光合,细菌,几种自养微生物新陈代谢类型和作用机理

旧人教版《新陈代谢类型》一节的内容中,讲述到的自养型的生物有两类:光能自养和化能自养。光能自养以植物较为和熟悉,而化能自养仅较举了硝化细菌为例,光合细菌、硫细菌和铁细菌简单的提及。在生物复习中关于微生物的种类和代谢特点却常常有讲述,给学生教师疑惑。
光合细菌(紫硫细菌、红硫细菌、绿硫细菌)、硫细菌、铁细菌,这些微生物以同化作用的角度讲自养生物,但异化作用却不尽相同,那么的异化作用类型是?作用机理又是呢?

一、光合细菌的代谢类型和作用机理

光合细菌紫硫细菌、红硫细菌、绿硫细菌等,这些细菌厌氧光合菌,多栖息于含硫化氢的厌氧水域中,硫化氢氢电子供体还原二氧化碳。它们光能自养的实质是光合磷酸化将光能转变成化学能,用于将CO2合有机物。
光合细菌细胞内均含有光合色素,光合色素有着于光合细菌的载色体中,载色体是小泡状的结构,于真核细胞的类囊体。光合细菌含有的光合色素是细菌叶绿素、细菌叶褐素和类胡萝卜素等。呈粉红、紫红、橙、褐、绿等色。细菌叶绿素的结构与高等植物叶绿素具有类似的化学结构,但侧链基团不同,导致光吸收有差别。细菌叶绿素的吸收波长在近红外区(660nm～870nm),所以在昏暗的环境中仍能光合作用,而光合细菌恰恰是生活在缺少光线的水底泥中。类胡萝卜素结构和作用与高等植物相同。
在光合细菌细胞中,有着光合单位(还原一分子CO2所需的叶绿素分子数即为光合单位),光合单位由光捕获复合体和反应中心复合体组成。光捕获复合体色素吸收和转化光子后,激发P870(光合细菌仅有的光化学作用中心)释放高能电子光合磷酸化(环式光合磷酸化,少数经过非环式磷酸化),产生ATP和[H]。
光合细菌在产生ATP和[H],这两种物质固定同化CO2,固定CO2的途径有三条:卡尔文循环、还原性三羧酸循环和还原单羧酸循环。
光合细菌光合作用的电子供体水,也不放出氧气,即光合细菌的“光反应”不发生绿色植物的“水的光解”,所以光合细菌厌氧的,在有氧的条件下存活。

二、化能自养细菌的代谢类型和作用机理

化能自养细菌硝化细菌、硫细菌和铁细菌等,化能自养生物以氧化无机物能量,同化合成细胞物质。它们在无机能源氧化中氧化磷酸化产生ATP。
化能自养细菌的能量代谢有三个特点:
①无机底物的氧化与呼吸链发生联系。由脱氢酶或氧化还原酶催化的无机底物脱氢或脱电子后,呼吸链传递。②呼吸链的组分更加多样化,氢或电子以任一组分呼吸链。③产能效率一般较异养微生物更低。
1.硝化细菌。硝化细菌两个亚群:亚硝化细菌和硝化细菌。它们能将NH3或NO2-氧化为硝酸,由氨氧化为硝酸是有这两类细菌依次的。氧化的结果是分子氧的电子受体,所以硝化细菌是化能自养需氧型生物。但值得的是:在亚硝酸根(NO2-)氧化为硝酸根(NO3-)的中,氧来自水分子而非空气,即NO2-+H2O→H2O·NO2-→NO3-+2H++2e,H++e呼吸链,消耗ATP而产生[H]。
2.硫细菌。硫细菌不产色素的好氧菌,栖息于含硫化物和氧的水中,或多种还原态或还原态的硫化物(硫化物、硫单质、亚硫酸盐、多硫酸盐、硫代硫酸盐)能源。H2S被氧化为S,随之被硫氧化酶和细胞色素系统氧化成亚硫酸盐,在电子传递(氧化磷酸化途径)中产生4个ATP。亚硫酸盐被继续氧化成SO32-或SO42-,产生数量不等的ATP。与硝化细菌等其他自养菌一样,硫细菌还原CO2所需的[H],消耗ATP的逆呼吸链传递而产生的,在一系列的中,硫细菌体现出化能自养的代谢特点。硫细菌能将自然界的还原性硫化物氧化成硫磺或硫酸,是自然界中硫元素循环中缺少的一环。
3.铁细菌。铁细菌能将亚铁(Fe2+)氧化成高铁(Fe3+),以而释放能量。在低PH环境中,铁细菌细胞中特殊的含铜蛋白质与几种细胞色素c和细胞色素a1氧化酶构成电子传递链。在电子传递到氧的中,质子的消耗驱动了ATP的合成。
化能自养细菌和光合细菌一样,在产生ATP和[H],这两种物质固定同化CO2,固定CO2的途径有三条:卡尔文循环、还原性三羧酸循环和还原单羧酸循环。