第六章 微生物的代谢和发酵.docx
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第六章微生物的代谢和发酵
第六章微生物的代谢和发酵
第一节微生物的能量代谢 第二节分解代谢和合成代谢间的联系
第三节微生物独特合成代谢途径举例 第四节微生物的代谢调控与发酵生产
第六章微生物的代谢和发酵
新陈代谢（metabolism）简称代谢，是指发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和，即：
新陈代谢=分解代谢+合成代谢
分解代谢是指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和还原力（或称还原当量，一般用[H]来表示）的作用；合成代谢与分解代谢正好相反，是指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和[H]形式的还原力一起合成复杂的大分子的过程。
分解代谢与合成代谢的含义及其间的关系可简单地表示为：
分解代谢与合成代谢间有着极其密切的联系，这些联系将放在第二节中讨论。
一切生物，在其新陈代谢的本质上既存在着高度的统一性，同时，不同的生物间又存在着明显的特殊性。
有关统一性的问题主要在普通生物化学课程中讨论，这里由于篇幅和重点的关系，在简要地概括微生物能量代谢及其在微生物生命活动中的功能外，将更多地讨论有关微生物代谢的特殊性问题。
第一节微生物的能量代谢
因为一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢就成了新陈代谢中的核心问题。
能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源——ATP*。
对微生物来说，它们可利用的最初能源不外乎有机物、日光和还原态无机物三大类，因此，研究其能量代谢的机制实质上就是追踪这三类最初能源如何一步步地转化并释放出ATP的过程，即：
一、化能异养微生物的生物氧化和产能
生物氧化就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。
生物氧化与非生物氧化即燃烧有着若干相同点和不同点，相同点是它们的总效应都是通过有机物的氧化反应而释放出其中的化学潜能，不同点有很多，可见表6-1。
生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢或失去电子三种；生物氧化的过程可分脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）三个阶段；生物氧化的功能则有产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物三种。
以下我们按底物（基质）脱氢的三个阶段以及各阶段的类型和细节的顺序来讨论化能异养微生物的生物氧化及其产能效应。
（一）底物脱氢的四条主要途径
这里以葡萄糖作为典型的生物氧化底物，它的脱氢阶段主要可通过四条途径，每条途径既有脱氢、产能的功能，又有产多种形式小分子中间代谢物以供合成反应作原料的功能。
在讨论中除着重讨论它们的产能功能外，还附带介绍它们的一些其他重要功能。
底物脱氢的途径及其与递氢、受氢阶段联系的概貌见图6-1。
1．EMP途径（Embdem-Meyerhof-ParnasPathway）
EMP途径又称糖酵解途径（glycolysis）或己糖二磷酸途径（hexosediphosphatepathway）。
它是以1分子葡萄糖为底物，约经过10步反应而产生2分子丙酮酸和2分子ATP的过程。
在其总反应中，可概括成两个阶段（耗能和产能）、三种产物（NADH＋H+*、丙酮酸和ATP）和10个反应步骤。
EMP途径的简式可见图6-2。
在图6-2的产物中，2NADH＋H+在有氧条件下可经呼吸链的氧化磷酸化反应产生6ATP，在无氧条件下，则可还原丙酮酸产生乳酸或还原丙酮酸的脱羧产物——乙醛而产生乙醇。
EMP途径的总反应式为：
C6H12O6＋2NAD+＋2ADP＋2Pi→2CH3COCOOH＋2NADH＋2H+＋2ATP＋2H2O有关EMP途径的反应细节见图6-3。
EMP途径是绝大多数生物所共有的基本代谢途径，因而也是酵母菌、真菌和多数细菌所具有的代谢途径。
在有氧条件下，EMP途径与TCA途径连接，并通过后者把丙酮酸彻底氧化成CO2和H20。
在无氧条件下，丙酮酸或其进一步代谢后所产生的乙醛等产物被还原，从而形成乳酸或乙醇等发酵产物。
EMP途径的反应过程分10步，即：
（1）葡萄糖形成葡糖-6-磷酸。
不同菌种通过不同方式实现这步反应。
在酵母菌、真菌和许多假单胞菌等好氧细菌中，通过需要Mg2+和ATP的己糖激酶来实现（此反应在细胞内为不可逆反应）；在大肠杆菌和链球菌等兼性厌氧菌中，可借磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸转移酶系统（见第五章第三节）在葡萄糖进入细胞之时即完成了磷酸化。
（2）葡糖-6-磷酸经磷酸己糖异构酶异构成果糖-6-磷酸。
（3）果糖-6-磷酸通过磷酸果糖激酶催化成果糖-1，6-二磷酸。
磷酸果糖激酶是EMP途径中的一个关键酶，故它的存在就意味着该微生物具有EMP途径。
与己糖激酶相似的是，磷酸果糖激酶也需要ATP和Mg2+，且在活细胞内催化的反应是不可逆的。
（4）果糖-1，6-二磷酸在果糖二磷酸醛缩酶的催化下，分裂成二羟丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸两个丙糖磷酸分子。
果糖二磷酸醛缩酶不但在葡萄糖降解中十分重要，而且对葡糖异生作用（gluconeogenesis）即对由非碳水化合物前体逆向合成己糖的反应也很重要。
另外，二羟丙酮磷酸在糖代谢和脂类代谢中还是一个重要的连接点，因为它可被还原成甘油磷酸而用于脂类的合成中。
（5）二羟丙酮磷酸在丙糖磷酸异构酶的作用下转化成甘油醛-3-磷酸。
虽然在反应（4）中产生等分子的丙糖磷酸，但二羟丙酮磷酸只有转化为甘油醛-3-磷酸后才能进一步代谢下去。
因此，己糖分子至此实际上已生成了2分子甘油醛-3-磷酸。
此后的代谢反应在所有能代谢葡萄糖的微生物中都没有什么不同了。
（6）甘油醛-3-磷酸在甘油醛-3-磷酸脱氢酶的催化下产生1，3-二磷酸甘油酸。
此反应中的酶是一种依赖NAD+的含硫醇酶，它能把无机磷酸结合到反应产物上。
这一氧化反应由于产生一个高能磷酸化合物和一个NADH＋H+，所以从产能和产还原力的角度来看都是十分重要的。
（7）1，3-二磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶的催化下形成3-磷酸甘油酸。
此酶是一种依赖Mg2+的酶，它催化1，3-二磷酸甘油酸C-1位置上的高能磷酸基转移到ADP分子上，产生了本途径中的第一个ATP。
这是借底物水平磷酸化作用而产ATP的一个实例。
（8）3-磷酸甘油酸在磷酸甘油酸变位酶的作用下转变为2-磷酸甘油酸。
（9）2-磷酸甘油酸在烯醇酶作用下经脱水反应而产生含有一个高能磷酸键的磷酸烯醇式丙酮酸。
烯醇酶需要Mg2+、Mn2+或Zn2+等二价金属离子作为激活剂。
（10）磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶的催化下产生了丙酮酸，这时，磷酸烯醇式丙酮酸分子上的磷酸基团转移到ADP上，产生了本途径的第二个ATP，这是借底物水平磷酸化而产生ATP的又一个例子。
由上可知在无氧条件下，整个EMP途径的产能效率是很低的，即每一个葡萄糖分子仅净产2个ATP，但其中产生的多种中间代谢物不仅可为合成反应提供原材料，而且起着连接许多有关代谢途径的作用。
从微生物发酵生产的角度来看，EMP途径与乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇和丁二醇等大量重要发酵产物的生产有着密切的关系（详见本节“发酵”内容）。
2．HMP途径（hexosemonophosphatepathway）HMP途径即已糖一磷酸途径，有时也称戊糖磷酸途径、Warburg-Dickens途径或磷酸葡萄糖酸途径。
这是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH＋H+*形式的还原力和多种重要中间代谢物的代谢途径。
HMP途径的总反应可用一简图表示（图6-4）。
HMP途径可概括成三个阶段：
①葡萄糖分子通过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2；②核酮糖-5-磷酸发生同分异构化（isomerization）或表异构化（epimerization）而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸；③上述各种戊糖磷酸在没有氧参与的条件下发生碳架重排，产生了己糖磷酸和丙糖磷酸，然后丙糖磷酸可通过以下两种方式进一步代谢：
其一为通过EMP途径转化成丙酮酸再进入TCA循环进行彻底氧化，另一为通过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶的作用而转化为己糖磷酸。
以上三个阶段的细节见图6-5。
在图6-5的反应
（1）和
（2）中，产生的戊糖磷酸与还原力（NADPH＋H+）的比率为1∶2，即：
3葡萄糖-6-磷酸＋6NADP+＋3H2O→3戊糖-5-磷酸＋3CO2＋6NADPH＋6H+在图6-5的反应（3）中，其净效应为：
2木酮糖-5-磷酸＋核糖-5-磷酸
2果糖-6-磷酸＋甘油醛-3-磷酸
在一定条件下，上述反应中产生的甘油醛-3-磷酸也可通过生成葡萄糖的反应重新合成葡糖-6-磷酸，因此，HMP途径要进行一次周转就需要6个葡糖-6-磷酸分子同时参与（详细过程见图6-6），其总式为：
6葡糖-6-磷酸＋12NADP+＋6H2O—→5葡糖-6-磷酸＋12NADPH＋12H+＋12CO2＋Pi
HMP途径在微生物生命活动中有着极其重要的意义，具体表现在：
（1）为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。
（2）产生大量的NADPH2形式的还原剂，它不仅为合成脂肪酸、固醇等重要细胞物质之需，而且可通过呼吸链产生大量能量，这些都是EMP途径和TCA循环所无法完成的。
因此，凡存在HMP途径的微生物，当它们处在有氧条件下时，就不必再依赖于TCA循环以获得产能所需的NADH2了。
（3）如果微生物对戊糖的需要超过HMP途径的正常供应量时，可通过EMP途径与本途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处的连接来加以调剂。
（4）反应中的赤藓糖-4-磷酸可用于合成芳香氨基酸，如苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸。
（5）由于在反应中存在着C3～C7的各种糖，使具有HMP途径的微生物的碳源利用范围更广，例如它们可以利用戊糖作碳源。
（6）通过本途径而产生的重要发酵产物很多，例如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。
据研究，当以硝酸盐作为曲霉属一些菌种的氮源时，有关HMP途径酶的浓度要比长在其他氮源上时增高许多，这与硝酸盐还原酶催化时需要大量NADPH2是一致的。
又如，用放射呼吸测定技术（radiorespirometry）研究大肠杆菌对碳源（葡萄糖）的利用时，发现其中约有28％是进入HMP途径而氧化的，其余的72％则是通过EMP途径氧化的。
3．ED途径（Entner-Doudoroffpathway）ED途径又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。
此途径最早（1952）由Entner和Doudoroff两人在Pseudomonassaccharophila（嗜糖假单胞菌）中发现，接着许多学者证明它在细菌中广泛存在。
ED途径是少数缺乏完整EMP途径的微生物所具有的一种替代途径，在其他生物中还没有发现。
其特点是葡萄糖只经过4步反应即可快速获得由EMP途径须经10步才能获得的丙酮酸。
ED途径的总反应概貌和细节可见图6-7和6-8。
在ED途径中的关键反应是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解，其具体步骤见图6-9。
ED途径是少数EMP途径不完整的细菌例如Pseudomonasspp．（一些假单胞菌）和ZymomonassPP．（一些发酵单胞菌）等所特有的利用葡萄糖的替代途径，其特点是利用葡萄糖的反应步骤简单，产能效率低（1分子葡萄糖仅产1分子ATP，仅为EMP途径之半），反应中有一个6碳的关键中间代谢物——KDPG。
由于ED途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环等各种代谢途径相连接，因此可以相互协调，以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要，例如，通过与HMP途径连接可获得必要的戊糖和NADPH2等。
此外，在ED途径中所产生的丙酮酸对Zymomonasmobilis（运动发酵单胞菌）这类微好氧菌来说，可脱羧成乙醛，乙醛进一步被NADH2还原为乙醇。
这种经ED途径发酵产生乙醇的过程与传统的由酵母菌通过EMP途径生产乙醇不同，因此称作细菌酒精发酵。
利用Z.mobilis等细菌以生产酒精，是近年来正在开发的工业，它比传统的酵母酒精发酵有许多优点：
（1）代谢速率高，
（2）产物转化率高，（3）菌体生成少，（4）代谢副产物少，（5）发酵温度较高，以及（6）不必定期供氧等。
当然，细菌酒精发酵也有其缺点，主要是其生长PH为5，较易染菌（而酵母菌为pH3），其次是细菌耐乙醇力较酵母菌为低（前者约为7.0％，后者则为8～10％）。
在不同的微生物中，EMP、HMP和ED三途径在己糖分解代谢中的重要性是有明显差别的，有关实例可见表6-2。
4．三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle）三羧酸循环又称TCA循环、Krebs循环或柠檬酸循环。
这是一种循环方式的反应顺序，它在绝大多数异养微生物的氧化性（呼吸）代谢中起着关键性的作用。
在真核微生物中，TCA循环的反应在线粒体内进行，其中的大多数酶定位在线粒体的基质中；在原核生物例如细菌中，大多数酶都存在于细胞质内。
只有琥珀酸脱氢酶属于例外，它在线粒体或细菌中都是结合在膜上的。
三羧酸循环的主要反应产物见图6-10。
从产能的角度来看，如果把丙酮酸进入循环前的“入门反应”（gatewaystep）所产生的NADH+H+也计入的话，则每个丙酮酸分子的彻底氧化可高效地产生15个ATP。
有关三羧酸循环的反应细节见图6-11。
从TCA循环在微生物物质代谢中的地位来看，它在一切分解代谢和合成代谢中都占有枢纽的地位，因而也与微生物大量发酵产物例如柠檬酸、苹果酸、延胡索酸、琥珀酸和谷氨酸等的生产密切相关（图6-12）。
柠檬酸是葡萄糖经TCA循环而形成的最有代表性的发酵产物，在工业发酵中应用的菌种一般为Aspergillusniger（黑曲霉），柠檬酸的产生机制见图6-13。
从理论上来计算，1分子葡萄糖只能产生2/3分子的柠檬酸，即相当于每100g葡萄糖产生71.1g柠檬酸，可是，生产实践上却常可获得75～87g柠檬酸。
用同位素14CO2作实验后证明，在柠檬酸合成过程中，还伴随着大量的CO2固定，这就解释了上面提到的现象。
以上已经介绍了以葡萄糖为代表的生物氧化底物的四条主要脱氢途径，并简要地介绍了它们在产能、产还原力、分解或合成代谢以及生产发酵产物中的重要作用，有关它们在产能效率方面的简单比较可见表6-3。
（二）递氢和受氢
在生物体中，贮存在葡萄糖等有机物中的化学能，经上述的多种途径脱氢后，经过呼吸链（或称电子传递链）等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。
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呼吸（有氧呼吸）、无氧呼吸和发酵三种类型（图6-14）。
1．呼吸（respiration）呼吸是一种最普遍和最重要的生物氧化方式，其特点是底物按常规方式脱氢后，经完整的呼吸链[RC，respiratorychain，又称电子传递链（ETC，electrontransportchain）]递氢，最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量（ATP）。
由于呼吸必须在有氧条件下进行，因此又称有氧呼吸（aerobicrespiration）。
呼吸链是指位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上的由一系列氧化还原势不同的氢传递经（或电子传递体）组成的一组链状传递顺序，它能把氢或电子从低氧化还原势的化合物处传递给高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物，并使它们还原。
在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生ATP形式的能量。
组成呼吸链的氢或电子的载体，除醌类外，都是一些含有辅酶或辅基的酶，正是依靠这些辅酶或辅基才能实现它们在呼吸链中所执行的氧化还原功能。
每种辅酶或辅基在氧化与还原条件下，都有其特定的吸收光谱值，因此可通过分光光度计来确定呼吸链的组分及其所处的状态。
在微生物中最重要的呼吸链的组分，有以下几种：
（1）烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）*某些脱氢酶含有NAD+或NADP+形式的辅酶，能从还原性底物上移出1个氢离子（质子）和2个电子，而变成还原态的NAD（P）H+H+。
它们的结构和引起的氧化还原反应见图6-15。
（2）黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）和黄素单核苷酸（FMN）FAD和FMN是一类称为黄素蛋白（FP，flavoprotein）的脱氢酶的辅基，它们的活性基团是异咯嗪结构，其基本结构和递氢功能见图6-16。
（3）铁硫蛋白（Fe-S）是传递电子的氧化还原载体，这类小分子蛋白的辅基是其分子中含铁硫（有些为“2Fe+2S”，另一些为“4Fe+4S”）的中心部分。
铁硫蛋白存在于呼吸链的几种酶复合体中，参与膜上的电子传递。
此外，在固氮、亚硫酸还原、亚硝酸还原、光合作用、分子氢的激活和释放以及链烷的氧化中也有作用。
在呼吸链中的“2Fe+2S”中心（图6-17）每次仅能传递一个电子。
（4）泛醌（辅酶Q）是一类脂溶性的氢载体。
泛醌广泛存在于真核生物线粒体内膜和革兰氏阴性细菌的细胞膜上；而革兰氏阳性细菌和某些革兰氏阴性细菌则含甲基萘醌（MK或维生素K2）。
醌类在呼吸链中的功能是传递氢，传递过程分两步进行，中间体是半醌。
在呼吸链中，醌类的含量比其他组分多10～15倍，其作用是收集来自呼吸链各种辅酶和辅基所输出的氢（还原力[H]）的作用，然后再将它们传递给细胞色素系统。
泛醌的结构和功能见图6-18。
（5）细胞色素系统细胞色素系统位于呼吸链的后端，它们的功能是传递电子而不是传递氢。
它们只从泛醌中接受电子，同时将同等数目的质子推到线粒体膜（真核生物）或细胞膜（原核生物）外的溶液中。
细胞色素按其吸收光谱和氧还电位的差别可分成多种类型，如cyt.a，cyt.a3，cyt.b，cyt.c和cyt.o等。
它们都有血红素作为辅基，而血红素则通过其分子中心铁原子的价电荷的变化而传递电子。
细胞色素a3即细胞色素氧化酶，它是许多微生物的末端氧化酶，能催化4个电子还原氧的反应，
O2+4Fe2+→2O2-+4F3+
从而把氧分子激活。
有关细胞色素在传递电子中的作用见图6-19。
不论在真核生物或原核生物中，呼吸链的主要组分都是类似的，一般为：
NAD（P）→FP→Fe·S→CoQ→Cyt.b→Cyt.c→Cyt.a→Cyt.a3（图6-20）。
然而，在原核生物中，各具体组分却有很大的变化。
这种变化除了表现在不同种间外，在同一个种生活在不同的环境条件（例如生长期、碳源、末端电子受体等）下时也会发生明显的变化。
在原核生物中，只有少数种如Paracoccusdenitrificans（脱氮副球菌）和Alcaligeneseutrophus（真养产碱菌）的呼吸链与真核生物的呼吸链相似，因而John和Whalley（1975）就提出了一个关于线粒体起源的内共生学说。
这一学说认为，由于早期的P．denitrificans与其宿主细胞共生，而使前者成为后者细胞内的线粒体。
与真核生物线粒体膜上的呼吸链相比，原核生物细胞膜上的呼吸链有几个主要差别（表6-4），尤其是：
（1）氧还载体的取代性强：
如CoQ可被MK（甲基萘醌）或DMK（脱甲基甲基萘醌）所取代，Cyt.a3可被Cyt.aa3、Cyt.o或Cyt.d所取代等；
（2）氧还载体的数量可增可减，如E.coli的细胞色素就有9种以上；（3）有分支呼吸链的存在：
除了前面已提及的来自不同底物的还原力[H]进入呼吸链的前端时有不同的分支外，主要是呼吸链后端细胞色素系统中的分支类型多。
例如，E.coli在缺氧条件下，在CoQ后的呼吸链就分成两支，一支是Cyt.b556→Cyt.o，另一支是Cyt.b558→Cyt.d（这一支可抗氰化物抑制）；又如，在Azotobactervinelandii（维涅兰德固氮菌）的Cyt.b后，呼吸链可分出4条分支，等等。
呼吸链在传递氢或电子的过程中，通过与氧化磷酸化作用的偶联，产生了生物的通用能源——ATP。
其中包括的机制，目前仍在继续研究中。
至今能获得多数学者接受的是1978年诺贝尔奖获得者英国学者P．Mitchell在1961年所提出的化学渗透学说（chemiosmotichypothesis）。
该学说认为，在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链酶系的作用，将底物分子上的质子从膜的内侧传递至外侧，从而造成了质子在膜的两侧分布的不均衡，亦即形成了质子梯度差（△μH+，或称质子动势、pH梯度等）。
这个梯度差就是产生ATP能量的来源，因为它可通过ATP酶的逆反应，把质子从膜的外侧再输回到内侧，结果，一方面消除了质子梯度差，同时就合成了ATP。
化学渗透学说的模式表示可见图6-21。
从图6-20中可以看出，在典型的呼吸链中，只有三处能提供合成ATP所需的足够能量。
因此，在2[H]从NADH2传递至O2的过程中，只有三处能与磷酸化反应（ADP+Pi→ATP）相偶联，亦即只有3分子磷酸能参与有机磷化物ATP的合成。
这种关系用数量来表示的话就称P/O比（即molATP/mol氧原子）。
P/O比的高低表示呼吸链氧化磷酸化效率的高低。
例如，以异柠檬酸或苹果酸为底物时，动物的线粒体能由2[H]产生3ATP，即P/O=3；而以琥珀酸为底物时，由于琥珀酸脱氢酶的辅基是黄素蛋白，因此只能从FP水平进入呼吸链，故由2[H]只能获得2个ATP，其P/O=2。
按化学渗透学说来看，生物的“通用能源”ATP是由跨膜的质子梯度差△μH+而产生的。
因此，我们可以把质子梯度差理解成一个高水位的水源，ATP酶犹如一台水轮发电机，ATP则是由该发电机产生的电流。
现把质子梯度差与ATP的相互关系及其在生命活动中的作用综合在图6-22中。
2．无氧呼吸（anaerobicrespiration）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。
其特点是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物（个别是有机物延胡索酸）受氢。
根据呼吸链末端的最终氢受体的不同，可把无氧呼吸分成以下多种类型。
（1）硝酸盐呼吸（nitraterespiration）又称反硝化作用（denitrification）。
硝酸盐在微生物生命活动中具有两种功能，其一是在有氧或无氧条件下所进行的同化性硝酸盐还原作用，亦即微生物利用硝酸盐作为其氮源营养物的作用；其二是在无氧条件下，微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终氢受体，这是一种异化性的硝酸盐还原作用，又称硝酸盐呼吸或反硝化作用。
上述两个还原过程的共同特点是硝酸盐都要经过一种含钼的硝酸盐还原酶将其还原为亚硝酸。
能进行硝酸盐呼吸的都是一些兼性厌氧微生物即反硝化细菌，而专性厌氧微生物是无法进行硝酸盐呼吸的。
反硝化细菌都有其完整的呼吸系统。
只有在无氧条件下，才能诱导出反硝化作用所需要的硝酸盐还原酶A（结合在膜上）和亚硝酸还原酶。
能进行硝酸盐呼吸的细菌种类很多，例如Bacilluslicheniformis（地衣芽孢杆菌），Paracoccusdenitrificans[脱氮副球菌，以前称Micro
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