（环境科学专业论文）星云湖中紫色非硫光合细菌的生态分布特征及初步应用.pdf

差异不显著，平均数量为1 1 0 8 2 1 3c e l l s m 1 p n s b 数量在丰水期达到最高值，达 1 2 8 2 2 3 6 c e l l s m l ，枯水期次之( 1 0 5 6 2 7 0 c e l l s m 1 ) ，平水期最少( 9 8 5 2 8 4 c e l l s m 1 ) 。 3 利用聚类分析方法，对星云湖进行种群结构分析和鉴定。根据菌株的形态及培养 特征、对不同基质的利用、耐盐性、生长的p h 范围、不同光和氧条件下的生长丰度 以及活细胞吸收光谱等检测结果，对从星云湖中分离纯化的3 0 株有代表性的p n s b 进行聚类，在距离测度值为2 4 时聚为三簇。 4 对每个相似簇中代表菌株( x 1 、x 7 、x 1 0 和x 1 9 ) 进行深入的实验。以x 1 、x 7 为代表的1 4 株菌与红假单胞菌属( r h o d o p s e u d o m o n a s、) 的特征相符，以x 1 9 为 代表的“株菌与红细菌属( r h o d o b a c t e rj ) 特征相符，以x 1 0 为代表的5 株菌与 红螺菌属( r h o d o s p i r i l l u m j ) 特征相符，表明它们应是星云湖中紫色非硫细菌的主 要类群。2 0 0 4 年度从星云湖分离、纯化p n s b 共1 1 2 株，其中红假单胞菌属 ( r h o d o p s e u d o m o n a s _ _ ) 和红细菌属( r h o d o b a c t e r 。：) 是优势种，分别占总数的 6 1 6 和2 7 7 ，少数的红螺菌属( r h o d o s p i r i h u m 。v ) 占1 0 7 。 5 星云湖中11 2 株p n s b 中有2 7 株带质粒d n a 。在污染程度高的螺丝铺水域的质 粒检出率为2 8 8 9 ，远远高于中度( 2 2 2 2 ) 和轻度污染地区( 1 9 3 5 ) ；在星云湖 中广泛分布的3 种p n s b 中，红假单胞菌的质粒检出率最高( 2 8 9 9 ) ，其次是红细 菌( 2 2 5 8 ) ，而红螺菌检出率为0 。 6 从星云湖中筛选出了功能优秀、活性高的4 株p n s b ：x 1 、x 7 、x i o 和x 1 9 。这 4 株p n s b 的复合培养液能使养殖污水的c o d 、b o d 、t n 和t p 大幅度下降，使污水 得到很好处理，并可以较好地降解活性艳红x 3 b 。 以上结果表明，本论文运用生物统计学方法对p n s b 在高原湖泊星云湖中的生态分 布作了深入研究并给出了科学解释。从星云湖中分离的p n s b 在处理低浓度污水等方面 有较强的优越性，值得在初步开发的基础上进一步研究和利用，其前景广阔。 关键词：光合细菌；高原湖泊；微生物生态；种群结构；质粒；开发应用 、 e c o l o g i c a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e ra n da p p l i c a t i o no f p u r p l en o n s u l f u rp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ( p n s b ) i n x i n g y u n l a k e a b s t r a c t p s b ( p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ) ，w h i c he m e r g e d2b i l l i o ny e a r sa g o ，i st h eg e n e r a lt e r m f o ra l lk i n d so fb a c t e r i at h a tu s el i g h tt op h o t o s y n t h e s i sw i t h o u to x y g e ne m i s s i o n ，w i mh i g h v a l u ei nb a s i ct h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n i nt h e o r y , i ti st h eb e s te x p e r i m e n t a l m a t e r i a lf o rs t u d y i n gp h o t o s y n t h e s i s ，n i t r o g e nf i x a t i o n ，a n de x p l o r i n gt h eo r i g i no fl i f e ， b i o l o g i c a le v o l u t i o n i na p p l i c a t i o n ，i tc a nb eu s e df o rp r o d u c i n gh y d r o g e n ，b i o d e g r a d a b l e p l a s t i c s ，b i o l o g i c a li n s e c t i c i d ea n db i o - f e r t i l i z e r i ti sa l s on s e df o rp u r i f i c a t i n go r g a n i c p o l l u t i o n ，t r e a t i n gh i g l lc o n c e n t r a t eo r g a n i cw a s t ew a t e r , a n db i o l o g i c a ld e n i t r o g e n a t i o n x i n g y u nl a k ei sat y p i c a lp l a t e a ul a k e ，b u tt h e r ei sn oo n ew h ob e g i n st os t u d yt h e d i s t r i b u t i o no fm i c r o b i a lp o p u l a t i o ni nt h el a k e ，t h en u m b e rv a r i a n c ei nt i m ea n ds p a c e ，a n d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i s t r i b u t i o na n de u t r o p h i c a t i o no fl a k e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h e s t u d y i n go b j e c ti st h ep s b ，w h i c ho n eo f t h ei m p o r t a n tp o p u l a t i o n si ne c o s y s t e mi nx i n g y u n l a k e w eh o p et of i n do u tt h ev e r t i c a la n dh o r i z o n t a ld i s t r i b u t i o no fp s bi nx i n g y u nl a k e s i m u l t a n e o u s l y , w ew a n tt os c r e e nt h es t r a i nw i t he x c e l l e n tf u n c t i o na n dh i 曲a c t i v i t ys ot h a t c o u l dl a yaf o u n d a t i o nf o rf u r t h e re x p l o r i n gn a t u r a lr e s o u r c eo f m i c r o b i o ni np l a t e a ul a k e s t h i sd i s s e r t a t i o nc o n s i s t e do f3p a r t s ： 1 c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so f e n v i r o n m e n t a lf a c t o r so f x i n g y u nl a k e ； 2 n u m e r i c a ld i s t r i b u t i o na n d p o p u l a t i o n s t n l c t u r eo f p n s bo f t h ex i n g y u nl a k e ； 3 a p p l i c a t i o no fp n s bo fx i n g y u nl a k ei nw a s t e w a t e rn a t r n e m d e c o l o r a t i o no f r e a c t i v er e dx 3 b n l ed e t a i l e dr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sw e r ea sf o l l o w s ： 1 e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ( s d ，t n ，t p ，b o d 、c o da n dc h l a ) w e r er e i n a r k a b l yd i f f e r e n t a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c eo f h o r i z o n t a ll o c a t i o n sa n ds a m p l i n gp e r i o d si nx i n g y u nl a k e ， i i i b u tt h ec h a n g eo fd oa n dt e m p e r a t u r es h o w e dt h a tt h e r ew e r en os i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei n t h ed e p t h t h ev a l u ef o rt h es t a t eo fn u t r i t i o ni nx i n g y u nl a k ew a sa n a l y z e db yu s i n g k a r s o ni n d e x ，i ts h o w e dt h a tm o s tw a t e r s h e do fx i n g y u nl a k eh a db e e ne u t r o p h i c a t i o n ， a n dap a r to fw a t e r s h e d ( m a j o rw a t e r s h e di sl u o s h i p up a r t ) h a db e e ns e r i o u s e u t r o p h i c a t i o n 2 t h eq u a n t i t yo f p n s bw a ss i g n i f i c a n td i f f e r e c ea c c o r d i n gt ot h eh o r i z o n t a ll o c a t i o n s a n ds a m p l i n gp e r i o d s ，b u tt h e r ew a sn os i g n i f i c a n td i f f e r e c ei nt h ed e p t h t h ep n s b c o n c e n t r a t i o ni nl u o s h i p uo fx i n g y u nl a k ei s l i t t l eh i g h e rt h a ni nl i j i a w a np a r t ，a n d m u c hh i g h e rt h a ni nm i d d l ep a r t , t h er e a s o nw h i c hr e s u l t e di nt h ed i f f e r e n c ew a sp o l l u t i o n d e g r e eb e t w e e nd i f f e r e n tl o c a t i o n i nv e r t i c a ld e p t h ，t h el o w e rd o ，t h em o r ep n s b c o n c e n 仃a t i o n ，b u tt h i sd i f f e r e n c ei sn o tr e m a r k a b l e ，t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o ni s1 1 0 8 2 1 3c e l l s m i p n s bc o n c e n t r a t i o n ( 1 2 8 2 2 3 6c e t l s m 1 ) r e a c hm a x i m u mi nf l o o ds e a s o n 。 m o r et h a ni nd r ys e a s o na n da v e r a g ew a t e rs e a s o n0 0 5 6 + 2 7 0c e l l s m la n d9 8 5 2 8 4 c e l l s m l ，r e s p e c t i v e l y ) 3 t h r o u g hc l u s t e ra n a l y s i s ，t h ep o p u l a t i o no fp n s bi nx i n g y u nl a k ew a ss t u d i e d b a s e do nt h e s ef e a t u r e s ( i n c l u d i n gm o r p h o l o g i c a la n dc u l t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，s u b s t r a t e u t i l i z a t i o nc a p a b i l i t i e s ，t o l e r a n c et ot h es a l i n i t y , p hr a n g ef o rg r o w t h ，a b u n d a n c eu n d e r d i f f e r e n ti l l u m i n a t i o na n do x y g e nc o n d i t i o n s ，p i g m e n ta b s o r p t i o ns p e c t r a ) ，t h e3 0s t r a i n so f p n s bi s o l a t e df r o mx i n g y u nl a k ew e r ec l a s s i f i e dt o3g r o u p sa tt h ed i s t a n c eo f 2 4 4 f u r t h e re x p e r i m e n t so ft h er e p r e s e n t a t i v es t r a i n s ( ) ( 1 ，x 7 ，x 1 0a n dx 1 9 ) o ft h e3 g r o u p sh a v e b e e nd o n e 1 4s t r a i n sw h i c ht y p es t r a i nw e r ex 1a n dx 7w e r ea c c o r dw i t ht h e c h a r a c t e ro fr h o d o p s e u d o m o n a sj - ，a n d1 1s t r a i n sw h i c ht y p es t r a i nw a sx 1 9a n d5 s t r a i n sw h i c ht y p es t r a i nw a sx 1 0w e r ea c c o r dw i t ht h ec h a r a c t e ro f r h o d o b a c 招r 。+ ，a n d r h o d o s p i r i l l u m 、，r e s p e c t i v e l y i ts h o w e dt h a tm a y b et h e yw e r et h ep r e p o n d e r a n c e p o p u l a t i o no fp n s b i nx i n g y u nl a k e 1 1 2p n s bs t r a i n sw e r ei s o l a t e da n dp u r i f i e df r o m x i n g y u n l a k ei n2 0 0 4 ，a n di tw a sf o u n dt h a tt h ed o m i n a n ts p e c i e sw e r e r h o d o p s e u d o m o n a sf a n dr h o d o b a c t e r ，( 6 1 6 a n d2 7 7 o f t h et o t a lr e s p e c t i v e l ”， a n dr h o d o s p i r i l l u m ：a l s oe x i s t s ( 1 0 7 ) 5 2 7p l a s m i d - e a r r y i n gs t r a i n sw e r ef o u n da m o n g1 1 2p n s bs t r a i n st h a tw e r gi s o l a t e d f r o mx i n g y u nl a k e t h er a t e ( o fp l a s m i d c a r r y i n gs t r a i ni nh e a v yp o l l u t e dl e v e ls i t e ( 2 8 8 9 ) i sh i g h e rt h a nt h a ti nm o d e r a t e0 2 2 2 ) a n dl i g h tp o l l u t e dl e v e ls i t e ( 19 3 5 呦i n x i n g y u nl a k e a m o n gd i f f e r e n tp n s bs p e c i e s ，t h ep e r c e n t a g eo fp l a s m i dc a r r y i n gs t r a i n i sa l s od i f f e r e n t t h er a t eo fp l a s m i d - c a r r y i n gs t r a i ni nr h o d o p s e u d o m o n a s w a st h e h i g h e s t ( 2 8 9 9 ) ，a n dt h e nt h er h o d o b a c t e r 二( 2 2 5 8 ，t h er h o d o s p i r i l l u m i st h e 1 0 w e s t ( o ) 6 4p n s bs t r a i n s 谢me x c e l l e n tf u n c t i o na n dh i g ha c t i v i t y ( x 1 ，x 7 ，x 1 0a n dx 1 9 ) w e r es c r e e n e df r o mx i n g y u nl a k e t h e s ec o m p l e xp n s bs t r a i n sc o u l dr e d u c et h ec o d ， b o d ，t na n dt po ft h ef i s ha q u i c u l t u r ew a s t e w a t e rr e m a r k a b l y , p u r i f ya q u a t i cw a t e r d r a m a t i c a l l y , a n dd e c o l o ra c t i v er e dx - 3 br e m a r k a b l y k e yw o r d s ：p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ；p l a t e a ul a k e ；m i c r o b i a le c o l o g y ；p o p u l a t i o ns t r u c t u r e ； p l a s m i d ；e x p l o s i o na n da p p l i c a t i o n 英文缩略表 光合细菌( p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ) 紫色非硫细菌( p u r p l e n o n s u l f e rb a c t e r i a ) 透明度( s e c c h id i s c ) 溶解氧( d i s s o l v e do x y g e n ) 总氮( t o t a ln i t r o g e n ) 总磷( t o t a lp h o s p h o r u s ) 叶绿素- a ( c h l o r o p h y l l a ) 碱基对( b a s ep a i r ) 酵母膏( y e a s te x t r a c t ) t r i s e d t a 缓冲液( 啊s ，e d t a b u f f e r ) 三羟甲基氨基甲烷( t r i sh y d r o x y m e t h y la m i n o m e t h a n e ) 氯化三苯四氮唑 溴化乙锭( e t h i d i u mb r o m i d e ) 显著水平( s i g n i f i c a n c e ) 组间均方与组内均方之商 回归的复相关系数 偏回归系数 偏回归系数b 的改进 方差膨胀因子 共线性诊断的指标容许度 啪 一 烈 口 砷 他 佻眦 髓 f r b愀 = 萋 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：) 司侄 c k # 年g 月f 毕b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权云南师范大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：用侄 o k6 年6 月f ￥日 指导教师签名：毫。孙b 必6 年0 月心日 云南师范大学硕士论文 第一章光合细菌概况及其研究进展 1 1 概述 光合细菌( p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ) 或称光养细菌( p h o t o t r p h i cb a c t e r i a ) 是一 类地球上( 约2 0 亿年以前) 最早出现的、能够进行光合作用的细菌，是具有原始 光能合成体系的原核生物。广义上讲的光合细菌包括产氧和不产氧光合细菌两大部 分，通常讲的光合细菌是指不产氧光合细菌【l l 。 根据伯杰氏分类手册( 第九版) 的分类标准，可将光合细菌分为：着色杆菌科、 外硫红螺菌科、紫色非硫细菌、绿色硫细菌、多细胞丝状绿细菌、螺旋杆菌科和含 叶绿素a 的专性好氧菌，7 类共2 5 个属，6 6 个种，近年来还陆续有新种的报道2 一】。 而紫色非硫光合细菌是不产氧光合细菌中种属最多，分布最广，形态生理生化特征 最为多样，系统发育最为复杂的一群。 紫色非硫光合细菌存在极其丰富的多样性。从形态特征及培养要求来看，个体 形态有圆形、卵形、杆形、螺旋形及各种不规则的形状，有些菌具有其独特的营养 生长周期，且不同时期有不同的细胞形态。其菌体内含有细菌叶绿素及类胡萝1 - 素， 使培养物呈现出各种颜色：紫、红、棕、橙、绿等。从其在自然界的分布来看，紫 色非硫光合细菌不仅分布在淡水、海水和高盐环境中，也存在于潮湿的土壤和沼泽 田中。尤其喜好生活在富含有机质低氧的水生环境中，如湖泊、氧化池、活性污泥 槽、污水沟等水域。一部分紫色非硫细菌也可在有氧水层中靠呼吸作用生存。从生 理代谢类型来看，紫色非硫光合细菌通过光合作用把二氧化碳转变为有机碳；通过 光异养生长净化有机物质：通过固氮作用把游离氮转化成化合态氮和有机氮；通过 光自养生长把硫化氢、硫元素转化成硫酸盐：通过厌氧呼吸将硝酸盐、亚硝酸盐转 化成游离态的氮而进行脱氮作用【l 一1 。正是由于紫色非硫细菌生理类群的多样性使 其成为生物圈中c 、n 、s 、p 、o 等生命重要元素的循环和能量转化中起重要作用 的微生物类群之一。 星云湖中紫色非硫光合细菌的生态分布特征及初步应用 1 2 光合细菌的生态学特征和研究概况 1 2 1 光合细菌的分布 光合细菌主要分布在水环境中，各类群在水体中的分布又受环境条件的影响。 一般在大的水体，如湖泊中的分布可分为三种不同类型 5 1 ：( 1 ) 分布在底泥表层，主 要是指水体清澈、生产力低、水深不超过2 0 m 的湖泊；( 2 ) 分布在“不混湖”中。 “不混湖”( m e r o m i c t i cl a k e ) 是最适宜光合细菌生长发育的湖，在这种潮下层水 中常年含有h 2 s 的厌气停滞层，所以在这些厌氧层里全年都可以发现光合细斟6 j 。 ( 3 ) 循环湖的夏季湖水分层期。循环湖由于湖水四季都处于对流状态，难以形成稳 定的厌气层，不利于光合细菌的生长。但在夏季由于温度的关系，湖泊发生分层 ( 温暖而密度较小的表层和冷而密度较大的底层分开) ，两种水质不相混合，结果 湖水下层形成含有h 2 s 的厌气停滞层，可以发现高密度的光合细菌。光合细菌在 湖泊中的分布还呈一定的垂直分布现象。己报道的一些研究表明，在紫色和绿色 硫细菌形成的微生物垫中，绿硫细菌位于紫硫细菌的下部 7 1 。这种垂直分布现象可 归因与以下几点【8 】：( 1 ) 绿硫细菌对氧更加敏感，需严格厌氧；( 2 ) 绿硫细菌需要更低 的光强【9 】；( 3 ) 绿硫细菌具有更强的h 2 s 耐受性；( 4 ) 绿硫细菌不具有鞭毛，不能象 紫硫细菌那样随h 2 s 浓度的昼夜变化作上下移动。因此，h 2 s 浓度较稳定的深水 层是绿硫细菌的最适生态位。 含有较丰富有机质、光线较强、h 2 s 含量较低的水体适合紫色非硫细菌的生 长，因此富营养化的浅水湖泊及深水湖泊浅水区都有一定数量的紫色非硫细菌。 由于紫色非硫细菌缺乏降解维生素和蛋白质这一类大分子有机物的能力，因此在 自然水体中，它依赖于化能异养细菌对大分子有机物进行降解，这种依赖性可能 是紫色非硫细菌不能如紫硫细菌和绿硫细菌那样形成微生物垫的原因之一【1 0 】。 除了湖泊以外，光合细菌还能在池、沼泽、水田、灌水的土壤、氧化塘和活 性污泥槽等地方生长。由于光合细菌对温度、盐度等具有较强的耐受能力，在某 些特殊环境中( 如南极、海湾l o o m 深处 1 1 1 ) 也存在。 1 2 2 光合细菌在水生态系统中的功能 1 2 2 1 初级生产力 光合细菌利用光能同化c 0 2 合成的复杂菌体物质，在水体初级生产力中占 定比重。表1 1 中列出了5 个湖泊中光合细菌日初级生产力的绝对值及其占总初 级生产力的百分比。从表中可以看出，有的湖泊光合细菌初级生产力已超过藻类 云南师范大学硕士论文 的初级生产力。b i e b l 1 2 1 等人对1 8 个湖泊中光合细菌c 0 2 固定的测定结果进行总 结，表明光合细菌在最大增殖期间，初级生产力可达2 0 5 0 0 0 m g c m 3 d a y ，占总 初级生产力的3 9 0 。在美国北部的s m i t h h o l e 中，由于测定期间浮游植物几乎 不存在，甚至出现光合细菌初级生产力占总初级生产力的9 0 左右的罕见情况。 毗a h a s l l i 【”】等指出，湖上层主要的有机物生产者是浮游植物，湖下层主要是光合 细菌；在h 2 s 含量丰富的湖泊中，光合细菌初级生产力占全年总初级生产力的 9 2 5 ，在h 2 s 含量较少的湖泊中，约占3 5 。 表1 1 光合细菌在五个部分对流湖中的初级生产力 t a b 1 1p r i m a r yp r o d u c t i v i t yo f p h o t o l x o p h i cs u l f u rb a c t e r i a i nf i v em e r o m i c t i cl a k e s 1 2 2 2 在食物链中的地位 光合细菌菌体含有丰富的蛋白质、氨基酸和维生素等营养物质，是浮游动物的 重要饵料，构成湖泊食物链的一环。c u l v e r a n d b m 惦k i l l 【1 5 1 及h a y d e n 6 1 的研究表明， 对h 2 s 具耐性的原生动物、轮虫、枝角类和桡足类以光合细菌为食物，在其表面形 成高种群密度，通过日垂直运动，可以升至湖上层，成为鱼类的食物，从而间接参 与了湖泊好氧层中的食物链。 此外，光合细菌能去除h 2 s 的氧化作用，这在生态学上具有特别重要的意义。 光合细菌通过吸收利用厌气层里由硫酸还原菌和发酵细菌产生的h 2 s 等有毒物质， 防止h 2 s 向好氧层扩散，从而确保在好气层中生活的水生生物和水生植物的健康生 长【5 1 。 星云湖中紫色非硫光合细菌的生态分布特征及初步应用 1 2 2 3 光合细菌在物质循环中的功能 1 2 2 3 1 碳循环 紫硫细菌和绿硫细菌能利用水中厌氧层下部的c 0 2 作为碳源，即这些细菌在厌 氧层进行了一次物质生产。以f a y t t e v i l l eg r e e n 湖( 美国) 和m e d i c i n e ( 美国) 为 例 6 1 ，光合细菌每年碳吸收前者为6 0 0 0 0 9 9 ，后者为3 7 5 0 k g ，已超过浮游植物的初 级生产力。而紫色非硫细菌则以低级脂肪酸、醇类、碳水化合物和氨基等作为碳源 合成菌体有机物，在富营养化水体的碳循环中起重要作用。 1 2 2 3 _ 2 硫循环 紫硫细菌和绿硫细菌能把水层下生成的h 2 s 氧化成s 0 4 2 。在意大利的f a r o 湖， 上述细菌一日内能氧化3 0 0 m g m 2 h 2 s 1 7 1 。紫硫和绿硫细菌一年内氧化的l t 2 s 量， f a y t t e v i l l eg r e e n 湖为8 4 0 0 0 k g 15 1 ，m e d i c i n e 湖为5 2 5 0 k g l 6 1 。可见，光合细菌对水 生态系统的硫循环有重要的作用。 1 2 2 3 3 氮循环 除了以铵盐为氮源外，光合细菌也能利用n 2 。目前对光合细菌在生物氮循环中 起着怎样的作用还不明了，但可以肯定几乎所有的光合细菌都具有光合固氮的能力 及具有利用氨的能力1 8 】。光合细菌固氮产生的氨，以各种方式进入氨基酸的合成， 最终形成蛋白质或其它含氮细胞物质，最终又被浮游生物消耗，从而参与了水体氮 元素的循环。 1 2 2 3 4 氢循环 光合细菌除了以h 2 s 作为反应的氢供体外，还能利用h 2 。但是，在自然环境 中对h 2 的利用远比对h 2 s 的利用要少。此外在氮源不足的情况下，光合细菌可利 用固氮酶的作用放出h 2 。但实际上，在光合细菌生长的自然环境中不可能缺乏氮源， 所以光合细菌参与自然界中产氢的可能性较小。 1 2 - 2 3 5 磷循环 光合细菌，特别是在耐高浓度磷酸盐的细菌( p h o d o p s e d u o m o n a s ) 中，它们吸 收细胞内4 0 - 5 0 的磷成多聚磷酸，在细菌代谢过程中可能转化为其他比较容易水 解的形式存在。在水体缺乏无机磷时，通过产生磷酸酶降解高分子磷化合物，为浮 4 云南师范大学硕士论文 游植物的大量增殖提供无机磷，从而加速水体的磷循环【l9 】。 1 2 3 光合细菌与其他生物的生态关系 自然界中光合细菌与其他的生物具有密切的生态关系。如不具运动性的绿硫细 菌的某些菌种常与具运动性的非光合细菌共生，通过附着在有运动性的其他细菌 上，对环境变化的适应性大大增强1 2 0 】。滑行性丝状绿硫菌属c h l o r o f l e x u s 与蓝藻 s y n e c d c c 淞共生，前者利用水中含有的h 2 s ，同时也利用蓝藻分泌的有机物来进 行光合作用和呼吸作用【4 j 。还有通过营养关系而共生的例子：绿硫细菌和硫黄还原 菌在厌气的光照条件下混合培养，两者互相交换营养源而生长，表现为绿硫细菌氧 化h 2 s ，分泌的硫可被共存的硫黄还原菌重新还原成h 2 s ，供绿硫细菌利用【2 l 】；对 紫色非硫细菌r h o d o s p i r i l l u m 和绿藻共存的水系统进行光照后，可观察到这种细菌 从绿藻的周围逃开的现象，这可能是光合细菌对绿藻光合作用中生成的氧具负趋向 性的结果【4 】。 1 2 4 光合细菌的生态学研究方法 对水环境中光合细菌进行计数的传统方法是p f e r m i n g 2 2 】等人提出的摇管技术， 后来普遍使用的是简便的荧光法【2 3 】或分光光度计法 2 4 1 。由于光合细菌的色素光谱吸 收峰存在大范围的重叠，在进行种的鉴定上受到限制，现在部分学者采用层析方法 对色素进行分析，进而揭示光合种群的结构和相对丰度1 2 5 1 。高效液相色谱( h p l c ) 技术可以步分离出各种色素的混合物，也被广泛应用。近年来，最先进的方法是 使用氧微电极测定微生物垫：运用显微操作器可把电极插入光合细菌的生境中，通 过移动0 0 5 l m m 来读数，可将0 2 和h 2 s 一起测定，在原位就可准确的判定光合 细菌的分布【2 6 1 。 现代分子生物学技术的应用大大推动了微生物生态学的发展，导致了分子微生 物生态学的产生。分子微生物生态学方法弥补了传统的微生物生态学方法的不足， 使人们可以避开传统的分离培养过程而直接探讨自然界中微生物的种群结构及其 与环境的关系。其中，r r n a 方法( r r n aa p p r o a c h ) 综合应用多项分子生物学技 术对细菌中r r n a 基因进行分析，从而揭示微生物多样性，是分子微生物生态学中 最重要的方法，取得的成果也最多。以1 6 sr r n a 基因为基础，结合d n a 扩增( p c r ) 技术，通过对1 6 sr r n a 基因的d n a 序列分析，分析细菌的种类信息，已经逐渐 星云湖中紫色非硫光合细菌的生态分布特征及初步应用 成为微生物分类和鉴定中非常重要而且有用的指标和手段1 2 。同样，1 6 sr r n a 基 因技术在微生物多样性的分析中得到广泛应用。如将该技术与a r d r a ( a m p l i f i e d r d n a r e s t r i c t i o n a n a l y s i s ) 技术相结合，依靠原核生物r d n a 的保守性，将扩增的 r d n a 进行酶切，然后通过酶切图谱来分析菌间的多样性，该法无需分离试样，简 便、高效，是一种很有发展前途的方法【2 8 t 孤圳。 目前，采用1 6 sr r n a 基因技术及相关技术对光合细菌进行系统发育和生态多 样性研究的不多，在这方面国外一直处于领先水平。l a u r i ea a c h e n b a c h 等人p l j 针 对光合细菌的1 6 sr d n a 序列设计了一系列特异性引物，成功地扩增了绿硫细菌、 绿非硫细菌的1 6 sr d n a 序列，同时设计了一种既具有光合特性又具有系统发育特 性的引物p u f m 引物。实验证明该引物可用于所有已知的厌氧光能利用菌，从而为 这一类生物生态研究中自然样品的快速评估提供了有利的分子学工具。e l i z a b e t h a k a r r 等人【3 2 】通过分析光合特异性的p u fm 基因，研究了南极地区永冻湖f r y x e l l 中 光合紫细菌的种群构成和活动。结果表明f r y x e l l 湖中的紫非硫细菌具有广泛的多 样性和明显的分层分布现象。对这些紫细菌的富集培养产生了两种形态型，每种形 态型所具有的p u f m 特征与通过环境筛选所获得的p u f m 特征完全一致，并且分离 得到的细菌含有小气泡，浮力结构等一些过去在紫非硫细菌中未知的特征，表明这 些特征可能是这些细菌能够生活在特定深度的冰冻层中所必需的结构。s t e p h e nj 等 人【3 3 铡用1 6 sr r n a 基因为基因标记，对采自大西洋和太平洋的自然样品中的浮游 细菌进行了系统发育的研究，结果表明绿非硫细菌为优势细菌，这也为在开放海域 中这种细菌的发生和存在提供了第一份证据。 国内，张德民f 3 4 l 应用p c r 特异扩增、变性梯度凝胶电泳( d g g e ) 等现代分 子生物学技术，对紫非硫细菌在自然样品中的生态种群及其多样性进行了探讨。他 利用r d p 及g e n e b a n k 数据库设计了对常见属具有特异性的p c r 引物，并对环境 样品及富集物进行特异性扩增，发现r h o d o p s e u d o m o n a s 属的引物从富集样品得到 p c r 产物比从环境样品中扩增出的产物多。而r h o d o s p i r i l l u m 和p h a e o s p i r i l l u m 属 的引物对环境样品扩增出较多的p c r 产物，富集后未扩增出p c r 产物。表明 r h o d o p s e u d o m o n a s 属分布较广，但通常含量较低，且易于富集。r h o d o s p i r i l l u m 和 p h a e o s p i r i l l u m 属，在环境样品中可检测到，但富集后易丢失，说明这群菌株较难 富集。对各属的阳性p c r 产物进行的d g g e 分析结果表明，在自然环境中 r h o d o p s e u d o m o n a s 属有较多的遗传多样性，但经富集后，多样性大量丢失，从而表 明该种群的遗传多样性在环境样品中比富集样品中丰富。 云南师范大学硕士论文 图1 1 1 6 sr r n a 方法【3 5 】 f i g 1 1 1 6 sr r n a a p p r o a c h 1 3 光合细菌的开发利用 紫色非硫细菌生理生化的多样性及其丰富的营养价值决定了其在生产实践中 应用的广泛性及重要性。主要表现在以下方面： 1 3 1 处理有机废水 光合细菌处理废水具有净化处理能力强、建设费用低、易管理等特点l 。早在 6 0 年代，日本的小林正泰等 4 1 就开展了光合细菌处理有机废水的试验研究，至今 国外研究人员先后成功地用光合细菌对淀粉厂废水、酱油加工业废水、洗羊毛废 水、豆制品废水以及以糖蜜、薯、谷物为原料的发酵废水进行了处理，并建立了 一批处理高浓度有机废水的大中型实用系统，效果良好 4 1 。我国研究人员在此方面 也做了不少工作，如上海交通大学生物技术研究所用光合细菌法成功地进行了日 处理1 5 0 吨柠檬酸废水的研究，取得了中试成果p 6 】。北京白色农业研究所在用光 星云湖中紫色非硫光合细菌的生态分布特征及初步应用 合细菌处理废水的试验中，b o d 和c o d 大幅度降低，污水异味得到有效的控制， 取得了初步成果”】。近年来，河流及近海水域的严重富营养化成为环境保护的一 大难题，光合细菌在降低废水b o d 的同时，可脱氮除铵的能力引起了人们的重视。 目前知道，r b a s p h a e r o i d e s ，r b a c a p s u l a t u s ，r p s p a l u s t r i s 具有这种作用，其脱氮 机理也已搞清f 3 8 】。 1 3 2 制造单细胞蛋白( s c p ) 和太空食品 利用废水、废气、废渣中碳水化合物转化成具有高营养价值的s c p ，是近年来 s c p 研究的新动向。制取光合细菌s c p 可采用纯培养法或处理废水法两种【4 l ，这 些都是价格低廉、有发展前途的单细胞蛋白。前者可作为食用和药用蛋白，后者 则作为饲料或菌肥。自9 0 年代以来，美国、日本等国家的科学家纷纷将光合细菌 的开发和利用引入人类保健品领域。仅1 9 9 2 年，美国约5 5 6 5 的保健品中加 有不同比重的光合细菌菌液，此外他们还考虑研制在宇宙飞船内制造光合细菌食 品的新技术，而一些知名食品企业，更是投入巨资加大开发以期强占新的市场p 。 1 3 3 在水产、畜牧养殖中的应用 光合细菌菌体中含有6 0 以上的蛋白质，并含有大量维生素、特别是v b 。2 、 生物素、叶酸的含量是酵母的几十倍，另外还含辅酶0