三株紫色非硫细菌的鉴定及光合色素对环境因子的响应

发布时间：2020-07-19 21:28

【摘要】：不产氧光合细菌(Anoxygenic Phototrophic Bacteria, APB)利用各种有机物或无机物作为电子供体,在厌氧条件下进行光合作用但不释放氧气,广泛分布于自然界各种生态环境中。紫色非硫细菌(purple nonsulfur bacteria, PNSB)是APB的一个重要类群,具有显著的高度多样化和异质化生理生态特性,不仅是阐明光合作用机理的良好实验材料,而且在研究光合作用光合机构(包括光合色素和色素蛋白复合体)环境适应性调控机制方面具有典型性,虽已有较广泛的研究,但深入挖掘独特生境中的PNSB资源并进行其特性研究仍具有重要意义。本文从新疆布尔津盐成土壤、新疆天山天池和大同煤矿集团马脊梁矿井酸性环境取样,采用选择性培养基纯化获得了3种紫色非硫细菌,包括耐盐Rhodobacter capsulatus XJ-1(新疆盐成土壤),耐盐Rhodobacter sphaeroides TS(新疆天池),耐硫化物Rhodopseudomonas palustris 98144(大同煤矿酸性环境)。在对这三株菌株进行了形态学观察、生理生化特性测定、16S rRNA基因序列分析及系统发育分析基础上,采用紫外-可见光谱法(UV-Vis)、高效液相色谱法(HPLC)、薄层色谱法(TLC)、LC/MS和图像灰度分析等方法,重点研究了环境因子光、氧、盐度、砷(As)、pH、乙酸对菌株合成的光合色素含量和组分的影响。这为深入了解特殊生境PNSB的适应性机制及其在生态系统中的作用提供了重要参考,也为深入开展APB光合色素环境适应性调控分子机制研究奠定了基础,在环境砷检测、净化煤矿矿坑水、色素开发方面也具有一定的应用潜力。主要研究结果如下：1.采用改良的Ormerod培养基和琼脂振荡稀释法从新疆盐成土壤样品中分离获得了XJ-1菌株,该菌株的细胞形态、细胞呈锯齿状排列和大多数碳、氮源利用能力等特性与Rhodobacter capsulatus非常相似,二者在系统进化树上位于同一进化分支。菌株XJ-1生长不需要NaCl,但在0-0.4 mol/L盐度范围内生长良好。在光照厌氧条件下,亚砷酸盐[As(Ⅲ)]和砷酸盐[As(V)]对菌株XJ-1的半数效应浓度(EC50)分别为0.61 mmol/L和2.03 mmol/L,XJ-1能够将As(Ⅴ)还原为As(Ⅲ),不能将As(Ⅲ)转化为As(Ⅴ)或其它有机态砷化物。在生境、耐低温、生长因子需求、甘油、硝酸盐和硫代硫酸钠利用能力、耐盐性及对As的耐受性等方面,菌株XJ-1不同于已报道菌株,因而将其鉴定为荚膜红细菌(Rhodobacter capsulatus)的一个新菌株。2.以XJ-1为研究对象,研究了光和氧对细菌叶绿素(bacteriochlorophyll, BChl)和类胡萝卜素(carotenoid, Car)合成的影响。结果表明：光照厌氧条件下,菌体积累的BChl和Car含量最高,氧的存在抑制了色素的合成。在光照厌氧、光照好氧和黑暗好氧条件下,菌体只积累一种BChl a,相对含量分别占总色素含量的44.61%、74.89%和77.53%。光照好氧条件下,细胞还积累一种新的紫色色素,特征峰为355 nm、389nm、520 nm、621 nm和755 n1n。在光照厌氧和黑暗好氧条件下,细胞不积累此紫色色素。球形烯(spheroidene, SE)和羟基球形烯(OH-spheroidene, OH-SE)是光照厌氧下细胞积累的主要Car,生长于黑暗好氧条件下的培养物,除了积累球形烯酮(spheroidenone, SO)外,还积累羟基球形烯酮(OH-spheroidenone, OH-SO)。菌株XJ-1是研究特殊生境APB BChl合成基因表达调控的一个良好菌株。以XJ-1为研究对象,研究了光照厌氧条件下NaCl对菌体生长、Car和BChl合成的调控作用。结果表明：0-0.2 mol/L NaCl范围内,随盐度增加,菌体生长速率、最终生物量以及菌体积累的BChl和Car含量升高,继续增加盐度,菌体的生长速率、最终生物量以及菌体积累的BChl和Car含量又逐渐降低。未添加NaCl时,菌体细胞主要积累5种色素组分,分别为BChl a、脱镁细菌叶绿素(bacteriopheophytin, BPhe)、SE、SO和OH-SE;但当添加0.2-0.4 mol/L NaCl时,菌体额外积累了一种BPhe组分。随NaCl浓度增加,菌体积累的BChl a和SE的相对含量降低,2种BPhe组分的相对含量则增加,而OH-SE和SO则呈先升后降的趋势。由此可见,随着盐度的变化,菌体光合色素的积累量与菌体的生长相关联,光合色素的组分和相对含量也随之发生了规律性的变化。本结果为深入开展APB光合色素盐适应性机制研究奠定了基础。以菌株XJ-1为研究对象,研究了As对细胞积累的光合色素组分和相对含量的影响。当As(Ⅲ)浓度为0-0.2 mmol/L时,随着浓度增加,菌体积累的BChl和Car含量逐渐升高,0.2 mmol/L As(III)时,达到最大值；若继续增加浓度,菌体积累的BChl和Car含量则逐渐降低。当As(V)浓度为0-0.5 mmol/L时,随着浓度增加,菌体积累的BChl和Car含量略微升高,若继续增加浓度,菌体积累的BChl和Car含量则逐渐降低。Tetrahydrogeranylgeranyl BChl a (BChl aTHGG)、phytylated BChl a (BChl ap)、SE和SO是主要积累色素。当环境中存在As时,BChl aTHGG与BChl aP、SO与SE的相对比例会发生改变,OH-SE未被检测到。当细胞生长在0.5 mmol/LAs(V)和0.2 mmol/L As(HI)环境中,BPhe也未被检测到。结果表明,菌株XJ-1积累的光合色素对As(V)和As(Ⅲ)敏感,并且As浓度对色素的合成有明显影响。这种变化使得XJ-1可作为特殊生境APB光合色素基因表达调控机制研究的良好菌株,也有用于检测环境中As的潜在价值。以XJ-1为研究对象,研究了光照厌氧条件下乙酸对菌体生长、细胞积累的Car和BChl组分和相对含量的影响。结果表明：在2-24g/L乙酸浓度范围内,随着乙酸浓度变化,菌体积累色素的组分和相对含量也随之发生了规律性变化。当乙酸浓度为6 g/L时,菌体细胞积累的Car和BChl量达到最大。高浓度乙酸抑制BPhe的合成,低浓度下,积累一种或两种BPhe-当乙酸浓度增至6g/L和8g/L,菌体积累的OH-SO才被检测到。在不同浓度乙酸中,细胞只积累一种BChl a。该菌株可以用于处理富含乙酸的有机废水,同时生产单一的BCh1a。3.采用改良的Ormerod培养基HP83,从新疆天山天池中分离到菌株TS,在细胞形态、细胞产生粘液和大多数碳、氮源利用能力等特性方面,TS与Rhodobacter sphaeroides很相似,二者在系统进化树中也位于同一进化分支。然而,菌株TS在生境、吸收光谱、生长因子、最适pH、温度范围方面不同于已报道菌株,因而将菌株TS鉴定为Rhodobacter sphaeroides的一个新菌株。光照厌氧条件下,该菌株在376 nm、423 nm、453 nm、480 nm、508 nm、592 nm、 802 nm和854 nm处有吸收峰,在874-877 nm处有椭峰,表明含有BChl a和球形烯Car。不同碳源、氮源、pH值和不同浓度的NaCl对活细胞的特征吸收峰有影响,尤其会引起423nm处特征吸收峰和874-877 nm处驼峰的变化。菌体积累的Car和BChl的含量随pH增加而略有增加。当环境pH为6.5和8.0时,菌体细胞积累的BChl a的相对含量分别占总色素量的55.46%和55.43%,菌体细胞积累的BPhe和Car各组分的相对含量,受pH影响相对明显。在光照厌氧条件下,SE和SO是Rhodobacter sphaeroides积累的主要Car组分。有趣的是,菌株TS未积累SO。细胞积累的光合色素不仅是APB受环境调控的结果,也是细胞内生理代谢的综合体现。菌株TS积累的光合色素不同于已报道菌株,该菌株对不同pH的响应机制还有待于进一步研究。4.采用改良的Pfennig 1988无机选择性培养基,从酸性环境中分离获得了菌株98144。硫化物耐受能力测定表明,菌株98144能生长于含有0-6 mmol/L Na2S的环境中,在1.5mmol/L Na2S环境中,获得的菌体生物量最大,表明对硫化物有较强的耐受能力。菌株98144在亚硫酸钠、硫代硫酸钠和硫环境中,生长良好。系统进化树显示,菌株98144与Rhodopseudomonas palustris ATCC 17001亲缘关系最近,但二者在吸收光谱、碳源和硫源利用方面存在差别,所以菌株98144被鉴定为Rhodopseudomonas palusteris的一个新菌株。TLC分析表明,在光照厌氧条件下,1.5mmol/L Na2S环境中,该菌株积累4种正常螺菌黄素系列Car,一种BPhe和一种BChla,且BChla相对含量占总色素量的65.66%,含量高。如果进一步研究,菌株98144可用于净化煤矿矿坑水,同时提取BChla制品,也可以作为研究PNSB对硫化物和亚硫酸盐适应性机制的模式种。
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q93


本文编号：2762997