光合细菌的光合作用及应用展望

光合细菌的光合作用及应用展望 徐芬芬 � 俞晓凤 � (江西省上饶师范学院生命科学学院 � 334001 ) 摘 � 要 � 本文介绍了光合细菌的光合作用及应用展望。 关键词 � 光合细菌 � 光合作用 � 分类 � 应用 � � 光合细菌 ( photosynthetic bacteria, PSB )是具有原 始光能合成体系的原核生物的总称。光合细菌广泛存 在于水田、湖泊、江河、海洋、活性污泥及土壤中, 是一 类以光为能源、能在厌氧光照或好氧黑暗条件下利用 自然界中的有机物、硫化物、氨等作为供氢体进行不放 氧光合作用的微生物 [ 1, 2]。光合细菌均为革兰氏阴性 细菌,是没有形成芽孢能力的细菌, 形态多样:有单细 胞亦有多细胞; 有球形、杆状、半环状、螺旋状,还有突 柄种类;有以鞭毛运动,亦有滑行运动或不运动者 [ 3]。 有关光合细菌的研究始于 1836年, 但直到 1931 年才由美国微生物学家完成了近代光合细菌的基础研 究。 1836年 Ehrenberg首次 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 了两种使沼泽、湖泊变 红的光合微生物, 而且发现这类微生物的生长与光、 H2S的存在有关。1883年 Engelmann根据 �光合细菌 � 聚集生长的波长一致的现象, 证实此类细菌能进行光 合作用。 1931年 Van N iel提出了光合作用的共同反应 式,用生物化学观点解释了生物的光合成现象,并对光 合细菌进行了科学分类及生理研究,从而奠定了现代 光合细菌研究工作的基础。 1960年日本学者开始光 合细菌培养技术的研究,基本完成了规模培养的生产 工艺,从而使光合细菌的应用得以实现 [ 4]。此后的研 究表明,光合细菌营养价值高、净化水质能力强, 且具 增强动物抗病力的功能。亚洲的一些水产养殖地区和 国家,纷纷把光合细菌作为提高养殖水平的一种新的 生物武器加以应用。我国于 20世纪 80年代开始了光 合细菌的应用研究,但有关光合细菌资源的研究较少, 且都以表型特征的研究为主。 1987年 11月,在上海成 功召开了第一届中日光合细菌国际学术会议,大大推 动了我国光合细菌研究和应用的发展。 1� 光合细菌的光合作用 1. 1� 光合色素 � 光合细菌细胞内无叶绿体,也无类囊 体,但具有双层膜的类似叶绿体的结构,该结构中含有 类似于植物叶绿素 a的光合色素 � � � 细菌叶绿素 ( Bch1),有的还含有大量的类胡萝卜素, 已发现的细 菌叶绿素有 a、b、c、d和 e 5种,每种都有固定的光吸收 波长。细菌叶绿素和类胡萝卜素的光吸收波长分别为 715~ 1 050 nm和 450~ 550 nm,细菌叶绿素是光合细 菌捕获光能的主要色素,类胡萝卜素主要作用是保护 复合物上的叶绿素和捕光蛋白并辅助吸收光能。在所 有这些色素中, 仅极少数细菌叶绿素在原初光合反应 中心直接参与光合作用,大多数细菌叶绿素用于吸收 和传递光能到反应中心 [ 5]。 1. 2� 光合作用 � 光合细菌的光合作用与绿色植物和 藻类的光合作用有所不同。光合细菌细胞内只有一个 光系统,即 PSI,因而其产生 ATP的方式只有环式光合 磷酸化。光合作用的原始供氢体不是水,而是 H2S或 一些有机物, 这样它进行光合作用的结果是产生了 H2,分解有机物, 同时还能固定空气中的分子氮生成 氨。由于不存在光反应系 II( PSII), 所以光合作用过 程不以水作供氢体,不发生水的光解, 也不释放分子 氧。 光合细菌的光合作用单位一般由 3个光合色素蛋 白复合体构成: 捕光色素蛋白复合体 I( LH I)、捕光色 素蛋白复合体 II( LH II)和光化学反应中心 ( LH1 - RC)。捕光色素蛋白复合体是由捕光色素蛋白按照一 定的比例以非共价键方式与细菌叶绿素和类胡萝卜素 结合而形成的具有特定构象的结构 [ 6] ;光化学反应中 心 ( RC)由 4个细菌叶绿素分子、2个脱镁细菌叶绿素 分子、2个醌分子和 1个非血红素铁组成 [ 7]。 光合细菌的光合作用以细菌叶绿素分子 ( Bchl)充 当 PSI的电子供体 (还原态的叶绿素分子 )和受体 (氧 化态的叶绿素分子 ) [ 8]。捕光色素蛋白复合体上的细 菌叶绿素 ( Bchl)和类胡萝卜素吸收光子后,会将光子 传递给 PSI光反应中心蛋白复合体,使之处于激发态 并发射出电子,由于光合细菌只含有 PSI, 且电子供体 不是水而是有机物或还原态硫化物,所以该高能电子 经环式磷酸化产生 ATP [ 9]。 光合细菌在自身的同化代谢过程中,又完成了产 氢、固氮、分解有机物三个自然界物质循环中极为重要 的化学过程。这些独特的生理特性使它们在生态系统 中的地位显得极为重要。光合细菌在自然界的碳、氮、 硫循环中发挥着重要作用,不仅能进行光合作用,也能 进行呼吸、发酵或脱氮。光合细菌生理类型的多样性 使其成为了细菌中最复杂的类群之一,在不同的自然 环境下,表现出不同的生理生化功能,如固氮、固碳和 脱氢等。 2� 光合细菌的应用及展望 现已证明,光合细菌菌体富含蛋白质、氨基酸、维 �2� 生物学教学 2011年 (第 36卷 )第 6期 珍稀濒危植物南方铁杉研究进展 张志祥 � (浙江省宁波市惠贞书院 � 315016 ) 摘 � 要 � 南方铁杉是我国第三纪残遗特有植物,属濒危种,被列为国家三级重点保护植物。本文主要从南方铁杉的形态学、分类 学、生长特性及外生菌根等方面,对国内外所作的研究进行简要的分析和评述,并探讨南方铁杉的濒危机制和保护策略。 关键词 � 珍稀濒危 � 南方铁杉 � 保护 � � 自然资源的过度开发,全球及地区环境变化,如变 暖、大气环流异常、污染、生物入侵给当前物种的生存 带来了严重的影响。濒危植物是指在较短时间内具有 较高灭绝概率的植物, 且其个体数量已接近或达到生 存极限,如继续减少该物种就会灭绝。积极开展珍稀 濒危植物种类的保护对于保护生态环境和维持自然与 社会的可持续性发展具有极为重要的意义 [ 1]。 南方铁杉 (T suga chinencis Var. tchekiangensis)是 我国第三纪残遗特有植物,濒危种 [ 2]。分布虽广,但数 量少而分散,目前尚无人工造林。被列为国家三级重 点保护植物,具有很高的科研和潜在的经济价值。本 文就国内外学者近几年来对南方铁杉所作的研究做一 简要的分析和评述,旨在探讨南方铁杉濒危机制和保 护策略,为今后南方铁杉的进一步研究提供理论依据。 1� 南方铁杉的地理分布 南方铁杉分布于浙江、安徽南部、福建北部、武夷 山、江西武功山、湖南莽山、广东北部、广西北部及云南 麻栗坡等地 [ 2], 分布区地跨中亚热带至北亚热带。其 分布的垂直高度变化较大,大致分布于海拔 600~ 2 100 m之间,但以分布于海拔 800~ 1 400 m的生长较 好。在靠近我国东部的浙闽山地和安徽黄山,多分布 于以水青冈 (Fagus longip etiolata)为主的落叶阔叶林 中,常混生长苞铁杉 ( T suga longibracteata ),组成针阔 混交林; 在江西怀石山常与华东黄杉 ( P seudotsuga gaussenii)混生组成山地针叶混交林,到西段则多散生 于山地上部富有苔藓的常绿阔叶林中,以较矮小的状 态存在 [ 3]。在浙江九龙山国家级自然保护区内, 南方 铁杉林内伴生有猴头杜鹃 (Rhododendron sim iarum )、木 荷 (Schim a superba)、柳杉 (Cryp tom eria fortunei )和多脉 青冈 (Cyclobalanopsis multierv is)等乔木层物种。 2� 南方铁杉的生物学和生态学研究 2. 1� 形态学研究 � 南方铁杉为常绿乔木,树高 25~ 30 m。树冠直立高大, 大枝平展, 枝稍下垂;树皮灰褐色, 片状脱落;冬芽卵圆形, 无树脂,芽鳞宿存。叶螺旋状 排列,基部扭转排成二列,线形, 维管束下具一个树脂 道,长 1. 2~ 2. 7 cm, 宽 2~ 2. 5 mm,先端有凹缺,上面 中脉凹陷,下面沿中脉两侧有白色气孔带,有短柄。雄 球花单生叶腋,花粉无气囊;雌球花单生侧枝顶端 , 珠 鳞大于苞鳞。球果下垂,有短梗,卵圆形或长卵圆形, 生素、辅酶 Q10和多种生理活性物质 [ 10] , 可氧化分解 硫化氢、胺类及多种有毒物质 [ 11]。同时, 光合细菌含 有抗细菌、抗病毒物质, 这些物质能增强动、植物的抗 病能力,并且多数光合细菌具固氮能力,能提高土壤氮 素水平, 并促进有害污染物 (如农药、化肥 )的转化。 因此,目前光合细菌在养殖业、畜禽饲养业、农业、废水 处理、生物制药及氢能开发等方面都有广泛的应用。 近年来利用安全无毒的光合细菌菌株,开发具有延缓 衰老、调节免疫、抗肿瘤等功能的保健食品也成为一个 新的研究热点。 主要参考文献 [ 1]韩 � 杰, 孟 � 军. 2006. 光合细菌在水产养殖中的应用研究进 展. 现代畜牧兽医, 33( 7) : 68~ 70 [ 2]魏玉利. 2007. 光合细菌的培养及应用. 生命科学仪器, 5 ( 3 ): 27~ 30 [ 3]吴向华, 杨启银, 刘五星, 等. 2004. 光合细菌的研究进展及其 应用. 中国农业科技导报, 6( 2) : 35~ 39 [ 4] Im ohoff JF, Petri R, Su ling J. 1998. Reclass ification of species of the spiral- shaped phototrophic purp le nonsu lfu r bacteria of the�- Proteob acteria. In ternat ional Journ al of System atic Bacterology, 48 ( 6) : 793~ 798 [ 5]杜近义, 秦际威. 1998. 光合细菌的开发应用进展. 生物学通 报, 11 ( 5) : 15~ 18 [ 6]李尽哲, 陈国平, 胡宗利. 2009. 光合细菌叶绿素代谢研究进 展. 生物技术通报, 25( 8) : 46~ 49 [ 7 ]王 � 毅, 安 � 静, 张全国. 2009. 光合细菌光合作用及固氮酶产 氢作用研究进展. 可再生能源, 27( 1 ): 56~ 57 [ 8]唐雅琴, 黄 � 兵, 刘仪柯. 2009. 光合细菌微生物产氢研究进 展. 安徽农业科学, 37( 2) : 466~ 468 [ 9 ]张 � 明, 史家粱. 1999. 光合细菌光合产氢机理研究进展. 应用 与环境生物学报, 5 ( S1) : 25~ 29 [ 10 ]韩菲菲, 汪以真. 2003. 光合细菌的功能及其在动物养殖中的 应用. 饲料博览, 12( 7) : 6~ 8 [ 11 ]丁彦文, 艾 � 红. 2000. 微生物在水产养殖中的应用. 湛江海 洋大学学报, 20 ( 1) : 68~ 73 �3�生物学教学 2011年 (第 36卷 )第 6期