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代謝(metabolism):細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱(chēng)。代謝分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)分解代謝復(fù)雜分子(有機(jī)物)簡(jiǎn)單分子ATP[H]合成代謝++第六章微生物的代謝與環(huán)境工程當(dāng)前第1頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)
第一節(jié)微生物的酶酶是動(dòng)物、植物及微生物等生物體內(nèi)合成的、催化生物化學(xué)反應(yīng)的、并傳遞電子、原子和化學(xué)基團(tuán)的生物催化劑。蛋白酶常見(jiàn)核酸酶很少,主要作用域核酸。當(dāng)前第2頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)一、酶的組成按照酶的化學(xué)組成可將酶分為單純酶和全酶兩大類(lèi)。單純酶分子中只有氨基酸殘基組成的肽鏈,全酶分子中則除了多肽鏈組成的蛋白質(zhì)酶,還有非蛋白成分(輔助因子),如金屬離子、鐵卟啉或含B族維生素的小分子有機(jī)物。全酶=酶蛋白+輔助因子,只有全酶才有催化作用。酶蛋白在酶促反應(yīng)中起著決定反應(yīng)特異性作用,而輔助因子則決定反應(yīng)類(lèi)型,參與電子,原子及基團(tuán)的傳遞當(dāng)前第3頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)(一)酶的組成形式輔助因子輔酶輔基與酶蛋白結(jié)合緊密,不能通過(guò)透析或超濾的方法去除
與酶蛋白結(jié)合疏松,可用透析或超濾的方法去除。輔助因子的化學(xué)本質(zhì)是金屬離子或小分子有機(jī)化合物,按其與酶蛋白結(jié)合的緊密程度不同可分為輔酶與輔基當(dāng)前第4頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)一、酶的組成(二)幾種重要輔基和輔酶見(jiàn)(P121~124)常見(jiàn)的輔酶和輔基有:輔酶I(NAD)和輔酶II(NADP)、輔酶A(CoA或CoASH)、FMN(黃素單核苷酸)和FAD(黃素腺嘌呤二核苷酸)、輔酶Q(CoQ)、磷酸腺苷及其他核苷酸類(lèi)(包括AMP、ADP、ATP、GTP、UTP、CTP等)。專(zhuān)性厭氧菌特有的輔酶:輔酶M、F420(輔酶420)、F430(輔酶430)等。當(dāng)前第5頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)二、酶的必需基團(tuán)活性中心活性中心外必需基團(tuán)必需基團(tuán)活性中心內(nèi)必需基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)催化基團(tuán)結(jié)合底物催化底物概念:酶與底物直接結(jié)合并發(fā)揮催化作用的區(qū)域。不參與活性中心構(gòu)成,穩(wěn)定酶分子的空間結(jié)構(gòu)當(dāng)前第6頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)活性中心外必需基團(tuán)
酶的活性中心
多肽鏈底物分子活性中心內(nèi)必需基團(tuán)
催化基團(tuán)
結(jié)合基團(tuán)
二、酶的必需基團(tuán)活性中心當(dāng)前第7頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)三、酶的催化特性
酶作為生物催化劑,具有一般催化劑的特征:(1)能加快化學(xué)反應(yīng)的速度,而本身在反應(yīng)前后沒(méi)有結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改變;(2)只能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡所需要的時(shí)間而不能改變反應(yīng)的平衡點(diǎn)。酶作為一種生物大分子又有其不同與一般催化劑之處當(dāng)前第8頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)三、酶的催化特性1
專(zhuān)一性高酶對(duì)底物及催化的反應(yīng)有嚴(yán)格的選擇性(專(zhuān)一性),一種酶僅能作用于一種物質(zhì)或一類(lèi)結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì),發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng),這種對(duì)底物的選擇性稱(chēng)為酶的專(zhuān)一性。如蛋白酶只能水解蛋白質(zhì)、脂肪酶只能水解脂肪、而淀粉酶只能作用于淀粉。2反應(yīng)條件溫和酶催化的反應(yīng)是在常溫、常壓和近中性的溶液條件下進(jìn)行。酶本身是蛋白質(zhì),故強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫、高壓、紫外線(xiàn)、重金屬鹽等一切導(dǎo)致蛋白質(zhì)不可逆變性的因素,都能使酶受到破壞而喪失其催化活性。當(dāng)前第9頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)3、催化效率高
酶催化反應(yīng)的速率比非催化反應(yīng)高108-1020倍,比非生物催化劑高107-1013倍。如過(guò)氧化氫酶催化過(guò)氧化氫分解的的反應(yīng),若用鐵離子作為催化劑,反應(yīng)速率為6×10-4;若用過(guò)氧化氫酶催化,反應(yīng)速率為6×106。酶能高效催化主要是能降低反應(yīng)的活化能。4、酶積極參與生物化學(xué)反應(yīng),不改變反應(yīng)的平衡點(diǎn)三、酶的催化特性當(dāng)前第10頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)四、酶的分類(lèi)與命名(一)酶的分類(lèi)1、國(guó)際系統(tǒng)分類(lèi)法及酶的編號(hào)按酶所催化的化學(xué)反應(yīng)類(lèi)型,把酶化分為6類(lèi),即1、水解酶類(lèi):是催化大分子有機(jī)物水解成小分子的酶。2、氧化還原酶類(lèi):是催化氧化還原反應(yīng)的酶。3、轉(zhuǎn)移酶類(lèi):是催化底物因團(tuán)轉(zhuǎn)移到另一有機(jī)物上的酶。4、異構(gòu)酶類(lèi):催化同分異構(gòu)分子內(nèi)的基團(tuán)重新排列。5、裂解酶類(lèi):催化有機(jī)物裂解分小分子有機(jī)物。6、合成酶類(lèi):催化底物的合成反應(yīng)。當(dāng)前第11頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)四、酶的分類(lèi)與命名(二)酶的命名1、按酶在細(xì)胞的不同部位,可把酶分為:胞外酶、胞內(nèi)酶和表面酶。2、按酶作用底物的不同,可把酶分為:淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶、核糖核酸酶。當(dāng)前第12頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)四、酶的分類(lèi)與命名(三)根據(jù)酶蛋白分子特點(diǎn)又可將酶分為三類(lèi)1、單體酶只有一條多肽鏈,屬于這一類(lèi)的酶很少,一般都是催化水解反應(yīng)酶,分子量在13,000~35,000之間,如溶菌酶、胰蛋白酶等。2、寡聚酶
由幾個(gè)甚至幾十個(gè)亞基組成,這些亞基可以是相同的多肽鏈,也可以是不同的多肽鏈。亞基之間不是共價(jià)結(jié)合,彼此很容易分開(kāi)。寡聚酶分子量從35,000到幾百萬(wàn)。3、多酶體系
是由幾種酶彼此嵌合形成的復(fù)合體。它有利于一系列反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行。例如在脂肪合成中的脂肪酸合成酶復(fù)合體。當(dāng)前第13頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)第二節(jié)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)1.米氏方程I)20世紀(jì),提出的酶——底物復(fù)合物的形成和過(guò)度態(tài)概念E+SESE+PE、S、ES、P分別代表酶、底物、中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物II)1894年Fischer提出了鎖和鑰匙模型III)1958年Koshland提出了誘導(dǎo)契合模型當(dāng)前第14頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)鎖鑰學(xué)說(shuō):當(dāng)前第15頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō):底物的誘導(dǎo)才形成互補(bǔ)形狀
當(dāng)前第16頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)
第二節(jié)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)1913年Michaelis和Menten提出三假設(shè)1)反應(yīng)速度為初速度,即反應(yīng)剛剛開(kāi)始,產(chǎn)物生成量極少,忽略逆反應(yīng);2)底物濃度(S)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于酶的濃度(E);3)反應(yīng)處于穩(wěn)態(tài),即中間產(chǎn)物生成和分解的速率相等。Km—米氏常數(shù)Vmax—最大反應(yīng)速率一、米氏方程當(dāng)前第17頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)
一、米氏方程Km的物理意義Km值是當(dāng)酶反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時(shí)的底物濃度。單位是底物濃度的單位,一般用mol/L或mmol/L表示。計(jì)算:底物濃度—反應(yīng)速度當(dāng)前第18頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)
當(dāng)pH、溫度和離子強(qiáng)度等因素不變時(shí),Km是恒定的。Km是酶的特征性常數(shù)之一,Km值的大小,可以近似地表示酶和底物的親和力。Km值大,意味著酶和底物親和力小。米氏方程只適應(yīng)于較為簡(jiǎn)單的酶促反應(yīng)。
一、米氏方程當(dāng)前第19頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)莫諾德模式Monod基質(zhì)濃度(S)比增殖速率(μ)一級(jí)反應(yīng)區(qū)(n=1)混合級(jí)反應(yīng)區(qū)(0<n<1)零級(jí)反應(yīng)區(qū)(n=0)Ks
莫諾德于1942年和1950年曾兩次進(jìn)行了單一基質(zhì)的純菌種培養(yǎng)試驗(yàn),關(guān)聯(lián)出微生物比增殖速率和基質(zhì)濃度之間的關(guān)系,如右圖所示?;钚晕勰喾磻?yīng)動(dòng)力學(xué)方程莫諾德發(fā)現(xiàn)微生物比增殖速率和基質(zhì)濃度之間的關(guān)系與酶促反應(yīng)速度與基質(zhì)濃度之間的關(guān)系相同,從而提出了與米—門(mén)方程式相似的莫諾德模式當(dāng)前第20頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)1μ—微生物比增殖速率,d-1;μmax—微生物最大比增殖速率,d-1;S—溶液中限制微生物生長(zhǎng)的基質(zhì)濃度,mg/L、g/m3;莫諾模式Monod基質(zhì)濃度(S)比增殖速率(μ)一級(jí)反應(yīng)區(qū)(n=1)混合級(jí)反應(yīng)區(qū)(0<n<1)零級(jí)反應(yīng)區(qū)(n=0)KsKs—飽和常數(shù)。即當(dāng)μ=μmax/2時(shí)的基質(zhì)濃度,故又稱(chēng)為半速度常數(shù),mg/L、g/m3?;钚晕勰喾磻?yīng)動(dòng)力學(xué)方程當(dāng)前第21頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)假設(shè):微生物比增殖速率(μ)與基質(zhì)比降解速率(v)呈比例關(guān)系,即式中:-基質(zhì)比降解速率,d-1;-基質(zhì)最大比降解速率,d-1?;|(zhì)比降解速率(v),可以用莫諾模式加以描述:對(duì)廢水處理來(lái)說(shuō),有機(jī)物的降解是其基本目的,因此,式2的實(shí)際意義較大2活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程當(dāng)前第22頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)三、影響酶促反應(yīng)速率的因素
1、底物濃度對(duì)酶反應(yīng)速度的影響在底物濃度很低時(shí),一級(jí)反應(yīng)隨著底物濃度升高,混合級(jí)反應(yīng)繼續(xù)增大底物濃度,零級(jí)反應(yīng)基質(zhì)濃度(S)比增殖速率(μ)一級(jí)反應(yīng)區(qū)(n=1)混合級(jí)反應(yīng)區(qū)(0<n<1)零級(jí)反應(yīng)區(qū)(n=0)Ks當(dāng)前第23頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)2.酶濃度對(duì)酶促反應(yīng)的影響在一定溫度和pH條件下,當(dāng)?shù)孜餄舛却蟠蟪^(guò)酶的濃度時(shí),酶的濃度與反應(yīng)速率呈正比,但在一定條件下,酶的濃度很高時(shí),曲線(xiàn)會(huì)逐漸向平緩,這可能是高濃度的酶分子影響了分子擴(kuò)散,阻礙了酶的活性中心和底物的結(jié)合。三、影響酶促反應(yīng)速率的因素
當(dāng)前第24頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)3、溫度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響各種酶在最適溫度范圍內(nèi),酶活性最強(qiáng),酶促反應(yīng)速度最大。在適宜的溫度范圍內(nèi),溫度每升高100C,酶促反應(yīng)速度可相應(yīng)提高1~2倍。用溫度系數(shù)Q10來(lái)表示溫度對(duì)酶促反應(yīng)的影響。Q10表示溫度每升高100C,酶反應(yīng)速度隨之相應(yīng)提高的因素。三、影響酶促反應(yīng)速率的因素
當(dāng)前第25頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)一般微生物的溫度最適范圍在25-60℃。溫度的影響存在三基點(diǎn):最高、最適、最低。溫度過(guò)高會(huì)破壞酶蛋白,造成變性;(約60℃)溫度過(guò)低會(huì)使酶作用降低或停止,但可以恢復(fù)。(約4℃)不同微生物的溫度適應(yīng)范圍不同。三、影響酶促反應(yīng)速率的因素
當(dāng)前第26頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)4、pH對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響酶反應(yīng)介質(zhì)pH可影響酶分子,特別是活性中心上必需基團(tuán)的解離程度和催化基團(tuán)中質(zhì)子供體或質(zhì)子受體所需的離子化狀態(tài),同時(shí)也可影響底物和酶的解離程度,從而影響酶與底物的結(jié)合。三、影響酶促反應(yīng)速率的因素
當(dāng)前第27頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)5、抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響
酶是蛋白質(zhì),凡使酶蛋白變性而起酶活力喪失的作用稱(chēng)為失活作用。凡使酶活力下降,但并不引起酶蛋白變性的作用稱(chēng)為抑制作用。所以,抑制作用與變性作用是不同的。引起酶蛋白變性,但能與酶分子上的某些必需基團(tuán)(主要是指酶活性中心上的一些基團(tuán))發(fā)生化學(xué)反應(yīng),因而引起酶活力下降,甚至喪失,致使酶反應(yīng)速度降低。能引起這種抑制作用的物質(zhì)叫做酶的抑制劑。三、影響酶促反應(yīng)速率的因素
當(dāng)前第28頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)根據(jù)抑制劑與酶作用方式及抑制作用是否可逆,可將抑制作用分為兩大類(lèi)。(1)不可逆的抑制作用:這類(lèi)抑制劑通常以比較牢固的共價(jià)鍵與酶蛋白中的基團(tuán)結(jié)合,而使酶失活。不能用透析、超濾等方法除去抑制劑而恢復(fù)酶活性。2)可逆的抑制作用:這類(lèi)抑制劑與酶蛋白的結(jié)合是可逆的,可用透析法除去抑制劑,恢復(fù)酶的活性。根據(jù)抑制劑與底物的關(guān)系,可逆抑制作用分為三種類(lèi)型:三、影響酶促反應(yīng)速率的因素
當(dāng)前第29頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)①概念:抑制劑與底物競(jìng)爭(zhēng)酶的結(jié)合部位,從而影響了底物與酶的正常結(jié)合。最常見(jiàn)的一種可逆抑制作用。②原因:抑制劑與底物的結(jié)構(gòu)類(lèi)似,與酶可形成可逆的復(fù)合物,但此復(fù)合物不可能分解成產(chǎn)物,酶反應(yīng)速率下降。
增加底物濃度可解除這種抑制。(一)競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用(Competitiveinhibition)當(dāng)前第30頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)③競(jìng)爭(zhēng)性抑制的特征
(一)競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用(Competitiveinhibition)1.抑制劑結(jié)構(gòu)與底物相似;2.抑制劑結(jié)合的部位是酶的活性中心;3.抑制作用的大小取決于抑制劑與底物的相對(duì)濃度,在抑制劑濃度不變時(shí),通過(guò)增加底物濃度可以減弱甚至解除競(jìng)爭(zhēng)性抑制;4.Vmax不變,Km增大當(dāng)前第31頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)概念:底物和抑制劑同時(shí)與酶結(jié)合,兩者沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)作用。抑制劑(I)和底物(S)可以同時(shí)結(jié)合在酶分子(E)的不同部位上,形成ESI三元復(fù)合物。但是,中間產(chǎn)物ESI三元復(fù)合物不能進(jìn)一步分解為產(chǎn)物,酶活力降低。(二)非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用noncompetitiveinhibition)當(dāng)前第32頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)特征1.抑制劑與底物結(jié)構(gòu)不相似;2.抑制劑結(jié)合的部位在酶活性中心外;3.抑制作用的強(qiáng)弱取決于抑制劑的濃度,此種抑制不能通過(guò)增加底物濃度而減弱或消除;4.Vmax下降,Km不變(二)非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用noncompetitiveinhibition)當(dāng)前第33頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)①概念酶只有與底物結(jié)合后,才能與抑制劑結(jié)合。與抑制劑結(jié)合后的三元復(fù)合物不能形成產(chǎn)物。(二)反競(jìng)爭(zhēng)性抑制(uncompetitiveinhibition)②特征Vmax和Km值均降低。當(dāng)前第34頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)微生物從外界不斷地吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),在體內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng),將復(fù)雜的有機(jī)物分解成簡(jiǎn)單的有機(jī)物的同時(shí),也將其中一部分轉(zhuǎn)化為細(xì)胞自身的物質(zhì)成分,維系自身的生長(zhǎng)和繁殖;同時(shí)將產(chǎn)生的廢物排出體外,這一過(guò)程稱(chēng)之為新陳代謝。第三節(jié)微生物的代謝概述當(dāng)前第35頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)新陳代謝(metabolism)1、按活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)分:
分解代謝(catabolism)大分子小分子(能量,細(xì)胞組分的前體)
合成代謝(anabolism)小分子大分子(酶,結(jié)構(gòu)組分等)第三節(jié)微生物的代謝概述當(dāng)前第36頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)第三節(jié)微生物的代謝概述能量與代謝關(guān)系示意圖當(dāng)前第37頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)(一)微生物的生物氧化和產(chǎn)能
微生物的生物氧化本質(zhì)是氧化還原反應(yīng),這過(guò)程中有能量的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移、還原力[H]的產(chǎn)生、小分子中間代謝物的產(chǎn)生。微生物產(chǎn)生各種能量如電能、化學(xué)能、機(jī)械能、光能等。在所產(chǎn)生的能量中,一部分變?yōu)闊崃繂适?,一部分供給合成反應(yīng)和生命活動(dòng),另一部分貯存在ATP中。微生物的能源主要包括有機(jī)物、無(wú)機(jī)物和日光,能量代謝的主要內(nèi)容就是研究微生物如何利用這三類(lèi)能源轉(zhuǎn)化為ATP的。第四節(jié)微生物的分解代謝當(dāng)前第38頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)1、底物水平磷酸化:厭氧或兼性厭氧微生物在底物氧化過(guò)程中,產(chǎn)生多種含有高能磷酸鍵化合物,這些高能化合物能將能量轉(zhuǎn)移給ADP,成為ATP,如1,3-二磷酸甘油酸和磷酸烯醇式丙酮酸。2、呼吸鏈與氧化磷酸化:是主要的能量來(lái)源。氧化磷酸化作用是將生物氧化過(guò)程中釋放出的自由能轉(zhuǎn)移形成高能ATP的作用,能量的轉(zhuǎn)移通過(guò)電子傳遞鏈實(shí)現(xiàn),ATP的生成基于與電子傳遞相偶聯(lián)的磷酸化作用。氧化磷酸化的全過(guò)程可表示為:NADH+H++3ADP+3Pi+1/2O2→NAD++4H2O+3ATP(二)ATP的生成方式有:第四節(jié)微生物的分解代謝當(dāng)前第39頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)呼吸鏈:在分解過(guò)程中,代謝物脫下的氫經(jīng)多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞,最終于氧結(jié)合生成水,并產(chǎn)生可利用的能量。這一系列遞氫體或電子的酶和輔酶/輔基形成電子傳遞體系叫呼吸鏈。電子傳遞鏈的位置,原核生物中電子傳遞鏈與細(xì)胞質(zhì)膜相連,真核微生物在線(xiàn)粒體上。
基本功能:a、接受電子供體釋放出的電子,電子沿各組分傳遞,最后由細(xì)胞色素氧化酶將電子傳給氧;b、合成ATP。第四節(jié)微生物的分解代謝脫氫酶黃素蛋白當(dāng)前第40頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)3、光合磷酸化:光引起葉綠素、菌綠素或菌紫素逐出電子,通過(guò)電子傳遞產(chǎn)生ATP的過(guò)程叫光合磷酸化。這種產(chǎn)能方式同氧化磷酸化的主要區(qū)別在于:氧化磷酸化是由高能化合物分子氧化驅(qū)動(dòng)的,而光合磷酸化是由光子驅(qū)動(dòng)的第四節(jié)微生物的分解代謝當(dāng)前第41頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)
產(chǎn)能(ATP)生物氧化的功能:產(chǎn)還原力[H]產(chǎn)小分子中間代謝物(一)、異養(yǎng)微生物的生物氧化呼吸生物氧化的二種類(lèi)型:發(fā)酵二、微生物的氧化類(lèi)型有氧呼吸無(wú)氧呼吸以分子態(tài)的氧作為最終電子受體的生物氧化過(guò)程。徹底氧化,放能最多以無(wú)機(jī)氧化物作為最終電子受體的生物氧化過(guò)程,如NO2-、NO3-、SO42-、CO32-及CO2等。不需要氧氣,放能多。電子供體是有機(jī)化合物,而最終電子受體也是有機(jī)化合物的生物氧化過(guò)程。不徹底氧化,放能最少。當(dāng)前第42頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)微生物細(xì)胞將有機(jī)物氧化釋放的電子直接交給底物未完全氧化的某中間產(chǎn)物,同時(shí)釋放能量,并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物的呼吸類(lèi)型叫發(fā)酵在發(fā)酵條件下,有機(jī)化合物只是部分地被氧化,只釋放出一小部分的能量。發(fā)酵的過(guò)程是與有機(jī)物的還原偶聯(lián)在一起的,被還原的物質(zhì)來(lái)自初始發(fā)酵的分解代謝,不需要外界提供電子受體。發(fā)酵的種類(lèi)很多,可發(fā)酵的底物有糖類(lèi)、有機(jī)酸、氨基酸等。1.發(fā)酵當(dāng)前第43頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)(1)糖酵解(EMP)糖酵解作用:無(wú)氧條件下,微生物通過(guò)一系列的酶促反應(yīng)對(duì)葡萄糖進(jìn)行分解,將1分子葡萄糖分解成2分子丙酮酸并提供能量的過(guò)程稱(chēng)為糖酵解作用。1.發(fā)酵1.EMP途徑(Embden-Meyerhof-ParnasPathway)即糖酵解(Glycolysis)途徑,指在細(xì)胞質(zhì)中分解葡萄糖生成丙酮酸的過(guò)程,此過(guò)程中伴有少量ATP的生成。在缺氧條件下丙酮酸被還原為乳酸,有氧條件下丙酮酸可進(jìn)一步氧化分解生成乙酰輔酶A(乙酰CoA)進(jìn)入三羧酸循環(huán),生成CO2和H2O。當(dāng)前第44頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)6碳階段無(wú)氧化還原反應(yīng)無(wú)ATP生成耗能3碳階段氧化還原反應(yīng)合成ATP產(chǎn)能葡萄糖-6-磷酸磷酸果糖二磷酸果糖酶
磷酸甘油醛脫氫酶1,3-二磷酸甘油酸
丙酮酸糖酵解(EMP)途徑當(dāng)前第45頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)EMP途徑反應(yīng)總反應(yīng)式:C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi→2CH3COCOOH+2ATP+2NADH+2H++2H2OC62C3耗能階段產(chǎn)能階段2ATP4ATP2ATP還原力2NADH+H+2丙酮酸糖酵解當(dāng)前第46頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)EMP是葡萄糖降解到丙酮酸的最常見(jiàn)途徑;多數(shù)微生物具有EMP途徑,存在于微生物的所有主要類(lèi)群中;產(chǎn)生能量ATP、還原力NADH和多種中間產(chǎn)物;連接其它代謝途徑(ED,HM,TCA)的橋梁;與多種發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)密切相關(guān);逆向可合成糖類(lèi)物質(zhì)。EMP途徑的生理功能當(dāng)前第47頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)
丙酮酸是各種微生物糖酵解的產(chǎn)物,如果進(jìn)一步發(fā)酵,可形成多種產(chǎn)物。因此,有可將發(fā)酵分為很多類(lèi)型:如乙醇發(fā)酵;混合酸發(fā)酵等。其中,混合酸發(fā)酵是多數(shù)大腸桿菌的特征。(2)發(fā)酵類(lèi)型根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物的不同,發(fā)酵類(lèi)型主要有乙醇發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、丙酮丁醇發(fā)酵和混合發(fā)酵等1.發(fā)酵當(dāng)前第48頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)微生物在分解過(guò)程中,將釋放出的氫或電子交給NAD(P)+、FAD或FMN等電子載體,再經(jīng)電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體,從而生成水或其他原型產(chǎn)物并釋放出能量的過(guò)程,稱(chēng)為呼吸作用,呼吸作用又分為有氧呼吸和無(wú)氧呼吸1)有氧呼吸
在分子氧存在的條件下,有機(jī)物脫氫后,經(jīng)完整呼吸鏈遞氫,最終以分子氧作為受氫體產(chǎn)生水,釋放ATP形式的能量過(guò)程叫有氧呼吸。2.呼吸當(dāng)前第49頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)在好氧呼吸過(guò)程中,底物在氧化過(guò)程中釋放的電子轉(zhuǎn)移給NAD,NAD還原成NADH2,電子轉(zhuǎn)移到電子傳遞鏈最終傳遞給O2,生成H2O。在好氧呼吸中,葡萄糖的氧化分解分為兩個(gè)階段:a、經(jīng)EMP途徑酵解,形成中間產(chǎn)物丙酮酸;b、丙酮酸通過(guò)TCA循環(huán)徹底氧化。2.呼吸(1)有氧呼吸階段當(dāng)前第50頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)TCA循環(huán):也稱(chēng)檸檬酸循環(huán)。由丙酮酸乙?;纬梢阴oA(乙酰輔酶A),乙酰CoA進(jìn)入三羧酸循環(huán),被徹底氧化為CO2、H2O的過(guò)程。乙酰CoA是一個(gè)重要的中間產(chǎn)物,它的乙?;c草酰乙酸結(jié)合生成檸檬酸。2.呼吸(2)三羧酸循環(huán)(TCA)NAD煙酰胺腺嘌呤二核苷酸,傳遞電子的輔酶
輔酶A,傳遞酰基
當(dāng)前第51頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)
1mol丙酮酸經(jīng)TCA產(chǎn)生3molCO2。好氧呼吸中1mol葡萄糖分子氧化分解可得到38molATP([4NAD×3+1FAD×2+1GTP]×2+2ATP+1NADP×3),利用能量的效率大約是42%,其余的能量以熱的形式散發(fā)掉。當(dāng)前第52頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)I)為有機(jī)體提供更多的能量,是機(jī)體利用糖和其他物質(zhì)氧化而獲得能量的最有效方式II)三羧酸循環(huán)是有氧代謝的樞紐,糖類(lèi)、脂肪和蛋白質(zhì)(氨基酸)的有氧分解代謝,都匯集在三羧酸循環(huán)的反應(yīng)中,三羧酸循環(huán)的中間代謝物優(yōu)勢(shì)許多生物合成途徑的起點(diǎn)。2.呼吸三羧酸循環(huán)(TCA)的生理意義當(dāng)前第53頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)2)無(wú)氧呼吸厭氧呼吸中最終電子受體不是氧而是無(wú)機(jī)化合物如NO2-、NO3-、SO42-、CO32-及CO2等。氧化底物是有機(jī)物如葡萄糖、乙酸、乳酸,被氧化為CO2,產(chǎn)生ATP。氧化態(tài)有機(jī)物如延胡索酸可作為最終電子受體。當(dāng)前第54頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)1、以NO3-作為最終電子受體在缺氧條件下,有些細(xì)菌能以某些有機(jī)物(可以是葡萄糖、乙酸、甲醇等有機(jī)物,也可以是H2和NH3)作為供氫體,以硝酸鹽作為最終電子受體。NO3-接受電子后變成NO2-、N2的過(guò)程叫脫氮作用,也叫反硝化作用或硝酸鹽還原作用,能進(jìn)行硝酸鹽還原的細(xì)菌通常稱(chēng)為硝酸鹽還原細(xì)菌.脫氮作用分兩步:a、NO3-→NO2-(硝酸還原酶);b、NO2-→N22)無(wú)氧呼吸A無(wú)氧呼吸的主要類(lèi)型當(dāng)前第55頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)2、硫酸鹽呼吸某些硫酸鹽還原菌如脫硫弧菌以有機(jī)物作為氧化的基質(zhì),釋放的電子可使SO42-還原為H2S。硫酸鹽還原菌不以葡萄糖而是其他細(xì)菌的發(fā)酵產(chǎn)物主要是乳酸為生物氧化基質(zhì),氧化不徹底,積累乙酸。2CH3CHOHCOOH+2H2O→2CH3COOH+CO2+8(H)SO42-+8(H)→S2-+4H2O當(dāng)SO42-還原為H2S時(shí),通過(guò)電子傳遞鏈產(chǎn)生ATP,其呼吸鏈只有細(xì)胞色素C。2)無(wú)氧呼吸當(dāng)前第56頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)
3、碳酸鹽呼吸這是產(chǎn)甲烷細(xì)菌的特點(diǎn)。產(chǎn)甲烷細(xì)菌都能以CO2為碳源,利用甲醇、乙醇、甲酸、乙酸、H2等作為供氫體,將CO2還原CH4。CO2在甲酰-MFR脫氫酶作用下獲得2個(gè)電子,首先與MFR反應(yīng)生成甲酰-MFR,而后甲?;D(zhuǎn)移到四氫甲烷喋呤,形成CHO-H4MPT,第二步是水解脫氫得到CH2=H4MPT,還原得到CH3-H4MPT,在輔酶M參與下,甲基移到輔酶M上形成CH3-S-CoM,最后還原酶將甲基還原得到CH4。2)無(wú)氧呼吸當(dāng)前第57頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)(二)自養(yǎng)微生物的生物氧化有些微生物可以從氧化無(wú)機(jī)物中獲取能量,同時(shí)合成細(xì)胞物質(zhì),這類(lèi)細(xì)菌稱(chēng)為化能自養(yǎng)微生物。它們?cè)跓o(wú)機(jī)能源氧化過(guò)程中通過(guò)氧化磷酸化產(chǎn)生ATP氨的氧化(硝化細(xì)菌)硫的氧化(硫細(xì)菌)鐵的氧化(鐵細(xì)菌)氫的氧化(氫細(xì)菌)當(dāng)前第58頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)三、微生物的生物氧化與環(huán)境工程(一)異養(yǎng)微生物的生物氧化與環(huán)境工程1.發(fā)酵與環(huán)境工程
首先,復(fù)雜的有機(jī)物被生物處理系統(tǒng)中微生物發(fā)酵水解為簡(jiǎn)單小分子化合物,這一步是所有有機(jī)物質(zhì)生物分解的共同途徑無(wú)氧條件下,有機(jī)物最終生成CH4、CO2和H2等,即厭氧生物處理污水過(guò)程有氧條件下,被徹底氧化成CO2和H2O,即好氧生物處理污水過(guò)程當(dāng)前第59頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)2.有氧呼吸與環(huán)境工程
自然界中大部分有機(jī)污染物是通過(guò)好氧微生物種群在有氧呼吸中,將其分解為小分子物質(zhì)的。3.無(wú)氧呼吸與環(huán)境工程反硝化反應(yīng)厭氧發(fā)酵硫酸鹽的廢水處理(硫酸鹽還原菌)三、微生物的生物氧化與環(huán)境工程當(dāng)前第60頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)(二)自養(yǎng)微生物的生物氧化與環(huán)境工程
硝化細(xì)菌、氫細(xì)菌、硫化細(xì)菌和鐵細(xì)菌等這類(lèi)自養(yǎng)性微生物,能夠從無(wú)機(jī)物氧化過(guò)程中獲取能量,并以CO2作為唯一碳源或主要碳源進(jìn)行生長(zhǎng)。
在污水處理的消化階段,硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌就是利用無(wú)機(jī)碳(CO2、CO32-、HCO3-)作為碳源通過(guò)對(duì)NH3、NH4+的氧化反應(yīng)來(lái)獲取能量的三、微生物的生物氧化與環(huán)境工程當(dāng)前第61頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)第五節(jié)微生物的合成代謝一、自養(yǎng)微生物的合成
自養(yǎng)微生物將生物氧化過(guò)程中取得的能量主要用于CO2的固定,然后再進(jìn)一步合成糖、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等細(xì)胞組成,大多數(shù)自養(yǎng)微生物通過(guò)卡爾文循環(huán)固定CO2,Calvin循環(huán)又稱(chēng)核酮糖二磷酸途徑、還原性戊糖途徑、三碳循環(huán)。Calvin循環(huán)的過(guò)程分為以下三個(gè)階段。1.CO2固定階段(羧化反應(yīng))1,5-二磷酸核酮糖通過(guò)二磷酸羧化酶將CO2固定生成3-磷酸甘油酸。當(dāng)前第62頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)2.固定CO2的還原階段3-磷酸甘油酸上羥基被還原成醛的反應(yīng),這種轉(zhuǎn)化是經(jīng)過(guò)逆向EMP途徑進(jìn)行的。第五節(jié)微生物的合成代謝甘油醛-3-磷酸在Calvin循環(huán)中起到及其關(guān)鍵的作用當(dāng)前第63頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)3.CO2受體的再生第五節(jié)微生物的合成代謝來(lái)自甘油醛-3-三磷酸和果糖-6-磷酸或者是兩個(gè)甘油醛-3-磷酸當(dāng)前第64頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)Calvin循環(huán)一輪循環(huán)中,新生葡萄糖的6個(gè)碳中只有一個(gè)來(lái)自CO2,其余5個(gè)碳來(lái)自受體核酮糖-1,5-二磷酸,因此全部由CO2合成一個(gè)葡萄糖必須用6個(gè)CO2第五節(jié)微生物的合成代謝Calvin循環(huán)-6分子CO2還原成1分子果糖-6-磷酸的過(guò)程。1為核酮糖二磷酸羧化酶2為磷酸核酮糖激酶CO2的固定階段CO2還原階段CO2受體的再生當(dāng)前第65頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)Calvin循環(huán)總式:6CO2+12NAD(P)H2+18ATPC6H12O6+12NAD(P)+18ADP+Pi
Calvin循環(huán)是自養(yǎng)微生物單糖的主要來(lái)源,是其他單糖和糖衍生物合成的起點(diǎn),還是其他有機(jī)物合成的基礎(chǔ)二、異養(yǎng)微生物的合成略第五節(jié)微生物的合成代謝合成代謝三要素——小分子物質(zhì)、還原力、ATP當(dāng)前第66頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)三、微生物的合成代謝與環(huán)境工程第五節(jié)微生物的合成代謝微生物代謝將有機(jī)物分解為CO2、H2O和各種代謝產(chǎn)物微生物利用代謝釋放的能量將分解有機(jī)物過(guò)程中產(chǎn)生的如丙酮酸、乙酰輔酶A、草酰乙酸和三磷酸甘油醛,作為原料,合成自身復(fù)雜的細(xì)胞組成物質(zhì)分解合成細(xì)胞的增長(zhǎng)繁殖當(dāng)前第67頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)第六節(jié)微生物對(duì)污染物的代謝與轉(zhuǎn)化一、微生物降解污染物的巨大潛力1.誘導(dǎo)酶
微生物可能有降解某種污染物的基因,但當(dāng)該污染物不存在時(shí),基因處于“關(guān)閉”狀態(tài),污染物(誘導(dǎo)物)一旦出現(xiàn),基因便被“打開(kāi)”,從而合成相應(yīng)的酶,微生物即可降解這種污染物。2.具有降解質(zhì)粒
微生物分解某些難降解污染物的能力受細(xì)胞內(nèi)質(zhì)粒的控制,質(zhì)粒上有編碼分解某污染物的酶的基因,降解性質(zhì)粒的研究具有重大的理論和實(shí)踐意義,特別是利用遺傳工程的方法組建“超級(jí)菌”,可大大提高處理效率當(dāng)前第68頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)3.微生物的易變異
微生物與其他生物相比,易發(fā)生變異。當(dāng)環(huán)境中存在某些污染物時(shí),會(huì)誘發(fā)形成突變體,微生物分泌相應(yīng)的酶,以降解這些污染物。然而,在自然狀態(tài)下,這種突變頻率很低,因此可采用人工誘變或分子遺傳的手段構(gòu)建降解特殊污染物的“工程菌”,對(duì)治理污染會(huì)帶來(lái)更大的突破。二、影響微生物降解與轉(zhuǎn)化污染物的生態(tài)學(xué)因素(一)物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)一般來(lái)講,小分子和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的物質(zhì)比大分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物質(zhì)易被分解,這是因?yàn)榇蠓肿游镔|(zhì)必須在胞外酶的作用下降解成小分子物質(zhì)后方能進(jìn)人細(xì)胞。另外,化合物的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜越難與酶的活性中心接近,因而,難以被酶降解。第六節(jié)微生物對(duì)污染物的代謝與轉(zhuǎn)化當(dāng)前第69頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)
結(jié)構(gòu)基團(tuán)的性質(zhì)、數(shù)目及位置直接干擾微生物的降解性。如各種羧酸易被生物降解,而氯代或溴代羧酸則難以降解;氯苯比苯難以降解,且氯原子越多,難度越大;苯酚和苯胺卻比苯易被生物降解。三、微生物對(duì)污染物的代謝途徑中心途徑是糖類(lèi)物質(zhì)從復(fù)雜多聚物產(chǎn)生的單糖,經(jīng)葡糖糖、丙酮酸進(jìn)一步氧化成CO2和H2O。旁支途徑是不同的微生物以及不同條件下所產(chǎn)生的代謝途徑,在局部上所發(fā)生的明顯改變。有機(jī)污染物代謝的基本過(guò)程包括:向基質(zhì)接近,基質(zhì)表面的吸附,分泌胞外酶,可滲透物質(zhì)的吸收和胞內(nèi)代謝。第六節(jié)微生物對(duì)污染物的代謝與轉(zhuǎn)化當(dāng)前第70頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)有些難降解的物質(zhì)如農(nóng)藥、石油烴等不能作為微生物的生長(zhǎng)基質(zhì),但這些污染物卻可以被微生物降解并消失,這是共代謝的結(jié)果。
共代謝(又稱(chēng)為協(xié)同代謝或輔代謝)。共代謝是指微生物依賴(lài)可利用碳源和能源在正常生長(zhǎng)過(guò)程中氧化非生長(zhǎng)基質(zhì)(目標(biāo)污染物)的過(guò)程。即微生物在有它可利用的惟一碳源存在時(shí),對(duì)它原來(lái)不能利用的物質(zhì)也能分解代謝的現(xiàn)象。四共代謝的原理與應(yīng)用當(dāng)前第71頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)在微生物共代謝反應(yīng)中產(chǎn)生非專(zhuān)一性的酶,為關(guān)鍵酶。關(guān)鍵酶是一種誘導(dǎo)酶。共代謝對(duì)難降解化合物的分解有很重要的作用,通過(guò)共代謝作用可以提高微生物降解難降解物質(zhì)的效率選擇到合適的菌種,通過(guò)共代謝可使多種有機(jī)污染物得到徹底降解。四共代謝的原理與應(yīng)用當(dāng)前第72頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)微生物對(duì)有機(jī)物的分解作用簡(jiǎn)稱(chēng)生物分解或生物降解。污水中一些大分子化合物不能透過(guò)細(xì)胞膜質(zhì),必須經(jīng)過(guò)微生物分泌的胞外水解酶水解,形成小分子后,才能被吸收。微生物對(duì)污染物分解過(guò)程可分三個(gè)階段五微生物對(duì)自然有機(jī)物的降解污水中蛋白質(zhì),多糖,及脂類(lèi)等大分子化合物氨基酸、單糖脂肪酸等小分子物質(zhì)胞外酶小分子進(jìn)一步被降解成更簡(jiǎn)單的乙酰輔酶A,丙酮酸以及能進(jìn)入三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物會(huì)產(chǎn)生ATP完全降解生成CO2,產(chǎn)生ATP、NADH及FADH2三羧酸循環(huán)當(dāng)前第73頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)五微生物對(duì)自然有機(jī)物的降解(一)蛋白質(zhì)的代謝
蛋白質(zhì)是有氨基酸組成的,分子巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物。微生物對(duì)氨基酸的分解,主要是脫氨作用和脫羧作用1.脫氨作用1)氧化脫氨:脫氨方式須在有氧條件下進(jìn)行,專(zhuān)性厭氧菌不能進(jìn)行氧化脫氨
當(dāng)前第74頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)2)還原脫氨還原脫氨在無(wú)氧條件下,生成飽和脂肪酸。能進(jìn)行還原脫氨的微生物是專(zhuān)性厭氧菌和兼性厭氧菌。(一)蛋白質(zhì)的代謝當(dāng)前第75頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)3)水解脫氨氨基酸水解脫氨后生成羥酸(一)蛋白質(zhì)的代謝當(dāng)前第76頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)4)減飽和脫氨(直接脫氨)氨基酸在脫氨的同時(shí),其α、β鍵減飽和,結(jié)果生成不飽和酸。(一)蛋白質(zhì)的代謝當(dāng)前第77頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)2.脫羧作用
氨基酸脫羧作用多數(shù)是由腐敗細(xì)菌和霉菌引起的,經(jīng)脫羧后生成胺。二元胺對(duì)人有毒(一)蛋白質(zhì)的代謝(二)脂肪代謝(三)碳水化合物的分解當(dāng)前第78頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)(1)降解石油的微生物種類(lèi)能降解石油的微生物很多,已報(bào)道的有70多個(gè)屬200多種,其中細(xì)菌28個(gè)屬,酵母菌12個(gè)屬,其余為放線(xiàn)菌和霉菌。土壤中真菌是石油的主要分解者。石油烴降解菌的數(shù)量直接反映環(huán)境受烴污染的程度,當(dāng)環(huán)境受石油烴污染后,利用烴的微生物的數(shù)量相應(yīng)增加。六、微生物對(duì)有毒污染物的分解和轉(zhuǎn)化當(dāng)前第79頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期五\23點(diǎn)(2)影
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