微生物代谢是指微生物用来获取能量、合成细胞成分和维持活力的多种生化过程。细菌和古细菌表现出非凡的代谢多样性，远远超过植物和动物。

能源和分类

微生物根据其能量和碳源进行分类。光养生物，例如蓝细菌和紫硫细菌，利用光能进行光合作用。化能营养生物从化合物中获取能量：化能营养生物氧化无机化合物（H2、H2S、NH3、Fe2+），而化能有机营养生物氧化有机化合物（葡萄糖、脂肪酸、氨基酸）。自养生物使用二氧化碳作为碳源（例如蓝藻、硝化细菌），而异养生物则需要有机碳源（例如大肠杆菌、芽孢杆菌、大多数病原体）。

有氧呼吸

糖酵解（Embden-Meyerhof-Parnas 途径）将葡萄糖 (6C) 转化为两个丙酮酸 (3C) 分子，每个葡萄糖产生 2 个 ATP 和 2 个 NADH。 柠檬酸循环（克雷布斯循环、TCA 循环）将乙酰辅酶 A 氧化为 CO2，产生 NADH、FADH2 和 GTP。电子传递链 (ETC) 位于细胞质膜中，当电子通过复合物 I-IV 时，O2 作为最终电子受体，氧化 NADH 和 FADH2； ATP 是通过质子动力驱动 ATP 合成酶的氧化磷酸化 生成的。

无氧代谢

在无氧呼吸中，使用替代电子受体，例如硝酸盐（NO3-→NO2-→N2）、硫酸盐（SO42-→H2S）或碳酸盐（CO2→CH4），常见于反硝化细菌、硫酸盐还原细菌和产甲烷细菌中。发酵使用有机化合物作为电子供体和受体，没有ETC或氧化磷酸化； ATP 仅通过底物水平磷酸化产生。常见的发酵途径包括纯乳酸（乳杆菌、链球菌→乳酸）、酒精（酵母→乙醇+CO2）、混合酸（大肠杆菌→乳酸、乙酸、乙醇、CO2、H2）和丁二醇（肠杆菌）。发酵最终产品在工业上用于生产酸奶、奶酪、面包、啤酒、葡萄酒和生物燃料。

氮代谢

固氮，即通过固氮酶复合物将 N2 转化为 NH3，由固氮菌、根瘤菌（与豆科植物共生）和蓝藻进行。硝化作用涉及 NH3 氧化为 NO2-（亚硝化单胞菌）和 NO2- 氧化为 NO3-（硝化细菌）。反硝化是在厌氧条件下（假单胞菌、副球菌）将 NO3- 还原为 N2 气体。同化硝酸盐还原将 NO3- 转化为 NH3，用于氨基酸和核苷酸的生物合成。

代谢调节

分解代谢物抑制确保葡萄糖作为首选碳源抑制代谢替代糖的基因（例如大肠杆菌中的紫胶操纵子）。反馈抑制可防止过度生产，因为生物合成途径的终产物会抑制途径中的第一种酶。双组分调控系统（例如 EnvZ/OmpR）感知环境变化并相应地调整基因表达。