微生物學綜述

微生物學綜述題目：藍細菌的應(yīng)用與研究發(fā)展班級：生物技術(shù)2013（生物制藥）藍細菌的應(yīng)用和研究發(fā)展摘要：藍細菌(Cyanobacteria)舊名藍藻或藍綠藻，是一類進化歷史悠久、革蘭氏染色陰性、無鞭毛、含葉綠素和藻藍素（但不形成葉綠體）、能進行產(chǎn)氧性光合作用的大型原核微生物。本文就藍細菌的光合作用、固氮作用、食品功用、醫(yī)療功效、環(huán)境監(jiān)測等，以及其研究發(fā)展進行了綜述。關(guān)鍵詞：藍細菌，光合作用，生物固氮，制氫研究，功能食品，環(huán)境監(jiān)測藍細菌是原核生物，又叫藍藻、藍綠藻，大多數(shù)藍藻的細胞壁外面有膠質(zhì)衣，因此又叫粘藻。在所有藻類生物中，藍藻是最簡單、最原始的一種。其應(yīng)用是多方面的，主要有光合作用、固氮作用、功能食品等。常見種類有藍球藻、顫藻、念珠藻、魚腥藻、螺旋藻等。藍細菌是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在初級生產(chǎn)中占有重要地位，對海洋生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和多樣性具有重要意義。分布目前藍細菌約有2000種，由于可耐受惡劣的極端環(huán)境，因此廣泛地分布在淡水、湖沼和海洋等水體中以及潮濕土壤、巖石、樹木等處，即使在寒冷的南極和高達85℃的溫泉中，甚至在貧瘠的沙質(zhì)海灘和荒漠的巖石上都能存在。藍細菌在地球環(huán)境的演變和生物的進化中也起到非常重要的作用，因為藍細菌是地球上最早的放氧型光養(yǎng)生物，擔負著地球大氣從無氧到有氧的轉(zhuǎn)換功能。藍細菌目前至少有三方面的開發(fā)應(yīng)用：一是它可直接食用，藍細菌是目前已知生物蛋白質(zhì)含量最高的，可達50％以上，如發(fā)菜、螺旋藻等是極具開發(fā)前景的食品；二是在基因改造方面的應(yīng)用，可將藍細菌中能夠抵抗惡劣環(huán)境的基因鑒定并分離出來，構(gòu)建有更好地抵抗惡劣環(huán)境能力的轉(zhuǎn)基因作物；三是在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用。利用藍細菌能結(jié)合并清除水中有害金屬、有害化學物質(zhì)以及利用其對海水淡化的能力，進行環(huán)境污染監(jiān)測和污染水的處理。但應(yīng)注意，當?shù)?、海水中的N、P營養(yǎng)成分增加造成水體富營養(yǎng)化時，藍細菌會形成赤潮和水華這種自然生態(tài)現(xiàn)象，使水中含氧量降低和有毒物質(zhì)積累，造成魚類等水生生物死亡。另外，藍細菌的次生代謝產(chǎn)物能損害肝，具有促癌效應(yīng)，通過食物鏈和飲用水直接威脅人類的生存和健康。二.應(yīng)用光合作用藍細菌體內(nèi)含有一種天藍色的色素蛋白-藻藍蛋白，藍細菌正是利用這種蛋白質(zhì)來捕光，進行光合作用。藍細菌體內(nèi)沒有葉綠體,但含有葉綠素，和植物中進行光合作用的色素是一樣的。藍細菌細胞內(nèi)進行光合作用的部位稱類囊體,類囊體膜上含有葉綠素α、β-胡蘿卜素以及與光合電子傳遞鏈有關(guān)的組分。類囊體所特有的藻膽蛋白可以吸收光能,并把它轉(zhuǎn)移到光系統(tǒng)Ⅱ中。由于光合藍細菌能夠利用太陽能和CO2作為唯一能源和碳源進行生長,進而經(jīng)基因工程修飾后生產(chǎn)各種生物燃料以及精細化學品，因而作為“微生物細胞工廠”而備受關(guān)注。作為一個新興的基因工程宿主菌，藍細菌具有以下優(yōu)勢：1)藍細菌擁有復雜的光合系統(tǒng)，能夠吸收廣泛波長的太陽光并將其能量直接傳遞給其他形式的能量載體。同時，藍細菌光能利用率是陸生植物的數(shù)倍(藍細菌3％~9％，陸生植物≤0.25％~3％)。2)藍細菌種類多樣、分布廣泛，培養(yǎng)不需要耕地，甚至可以在極端環(huán)境下生長。3)藍細菌的生長營養(yǎng)需求低，只需空氣(CO2和N2來源)、水、簡單的無機鹽和光(能源)，降低了生產(chǎn)成本。同時，利用大氣中的溫室氣體CO2作為碳源，有希望扭轉(zhuǎn)或減緩全球變暖進程。4)藍細菌生長比植物快，培養(yǎng)周期短，生長密度高。伴隨著對藍細菌代謝途徑理解的深入以及幾十種藍細菌基因組測序的完成，使得人工改造藍細菌并將之利用于各種工業(yè)產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)成為可能。固氮作用藍藻的種類有2000多種，其中有固氮能力的只有20種。多數(shù)固氮藍藻是水生植物，每年能固氮25-100kg/ml。1961年發(fā)現(xiàn)的束毛藻目前固氮量最大的一種群體海洋細菌。目前，藍細菌仍然是在藻類和豆類作物提供氮肥的重要來源。這已經(jīng)在稻類的耕作中利用起來，如滿江紅被散布在水稻周圍。蕨類植物的葉子為魚腥藍細菌提供生存場所，進行固氮作用；而蕨類植物在過季時死亡后則為稻物提供了一種低成本的天然化肥和氮源。實踐表明對藍細菌的固氮特性，若將其固氮能力轉(zhuǎn)移到水稻、小麥等作物體內(nèi)，使之實現(xiàn)氮肥自給，將導致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的革命。制氫研究藍細菌具有很低的營養(yǎng)要求，能夠利用太陽能直接光解水產(chǎn)生氫能。能夠產(chǎn)氫的藍細菌有絲狀異形胞藍細菌、絲狀非異形胞藍細菌、單細胞不固氮藍細菌三大類。藍細菌中參與氫代謝主要有固氮酶、吸氫酶和可逆氫酶，其中，固氮酶在催化固氮的同時催化氫的產(chǎn)生，吸氫酶可氧化固氮酶放出的氫，可逆氫酶可以吸收也可以釋放氫氣。而藍細菌放氫是這三種酶共同作用的結(jié)果。目前，藍細菌氫的產(chǎn)率和光能轉(zhuǎn)化效率尚未達到實際應(yīng)用的要求，但已進行的研究工作為進一步提高藍細菌產(chǎn)氫的效率奠定了基礎(chǔ)。藍細菌產(chǎn)氫的主要障礙在于：產(chǎn)氫酶受氧的抑制，產(chǎn)生的氫被吸氫酶消耗，以及氫的產(chǎn)率較低。提高藍細菌的產(chǎn)氫率需要在藍細菌遺傳、生理和培養(yǎng)等方面進行深入的研究，這包括分離和研究更多的藍細菌。值得注意的是藍細菌可逆氫酶在進行催化作用時僅需要很少的能量，在理論上具有比固氮酶更強的放氫能力，藍細菌可逆氫酶的放氫能力值得深入研究和利用。2.4功能食品藍細菌特別是螺旋藻被認為是最理想的功能食品,它的蛋白質(zhì)含量非常的高，培養(yǎng)卻非常簡單。研究表明螺旋藻是所有已被發(fā)現(xiàn)的生物中營養(yǎng)最豐富、最全面均衡的海洋生物,1987年被聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦為21世紀人類最理想的保健食品。藍細菌分布廣泛,是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分和海洋初級生產(chǎn)力的重要組成部分。功能食品最新定義為一種含有能對生理功能產(chǎn)生正面調(diào)節(jié)作用的有效成分,并可以對身體健康提供超過基礎(chǔ)營養(yǎng)功效的食品。功能性食品的市場已經(jīng)遍及全球并且發(fā)展迅猛,2006年11月中國食品科學技術(shù)學會(CIFST)功能食品分會正式成立,并宣稱將大力加強國際國內(nèi)功能食品領(lǐng)域的交流與合作。據(jù)調(diào)查顯示螺旋藻蛋白質(zhì)含量相當于大豆蛋白質(zhì)含量的20倍;β-胡蘿卜素含量是一般胡蘿卜的10~15倍;其所含的一般植物中缺乏的VB12比牛肝所含的量高出2.5倍;其γ-亞麻酸含量更是一切天然食物中最豐富的。螺旋藻還含有鐵、鋅、銅、鈣及其它微量元素,其葉綠素、葉黃素、藻藍素的含量也是其它食物無法媲美的。作為最理想的功能食品,螺旋藻易于被人體消化吸收,長期食用,可以調(diào)節(jié)人體生理機能,促進細胞新陳代謝。2.5保健功效藍細菌中的螺旋藻可以產(chǎn)生多糖，經(jīng)試驗證明，螺旋藻多糖具有提高機體免疫力和抑制癌細胞增殖的能力。Richmond等報道，螺旋藻多糖能有效的提高淋巴細胞的活性，改善造血功能，還可以顯著降低血清尿素氮增量，提高血清中乳酸脫氫酶活力，降低運動后血乳酸水平，具有明顯的抗疲勞作用。最近發(fā)現(xiàn)硫酸化多糖能阻止病毒對宿主細胞的附著與融合，同樣能夠阻止受HIV感染的細胞與未感染的CD4+胸腺淋巴細胞的融合，大大降低了病毒的傳染性。Jaspars和Lawton描述了一些從藍細菌中獲得的蛋白酶抑制劑，Microginins，Aeruginosins，Cyanopeptolins。Microginins被用于治療高血壓，絲氨酸蛋白酶抑制劑Cyanopeptolins被用于治療哮喘和病毒性感染。2.6環(huán)境影響藍細菌與水環(huán)境有著密切的關(guān)系，在水體生長旺盛時，能使水色變藍或其他顏色，并且有的藍細菌能發(fā)出草腥味或霉味。然而，有某些屬如：微囊藍細菌屬、魚腥藍細菌屬和水華束絲藍細菌屬在富營養(yǎng)化的海灣和湖泊中由于大量繁殖，引起海灣的赤潮和湖泊的水花(華)，導致水質(zhì)惡化。有些屬能分泌毒素，嚴重者引起水生動物大量死亡，引起一系列的環(huán)境問題。藍細菌在污水處理、水體自凈中可起到積極作用，用它可有效地去除氮和磷。在氮、磷豐富的水體中生長旺盛，可作水體富營養(yǎng)化的指示生物。藍細菌是一類能進行放氧光合作用的原核微生物,具有生長速度快、光合效率高、易于基因遺傳操作等特點。它們能夠?qū)⒉东@的光能和二氧化碳轉(zhuǎn)化為生物能源分子,在解決當前社會面臨的能源緊缺和環(huán)境污染等問題上有著重要的理論和應(yīng)用研究價值。近年來,隨著合成生物學的迅猛發(fā)展,構(gòu)建以藍細菌為底盤的"人工細胞工廠"用于合成各類生物能源和精細化學產(chǎn)品取得了令人矚目的成績。參考文獻侯建軍,黃邦欽.海洋藍細菌生物固氮的研究進展[J].地球科學進展,2005,20(3)：312-313.巫琴,陳磊,王江新,張衛(wèi)文.應(yīng)用和成生物學策略優(yōu)化光合藍細菌底盤[J].生物工程學報,August25,2013,29(8)：1086-1087.孫忠科,杜巍,任戈,卜歆.藍細菌與功能食品開發(fā)[J].食品研究與開發(fā),2003,128(6)：176-177.喻國策,王建龍.藍細菌制氫研究進展[J].中國生物工程雜志,2005,25(12):86-91.常亮富.我國藍細菌固氮研究走在世界前列[N].農(nóng)民日報,2002-12-21(第006版).李洪波,梁玉波,袁秀堂.遼寧長海浮筏養(yǎng)殖對聚球藻藍細菌分布的影響[J].海洋學報,2012,34(5):221-224林建斌.海洋生物多糖在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用[J].水產(chǎn)養(yǎng)殖,2014,35(1):27-28.高媛.小葉滿江紅共生藍細菌的細胞程序性死亡研究[D].福建：福建農(nóng)林大學,2009-6.趙夢溪.魚腥藍細菌異形細胞分化調(diào)控關(guān)健蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與調(diào)節(jié)機制研究[D].合肥：中國科學技術(shù)大學,2011-5.王鑫,楊秀麗,薛林貴.藍細菌對極端環(huán)境的適應(yīng)性研究進展[N].中獸醫(yī)醫(yī)藥雜志,2014(第3期).袁振宏等.能源微生物學[M].化學工業(yè)出版社:2012:282-283.楊文博，李明春主編.微生物學[M].高等教育出版社,2010:37周群英，王士芬編著.環(huán)境工程微生物學[M].高等教育出版社,2008.1:60-61LIWen-jing,WUXiao-li,PANGSheng-hui,YUHai-f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