馮 芬, 楊恬然, 陳 萍, 辛明秀

(北京師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 北京 100875)

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化能異養(yǎng)微生物呼吸與發(fā)酵比較

馮 芬, 楊恬然, 陳 萍, 辛明秀

(北京師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 北京 100875)

化能異養(yǎng)微生物的呼吸和發(fā)酵作用是其重要的產(chǎn)能代謝方式，但呼吸與發(fā)酵，尤其是無(wú)氧呼吸與發(fā)酵經(jīng)常出現(xiàn)混用錯(cuò)用的情況。通過(guò)闡述3種產(chǎn)能方式的概念、特點(diǎn)及不同氧濃度下的作用方式，分析其相互聯(lián)系及本質(zhì)區(qū)別，加深對(duì)化能異養(yǎng)微生物有氧呼吸、無(wú)氧呼吸及發(fā)酵的理解。

化能異養(yǎng)微生物；有氧呼吸；無(wú)氧呼吸；發(fā)酵

化能異養(yǎng)微生物是一類以有機(jī)化合物作為碳源、能源和電子供體的微生物，包括已知的絕大多數(shù)細(xì)菌和古菌，全部的放線菌、真菌和原生動(dòng)物[1]。該類微生物通過(guò)呼吸(respiration)或發(fā)酵(fermentation)產(chǎn)能，但其產(chǎn)能方式由于底物、能量來(lái)源及電子供體相同，因此存在很多混用錯(cuò)用的情況。本文通過(guò)介紹呼吸與發(fā)酵的基本概念和類型，以及它們的相互聯(lián)系與本質(zhì)區(qū)別，以加深對(duì)化能異養(yǎng)微生物產(chǎn)能方式的理解。

1　呼吸

對(duì)于大部分化能異養(yǎng)微生物而言，呼吸是其最主要的產(chǎn)能方式。根據(jù)最終電子受體及電子傳遞鏈組分的不同將呼吸分為有氧呼吸(aerobic respiration)和無(wú)氧呼吸(anaerobic respiration)。

1.1 有氧呼吸

在氧氣充足條件下，好氧或兼性厭氧微生物以外源分子氧作為最終電子受體時(shí)發(fā)生的一類高產(chǎn)能效率的呼吸方式[2]。以通用底物葡萄糖為例，有氧呼吸可分為3個(gè)階段：第1階段是1分子葡萄糖在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中通過(guò)糖酵解(EMP)產(chǎn)生2分子丙酮酸，該階段不需要氧氣，通過(guò)底物水平磷酸化產(chǎn)生少量ATP；第2階段是丙酮酸氧化脫氫產(chǎn)生的2分子乙酰CoA進(jìn)入三羧酸循環(huán)(TCA)后脫氫，該階段需要O2的參與，發(fā)生在真核生物的線粒體基質(zhì)或原核生物的細(xì)胞基質(zhì)中[3]；第3階段是上述兩個(gè)過(guò)程中脫下的電子進(jìn)入電子傳遞鏈，與氧化磷酸化相偶聯(lián)生成ATP，O2與[H+]結(jié)合生成水，發(fā)生在真核生物的線粒體內(nèi)膜和原核生物的細(xì)胞膜上[4]?？偟慕Y(jié)果是1分子葡萄糖徹底氧化后生成6分子二氧化碳和12分子水，并產(chǎn)生38分子ATP。

有氧呼吸是化能異養(yǎng)微生物的主要產(chǎn)能方式，利用外源O2將有機(jī)底物徹底氧化，并通過(guò)電子傳遞鏈與氧化磷酸化產(chǎn)生大量能量，滿足細(xì)胞的生命活動(dòng)[5]。在3種產(chǎn)能方式中其底物氧化程度最強(qiáng)，利用率最高，產(chǎn)能效率也最高，保證了化能異養(yǎng)微生物的快速繁殖。

1.2 無(wú)氧呼吸

在無(wú)氧或缺氧條件下，厭氧或兼性厭氧微生物以外源無(wú)機(jī)氧化物(少數(shù)為有機(jī)氧化物如延胡索酸)作為最終電子受體時(shí)發(fā)生的一類產(chǎn)能效率較低的呼吸方式[6]。極大部分進(jìn)行厭氧呼吸的化能異養(yǎng)微生物是細(xì)菌[7]，根據(jù)最終電子受體的不同可將無(wú)氧呼吸分類。

1.2.1 硝酸鹽呼吸(nitrate respiration)或反硝化作用(denitrification)

某些細(xì)菌如脫氮副球菌(paracoccusdenitrificans)等兼性厭氧菌以硝酸鹽作為最終電子受體將硝酸鹽還原為亞硝酸、NO、N2O及N2的過(guò)程[8]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于硝酸鹽作為氮源比N2更易利用，反硝化作用會(huì)使土壤肥力減弱，同時(shí)增加了溫室氣體排放。但另一方面土壤中的硝酸鹽會(huì)溶于水流入其他水體，減少硝酸鹽的沉積，避免土壤水體變質(zhì)。硝酸鹽呼吸是海水中微生物的主要產(chǎn)能方式，促進(jìn)自然界氮素循環(huán)[9]。

1.2.2 硫酸鹽呼吸(sulfate respiration)

脫硫弧菌屬(Desulfovibrio)、脫硫桿菌屬(Desulfofaba)等的細(xì)菌以硫酸鹽作為最終電子受體將硫酸鹽還原為H2S的過(guò)程，這些細(xì)菌常常是專性厭氧的硫酸鹽還原細(xì)菌[10]。硫酸鹽呼吸可促進(jìn)厭氧環(huán)境中的有機(jī)物循環(huán)并對(duì)自然界硫素循環(huán)具有重要意義[11]，但硫酸鹽還原會(huì)造成地下金屬管道腐蝕。

1.2.3 碳酸鹽呼吸(carbonate respiration)或碳酸鹽還原(carbonation reduction)

1.2.4 延胡索酸呼吸(fumarate respiration)

一些兼性厭氧菌如巨大脫硫弧菌(Desulfovibriogigas)等以延胡索酸作為外源末端電子受體，還原產(chǎn)生琥珀酸并產(chǎn)能的過(guò)程[13]。

除上述類型外，無(wú)氧呼吸類型還包括利用Fe3+、Mn2+等作為最終電子受體的產(chǎn)能方式[14]，如金屬還原地桿菌(Geobactermetallireducens)、奧奈達(dá)希瓦氏菌(Shewanellaonedensis)等[15]。

與有氧呼吸相比，無(wú)氧呼吸也利用電子傳遞鏈與氧化磷酸化相偶聯(lián)產(chǎn)能，只是其電子受體比氧的標(biāo)準(zhǔn)還原勢(shì)更低，即電勢(shì)差小，故產(chǎn)能較少，效率較低。但無(wú)氧呼吸卻具有非常重要的生物學(xué)意義：在長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)氧條件下為微生物持續(xù)供給能量，保證微生物的生長(zhǎng)繁殖，在短時(shí)間無(wú)氧條件下，微生物也可迅速將產(chǎn)能方式調(diào)整至無(wú)氧呼吸。同時(shí)無(wú)氧呼吸也是自然界中氮循環(huán)、硫循環(huán)中的重要環(huán)節(jié)。

2 發(fā)酵(fermentation)

在無(wú)氧或缺氧條件下，有機(jī)底物不完全氧化產(chǎn)生的電子不經(jīng)電子傳遞系統(tǒng)而直接交給內(nèi)源性的不完全分解產(chǎn)物，將其還原生成發(fā)酵產(chǎn)物，通過(guò)底物水平磷酸化產(chǎn)生少量ATP的低效產(chǎn)能反應(yīng)[16]。根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物種類的不同將其分類，其中乙醇發(fā)酵與乳酸發(fā)酵是發(fā)酵中的兩種基本形式。

2.1 乙醇發(fā)酵(alcoholic fermentation)

包括酵母型乙醇發(fā)酵和細(xì)菌型乙醇發(fā)酵[1]。在酵母型乙醇發(fā)酵過(guò)程中，葡萄糖經(jīng)EMP途徑分解產(chǎn)生的丙酮酸被還原為乙醛，乙醛接受電子還原產(chǎn)生乙醇。細(xì)菌型乙醇發(fā)酵過(guò)程中，葡萄糖經(jīng)ED途徑分解產(chǎn)生丙酮酸，進(jìn)一步形成乙醇，同時(shí)產(chǎn)生少量能量[6]。另外，一些腸道細(xì)菌及高溫細(xì)菌由于缺少丙酮酸脫羧酶而含有乙醛脫氫酶，可利用乙酰輔酶A產(chǎn)生的乙醛進(jìn)一步還原產(chǎn)生乙醇，且不產(chǎn)生二氧化碳。

2.2乳酸發(fā)酵(lactic acid fermentation)

包括同型乳酸發(fā)酵和異型乳酸發(fā)酵。同型乳酸發(fā)酵中葡萄糖經(jīng)EMP途徑產(chǎn)生的丙酮酸直接接受[H+]被還原為乳酸。異型乳酸發(fā)酵中葡萄糖經(jīng)HMP或PK途徑產(chǎn)生乳酸及乙醇或乙酸等[17]。

除乙醇發(fā)酵與乳酸細(xì)菌外，有些化能異養(yǎng)微生物還可進(jìn)行混合酸發(fā)酵(mixed acid fermentation)、丁二醇發(fā)酵(butanediol fermentation)等。發(fā)酵過(guò)程中起始底物只有少部分碳原子被氧化，起始電子供體與內(nèi)源性電子受體之間的電勢(shì)差很小，不足以利用電子傳遞鏈而只能利用底物水平磷酸化產(chǎn)能，故發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)能最少、效率最低。但發(fā)酵卻增加了微生物多樣性和環(huán)境適應(yīng)性，使其在缺少外來(lái)電子受體時(shí)也可生長(zhǎng)。另外，發(fā)酵產(chǎn)物對(duì)食品、藥品生產(chǎn)具有非常重要的意義。

3 好氧菌、兼性厭氧菌和厭氧菌與呼吸及發(fā)酵的關(guān)系

根據(jù)不同微生物對(duì)氧的需求及其耐受能力將化能異養(yǎng)微生物分為好氧菌、兼性厭氧菌及厭氧菌[2]。好氧菌只有在分子氧存在的條件下才能生長(zhǎng)繁殖，具有完整的呼吸鏈，通過(guò)有氧呼吸產(chǎn)能，無(wú)氧或缺氧條件下其生長(zhǎng)受到抑制。如枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)和銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)等。兼性厭氧菌在有氧或無(wú)氧或缺氧條件下都能生長(zhǎng)，具有完整的呼吸鏈，有氧時(shí)通過(guò)有氧呼吸產(chǎn)能并迅速分裂增殖，無(wú)氧可轉(zhuǎn)換為無(wú)氧呼吸或發(fā)酵產(chǎn)能[18-19]。如大腸埃希氏菌(Escherichiacoli)，在氧氣充足時(shí)通過(guò)有氧呼吸產(chǎn)能并迅速分裂增殖；在無(wú)氧條件下，進(jìn)行以硝酸鹽為最終電子受體的無(wú)氧呼吸或混合酸發(fā)酵[20-21]。一般在有氧條件下，由于電子傳遞鏈對(duì)NADH+H+的親和力更高，故兼性厭氧菌會(huì)優(yōu)先利用有氧呼吸[22]。但當(dāng)某些生長(zhǎng)因素改變時(shí)，即使在有氧條件下也不會(huì)利用有氧呼吸，如當(dāng)葡萄糖含量超過(guò)5%時(shí)，酵母細(xì)胞中呼吸酶的合成和線粒體的形成被抑制，迫使其進(jìn)入發(fā)酵[23]。

耐氧型厭氧菌不具有呼吸鏈，故不能利用呼吸產(chǎn)能。該類型菌有氧條件下可以生存，但卻不能利用氧氣，僅依靠專性發(fā)酵或底物水平磷酸化獲取能量。如乳酸乳桿菌(Lacticacidbacteria)通過(guò)同型乳酸發(fā)酵產(chǎn)能供給生長(zhǎng)。專性厭氧菌由于不能分解或轉(zhuǎn)化分子氧產(chǎn)生的超氧化物，即使短暫的接觸氧也會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)抑制甚至死亡。專性厭氧菌不具有完整呼吸鏈，但一些細(xì)菌含有細(xì)胞色素，故可利用無(wú)氧呼吸或發(fā)酵供給其生命活動(dòng)所需要的能量。如普通脫硫弧菌(Desulfovibriovulgaris)由于含有單一細(xì)胞色素C3，可通過(guò)無(wú)氧呼吸將硫酸鹽逐步還原為硫化物。

4 呼吸與發(fā)酵的聯(lián)系與區(qū)別

呼吸與發(fā)酵的底物均為有機(jī)物，都可利用底物水平磷酸化產(chǎn)生能量，對(duì)于有氧呼吸及無(wú)氧呼吸而言，它們均利用電子傳遞鏈與氧化磷酸化相偶聯(lián)產(chǎn)能，最終電子受體都來(lái)源于微生物體外，對(duì)于無(wú)氧呼吸和發(fā)酵而言，它們都是在無(wú)氧或缺氧條件下產(chǎn)生少量能量，對(duì)有機(jī)底物的氧化不徹底。有氧呼吸與發(fā)酵能量產(chǎn)生的聯(lián)系與區(qū)別見圖1。

圖1 有氧呼吸與發(fā)酵能量產(chǎn)生的聯(lián)系與區(qū)別

Fig1 Connection and difference between energy production

of aerobic respiration and fermentation

只列出同型乙醇發(fā)酵和同型乳酸發(fā)酵，所有反應(yīng)均只標(biāo)明其還原態(tài)氫的產(chǎn)生及流向，其數(shù)量、載體與反應(yīng)的其他產(chǎn)物未示出。

呼吸與發(fā)酵之間最本質(zhì)的區(qū)別在于是否利用電子傳遞鏈和最終電子受體的性質(zhì)。發(fā)酵僅通過(guò)底物水平磷酸化產(chǎn)生少量能量，而呼吸還可利用電子傳遞鏈與氧化磷酸化相偶聯(lián)產(chǎn)能；發(fā)酵的最終電子受體是內(nèi)源性的有機(jī)物，而在呼吸作用中，有氧呼吸只能利用外源性的O2，無(wú)氧呼吸利用除O2外的外源性無(wú)機(jī)氧化物或個(gè)別有機(jī)物。另外呼吸與發(fā)酵在其底物氧化程度、代謝微生物等也有區(qū)別，詳見表1。

表 1 化能異養(yǎng)微生物有氧呼吸、無(wú)氧呼吸與發(fā)酵異同Table 1 Differences and similarities of aerobic, anaerobic respiration and fermentation

A:在代謝底物相同且等量的情況下

化能異養(yǎng)微生物通過(guò)有氧呼吸、無(wú)氧呼吸和發(fā)酵產(chǎn)能，3種產(chǎn)能策略對(duì)于微生物自身生長(zhǎng)繁殖、人類工業(yè)生產(chǎn)和自然界的物質(zhì)循環(huán)都非常重要。其多種產(chǎn)能方式展現(xiàn)了化能異養(yǎng)微生物多樣的生物產(chǎn)能策略，使其能更好地適應(yīng)環(huán)境。

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Comparison between respiration and fermentation of chemoheterotrophic microorganisms

FENG Fen, YANG Tian-ran, CHEN Ping, XIN Ming-xiu

(College of Life Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

Chemoheterotrophic microorganisms obtain energy by respiration or fermentation. However, respiration or fermentation, especially anaerobic respiration and fermentation are usually misused in many situations. The concepts, characteristics and utilization of aerobic respiration, anaerobic respiration and fermentation were compared. The relationship and difference between them were also analyzed in this paper.

chemoheterotrophic microorganisms; aerobic respiration; anaerobic respiration; fermentation

2015-12-23；

2016-01-07

國(guó)家自然基金(31470251)

馮芬，碩士,主要研究方向?yàn)槲⑸锷砩?E-mail:fengfen@mail.bnu.edu.cn

辛明秀，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槲⑸锷砩珽-mail:xinmingxiu@bnu.edu.cn

Q935

A

2095-1736(2016)05-0083-04

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2016.05.083