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高级氧化技术

――之生物氧化
黄志心040620411

第一部分生物氧化机理

1概念
生物氧化是一个大的技术范畴，实质上可称为生物处理技术，任何一种利用微生物来降解、去除有机污染物
的技术都可以称为生物氧化技术。
生物体内的载体能把从外界吸入体内的氧气等运送到各种组织，供细胞内进行维持生命所必需的各种氧化作
用，氧化还原反应是生物体的重要反应。一切生物的生命活动都需要能量的输入，如肌肉收缩、神经冲动以及细
胞内各种生物合成反应等都需要消耗能量。生物体一切活动所需的能量来源于糖、脂肪、蛋白质等有机物在体内
的氧化。这些氧化作用总是伴随脱氢、递氢和受氢过程而进行，脱氢的物质叫做供氢体（电子供体），其经脱氢
作用而被氧化；受氢的物质叫受氢体（电子受体），其经受氢作用而被还原。
因此，有机物在活细胞内的氧化还原作用即称为生物氧化。
2生物氧化的方式及其机理
化学上的氧化作用包括加氧、脱氢和脱电子等作用。生物体内物质进行氧化也是采用加氧、脱氢和脱电子等
方式。生物氧化根据最终受氢体的不同可分为发酵、无氧呼吸及有氧呼吸3种方式，以下分别介绍。

2.1发酵
在生物氧化中，发酵是指电子供体（供氢体）和最终电子受体（受氢体）都是有机物的产能代谢过程。在许

多情况下，受氢体就是供氢体的分解产物。以下以乙醇发酵为例进行说明：

C6H12O62CH3COCOOH+4H

CH3COCOOH2CH3CHO+2CO2

2CH3CHO+4H2CH3CH2OH

总反应式为：C6H12O62CH3CH2OH+2CO2

其中，葡萄糖为供氢体，则乙醛为最终受氢体。
从上述内容可以看出，发酵作用不需要氧，可在无氧条件下进行；底物不能彻底氧化，发酵结果仍积累有机
物；能量产生少，大量能量转移到生成的乙醇中；所生成的发酵终产物可能比所氧化的基质更为还原，这不仅可
以为细胞合成代谢提供还原力，并且在沼气发酵过程中生成的还原性产物，如丙酸、丁酸、醇类等在发酵液中的
积累可使发酵体系中的氧化还原电位下降，从而适于产甲烷菌的生长繁殖。

2.2无氧呼吸

－－2－
无氧呼吸也称厌氧呼吸，它是指以外源无机氧化物（如NO3、NO2、SO4、CO2等）作为最终受氢体的
生物氧化作用。有的细菌以有机氧化物如延胡索酸等作为最终受氢体，但较为罕见。根据用做最终受氢体的化合

物种类的不同，而区分为多种类型的无氧呼吸，详见下图。

~1~

－
NO2，NO，N2O，N2
硝酸盐呼吸

（兼性厌氧细菌）－
NO3

2－2－2－
SO3，S2O3，S3O6，H2S
硫酸盐呼吸

（专性厌氧细菌）2－
SO4

S2－
硫呼吸

无机盐呼吸（专性和兼性厌氧细菌）0
SCH3COOH

产乙酸细菌－
碳酸盐呼吸CO2,HCO3
（专性厌氧细菌）
CH4

无氧呼吸产甲烷细菌－
CO2,HCO3
Fe2＋
铁呼吸
（专性和兼性厌氧细菌）
Fe3＋
琥珀酸
延胡索
酸呼吸
延胡索酸
2.3有氧呼吸
有氧呼吸也称好氧呼吸，是指以分子氧作为最终电子受体的生物氧化方式。其特点是底物按常规方式脱氢后，
经完整的电子受体传递链递氢，最终由分子氧接受氢并生成水。具体来说，可分为三种类型：
（1）以氧作为末端电子受体的电子传递过程：

这种过程的模式如下式：

其中，SH2和S代表底物的还原态和氧化态；Cired和CiOX代表一系列传递电子物质的还原态和氧化态。这

类氧化还原作用的特点是，在末端以前的氧化还原反应是一系列电子传递链，末端由O2接受电子生成水。
（2）两类脱氢过程：

实际上这两个反应式经一个或多个中间氢载体，并以氧作为末端氢受体的体系来进行。它实际上也是一条电

子传递链，可用如上式的模式表示：

其中，AiH2和Ai（i＝1，2，…，n）分别表示氢载体的还原态和氧化态。
（3）底物与分子氧的氧原子结合。这类氧化还原反应往往要相应的加氧酶参与。
总之，脱氢过程中脱去一个氢原子也就是脱去一个质子和一个电子，加氧反应常伴有氧分子接受质子和电子

~2~

而被还原成水。生物氧化的主要方式是脱氢作用，在依靠氧气自下而上的生物体内，从代谢物脱下的氢通过呼吸
链的逐步传递，最后被分子氧接受并生成水。
3生物体内的氧化还原电位
在研究生物体系的氧化还原作用时，氧化还原电位仍然是它重要的定量参数。它不仅可以衡量反应的可能性，
也可以确定能量的转换关系。但是，发生在生物体内的氧化反应是在生理pH下进行的。因此，将生物体内的氧
化还原电对的标准电位作了另行规定，即除了规定氧化型和还原型的浓度为1.0mol•L-1、温度为25℃外，还规
定pH取生理pH即：pH＝7.0（而不是pH＝0）作为氧化还原电对的标准氧化还原电位，因为酶在pH＝0的强

酸性条件下没有活性