現(xiàn)代科技綜述知識文庫：發(fā)光細(xì)菌

1、現(xiàn)代科技綜述系列發(fā)光細(xì)菌科技是人類區(qū)別于動物的重要文明之一，是人類對自然規(guī)律研究和利用的學(xué)科。本文提供對科技基本概念“發(fā)光細(xì)菌”的解讀，以供大家了解。發(fā)光細(xì)菌發(fā)光細(xì)菌是一類非致病普通細(xì)菌，在正常的生理?xiàng)l件下能發(fā)射出藍(lán)綠色的可見光。由于發(fā)出的光屬于冷光，同時這種發(fā)光又可以被有毒有害物質(zhì)所抑制，因而研究發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光現(xiàn)象對于仿生學(xué)和環(huán)境監(jiān)測都具有重要意義。1742年，貝克(Baker)第一個提出死魚發(fā)出的光是由活物質(zhì)引起的。但直到19世紀(jì)初，科學(xué)家們才真正搞清楚這種發(fā)光現(xiàn)象是由細(xì)菌引起的。此后，人們對發(fā)光細(xì)菌進(jìn)行過廣泛研究。20世紀(jì)70年代以來，在分類學(xué)方面采用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)行分類；在生理學(xué)方面，

2、對發(fā)光細(xì)菌的營養(yǎng)、生長和發(fā)光的關(guān)系、光反應(yīng)與呼吸鏈的關(guān)系、螢光酶的合成與抑制等都有了比較清楚的認(rèn)識；在化學(xué)方面，研究了螢光酶的結(jié)構(gòu)和功能、反應(yīng)機(jī)制、反應(yīng)途徑和中間產(chǎn)物；在應(yīng)用方面，用發(fā)光細(xì)菌來測定環(huán)境中的有毒有害物質(zhì)、評價環(huán)境污染程度。因此，對于發(fā)光細(xì)菌的研究引起許多學(xué)者的極大興趣。發(fā)光細(xì)菌一般呈桿狀或弧狀，或球桿狀。菌體大小為05113。具鞭毛，能運(yùn)動。單菌落發(fā)光明亮。一般37不再發(fā)光。革蘭氏染色陰性，兼性厭氧生長，好氧發(fā)光。對鹽類和鹽濃度顯得十分重要，NaC1，MgC12和CaCl2都能促進(jìn)發(fā)光細(xì)菌的生長和發(fā)光。但NaC1可以代替其它鹽類。一般最適生長鹽濃度為23%，最適發(fā)光鹽濃度為33%

3、。能利用糖類、有機(jī)酸類、醇類作碳源，多達(dá)十幾種。屬于“雜食”性細(xì)菌，特別是甘油對發(fā)光細(xì)菌的生長和發(fā)光都有利。環(huán)境因子往往影響發(fā)光細(xì)菌的生長和發(fā)光。一般發(fā)光細(xì)菌可以在1240范圍內(nèi)生長和發(fā)光，最適溫度為20C，30C時往往就不發(fā)光，但因種而異。發(fā)光細(xì)菌的生長和發(fā)光都需要一定的H+濃度值，最適生長H+濃度316108107molL，而最適發(fā)光H+濃度126107316107molL。細(xì)菌雖然在厭氧的條件下可以生長，但不能發(fā)光。因?yàn)榘l(fā)光細(xì)菌的發(fā)光過程是絕對需氧的。因而可以利用這一特點(diǎn)來測定微量氧氣。在早期的發(fā)光細(xì)菌的分類研究中，一度曾出現(xiàn)非?；靵y的現(xiàn)象。1971年，亨德里(Hendrie)對當(dāng)時已經(jīng)

4、分得的發(fā)光細(xì)菌進(jìn)行較為詳細(xì)研究，將其分為5個種。1980年，鮑曼(PBaumann)等應(yīng)用分子生物學(xué)技術(shù)，如DNADNA雜交、免疫學(xué)試驗(yàn)、數(shù)值分析等分類技術(shù)，提出一個新的分類系統(tǒng)，并得到多數(shù)研究者的支持。他把已命名的發(fā)光細(xì)菌定為10個種(Species)，分別屬于弧菌屬、發(fā)光桿菌屬、另單孢菌屬和異短桿菌屬4個屬。大多數(shù)為海水型，僅有兩個種為淡水型。值得注意的是，1981年楊頤康等從中國沿海水域已分離到6種發(fā)光細(xì)菌，其中東方弧菌為我國獨(dú)有的新種。發(fā)光細(xì)菌的主要棲息地是海洋環(huán)境，少數(shù)生活于陸生環(huán)境。根據(jù)它們的生活習(xí)性，可分為寄生型的、腐生型的、共生型的和自由生活型的。在海洋動物的體表、內(nèi)臟、發(fā)光器

5、官中，海水和海泥中，都可分離到發(fā)光細(xì)菌。發(fā)光細(xì)菌在適當(dāng)?shù)臈l件下能發(fā)出藍(lán)綠色的光。20世紀(jì)50年代就已經(jīng)知道細(xì)菌發(fā)光需要螢光酶、還原性黃素單核苷酸、氧分子和八碳以上的長鏈脂肪醛等參與。1963年，黑斯廷斯(JWHastings)通過大量研究資料，提出發(fā)光細(xì)菌發(fā)光的反應(yīng)過程。從反應(yīng)歷程看，還原型的黃素單核苷酸與螢光酶反應(yīng)的結(jié)果形成螢光酶FMNH2復(fù)合物稱作中間產(chǎn)物。這種物質(zhì)已經(jīng)被分離獲得。中間產(chǎn)物1很快與分子氧反應(yīng)形成中間產(chǎn)物。這種物質(zhì)在低溫條件(20C)下用柱層析的方法已經(jīng)被提純和研究。中間產(chǎn)物在有醛存在的條件下連續(xù)產(chǎn)生中間產(chǎn)物，處于激發(fā)態(tài)的產(chǎn)物在一定條件下轉(zhuǎn)變成普通態(tài)，于是就產(chǎn)生光。幾種主要類

6、群的發(fā)光細(xì)菌的螢光酶都已被分離、純化和研究。螢光酶是一種糖蛋白，在結(jié)構(gòu)上十分相似，是一個二聚體，由兩個不同的亞基和亞基組成，不含金屬輔基。1969年，黑斯廷斯等研究了哈維氏弧菌的螢光酶，它是一個分子量為79000d的雜合分子，其中亞基為42000d，亞基為37000d。在5M尿素中用DEAESephadex柱層析可以把兩個亞基分離開來，并證明任何單個亞基都沒有生物活性。但在適當(dāng)?shù)臈l件下把兩個亞基結(jié)合起來，又可恢復(fù)成有活性的分子，而且螢光酶的催化中心在亞基上而不是在亞基上。1982年，貝拉斯(RBelas)等采用基因工程的方法分離到費(fèi)氏弧菌編碼螢光酶兩個亞基的基因LuxA和LuxB，并在大腸桿菌

7、(Ecoli)中得到表達(dá)。1983年，恩杰布倫特(JEngebrecht)等從費(fèi)氏弧菌的基因組中分離出發(fā)光系統(tǒng)的全部基因的DNA片段(16kb)。進(jìn)一步的研究資料表明，發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光系統(tǒng)共受7個基因控制，其中兩個基因?yàn)槲灩饷竷蓚€亞基編碼，3個基因?yàn)榘l(fā)光反應(yīng)所需長鏈脂肪醛的酶編碼，另有兩個基因?yàn)檎{(diào)節(jié)基因。以發(fā)光細(xì)菌螢光酶基因作指示基因，已成功地用于研究真核生物基因的表達(dá)。發(fā)光細(xì)菌發(fā)出的光為藍(lán)綠色的可見光，其頻譜范圍約在400650nm之間，最大發(fā)射波長(max)在480490nm，而且在體內(nèi)發(fā)光和體外發(fā)光基本是一致的。發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光現(xiàn)象是細(xì)菌正常新陳代謝的結(jié)果，當(dāng)細(xì)菌接觸到某些有毒有害物質(zhì)時，就

8、會影響或干擾細(xì)菌的發(fā)光能力，使發(fā)光強(qiáng)度下降。因此，可以根據(jù)發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光強(qiáng)度的變化來測定毒物濃度，如測定重金屬離子、農(nóng)藥、酚、氰化物等有機(jī)化合物或無機(jī)化合物；測定空氣中的有毒氣體；綜合評價生活污水和工業(yè)廢水對環(huán)境的污染程度。在醫(yī)藥衛(wèi)生方面測定抗生素效價，測定血清的殺菌活性，測定致突變物質(zhì)。還可以利用發(fā)光細(xì)菌的無細(xì)胞體系測定FMN、RCHO、NADH，測定脫氫酶類以及與葡萄糖、乳糖等代謝有關(guān)酶類的活性。在世界范圍內(nèi)的海域和陸生環(huán)境中雖然已分離鑒定了10種發(fā)光細(xì)菌，但還有許多海域的發(fā)光細(xì)菌資源并沒有作全面深入調(diào)查，尤其是陸生環(huán)境的細(xì)菌，到目前只發(fā)現(xiàn)兩個種。因此，發(fā)光細(xì)菌的分類工作仍需進(jìn)一步研究。發(fā)

9、光細(xì)菌所發(fā)射的光為冷光，這為仿生學(xué)研究提供了線索，在這方面深入研究還較少。發(fā)光細(xì)菌螢光酶的分子生物學(xué)和基因工程研究已經(jīng)取得一定成績，但如何把螢光酶基因作為指示基因，以發(fā)光作指標(biāo)用于基因工程研究，作為同位素和生物素探針的補(bǔ)充還需進(jìn)一步做工作。發(fā)光細(xì)菌已經(jīng)廣泛地用于環(huán)境監(jiān)測，但如何以發(fā)光細(xì)菌為指示菌建立環(huán)境監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)，以代替魚的急性毒性試驗(yàn)還需做大量的工作。【參考文獻(xiàn)】： 1 Hendrie，et alJ Gen Microbial1970，64151169 2 Hastings J W，Nealson K MAnn Rev Microbial1977，31549595 3 Belas R，et alSctence，1982，218(19)791793 4 楊頤康，等海洋和湖沼，1984，