化学计量学和细菌能量学分解.ppt

3.能量反应 同理可以得出 （4） 来平衡碳， 来平衡氮（在PH大于9时） （5） 来平衡碳， 来平衡氮（在PH在7-9之间时） （6） 和 来平衡碳， 来平衡氮（在PH在7-9之间时） 总结： 再加入 来平衡碳时有会多出许多的反应式。但是所 有的反应式都是平衡的，因为都是以 给出的丙酮 酸的摩尔数，既能量反应式形式有变但实质不变。 3.能量反应 解析例题2.3 丙酮酸的产甲烷发酵产物 丙酮酸产甲烷的反应可以整合表2.3中O-2丙酮酸的还原 和O-12产甲烷的反应得到： 这个方程式表明，在产甲烷发酵中，当1/12mol（7.42g） 丙酮酸被转化释放出能量，就会形成1/8mol的甲烷和1/24 mol的二氧化碳气体，各1/12mol的铵离子和重碳酸根离子释 放进入溶液。 生物生长的总反应 细菌的生长包括2个基本反应，一个是产生能量的反应， 另一个是细胞的合成反应。生物生长的总反应即为细菌能量反应式和合成反应式的综合。在介绍三者之间的计算与关系之前，先来引入细胞合成半反应。 如表 2.4列举的氨、硝酸盐、氮气等作为氮源合成细菌细胞的半反应。 Rd表示供体半反应，以Ra表示受体半反应，以Rc表示细胞合成半反应，以Re表示能量半反应，Rs表示合成反应，R表示总反应。（注意区分合成反应式和细胞合成反应式的区别：细胞合成反应式是合成细胞的半反应，合成反应式是指与能量反应相对的电子供体提供 用于细胞合成的反应。） 生物生长的总反应 生物生长的总反应 总反应R ( )能量反应Re 合成反应Rs（ ） Ra-Rd Rc-Rd R= (Ra-Rd)+ (Rc-Rd)= Ra+ Rc-Rd 这是一个普遍的方程式，可以用来建立微生物合成和生长的各种各样的 化学计量式，换言之，这个方程式代表了微生物消耗电子供体的电子当 量时，反应物的消耗量和产物的产量。 生物生长的总反应 例.假设提供写出安息湘酸作为电子供体，硝酸盐为电子受 体，氨为氮源。假设安息香酸盐电子当量中40%用于合成（ =0.4 ）另外的60%用于产生能量（ =0.6）。 能量反应： Ra: -Rd: Re: 生物生长的总反应 合成反应： Rc: -Rd: Rs: 生物生长的总反应 总反应： Re: Rs: R: 生物生长的总反应 总反应化学计量式的应用 例 2.4 硝化反应的化学计量式 简单发酵：只有一种还原产物，如葡萄糖发酵产乙醇。 混合发酵：反应形成的产物不止一种。 能量学与细菌生长 细胞的生长与能量 维持细胞生存需要能量，以便进行细胞运动，修复因正常的资源循环或者和与有毒化合物相互作用而衰变的细胞蛋白等活动。当所有生长因子的浓度都不限制其生长时，细胞的生长速度很快，这时细胞最大限度的利用所投入的能量，用于细胞合成。但是，当一种基本的因子，比如电子供体基质，其浓度受到限制时，大部分基质氧化反应产生的能量用于维持细胞的生存。书中式[2.6]说明了这一点，表明细胞的净产率随着基质利用率的下降而下降。 微生物进行氧化还原反应以便获得生长和细胞维持的能量。因为反应不同，一种电子供体的每电子当量氧化后释放的能量差别很大。下面将说明反应能量和细菌生长之间的关系。 关于如何描述实际产率和电子供体氧化释放的能量之间的关系，Battley给出了一个关于能量产生和细胞产率之间关系的全面综述：一种基于电子当量，并且可以区分总生物反应能量部分和合成部分的能量差别的方法 能量学与细菌生长 尽管在生长和反应能量学关系研究方面，目前还没有一种被广泛接受的方法。但是Battley给出的理论被证实是非常有用的，并且这个研究方法的应用还有一个优势是：电子当量易于和环境工程中广泛应用的测定相联系，如BOD 、COD等。 因为一个电子当量的氧是8gO2，任何一种电子供体的1 e eq等于8gO2 。因此，每升的当量数可以直接转化成基质的需氧量浓度。 例题 2.9 计算 能量反应的自由能 半反应的自由能 通过附录A列出的各种成分的生成自由能数值，可以快速确定半反应的标准自由能。 半反应的自由能=产物自由能-反应物自由能 表2.2和表2.3总结了各种无机和有机半反应在PH=7条件下的标准吉布斯自由能△G， 能量反应的自由能 能量反应自由能=受体半反应自由能-供体半反应自由能 例.