微生物学综述

微

生

物

学

综

述

题目：蓝细菌的应用与研究发展

班级：生物技术2013（生物制药）

蓝细菌的应用和研究发展

摘要：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微生物。本文就蓝细菌的光合作用、固氮作用、食品功用、医疗功效、环境监测等，以及其研究发展进行了综述。

关键词：蓝细菌，光合作用，生物固氮，制氢研究，功能食品，环境监测蓝细菌是原核生物，又叫蓝藻、蓝绿藻，大多数蓝藻的细胞壁外面有胶质衣，因此又叫粘藻。在所有藻类生物中，蓝藻是最简单、最原始的一种。其应用是多方面的，主要有光合作用、固氮作用、功能食品等。常见种类有蓝球藻、颤藻、念珠藻、鱼腥藻、螺旋藻等。蓝细菌是海洋生态系统的重要组成部分，在初级生产中占有重要地位，对海洋生态系统的稳定性和多样性具有重要意义。

一．分布

目前蓝细菌约有2 000种，由于可耐受恶劣的极端环境，因此广泛地分布在淡水、湖沼和海洋等水体中以及潮湿土壤、岩石、树木等处，即使在寒冷的南极和高达85℃的温泉中，甚至在贫瘠的沙质海滩和荒漠的岩石上都能存在。蓝细菌在地球环境的演变和生物的进化中也起到非常重要的作用，因为蓝细菌是地球上最早的放氧型光养生物，担负着地球大气从无氧到有氧的转换功能。蓝细菌目前至少有三方面的开发应用：一是它可直接食用，蓝细菌是目前已知生物蛋白质含量最高的，可达50％以上，如发菜、螺旋藻等是极具开发前景的食品；二是在基因改造方面的应用，可将蓝细菌中能够抵抗恶劣环境的基因鉴定并分离出来，构建有更好地抵抗恶劣环境能力的转基因作物；三是在环保领域的应用。利用蓝细菌能结合并清除水中有害金属、有害化学物质以及利用其对海水淡化的能力，进行环境污染监测和污染水的处理。但应注意，当淡水、海水中的N、P营养成分增加造成水体富营养化时，蓝细菌会形成赤潮和水华这种自然生态现象，使水中含氧量降低和有毒物质积累，造成鱼类等水生生物死亡。另外，蓝细菌的次生代

谢产物能损害肝，具有促癌效应，通过食物链和饮用水直接威胁人类的生存和健康。

二. 应用

2.1光合作用

蓝细菌体内含有一种天蓝色的色素蛋白-藻蓝蛋白，蓝细菌正是利用这种蛋白质来捕光，进行光合作用。蓝细菌体内没有叶绿体, 但含有叶绿素，和植物中进行光合作用的色素是一样的。蓝细菌细胞内进行光合作用的部位称类囊体, 类囊体膜上含有叶绿素α、β-胡萝卜素以及与光合电子传递链有关的组分。类囊体所特有的藻胆蛋白可以吸收光能, 并把它转移到光系统Ⅱ中。由于光合蓝细菌能够利用太阳能和CO2作为唯一能源和碳源进行生长,进而经基因工程修饰后生产各种生物燃料以及精细化学品，因而作为“微生物细胞工厂”而备受关注。作为一个新兴的基因工程宿主菌，蓝细菌具有以下优势：1) 蓝细菌拥有复杂的光合系统，能够吸收广泛波长的太阳光并将其能量直接传递给其他形式的能量载体。同时，蓝细菌光能利用率是陆生植物的数倍(蓝细菌3％~9％，陆生植物≤0.25％~3％)。

2) 蓝细菌种类多样、分布广泛，培养不需要耕地，甚至可以在极端环境下生长。

3) 蓝细菌的生长营养需求低，只需空气(CO2和N2来源)、水、简单的无机盐和

光(能源)，降低了生产成本。同时，利用大气中的温室气体CO2作为碳源，有希望扭转或减缓全球变暖进程。4) 蓝细菌生长比植物快，培养周期短，生长密度高。

伴随着对蓝细菌代谢途径理解的深入以及几十种蓝细菌基因组测序的完成，使得人工改造蓝细菌并将之利用于各种工业产品的规模化生产成为可能。

2.2固氮作用

蓝藻的种类有2000多种，其中有固氮能力的只有20种。多数固氮蓝藻是水生植物，每年能固氮25-100kg/ml。1961年发现的束毛藻目前固氮量最大的一种群体海洋细菌。目前，蓝细菌仍然是在藻类和豆类作物提供氮肥的重要来源。这已经在稻类的耕作中利用起来，如满江红被散布在水稻周围。蕨类植物的叶子为鱼腥蓝细菌提供生存场所，进行固氮作用；而蕨类植物在过季时死亡后则为稻物提供了一种低成本的天然化肥和氮源。实践表明对蓝细菌的固氮特性，若将其固氮能力转移到水稻、小麦等作物体内，使之实现氮肥自给，将导致农业生产的革命。

2.3制氢研究

蓝细菌具有很低的营养要求，能够利用太阳能直接光解水产生氢能。能够产氢的蓝细菌有丝状异形胞蓝细菌、丝状非异形胞蓝细菌、单细胞不固氮蓝细菌三大类。蓝细菌中参与氢代谢主要有固氮酶、吸氢酶和可逆氢酶，其中，固氮酶在催化固氮的同时催化氢的产生，吸氢酶可氧化固氮酶放出的氢，可逆氢酶可以吸收也可以释放氢气。而蓝细菌放氢是这三种酶共同作用的结果。目前，蓝细菌氢的产率和光能转化效率尚未达到实际应用的要求，但已进行的研究工作为进一步提高蓝细菌产氢的效率奠定了基础。蓝细菌产氢的主要障碍在于：产氢酶受氧的抑制，产生的氢被吸氢酶消耗，以及氢的产率较低。提高蓝细菌的产氢率需要在蓝细菌遗传、生理和培养等方面进行深入的研究，这包括分离和研究更多的蓝细菌。值得注意的是蓝细菌可逆氢酶在进行催化作用时仅需要很少的能量，在理论上具有比固氮酶更强的放氢能力，蓝细菌可逆氢酶的放氢能力值得深入研究和利用。

2.4 功能食品

蓝细菌特别是螺旋藻被认为是最理想的功能食品,它的蛋白质含量非常的高，培养却非常简单。研究表明螺旋藻是所有已被发现的生物中营养最丰富、最全面均衡的海洋生物,1987年被联合国粮农组织推荐为21世纪人类最理想的保健食品。蓝细菌分布广泛,是海洋生态系统的重要组成部分和海洋初级生产力的重要组成部分。功能食品最新定义为一种含有能对生理功能产生正面调节作用的有效成分, 并可以对身体健康提供超过基础营养功效的食品。功能性食品的市场已经遍及全球并且发展迅猛,2006年11月中国食品科学技术学会( CIFST)功能食品分会正式成立, 并宣称将大力加强国际国内功能食品领域的交流与合作。据调查显示螺旋藻蛋白质含量相当于大豆蛋白质含量的20倍;β-胡萝卜素含量是一般胡萝卜的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-亚麻酸含量更是一切天然食物中最丰富的。螺旋藻还含有铁、锌、铜、钙及其它微量元素, 其叶绿素、叶黄素、藻蓝素的含量也是其它食物无法媲美的。作为最理想的功能食品, 螺旋藻易于被人体消化吸收, 长期食用, 可以调节人体生理机能, 促进细胞新陈代谢。

2.5 保健功效

蓝细菌中的螺旋藻可以产生多糖，经试验证明，螺旋藻多糖具有提高机体免疫力和抑制癌细胞增殖的能力。Richmond等报道，螺旋藻多糖能有效的提高淋巴细胞的活性，改善造血功能，还可以显著降低血清尿素氮增量，提高血清中乳酸脱氢酶活力，降低运动后血乳酸水平，具有明显的抗疲劳作用。最近发现硫酸化多糖能阻止