沼澤紅假單胞菌應用的研究進展

王永迪，汪春蕾

(東北林業(yè)大學生命科學學院，黑龍江哈爾濱 150040)

沼澤紅假單胞菌(Rhodopseudomonaspalustris)屬于不產(chǎn)氧的光合細菌，為紫色非硫細菌，屬于紅螺菌科，紅假單胞菌屬，是研究光合磷酸化、固氮調(diào)節(jié)、產(chǎn)氫以及厭氧降解芳香族化合物的模式生物。沼澤紅假單胞菌具有多種營養(yǎng)類型，如進行厭氧光能自養(yǎng)、厭氧光能異養(yǎng)和好氧異養(yǎng)生長，它可以適應多種環(huán)境條件。沼澤紅假單胞菌寄主廣泛，目前已知該菌可以定殖在水稻、煙草、大豆等多種植物上。沼澤紅假單胞菌能夠合成促進植物生長的物質(zhì)如吲哚乙酸(IAA)、5-氨基乙酰丙酸(5-ALA)，通過固氮作用合成NH4+，在缺鐵狀態(tài)下誘導產(chǎn)生鐵載體[1]，并能在脅迫條件下誘導植物合成抗氧化酶，如過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽還原酶和超氧化物歧化酶(SOD)等。

沼澤紅假單胞菌對Al3+、Fe3+和Cd2+等重金屬離子具有很明顯的抗性和去除能力，并且對難降解的污染物有比較好的降解能力[2-3]。該菌能夠產(chǎn)生多種化合物，在生物防治、醫(yī)療健康、化工生產(chǎn)、環(huán)境治理等方面有較為廣泛的應用潛力。沼澤紅假單胞菌能夠利用碳酸氫鈉、醋酸鈉、葡萄糖和纖維素等多種碳源，進行生長和繁殖，這一性狀為科學研究提供了極大的便利。目前，沼澤紅假單胞菌仍然是國內(nèi)外學者重要的研究內(nèi)容之一，在其與植物互作，固定重金屬，生產(chǎn)清潔能源等方面取得顯著成果，因此，有必要對現(xiàn)有結果進行整理和總結，為今后研究工作的開展提供參考。

1 農(nóng)業(yè)方面的應用

沼澤紅假單胞菌在農(nóng)業(yè)上能夠通過生物固氮、磷酸鹽溶解[4]、植物激素與生長調(diào)節(jié)劑合成、抗生物質(zhì)合成、植物免疫誘導、重金屬固定等途徑，在植物營養(yǎng)、促生、抗逆、病害防控等方面起重要的作用。

沼澤紅假單胞菌是一種紫色非硫光合細菌，它能定殖在水稻、煙草[5]和白菜等植物體內(nèi)，能夠釋放IAA和5-ALA等促生物質(zhì)，促進細胞分裂，抑制病原菌的活性，影響土壤中菌群的組成。在對白菜的研究中發(fā)現(xiàn)，沼澤紅假單胞菌PS3可以促進硝酸鹽的吸收，提高了白菜的產(chǎn)量。在接種了菌株PS3的葉片中，內(nèi)源IAA和細胞分裂率明顯提高，同時發(fā)現(xiàn)菌株PS3中IAA合成相關基因mao的表達量沒有明顯升高，從而推斷葉片中IAA含量的升高是由于菌株PS3誘導的[6]。水稻是目前主要的糧食作物之一，NaCl、重金屬和病源真菌脅迫等都是水稻減產(chǎn)的關鍵因素，如何提高水稻產(chǎn)量和水稻抗病性仍然是目前的重點研究內(nèi)容之一。在水稻的研究中發(fā)現(xiàn)，沼澤紅假單胞菌和枯草芽孢桿菌共接種對水稻產(chǎn)量有協(xié)同效應，接種對土壤細菌群落結構有明顯的影響，對豐度低的群落影響更大[7-9]。沼澤紅假單胞菌TN110能夠釋放5-ALA和IAA來促進水稻的生長，并且菌株TN110的接種使稻田中甲烷排放量減少80%以上[10-11]。沼澤紅假單胞菌KTSSR54的胞外多聚物(EPS)、脂肽和光色素對3種水稻病原菌(稻曲霉菌NPT0508、新月彎孢霉SPB0627和稻瘟病菌PTRC63)具有一定的抗性，其中EPS的抗菌活性最高[12]。在沼澤紅假單胞菌PSB06培養(yǎng)液中發(fā)現(xiàn)的ATP合成酶亞基Atp2蛋白，能夠顯著抑制稻瘟病菌的附著，從而影響稻瘟病菌對水稻的侵染[13]。沼澤紅假單胞菌ISP-1接種花生植株5年后，顯著促進花生種子對氮素的吸收，提高了蛋白質(zhì)的含量，從而使花生總產(chǎn)量提高了12.5%[14]。四溴雙酚A(TBBPA)是世界上用量最大、產(chǎn)量最大的溴化阻燃化合物，TBBPA對植物的脅迫會導致活性氧(ROS)的產(chǎn)生，從而損害植物細胞的蛋白質(zhì)、核酸和色素。沼澤紅假單胞菌RP11通過溶磷溶鉀并釋放IAA和5-ALA來促進大豆幼苗的生長，其根長、類胡蘿卜素、可溶性糖和可溶性蛋白的含量都有顯著性提高。同時，可溶性蛋白和可溶性糖含量的增加提高了大豆幼苗對TBBPA的抗性[15]。

NaCl脅迫顯著降低植物的總葉綠素含量，增加植物體內(nèi)過氧化氫(H2O2)的濃度。5-ALA施加顯著提高了葉片總葉綠素含量，提高了過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APx)、谷胱甘肽還原酶(GR)和超氧化物歧化酶(SOD)的抗氧化活性。沼澤紅假單胞菌TN114可以通過分泌EPS，使菌株TN114能夠在高濃度的NaCl中存活[16]。另外，菌株TN114可以釋放5-ALA，促進鹽堿地水稻的生長，其成本可能比商品5-ALA更低[17]。在砷(As)脅迫狀態(tài)下，沼澤紅假單胞菌C1和苯甲酸紅假單胞菌C31混合接種水稻，通過釋放5-ALA、IAA、EPS和鐵載體，來增加水稻中類胡蘿卜素、一氧化氮、葉綠素a和葉綠素b的含量，提高SOD、APx、CAT和GR的活性，減輕As對水稻的脅迫，從而促進水稻的生長[18-19]。鎘(Cd)在水稻中的積累及其向食物鏈的轉移已成為世界性的重大環(huán)境問題。鎘污染會導致植物生長緩慢，對活體的毒性高。有效的Cd固定化和減少水稻籽粒對Cd的吸收是將其毒性降到最低的有效策略。在Cd脅迫狀態(tài)下，沼澤紅假單胞菌和枯草芽孢桿菌聯(lián)合使用，能夠影響植株不同部位對Cd的吸收能力，根、莖、葉的轉運過程受到抑制，降低了Cd在水稻籽粒中的積累，能夠提高土壤中脲酶、過氧化氫酶和堿性磷酸酶活性，提高土壤肥力，促進植株的生長[20-21]。

2 養(yǎng)殖方面的應用

作為光合細菌的一員，沼澤紅假單胞菌具有非凡的代謝多功能性，已成為飼料工業(yè)中潛在的益生菌之一。沼澤紅假單胞菌作為飼料，通過改變動物腸道菌群結構，促進腸道益生菌的生長；通過改善水質(zhì)來增強水生動物的抗病性，提高養(yǎng)殖動物的產(chǎn)量。在奶牛的養(yǎng)殖過程中，通過在奶牛飼料中添加沼澤紅假單胞菌和地衣芽孢桿菌菌劑，顯著提高奶牛的生產(chǎn)性狀、日采食量、產(chǎn)奶量和飼料的轉化率[22]。在奶牛飼料中添加沼澤紅假單胞菌菌劑，體外瘤胃培養(yǎng)48 h后，干物質(zhì)消失、累積產(chǎn)氣量和總揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)都有明顯提高。沼澤紅假單胞菌的添加可以增加微生物蛋白質(zhì)合成量和總VFAs產(chǎn)量，改變發(fā)酵系統(tǒng)的發(fā)酵氣體組成，來維持微生物平衡的厭氧環(huán)境，有利于厭氧微生物生長和飼料的轉化[23]。在對皺紋鮑的研究中，在飼料中添加沼澤紅假單胞菌可以通過提高SOD、CAT、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)、堿性磷酸酶(AKP)、酸性磷酸酶(ACP)和酚氧化酶(PO)的活性，顯著提高幼鮑存活率、殼長生長率、體重生長率、飼料轉化效率和蛋白質(zhì)合成效率[24]。傳統(tǒng)餌料和藥劑在淡水養(yǎng)殖中的應用加劇了環(huán)境污染，導致水生動物疾病頻發(fā)。用沼澤紅假單胞菌處理后的大豆加工廢水培養(yǎng)瓦氏黃顙魚，其乙酸激酶調(diào)控基因(ack)、acp、sod和cat表達上調(diào)，蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、AKP、ACP、吞噬細胞、SOD和CAT的活性增強，提高了瓦氏黃顙魚的產(chǎn)量和抗病性[25]。在草魚飼料中添加沼澤紅假單胞菌R-3，提高了草魚中SOD、CAT活性，降低MDA含量、養(yǎng)殖水體中的氨氮、亞硝酸鹽含量來改善養(yǎng)殖水質(zhì)，提高草魚免疫能力和成活率，促進草魚生長[26]。

3 環(huán)境修復方面的應用

沼澤紅假單胞菌具有較高的氨氮去除能力，并吸附、降解廢水中的污染物，包括染料、氯代苯甲酸和1，2，5，6，9，10-六溴環(huán)十二烷(HBCD)等污染物。沼澤紅假單胞菌51ATA通過吸附廢水中的偶氮染料耐曬黑K鹽使其脫色[27]。沼澤紅假單胞菌PSB1對廢水中氨氮的降解率可達99%[28]。氯代苯甲酸(CBAs)是一種由氯化物分解而產(chǎn)生的環(huán)境污染物。沼澤紅假單胞菌RCB100通過將3-氯苯甲酸(3-CBA)轉化為3-氯苯甲酰輔酶A和將其還原脫鹵生成苯甲酰輔酶A 2種途徑來降解3-CBA[29]。沼澤紅假單胞菌ysc3誘導了HBCD降解關鍵酶鹵酸脫鹵酶、谷胱甘肽-S-轉移酶、細胞色素P450、水解酶和雙加氧酶等的表達，通過好氧羥基化和厭氧脫溴的途徑，使HBCD降解[30]。

沼澤紅假單胞菌對Al3+、Fe3+和Cd2+等重金屬離子都具有良好的耐受性。沼澤紅假單胞菌TN110對Cd2+和Zn2+的去除率分別為84%和55%[10]。菌株TN110可以通過生物合成CdS納米顆粒來修復鎘污染的土壤[31]。砷(As)是最廣泛的環(huán)境致癌物之一，目前可以通過生物膜形成，氧化還原，As生物甲基化，合成谷胱甘肽(GSH)、甲鈷胺(維生素B12)和S-腺苷甲硫氨酸(SAM)等機制來對土壤中As進行微生物修復[32]。沼澤紅假單胞菌CS2具有將As(V)還原為As(III)的能力，而抗砷和解毒的基因表達是由一個Ars操縱子控制的，所以抗砷和解毒的能力往往同時存在[19]。

4 化工方面的應用

能源和環(huán)境問題一直是當今世界的熱點問題，如何生產(chǎn)更加綠色的能源一直備受關注。沼澤紅假單胞菌因其具有利用CO2、有機酸、木質(zhì)纖維素等多種碳源，合成氫氣、聚-β-羥丁酸(PHB)、正丁醇等多種化合物的能力而被廣泛應用于此。

4.1 產(chǎn)氫氫作為一種清潔能源已被廣泛重視，并普遍作為燃料電池的動力源，然而制取氫氣的傳統(tǒng)方法成本高，技術復雜。為了可持續(xù)生物產(chǎn)氫，需要尋求更廣泛的光發(fā)酵底物原料。目前研究發(fā)現(xiàn)青貯玉米和麥麩[33]的發(fā)酵廢水是較為良好的光發(fā)酵底物之一。木質(zhì)纖維素產(chǎn)氫是一種很有前途的生產(chǎn)可持續(xù)能源的方式，但木質(zhì)纖維素水解物中的酚類化合物、有機酸和呋喃衍生物[34]可能會抑制氫氣的產(chǎn)生。沼澤紅假單胞菌CGA009在厭氧光發(fā)酵下，能夠耐受較高濃度的酚類物質(zhì)，可以作為木質(zhì)纖維素產(chǎn)氫的菌株之一[35]。在VFAs混合物多菌光發(fā)酵過程中，沼澤紅假單胞菌作為產(chǎn)氫和PHB的主要生產(chǎn)者，當乙酸比例高時，就會優(yōu)先利用其作為合成氫氣的還原力，當丙酸和丁酸含量較高時，則會優(yōu)先利用其作為合成PHB的還原力[36]。沼澤紅假單胞菌的聚-β-羥丁酸缺失突變體的產(chǎn)氫能力較野生型有明顯提高，這表明PHB和氫氣的合成過程存在還原力的競爭[37-38]。但在pH脅迫狀態(tài)下，合成的PHB對沼澤紅假單胞菌WP3-5細胞有保護作用，所以在脅迫狀態(tài)下PHB的合成有利于產(chǎn)氫[39]。炔雌醇(EE2)是口服避孕藥的基本成分，被認為是一種高度頑固的雌激素類微污染物，然而在混合型光輔助微生物燃料電池(h-PMFC)中添加EE2，EE2的降解會為沼澤紅假單胞菌產(chǎn)氫提供還原力，產(chǎn)生的氫氣用來維持氫燃料電池的運轉[40]。

沼澤紅假單胞菌產(chǎn)氫與NADH脫氫酶、固氮酶和吸氫酶的表達及其修飾有關。沼澤紅假單胞菌在產(chǎn)氫過程中，編碼NADH脫氫酶的nuoF表達上調(diào)，吸氫酶hupS表達下調(diào)[41]。在vnf和anf固氮酶操縱子的上游插入pucBa啟動子，使其過表達，可以用于提高工程菌株產(chǎn)氫效率[42]。

4.2 其他角鯊烯是一種具有醫(yī)療價值的生物活性化合物，還可以作為燃料的原料。通過同時阻斷類胡蘿卜素和霍烷途徑使沼澤紅假單胞菌合成角鯊烯的產(chǎn)量增加57%[43]。PHB是一種由細菌合成的可降解生物塑料，是傳統(tǒng)塑料的替代品。沼澤紅假單胞菌CGA009在利用木質(zhì)素分解產(chǎn)物各組分合成PHB時，p-香豆酸鹽使PHB的產(chǎn)量顯著增加[44]。在PHB合成過程中PHB合成酶相關基因phbC表達上調(diào)[39]。在pH脅迫[38]、缺硫[45]等情況下，當光照和有機碳底物存在時，PHB會大量積累在菌體表面。能源問題一直備受關注，正丁醇作為一種車用可替代燃料，又因其能量含量高、揮發(fā)性低、親水性比乙醇低而受到更多的關注，正丁醇的生物合成涉及phaJ、ter、adhE2、phaA和phaB5個基因。Bai等[46]將正丁醇合成的相關基因轉化到沼澤紅假單胞菌TIE-1中，菌株TIE-1可以利用不同的碳源(有機酸、CO2)、氮源(NH4+、N2)和電子源[H2、Fe(II)、固定電極]合成正丁醇，并且發(fā)現(xiàn)固氮途徑缺失突變體內(nèi)還原力強，合成更多的正丁醇。相反，乙酰輔酶A消耗途徑缺失突變體內(nèi)還原力降低，導致正丁醇產(chǎn)量下降。

5 總結和展望

沼澤紅假單胞菌作為地球上比較古老的微生物之一，其表現(xiàn)出多樣化的生理遺傳性和獨特的代謝特征。研究至今，沼澤紅假單胞菌在水質(zhì)凈化、植物促生、土壤治理、生產(chǎn)清潔能源等方面都能發(fā)揮作用。今后對于沼澤紅假單胞菌的研究可能集中在以下幾個方面：

(1)農(nóng)業(yè)方面。沼澤紅假單胞菌可以通過釋放生長激素，調(diào)節(jié)相關酶的活性，來增加植物的產(chǎn)量和對不良環(huán)境的抗性。但目前沼澤紅假單胞菌產(chǎn)生的促生和抗逆的機制仍不是很明確，應結合組學分析、基因敲除等途徑，探究其在植物促生、生物防治過程中可能發(fā)揮的作用；關注沼澤紅假單胞菌與其他菌的聯(lián)合作用，通過改變菌劑之間的比例，發(fā)揮更大的作用。

(2)環(huán)境治理方面。沼澤紅假單胞菌具有多種污染物的降解能力，未來的研究應該更集中于這些物質(zhì)的降解途徑，利用液質(zhì)聯(lián)用、核磁共振、紅外分析等方法來分析降解途徑，利用酶活性分析、基因敲除等途徑來確定參與的基因。通過基因改造使菌株更加適應環(huán)境，盡可能使治理過程更加節(jié)能、高效。

(3)化工方面。沼澤紅假單胞菌具有多種化合物的生產(chǎn)能力，應該更集中于結合化學分析的方法來探究合成物質(zhì)的相關基因，利用傳統(tǒng)意義上的廢料生產(chǎn)新型綠色能源，使其生產(chǎn)方式更加高效低毒。