为什么氧气对于专性厌氧生物是有毒的？事实上，要想搞清楚这个问题的答案，那先要搞清楚：为什么有氧生物需要氧气？

图1 有氧生物体内依赖氧气的呼吸链

在有氧生物中，需要氧气作为呼吸链的末端电子受体。分解代谢（如糖酵解、TCA循环和脂肪酸beta-氧化）产生的高能电子（NADH或FADH2），需要通过由一系列电子传递体构成的呼吸链来进行传递，而电子的最终受体就是氧气（图1）。电子在沿着呼吸链传递的时候，会释放出能量。释放出的能量一部分变成了热能，还有一部分先转变成以跨膜质子梯度存在的电化学势能（电位差为电势能+浓度差为化学势能），后转变成通用能量货币——ATP，这叫氧化磷酸化。氧化磷酸化既产生了大量的ATP，又使氧气被还原成氧负离子，它遇到质子就变成水分子。在真核生物中，呼吸链存在于线粒体内膜中，而在原核生物中，呼吸链则位于质膜中。 对于有氧生物来说，其获得的ATP主要来自氧化磷酸化，一旦缺乏氧气或者氧化磷酸化受到抑制（如氰化钾），ATP就很容易缺乏，那必然影响到它们的生存。知道了有氧生物为什么离不开氧气，那就可以理解厌氧生物如何能够在没有氧气的情况下生活。没有氧气，就缺少了这种最好的末端电子受体，这时生物有两种选择：一是它们可以利用糖酵解和发酵将葡萄糖发酵成还原性的有机化合物，例如乙醇或乳酸。这会产生一点ATP，可能足以存活。 二是许多微生物能够使用除氧以外的分子作为末端电子受体，这样也可以通过呼吸链产生ATP。

表1 氧气以外的末端电子受体

但为什么氧气对于专性厌氧生物有毒呢？主要有两个原因：一个普遍的原因是氧气很容易被部分还原（只得到1个、2个或3个电子）为高反应性的物质即活性氧（reactive oxygen species，ROS）自由基，例如过氧化氢或超氧自由基。ROS可以导致DNA损伤，并与蛋白质和细胞膜脂质反应而杀死细胞。有氧生物拥有去除ROS的酶，例如过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶，但专性厌氧生物通常不存在或者浓度低。另一个原因是它们体内有许多酶对氧气敏感。对于构成它们体内替代的呼吸链上的金属酶而言尤其如此。这些蛋白质在活性部位通常具有诸如铁、钼或钨的金属，这些金属对氧具有反应性，并且如果存在氧，会使蛋白质不稳定而失活。还有一些酶需要铁硫蛋白作为辅助因子，其中硫也可能被氧化。

图2 缺氧的大肠杆菌的替代呼吸链

至于兼性生物有氧无氧都能生存的原因是因为它们可以合成好氧呼吸链（氧气为末端电子受体）。这样在有氧的时候利用耗氧呼吸链产生ATP，而在没有氧气的情况下，依靠发酵（如酵母）或使用不同末端电子受体（例如硝酸盐）的替代呼吸链。例如球形红细菌（Rhodobacter sphaeroides）就是一种兼性细菌，它可以合成一个耗氧呼吸链，以氧作为末端电子受体。 但是，如果你在无氧条件下培养球形红球菌并为其提供一些硝酸盐，它将非常快乐地生长着。因为它和许多其他细菌一样都具有反硝化作用，即利用硝酸盐代替氧气作为终端电子受体。还有大肠杆菌在缺氧的时候也可以以硝酸作为其替代的呼吸链的末端电子受体（图2）。