pH下降，有些硫细菌可
以在很酸的环境，例如在 pH低于 1的环境中生长。
和硝化细菌一样，硫细菌也是通过电子的逆呼吸链传递来生成还原力。
（参见 P106）
通过氧化磷酸化途径产生 ATP
（ 主要途径）
底物水平磷酸化途径产生 ATP
（ 非主要途径）
磷酸腺苷硫酸的氧化途径
，每氧化一分子硫酸根产生
2.5个 ATP
3、铁的氧化
（参见 P107）
以嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌（ Thiobacillus ferrooxidans） 为例：
从亚铁到高铁状态的铁的氧化，对于少数细菌来说也是
一种产能反应，但从这种氧化中只有少量的能量可以被
利用。因此该菌的生长会导致形成大量的 Fe3+ （ Fe(OH)3）。
亚铁（ Fe2+） 只有在酸性条件（ pH低于 3.0）下才能保持可溶解性和
化学稳定；
当 pH大于 4-5，亚铁（ Fe2+） 很容易被氧气氧化成为高价铁（ Fe3+）
氧化亚铁硫杆菌（ Thiobacillus ferrooxidans）
为什么要在酸性环境下生活？
氧化亚铁硫杆菌（ Thiobacillus ferrooxidans） 在富含 FeS2的煤矿中
繁殖，产生大量的硫酸和 Fe(OH)3,从而造成严重的环境污染。
它的生长只需要 FeS2及空气中的 O2和 CO2,因此要防止其破坏性大量
繁殖的唯一可行的方法是封闭矿山,使环境恢复到原来的无氧状态,
4,氢的氧化
（参见 P107）
氢 是微生物细胞代谢中的常见代谢产物，很多细菌都能通过
对氢的氧化获得生长所需要的能量。
能以氢为电子供体，以 O2为电子受体，以 CO2为唯一碳源进行
生长的细菌被称为 氢细菌：
氢的氧化可通过电子和氢离子在呼吸链上的传递产生 ATP和
用于细胞合成代谢所需要的还原力（见 P107）。
氢细菌都是一些呈革兰氏阴性的兼性化能自养菌。它们能利用
分子氢氧化产生的能量同化 CO2, 也能利用其它有机物生长 。
产甲烷菌（ Methanogenesis） 和产已酸菌（ Acetogenesis） 能以
CO2或碳酸盐为电子受体和碳源进行生长。
这类细菌是严格厌氧菌
有些细菌能通过对氢的氧化获得生长所需要的能量，但必需以
有机物作为碳源进行生长，这类细菌被称为,mixotrophs
化能自养微生物以无机物作为能源，一般产能效率低，生长慢，
但从生态学角度看，它们所利用的能源物质是一般化能异养生
物所不能利用的，因此它们与产能效率高、生长快的化能异养
微生物之间并不存在生存竞争。
四．能量转换 （参见 P107）
化能营养型
光能营养型
底物水平磷酸化
氧化磷酸化
通过光合磷酸化将光能转变为
化学能储存于 ATP中
1、底物水平磷酸化（ substrate level phosphorylation）
物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物，
而这些化合物可直接偶联 ATP或 GTP的合成。
2、氧化磷酸化（ oxidative phosphorylation）
3、光合磷酸化（ photophosphorylation）
光能营养型生物
产氧
不产氧
真核生物,藻类及其它绿色植物
原核生物,蓝细菌
（仅原核生物有）：光合细菌
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，
导致其释放一个电子而被氧化，释放出的电子在电子传递
系统中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。
光合磷酸化和氧化磷酸化一样都是通过电子传递系统产生 ATP
（参见 P110）
（ 1）环式光合磷酸化
光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用产生 ATP
不是利用 H2O,而是利用还原态的 H2, H2S等作
为还原 CO2的氢供体，进行不产氧的光合作用；
电子传递的过程中造成了质子的跨膜
移动，为 ATP的合成提供了能量。
通过电子的逆向传递产生还原力；
细菌叶绿素具有和高等植物中的叶绿素相类似的化学结构，二者的
区别在于侧链基团的不同，以及由此而导致的光吸收特性的差异。
不产氧光合作用的反应中心为 P870
（参见 P111）
非环式光合磷酸化的反应式：
2NADP+＋ 2ADP＋ 2Pi＋ 2H2O→2NADPH ＋ 2H+＋ 2ATP＋ O2
（ 2）非环式光合磷酸化
产氧型光合作用（绿色植物、蓝细菌）
绿色细菌的非环式光合磷酸化（不产氧型光合作用）
NAD++H2S+ADP+Pi NADPH+H++ATP+Schlhv
（ 3）嗜盐菌紫膜的光合作用
一种只有嗜盐菌才有的，无叶绿素或细菌叶绿素参与的独特
的光合作用。
嗜盐菌
细胞膜
红色部分（红膜）
紫色部分（紫膜）
主要含细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸链载体
在膜上呈斑片状（直径约 0.5 mm） 独立分布，其总面积约占
细胞膜的一半，主要由细菌视紫红质组成。
四种生理类型的微生物在不同光照和氧下的 ATP合成
实验发现，在波长为 550-600 nm的光照下，嗜盐菌 ATP的合成速率
最高，而这一波长范围恰好与细菌视紫红质的吸收光谱相一致,
紫膜 的光合磷酸化是
迄今为止所发现的最
简单的光合磷酸化反应
（参见 P126）初级代谢与初级代谢的关系：
初级代谢系统、代谢途径和初级代谢产物在各类生物中基本相同。
它是一类普遍存在于各类生物中的一种基本代谢类型。
1、存在范围及产物类型不同
象病毒这类非细胞生物虽然不具备完整的初级代谢系统，但它们
仍具有部分的初级代谢系统和具有利用宿主代谢系统完成本身的
初级代谢过程的能力。
次级代谢只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，并且
代谢途径和代谢产物因生物不同而不同，就是同种生物也会由
于培养条件不同而产生不同的次级代谢产物。
第五节 微生物次级代谢与次级代谢产物
一类与生物生存有关的、涉及到产能代谢和耗能代谢的代谢
类型，普遍存在于一切生物中。
初级代谢：
微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，
生成维持生命活动所必需的物质和能量的过程，称为 初级代谢,
某些生物为了避免在初级代谢过程某种中间产物积累所造成的
不利作用而产生的一类有利于生存的代谢类型。可以认为是某
些生物在一定条件下通过突变获得的一种适应生存的方式。
通过次级代谢合成的产物通常称为次级代谢产物，大多是分子
结构比较复杂的化合物。 根据其作用，可将其分为抗生素、激
素、生物碱、毒素及维生素等类型。
次级代谢：
例如某些青霉、芽孢杆菌和黑曲霉在一定的条件下可以分别合成
青霉素、杆菌肽和柠檬酸等次级代谢产物。
不同的微生物可产生不同的初级代谢产物：
相同的微生物在不同条件下产生不同的初级代谢产物：
用于青霉菌的二种培养基：
Raulin培养基,
葡萄糖 5%、酒石酸 0.27%、酒石酸铵 0.27%、磷酸氢二铵 0.04%
、硫酸镁 0.027%硫酸铵 0.017%、硫酸锌 0.005%、硫酸亚铁 0.005%
Czapek—— Dox培养基：
葡萄糖 5%、硝酸纳 0.2%、磷酸氢二钾 0.1%、氯化钾 0.05%、硫酸
镁 0.05%、硫酸亚铁 0.001%
产黄青霉在在 Raulin中培养时可以合成青霉酸。但在 Czapek— Dox中
培养则不产青霉酸 。
次级代谢产物虽然也是从少数几种初级代谢过程中产生的中间
体或代谢产物衍生而来，但它的骨架碳原子的数量和排列上的
微小变化，如氧、氮、氯、硫等元素的加入，或在产物氧化水
平上的微小变化都可以导致产生各种各样的次级代谢产物，并
且每种类型的次级代谢产物往往是一群化学结构非常相似的不
同成分的混合物。例如，目前已知的新霉素有 4种，杆菌肽、多
粘菌素分别有有 10多种，而放线菌素有 20多种等。
Penicillium urticae在含有 0.5× 10-8M的锌离子的 Czapek—— Dox培
养基里培养时合成的主要次级代谢产物是 6-氨基水杨酸，但在含
0.5× 10-6M的锌离子的 Czapek—— Dox培养基里培养时不合成 6-氨
基水杨酸，但可以合成大量的龙胆醇、甲基醌醇和棒曲霉素。
灰黄青素在 Czapek—— Dox培养基上培养时可以合成灰黄霉素，
在 Raulin培养基上培养时则合成褐菌素（ fulvic acid）；
2、对产生者自身的重要性不同
初级代谢产物，如单糖或单糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等单体以
及由它们组成的各种大分子聚合物，蛋白质、核酸、多糖、脂类
等通常都是机体生存必不可少的物质，只要在这些物质的合成过
程的某个环节上发生障碍，轻则引起生长停止、重则导致机体发
生突变或死亡。
次级代谢产物对于产生者本身来说，不是机体生存所必需的物质
，即使在次级代谢的某个环节上发生障碍。不会导致机体生长的
停止或死亡，至多只是影响机体合成某种次级代谢产物的能力。
次级代谢产物一般对产生者自身的生命活动无明确功能，不是机
体生长与繁殖所必需的物质，也有人把超出生理需求的过量初级
代谢产物也看作是次级代谢产物。
次级代谢产物通常都分泌到胞外，有些与机体的分化有一定的关
系，并在同其它生物的生存竞争中起着重要的作用。
许多次级代谢产物通常对人类和国民经济的发展有重大影响。
3、同微生物生长过程的关系明显不同
4、对环境条件变化的敏感性或遗传稳定性上明显不同
初级代谢产物对环境条件的变化敏感性小（即遗传稳定性大），
而次级代谢产物对环境条件变化很敏感，其产物的合成往往因
环境条件变化而停止。
初级代谢自始至终存在于一切生活的机体中，同机体的生长
过程呈平行关系；次级代谢则是在机体生长的一定时期内（通
常是微生物的对数生长期末期或稳定期）产生的，它与机体的
生长不呈平行关系，一般可明显地表现为 机体的生长期和次级
代谢产物形成期 二个不同的时期。
相对来说催化初级代谢产物合成的酶专一性强，催化次级代谢产物
合成的某些酶专一性不强，因此在某种次级代谢产物合成的培养基
中加入不同的前体物时，往往可以导致机体合成不同类型的次级代
谢产物 ;
另外，催化次级代谢产物合成的酶往往是一些诱导酶，它们是在产
生菌对数生长末期或稳定生长期里，由于某种中间代谢产物积累而
诱导机体合成的一种能催化次级代谢产物合成的酶，这些酶通常因
环境条件变化而不能合成。
5、相关酶的专一性不同
初级代谢是次级代谢的基础，它可以为次级代谢产物合成提供前体
物和所需要的能量；初级代谢产物合成中的关键性中间体也是次级
代谢产物合成中的重要中间体物质。而次级代谢则是初级代谢在特
定条件下的继续与发展，避免初级代谢过程中某种（或某些）中间
体或产物过量积累对机体产生的毒害作用。
6、某些机体内存在的二种既有联系又有区别的代谢类型
本章思考题：
不同营养类型的微生物在不同条件下
产生 ATP和还原力的方式与特点。
微生物的代谢
第一节 代谢概论
代谢（ metabolism）,
细胞内发生的各种化学反应的总称
代谢
分解代谢 (catabolism)
合成代谢 (anabolism)
复杂分子
（有机物）
分解代谢
合成代谢
简单小分子 ATP [H]
第二节 微生物产能代谢
一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是一切生物代谢
的核心问题。
能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中的多种形式的
最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源 ------ATP。
这就是产能代谢。
最初
能源
有机物
还原态无机物
日光
化能异养微生物
化能自养微生物
光能营养微生物
通用能源
（ ATP）
生物氧化就是发生在或细胞内的一切产能性氧化反应的总称
生物氧化与燃烧的比较
第二节 微生物产能代谢
生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种
生物氧化的功能为：
产能（ ATP）,产还原力 [H]和产小分子中间代谢物
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，这个过程就是
生物氧化，是一个产能代谢过程。 （参见 P98）
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
能量转换储存在高能化合物（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。
异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，
通过生物氧化来进行产能代谢。
二、异养微生物的生物氧化
生物氧化反应
发酵
呼吸
有氧呼吸
厌氧呼吸1,发酵 (fermentation)
有机物氧化释放的电子直接交给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的代谢产物。
有机化合物只是部分地被氧化，因此，只释放出一小部分的能量。
发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在一起的。被还原的有机物
来自于初始发酵的分解代谢，即不需要外界提供电子受体。
（参见 P98）
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。
（参见 P98）
生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为 糖酵解（ glycolysis）
糖酵解是发酵的基础
主要有四种途径：
EMP途径,HMP途径,ED途径、磷酸解酮酶途径。
(1)EMP途径（ Embden-Meyerhof pathway） （参见 P99）
二、异养微生物的生物氧化
微生物学与第一次世界大战
德国：
（ Carl Neuberg）
丙酮酸
CO2
乙醛
NADH NAD+
乙醇
磷酸 二羟基丙酮
NADH NAD+
磷酸甘油
甘油
3%的亚硫酸氢钠（ pH7）
Saccharomyces cerevisiae厌氧发酵
参见 P101,酵母菌的一型和二型发酵
（磺化羟基乙醛）
第一次世界打战期间德国主要用这种方法生产甘油
产量,1000吨 /月
目前的甘油生产方法：
使用的微生物：
Dunaliella aslina（ 一种嗜盐藻类）
胞内积累高浓度的甘油从而使细胞的渗透压保持平衡
生活在盐湖及海边的岩池等盐浓度很高环境
微生物学与第一次世界大战
有机溶剂丙酮和丁醇的需求增加,丙酮：用于生产人造橡胶；
丁醇：用于生产无烟火药；
当时的常规生产方法,对木材进行干热分解
大约 80到 100吨桦树,山毛榉、或枫木生产 1吨丙酮
英国：
（ Chaim Weizmann）
丙酮丁醇羧菌发酵生产丙酮、丁醇（ 1915），每 100吨谷物可以
生产出 12吨丙酮和 24吨的丁醇。
（参见 P102）
不同微生物发酵产物的不同，也是细菌分类鉴定的重要依据。
大肠杆菌：
丙酮酸裂解生成乙酰 CoA与甲酸，甲酸在酸性条件下可
进一步裂解生成 H2和 CO2
产酸产气
（参见“微生物学实验” P119-123）
志贺氏菌：
丙酮酸裂解生成乙酰 CoA与甲酸，但不能使甲酸裂解产生
H2和 CO2
产酸不产气
二、异养微生物的生物氧化
大肠杆菌：
产气气杆菌,V.P.试验阳性
甲基红试验阴性
V.P.试验阴性
甲基红试验阳性
（“微生物学实验” P121）
2,呼吸作用
微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给 NAD（ P） +、
FAD或 FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，
从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程，称为 呼吸作用,
以氧化型化合物作为最终电子受体
有氧呼吸（ aerobic respiration）：
无氧呼吸（ anaerobic respiration）：
以分子氧作为最终电子受体
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。
呼吸作用与发酵作用的根本区别,
（ 1）有氧呼吸
葡萄糖
糖酵解作用
丙酮酸
发酵
有氧无氧
各种发酵产物
三羧酸循环
被彻底氧化生成 CO2和水，释放大量能量。
有氧呼吸：
电子传递链；
氧分子；
(最终电子受体 )
（ 2）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；
无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是 NO3-,NO2-,SO42-、
S2O32-,CO2等无机物，或延胡索酸（ fumarate） 等有机物。
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生命活动。
由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量
不如有氧呼吸产生的多。
（参见 P106）
能进行硝酸盐呼吸的细菌被称为 硝酸还盐原细菌,主要生活在
土壤和水环境中，如假单胞菌、依氏螺菌、脱氮小球菌等。
硝酸盐还原细菌被认为是一种兼性厌氧菌，无氧但环境中存在硝酸盐时进行厌氧
呼吸，而有氧时其细胞膜上的硝酸盐还原酶活性被抑制，细胞进行有氧呼吸,
反硝化作用的生态学作用：
硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸
土壤及水环境
好氧性机体的呼吸作用
氧被消耗而造成局部的厌氧环境
土壤中植物能利用的氮
（硝酸盐 NO3-） 还原成
氮气而消失，从而降低
了土壤的肥力。
松土，排除过多的水
分，保证土壤中有良
好的通气条件。
反硝化作用在氮素循环中的重要作用
硝酸盐是一种容易溶解于水的物质，通常
通过水从土壤流入水域中。如果没有反硝
化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水
质变坏与地球上氮素循环的中断。
其它厌氧呼吸：
延胡索酸呼吸,兼性厌氧，将延胡索酸还原成琥珀酸，
以往都是把琥珀酸的形式作为微生物的一般发酵产物
来考虑。实际上在延胡索酸呼吸中，延胡索酸是最终
电子受体，而琥珀酸是还原产物。
有关“鬼火”的生物学解释 （参见 P106）
在无氧条件下，某些微生物在没有氧、氮或硫作为呼吸作用的最终
电子受体时，可以磷酸盐代替，其结果是生成磷化氢（ PH3）,一
种易燃气体。当有机物腐败变质时，经常会发生这种情况。若埋葬
尸体的坟墓封口不严时，这种气体就很易逸出。农村的墓地通常位
于山坡上，埋葬着大量尸体。在夜晚，气体燃烧会发出绿幽幽的光。
长期以来人们无法正确地解释这种现象，将其称之为,鬼火”。
厌氧呼吸的产能较有氧呼吸少，但比发酵多，它使微生物在
没有氧的情况下仍然可以通过电子传递和氧化磷酸化来产生
ATP,因此对很多微生物是非常重要的。
除氧以外的多种物质可被各种微生物用作最终电子受体，充
分体现了微生物代谢类型的多样性。
三．自养微生物的生物氧化
化能无机营养型,
从无机物的氧化获得能量以无机物为电子供体
这些微生物一般也能以 CO2为唯一或主要碳源合成细胞物质
自养微生物
从对无机物的生物氧化过程中获得生长所
需要能量的微生物一般都是：
化能无机自养型微生物
复杂分子
（有机物）
分解代谢
合成代谢
简单小分子 ATP [H]
自养微生物的合成代谢：
将 CO2先还原成 [CH2O]水平的简单有机物，然后再进一步合成复杂
的细胞成分。
化能异养微生物,ATP和还原力均来自对有机物的生物氧化
化能自养微生物,无机物氧化过程中主要通过氧化磷酸化产生 ATP
如果作为电子供体的无机物的氧化还原电位足够低，也在
氧化磷酸化的过程中产生还原力，但大多数情况下都需要
通过电子的逆向传递，以消耗 ATP为代价获得还原力。
1,氨的氧化 （参见 P106）
NH3、亚硝酸（ NO2-） 等无机氮化物可以被某些化能自养细菌用作能源
亚硝化细菌：
硝化细菌：
将氨氧化为亚硝酸并获得能量
将亚硝氧化为硝酸并获得能量
这两类细菌往往伴生在一起，在它们的共同作用下将铵盐
氧化成硝酸盐，避免亚硝酸积累所产生的毒害作用。
这类细菌在自然界的氮素循环中也起者重要的作用，在自然
界中分布非常广泛。
NH3,NO2-的氧化还原电势均比较高，以氧为电子受体进行
氧化时产生的能量较少，而且进行合成代谢所需要的还原力
需消耗 ATP进行电子的逆呼吸链传递来产生，因此这类细菌
生长慢，平均代时在 10h以上。
2,硫的氧化 （参见 P106）
硫细菌（ sulfur bacteria） 能够利用一种或多种还原态或部分
还原态的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多
硫酸盐和亚硫酸盐）作能源。
俄国著名微生物学家 Winogradsky的杰出贡献：
化能无机自养型微生物的发现：
氧化无机物获得能量；
没有光和叶绿素的条件下也能同化 CO2为细胞物质
（能以 CO2为唯一或主要碳源）
硫细菌在进行还原态硫物质的氧化时会产酸（主要是硫酸），
因此它们的生长会显著地导致环境的 pH下降，有些硫细菌可
以在很酸的环境，例如在 pH低于 1的环境中生长。
和硝化细菌一样，硫细菌也是通过电子的逆呼吸链传递来生成还原力。
（参见 P106）
通过氧化磷酸化途径产生 ATP
（ 主要途径）
底物水平磷酸化途径产生 ATP
（ 非主要途径）
磷酸腺苷硫酸的氧化途径
，每氧化一分子硫酸根产生
2.5个 ATP
3、铁的氧化
（参见 P107）
以嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌（ Thiobacillus ferrooxidans） 为例：
从亚铁到高铁状态的铁的氧化，对于少数细菌来说也是
一种产能反应，但从这种氧化中只有少量的能量可以被
利用。因此该菌的生长会导致形成大量的 Fe3+ （ Fe(OH)3）。
亚铁（ Fe2+） 只有在酸性条件（ pH低于 3.0）下才能保持可溶解性和
化学稳定；
当 pH大于 4-5，亚铁（ Fe2+） 很容易被氧气氧化成为高价铁（ Fe3+）
氧化亚铁硫杆菌（ Thiobacillus ferrooxidans）
为什么要在酸性环境下生活？
氧化亚铁硫杆菌（ Thiobacillus ferrooxidans） 在富含 FeS2的煤矿中
繁殖，产生大量的硫酸和 Fe(OH)3,从而造成严重的环境污染。
它的生长只需要 FeS2及空气中的 O2和 CO2,因此要防止其破坏性大量
繁殖的唯一可行的方法是封闭矿山,使环境恢复到原来的无氧状态,
4,氢的氧化
（参见 P107）
氢 是微生物细胞代谢中的常见代谢产物，很多细菌都能通过
对氢的氧化获得生长所需要的能量。
能以氢为电子供体，以 O2为电子受体，以 CO2为唯一碳源进行
生长的细菌被称为 氢细菌：
氢的氧化可通过电子和氢离子在呼吸链上的传递产生 ATP和
用于细胞合成代谢所需要的还原力（见 P107）。
氢细菌都是一些呈革兰氏阴性的兼性化能自养菌。它们能利用
分子氢氧化产生的能量同化 CO2, 也能利用其它有机物生长 。
产甲烷菌（ Methanogenesis） 和产已酸菌（ Acetogenesis） 能以
CO2或碳酸盐为电子受体和碳源进行生长。
这类细菌是严格厌氧菌
有些细菌能通过对氢的氧化获得生长所需要的能量，但必需以
有机物作为碳源进行生长，这类细菌被称为,mixotrophs
化能自养微生物以无机物作为能源，一般产能效率低，生长慢，
但从生态学角度看，它们所利用的能源物质是一般化能异养生
物所不能利用的，因此它们与产能效率高、生长快的化能异养
微生物之间并不存在生存竞争。
四．能量转换 （参见 P107）
化能营养型
光能营养型
底物水平磷酸化
氧化磷酸化
通过光合磷酸化将光能转变为
化学能储存于 ATP中
1、底物水平磷酸化（ substrate level phosphorylation）
物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物，
而这些化合物可直接偶联 ATP或 GTP的合成。
2、氧化磷酸化（ oxidative phosphorylation）
3、光合磷酸化（ photophosphorylation）
光能营养型生物
产氧
不产氧
真核生物,藻类及其它绿色植物
原核生物,蓝细菌
（仅原核生物有）：光合细菌
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，
导致其释放一个电子而被氧化，释放出的电子在电子传递
系统中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。
光合磷酸化和氧化磷酸化一样都是通过电子传递系统产生 ATP
（参见 P110）
（ 1）环式光合磷酸化
光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用产生 ATP
不是利用 H2O,而是利用还原态的 H2, H2S等作
为还原 CO2的氢供体，进行不产氧的光合作用；
电子传递的过程中造成了质子的跨膜
移动，为 ATP的合成提供了能量。
通过电子的逆向传递产生还原力；
细菌叶绿素具有和高等植物中的叶绿素相类似的化学结构，二者的
区别在于侧链基团的不同，以及由此而导致的光吸收特性的差异。
不产氧光合作用的反应中心为 P870
（参见 P111）
非环式光合磷酸化的反应式：
2NADP+＋ 2ADP＋ 2Pi＋ 2H2O→2NADPH ＋ 2H+＋ 2ATP＋ O2
（ 2）非环式光合磷酸化
产氧型光合作用（绿色植物、蓝细菌）
绿色细菌的非环式光合磷酸化（不产氧型光合作用）
NAD++H2S+ADP+Pi NADPH+H++ATP+Schlhv
（ 3）嗜盐菌紫膜的光合作用
一种只有嗜盐菌才有的，无叶绿素或细菌叶绿素参与的独特
的光合作用。
嗜盐菌
细胞膜
红色部分（红膜）
紫色部分（紫膜）
主要含细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸链载体
在膜上呈斑片状（直径约 0.5 mm） 独立分布，其总面积约占
细胞膜的一半，主要由细菌视紫红质组成。
四种生理类型的微生物在不同光照和氧下的 ATP合成
实验发现，在波长为 550-600 nm的光照下，嗜盐菌 ATP的合成速率
最高，而这一波长范围恰好与细菌视紫红质的吸收光谱相一致,
紫膜 的光合磷酸化是
迄今为止所发现的最
简单的光合磷酸化反应
（参见 P126）初级代谢与初级代谢的关系：
初级代谢系统、代谢途径和初级代谢产物在各类生物中基本相同。
它是一类普遍存在于各类生物中的一种基本代谢类型。
1、存在范围及产物类型不同
象病毒这类非细胞生物虽然不具备完整的初级代谢系统，但它们
仍具有部分的初级代谢系统和具有利用宿主代谢系统完成本身的
初级代谢过程的能力。
次级代谢只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，并且
代谢途径和代谢产物因生物不同而不同，就是同种生物也会由
于培养条件不同而产生不同的次级代谢产物。
第五节 微生物次级代谢与次级代谢产物
一类与生物生存有关的、涉及到产能代谢和耗能代谢的代谢
类型，普遍存在于一切生物中。
初级代谢：
微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，
生成维持生命活动所必需的物质和能量的过程，称为 初级代谢,
某些生物为了避免在初级代谢过程某种中间产物积累所造成的
不利作用而产生的一类有利于生存的代谢类型。可以认为是某
些生物在一定条件下通过突变获得的一种适应生存的方式。
通过次级代谢合成的产物通常称为次级代谢产物，大多是分子
结构比较复杂的化合物。 根据其作用，可将其分为抗生素、激
素、生物碱、毒素及维生素等类型。
次级代谢：
例如某些青霉、芽孢杆菌和黑曲霉在一定的条件下可以分别合成
青霉素、杆菌肽和柠檬酸等次级代谢产物。
不同的微生物可产生不同的初级代谢产物：
相同的微生物在不同条件下产生不同的初级代谢产物：
用于青霉菌的二种培养基：
Raulin培养基,
葡萄糖 5%、酒石酸 0.27%、酒石酸铵 0.27%、磷酸氢二铵 0.04%
、硫酸镁 0.027%硫酸铵 0.017%、硫酸锌 0.005%、硫酸亚铁 0.005%
Czapek—— Dox培养基：
葡萄糖 5%、硝酸纳 0.2%、磷酸氢二钾 0.1%、氯化钾 0.05%、硫酸
镁 0.05%、硫酸亚铁 0.001%
产黄青霉在在 Raulin中培养时可以合成青霉酸。但在 Czapek— Dox中
培养则不产青霉酸 。
次级代谢产物虽然也是从少数几种初级代谢过程中产生的中间
体或代谢产物衍生而来，但它的骨架碳原子的数量和排列上的
微小变化，如氧、氮、氯、硫等元素的加入，或在产物氧化水
平上的微小变化都可以导致产生各种各样的次级代谢产物，并
且每种类型的次级代谢产物往往是一群化学结构非常相似的不
同成分的混合物。例如，目前已知的新霉素有 4种，杆菌肽、多
粘菌素分别有有 10多种，而放线菌素有 20多种等。
Penicillium urticae在含有 0.5× 10-8M的锌离子的 Czapek—— Dox培
养基里培养时合成的主要次级代谢产物是 6-氨基水杨酸，但在含
0.5× 10-6M的锌离子的 Czapek—— Dox培养基里培养时不合成 6-氨
基水杨酸，但可以合成大量的龙胆醇、甲基醌醇和棒曲霉素。
灰黄青素在 Czapek—— Dox培养基上培养时可以合成灰黄霉素，
在 Raulin培养基上培养时则合成褐菌素（ fulvic acid）；
2、对产生者自身的重要性不同
初级代谢产物，如单糖或单糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等单体以
及由它们组成的各种大分子聚合物，蛋白质、核酸、多糖、脂类
等通常都是机体生存必不可少的物质，只要在这些物质的合成过
程的某个环节上发生障碍，轻则引起生长停止、重则导致机体发
生突变或死亡。
次级代谢产物对于产生者本身来说，不是机体生存所必需的物质
，即使在次级代谢的某个环节上发生障碍。不会导致机体生长的
停止或死亡，至多只是影响机体合成某种次级代谢产物的能力。
次级代谢产物一般对产生者自身的生命活动无明确功能，不是机
体生长与繁殖所必需的物质，也有人把超出生理需求的过量初级
代谢产物也看作是次级代谢产物。
次级代谢产物通常都分泌到胞外，有些与机体的分化有一定的关
系，并在同其它生物的生存竞争中起着重要的作用。
许多次级代谢产物通常对人类和国民经济的发展有重大影响。
3、同微生物生长过程的关系明显不同
4、对环境条件变化的敏感性或遗传稳定性上明显不同
初级代谢产物对环境条件的变化敏感性小（即遗传稳定性大），
而次级代谢产物对环境条件变化很敏感，其产物的合成往往因
环境条件变化而停止。
初级代谢自始至终存在于一切生活的机体中，同机体的生长
过程呈平行关系；次级代谢则是在机体生长的一定时期内（通
常是微生物的对数生长期末期或稳定期）产生的，它与机体的
生长不呈平行关系，一般可明显地表现为 机体的生长期和次级
代谢产物形成期 二个不同的时期。
相对来说催化初级代谢产物合成的酶专一性强，催化次级代谢产物
合成的某些酶专一性不强，因此在某种次级代谢产物合成的培养基
中加入不同的前体物时，往往可以导致机体合成不同类型的次级代
谢产物 ;
另外，催化次级代谢产物合成的酶往往是一些诱导酶，它们是在产
生菌对数生长末期或稳定生长期里，由于某种中间代谢产物积累而
诱导机体合成的一种能催化次级代谢产物合成的酶，这些酶通常因
环境条件变化而不能合成。
5、相关酶的专一性不同
初级代谢是次级代谢的基础，它可以为次级代谢产物合成提供前体
物和所需要的能量；初级代谢产物合成中的关键性中间体也是次级
代谢产物合成中的重要中间体物质。而次级代谢则是初级代谢在特
定条件下的继续与发展，避免初级代谢过程中某种（或某些）中间
体或产物过量积累对机体产生的毒害作用。
6、某些机体内存在的二种既有联系又有区别的代谢类型
本章思考题：
不同营养类型的微生物在不同条件下
产生 ATP和还原力的方式与特点。
