一、生物氧化的含义及形式生物氧化是指有机分子在机体内氧化分解成CO2和H2O 并释放出能量的过程。其形式包括底物与氧结合、脱氢或失去电子3种；其过程可分脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）3个阶段。根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同，可以把生物氧化区分成有氧呼吸、无氧呼吸和发酵3种类型。二、无氧呼吸无氧呼吸又称厌氧呼吸，是一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（个别为有机氧化物）的生物氧化。这是一类在无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸，其特点是底物脱氢后，经过部分呼吸链，把氢交给氧化态的无机物（个别为有机物延胡索酸）。根据呼吸链末端最终氢受体的不同，可以把无氧呼吸分成以下5种类型：硝酸盐呼吸、硫酸盐呼吸、硫呼吸、碳酸盐呼吸和延胡索酸呼吸。三、发酵在生物氧化或能量代谢中，发酵是指在无氧条件下，底物脱氧后所产生的还原力〔H〕不经过呼吸链传递而直接交给某一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。须要指出的是，工业微生物发酵技术领域内所讲的微生物发酵过程是指由生长繁殖的微生物所引起的生物反应过程，根据微生物的种类不同可以分为好气性发酵和厌气性发酵。四、无氧呼吸和发酸在生产及环境保护上的应用1．直反硝化作用的应用反硝化作用又称脱氮作用。广义的反硝化作用是指由硝酸还原成并进一步还原成N2的过程。狭义的反?趸 饔媒鲋赣裳窍跛峄乖 蒒2的过程。反硝化作用一般只在厌氧条件下，例如在淹水的土壤或死水塘中发生。它是使土壤中氮素损失的重要原因之一。在经常进行干、湿变换的水稻田中，土壤常在好氧和厌氧状态下变换，因此有机肥料矿化后产生的胺态氮，在好氧条件下被硝化细菌氧化为硝酸态氮，在厌氧条件下又会被反硝化细菌还原为胺态氮或N2。应用15N 作示踪对化学氮肥在水稻田中的转化实验发现，使用化学氮肥，其有效利用率只有1/4左右，其余部分由于 反硝化作用而损失了。因此，在农业生产上，对水稻田进行适当的控水，以增加水稻田中的含氮量，是有必要的。然而，水生性反硝化细菌可用于去除污水中的硝酸盐。这是氧化塘法处理污水的原理之一。氧化塘法是近年来利用自然生态系统净化污水并具有良好节能效果的方法。氧化塘是一个面积大、能接受阳光照射的浅塘。污水从一端流入，从另一端溢出，在氧化塘中存在着3种作用：1）有机物的好氧性分解和厌氧消化；前者主要由好氧细菌进行，后者则主要由厌氧细菌进行；2）光合作用；主要由藻类和水生植物进行；3）藻类细胞的消化：由各种动物进行。氧化塘底部处于厌氧环境下，故有利于使过多的无机氮化物通过反硝化作用以氮气的形式而消失，有利于避免氧化塘的富营养化。2．碳酸盐呼吸与沼气发酵应用大多数产甲烷菌能利用H2作为CO2；的还原剂以合成有机物，同时它们还能利用特殊的厌氧呼吸，即甲烷发酵或碳酸盐呼吸来获取生命所需的能量。在后一种情况下，氢供体是H2，氢受体是CO2。因此，产甲烷菌是一在自然界中具有十分独特生理类型的微生物，是一类严格的厌氧菌，它们属于古细菌（Archaebacteria）。它们分别通过以下两种途径之一生成甲烷：其一是在CO2存在时，利用H2生成甲烷，其总反应式是：O2HCH4HCO2422；其二是利用乙酸生成甲烷：243COCHCOOHCH。据报道，在一般的厌氧发酵中，甲烷的产量约体积分数70％由乙酸分解而来，体积分数30％由氢气还原CO2得到。沼气的主要成分是甲烷。在沼气发酵过程中，产甲烷细菌是关键的微生物。常见的产甲烷细菌有：反刍甲烷杆菌（Methanobacterium ruminantium），甲烷杆菌M．O．H菌株，甲酸甲烷杆菌（Methanobacterium formici-cum），Al动甲烷杆菌（Methanobacterium mobilis），
巴氏甲烷八叠球菌（Methanosarcina barkeri），万尼氏甲烷八叠球菌（Methanosarcina Vannielii），甲烷螺菌属（Mmethanospirillumsp.）菌种，甲烷球菌属（Methanoco-ccus sp.）菌种等。沼气微生物必须在绝对无氧条件下才能正常生长发育，对游离氧或氧化剂极为敏感。因此，分离培养甲烷细菌时，必须严格控制无氧条件。发酵基物碳氮体积分数比要合适，一般为20 ：1～30 ：1对甲烷产量有利。目前在我国农村广泛采用的家用小型沼气地容积6～10m2，多以猪圈、厕所连通。进料前植物性原料须进行堆沤处理，粪草体积分数比以2：1～3：1以上为宜，保持Vc ：Vn＝13 ：1～30 ：1pH值6.8～7.4每天投料4～8kg（干重），5～7d出料1次，日产气0.12～2m3，年产沼渣5～7 m3，沼液25t。随着沼气厌氧发酵技术的不断改进，在池型已由最初的水压式发展到较为先进的浮罩式、集气罩式、干湿分离式和太阳能式等，规模上正由用小型沼气地逐步向集中供气的大中型沼气发酵工程发展，发酵温度也有常温（1～26℃）、中温（28～30℃）和高温（48～55℃），气压上有低压或恒压式等多种形式。在发酵工艺方面采用干发酵、两步发酵、干湿结合和太阳能加热等新技术，有的还有采用碳酸氢铵代替猪粪与秸秆混合发酵，或通过施加添加剂，培育高效发酵微生物，提高产气率。在发酵过程中，废物得到处理，同时获得能源。沼气发酵残余物是一种高效优质的有机肥和土壤改良剂，沼液一般用作追肥，沼渣适宜做底肥，而且获得的生物质能用来照明或作燃料。城市污水处理厂的污泥厌氧消化使污泥体积减小，产生的甲烷用来发电，降低处理厂的运行费用。产甲烷细菌能利用CO2或重碳酸盐产生甲烷。从长远的战略眼光看，利用产甲烷菌产生沼气是一项利国利民的措施，是建设农业生态工程的重要举措。将地球上绿植物光合作用产生的巨大的生物资源进行合理的梯级利分丝辊
用，不但促进了农村经济的发展，还能达到净化环境、改良土壤、提高肥力的效果，因此，是一种表面上呈现“缓效”，而实质上却能达到良性循环的一项生态农业工程。其他类型的无氧呼吸如硫酸盐呼吸作用等在农业生产上也有一定的应用。在通气不良的土壤中所进行的硫酸盐的还原作用，会使土壤中H2S含量提高，从而引起水稻秧苗烂根。因此，在农业生产中耕管理过程中，采取疏松土壤的措施有利于根际微生物促进农作物生长。3．应用Zymomonas mobils（运动发酵单胞菌）生产酒精运动发酵单孢菌能发酵葡萄糖、果糖和蔗糖，发酵力强，乙醇产率高于酵母菌，是很有希望用于乙醇发酵的细菌菌株，但它不能发酵乳糖、木糖等。通过基因工程手段已把大肠杆菌的一些同乳精利用有关的基因导入了运动发酵单孢杆菌，所得工程菌株能合成分半乳糖着酶和乳糖透性酶，从而能分解乳糖。日本曾从温泉中分离出1株高温型产酒精细菌，它能利用稻草和废水材的纤维生产乙醇，也能把半纤维素，木糖等五碳糖发酵为乙醇。酵母菌发酵与细菌发酵相比虽各有优缺点，但总的来看，运动发酵单饱秆菌发酵力强，只要能解决醋酸分离问题，今后可能代替酵母菌。值得一提的是，有人还用固定化的混合菌种来将淀粉原料转化成乙醇。用海藻酸钠包埋黑曲霉（Aspergillus niger）和运动发酵单胞菌，使制成固定化细胞的小球。能把淀粉分解成葡萄糖的A．niger是好氧菌，故生长在小球的表层，而能将葡萄糖转化成乙醇的Z．mobils是厌氧菌，故长在小球的内层，当淀粉液流过反应器后，淀粉很快被水解成葡萄糖并随即转化成乙醇。4．发酵在有机废水治理中的应用根据处理条件中微生物与氧气的关系，生物法治理污水的类型可分为好氧法（即活性污泥法）、厌氧法（即厌氧消化法）、兼性法（即生物膜法）。厌氧法是指应用密闭的建筑物，形成厌氧环境，多种类型微生物（包括
参与无氧呼吸的微生物及参与发酵的微生物）交替作用，将高分子有机物转化为简单物质，并产生甲烷。在厌氧生物处理过程中，微生物对有机物的转化分为水解、产酸和甲烷形成3个阶段。厌氧水解阶段是指大分子有机物脂肪、蛋白质、多糖等在微生物的作用下，脂肪分解为长链脂肪酸和醇类；蛋白质经氨基酸脱氨基、脱羧基作用分解为有机酸、胺或氨等；多糖分解为二糖、单糖。产酸阶段的作用菌可分为两大类，一类降解大分子聚合物产生酸，如丙酸、丁酸、乳酸、琥珀酸和乙醇、乙酸等，这些产物除乙酸以外，还是不能作为甲烷细菌产甲烷的基质。另一类微生物把这些低分子物质进一步分解为甲烷菌能利用的基质，如甲酸、甲醇、乙酸、CO2和H2等简单的化合物。上述两个阶段中，专性厌氧菌以梭状芽抱杆菌属（Clostridium）、拟杆菌属（Bacteroides）、双歧杆菌属（Bifidobacterium）占优势。兼性厌氧菌有变形杆菌属（Proteus）、假单胞菌属（Pseudomonas）、链球菌属（Streptococcus）等。产甲烷细菌利用一碳化合物、乙酸、H2和CO2等产生甲烷。参与作用的细菌主要有奥氏甲烷菌（Methanobacillum omelianski）、巴氏甲烷八叠球菌（Methanosarcina barkeri）和万尼氏甲烷八叠球菌（Methanosarcina Vannielii）等。在上述厌氧生物处理过程中，微生物体的协调演替是保证厌氧消化过程稳定进行的主要因素。厌氧生物处理的类型较多，近年来，一大批新型厌氧生物处理器相继出现，如厌氧生物滤地、厌氧流化床等，它们的共同特点是反应器中生物固体浓度高，污泥龄长，因此处理能力大大提高。比较有代表性的是美国开发利用的升流式厌氧生物滤池，用以淀粉生产废水的处理；加拿大开发利用的降流氏厌氧生物滤池。升流式厌氧生物滤池内填充的滤料一般为碎石、卵石、焦碳和各种塑料制品。污水从底部进入厌氧滤池
1.08b>倒挂器后向上流动，废水与滤料表面的厌氧生物膜接触，污水中的有机物被分解。滤池中的生物膜不断地进行新陈代谢，脱落的生物膜，随上升的水流从地上部流出地外。沼气从地顶部排除。厌氧法应用于高浓度有机废水处理，具有运行费用省，能量消耗少，污泥量少并能产生燃值高的沼气的优点。随着环境工程研究的不断深入，厌氧法处理有机废水将得到越来越广泛的应用，工艺将越来越先进。五、工业发酵技术在鲜梅醋生产中的应用鲜梅醋是用鲜梅果为原料，经过微生物发酵酿造而成的、具有保健功能的食用醋。云南省大理州是我国著名的梅果之乡，国内目前没有厂家生产鲜梅醋。利用鲜梅果，采用微生物发酵技术，将鲜梅果开发成新型鲜梅醋调味品和鲜梅醋饮料系列产品，可创造更大的经济效益和社会效益。鲜梅醋生产技术路线如下：鲜梅醋的生产技术主要包括原料的准备、酒精发酵、醋酸发酵和陈醋等4个主要环节。过滤鲜梅果→挑选、清洗→破碎榨汁→接种→发酵→粗滤→酸化↓ ↓ 鲜梅醋←灭菌←罐装封口←精过滤←调配←澄清←
手指灯>阻燃双面胶
陈醋从水果中提取果汁，须要对水果进行破碎处理，在破碎过程中，添加适当的酶，从而促进果汁生成。酒精发酵过程中多使用啤酒酵母，啤酒酵母已糖代谢的化学反应式如下：25261222COOHH2COHC。酵母通过糖代谢产生了中间代谢产物乙醇，但并不是将所有的糖都转化为乙醇，有一些被转化为甘油、琥珀酸。在实际生产中，较好的产量为理论值的90％。醋生产过程中微生物污染的可能性低于其他发酵工业，因此，在发酵过程中可以用一些简单的容器，以降低成本。醋酸发酵是微生物氧化乙醇产生醋酸和水的过程，其化学反应式如下：252O OHHC OH COOHCH23
覆盖膜对乙醇（46g）氧（32g）醋酸（60g）水（18g）从上式中可知，1L乙醇可产 1.036kg 醋酸。醋化细菌的分类比较复杂，《伯杰氏手册》中对醋酸菌的最终分类为醋杆菌
属和葡糖杆菌属，醋杆菌属中又分为4个菌种：液化醋酸菌、产醋醋酸菌、巴斯德醋酸菌和汉森醋酸菌。醇化过程结束后，醋要经过陈酿，在木桶或不锈钢容器中大约需要密封1年之久。在此期间醋的香味和口味明显增强，一些不稳定胶体会发生沉降。鲜梅醋的开发生产主要应用生物工程技术，通过选育优良的菌株将鲜梅果发酵成醋酸型果醋。在生产过程中关键是微生物菌种的选育和生产工艺配方，这一关键技术目前正在实验室研究，已经取得了一定的进展。
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