2025年7月26日中文

探索厌氧过程的科学：生物体和细胞如何在没有氧气的情况下产生能量。发现其在运动、医学、工业和世界各地环境科学中的应用。

解锁能量：全面了解厌氧过程指南

对于地球上的大部分生命来说，氧气是必不可少的。我们呼吸它，植物产生它，许多生物依赖它生存。然而，一个迷人的生物学领域存在，生命蓬勃发展，能量在*没有*氧气的情况下被提取：厌氧过程的世界。

本综合指南探讨了厌氧过程的复杂性，研究了它们的潜在机制、多样化的应用和全球影响。我们将深入研究科学原理，揭示现实世界的例子，并提供关于利用厌氧能量的实用见解。

什么是厌氧过程？

厌氧过程是在没有氧气（O₂）的情况下发生的生物反应。这些过程对于许多生物体来说至关重要，包括细菌、古细菌，甚至一些真核细胞，它们生活在缺氧环境中。它们也在通常利用需氧呼吸的生物体内的某些代谢途径中发挥着重要作用。

与利用氧气作为电子传递链中最终电子受体的需氧呼吸不同，厌氧过程利用其他物质，例如硝酸盐 (NO₃^-)、硫酸盐 (SO₄^2-) 或二氧化碳 (CO₂) 作为电子受体。这些替代途径使生物体即使在氧气稀缺或不可用的情况下也能产生能量（以 ATP – 三磷酸腺苷的形式）。

厌氧能量产生的生物化学

厌氧能量产生的主要机制是：

糖酵解：这是有氧和厌氧呼吸的初始步骤。糖酵解涉及将葡萄糖（一种单糖）分解成丙酮酸，产生少量 ATP 和 NADH（一种还原剂）。
发酵：这是在没有氧气的情况下糖酵解之后的过程。发酵从 NADH 中再生 NAD⁺（一种氧化剂），从而使糖酵解能够继续进行。有各种类型的发酵，每种发酵都产生不同的最终产物。
厌氧呼吸：这是一个类似于需氧呼吸的过程，但使用氧气以外的电子受体。它比发酵更有效，产生更多的 ATP。

糖酵解：通用起点

糖酵解是几乎所有活生物体中存在的基本代谢途径。它发生在细胞的细胞质中，不需要氧气。该过程涉及一系列酶促反应，将一个葡萄糖分子分解成两个丙酮酸分子，产生两个 ATP 分子和两个 NADH 分子的净收益。少量 ATP 对于提供细胞活动所需的初始能量至关重要。

示例：在人体肌肉细胞中，糖酵解发生在剧烈运动期间，当氧气供应有限时。产生的丙酮酸随后通过发酵转化为乳酸（在下面讨论）。

发酵：持续能量生产的循环利用

发酵是一种厌氧过程，可从 NADH 中再生 NAD⁺，从而使糖酵解能够继续产生 ATP。它本身不产生任何额外的 ATP。发酵的类型取决于生物体和可用的酶。

发酵类型：

乳酸发酵：丙酮酸转化为乳酸。这发生在剧烈运动期间的肌肉细胞中，以及用于食品生产的某些细菌中（例如，酸奶、酸菜）。
酒精发酵：丙酮酸转化为乙醇和二氧化碳。这由酵母和一些细菌进行，用于生产酒精饮料（例如，啤酒、葡萄酒）和面包。
乙酸发酵：乙醇转化为乙酸（醋）。这个过程由醋杆菌细菌进行。
丁酸发酵：葡萄糖转化为丁酸。这发生在一些细菌中，并导致变质黄油中出现腐臭气味。

示例 1：运动中的乳酸发酵：在剧烈运动期间，肌肉细胞可能无法获得足够的氧气来支持有氧呼吸。在这种情况下，丙酮酸转化为乳酸。乳酸的积累会导致肌肉疲劳和酸痛。

示例 2：酿酒中的酒精发酵：酵母在酿酒过程中将葡萄汁中的糖转化为乙醇（酒精）和二氧化碳。二氧化碳逸出，而乙醇保留，有助于葡萄酒的酒精含量。

厌氧呼吸：超越发酵

厌氧呼吸与发酵不同，它利用电子传递链（类似于需氧呼吸），但使用与氧气不同的最终电子受体。这个过程产生的 ATP 明显多于发酵。

厌氧呼吸的例子：

反硝化：硝酸盐 (NO₃^-) 转化为氮气 (N₂)。这由土壤中的反硝化细菌进行，对氮循环很重要。
硫酸盐还原：硫酸盐 (SO₄^2-) 转化为硫化氢 (H₂S)。这由硫酸盐还原细菌在厌氧环境中进行，例如沉积物和沼泽。
产甲烷：二氧化碳 (CO₂) 转化为甲烷 (CH₄)。这由产甲烷古细菌在厌氧环境中进行，例如沼泽、垃圾填埋场和动物的消化道。

示例：农业中的反硝化：土壤中的反硝化细菌可以将硝酸盐肥料还原为氮气，从而逸入大气。这会降低植物对氮的利用率，并导致空气污染。

厌氧过程在全球范围内的应用

厌氧过程不仅仅是一种生物学好奇心；它们被用于世界各地的各种行业和应用中。从食品生产到环境管理，这些过程提供了有价值的解决方案。

食品生产和保存

发酵，一种厌氧过程，已被用于几个世纪，用于生产和保存食品。发酵食品是世界许多文化的主食。

酸奶：细菌的乳酸发酵将牛奶转化为酸奶，赋予其特有的酸味和浓稠的质地。全球皆有，有希腊酸奶、印度凝乳和冰岛天空酸奶等地区差异。
酸菜：切碎卷心菜的乳酸发酵产生酸菜，这是德国和东欧的流行食品。
泡菜：蔬菜（通常是卷心菜和萝卜）的乳酸发酵产生泡菜，这是一种韩国主食，以其辛辣和酸味而闻名。
酱油：大豆、小麦和盐的发酵产生酱油，这是东亚美食中广泛使用的调味品。
啤酒和葡萄酒：酵母的酒精发酵对于生产啤酒和葡萄酒至关重要，它们因其多样化的风味和文化意义而在全球范围内受到喜爱。

废水处理

厌氧消化是处理废水和污水污泥的常用方法。在厌氧消化器中，微生物在没有氧气的情况下分解有机物，产生沼气（主要是甲烷和二氧化碳）和一种称为消化物的固体残渣。

厌氧消化在废水处理中的好处：

减少污泥体积：厌氧消化显着减少了污泥的体积，使其更易于处理和更便宜。
沼气生产：沼气可用作可再生能源，用于发电或供热，减少对化石燃料的依赖。
营养回收：消化物可用作肥料，为农业提供宝贵的营养。

全球案例：全球许多国家在废水处理厂中使用厌氧消化。例如，德国有大量的沼气厂处理农业废物和废水。在印度，厌氧消化正在农村地区实施，以处理污水并产生用于烹饪和照明的沼气。

沼气生产和可再生能源

厌氧消化也用于从各种有机废物中生产沼气，包括农业残留物、食物垃圾和动物粪便。沼气是一种可再生能源，可用于发电、供热或运输燃料。

沼气生产的优势：

可再生能源：沼气由有机废物产生，使其成为一种可持续的可再生能源。
废物管理：厌氧消化有助于减少废物量和污染。
减少温室气体排放：沼气生产可以通过捕获甲烷（一种强效温室气体）并将其用作燃料来减少温室气体排放。

全球案例：中国是沼气的主要生产国，在农村地区安装了数百万个沼气消化器。这些消化器使用动物粪便和农业残留物来生产用于烹饪和照明的沼气。在欧洲，许多国家大力投资沼气生产，使用各种原料，包括农业废弃物、食物垃圾和能源作物。

生物修复

厌氧过程可用于通过一种称为生物修复的过程来清理受污染的环境。厌氧微生物可以降解各种污染物，例如氯化溶剂、石油烃和重金属。

厌氧生物修复的例子：

氯化溶剂的脱氯：厌氧细菌可以脱氯氯化溶剂，例如全氯乙烯 (PCE) 和三氯乙烯 (TCE)，它们是常见地下水污染物。
石油烃的降解：厌氧微生物可以降解受污染土壤和沉积物中的石油烃。
重金属的还原：厌氧细菌可以将重金属（如铀和铬）还原为毒性较低的形态。

全球案例：厌氧生物修复正被用于世界各地的受污染场所。例如，它已用于清理美国和欧洲前工业场所的氯化溶剂污染的地下水。在发展中国家，厌氧生物修复被用于处理矿山遗址受污染的土壤和沉积物。

厌氧过程在不同环境中的作用

厌氧过程在广泛的环境中至关重要，从海洋深处到人类肠道。

水生环境

在深海沉积物和其他缺氧水生环境中，厌氧过程对于养分循环和有机物的分解至关重要。硫酸盐还原细菌和产甲烷古细菌在这些过程中起着关键作用。

土壤环境

在积水土壤和其他厌氧土壤环境中，反硝化细菌、硫酸盐还原细菌和产甲烷古细菌对氮循环、硫循环和碳循环很重要。

人体肠道

人体肠道是一个复杂的生态系统，包含数万亿个微生物，其中许多是厌氧的。这些微生物在消化、营养吸收和免疫功能中起着关键作用。肠道中厌氧细菌对未消化碳水化合物的发酵会产生短链脂肪酸 (SCFA)，这对肠道健康和整体健康很重要。

挑战和未来方向

虽然厌氧过程提供了许多好处，但它们的应用也存在挑战。

反应速度慢：厌氧过程通常比需氧过程慢，这可能会限制它们的效率。
对环境条件的敏感性：厌氧微生物可能对环境条件敏感，例如 pH 值、温度和养分供应。
产生不希望的副产物：一些厌氧过程会产生不希望的副产物，例如硫化氢，它有毒并具有难闻的气味。

未来的研究和开发工作侧重于应对这些挑战并提高厌氧过程的效率和有效性。这包括：

优化反应器设计：设计更有效的厌氧反应器，可以提高反应速率并减少不希望的副产物的产生。
开发新型微生物群落：开发新型微生物群落，能够降解更广泛的污染物并生产有价值的产品。
改进过程控制：改进过程控制策略以优化环境条件并增强厌氧过程的性能。

结论

厌氧过程是地球生命的根本，并在世界各地的各种生态系统和行业中发挥着至关重要的作用。从食品生产和废水处理到沼气生产和生物修复，这些过程为可持续的未来提供了有价值的解决方案。通过了解厌氧能量产生的复杂性并利用其潜力，我们可以为创新开启新的机会，并应对世界上一些最紧迫的环境和能源挑战。随着研究不断扩大我们的知识，厌氧过程的应用只会继续增长，为可持续的全球未来提供关键的解决方案。

本指南提供了对厌氧过程的基本理解。进一步探索特定领域，例如工业应用或环境修复，可以提供与个人兴趣更相关的详细知识。