發(fā)布時間：2020-07-19 21:28

【摘要】：不產(chǎn)氧光合細菌(Anoxygenic Phototrophic Bacteria, APB)利用各種有機物或無機物作為電子供體,在厭氧條件下進行光合作用但不釋放氧氣,廣泛分布于自然界各種生態(tài)環(huán)境中。紫色非硫細菌(purple nonsulfur bacteria, PNSB)是APB的一個重要類群,具有顯著的高度多樣化和異質(zhì)化生理生態(tài)特性,不僅是闡明光合作用機理的良好實驗材料,而且在研究光合作用光合機構(包括光合色素和色素蛋白復合體)環(huán)境適應性調(diào)控機制方面具有典型性,雖已有較廣泛的研究,但深入挖掘獨特生境中的PNSB資源并進行其特性研究仍具有重要意義。本文從新疆布爾津鹽成土壤、新疆天山天池和大同煤礦集團馬脊梁礦井酸性環(huán)境取樣,采用選擇性培養(yǎng)基純化獲得了3種紫色非硫細菌,包括耐鹽Rhodobacter capsulatus XJ-1(新疆鹽成土壤),耐鹽Rhodobacter sphaeroides TS(新疆天池),耐硫化物Rhodopseudomonas palustris 98144(大同煤礦酸性環(huán)境)。在對這三株菌株進行了形態(tài)學觀察、生理生化特性測定、16S rRNA基因序列分析及系統(tǒng)發(fā)育分析基礎上,采用紫外-可見光譜法(UV-Vis)、高效液相色譜法(HPLC)、薄層色譜法(TLC)、LC/MS和圖像灰度分析等方法,重點研究了環(huán)境因子光、氧、鹽度、砷(As)、pH、乙酸對菌株合成的光合色素含量和組分的影響。這為深入了解特殊生境PNSB的適應性機制及其在生態(tài)系統(tǒng)中的作用提供了重要參考,也為深入開展APB光合色素環(huán)境適應性調(diào)控分子機制研究奠定了基礎,在環(huán)境砷檢測、凈化煤礦礦坑水、色素開發(fā)方面也具有一定的應用潛力。主要研究結果如下：1.采用改良的Ormerod培養(yǎng)基和瓊脂振蕩稀釋法從新疆鹽成土壤樣品中分離獲得了XJ-1菌株,該菌株的細胞形態(tài)、細胞呈鋸齒狀排列和大多數(shù)碳、氮源利用能力等特性與Rhodobacter capsulatus非常相似,二者在系統(tǒng)進化樹上位于同一進化分支。菌株XJ-1生長不需要NaCl,但在0-0.4 mol/L鹽度范圍內(nèi)生長良好。在光照厭氧條件下,亞砷酸鹽[As(Ⅲ)]和砷酸鹽[As(V)]對菌株XJ-1的半數(shù)效應濃度(EC50)分別為0.61 mmol/L和2.03 mmol/L,XJ-1能夠將As(Ⅴ)還原為As(Ⅲ),不能將As(Ⅲ)轉化為As(Ⅴ)或其它有機態(tài)砷化物。在生境、耐低溫、生長因子需求、甘油、硝酸鹽和硫代硫酸鈉利用能力、耐鹽性及對As的耐受性等方面,菌株XJ-1不同于已報道菌株,因而將其鑒定為莢膜紅細菌(Rhodobacter capsulatus)的一個新菌株。2.以XJ-1為研究對象,研究了光和氧對細菌葉綠素(bacteriochlorophyll, BChl)和類胡蘿卜素(carotenoid, Car)合成的影響。結果表明：光照厭氧條件下,菌體積累的BChl和Car含量最高,氧的存在抑制了色素的合成。在光照厭氧、光照好氧和黑暗好氧條件下,菌體只積累一種BChl a,相對含量分別占總色素含量的44.61%、74.89%和77.53%。光照好氧條件下,細胞還積累一種新的紫色色素,特征峰為355 nm、389nm、520 nm、621 nm和755 n1n。在光照厭氧和黑暗好氧條件下,細胞不積累此紫色色素。球形烯(spheroidene, SE)和羥基球形烯(OH-spheroidene, OH-SE)是光照厭氧下細胞積累的主要Car,生長于黑暗好氧條件下的培養(yǎng)物,除了積累球形烯酮(spheroidenone, SO)外,還積累羥基球形烯酮(OH-spheroidenone, OH-SO)。菌株XJ-1是研究特殊生境APB BChl合成基因表達調(diào)控的一個良好菌株。以XJ-1為研究對象,研究了光照厭氧條件下NaCl對菌體生長、Car和BChl合成的調(diào)控作用。結果表明：0-0.2 mol/L NaCl范圍內(nèi),隨鹽度增加,菌體生長速率、最終生物量以及菌體積累的BChl和Car含量升高,繼續(xù)增加鹽度,菌體的生長速率、最終生物量以及菌體積累的BChl和Car含量又逐漸降低。未添加NaCl時,菌體細胞主要積累5種色素組分,分別為BChl a、脫鎂細菌葉綠素(bacteriopheophytin, BPhe)、SE、SO和OH-SE;但當添加0.2-0.4 mol/L NaCl時,菌體額外積累了一種BPhe組分。隨NaCl濃度增加,菌體積累的BChl a和SE的相對含量降低,2種BPhe組分的相對含量則增加,而OH-SE和SO則呈先升后降的趨勢。由此可見,隨著鹽度的變化,菌體光合色素的積累量與菌體的生長相關聯(lián),光合色素的組分和相對含量也隨之發(fā)生了規(guī)律性的變化。本結果為深入開展APB光合色素鹽適應性機制研究奠定了基礎。以菌株XJ-1為研究對象,研究了As對細胞積累的光合色素組分和相對含量的影響。當As(Ⅲ)濃度為0-0.2 mmol/L時,隨著濃度增加,菌體積累的BChl和Car含量逐漸升高,0.2 mmol/L As(III)時,達到最大值；若繼續(xù)增加濃度,菌體積累的BChl和Car含量則逐漸降低。當As(V)濃度為0-0.5 mmol/L時,隨著濃度增加,菌體積累的BChl和Car含量略微升高,若繼續(xù)增加濃度,菌體積累的BChl和Car含量則逐漸降低。Tetrahydrogeranylgeranyl BChl a (BChl aTHGG)、phytylated BChl a (BChl ap)、SE和SO是主要積累色素。當環(huán)境中存在As時,BChl aTHGG與BChl aP、SO與SE的相對比例會發(fā)生改變,OH-SE未被檢測到。當細胞生長在0.5 mmol/LAs(V)和0.2 mmol/L As(HI)環(huán)境中,BPhe也未被檢測到。結果表明,菌株XJ-1積累的光合色素對As(V)和As(Ⅲ)敏感,并且As濃度對色素的合成有明顯影響。這種變化使得XJ-1可作為特殊生境APB光合色素基因表達調(diào)控機制研究的良好菌株,也有用于檢測環(huán)境中As的潛在價值。以XJ-1為研究對象,研究了光照厭氧條件下乙酸對菌體生長、細胞積累的Car和BChl組分和相對含量的影響。結果表明：在2-24g/L乙酸濃度范圍內(nèi),隨著乙酸濃度變化,菌體積累色素的組分和相對含量也隨之發(fā)生了規(guī)律性變化。當乙酸濃度為6 g/L時,菌體細胞積累的Car和BChl量達到最大。高濃度乙酸抑制BPhe的合成,低濃度下,積累一種或兩種BPhe-當乙酸濃度增至6g/L和8g/L,菌體積累的OH-SO才被檢測到。在不同濃度乙酸中,細胞只積累一種BChl a。該菌株可以用于處理富含乙酸的有機廢水,同時生產(chǎn)單一的BCh1a。3.采用改良的Ormerod培養(yǎng)基HP83,從新疆天山天池中分離到菌株TS,在細胞形態(tài)、細胞產(chǎn)生粘液和大多數(shù)碳、氮源利用能力等特性方面,TS與Rhodobacter sphaeroides很相似,二者在系統(tǒng)進化樹中也位于同一進化分支。然而,菌株TS在生境、吸收光譜、生長因子、最適pH、溫度范圍方面不同于已報道菌株,因而將菌株TS鑒定為Rhodobacter sphaeroides的一個新菌株。光照厭氧條件下,該菌株在376 nm、423 nm、453 nm、480 nm、508 nm、592 nm、 802 nm和854 nm處有吸收峰,在874-877 nm處有橢峰,表明含有BChl a和球形烯Car。不同碳源、氮源、pH值和不同濃度的NaCl對活細胞的特征吸收峰有影響,尤其會引起423nm處特征吸收峰和874-877 nm處駝峰的變化。菌體積累的Car和BChl的含量隨pH增加而略有增加。當環(huán)境pH為6.5和8.0時,菌體細胞積累的BChl a的相對含量分別占總色素量的55.46%和55.43%,菌體細胞積累的BPhe和Car各組分的相對含量,受pH影響相對明顯。在光照厭氧條件下,SE和SO是Rhodobacter sphaeroides積累的主要Car組分。有趣的是,菌株TS未積累SO。細胞積累的光合色素不僅是APB受環(huán)境調(diào)控的結果,也是細胞內(nèi)生理代謝的綜合體現(xiàn)。菌株TS積累的光合色素不同于已報道菌株,該菌株對不同pH的響應機制還有待于進一步研究。4.采用改良的Pfennig 1988無機選擇性培養(yǎng)基,從酸性環(huán)境中分離獲得了菌株98144。硫化物耐受能力測定表明,菌株98144能生長于含有0-6 mmol/L Na2S的環(huán)境中,在1.5mmol/L Na2S環(huán)境中,獲得的菌體生物量最大,表明對硫化物有較強的耐受能力。菌株98144在亞硫酸鈉、硫代硫酸鈉和硫環(huán)境中,生長良好。系統(tǒng)進化樹顯示,菌株98144與Rhodopseudomonas palustris ATCC 17001親緣關系最近,但二者在吸收光譜、碳源和硫源利用方面存在差別,所以菌株98144被鑒定為Rhodopseudomonas palusteris的一個新菌株。TLC分析表明,在光照厭氧條件下,1.5mmol/L Na2S環(huán)境中,該菌株積累4種正常螺菌黃素系列Car,一種BPhe和一種BChla,且BChla相對含量占總色素量的65.66%,含量高。如果進一步研究,菌株98144可用于凈化煤礦礦坑水,同時提取BChla制品,也可以作為研究PNSB對硫化物和亞硫酸鹽適應性機制的模式種。
【學位授予單位】：山西大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：Q93


本文編號：2762997