蓝细菌固氮和制氢机制的研究--皮雄.docVIP

蓝细菌固氮和制氢机制的研究

摘要：海洋生物固氮是海洋中氮循环的重要过程,现今的研究已说明,蓝细菌对海洋的氮平衡和生物生产有着重要的奉献，同时蓝细菌产氢现象也备受关注。。从海洋生物固氮和制氢的研究现状和研究方法着手,阐述了海洋生物固氮和制氢的意义,并重点对蓝细菌生物固氮和制氢的生物化学和分子生物学机制等研究方面做了细致的综述〔1〕。

关键字：蓝细菌，生物制氢，生物固氮，固氮酶，氢化酶。

生命的维持和延续不仅需要能量,而且还必需各种物质,其中,蛋白质和核酸是构成生物体的主要成分,而氮是构成蛋白质和核酸的重要元素。生态系统的氮循环是气体型的生物地球化学循环,固氮是其重要过程〔2〕。氮循环在生态系统

中是一个相当完全的自我调节系统,形成动态平衡。溶解在海水中的氮如何被生物体利用的问题曾困扰海洋学家达数十年之久。科学家发现了一些海洋细菌可以固定大气中的氮。其中一种很重要的海洋固氮细菌就是蓝细菌，并且特别是有异形胞的蓝细菌。它的固氮量以及在整个生态系统中的地位是无法估量的，而且一旦把他们的固氮机制研究清楚，应用于人类工农业，进行常温常压固氮，将会产生革命性的变化。在研究蓝细菌固氮机制的时候，科学家意外的惊奇地发现，蓝细菌在固氮的同时，竟然也可以产氢，这更具有不可估量的重要意义，随着全球工业化的开展,大量不可再生的化石燃料被开采利用,带来了严峻的能源危机和环境危机，氢气也是1种理想的能源,燃烧后生成水,不造成任何污染。目前工业上产氢采用电解水或热解石油、天然气等方法,仍然消耗大量的自然资源。因此,大规模低本钱的生物产氢越来越受到瞩目。因此蓝细菌开始成为了耀眼的明星。

蓝细菌

蓝细菌(Cyanobacteria)旧名蓝藻或蓝绿藻，是一类进化历史悠久、革兰氏染色阴性、无鞭毛、含叶绿素a和藻蓝素〔但不形成叶绿体〕、能进行产氧性光合作用的大型原核光合细菌，多数蓝藻的细胞壁外面有胶质衣，因此又叫粘藻。大多数蓝细菌能固氮。蓝细菌是古老的生物，在50亿年前，地球本是无氧的环境，使地球由无氧环境转化为有氧环境是由于蓝细菌出现并产氧所致。蓝细菌分布极广，普遍生长在淡水、海水和土壤中，并且在极端环境〔如温泉、盐湖、贫瘠的土壤、岩石外表或风化壳中以及植物树干等〕中也能生长，故有“先锋生物的美称”。大多数蓝细菌无鞭毛，但可以“滑行”。蓝细菌光合作用的部位称为类囊体，数量很多，以平行或卷曲方式贴近地分布在细胞膜附近，其中含有叶绿素和藻胆素〔一类辅助光合色素〕。蓝细菌的细胞内含有糖原、聚磷酸盐、以及蓝细菌肽等贮藏物以及能固定的羧酶体，少数水生性种类中还有气泡。〔3〕

2．1固氮作用。

蓝藻的种类有1000多种,其中有固氮能力的不过20余种。1961年发现的束毛藻(Trichodesmium)是目前固氮量最大的一种群体海洋细菌〔2〕。海洋固氮微生物存在的证据是多方面的,包括用稳定同位素示踪技术来测定固氮率,用自然丰度稳定同位素研究固氮与有机物质的分布,用显微镜技术来观察微生物的聚集和定量,最后,用分子生物学方法来定位研究固氮基因及表达。迄今为止,现有技术和方法提供的证据已经说明,生物固氮比早先估计的更广泛、更重要。(4)

目前对自养的固氮蓝细菌如束毛藻已有很好的工作根底。使用15N示踪技术和乙炔复原法等方法证实了红海束毛藻(Trichodesmiumerythraeum)和薛氏束毛藻Trichodesmiumthiebautii的固氮能力,推测在束毛藻的其他种类如T.tenue、T.contortum和汉氏束毛藻(T.hildebrandtii)也存在固氮能力(5,6)。研究说明,有另外一些自养的蓝细菌如Katagnymene也具有固氮酶活性,这些种类不如束毛藻那样丰富。一些球型的海洋蓝细菌能在培养的条件下固氮,如Synechococcus在黑暗的条件下恒定培养可以固氮〔13〕

2固氮酶

蓝藻的固氮酶也是1种产氢酶，包括多个固氮的蛋白复合体,是氮循环必要的酶。固氮酶复合体包括2个蛋白:固氮酶(Dinitro2genase)和固氮酶复原酶(Dinitrogenasereductase)。固氮酶α2β2是1个异源四聚体,分子量约为220～240kD。α亚基和β亚基分别由nifD和nifK基因编

码。固氮酶复原酶是1个单酶,分子量约为67～70kD,在调节电子从电子供体到固氮酶的传递方面起作用,由nifH基因编码[325]。。固氮酶在将分子氮复原为NH3的过程是1个高度吸能反响,需要ATP作为代谢能量,这一反响伴随着将质子H+复原为H2:

N2+8H++8e-+16ATP→2NH3+H2+16ADP+16Pi

分子氧对固氮酶的活性