范文一:光合细菌的应用
1 光合菌菌种
【产品名称】光合细菌菌种
【主要成分】光合细菌 本品乳酸菌每ml总菌数≥100亿
【产品性状】本品为红褐色液体
【有效日期】12个月
【包装规格】1000ml/瓶
光合细菌的应用
(1)养殖业
我国是养殖大国,近年来,养殖业取得了很大的发展。但是,传统的水产和畜禽养殖成本高,产量小,效益低,特别是养殖中使用的各种消毒剂和抗生素,即破坏养殖环境,污染水产品,又增加养殖成本。如何有效地克服上述缺点呢?光合细菌作为优良的水环境改良剂和饲料添加剂,用于养殖业在我国才是近几年的事,由于最早使用光合细菌的用户,取得了很好的效果和较大的经济效益,因此目前倍受推崇,大有普及之势。那么,光合细菌究竟起到什么样的作用呢?
① 净化水质
由于高密度水产养殖的水体中,含有大量的鱼类粪便和残饵,以及鱼药的残留物,它们腐败后产生的有害物质直接污染水体和底泥。轻度污染可造成鱼类生活不适,饲料系数增高,生长缓慢,免疫力下降;积累到一定程度后,能使鱼类中毒、发病甚至死亡。这是由于有害物质,除直接危害鱼类外,同时也是病原微生物的营养源,并使之大量繁殖,使鱼类感染发病。兼性厌氧的光合细菌能改善水质的主要原因,是它在分解有机质时不产生有害物质,并且还能利用有害物质作为营养源,长成自已的有益细胞,变害为宝;形成优势群落后,还能竞争性地抑制病原微生物的生长,降低感染机率。从而净化水质使鱼类健康生长。
② 维持微生态平衡
养殖的水体中存在着各种各样的微生物,有的是有益的;有的是有害的;有的处于中间状态,叫"条件致病微生物",即正常情况下,这类微生物不致病,但在水质恶化,鱼类免疫力下降时,便大量繁殖危害鱼类。自然界中,有害微生物和条件致病微生物都叫"病原微生物"是不可排除的,广义上讲,它们有利于生物进化。它们能使一些不健康的、免疫力低或退化了的生物体被淘汰。但是,无论是有害微生物还是条件致病微生物,必须在水体中达到一定浓度才能危害鱼类,这个浓度叫"发病临界点"。不同种或不同体质的鱼,发病临界点不一定相同。在渔业生产中,控制病原微生物的浓度,使其达不到发病临界点,是健康养殖的关键。通常人们采用消毒杀菌剂来控制,但随着施用次数的增加,病原微生物的耐药性亦相应增强,为了达到预防效果,施用剂量逐步加大,这不仅增加了用药成本,还污染了水体,造成水产品品质下降,甚至不能食用。同
时鱼类易产生应激反应,停食、消瘦,浪费有限的生长期。到了鱼类发病需要治疗的时候,安全剂量治不了病,大剂量施用又容易对鱼类产生危害,这个矛盾制约了水产业的发展。
如何控制病原微生物的生长繁殖,并使其不产生耐药性呢?光合细菌可基本克服消毒杀菌剂的缺点,它通过降解或清除水体中包括鱼药在内的有害化学物质;与病原微生物争夺营养、空间,使其无法大量繁殖,从而不易形成致病的环境条件。假如由于病原微生物的原因,鱼类发了病,说明它在水体中的浓度已达到或超过发病临界点,在微生物群体中占优势,此时,再用光合细菌治疗是没有明显效果的.须用消毒杀菌剂治疗,6-7天后,再施用光合细菌保养水质。
鱼类病害防治原则是:防重于治。只有在日常渔业生产中,维持水体微生态平衡,使有益微生物始终占绝对优势,才是健康养殖的出路。如果平时不有效地预防,到了出现症状时再去治疗,那么,包括鱼药成本在内的重大损失将是不可避免的。
③ 培养浮游动物作饵料
光合细菌营养丰富,这正是浮游动物的优质饵料。实践证明,水体中光合细菌越多,浮游动物生长繁殖越旺盛,以浮游动物为食的鱼类增产效果也就越明显,如虾、蟹、花鲢、河蚌等。浮游动物作为仔鱼、糠虾、贝苗等开口饵料,营养价值高,易于消化吸收。此外,光合细菌对于刚孵化后,还不能主动捕食的仔鱼是最适宜的饵料,此时仔鱼的消化系统各器官尚未完全分化,光合细菌通过鳃被吸入体内,在卵囊尚未被完全吸收的同时,即可从外界摄取营养,以弥补内源性营养的不足,从而大大提高成活率。
④ 间接增氧
光合细菌分解有机质进行生长繁殖时,不需要氧气,也不释放氧气,它节约了好氧微生物分解有机质时所需的氧,产生间接增氧作用。
⑤ 饲料添加剂
在相对营养不良的情况下,养殖动物的免疫力下降,有害菌得以发展,容易出现疾病症状。一般情况下,配合饲料中的活性营养成份较少,饲料系数较高。光合细菌作为优良的饲料添加剂,含有大量的促长因子和生理活性物质,营养丰富,拌和饲料后,可补充和增加饲料营养成份、降低饲料系数;刺激动物免疫系统,促进胃肠道内的有益菌生长繁殖,增强消化和抗病能力,促进生长。
(2)种植业
光合细菌肯有很强的固氮能力,能够改善土壤的营养结构,肥沃土壤,可作为基肥、追肥。光全细菌在土壤中大量生长繁殖,有利于土壤中有效力微生物(如放射线菌)的生长,减少有害菌群(如丝状真菌)引起的
病害。
光合细菌在农作物上使用,用于水稻和小麦,有利于根系发育,提高有效分蘖和成穗数,用于蔬菜及花卉等,可提高产量和品质,延长保鲜期;用于浸泡种子,发芽率高、生长速度快、抗病力强。对棉花的枯黄、草莓的根腐病等防治效果显著。
光合细菌可有效防止细菌、真菌感染和降解有害污染物,能防治动物的病虫害和瓜果类腐败及老化,延长贮藏期。光合细菌加入金鱼的饲料中,成活率提高50%以上,加入对虾池中发病率减少,对虾苗生长正常,色泽好。用光合细菌喂鸡,有增加肉用仔鸡免疫功能的作用。当受到病原体(IBV)感染时,鸡的抗体水平提高,发病减轻,鸡体健康恢复较快,Y-球蛋白明显升高。
光合细菌可作为果蔬保鲜剂,能抑制病菌引起的病害,对密桔和西瓜等的保藏有良好的作用,光合细菌防止病害的主要原因是因为它具有杀菌作用,能抑制其他有害菌群及病毒的生长;同时可防治鱼虾疾病,如鲤鱼的鳃腐病,穿孔病、虾的红腿病,黑鳃病,并能激活机体的免疫系统,提高动物的免疫能力。
(3)环保业
生物学污水处理法是指通过微生物酶的作用,分解和合成有机质。其中起主要作用的是细菌,污水中一些可溶性的有机物在胞内酶的作用下被菌体选择性地吸收;颗粒、胶体等难溶或不溶性的有机物先附着在菌体外,由菌细胞分泌的胞外酶分解成脂溶性和水溶性物质,再被菌体吸收。通过微生物体内的生化作用,将一部分有机物同化成自身,另一部分被异化成水分子有机物、二氧化碳、水等,从而使污染物质得到降解。
光合细菌兼性厌氧的特性和很强的适应性,使其在污水发酵处理中,作用日益突出。例如光合细菌(荚膜红假单胞菌)可将致癌物亚硝胺转化为无毒的化合物,对于生化需氧量(BOD)高达数千mg/L的有机废水,一些生物膜法及活性污泥法等需氧处理法难以耐受,而光合细菌则可以承受,故在处理高浓度有机废水方面具有广泛的应用前景。
光合细菌菌液应放在低温环境下保存,15度以下最好,夏季应放在凉爽的地方,并要保持一定的光照度,每天不低于2小时,这是因为PSB在刚刚结束培养时,正处于生长旺盛期,形成了很强的“生长惯性”,如果此时光合细菌菌液突然没有了光照或光照很弱,光合细菌菌液经5~10天后会出现光合作用失衡而导致大量死亡,使菌液发黑,并有恶臭,刚开始发黑时若施以适当光照,即可缓和。所以刚培养好的光合细菌菌液应尽量降温,逐步降光照,以减少生长惯性,到了生长惯性很弱或没有惯性时,PSB就进入了稳定
期,此时在阴凉避光处可保存6-12个月。
总之,光合细菌菌液保存期的长短主要取决于温度。通常您在正常的连续的生产及使用过程中,对PSB的的保存及留种无须做特别的处理,如:夏天在太阳下培养的光合细菌菌液就放于阳光下,可保6个月,可不断地再培养,扩大,反复等。秋天培养的光合细菌菌液最后一批产品可保1年之久。
光合细菌的使用方法
一、是适时使用。
使用光合细菌的适宜水温为15℃~40℃,最适水温为28℃~36℃,因而宜掌握在水温20℃以上时使用。注意阴雨天勿用。
二、是与肥配用。
在池塘施用粪肥或化肥时,配合施用光合细菌效果更为明显。尤其可避免化肥用量过大、水质难以把握的缺点,并可防止藻类老化造成水质变坏。
三、是视水质使用。
要根据水质肥瘦情况使用光合细菌。水肥时施用光合细菌可促进有机污染物的转化,避免有害物质积累,改善水体环境和培育天然饵料,保证水体溶氧;水瘦时首先施肥再使用光合细菌,这样有利于保持光合细菌在水体中的活力和繁殖优势,降低使用成本。此外,酸性水体不利于光合细菌的生长,应先施用生石灰,调节pH值后再使用光合细菌。
四、是酌量使用。
光合细菌用于鱼池水质净化时,水温20℃以上期间,每立方米水体用2~5克光合细菌拌粉碎的干肥泥均匀撒于鱼池,以后每隔20天每立方米水体用1~2克光合细菌兑水全池泼洒。用于虾池水质净化时,水温20℃以上期间,每立方米水体用5~10克光合细菌拌肥泥均匀撒于虾池,以后每隔20天每立方米水体用2~10克光合细菌兑水全池泼洒。用于饲料添加投喂鱼虾时,以饲料投喂量的1%拌入,直接或加工后投喂(不受温度或压力影响)。用于疾病防治时,可连续定期使用,鱼池每立方米水体用1~2毫升,虾池每立方米水体用5~10毫升,兑水全池泼洒。
五、是避免与消毒杀菌剂混施。
光合细菌制剂是活体细菌,药物对它有杀灭作用,不可与消毒杀菌剂同时使用。水体消毒后须经1周后方可使用,使光合细菌在水体中产生优势竞争性,抑制有害菌生长。
六、是光合细菌在水产养殖中的使用功效
值春夏交际之时,天气非常沉闷,很多放养密度大一点的池塘,鱼浮头缺氧的现象严重,养殖户不得不连夜守候在池塘边,轮流值班,一见浮头,马上开增氧机,但是用了光合细菌的客户,就要轻松多了,每亩施用光合细菌5--7公斤后,则只要过两天,发现根本不用开增氧机了,鱼类浮头的现象没有了。水体也发生了一些变化
,变得更加碧绿清爽了。
【注意事项】
1、本品为活菌菌种,细菌活性较强,应密闭阴凉避光处保存。
2、禁止与抗生素、杀虫剂、杀菌剂、消毒剂、强酸强碱类产品混合使用。
3、使用本品时免疫程序正常进行。
4、PSB液体不能用金属容器贮存。
范文二:硫化细菌的特征及其应用进展
硫化细菌的特征及其应用进展
魏伟
(兰州交通大学环境与市政工程学院,兰州100081)
摘要:硫化细菌的种类繁多代谢方式多样,应用在工业及环境保护方面有着成本低无二次污染的特点。目前,硫化细菌已在生物浸矿、污水处理、烟气脱硫、污泥中重金属的去除、煤的脱硫技术等诸多方面得到广泛应用。本文综述了硫化细菌的特征及其应用进展。 关键词:硫化细菌;特征;应用
The characteristics and application progress of sulphur bacteria
Abstract:Sulfur bacteria has important economic and social significance in the field of industry and environmental protection. There are many types of sulfide bacteria and their metabolism are miscellaneous , the application of these bacteria in the industry and environmental protection has the characteristics of low cost without secondary pollution. At present, sulfide bacteria has been widely used in many aspects, Like biological leaching mining, sewage treatment and flue gas desulfurization, removal of heavy metals in sludge, etc. The paper mainly summarizes the characteristics and applications of sulphur bacteria. Keywords:Sulfur bacteria; Characteristic; application
1 前言
硫化细菌是微生物界较为常见的一类原核生物菌属,广泛存在于土壤、水、含硫矿质中。它们可以将低价态硫转化为高价态的硫在自然界硫的循环中扮演很重要的角色。硫化细菌在工业和环保领域具有重要的经济和社会意义。近年来,随着对硫化细菌不断深入研究,硫化细菌在工业和环保上的应用越来越广泛。作为浸矿的主要菌属,它们最早应用于在低品味金属矿的生产。另外,硫化细菌在高浓度有机废水的处理、烟气脱硫、污泥中重金属的去除等等方面都得到广泛应用。针对硫化细菌的还在不断地加强加深以期探索出更多有益于人类的
工业生产和环保应用。
2 硫化细菌的特征
2.1 硫化细菌的分类及生物学特性 硫化细菌是微生物界较为常见的一类可将低价硫氧化成高价硫的原核生物菌属,它们可以分为两大类?1?:无色硫细菌和有色硫细菌。无色硫细菌中包括硫杆菌属(Thiobacillus)它们是土壤和水中最重要的化能自养细菌能够氧化硫化氢、黄铁矿、元素硫等形成硫酸,从氧化过程中获取能量。常见的有氧化硫硫杆菌(T.thiooxidans)和氧化亚铁硫杆菌(T.ferrooxidans),排硫硫杆菌(T.thioparus)等。1904年,Beijerinck首先分离得到的脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)短杆状,具有单根极生鞭毛。脱氮硫杆菌可在10-37摄氏度,PH为4.0到9.5的条件下生长,最适生长温度为28-30摄氏度,最适PH为6.5-7.5?2?。无色硫细菌还包括丝状硫磺细菌它们属化能自养菌,有的也能营腐生生活。生存于含硫的水中,能将H2S氧化为元素硫。主要有两个属,即贝氏硫菌属(Beggiatoa)和发硫菌属(Thiothrix),前者丝状体游离,后者丝状体通常固着于固体基质上。有色硫细菌主要指含有光合色素的利用光能营养的硫细菌,它们从光中获得能量,依靠体内含有特殊的光合色素,进行光合作用同化CO2。有色硫杆菌包括光能自养型菌(这类光合细菌在进行光合
作用时,能以元素硫和硫化物作为同化CO2的电子供体)常见的如着
色菌科(Chromatiaceae)和绿菌科(Chlorobiaceae)中的有关种(俗称紫硫菌和绿硫菌)。和光能异养型,该类光合细菌主要以简单的脂
肪酸、醇等作为碳源或电子供体,也可以硫化物或硫代硫酸盐(但不能以元素硫)作为电子供体。能进行光照厌氧或黑暗微好氧呼吸。常见种类大多为红螺菌科(Rhodospirillaceae),如球形红杆菌(Rhodobacter spheroides),沼泽红杆(R.palustris)等。
2.2 硫化细菌参与自然界中硫元素循环 硫在自然界中主要以元素硫,硫化氢,硫酸盐和有机硫化物4种形态存在。自然界硫的循环体系中,大部分硫化细菌均以氧为电子受体氧化不同低价态的硫的化合物,从中获得能量。硫杆菌属参与的硫氧化主要过程?3??4?为:
2H2S+O2→2H2O+2S+能量
2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+2H2SO4+能量
2S+3O2+2H2O→2H2SO4+能量
2S2O3+3O2+4H2O→4H2SO4
其中脱氮硫杆菌不仅可以参与硫的循环,在厌氧条件下还可以实现氮的反硝化作用其氧化H2S的过程为:
5HS?+8NO?+3H?→5SO42?+4N2+4H2O
光合硫化细菌属进行光合作用时以CO2为电子受体,氧化低价态的
硫元素。主要反应过程为:
CO2+2H2S→[CH2O]+2S+H2O
2CO2+H2S+2H2O2→[CH2O]+H2SO4
3 硫化细菌的应用
3.1 硫化细菌在微生物浸矿中的应用
近几十年来,随着采矿业的不断发展,人们对矿产原料的需求量也在逐年增大,然而高品位富矿却日益匮乏,对低品位、细分散、难处理矿石和以前废弃的矿渣的利用显得尤为重要。生物浸矿的处理工艺相较于传统工艺而言具有简单、易操作、能耗低、成本低、无二次污染等特点。目前,生物浸矿技术已在磷、铜、钴、铀、金等很多金属矿的提取方面获得成功应用。龚文琪等从安徽某煤矿的酸性矿坑水中分离出能有效浸出低品位磷矿的氧化硫硫杆菌菌株,对其形态特征和培养特性进行了初步的研究,并通过初步试验浸磷率可达到48.41%。周吉奎?7?利用从硫化矿山分离得到氧化亚铁硫杆菌GZY-1菌株,进行了废弃线路板粉末中金属铜的浸出实验,并对浸出机理进行了分析,同时对浸出体系的pH值、氧化还原电位和细菌数量的变化进行了研究.结果表明:细菌具有将Fe2+不间断地氧化成为Fe3?的生物学特性;在浸出温度30℃及pH值1.32、液固比10∶1、搅拌速率500r/min的条件下,经48h浸出,金属铜的浸出率达到95.16%;李广悦等采用广东某矿低品位铀矿石,在相同的培养条件下,研究了氧化亚铁硫杆菌与氧化硫硫杆菌对U4+的浸出作用。研究结果表明,在氧化亚铁硫杆菌作用下铀的浸出率比在氧化硫硫杆菌作用下高21.34%;氧化亚铁硫杆菌为UO2的氧化提供了高效氧化剂,而氧化硫硫杆菌则显著降低了浸矿体系的pH值,对UO22+的络合析出非常有利。并得出氧化亚铁硫杆菌与氧化硫硫杆菌对U4+的浸出具有互补作用的结论。 ?8??5??6?
3.2 硫化细菌在废水处理中的应用
在纺织业、医药业、农药生产、石油化工业等行业中都会存在含硫化物废水的排放。然而这些硫化物对环境的危害有时会很大,尤其是硫化氢的排放,硫化氢氢毒性较大,如果直接排放入河流会对水生生物造成极大危害。此外,当含有硫化物的废水排放到水体中后,会与水体中的铁类金属反应,使水体发臭发黑,因此含硫废水的处理显得尤为关键。废水中硫化物去除的方法有很多。陶寅综述介绍了回收利用法、汽提法、混凝沉淀法、氧化法、生化法和树脂法等六种去除废水中硫化物技术的特点、原理以及局限性。其中的生化法主要就是利用硫化细菌的作用以期达到处理含硫废水的目的。左剑恶、袁琳等直接以硫酸盐还原相出水作为进水,采用升流式好抵生物膜反应器在室温(18-22oC) 条件下, 研究了利用好氧无色硫细菌去除水中硫化物的可行性。试验表明, 当硫化物容积负荷达到12kg/(m3?d) (以H2S计,下同) , 水力停留时问为22min, pH值为7- 8、溶解氧浓度为5.0-5.5mg/L时, 硫化物的去除率可达90%以上,被去除的硫化物几乎全部转化为单质硫,同时有机物的去除率约为10%。杨秀山利用厌氧-缺氧-好氧处理城市废水的中试规模系统,对其缺氧相中的脱氮硫杆菌进行了研究。结果表明, 脱氮硫杆菌的最高脱氮作用率、氧化Na2S 的最高浓度、S2?的最高污泥负荷率和污泥中脱氮硫杆菌的最高含量(MPN) 分别为3.6mg- NO3?/gVSS·h 、1750mg/L、25mg-S2?/g VSS·d
和1.1x10/gVSS。脱氮硫杆菌在氧化二价硫成硫酸并还原硝酸为氮气的过程中起着相当有意义的作用。 ?11??10??9?
3.3 硫化细菌在烟气脱硫中的应用
煤炭燃烧生成的SO2随烟气进入大气, 可能会形成酸雨, 对人类生
存环境产生极大的危害。而目前我国的能源结构以煤炭为主, 占一次能源的75%,并且随着经济的增长, 在今后若干年内还有上升的趋势。目前可以进入工业化的技术多为物理和化学方法, 与这些方法相比, 生物法脱硫去除率高、成本低、能耗少,有很广阔的应用前景。王安,张永奎等在实验室条件下, 选用氧化亚铁硫杆菌进行了烟气脱硫研究, 实验表明, 在适宜的液气比( 12.5 L/m以上)、二氧化硫体积分数(1 000~5000)×10〕和三价铁离子质量浓度( 0.6 g/L 以上) 下, 该菌的脱硫率达到98%。宣群等将分离得到的一株氧化亚铁硫杆菌用海藻酸钠进行固定化包埋试验, 用上柱通气法测定其净化气相SO2 的能力, 其氧化降解SO2的效率最高达97.01%, 显示了利用固定化细菌净化低浓度SO2烟气的可行性。王勇川等以电厂粉煤灰治理烟气中的SO2, 利用粉煤灰中的碱性氧化物进行初级脱硫, 同时使
用脱硫细菌在适宜条件下的迅速繁殖, 将粉煤灰水中的不溶性Fe2O3离子化, 把微生物脱硫和Fe3?的催化作用结合起来, 在实验室内的模拟装置上, 脱硫效率能达到80%以上。 ?14??13??63?12?
3.4 硫化细菌去除污泥中的重金属
污泥处理中重金属的去除一直是人们关注的重点。采用生物法去除污泥中的重金属有成本低,污染小等特点。李淑更等以广州市城市污泥作为培养介质,利用以硫代硫酸钠作为生长基质进行生命活动的氧化亚铁硫杆菌(T.f)和氧化硫硫杆菌(T.t)来淋滤去除污泥中的重金属,研究了不同底物含量及不同驯化污泥接菌量对重金属去除效果?15?
的影响。结果表明,在无驯化污泥接种的条件下,最佳基质投配率为10g/L;驯化污泥接种培养可以缩短污泥的酸化周期,并且在相同投配比条件下,接种培养较不接种培养的去除效果明显提高。驯化污泥接种量为10%、投配比为7g/L时,污泥中主要超标元素Cu、Zn、Cd和Ni的去除率分别达到67.2%,88.9%,82.4%和68.4%。同时,处理后污泥中的重金属含量可满足污泥农用的国家标准。刘贺琴等也通过通过设计淋滤实验, 分析了不同淋滤条件下污泥中重金属的去除率, 并应用Hakanson潜在生态危害指数法对其进行评价. 研究发现, Cu、Pb、Zn、Cr 和Ni的浸出取决于硫粉和硫酸浓度, 经过14d的淋滤实验, 加硫粉处理后Cu、Pb、Zn、Cr 和Ni 的去除率可分别达到96.8%, 53.2%, 94.2%, 97.5%, 103.0%。沈镭?17??16?等利用由含硫温泉采集到的泉水, 通过一系列培养、分离、纯化得到的氧化亚铁硫杆菌(T.f) 和氧化硫硫杆菌(T.t) 浸出污泥中的铜、锌、锰、铬、镉。并实验研究出各种重金属浸出的最佳条件。
4 小结
硫化细菌的研究在很多领域都是非常有意义的。随着原生质融合技术和基因工程技术的发展,硫化细菌在煤炭生物脱硫技术?18?等领域也将得到广泛的应用。我国在硫化细菌的应用研究大部分处于实验室和半工业试验水平, 未能实现规模化应用。有关硫化细菌特征和应用的研究还需要进一步加强和深化。
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范文三:细菌鞭毛的运动机理及其应用
细菌鞭毛的运动机理及其应用
牛毓龙 孙群
(四川大学生命科学学院)
摘要 自然界中的许多细菌都长有鞭毛(flagellum),通过鞭毛马达(BFM)的顺时针旋转(CW)和逆时针旋转(CCW)来实现细菌趋性(taxis)。鞭毛马达的结构已基本清楚, 主要由Mot A、Mot B、Fli G、Fli M 和Fli N 5 种蛋白组成定子(stator) 和转子(rotor) ,其驱动
++力来自于跨膜的H 或Na 。进一步对鞭毛马达的认识,将有助于病源菌、分子马达的研究。 关键词 细菌、鞭毛马达、运动性
细菌的鞭毛是生长在某些细菌表面的长丝状、波形蛋白质附属物,其数目为1至数十条,具有运动功能。鞭毛的长约15~20μm,直径为0.01μm。鞭毛在细胞表面的着生方式多样,主要有单鞭毛菌(monotricha)、端生从毛菌(lophotricha)、
[1]两端鞭毛菌(amphitricha)和周生菌(peritricha)。1974年,美国学者M(Silverman和M(Slimon曾通过“逆向思维”的方式创造性的设计了一个巧妙的“拴菌”试验,证明了鞭毛是通过旋转推动细菌运动的。
鞭毛的生理功能是运动,这是原核生物生物实现趋性的最有效方法。趋性是鞭毛细菌在物理、化学或者生物等因子的梯度差中做有方向的运动,可分为趋
[2]化性、趋光性、趋氧性和趋磁性。
1. 鞭毛的结构
细菌鞭毛(或称细菌的推进系统)是由 3 部分组成:鞭毛马达,鞭毛钩,鞭毛丝。如图1所示,鞭毛马达是由嵌入细胞壁内的基体部分构成; 鞭毛钩作为分子万向铰链,连接马达的主轴和鞭毛丝,起传递扭矩的作用;鞭毛丝作为执行部件由马达驱动旋转,产生推进力驱动细菌运动,其形状类似弹簧,功能类似螺
[3]旋桨。
各种遗传学、生物化学和形态学分析表明, 在大肠杆菌或伤寒沙门氏菌的鞭毛组装和运行所需的50 余种蛋白质中, 只有5 种蛋白质与鞭毛的力矩产生密切相关, 即FliG、FliM、FliN、Mot A和Mot B , 它们共同组成鞭毛马达。
,[4] 图1 G鞭毛内部结构示意图
Mot A 和Mot B 是跨膜蛋白,二者共同组成质子通道。Mot A/ Mot B 复合体构成马达中的非旋转部分, 即定子(stator)。基因间的抑制分析和超微结构研究表明,FliG 、FliM 和FliN 在鞭毛基底部形成一个功能复合体, 称为切换复合
[5]体( switchingcomplex),又叫C 环(C ring)。现在已经知道,切换复合体有三个功能:a1 确定鞭毛的旋转方向; b1 参与鞭毛组装;c1 参与马达的力矩产生。因此,切换复合体(也许还有M 环)构成了马达的转子( rotor ) ,与M 环周围的
+膜Mot A/ Mot B 复合体(定子) 一起,形成鞭毛马达(motor)。其中,对于G细菌如枯草芽孢杆菌的鞭毛结构较简单,除其鞭毛马达只有S和M两环外,其他均
,[6]与G细菌相同。
2. 鞭毛马达的宏观运动方式
2.1 鞭毛的运动方式
以周生菌大肠杆菌( Escherichia coli)为例,Macnab 采用暗视野显微镜技术,对细菌鞭毛的运动状况进行观测后,确定鞭毛是以前进(run) 和翻转(tumble) 交替的运动方式游动。如图2所示,从菌体外观测,当鞭毛马达逆时针旋转(CCW) 时,菌体向前游动,称作“前进”运动,此时所有鞭毛丝绑定(bundling) 成束,而旋转的绑定束类似于船舶螺旋桨,产生推进力驱动菌体向前游动。当鞭毛马达顺时针旋转(CW) 时,对应的鞭毛丝从绑定束中脱离,鞭毛解束,此时脱离的旋转鞭毛产生的推进力方向各不相同,菌体在不同方向力作用下,原地翻转(tumble) ,从而改变菌体的运动方向。当马达恢复逆时针旋转时,各鞭毛丝重
新绑定成束向前运动,鞭毛细菌依次以前进、翻转方式交替运动而向目标呈折线
[7]状运动轨迹前进。
图2 周毛菌前进与翻转交替的游动过程示意图
2.2 鞭毛菌的运动速度
由表3可得到:鞭毛的运动速度极高,大肠杆菌的鞭毛旋转刻达270r/s,弧菌平均可达1100r/s。每秒钟的移动距离为细胞长度的10倍以上,这比具有最快
[8]运动速度的动物还要快。
[9]表3 几种普通细菌的运动速度
菌种 鞭毛类型 细胞长度 运动速度 移动距离
(μm) (μm/s) (μm/s)
1.5 55.8 37.0 铜绿假单细胞 端生
10.0 45.9 5.0 奥氏着色菌 丛生
3.5 86.9 2.0 耶拿硫螺旋菌 丛生
2.0 16.5 8.0 大肠杆菌 周生
3.0 21.4 7.0 地衣形芽孢杆菌 周生
4.0 28.1 7.0 尿素八叠球菌 周生
鞭毛马达的运动是一个非常巧妙的过程,仅通过不同位置鞭毛和旋转方向的两个因素不同组合可以有效的趋利趋害。同时,周生鞭毛一般按直线慢而稳定的运动和旋转,而端生鞭毛运动较快,经过左右旋转由一个地方冲撞到另一个地方
[10]运动速率为20~80μm。从而猜测周生鞭毛的趋向运动要更为稳定,适应性较强。
3. 鞭毛马达的微观驱动机理
+目前,对于鞭毛电机的驱动机理研究,科学界多倾向于H -迁移力驱动学说。
+该学说认为细胞膜上的H动力来驱动S环对M环的反向旋转来启动中心杆,并随
]+[11之带动鞭毛丝的旋转以推动菌体前进。膜外的H则有膜上的呼吸酶系来提供。然而在一些嗜极细菌中如嗜碱芽孢杆菌(Bacillus alkalophilus)则发现为鞭毛运
+[12]动是由Na -迁移力产生的。
3.1 离子通道的周期性变化及力矩产生
+由于跨膜电化学势能的存在,使得细胞膜内外电压不等,H将穿越离子通道作跨膜运动,从而带动通道产生构象变化。如图4 所示,当离子进入通道顶端时,通道顶端便扩张。随着离子的运动,这种扩张变化逐渐由顶部传到底部。当离子从底部离开时,通道恢复为原来的大小。当下一个离子穿过时,此过程重复
+进行。根据统计规律,若有足够多的H作穿越通道运动,通道便会产生连续的周期性构象变化,带动与其相连的振子作往复运动,形成振动。此外,同一个通道上两个振子的相位差为π/2。
[13]图4 离子通道的构象变化示意图
关于鞭毛电机力矩的产生更是众说纷纭,其中不涉及变构性改变或蛋白质间 紧密结合解离循环的机制, 比如基于MotA 和FliG之间或定子2转子之间的静电
[14]作用模型, 似乎更适合于快速旋转的鞭毛电机。
3.2 化学趋性运动原理
鞭毛细菌的趋化性的分子机制则更为为复杂。其中涉及到蛋白质分子的构
[15]象变化、蛋白质的甲基化和蛋白质的磷酸化。当引诱物在环境中出现时,甲基接受趋化蛋白(MCP)开始不和营养物结合,而是胆酰酯酶A(CheA)通过ATP
进行磷酸化,此磷酸化蛋白能够将它的磷酸酯键传递给胆酰酯酶Y蛋白,Y蛋白
[16]和鞭毛基体中的FliM开关蛋白相互作用来决定鞭毛的转动方向和菌体的翻滚。
4. 细菌鞭毛运动机理的应用展望
对于各种不同细菌鞭毛运动机理的研究,可以有效的应用于医疗、工业和农业等很多领域。最近的研究表明,中国不同地区的菌株进行分型研究时, 意外地
[17]发现被试的菌株中90% 以上产生鞭毛。我们可以设想对于由中国炭疽杆菌引起的疾病治疗时,应该采取不同的治疗方法。同时,对铜绿假胞菌(P.aeruginosa)
[18][19]的研究和奇异变形杆菌周期性群集运动的研究将由有助对其病理有更为深入的了解和认识。更为令人感到振奋的是,对于细菌鞭毛运动机理的深入了解将
[20]加快分子马达的仿生研究进程,使新一代的纳米电机能够有实质性的应用。
参考文献
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微电机.2005;38(2).67~69 [20] 唐苏亚.分子马达的研究与应用前景.
范文四:细菌素应用的理论与实践
专家视点
近年来,食品安全的呼声日益提高,疾病防治和解 决药物残留问题关系着人类和动物的健康与安全。目前 亟待开发出无毒、 无残留、 安全、 高效的绿色饲料添加剂、 微生态制剂、生物药品来替代传统的抗生素类药品。由 于细菌素独特的优点, 使其成为替代抗生素的首要选择。 1 细菌素的理论研究
1.1 细菌素的定义
细菌素 (bacteriocin ) 大约在 100年前首次被发现, 是大肠杆菌产生的一种可抑制大肠杆菌生长的热不稳定 物质,并命名为大肠杆菌素 (colicin ) [1]。目前公认为细菌 素是由某些细菌在代谢过程中通过核糖体合成机制产生 的一类具有生物活性的多肽或蛋白质类物质。对于某些 细菌产生的非确定性的蛋白类抗菌物质,常用类细菌素 (bacteriocin-like ) 的说法来代替,在这里也统称为细菌 素。细菌素对于产生菌相近的菌株有特异性 [2]。99%的 细菌可以产生至少一种细菌素 [3]。
1.2 细菌素与抗生素、其他抗菌肽的区别
1.2.1 细菌素与抗生素的区别 细菌素与抗生素的最主要 区别为 :细菌素是通过核糖体合成的即由基因编码,具有 自身免疫性,选择性地抑制或杀伤敏感菌并且不产生耐药 性。抗生素是某些微生物通过酶促反应合成的次级代谢产
细菌素应用的理论与实践 中国农业大学动物科技学院 /尚雅婧 张日俊
摘 要 细菌素是细菌在代谢过程中由核糖体合成基因编码的一类具有生物活性的多肽或蛋白质类物质,因其 高效、无毒、耐高温、无残留、无抗药性以及良好的生物相容性等优点,得到国内外学者青睐。细菌素在饲料添加 剂和生物药品的研发中有着广泛的应用价值和广阔的应用前景。 文章就细菌素的理论研究及其在畜牧业、 水产养殖业、 医药保健中的应用价值和应用现状作一简要综述。
关键词 细菌素 ; 应用 ; 现状 ; 前景
Abstract Bacteriocins are ribosomally synthesized, antimicrobial peptides or proteins produced by strains of diverse bacterial species in the metabolic process. These natural substances have raised considerable interest for their advantages moreover they have potential value and broad prospect in feed additives and bio-pharmaceutical R&D. This paper will brie? y overview the theory, the application value and status of bacteriocins in animal husbandry, aquaculture and health care.
Keywords bacteriocin ;application;current situation;prospect
中图分类号 :S816.7 文献标识码 :A 文章编号 :1006-6314(2011)07-0005-04
通讯作者 :张日俊,教授,博士生导师。
收稿日期 :2011-5-7。
基金项目:国家高科技研究发展计划(863)重大项目资助(项
目编号 :2006AA10A208)。
5
6
物,非基因编码,不分有益与有害的敏感菌通杀。 1.2.2 细菌素与其他抗菌肽的区别 大多数细菌素在有 效抗菌浓度下对动物是无毒的 [4],选择性抑菌或杀菌可 保护肠道优势菌群,如乳酸杆菌和双歧杆菌。真核细胞 产生的抗菌肽抗菌谱广,许多对细菌和真核细胞都有毒 性作用 [5]。细菌素分子量小,具有良好的抗逆性和可加 工性,无抗原性,可被动物体内的一些蛋白酶降解,无 毒副作用。大分子抗菌肽可能具抗原性,产生过敏反应。
1.3 细菌素的分类
目前有关细菌素的分类还没有一个国际通用的标 准,根据细菌素产生菌的 不同,可将细菌素广义分 为革兰氏阴性菌细菌素和 革兰氏阳性菌细菌素。革 兰氏阳性菌细菌素更为丰 富、多样化。这两类细菌 素在分子量大小、 靶目标、 作用机制、分泌和免疫机 制等方面有明显区别。根 据分子量大小、结构组成 和作用机制的不同,可将 细菌素分四类。为方便起 见,有时根据是否含有羊
毛硫氨酸将细菌素分为两类 :羊毛硫细菌素和非羊毛硫 细菌素。
1.4 细菌素的理化特性
细菌素具有良好的热稳定性,并且耐酸、耐低温贮 藏。有的细菌素在 100℃下几乎保持完全的活力,甚至 在 121℃下处理 15m i n 也仅仅损失 5%的活力。有的在 pH1、pH2下还保持了很高的活力,而多数细菌素在 pH 值较低下作用更强 [6]。
1.5 细菌素的抑菌谱
细菌素可抑制多种病原菌,但抑菌谱的宽窄差异 较大。如乳球菌素 (lactococcin ) 仅能抑制其他乳球菌, 而戊糖片球菌 (Pediococcus pentosaceus ) 产生的细菌 素对绿脓杆菌 (Pseudomon asaeruginosa )、克雷白氏 杆菌 (Klebsiella pneumoniae )、无害李斯特菌 (Listeria
innocua )、绵羊李斯特菌 (Listeria ivanovii ) 等有抑制 作用 [7]。一般认为,乳酸菌素抑制革兰氏阳性菌,而对
革兰氏阴性菌和真菌无效。最新的研究表明,一些乳酸 菌素抑菌谱广,对大肠杆菌、沙门氏菌、产气肠杆菌、 蜡样芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、李斯特菌、粪肠球菌 (Enterococcus faecalis) 均有抑制 [8]。
1.6 细菌素的作用机制
目前普遍认为细菌素的作用模式主要分能量依赖 性和非能量依赖性。能量依赖性细菌素的主要代表是
N i s i n ,细菌素吸附于敏感菌细胞膜,在膜内形成通透 孔道,导致 K +外流、细胞膜去极化及 A T P 泄漏,细胞 因自溶而死亡。这种作用需要膜电位的存在。非能量依
赖性细菌素通过受体蛋 白介导在敏感菌细胞膜 上形成亲水通道,与膜 电位无关,主要是通过 破坏膜的完整性致使细 胞死亡。某些细菌素如
N i s i n 直接作用于细胞 壁,粘附到细胞壁的脂 磷壁酸、糖醛酸磷壁质 酸上,使结合于其中的 自溶酶释放并激活,导 致细胞的自溶。
2 细菌素应用的研究现状
细 菌 素 的 广 泛 使 用, 首 先 要 具 有 安 全 性 和 有 效 性。 N i s i n 对生殖健康影响的研究表明,在适当的剂 量下 N i s i n 对大鼠和兔子都是无毒的,并且能起到避 孕作用 [9]。Class 将类细菌素肉毒杆菌素 (Clostridium
botulinum )P126静脉注射入小鼠体内,不仅无毒副作 用,而且仍保持抗李斯特菌活性,减轻了临床症状 [10]。 细菌素在食品上的直接使用,也说明了细菌素对动物和 人类是安全的。
2.1 细菌素在畜牧业中的应用
在大力开展研究药物饲料添加剂的代用品,积极倡 导绿色安全饲料添加剂研究和推广的今天,细菌素很有 可能成为一种高效安全的饲料添加剂。
2.1.1 细菌素在家禽中的应用研究 抑制病原菌生长的 能力是防治疾病的关键。在鸡的无菌动物试验中,粪肠 球菌产生的肠道菌素 (Enterocin )A
能降低致病菌杜塞尔
专家视点
多夫沙门氏菌 (Salmonella dussqldor f) 的浓度 [11]。大肠 杆菌产生的大肠杆菌素 (Microcin ) 能减少成年鸡体内鼠 伤寒沙门氏菌 (Salmonella typhimurium) 的数量 [12]。将 含有大肠杆菌素 (Microcin 24)基因片段的质粒导入非致 病性大肠杆菌,这种重组体添加到鸡的饮水中,鸡体内 鼠伤寒沙门氏菌的数量明显减少。体外试验表明,唾液 乳杆菌 (Lactobacillus salivarius) 能够紧贴附鸡肠上皮细 胞,可抑制肠炎沙门氏菌 (Salmonella enteritidis ) 和大 肠杆菌的生长,推测是细菌素发挥了作用,但仍需体内 试验进行验证 [13]。
2.1.2 细菌素在养猪中的应用研究 肠道疾病是影响猪 生产性能的最常见疾病,同时带来严重经济损失。选择 适当的细菌素,就可以有效防治动物受某些肠道致病菌 的影响,而不至于影响动物肠道的其它有益微生物。但 细菌素在肠道中的直接应用,还有待进一步探讨。近来 一些研究将唾液乳杆菌 D P C6005与其它四种乳酸菌同 时饲喂仔猪,结果表明,D P C6005成为回肠肠腔中和 肠粘膜上的优势菌群,其生产的抗李斯特菌素对一些乳 酸菌也有拮抗作用,如乳酸杆菌和肠球菌。细菌素协助 D P C6005与肠道固有菌群竞争可能是其在肠道中更好定 植的原因。
2.1.3 细菌素在反刍动物中的应用研究 反刍动物的瘤 胃是大肠杆菌等病原菌的主要定植场所。使用抗生素抑 制大肠杆菌 O157∶ H7是极其困难的,相反会使其志 贺毒素的分泌量增加,而导致瘤胃内细菌毒素水平升高 [14]。大肠杆菌素 Colicin E7能抑制母牛瘤胃内病原菌的 定植 [15]。产大肠杆菌素 Colicin E7的混合菌株降低了犊 牛体内大肠杆菌毒株的定植水平,大肠杆菌 O157∶ H7的数量明显减少。从被感染的成年牛体内分离出的 7株产大肠杆菌素菌株,能有效对抗肠出血性大肠杆菌 (Enterohemorrhagic E coli. ) [16]。而大肠杆菌 Nissle 1917可使犊牛的腹泻率降低 50%,可能与大肠杆菌素 Microcin B17的产生有关 [17]。
2.2 细菌素在水产养殖中的应用
革兰氏阴性兼性厌氧菌弧菌 (V i b r i o s p. ) 和假单 胞菌 (Pseudomonas sp. ) 通常是海洋鱼类的致病菌, 淡水鱼类主要被气单胞菌 (A e r o m o n a s )、邻单胞菌 (Plesiomonas ) 和肠杆菌 (Escherichia coli ) 感染 [18]。研 究表明,将枯草芽孢杆菌 (Bacillus subtilis )、嗜酸乳 杆菌、丁酸梭菌 (Clostridium butyricum )、酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae ) 四种菌混合饲喂比目鱼能明 显增强溶菌酶的活性, 降低黏膜蛋白水平, 鳗弧菌 (Vibrio anguillarum ) 感染后存活率也有一定程度的提高 [19]。这 些菌种都能产生细菌素 :芽孢杆菌素 (Bacillocin 22、 BLIS ) [20]、 莴苣苦素 (Lactacin )、 嗜酸乳杆菌素 (Acidocin ) [21]、丁酸梭菌素 (Bulyricin ) [22]。气单胞菌 (Aeromonas m e d i a ) 能控制太平洋牡蛎幼虫的塔氏弧菌 (V i b r i o tubiashii ) 感染 [23],玫瑰杆菌 (Genus Roseobacter ) 对扇 贝幼虫的弧菌感染也有抑制作用,这两株菌都能产生枯 草芽孢杆菌素,很有可能是细菌素的产生抑制了水产养 殖中的病原菌。
2.3 细菌素在医药及人类和动物保健中的应用 细菌耐药性的出现和传播对人类健康构成了威胁, 耐药菌株的临床治疗更是令人担忧。细菌素在医药保健 领域的研究将提供新的可行性措施。
2.3.1 细菌素在胃肠道疾病中的应用研究 胃肠道微 生物区系和宿主间存在着精细的动态平衡。乳酸杆菌 和双歧杆菌在肠道菌群中占优势地位,它们中的大部分 都能在体外产生细菌素。研究证明一些菌种在体内同样 产生细菌素。乳酸杆菌是主要的研究对象,细菌素的 分泌能抑制胃、十二指肠幽门螺旋杆菌 (Helicobacter pylori ) 的生长 [24]。唾液乳杆菌在体内可产生细菌素, 保 护 小 鼠 免 受 李 斯 特 菌 感 染, 而 经 诱 发 突 变 不 产 生 细 菌 素 的 相 同 菌 株 起 不 到 保 护 作 用 [25]。 变 形 链 球 菌 (Streptococcus mutans ) 产生的羊毛硫细菌素 Mutacin B -N y266能抑制多重耐药菌的生长,如葡萄球菌、 链球菌、奈瑟氏球菌等 [26],体内试验证明 M u t a c i n B-Ny266能抑制耐药葡萄球菌 (MRSA)[27]。乳酸片球 菌素 (Pediocin ) 能抑制多种革兰氏阳性致病菌,如肠球 菌 (包括耐万古霉素菌株 )、李斯特菌,并且能抑制克 雷白氏杆菌、假单胞菌、痢疾杆菌 (Shigella genera ) 等偶然致病菌粘附在胃粘膜。
革兰氏阳性菌产生的细菌素也有缺点,它们很少能 抑制常见的肠道致病菌如肠杆菌 (Enterobacter )、克雷白 氏菌、 沙门氏菌等, 而革兰氏阴性菌细菌素则可以抑制。 例如,大肠杆菌 H22能够抑制肠杆菌科的 7个属,包括 肠杆菌、大肠杆菌、克雷伯氏菌、摩根菌 (Morganella )、 沙门氏菌、 志贺氏菌 (Shigella )、 耶尔森氏菌 (Yersinia )。
7
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这种抑制作用可能是由于大肠杆菌素 M i c r o c i n C7、 Colicins El和 lb 的产生 [28]。
2.3.2 细菌素在口腔和呼吸道疾病中的应用研究 细菌素 疗法已经成为口腔疾病的药物疗法之一。葡萄球菌尤其是 金黄色葡萄球菌和唾液链球菌 (Streptococcus salivarius ) 是人龋齿的主要病原菌 [29]。目前已经有两种产细菌素的益 生菌进入市场和人体临床测试。第一种是唾液链球菌 K 12, 它能产生两种羊毛硫细菌素 Salivaricin A和 B,主要功能 是防止链球菌性喉炎和治疗口臭。第二种是变形链球菌, 它产生的 Mutacin 1140可防治龋齿。
化脓性链球菌 (Streptococcus pyogenes ) 是常见的 人体共生菌,通常定植于上呼吸道,人体防御力下降 时变成致病菌。从轻度喉咙 感染的儿童鼻咽中分离出的 唾液链球菌能产生具有抗化 脓性链球菌活性的细菌素。 研 究 表 明, 这 种 细 菌 素 能 够 杀 死 一 些 人 体 致 病 菌, 如黏膜炎莫拉菌 (Moroxela
catarrhalis ) 和流感嗜血杆菌 (Haemophillus influenza) [30], 但还需要动物实验进一步验 证其在体内的有效性。 2.3.3 细菌素在其他疾病中 的应用研究 有关大肠杆菌素
以及其对人类肿瘤细胞毒性作用的研究最早开始于 30年 前。细菌素可能成为对抗肿瘤细胞的温和毒素。大肠杆 菌素可能抑制肿瘤细胞系的增殖,并且在体内对肿瘤细 胞的毒性作用强于对正常细胞的作用。这显示了大肠杆 菌素作为抗癌药物的潜力,但对其作用机制还存在很多 争论和质疑,将其用于癌症治疗的特异性和适用性也是 需要深入探究的问题。 抗菌肽是皮肤的化学屏障。 因此, 细菌素这种由细菌产生的抗菌肽也可作为防治皮肤感染 的未来策略。 Nisin 、由表皮葡萄球菌 (Staphylococcus
epidermidis ) 产生的表皮素 (Epidermin ) 等都具备治疗皮 肤感染的潜力。
3 细菌素应用展望
细菌素高效、无毒,与抗生素相比抑菌谱相对窄, 在食品工业中长期应用也无细菌耐受性出现,因此细 菌素是目前认为最有前景的抗生素替代物。但是某些 细菌素是大分子物质如大肠杆菌素,具有一定的抗原 性, 影响了其在体内的分布, 限制了其对某些疾病 (如 血液病 ) 的治疗,使得细菌素在体内的应用有一定的 局限性。因此,从这个角度讲细菌素不能完全替代抗 生素。然而细菌素对细菌性疾病的治疗却有特殊的潜 力。目前对细菌素在体内的作用机制并不是很清楚, 近年的研究证明,细菌素在微生物区系中发挥作用, 但具体的功能还有待研究。因此,对细菌素进化和生 态学的研究,将帮助我们弄清细菌素与微生物类群的 关系,从而明确其作用机制,更好的选择菌种,一方
面使细菌素产生菌更好 的定植于宿主体内,另 一方面尽可能使细菌素 在体内的产量最大化, 使其更好的发挥功效。
细菌素也为研制抗 菌药物指明了新的方向。 一是开发基因工程菌细 菌素,二是通过对细菌 素结构和活性关系的研 究,弄清其作用机制, 合成细菌素的类似物。 这两种物质需要稳定的存
在于宿主体内,发挥预期的功效,同时需要对其安全性 和抗菌活性作出评价。因而,目前对细菌素分子生态学 以及作用机制等信息的丰富也将加快新药开发的进程。
随着对细菌素研究的深入,细菌素的工业生产也是 必然的趋势。尽管细菌素的自然资源丰富、种类繁多, 但目前工业化生产最为广泛的只有 N i s i n 1种形式。细 菌素的生产成本高, 因此主要任务还是高产菌株的选育、 发酵工艺的探索和细菌素的分离纯化。但是,现代化生 物技术的应用,如基因工程技术、诱变育种技术等,有 助于选育出产量高、抗逆性强的菌株,并降低细菌素的 生产成本。相信不久的将来,细菌素的理论研究会日趋 成熟,理论将付诸实践,细菌素会在人类生活中发挥更 大作用。
(参考文献略
)
范文五:发光细菌的研究和应用
万 方数据
高技术通讯2003.12
3发光细菌的应用
3.1发光细菌在环境监测中的应用
环境中的污染物种类和数量日益增多,传统的 分析鉴定手段难以达到实时、迅速、在线分析的要 求。发展新的快速、准确评价各类捞染物的毒性的 有效方法显得非常迫切、必要。在急性毒性分析方 面,新的检测手段在不断建立,其指示物包括酶、细 菌、藻类、海洋浮游生物和鱼等。
发光细菌由于其独特的生理特性、与现代光电 检测手段完美匹配的特点而备受关注,在环境监测 中的应用也越来越广泛。发光细菌在正常的生理条 件下能发出波长在450~490nrn的蓝绿色可见光, 在一定的试验条件下发光强度是恒定的。与外来受 试物接触后,由于毒物具有抑制发光的作用,发光细 菌的发光强度即有所改变,变化的程度与受试物的 浓度在一定范围内呈相关关系,同时与该物质的毒 性大小有关。外来受试物主要通过下面两个途径抑 制细菌发光:①直接抑制参与发光反应的酶类活性; ②抑制细胞内与发光反应有关的代谢过程。凡能够 干扰或破坏发光细菌呼吸、生长、新陈代谢等生理过 程的任何有毒物质都可以根据发光强度的变化来测 定。传统的毒性测试方法用鱼或原生动物进行试 验,费用昂贵且费时较多,用细菌的生长状况或死亡 率作为测定环境中毒物的指标,也需要较长时间。 利用发光细菌来检测有毒物质,由于有毒物质仅干 扰发光细菌的发光系统,费时较少且灵敏度高,操作 简便,结果准确,所以利用发光细菌的发光强度作为 指标来监测有毒物质,在国内外越来越受到重视。 吴自荣等【6o利用发光细菌快速分析大气污染;张秀 君等【71利用发光细菌监测废水的综合毒性;李彬 等伸J利用发光细菌诊断重金属污染土壤毒性;Yates 等旧j对黄曲霉素B1、桔霉素等8种霉菌毒素进行了 发光细菌分析,结果发现8种毒素的毒性次序与哺 乳动物细胞毒性试验结果一致。
利用发光细菌制作生物传感器,是人们研究的 热点之一。目前制作生物传感器识别元件的生物材 料有酶、菌体细胞、抗原类物质和核酸等,其中纯化 的酶类经常用作生物敏感材料。但是纯酶价格很高 而且容易失活,难以长期保存及使用,与酶相比,微 生物细胞易于制备和保存,而且其中的活性酶类始 终保持稳定状态,可以有效延长识别元件的使用寿 命。因此,微生物细胞作为制备识别元件的生物材 一】04一
料,具有一定的优势。研究表明,发光细菌的发光强 度与某些污染物的浓度呈较好的线性关系,能够稳 定、灵敏、快速地反映环境中污染物的浓度变化,因 此,利用发光细菌制备识别元件,成为国内外传感器 研究和发展的热点。20世纪80年代初美国Beck— man公司推出功能完备的生物毒性测试仪,它具有 应用范围广,灵敏度高,相关性好,反应速度快等优 点,发光细菌毒性测试(Luminescent bacteria toxicitv test,LB T.)技术在世界范围内迅速推广。黄正 等u¨1]利用发光细菌作为生物敏感材料,研制了用 于污染物毒性监测的传感器,并且进行了环境中有 毒污染物的快速检测。~iS0n M.}Iorsbu瞎h等Ⅲ]利用基于发光细菌的生物传感器对水环境中的工业 污染物进行了检测。随着科技的进步,L B.T.技术 与其他分析技术联合应用,扩大了应用范围,取得了 很多成果。黄正等【13J将LB T.技术与Ames致突 变试验、色谱/质谱分析方法结合起来,分析了武汉 市工业废水的急性毒性、遗传毒性和主要毒物。 近年来,利用发光细菌毒性试验检测环境污染 物急性毒性备受重视,我国于1995年将这一方法列 为环境毒性检测的标准方法((丑厂r15441一1995)。 相信这一技术会在我国的环保事业中发挥更大的作 用。
3,2发光基因的应用
3.2.1发光基因的组成
发光基因(zW gene)系统中包括结构基因z∽ C,D,A,B,E和调节基因z“J和£∽R等。从不 f司发光细菌中分离得到的发光基因其种类和数量有 所差异,例如z。∞F仅发现于明亮发光杆菌,但以上 五个结构基因z∞c,D,A,B,E是普遍存在于已 知的所有发光细菌中的。编码菌荧光素酶的基因是 zⅫA和£∞出,在z“操纵子中,zⅫA和zⅢ国是紧 密相连的。以哈维氏弧菌(Ⅵ6r如胁H州)为例,其 fmA基因中含有1065bD,编码的a亚基是355个 氨基酸的多肽,分子量为40kD;f∽B基因中含有 972bp,编码的0亚基是有324个氨基酸的多肽,分 子量为36kD。由a、B两亚基组成的荧光酶的分子 量为76kD。编码脂肪酸还原酶(多肽转移酶和还 原酶)的£¨c和zz—D位于fz‘硝、z。棚基因的上游 一侧,编码合成酶的f∞E基因位于zuA,z%B基 因的下游一侧。z—c含有1431bp,编码的蛋白质 含有477个氨基酸,分子量为55kD;zⅪD编码的 蛋白质分子量为33kD;z“E编码的蛋白质分子量 为42kD。在明亮发光杆菌中还发现有f∽F基因,
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它通常位于z∽B和zuE之间,其编码的蛋白质分 子量为26kD左右,但fⅪF基因在弧菌属和异短
杆菌属中的发光基因系统中尚未被发现。在以上所 有菌株的操纵子中,这些基因的顺序都相同,均为 z“zC[硝_B(F)E。
在z“系统中,结构基因上游有2个调节基因, 它f门是z一,和,一R。它们分别属于两个不同的操 纵子之中,z—f在右面的操纵子中,右面的操纵子 中还含有£∽C功蟠(F)E基因,z—J位于z∽c的 上游。£一系统的整个结构如下:f∽R,z∽j∞AB (F)E。z∞J编码的是发光细菌自诱导物(autoin— duc”)因子合成酶,zz瑚编码的是发光系统的调节 蛋白。研究表明,z一,和z“嘏基因的表达产物都 是£一系统完整表达并产生发光的调节物质,任何 一个基因的有效突变都会改变z一系统的表达水 平,甚至使发光细菌变为暗变种。
3.2.2z一基因作为标记基因和报告基因
发光细菌所含的发光基因(z—gene)表达的直 接结果是产生生物发光,非常直观而且易于检测,因 而被广泛应用于基因操作,作为标记(rnarl【er)基因 和报告(repomr)基因来研究基因的转导、表达和调 控。另外,通过基因工程而产生的很多基因工程发 光细菌的研究和应用也很有价值。
完整的发光基因系统已经被成功地转入其他细 胞中,如原核细胞、真核细胞和哺乳动物细胞。z∽ 基因可以作为一个很好的标记基因重组在质粒载体 或其他载体上。若将发光基因系统中的结构基因放 在一个被试的启动子的下游,一并插入载体DNA 中进行转导实验,可通过宿主细胞是否发光确定转 导是否成功,并通过宿主细胞的发光强度的高低来 确定发光基因的转录表达水平和结构基因上游的启 动子的活性大小。另外,还可以用发光基因来研究 终止子(tenⅡnator)的活性大小,以及研究其他细胞 内的某些基因的表达与调控的规律。利用含有z一 系统的具有感染力的载体(噬菌体)在感染宿主细胞 时能产生生物发光的现象,可以研究其感染的过程 和机理。
3.2.3基因工程发光细菌及其应用
基因工程发光细菌是指通过基因工程技术将 lux系统导人其他非发光宿主细胞后,形成一类能够 发光的细菌。利用基因工程发光细菌可以快速测定 化学物质及环境污染物的毒性,确定生物的存活能 力,快速确定环境污染的程度以及进行环境质量的 评价。还可以利用基因工程发光细菌进行细菌在土 壤和水体中分布的研究等。
f∽基因作为报告基因,用其构建基因工程微 生物,通过对光线的检测可以对微生物在环境中的 生长、分布、活性等进行实时在线监测。王平等[“]研究了发光酶基因标记的荧光假单胞菌在小麦根圈 的定植动态。柏建玲等[151利用发光酶基因标记技 术跟踪棉花根圈中的绿针假单胞菌。刘健等…1通 过三亲本杂交方法成功地用发光酶基因标记巨大芽 孢杆菌ATOcl4581,获得的标记菌株AH、C14581一 L在不同条件下能稳定发光。将该标记菌株制成微 生物制剂,并将其接种小麦,进一步研究了它在小麦 根际的定殖动态和散布规律,取得了满意的结果。 某些细菌长期生活在含有某种化学物质的环境 中,细菌基因组中含有对该物质具有特异性的诱导 基因和降解基因,或具有对该物质的抗性基因。将 这些基因与z一基因融合构成重组体,在特异的化 学物质存在时产生诱导作用,启动诱导基因并导致 f一基因表达,而由重组体的发光与否就可得知某 化学物质是否存在。研究者们利用细菌对汞的抗性 是依赖于H92+与mrR(汞抗性基因的调节基因) 基因产物的结合和表达激活的原理,构建了由 —rR基因和z—AB基因融合的质粒载体,建立了 发光强度与汞含量的关系。该系统灵敏度高而且专 一性很强,用这种方法可检测出环境中纳克级的 汞L”j。O.Selifonova等[18]将汞依赖性基因工程发 光细菌做成光纤传感器,其检出灵敏度可达1nmol/ L。因此,利用这种物质依赖性的基因工程发光细 菌在这种特异性物质的存在条件下高水平的表达出 生物发光,且发光强度与该物质的剂量呈正相关的 特点,可以检测环境中该物质的存在量。目前,已经 构建了汞、砷、苯、萘等物质依赖性的基因工程发光 菌,用于环境中此类物质的检测。
发光细菌经过各种理化方法诱变处理后失去发 光的能力,成为暗变异株。在接触致突变物后,暗变 异株可恢复一定的发光能力(通常可使暗变异株的 发光强度增加1000倍左右)。利用暗变异株恢复发 光的现象,可对各种遗传毒物进行筛选、检测。此法 与其他微生物学方法(如Ames试验)相比有灵敏、 简便、快速、无需严格无菌操作等特点。ulitzur 等【1蚍利用自发突变的发光细菌暗变种,检验化台物 的基因毒性,证实这一方法具有很高的灵敏度,与 Ames试验结果相吻合,并进而开发了商品名称为 “Mutatox”的检测系统。这是继发光细菌急性毒性 检测的“Microtox”之后推出的又一项发光细菌检测 一105—
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高技术通讯2003.12
技术。
另外,将f∽系统导人某种噬菌体的DNA中, 利用噬菌体与其宿主菌之间严格的特异性,可以检 测宿主菌的分布、数量以及活性。Martjn J.Loess— rm等啪1将z“AB基因整合到李斯特菌的专一性 噬菌体中。构建重组噬菌体,对李斯特菌进行检测, 灵敏度高而且速度很快,为环境微生物检测提供了 一种灵敏有效的方法。
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The Study and Application 0f Luminescent Bacteria
Dtl Zon西衄,WangⅪang}10ng,Li Haifeng,chi Zh删矗ng
(C。llege of M耐ne Life Sci惴,0忱a11UniverSity of Chhla,Qillgda0266003)
Abstr№t
Lumines唧t bacteria and itS Z妣g即e were诵dely used in envimrlmentaI rnonitofing Most of the lumines-oent bacteria dmle from the
nlarine朗vimnrnents.In t|lis article,the tax0I姗y,l删nescent mechaIli咖s and appbcation of
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Key wol吐i:LuIllimjso目1t
bacte^a,Ta)【0rlomy,f姐gene,Envimrlrnenta王nlonitoring
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发光细菌的研究和应用
作者:杜宗军 , 王祥红 , 李海峰 , 池振明 作者单位:中国海洋大学海洋生命学院,青岛,266003刊名:高技术通讯
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