2.2　微生物的分解代谢

微生物通过各种各样的代谢途径提供细胞生长和维持所需的能（能量代谢），并从各种原料衍生其细胞成分。细胞的主要成分（如蛋白质、核酸、多糖和脂质）是由C、N、O、H、S和P组成，细胞还需要用于维持酶活和体内平衡所需的微量元素（如K、Na、Mg、Se、Fe、Zn等金属离子）。微生物从其周围环境（培养基）吸收这些元素，将其结合到细胞材料中，此过程称为同化作用，见图2-5。从简单无机化合物（CO2或其他无机碳）获得其所需的碳-能源的细胞称为化能自养菌（chemoautotrophic）。如能量只源自阳光的生物称为光能利用菌（phototroph）。利用有机化合物作为能源和碳的来源的微生物称为异养菌（het-erotroph）。如需在生长培养基中添加它们不能自己合成的有机化合物才能生长的菌称为营养缺陷型（auxotroph）。

2.2.1　葡萄糖分解代谢

微生物的主要碳源是葡萄糖。葡萄糖的分解途径随菌种而异，主要有以下四种代谢途径：①酵解（EMP）途径；②己糖单磷酸（HMP）途径或支路（HMS），又称磷酸戊糖循环（PP）；③恩特纳-多多罗夫（ED）途径；④磷酸解酮糖（PK）途径。前两种存在于哺乳动物、酵母和细菌中，后二者只存在于细菌中。

2.2.1.1　酵解（EMP）途径

EMP又称为糖酵解（glycolysis）途径，其总反应式如下：

ΔG′0=-85kJ/mol

此途径（见图2-6）的特点是，它每消耗1mol葡萄糖只净生成2mol ATP与2mol NADH2，不能提供合成芳香氨基酸、RNA和DNA所需的前体。由糖酵解途径分解葡萄糖是不完全的，所得两个丙酮酸仍储藏有不少能量，完全氧化1mol葡萄糖可得2840kJ，故两分子的丙酮酸仍含有葡萄糖的94％的能量。糖酵解可分为两个阶段［1］：投入阶段与回报阶段。在投入阶段由5步组成，反应的结果是消耗了2mol ATP，生成2mol丙糖-3-磷酸（3-磷酸甘油醛，磷酸二羟丙酮）；在后5步反应的回报阶段里，3-磷酸甘油醛的氧化获得4mol ATP和2mol NADH2。

2.2.1.2　己糖单磷酸支路（HMS）

HMS途径（又称为戊糖循环）的运行方式见图2-6。其总反应式为：

HMS途径的重要性在于它能提供合成核酸和吡啶核苷酸等所需的戊糖及合成芳香氨基酸和维生素所需的前体以及许多合成反应所需的NADPH+H+。

2.2.1.3　恩特纳-多多罗夫（ED）途径

此途径的第一个中间体是6-磷酸葡萄糖。它被氧化为6-磷酸葡糖酸。这和HMS途径的反应一样。接着脱水生成2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDGP），随后由2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸醛缩酶分解为两个丙糖，KDGP中原有酮基部分变成丙酮酸，带有磷酸根那部分变成3-磷酸甘油醛，见图2-7。

2.2.1.4　磷酸解酮酶（PK）途径

此途径存在于异型乳酸发酵细菌中，可看作是HMS途径的一个分支，见图2-8。前面三步同HMS途径一样，生成的5-磷酸核酮糖被异构化为5-磷酸木酮糖，接着在磷酸解酮酶的作用下裂解为3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸。后者为一高能磷酸化物，如转化为乙醛，其高能键传给ADP，结果净得2分子ATP；若转化为乙醇，高能键便丢失，每分子葡萄糖净得1分子ATP。

2.2.1.5　各种葡萄糖分解途径的相互关系

四种葡萄糖分解途径有许多共同的中间体和酶，但有些酶是该途径专有的关键酶（如EMP途径的6-磷酸果糖激酶，HMS途径的6-磷酸葡糖酸脱氢酶，ED途径的2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸醛缩酶，PK途径的磷酸解酮酶）。这些酶都是在途径的分支点上起作用。在这些途径中EMP途径提供的ATP最多，但不产生重要的嘌呤和嘧啶生物合成所需的前体（核糖-5-磷酸和赤藓糖-4-磷酸）。因此仅有EMP途径的微生物还需补充生长因子。HMS途径能提供嘌呤和嘧啶生物合成用的前体，但只产生相当于EMP途径的一半的ATP量。此途径不直接产生丙酮酸，故微生物必须拥有部分EMP途径的酶系统。ED途径有一部分与HMS途径相连，其中可能存在逆行的HMS途径，它可直接形成丙酮酸，而无需依赖EMP和HMS途径。ED途径存在于严格需氧菌中。在葡萄糖分解代谢中PK途径仅存在于少数种类的细菌中。

2.2.1.6　三羧酸（TCA）循环

又称为柠檬酸循环或Krebs循环，见图2-6。此循环将丙酮酸完全氧化为CO2和水。脱氢反应中从基质取得的电子被送到呼吸链中去，在那里产生所需的ATP。TCA循环对生物合成极其重要，它提供一些氨基酸生物合成的前体。如α-酮戊二酸和草酰乙酸分别为谷氨酸和天冬氨酸的前体。这些氨基酸又是其他氨基酸和蛋白质合成的重要前体氨基酸。因所有这些过程均需同时进行，要从TCA循环中抽出一些五碳或二碳二羧酸作为前体就必须及时补充抽走的中间体，循环才能继续运行。补充这些中间体的反应总称为补给反应系统，共有5种：

①

②

③

④

⑤

不是所有这些反应都存在于同一种微生物中，PEP羧化酶广泛分布于细菌中，而丙酮酸羧化酶分布于酵母中。

TCA循环因而有无定向功能循环之称。此循环还将从异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶和琥珀酰CoA的氧化反应中释放的能量分别储存于3分子NADH、1分子FAD2和1分子GTP中。

2.2.1.7　乙醛酸循环

给TCA循环加上两种酶反应便形成一种可补充C4酸的乙醛酸循环，从而避免因生成CO2而丢失碳架，见图2-6。此循环利用TCA循环中的5个酶，再引入异柠檬酸裂解酶和苹果酸合酶。这样，乙酸便可通过TCA循环分解为2CO2，经电子传递系统取得ATP，或通过乙醛酸循环供给细胞生物合成所需的C4二羧酸。为了合成RNA和DNA及将C4二羧酸转化为磷酸戊糖，微生物需利用其糖原异生途径。此途径与EMP逆行途径基本相同。此两系统的联系是补给反应系统，由PEP羧化酶等来完成。

2.2.2　多糖和单糖的利用

不同的微生物利用碳源的潜力有很大不同。从C1化合物（CO、CO2、甲醛、甲醇和甲烷）到复杂的大分子（糖原、淀粉、纤维素、蛋白质、核酸），几乎所有天然的有机化合物均能被微生物当作碳源和能源利用。表2-2列举了各种碳源及其分解途径。大分子被生物降解为单体的途径：

①PPP：磷酸戊糖途径。②PK：磷酸解酮酶途径。

一旦这些复杂大分子被解聚成较小的寡聚物后，外围的代谢途径便将碳源进一步分解为代谢物，然后进入中枢代谢途径。双糖和寡聚糖在胞外先被水解酶作用变成单体（葡萄糖、果糖）或先由运输系统吸收入胞内，再将其裂解。寡肽和寡核苷酸可分别由胞内外的肽酶和核酸酶解聚。作为碳源的脂肪先被脂肪酶裂解成磷酸甘油和脂肪酸。随后，前者在丙糖磷酸酯处进入酵解途径；脂肪酸再被氧化成乙酰CoA或丙酰CoA，随后进入三羧酸循环。

黄建忠等［3～5］对脂肪酶的研究与生产技术很有造诣，他们从分子水平与蛋白质工程上揭示其作用机制，并应用基因工程技术改良生产菌种，为提高脂肪酶的工业生产与技术改造提供依据。

2.2.3　厌氧代谢过程

发酵的定义有狭义和广义之分：广义地说，将有机化合物在有或无氧条件下的分解代谢总称为发酵；狭义则把发酵定义为不涉及光与呼吸链，不用氧或氮作为电子受体的生物化学过程。进行厌氧发酵的微生物可以是兼性或专性厌氧微生物。前者能在有氧下生长和在无氧下发酵；后者没有与氧结合的电子传递系统，不能在通气条件下生长。许多专性厌氧菌甚至一接触空气便死亡。呼吸与发酵的最大差别在于ATP的形成。好气异氧生物将有机基质的氧化与氧或硝酸盐的还原偶合；而厌氧菌的氧化与有机化合物的还原偶合，因而形成较少的ATP。其细胞得率比需氧菌少许多。微生物在发酵期间可以形成各种发酵终产物，如图2-9所示。细菌（主要是梭杆菌、肠道细菌和乳酸杆菌）主要从丙酮酸或PEP形成各式各样的发酵产物，但没有一种细菌可形成图2-9中所示的所有终产物。表2-3列举了微生物自身所需的12种前体代谢物及其生成的主要途径。

①琥珀酰CoA是合成四吡咯所需的前体。

对养分与末端产物间的质量平衡的了解有助于研究发酵过程。所有产物加在一起的总和，其C、H和O的摩尔原子量必须与基质各元素的对应量相等。氧化还原平衡也可用于分析发酵，因细胞无净还原力的变化，但所消耗的养分与发酵形成的产物不存在严格的化学计量关系，因有一部分养分用于细胞的合成和维持。在缺氧或缺少其他末端电子受体下细胞通过这些发酵产物的形成维持其胞内氧化还原平衡。

2.2.3.1　乙醇发酵

许多微生物都能将糖发酵为醇类。工业上要求建立一种能将糖转化为单纯乙醇的发酵过程，但很难做到。传统的乙醇发酵过程是利用酵母，特别是酿酒酵母进行的。酵母通过EMP途径将葡萄糖降解为丙酮酸，接着由丙酮酸脱羧酶脱羧和乙醇脱氢酶还原，生成乙醇：

式中，Thpp为焦磷酸硫胺素。在此反应中丙酮酸脱羧酶取代在好氧降解作用中的丙酮酸脱氢酶，而成为重要的关键酶。因没有外来的氢受体（如氧），需要一种适当的有机氢受体来消耗EMP途径中生成的还原力。乙醇脱氢酶将乙醛还原为乙醇的同时把NADH+H+氧化为NAD+。

运动发酵单胞菌是少数几种具有丙酮酸脱羧酶的细菌之一，它们能把葡萄糖氧化为乙醇和CO2。这种菌能在无氧下旺盛生长，通过ED途径利用葡萄糖。与酵母比较，其生长速度快，有更高的乙醇生产能力和葡萄糖的吸收速率。但大多数细菌缺乏丙酮酸脱羧酶，不能从丙酮酸直接形成乙醛。肠道细菌（如大肠杆菌）能进行所谓磷酸裂解反应，将丙酮酸脱羧生成乙酰CoA和甲酸。因乙酰CoA借酰基转移酶的作用同乙酰磷酸保持平衡，然后利用2分子（NADH+H+），将乙酰CoA还原为乙醛和乙醇，或通过乙酰磷酸产生乙酸，同时产生1分子ATP。

菊芋可应用于生产乙醇。杨帆等［7］从菊芋根际土壤中分离出一株能完全降解菊糖的酿酒酵母L610。经培养基优化，溶氧在发酵12h前控制在50％，然后厌氧发酵，乙醇产量高达55g/L，为理论值的80％。

以上介绍的乙醇发酵方法只适用于生产工业酒精，不适用于酒类饮料。生产含乙醇饮料需考虑色、香、味和符合卫生条例等问题。

乙醇也可以用自养菌，如穆尔氏菌属（Moorella sp.）、自产乙醇梭菌（C.autoethanogenum），从H2和CO2生产［8］，参阅2.2.8.2节。

2.2.3.2　丙酮、丁醇、乙酸、丁酸发酵

用发酵方法生产丙酮、丁醇、丁酸和异丙醇有过兴衰起伏。进行这类发酵的细菌属于梭菌属和丁酸杆菌属。一般只有专性厌氧菌形成以丁酸为主的发酵产物。梭菌属按其主要产物分为几个种：丁酸梭菌、丙酮丁醇梭菌与丁醇梭菌，其主要产物分别为丁酸、丙酮+丁醇、丁醇+CO2+H2。梭菌属的葡萄糖发酵的总途径归纳于图2-10。丁酸发酵的前几步反应直到丙酮酸属于EMP途径。丙酮酸的降解比较特别，称为“梭菌式”降解。它通过一种磷酸裂解反应使丙酮酸脱羧生成乙酰CoA、CO2和H2。肠道细菌也有类似反应，但产物不同，是乙酰CoA和甲酸。这是由于一种特殊的丙酮酸-铁氧还原蛋白氧化还原酶参与此反应所致。丙酮酸先被脱羧，释放出CO2和形成一种焦磷酸硫胺素络合物，然后再形成乙酰CoA。但在此反应中释放出来的电子和H2并没有传给NAD+，而是用来还原铁氧还蛋白，见图2-11。然后还原型铁氧化蛋白重新氧化，释放出分子氢。因梭菌是专性厌氧菌，所以具有较低氧还电位的铁氧还蛋白，可维持厌氧条件和防止电子进一步转移。乙酰CoA是形成一些发酵产物的共同前体。

（1）乙酸的形成　如上所述，肠道细菌可将1分子葡萄糖转化为2分子乙酸、2分子CO2和H2，见图2-12。这种将CO2转化为乙酸需要甲基转移辅酶、四氢叶酸（FH4）和类咕啉［Co］的参与。乙酸也可以用自营菌，如穆尔氏菌属（Moorella sp.）、杨氏梭菌，从H2和CO2合成［8］，参阅2.2.8.2节。

（2）丁酸的形成　由乙酰CoA形成丁酸的代谢途径见图2-13。在丙酮酸前生成的2分子NADPH+H+用来还原乙酰乙酰CoA和巴豆酰CoA，从而使2分子乙酰CoA转化为丁酸。丁酸发酵可得3分子ATP，其中2分子是EMP途径中获得的，另一分子是在乙酸形成后取得的。

（3）丙酮、丁醇的形成　将糖发酵为丁酸的梭菌也能产生丙酮和丁醇。如产酸使培养基pH低于4.0，梭菌便会改变其代谢途径，转产丙酮和丁醇，把已积累的丁酸转化为丁醇，见图2-14。为了避免pH的进一步下降，菌将发酵转向中性化合物的形成。梭菌拥有一种转移酶能把乙酰乙酰CoA从正常的循环系统中抽出来脱羧形成丙酮。因还原型NAD+不能重新氧化，将乙酰乙酰CoA抽出对细胞有害，引进两种酶将积累的丁酸转化为丁醇，便可解决NADH+H+的氧化问题。丁酸梭菌能将丙酮进一步还原为异丙醇。比较一下形成丁酸和形成丙酮、丁醇的整个反应可以看出丁酸的形成更经济一些。

丙丁梭菌可用淀粉为原料进行发酵，其用量为3.8g/100mL。结果有30％左右的原料转化为混合溶剂，其余变成CO2和H2。气体的比例在发酵过程中略有变化，一般含40％的H2和60％的CO2；混合溶剂含体积分数为60％的正丁醇，30％左右的丙酮和5％～10％的乙醇、异亚丙基丙酮（丙酮、丁醇的比例随菌株而异）。

丁醇是有前途的生物燃料，可通过发酵生产。其生产瓶颈在于高浓度丁醇对产生菌的毒性。Li等［9］通过物理因素诱变和改进筛选方法，使拜氏梭菌突变株MUT3（蔗糖糖蜜培养基）和丙酮丁醇梭菌突变株ART18（木薯粉发酵培养基）对丁醇的耐受能力提高，在15L发酵罐中的丁醇发酵水平分别达到15.1g/L和16.3g/L，比野生菌的丁醇生产水平提高30％～40％。刘金乐等［10］应用基因工程技术阻断拜氏梭菌的产酸途径，敲除相关基因后的工程菌的溶剂产量提高20％，达到22g/L，丁醇的比例也提高5％。

（4）丙酸、琥珀酸与α-酮戊二酸的形成　丙酸和琥珀酸是丙酸梭菌和丙酸杆菌发酵糖或乳酸的产物。丙酸杆菌属优先利用葡萄糖作碳源，而丙酸梭菌已失去这种能力，它们利用乳酸作为碳源。其反应总和为：

随着碳源的不同，有两条形成丙酸的途径，而琥珀酸的形成只有一条。如图2-15和图2-16所示，那些能利用葡萄糖和乳酸作为碳源的菌拥有丙酸-琥珀酸途径；而只利用乳酸作为碳源的菌，通过丙烯酸途径形成丙酸。

α-酮戊二酸（KG）广泛应用于有机合成、医药和功能性食品等领域，冯甲等［11］采用谷氨酸棒杆菌GDK-2为出发菌株，通过基因工程技术阻断KG生成谷氨酸的途径，并经发酵过程优化，使KG的发酵（34h）产量达到近60g/L的水平。

2.2.3.3　乳酸、丁二醇、甲烷发酵

（1）乳酸的形成　乳酸及其衍生物在食品、发酵、医药、塑料和化学工业上得到广泛应用。全球的乳酸年产量超过50000t。乳酸细菌可分为两大类：一类仅产生乳酸，称为同型乳酸发酵菌；另一类除了产生乳酸外，还形成其他副产物，称为异型乳酸发酵菌。同型乳酸发酵菌株主要有链球菌属、小球菌属和若干乳酸杆菌属。异型乳酸发酵菌主要有假丝酵母属和若干乳酸杆菌属。其副产物随菌而异，有的是乙醇+CO2，有的是乙酸+CO2。异型乳酸发酵通过戊糖磷酸解酮酶（PK）途径。在乳酸发酵中许多乳酸细菌能利用苹果酸生成乳酸，这对于酿酒工业极为重要。对其转化过程尚有争议。但长期以来一直认为，苹果酸首先由需NAD+的苹果酸氧化脱羧酶脱羧生成丙酮酸，接着将丙酮酸还原为乳酸：

影响乳酸发酵的因素有：菌种、培养基、糖源、糖浓度、温度、溶氧、pH、生长因子和产物浓度。乳酸发酵在相当高的温度下进行，嗜热链球菌为35～46℃，保加利亚乳杆菌为42～50℃，其最适温度应由试验决定。嗜热链球菌最适生长条件为pH6.5，40℃；保加利亚乳杆菌最适生长条件为pH5.8，44℃。

徐国谦等［12］研究了B族维生素对Lactobacillus paracasei NERCB 0401生产乳酸的影响。结果显示，在合成培养基中其最佳B族维生素的添加剂量为维生素B10.053mg/L，维生素B20.01mg/L，维生素B54.0mg/L，维生素B60.2mg/L，维生素H0.075mg/L，在此条件下乳酸的产量比对照提高92％，而L.paracasei的死亡率在24h降低53.5％。他们还监测磷酸果糖激酶、乳酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶复合体与丙酮酸羧化酶的比活随发酵过程的变化，据此分析乳酸增产的可能机制。

（2）丁二酮、3-羟基丁酮和丁二醇的形成　丁二酮（联乙酰，diacetyl）是奶油的特有风味来源。有些乳酸细菌（乳酪链球菌）能利用柠檬酸作为碳源，其终产物为3-羟基丁酮（又称为乙偶姻，acetoin）和丁二酮。含有约1g/L的柠檬酸改性牛奶被用于奶油制造业。在此反应系统中（图2-17）柠檬酸裂解酶将柠檬酸裂解为乙酸和草酰乙酸，草酰乙酸脱羧酶将草酰乙酸转化为丙酮酸，释放CO2。由丙酮酸氧化脱羧生成的乙酰CoA，再与活性乙醛缩合得终产物丁二酮。3-羟基丁酮脱氢酶将丁二酮还原为3-羟基丁酮。

柠檬酸是形成丁二酮的很好的基质，尽管它还生成丙酮酸，但不形成NADH+H+。缺少NADH+H+的后果是碳流向丁二酮，而不是乳酸。肠道细菌不具有3-羟基丁酮脱氢酶，它通过另一种途径将3-羟基丁酮转化为丁二醇，见图2-18。形成丁二醇的总反应为：

pH对3-羟基丁酮和丁二醇的形成影响很大。若pH高于6.3左右，便积累乙酸和甲酸，中止3-羟基丁酮、丁二醇、CO2和H2的生成。

以Serratia marcescens发酵生产2，3-丁二醇（BD）过程中会形成大量的泡沫，这是由于该菌形成一种表面活性剂serrawettinW1所致。L.Y.Zhang等［13］为了减少消泡剂的加入，成功地构建了一株serrawettin缺失的突变株Serratia marcescens H30，使其编码ser-rawettinW1合成酶的swrW基因失活。摇瓶分批发酵证明构建的工程菌在发酵过程中泡沫的形成显著减少，产物的生产略有提高，最终取得的最好成绩是2，3-丁二醇的浓度达152g/L（57h），产率为2.67（g/L）/h和得率为92.6％。他们还进一步采用Plackett-Burman（PB）设计与响应平面法（RSM）优化Serratia marcescens H30的2，3-丁二醇发酵培养基［14］。结果显示，酵母膏和醋酸钠对生产有显著影响。他们最终找到了一种结合RQ控制与维持适当蔗糖浓度的控制方法，使2，3-丁二醇的产量达到139.9g/L，双醇（AC+BD）的产率为3.49（g/L）/h，其得率为94.67％。

B.Rao等［15］用基因工程技术改造2，3-丁二醇生产菌株Serratia marcescens。他们将分别编码乙酰乳酸脱羧酶、乙酰乳酸合成酶、2，3-丁二醇脱氢酶与类似LysR调节器的slaA、slaB、slaC与slaR基因成功地克隆到该菌株内。作者发现，两种调节器SwrR与SlaR是通过调节3羟基丁酮-［2］来影响2，3-丁二醇生产的。通过钝化swrR基因提高了2，3-丁二醇的产量。

J.N.Sun等［16］应用统计学优化法与阶段变速搅拌控制策略提高Serratia marcescens H32的3-羟基丁酮的生产。他们首先应用Plackett-Burman设计鉴定蔗糖与玉米浆粉（CSLP）是最有影响的因子。然后用响应平面法优化此两因子的浓度。以此最佳培养基在3.7L发酵罐中试验不同搅拌转速对3-羟基丁酮生产的影响。在前8h发酵，搅拌转速控制在700r/min，以后改为600r/min的策略可以取得3-羟基丁酮高产44.9g/L和高产率1.73（g/L）/h。补料分批发酵中采用此两阶段搅拌控制策略取得最高3-羟基丁酮产量60.5g/L和产率1.44（g/L）/h。

（3）甲烷的形成　甲烷由甲烷产气菌在厌氧条件下将有机物质分解转化而成。甲烷产生菌是一类十分特殊的微生物。它们不但在代谢方面不同于其他细菌，在细胞组成方面也与其他细菌明显不同。例如，其细胞壁不含肽聚糖，故对青霉素不敏感，其细胞质膜含有脂肪，其核酮糖中的rRNA的碱基序列与其他细菌明显不同，它们对蛋白质合成抑制剂不敏感。甲烷产生菌是一类严格厌氧细菌，空气中的氧能杀死它们。原因是其细胞中既不含触酶，也不含过氧化物歧化酶。它们不能利用复杂有机化合物，其能量代谢专门用来生产唯一的产物甲醇。它们对碳-能源的类型也有特殊的要求，可利用的基质分为三类：含有1～6个碳原子的短链脂肪酸；含有1～5个碳原子的正或异醇类；三种气体——H2、CO和CO2。

甲烷产生菌利用H2、CO2、甲酸、甲醇和乙酸作为产甲烷的主要基质。CO2被还原成CH4是逐步进行的。但其中间体，甲酸、甲醛和甲醇牢固地结合在载体上。载体有两种：一种是甲基转移辅酶M（2，2′-二硫二乙烷磺酸）；另一种是低分子量的荧光化合物F420，它与NADP+的还原偶合在一起。这些菌不含铁氧还蛋白。因此，CO2首先被还原为甲酸，见图2-19，然后进一步还原为甲醛，牢固地结合在辅酶M上的甲醛基转化为醇基，再变成甲基，最后还原形成甲烷，释放出HS-CoM。F420起主要电子载体作用。NADP+还原所需的H2来自大气。从CO2与H2生成甲烷时，ATP合成不靠基质水平的磷酸化，因整个过程的自由能变化是负的，必须靠电子传递水平的磷酸化来获得ATP。甲醇/甲烷的氧化还原电位为+0.17V，NADP+/（NADPH+H+）为-0.32V，所以这种ATP合成是可行的。

虽然大多数甲烷产生菌是自养的，但有些需要加入有机基质，如乳酸。瘤胃甲烷杆菌细胞物质中的碳的60％是由乙酸供给的。巴氏甲烷八叠球菌和甲烷螺菌能将乙酸转化为甲烷和CO2，其中乙酸的甲基碳及其氢被转化为甲烷，而乙酸的羧基变成CO2。此反应利用辅酶M甲基转移反应。若以CO作为唯一能源，甲烷杆菌将4分子CO转化为1分子甲烷和3分子CO2。参与反应的CO脱氢酶和氢化酶菌专一地需要F420作为电子受体，还原型F420是CO2还原为甲烷的电子给体，其反应如下：

2.2.4　脂肪酸、脂烃和芳香烃的氧化

一些需氧细菌、放线菌能通过β-氧化途径利用脂肪酸作为能源和前体，但其重要性不如糖类。油对大环内酯类抗生素的生物合成有利。所有细菌都能直接利用脂肪酸合成复杂的脂质。脂肪酸的代谢对脂烃的降解也起重要作用。经特殊的载体吸收后，长链脂肪酸先被乙酰CoA硫酯活化，然后进入循环β-氧化途径。细菌与真核生物的脂肪酸代谢途径相似。每循环一次脂肪酸链掉下两个碳碎片为乙酰CoA并产生一个FADH2和一个NADH2。剩余的脂酰CoA化合物重新进入降解循环。乙酰CoA单位直接进入三羧酸循环。细菌不用脂质作为储存材料，而用来合成质膜中的磷脂和糖脂。

许多微生物通过需氧或厌氧途径利用脂烃和芳香烃来生长。脂烃（烷烃和烷烯）一般主要由加单氧酶在甲基团上氧化。所得一级醇再由醇脱氢酶和醛脱氢酶氧化形成相应的脂肪酸，随后进入β-氧化途径，如图2-20所示。

芳香化合物源自植物的生物合成（如黄酮）和来自蛋白质（如芳香氨基酸）。由细菌和真菌对芳香化合物的需氧降解主要通过三种中间体，如图2-21所示，随菌种的不同，这些“起始基质”以邻位或间位环裂解方式，生成的中间体进入中枢代谢途径。这些途径对许多共栖生物（xenobiotica）更为重要。

2.2.5　氮的循环和氨基酸的降解

2.2.5.1　氮的循环

氮是所有细胞的重要组分，占细胞干重的12％～15％。氨基酸和核苷酸的形成需要氮。利用N2时需先将其活化，使它变成生物适合的形式（氮的固定），如或。只有若干原核生物（许多土壤细菌）能固定N2，再生成NH3（固氮细菌）。氮的固定是一高能耗步骤（每固定1分子氮至少需水解6分子ATP），其主要的酶——固氮酶对氧极度敏感。游离生活的细菌（克雷伯氏杆菌，固氮菌）和共生细菌（根瘤菌）均能固定氮，详见2.3.2节。

NH3可作为氮源，用于形成氨基酸（借还原性氨化作用）。NH3也可被亚硝化细菌或硝化细菌经转化为，见图2-22。反硝化细菌（Paracoccus denitrificans）从硝酸盐形成气相N2，逃逸到大气中，导致土壤肥力的损失。未分解的硝酸盐渗入地下水，造成饮水污染的严重问题。

许多细菌能通过同化性硝酸盐还原作用将硝酸盐还原成亚硝酸，以及借同化性亚硝酸盐还原作用把亚硝酸盐还原成。硝酸盐还能作为厌氧呼吸中末端电子受体，此过程称为异化性硝酸盐还原作用。氨的同化也可通过还原氨化作用由酮酸形成L-氨基酸。谷氨酸或谷氨酰胺在其他氨基酸的合成中作为氨基的给体，详见2.3.3节。

2.2.5.2　氨基酸的降解

许多微生物能利用由蛋白酶产生的氨基酸和低分子量肽作为能源。为了进入中枢中间体库，大多数氨基酸先转化为相应的酮酸。这可通过以下4种反应达到此目的。

（1）氧化性脱氨作用：

（2）同一反应，由NAD（P）连接的脱氢酶催化：

（3）以酮戊二酸或丙酮酸作为氨基的受体：

（4）在β-碳原子上有取代基团的氨基酸的脱氨作用，如丝氨酸、苏氨酸、天冬氨酸和组氨酸：

各种酮酸按其碳架的不同进入中枢代谢途径进一步降解的位置不一样，如图2-23所示。有些氨基酸（如Asp、Asn、Glu、Gln和Ala）直接与三羧酸循环的中间体联系；而有些氨基酸的降解涉及一系列长的复杂反应，因此不能被许多微生物所降解，如Lys、Ile、Val、Leu、Phe、Tyr和Trp。

2.2.6　硫的代谢

硫是细胞所必需的，因它在半胱氨酸、甲硫氨酸和若干辅酶中起作用。有3种氧化态的硫具有实际意义：硫酸盐（+6），元素硫（0），硫化物或有机硫组分（R—SH，-2）。这些形式的硫由微生物的酶或化学反应进行转化，见图2-24。

大多数无机硫来自硫酸盐。它以两种方式转化为硫化物和有机硫化合物。另外，许多生物，包括细菌、真菌和植物为其生物合成还原硫，即用硫酸盐作为硫源，将其转化为有机硫（R—SH，图2-24，反应1），此途径称为同化性硫酸盐还原作用。另一方面专性厌氧硫酸盐还原细菌，如Desulfovibrio或Desulfotomaculum在厌氧呼吸中用硫酸盐作为电子受体，分泌终产物H2S（图2-24，反应2），故此反应称为异化性硫酸盐还原作用。此外，硫化物也可以在蛋白质降解期间由有机硫化合物的分解形成（图2-24，反应3），这称为脱硫作用。反应1和反应2的电子受体是小分子有机化合物，如乳酸或丙酮酸。硫酸盐还原细菌则用H2。由于硫酸盐相当稳定，它必须先被ATP活化，形成腺苷磷酸硫酸酯（APS）。APS与ADP相似，其末端带的是硫酸基，而不是磷酸基。在异化性硫还原作用中，活化硫酸盐经几步反应，转移8个电子后被还原成H2S。呼吸链提供电子给硫酸盐还原，形成一种用于ATP合成的电化学质子电位。同化性硫酸盐还原作用的启动与反应2所述的活化步骤完全相同。APS在核糖部位被磷酸化成为磷酸腺苷磷酸硫酸酯（PAPS）。此化合物的还原最终生成有机硫化合物。若干细菌，如Desulfuromonas acetoxidans在硫呼吸过程中也用元素硫作为电子受体（图2-24，反应4）。

与上述反应对照，硫杆菌在能量代谢中用还原性硫化合物作为电子受体（硫的氧化作用）。H2S经元素硫被转化为硫酸盐（图2-24，反应5、6）。除硫的氧化作用外氧化亚铁硫杆菌也氧化Fe（Ⅱ）离子，因而对金属的浸出过程很重要。硫的氧化作用分为几个阶段。电子被转移到电子输送链，在此氧的转移伴随质子的挤出。除了由电子输送磷酸化产生ATP外，有些硫细菌也能借基质水平磷酸化合成ATP，再一次利用高能化合物APS。另一类硫氧化细菌是紫与绿光养细菌。这些菌在不生氧光合作用中用H2S作为电子给体，H2S经元素硫（常沉积在胞内或胞外）被还原为硫酸盐。

2.2.7　核苷酸的降解和有机磷的代谢

核苷酸被磷酸酯酶水解生成核苷和磷酸盐，核苷再由核苷酶水解得碱基和糖。嘧啶的进一步代谢，数量不多，故不很重要。胞嘧啶（Cyt）通过脱氨转化为尿嘧啶（Ura），反应中Ura的5，6-双键被NADPH还原，其内酰胺键从1，6-键开始被水解而得NH3、CO2和β-丙氨酸。胸腺嘧啶的分解代谢途径与胞嘧啶的相似，其终产物为NH3、CO2和β-氨基异丁酸。

嘌呤的分解代谢是氧化性的，且相当重要。在中间代谢中的ATP和GTP的作用下不仅嘌呤核苷酸及其降解产物大量存在，而且在鸟类和排尿酸代谢的动物中嘌呤的合成与降解是氮分泌途径。嘌呤在其降解期间可相互转换，最终经黄嘌呤氧化酶变成尿酸（Uri），见图2-25。核苷酸的相互转换出现在生物合成期间，详见2.3.7节。

核苷酸的降解形成糖和糖磷酸酯。核糖通过磷酸戊糖途径（PPP）的旁路由转酮醇酶和转醛醇酶代谢。脱氧核糖-5-P由脱氧核糖醛缩酶分解代谢成乙醛和3-磷酸甘油醛。

磷脂和甾醇由酵母在好氧条件下从甘油、脂肪酸、肌醇、磷酸等前体合成。肌醇-1磷酸是由肌醇-1-磷酸酯酶的作用从葡萄糖-6-磷酸合成的。合成的磷脂，如磷脂酰肌醇、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰胆碱（卵磷脂）、双磷脂酰甘油（心磷脂）是用于构成膜脂质的主要组分。不同程度磷酸化形式的磷脂酰肌醇在高等真核生物中起次级信使作用。脂质的分解代谢酶（如脂酶和磷酸酯酶）具有潜在的商业价值。酵母也已建立提供代谢过程所需磷酸盐的系统。细胞含有两种磷酸酯酶，其最适pH各不相同：碱性磷酸酯酶是一种胞内酶，而酸性磷酸酯酶有两种同工酶被分泌到外周胞质内。在此途径中的基因转录受培养基中无机磷酸盐的严密控制。因此，当磷酸盐很丰富，转录被完全阻遏，只有在磷酸盐耗竭后才被启动。尤其是由PHO5编码的分泌磷酸酯酶及其基因表达的调节受到广泛的研究。转录由PHO2和PHO4编码的两个DNA结合蛋白激活，并受基因PHO80和PHO85产物的负向控制。

2.2.8　聚合物的氧化

自然界提供很丰富的聚合物，这是一种由许多基本单位——单体连接在一起的大分子化合物，如蛋白质和多糖。这些聚合物不能透过细胞膜，生物需分泌酶或使这些酶处在细胞膜外侧以降解聚合物成为可输送的相应的小分子单体。将聚合物链切成基本组分的酶促过程称为水解作用，其相应的酶称为水解酶。水解酶不仅在大分子降解，如食物腐败和水处理方面很重要，而且在肉的嫩化、奶酪的成熟和啤酒的陈酿方面也很重要。这些酶的分离和纯化已大规模商品化。

这里着重讨论淀粉和纤维素的降解作用。二者都是由葡萄糖为单体形成的，但其性质完全不同。葡萄糖容易被许多微生物消化，是主要能源；而纤维素是植物细胞壁的主要成分，难于消化。

2.2.8.1　淀粉

不论其来源何处，淀粉的结构基本相同。天然淀粉是两种多糖的混合物，都是D-葡萄糖的聚合物。其主要成分为支链淀粉。淀粉酶水解淀粉分子的α-1，4-糖苷键，可分为3组：α-淀粉酶、β-淀粉酶和葡糖淀粉酶。它们对直链和支链的降解方式如图2-26所示。

2.2.8.2　纤维素

纤维素是地球上最大的可再生的生物资源。大多数纤维素在天然界以木质纤维素复合物的形式存在。这些天然形式的纤维素能抵御化学和微生物的分解。纤维素中的葡萄糖的连接方式与淀粉的不同，它是以β-1，4-键连接。其水解产物为葡萄糖和纤维二糖。至少有4种酶能水解纤维素：①纤维二糖水解酶，从纤维素链的非还原性末端降解得纤维二糖；②外切葡聚糖酶（exoglucanase），从纤维素链的非还原性末端降解得葡萄糖；③纤维二糖酶（cellobiase），将纤维二糖水解成葡萄糖；④内切葡聚糖酶（edoglucanase），将长链聚合物水解成寡聚糖。

纤维素降解的第一个产物是纤维二糖，此产物是纤维素水解的潜在抑制剂，故在培养基中必须含有纤维二糖酶。在胞内纤维二糖可由纤维二糖磷酸化酶转化为葡萄糖和葡萄糖-1-磷酸酯。图2-27总结各种生物高分子的需氧分解代谢途径。近年来，木质纤维素，如谷物残留物、锯末、废纸和木削等，作为可再生的能源和商业化学品用于代替石油正在得到很大的关注。利用木质纤维素可望对创造一种循环利用氛围和防止全球变暖作出贡献。将木质纤维素转化为有用的物质分为两步：①通过酸或酶把细胞中的纤维素和半纤维素水解成可发酵的还原糖；②通过微生物发酵将还原糖转化成燃料或工业化学品，如氢、乳酸和乙醇。但这两种过程都有缺陷：在酸水解中形成不需要的副产物；酶的成本高；酶水解所需时间长。该水解过程特别需要从菌体中除去木质素，因木质素不能被酸或酶水解。

另一种办法是用气化过程将木质纤维素转化为合成气体（CO、CO2和H2），此过程可用于转化菌体中的所有成分，包括木质素。当然气化前需要将菌体烘干。产生的合成气体可用于发电或作为内燃机的燃料。

有一群称为产乙酸菌（acetogens）的厌氧菌，包括可以自养生长在H2和CO2上的醋酸杆菌属和几株梭状芽孢杆菌，它们通过乙酰CoA途径形成乙酸。此外，嗜中温菌，杨氏梭菌和自产乙醇梭菌（C.autoethanogenum）可以从合成气体生产乙醇。若将气化过程同发酵过程相结合，便可以从废菌体产生有用的商品化学品。由于可以从其他途径获得氢，以H2和CO2为基质进行发酵生产有广泛的应用前景。乙酸可以作为塑料、薄膜、食品防腐剂的原料，乙醇则可以用作原料和汽油的补充燃料。

Sakai等报道了从烂泥分离出来的嗜温菌穆尔氏菌属（Moorella sp.），用于从H2和CO2生产乙酸和乙醇［8］。