2.2　微生物的分解代謝

微生物通過各種各樣的代謝途徑提供細胞生長和維持所需的能（能量代謝），并從各種原料衍生其細胞成分。細胞的主要成分（如蛋白質、核酸、多糖和脂質）是由C、N、O、H、S和P組成，細胞還需要用于維持酶活和體內平衡所需的微量元素（如K、Na、Mg、Se、Fe、Zn等金屬離子）。微生物從其周圍環境（培養基）吸收這些元素，將其結合到細胞材料中，此過程稱為同化作用，見圖2-5。從簡單無機化合物（CO2或其他無機碳）獲得其所需的碳-能源的細胞稱為化能自養菌（chemoautotrophic）。如能量只源自陽光的生物稱為光能利用菌（phototroph）。利用有機化合物作為能源和碳的來源的微生物稱為異養菌（het-erotroph）。如需在生長培養基中添加它們不能自己合成的有機化合物才能生長的菌稱為營養缺陷型（auxotroph）。

2.2.1　葡萄糖分解代謝

微生物的主要碳源是葡萄糖。葡萄糖的分解途徑隨菌種而異，主要有以下四種代謝途徑：①酵解（EMP）途徑；②己糖單磷酸（HMP）途徑或支路（HMS），又稱磷酸戊糖循環（PP）；③恩特納-多多羅夫（ED）途徑；④磷酸解酮糖（PK）途徑。前兩種存在于哺乳動物、酵母和細菌中，后二者只存在于細菌中。

2.2.1.1　酵解（EMP）途徑

EMP又稱為糖酵解（glycolysis）途徑，其總反應式如下：

ΔG′0=-85kJ/mol

此途徑（見圖2-6）的特點是，它每消耗1mol葡萄糖只凈生成2mol ATP與2mol NADH2，不能提供合成芳香氨基酸、RNA和DNA所需的前體。由糖酵解途徑分解葡萄糖是不完全的，所得兩個丙酮酸仍儲藏有不少能量，完全氧化1mol葡萄糖可得2840kJ，故兩分子的丙酮酸仍含有葡萄糖的94％的能量。糖酵解可分為兩個階段［1］：投入階段與回報階段。在投入階段由5步組成，反應的結果是消耗了2mol ATP，生成2mol丙糖-3-磷酸（3-磷酸甘油醛，磷酸二羥丙酮）；在后5步反應的回報階段里，3-磷酸甘油醛的氧化獲得4mol ATP和2mol NADH2。

2.2.1.2　己糖單磷酸支路（HMS）

HMS途徑（又稱為戊糖循環）的運行方式見圖2-6。其總反應式為：

HMS途徑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維生素所需的前體以及許多合成反應所需的NADPH+H+。

2.2.1.3　恩特納-多多羅夫（ED）途徑

此途徑的第一個中間體是6-磷酸葡萄糖。它被氧化為6-磷酸葡糖酸。這和HMS途徑的反應一樣。接著脫水生成2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDGP），隨后由2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸醛縮酶分解為兩個丙糖，KDGP中原有酮基部分變成丙酮酸，帶有磷酸根那部分變成3-磷酸甘油醛，見圖2-7。

2.2.1.4　磷酸解酮酶（PK）途徑

此途徑存在于異型乳酸發酵細菌中，可看作是HMS途徑的一個分支，見圖2-8。前面三步同HMS途徑一樣，生成的5-磷酸核酮糖被異構化為5-磷酸木酮糖，接著在磷酸解酮酶的作用下裂解為3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸。后者為一高能磷酸化物，如轉化為乙醛，其高能鍵傳給ADP，結果凈得2分子ATP；若轉化為乙醇，高能鍵便丟失，每分子葡萄糖凈得1分子ATP。

2.2.1.5　各種葡萄糖分解途徑的相互關系

四種葡萄糖分解途徑有許多共同的中間體和酶，但有些酶是該途徑專有的關鍵酶（如EMP途徑的6-磷酸果糖激酶，HMS途徑的6-磷酸葡糖酸脫氫酶，ED途徑的2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸醛縮酶，PK途徑的磷酸解酮酶）。這些酶都是在途徑的分支點上起作用。在這些途徑中EMP途徑提供的ATP最多，但不產生重要的嘌呤和嘧啶生物合成所需的前體（核糖-5-磷酸和赤蘚糖-4-磷酸）。因此僅有EMP途徑的微生物還需補充生長因子。HMS途徑能提供嘌呤和嘧啶生物合成用的前體，但只產生相當于EMP途徑的一半的ATP量。此途徑不直接產生丙酮酸，故微生物必須擁有部分EMP途徑的酶系統。ED途徑有一部分與HMS途徑相連，其中可能存在逆行的HMS途徑，它可直接形成丙酮酸，而無需依賴EMP和HMS途徑。ED途徑存在于嚴格需氧菌中。在葡萄糖分解代謝中PK途徑僅存在于少數種類的細菌中。

2.2.1.6　三羧酸（TCA）循環

又稱為檸檬酸循環或Krebs循環，見圖2-6。此循環將丙酮酸完全氧化為CO2和水。脫氫反應中從基質取得的電子被送到呼吸鏈中去，在那里產生所需的ATP。TCA循環對生物合成極其重要，它提供一些氨基酸生物合成的前體。如α-酮戊二酸和草酰乙酸分別為谷氨酸和天冬氨酸的前體。這些氨基酸又是其他氨基酸和蛋白質合成的重要前體氨基酸。因所有這些過程均需同時進行，要從TCA循環中抽出一些五碳或二碳二羧酸作為前體就必須及時補充抽走的中間體，循環才能繼續運行。補充這些中間體的反應總稱為補給反應系統，共有5種：

①

②

③

④

⑤

不是所有這些反應都存在于同一種微生物中，PEP羧化酶廣泛分布于細菌中，而丙酮酸羧化酶分布于酵母中。

TCA循環因而有無定向功能循環之稱。此循環還將從異檸檬酸脫氫酶、α-酮戊二酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶、琥珀酸脫氫酶和琥珀酰CoA的氧化反應中釋放的能量分別儲存于3分子NADH、1分子FAD2和1分子GTP中。

2.2.1.7　乙醛酸循環

給TCA循環加上兩種酶反應便形成一種可補充C4酸的乙醛酸循環，從而避免因生成CO2而丟失碳架，見圖2-6。此循環利用TCA循環中的5個酶，再引入異檸檬酸裂解酶和蘋果酸合酶。這樣，乙酸便可通過TCA循環分解為2CO2，經電子傳遞系統取得ATP，或通過乙醛酸循環供給細胞生物合成所需的C4二羧酸。為了合成RNA和DNA及將C4二羧酸轉化為磷酸戊糖，微生物需利用其糖原異生途徑。此途徑與EMP逆行途徑基本相同。此兩系統的聯系是補給反應系統，由PEP羧化酶等來完成。

2.2.2　多糖和單糖的利用

不同的微生物利用碳源的潛力有很大不同。從C1化合物（CO、CO2、甲醛、甲醇和甲烷）到復雜的大分子（糖原、淀粉、纖維素、蛋白質、核酸），幾乎所有天然的有機化合物均能被微生物當作碳源和能源利用。表2-2列舉了各種碳源及其分解途徑。大分子被生物降解為單體的途徑：

①PPP：磷酸戊糖途徑。②PK：磷酸解酮酶途徑。

一旦這些復雜大分子被解聚成較小的寡聚物后，外圍的代謝途徑便將碳源進一步分解為代謝物，然后進入中樞代謝途徑。雙糖和寡聚糖在胞外先被水解酶作用變成單體（葡萄糖、果糖）或先由運輸系統吸收入胞內，再將其裂解。寡肽和寡核苷酸可分別由胞內外的肽酶和核酸酶解聚。作為碳源的脂肪先被脂肪酶裂解成磷酸甘油和脂肪酸。隨后，前者在丙糖磷酸酯處進入酵解途徑；脂肪酸再被氧化成乙酰CoA或丙酰CoA，隨后進入三羧酸循環。

黃建忠等［3～5］對脂肪酶的研究與生產技術很有造詣，他們從分子水平與蛋白質工程上揭示其作用機制，并應用基因工程技術改良生產菌種，為提高脂肪酶的工業生產與技術改造提供依據。

2.2.3　厭氧代謝過程

發酵的定義有狹義和廣義之分：廣義地說，將有機化合物在有或無氧條件下的分解代謝總稱為發酵；狹義則把發酵定義為不涉及光與呼吸鏈，不用氧或氮作為電子受體的生物化學過程。進行厭氧發酵的微生物可以是兼性或專性厭氧微生物。前者能在有氧下生長和在無氧下發酵；后者沒有與氧結合的電子傳遞系統，不能在通氣條件下生長。許多專性厭氧菌甚至一接觸空氣便死亡。呼吸與發酵的最大差別在于ATP的形成。好氣異氧生物將有機基質的氧化與氧或硝酸鹽的還原偶合；而厭氧菌的氧化與有機化合物的還原偶合，因而形成較少的ATP。其細胞得率比需氧菌少許多。微生物在發酵期間可以形成各種發酵終產物，如圖2-9所示。細菌（主要是梭桿菌、腸道細菌和乳酸桿菌）主要從丙酮酸或PEP形成各式各樣的發酵產物，但沒有一種細菌可形成圖2-9中所示的所有終產物。表2-3列舉了微生物自身所需的12種前體代謝物及其生成的主要途徑。

①琥珀酰CoA是合成四吡咯所需的前體。

對養分與末端產物間的質量平衡的了解有助于研究發酵過程。所有產物加在一起的總和，其C、H和O的摩爾原子量必須與基質各元素的對應量相等。氧化還原平衡也可用于分析發酵，因細胞無凈還原力的變化，但所消耗的養分與發酵形成的產物不存在嚴格的化學計量關系，因有一部分養分用于細胞的合成和維持。在缺氧或缺少其他末端電子受體下細胞通過這些發酵產物的形成維持其胞內氧化還原平衡。

2.2.3.1　乙醇發酵

許多微生物都能將糖發酵為醇類。工業上要求建立一種能將糖轉化為單純乙醇的發酵過程，但很難做到。傳統的乙醇發酵過程是利用酵母，特別是釀酒酵母進行的。酵母通過EMP途徑將葡萄糖降解為丙酮酸，接著由丙酮酸脫羧酶脫羧和乙醇脫氫酶還原，生成乙醇：

式中，Thpp為焦磷酸硫胺素。在此反應中丙酮酸脫羧酶取代在好氧降解作用中的丙酮酸脫氫酶，而成為重要的關鍵酶。因沒有外來的氫受體（如氧），需要一種適當的有機氫受體來消耗EMP途徑中生成的還原力。乙醇脫氫酶將乙醛還原為乙醇的同時把NADH+H+氧化為NAD+。

運動發酵單胞菌是少數幾種具有丙酮酸脫羧酶的細菌之一，它們能把葡萄糖氧化為乙醇和CO2。這種菌能在無氧下旺盛生長，通過ED途徑利用葡萄糖。與酵母比較，其生長速度快，有更高的乙醇生產能力和葡萄糖的吸收速率。但大多數細菌缺乏丙酮酸脫羧酶，不能從丙酮酸直接形成乙醛。腸道細菌（如大腸桿菌）能進行所謂磷酸裂解反應，將丙酮酸脫羧生成乙酰CoA和甲酸。因乙酰CoA借酰基轉移酶的作用同乙酰磷酸保持平衡，然后利用2分子（NADH+H+），將乙酰CoA還原為乙醛和乙醇，或通過乙酰磷酸產生乙酸，同時產生1分子ATP。

菊芋可應用于生產乙醇。楊帆等［7］從菊芋根際土壤中分離出一株能完全降解菊糖的釀酒酵母L610。經培養基優化，溶氧在發酵12h前控制在50％，然后厭氧發酵，乙醇產量高達55g/L，為理論值的80％。

以上介紹的乙醇發酵方法只適用于生產工業酒精，不適用于酒類飲料。生產含乙醇飲料需考慮色、香、味和符合衛生條例等問題。

乙醇也可以用自養菌，如穆爾氏菌屬（Moorella sp.）、自產乙醇梭菌（C.autoethanogenum），從H2和CO2生產［8］，參閱2.2.8.2節。

2.2.3.2　丙酮、丁醇、乙酸、丁酸發酵

用發酵方法生產丙酮、丁醇、丁酸和異丙醇有過興衰起伏。進行這類發酵的細菌屬于梭菌屬和丁酸桿菌屬。一般只有專性厭氧菌形成以丁酸為主的發酵產物。梭菌屬按其主要產物分為幾個種：丁酸梭菌、丙酮丁醇梭菌與丁醇梭菌，其主要產物分別為丁酸、丙酮+丁醇、丁醇+CO2+H2。梭菌屬的葡萄糖發酵的總途徑歸納于圖2-10。丁酸發酵的前幾步反應直到丙酮酸屬于EMP途徑。丙酮酸的降解比較特別，稱為“梭菌式”降解。它通過一種磷酸裂解反應使丙酮酸脫羧生成乙酰CoA、CO2和H2。腸道細菌也有類似反應，但產物不同，是乙酰CoA和甲酸。這是由于一種特殊的丙酮酸-鐵氧還原蛋白氧化還原酶參與此反應所致。丙酮酸先被脫羧，釋放出CO2和形成一種焦磷酸硫胺素絡合物，然后再形成乙酰CoA。但在此反應中釋放出來的電子和H2并沒有傳給NAD+，而是用來還原鐵氧還蛋白，見圖2-11。然后還原型鐵氧化蛋白重新氧化，釋放出分子氫。因梭菌是專性厭氧菌，所以具有較低氧還電位的鐵氧還蛋白，可維持厭氧條件和防止電子進一步轉移。乙酰CoA是形成一些發酵產物的共同前體。

（1）乙酸的形成　如上所述，腸道細菌可將1分子葡萄糖轉化為2分子乙酸、2分子CO2和H2，見圖2-12。這種將CO2轉化為乙酸需要甲基轉移輔酶、四氫葉酸（FH4）和類咕啉［Co］的參與。乙酸也可以用自營菌，如穆爾氏菌屬（Moorella sp.）、楊氏梭菌，從H2和CO2合成［8］，參閱2.2.8.2節。

（2）丁酸的形成　由乙酰CoA形成丁酸的代謝途徑見圖2-13。在丙酮酸前生成的2分子NADPH+H+用來還原乙酰乙酰CoA和巴豆酰CoA，從而使2分子乙酰CoA轉化為丁酸。丁酸發酵可得3分子ATP，其中2分子是EMP途徑中獲得的，另一分子是在乙酸形成后取得的。

（3）丙酮、丁醇的形成　將糖發酵為丁酸的梭菌也能產生丙酮和丁醇。如產酸使培養基pH低于4.0，梭菌便會改變其代謝途徑，轉產丙酮和丁醇，把已積累的丁酸轉化為丁醇，見圖2-14。為了避免pH的進一步下降，菌將發酵轉向中性化合物的形成。梭菌擁有一種轉移酶能把乙酰乙酰CoA從正常的循環系統中抽出來脫羧形成丙酮。因還原型NAD+不能重新氧化，將乙酰乙酰CoA抽出對細胞有害，引進兩種酶將積累的丁酸轉化為丁醇，便可解決NADH+H+的氧化問題。丁酸梭菌能將丙酮進一步還原為異丙醇。比較一下形成丁酸和形成丙酮、丁醇的整個反應可以看出丁酸的形成更經濟一些。

丙丁梭菌可用淀粉為原料進行發酵，其用量為3.8g/100mL。結果有30％左右的原料轉化為混合溶劑，其余變成CO2和H2。氣體的比例在發酵過程中略有變化，一般含40％的H2和60％的CO2；混合溶劑含體積分數為60％的正丁醇，30％左右的丙酮和5％～10％的乙醇、異亞丙基丙酮（丙酮、丁醇的比例隨菌株而異）。

丁醇是有前途的生物燃料，可通過發酵生產。其生產瓶頸在于高濃度丁醇對產生菌的毒性。Li等［9］通過物理因素誘變和改進篩選方法，使拜氏梭菌突變株MUT3（蔗糖糖蜜培養基）和丙酮丁醇梭菌突變株ART18（木薯粉發酵培養基）對丁醇的耐受能力提高，在15L發酵罐中的丁醇發酵水平分別達到15.1g/L和16.3g/L，比野生菌的丁醇生產水平提高30％～40％。劉金樂等［10］應用基因工程技術阻斷拜氏梭菌的產酸途徑，敲除相關基因后的工程菌的溶劑產量提高20％，達到22g/L，丁醇的比例也提高5％。

（4）丙酸、琥珀酸與α-酮戊二酸的形成　丙酸和琥珀酸是丙酸梭菌和丙酸桿菌發酵糖或乳酸的產物。丙酸桿菌屬優先利用葡萄糖作碳源，而丙酸梭菌已失去這種能力，它們利用乳酸作為碳源。其反應總和為：

隨著碳源的不同，有兩條形成丙酸的途徑，而琥珀酸的形成只有一條。如圖2-15和圖2-16所示，那些能利用葡萄糖和乳酸作為碳源的菌擁有丙酸-琥珀酸途徑；而只利用乳酸作為碳源的菌，通過丙烯酸途徑形成丙酸。

α-酮戊二酸（KG）廣泛應用于有機合成、醫藥和功能性食品等領域，馮甲等［11］采用谷氨酸棒桿菌GDK-2為出發菌株，通過基因工程技術阻斷KG生成谷氨酸的途徑，并經發酵過程優化，使KG的發酵（34h）產量達到近60g/L的水平。

2.2.3.3　乳酸、丁二醇、甲烷發酵

（1）乳酸的形成　乳酸及其衍生物在食品、發酵、醫藥、塑料和化學工業上得到廣泛應用。全球的乳酸年產量超過50000t。乳酸細菌可分為兩大類：一類僅產生乳酸，稱為同型乳酸發酵菌；另一類除了產生乳酸外，還形成其他副產物，稱為異型乳酸發酵菌。同型乳酸發酵菌株主要有鏈球菌屬、小球菌屬和若干乳酸桿菌屬。異型乳酸發酵菌主要有假絲酵母屬和若干乳酸桿菌屬。其副產物隨菌而異，有的是乙醇+CO2，有的是乙酸+CO2。異型乳酸發酵通過戊糖磷酸解酮酶（PK）途徑。在乳酸發酵中許多乳酸細菌能利用蘋果酸生成乳酸，這對于釀酒工業極為重要。對其轉化過程尚有爭議。但長期以來一直認為，蘋果酸首先由需NAD+的蘋果酸氧化脫羧酶脫羧生成丙酮酸，接著將丙酮酸還原為乳酸：

影響乳酸發酵的因素有：菌種、培養基、糖源、糖濃度、溫度、溶氧、pH、生長因子和產物濃度。乳酸發酵在相當高的溫度下進行，嗜熱鏈球菌為35～46℃，保加利亞乳桿菌為42～50℃，其最適溫度應由試驗決定。嗜熱鏈球菌最適生長條件為pH6.5，40℃；保加利亞乳桿菌最適生長條件為pH5.8，44℃。

徐國謙等［12］研究了B族維生素對Lactobacillus paracasei NERCB 0401生產乳酸的影響。結果顯示，在合成培養基中其最佳B族維生素的添加劑量為維生素B10.053mg/L，維生素B20.01mg/L，維生素B54.0mg/L，維生素B60.2mg/L，維生素H0.075mg/L，在此條件下乳酸的產量比對照提高92％，而L.paracasei的死亡率在24h降低53.5％。他們還監測磷酸果糖激酶、乳酸脫氫酶、丙酮酸脫氫酶復合體與丙酮酸羧化酶的比活隨發酵過程的變化，據此分析乳酸增產的可能機制。

（2）丁二酮、3-羥基丁酮和丁二醇的形成　丁二酮（聯乙酰，diacetyl）是奶油的特有風味來源。有些乳酸細菌（乳酪鏈球菌）能利用檸檬酸作為碳源，其終產物為3-羥基丁酮（又稱為乙偶姻，acetoin）和丁二酮。含有約1g/L的檸檬酸改性牛奶被用于奶油制造業。在此反應系統中（圖2-17）檸檬酸裂解酶將檸檬酸裂解為乙酸和草酰乙酸，草酰乙酸脫羧酶將草酰乙酸轉化為丙酮酸，釋放CO2。由丙酮酸氧化脫羧生成的乙酰CoA，再與活性乙醛縮合得終產物丁二酮。3-羥基丁酮脫氫酶將丁二酮還原為3-羥基丁酮。

檸檬酸是形成丁二酮的很好的基質，盡管它還生成丙酮酸，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。腸道細菌不具有3-羥基丁酮脫氫酶，它通過另一種途徑將3-羥基丁酮轉化為丁二醇，見圖2-18。形成丁二醇的總反應為：

pH對3-羥基丁酮和丁二醇的形成影響很大。若pH高于6.3左右，便積累乙酸和甲酸，中止3-羥基丁酮、丁二醇、CO2和H2的生成。

以Serratia marcescens發酵生產2，3-丁二醇（BD）過程中會形成大量的泡沫，這是由于該菌形成一種表面活性劑serrawettinW1所致。L.Y.Zhang等［13］為了減少消泡劑的加入，成功地構建了一株serrawettin缺失的突變株Serratia marcescens H30，使其編碼ser-rawettinW1合成酶的swrW基因失活。搖瓶分批發酵證明構建的工程菌在發酵過程中泡沫的形成顯著減少，產物的生產略有提高，最終取得的最好成績是2，3-丁二醇的濃度達152g/L（57h），產率為2.67（g/L）/h和得率為92.6％。他們還進一步采用Plackett-Burman（PB）設計與響應平面法（RSM）優化Serratia marcescens H30的2，3-丁二醇發酵培養基［14］。結果顯示，酵母膏和醋酸鈉對生產有顯著影響。他們最終找到了一種結合RQ控制與維持適當蔗糖濃度的控制方法，使2，3-丁二醇的產量達到139.9g/L，雙醇（AC+BD）的產率為3.49（g/L）/h，其得率為94.67％。

B.Rao等［15］用基因工程技術改造2，3-丁二醇生產菌株Serratia marcescens。他們將分別編碼乙酰乳酸脫羧酶、乙酰乳酸合成酶、2，3-丁二醇脫氫酶與類似LysR調節器的slaA、slaB、slaC與slaR基因成功地克隆到該菌株內。作者發現，兩種調節器SwrR與SlaR是通過調節3羥基丁酮-［2］來影響2，3-丁二醇生產的。通過鈍化swrR基因提高了2，3-丁二醇的產量。

J.N.Sun等［16］應用統計學優化法與階段變速攪拌控制策略提高Serratia marcescens H32的3-羥基丁酮的生產。他們首先應用Plackett-Burman設計鑒定蔗糖與玉米漿粉（CSLP）是最有影響的因子。然后用響應平面法優化此兩因子的濃度。以此最佳培養基在3.7L發酵罐中試驗不同攪拌轉速對3-羥基丁酮生產的影響。在前8h發酵，攪拌轉速控制在700r/min，以后改為600r/min的策略可以取得3-羥基丁酮高產44.9g/L和高產率1.73（g/L）/h。補料分批發酵中采用此兩階段攪拌控制策略取得最高3-羥基丁酮產量60.5g/L和產率1.44（g/L）/h。

（3）甲烷的形成　甲烷由甲烷產氣菌在厭氧條件下將有機物質分解轉化而成。甲烷產生菌是一類十分特殊的微生物。它們不但在代謝方面不同于其他細菌，在細胞組成方面也與其他細菌明顯不同。例如，其細胞壁不含肽聚糖，故對青霉素不敏感，其細胞質膜含有脂肪，其核酮糖中的rRNA的堿基序列與其他細菌明顯不同，它們對蛋白質合成抑制劑不敏感。甲烷產生菌是一類嚴格厭氧細菌，空氣中的氧能殺死它們。原因是其細胞中既不含觸酶，也不含過氧化物歧化酶。它們不能利用復雜有機化合物，其能量代謝專門用來生產唯一的產物甲醇。它們對碳-能源的類型也有特殊的要求，可利用的基質分為三類：含有1～6個碳原子的短鏈脂肪酸；含有1～5個碳原子的正或異醇類；三種氣體——H2、CO和CO2。

甲烷產生菌利用H2、CO2、甲酸、甲醇和乙酸作為產甲烷的主要基質。CO2被還原成CH4是逐步進行的。但其中間體，甲酸、甲醛和甲醇牢固地結合在載體上。載體有兩種：一種是甲基轉移輔酶M（2，2′-二硫二乙烷磺酸）；另一種是低分子量的熒光化合物F420，它與NADP+的還原偶合在一起。這些菌不含鐵氧還蛋白。因此，CO2首先被還原為甲酸，見圖2-19，然后進一步還原為甲醛，牢固地結合在輔酶M上的甲醛基轉化為醇基，再變成甲基，最后還原形成甲烷，釋放出HS-CoM。F420起主要電子載體作用。NADP+還原所需的H2來自大氣。從CO2與H2生成甲烷時，ATP合成不靠基質水平的磷酸化，因整個過程的自由能變化是負的，必須靠電子傳遞水平的磷酸化來獲得ATP。甲醇/甲烷的氧化還原電位為+0.17V，NADP+/（NADPH+H+）為-0.32V，所以這種ATP合成是可行的。

雖然大多數甲烷產生菌是自養的，但有些需要加入有機基質，如乳酸。瘤胃甲烷桿菌細胞物質中的碳的60％是由乙酸供給的。巴氏甲烷八疊球菌和甲烷螺菌能將乙酸轉化為甲烷和CO2，其中乙酸的甲基碳及其氫被轉化為甲烷，而乙酸的羧基變成CO2。此反應利用輔酶M甲基轉移反應。若以CO作為唯一能源，甲烷桿菌將4分子CO轉化為1分子甲烷和3分子CO2。參與反應的CO脫氫酶和氫化酶菌專一地需要F420作為電子受體，還原型F420是CO2還原為甲烷的電子給體，其反應如下：

2.2.4　脂肪酸、脂烴和芳香烴的氧化

一些需氧細菌、放線菌能通過β-氧化途徑利用脂肪酸作為能源和前體，但其重要性不如糖類。油對大環內酯類抗生素的生物合成有利。所有細菌都能直接利用脂肪酸合成復雜的脂質。脂肪酸的代謝對脂烴的降解也起重要作用。經特殊的載體吸收后，長鏈脂肪酸先被乙酰CoA硫酯活化，然后進入循環β-氧化途徑。細菌與真核生物的脂肪酸代謝途徑相似。每循環一次脂肪酸鏈掉下兩個碳碎片為乙酰CoA并產生一個FADH2和一個NADH2。剩余的脂酰CoA化合物重新進入降解循環。乙酰CoA單位直接進入三羧酸循環。細菌不用脂質作為儲存材料，而用來合成質膜中的磷脂和糖脂。

許多微生物通過需氧或厭氧途徑利用脂烴和芳香烴來生長。脂烴（烷烴和烷烯）一般主要由加單氧酶在甲基團上氧化。所得一級醇再由醇脫氫酶和醛脫氫酶氧化形成相應的脂肪酸，隨后進入β-氧化途徑，如圖2-20所示。

芳香化合物源自植物的生物合成（如黃酮）和來自蛋白質（如芳香氨基酸）。由細菌和真菌對芳香化合物的需氧降解主要通過三種中間體，如圖2-21所示，隨菌種的不同，這些“起始基質”以鄰位或間位環裂解方式，生成的中間體進入中樞代謝途徑。這些途徑對許多共棲生物（xenobiotica）更為重要。

2.2.5　氮的循環和氨基酸的降解

2.2.5.1　氮的循環

氮是所有細胞的重要組分，占細胞干重的12％～15％。氨基酸和核苷酸的形成需要氮。利用N2時需先將其活化，使它變成生物適合的形式（氮的固定），如或。只有若干原核生物（許多土壤細菌）能固定N2，再生成NH3（固氮細菌）。氮的固定是一高能耗步驟（每固定1分子氮至少需水解6分子ATP），其主要的酶——固氮酶對氧極度敏感。游離生活的細菌（克雷伯氏桿菌，固氮菌）和共生細菌（根瘤菌）均能固定氮，詳見2.3.2節。

NH3可作為氮源，用于形成氨基酸（借還原性氨化作用）。NH3也可被亞硝化細菌或硝化細菌經轉化為，見圖2-22。反硝化細菌（Paracoccus denitrificans）從硝酸鹽形成氣相N2，逃逸到大氣中，導致土壤肥力的損失。未分解的硝酸鹽滲入地下水，造成飲水污染的嚴重問題。

許多細菌能通過同化性硝酸鹽還原作用將硝酸鹽還原成亞硝酸，以及借同化性亞硝酸鹽還原作用把亞硝酸鹽還原成。硝酸鹽還能作為厭氧呼吸中末端電子受體，此過程稱為異化性硝酸鹽還原作用。氨的同化也可通過還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為氨基的給體，詳見2.3.3節。

2.2.5.2　氨基酸的降解

許多微生物能利用由蛋白酶產生的氨基酸和低分子量肽作為能源。為了進入中樞中間體庫，大多數氨基酸先轉化為相應的酮酸。這可通過以下4種反應達到此目的。

（1）氧化性脫氨作用：

（2）同一反應，由NAD（P）連接的脫氫酶催化：

（3）以酮戊二酸或丙酮酸作為氨基的受體：

（4）在β-碳原子上有取代基團的氨基酸的脫氨作用，如絲氨酸、蘇氨酸、天冬氨酸和組氨酸：

各種酮酸按其碳架的不同進入中樞代謝途徑進一步降解的位置不一樣，如圖2-23所示。有些氨基酸（如Asp、Asn、Glu、Gln和Ala）直接與三羧酸循環的中間體聯系；而有些氨基酸的降解涉及一系列長的復雜反應，因此不能被許多微生物所降解，如Lys、Ile、Val、Leu、Phe、Tyr和Trp。

2.2.6　硫的代謝

硫是細胞所必需的，因它在半胱氨酸、甲硫氨酸和若干輔酶中起作用。有3種氧化態的硫具有實際意義：硫酸鹽（+6），元素硫（0），硫化物或有機硫組分（R—SH，-2）。這些形式的硫由微生物的酶或化學反應進行轉化，見圖2-24。

大多數無機硫來自硫酸鹽。它以兩種方式轉化為硫化物和有機硫化合物。另外，許多生物，包括細菌、真菌和植物為其生物合成還原硫，即用硫酸鹽作為硫源，將其轉化為有機硫（R—SH，圖2-24，反應1），此途徑稱為同化性硫酸鹽還原作用。另一方面專性厭氧硫酸鹽還原細菌，如Desulfovibrio或Desulfotomaculum在厭氧呼吸中用硫酸鹽作為電子受體，分泌終產物H2S（圖2-24，反應2），故此反應稱為異化性硫酸鹽還原作用。此外，硫化物也可以在蛋白質降解期間由有機硫化合物的分解形成（圖2-24，反應3），這稱為脫硫作用。反應1和反應2的電子受體是小分子有機化合物，如乳酸或丙酮酸。硫酸鹽還原細菌則用H2。由于硫酸鹽相當穩定，它必須先被ATP活化，形成腺苷磷酸硫酸酯（APS）。APS與ADP相似，其末端帶的是硫酸基，而不是磷酸基。在異化性硫還原作用中，活化硫酸鹽經幾步反應，轉移8個電子后被還原成H2S。呼吸鏈提供電子給硫酸鹽還原，形成一種用于ATP合成的電化學質子電位。同化性硫酸鹽還原作用的啟動與反應2所述的活化步驟完全相同。APS在核糖部位被磷酸化成為磷酸腺苷磷酸硫酸酯（PAPS）。此化合物的還原最終生成有機硫化合物。若干細菌，如Desulfuromonas acetoxidans在硫呼吸過程中也用元素硫作為電子受體（圖2-24，反應4）。

與上述反應對照，硫桿菌在能量代謝中用還原性硫化合物作為電子受體（硫的氧化作用）。H2S經元素硫被轉化為硫酸鹽（圖2-24，反應5、6）。除硫的氧化作用外氧化亞鐵硫桿菌也氧化Fe（Ⅱ）離子，因而對金屬的浸出過程很重要。硫的氧化作用分為幾個階段。電子被轉移到電子輸送鏈，在此氧的轉移伴隨質子的擠出。除了由電子輸送磷酸化產生ATP外，有些硫細菌也能借基質水平磷酸化合成ATP，再一次利用高能化合物APS。另一類硫氧化細菌是紫與綠光養細菌。這些菌在不生氧光合作用中用H2S作為電子給體，H2S經元素硫（常沉積在胞內或胞外）被還原為硫酸鹽。

2.2.7　核苷酸的降解和有機磷的代謝

核苷酸被磷酸酯酶水解生成核苷和磷酸鹽，核苷再由核苷酶水解得堿基和糖。嘧啶的進一步代謝，數量不多，故不很重要。胞嘧啶（Cyt）通過脫氨轉化為尿嘧啶（Ura），反應中Ura的5，6-雙鍵被NADPH還原，其內酰胺鍵從1，6-鍵開始被水解而得NH3、CO2和β-丙氨酸。胸腺嘧啶的分解代謝途徑與胞嘧啶的相似，其終產物為NH3、CO2和β-氨基異丁酸。

嘌呤的分解代謝是氧化性的，且相當重要。在中間代謝中的ATP和GTP的作用下不僅嘌呤核苷酸及其降解產物大量存在，而且在鳥類和排尿酸代謝的動物中嘌呤的合成與降解是氮分泌途徑。嘌呤在其降解期間可相互轉換，最終經黃嘌呤氧化酶變成尿酸（Uri），見圖2-25。核苷酸的相互轉換出現在生物合成期間，詳見2.3.7節。

核苷酸的降解形成糖和糖磷酸酯。核糖通過磷酸戊糖途徑（PPP）的旁路由轉酮醇酶和轉醛醇酶代謝。脫氧核糖-5-P由脫氧核糖醛縮酶分解代謝成乙醛和3-磷酸甘油醛。

磷脂和甾醇由酵母在好氧條件下從甘油、脂肪酸、肌醇、磷酸等前體合成。肌醇-1磷酸是由肌醇-1-磷酸酯酶的作用從葡萄糖-6-磷酸合成的。合成的磷脂，如磷脂酰肌醇、磷脂酰絲氨酸、磷脂酰膽堿（卵磷脂）、雙磷脂酰甘油（心磷脂）是用于構成膜脂質的主要組分。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級信使作用。脂質的分解代謝酶（如脂酶和磷酸酯酶）具有潛在的商業價值。酵母也已建立提供代謝過程所需磷酸鹽的系統。細胞含有兩種磷酸酯酶，其最適pH各不相同：堿性磷酸酯酶是一種胞內酶，而酸性磷酸酯酶有兩種同工酶被分泌到外周胞質內。在此途徑中的基因轉錄受培養基中無機磷酸鹽的嚴密控制。因此，當磷酸鹽很豐富，轉錄被完全阻遏，只有在磷酸鹽耗竭后才被啟動。尤其是由PHO5編碼的分泌磷酸酯酶及其基因表達的調節受到廣泛的研究。轉錄由PHO2和PHO4編碼的兩個DNA結合蛋白激活，并受基因PHO80和PHO85產物的負向控制。

2.2.8　聚合物的氧化

自然界提供很豐富的聚合物，這是一種由許多基本單位——單體連接在一起的大分子化合物，如蛋白質和多糖。這些聚合物不能透過細胞膜，生物需分泌酶或使這些酶處在細胞膜外側以降解聚合物成為可輸送的相應的小分子單體。將聚合物鏈切成基本組分的酶促過程稱為水解作用，其相應的酶稱為水解酶。水解酶不僅在大分子降解，如食物腐敗和水處理方面很重要，而且在肉的嫩化、奶酪的成熟和啤酒的陳釀方面也很重要。這些酶的分離和純化已大規模商品化。

這里著重討論淀粉和纖維素的降解作用。二者都是由葡萄糖為單體形成的，但其性質完全不同。葡萄糖容易被許多微生物消化，是主要能源；而纖維素是植物細胞壁的主要成分，難于消化。

2.2.8.1　淀粉

不論其來源何處，淀粉的結構基本相同。天然淀粉是兩種多糖的混合物，都是D-葡萄糖的聚合物。其主要成分為支鏈淀粉。淀粉酶水解淀粉分子的α-1，4-糖苷鍵，可分為3組：α-淀粉酶、β-淀粉酶和葡糖淀粉酶。它們對直鏈和支鏈的降解方式如圖2-26所示。

2.2.8.2　纖維素

纖維素是地球上最大的可再生的生物資源。大多數纖維素在天然界以木質纖維素復合物的形式存在。這些天然形式的纖維素能抵御化學和微生物的分解。纖維素中的葡萄糖的連接方式與淀粉的不同，它是以β-1，4-鍵連接。其水解產物為葡萄糖和纖維二糖。至少有4種酶能水解纖維素：①纖維二糖水解酶，從纖維素鏈的非還原性末端降解得纖維二糖；②外切葡聚糖酶（exoglucanase），從纖維素鏈的非還原性末端降解得葡萄糖；③纖維二糖酶（cellobiase），將纖維二糖水解成葡萄糖；④內切葡聚糖酶（edoglucanase），將長鏈聚合物水解成寡聚糖。

纖維素降解的第一個產物是纖維二糖，此產物是纖維素水解的潛在抑制劑，故在培養基中必須含有纖維二糖酶。在胞內纖維二糖可由纖維二糖磷酸化酶轉化為葡萄糖和葡萄糖-1-磷酸酯。圖2-27總結各種生物高分子的需氧分解代謝途徑。近年來，木質纖維素，如谷物殘留物、鋸末、廢紙和木削等，作為可再生的能源和商業化學品用于代替石油正在得到很大的關注。利用木質纖維素可望對創造一種循環利用氛圍和防止全球變暖作出貢獻。將木質纖維素轉化為有用的物質分為兩步：①通過酸或酶把細胞中的纖維素和半纖維素水解成可發酵的還原糖；②通過微生物發酵將還原糖轉化成燃料或工業化學品，如氫、乳酸和乙醇。但這兩種過程都有缺陷：在酸水解中形成不需要的副產物；酶的成本高；酶水解所需時間長。該水解過程特別需要從菌體中除去木質素，因木質素不能被酸或酶水解。

另一種辦法是用氣化過程將木質纖維素轉化為合成氣體（CO、CO2和H2），此過程可用于轉化菌體中的所有成分，包括木質素。當然氣化前需要將菌體烘干。產生的合成氣體可用于發電或作為內燃機的燃料。

有一群稱為產乙酸菌（acetogens）的厭氧菌，包括可以自養生長在H2和CO2上的醋酸桿菌屬和幾株梭狀芽孢桿菌，它們通過乙酰CoA途徑形成乙酸。此外，嗜中溫菌，楊氏梭菌和自產乙醇梭菌（C.autoethanogenum）可以從合成氣體生產乙醇。若將氣化過程同發酵過程相結合，便可以從廢菌體產生有用的商品化學品。由于可以從其他途徑獲得氫，以H2和CO2為基質進行發酵生產有廣泛的應用前景。乙酸可以作為塑料、薄膜、食品防腐劑的原料，乙醇則可以用作原料和汽油的補充燃料。

Sakai等報道了從爛泥分離出來的嗜溫菌穆爾氏菌屬（Moorella sp.），用于從H2和CO2生產乙酸和乙醇［8］。