鞘氨醇單胞菌

鞘氨醇單胞菌屬是一類豐富的新型微生物資源，可用於芳香化合物的生物降解。該屬菌株憑藉自身的高代謝能力與多功能的生理特性，在環境保護及工業生產方面具有巨大的套用潛力。但是由於對鞘氨醇單胞菌的認識較晚，該菌的生態價值及經濟價值很少被關注，對其的研究也停留在初級階段。

基本介紹

• 中文名：鞘氨醇單胞菌
• 發現時間：1990
• 提出者：Yabuuchi 
• 類別：新型微生物資源

基本特徵

1990 年日本學者Yabuuchi 等首次提出鞘氨醇單胞菌屬，將Holmes 等1977 年從醫院臨床樣本中分離描述的Pseudomonas paucimobilis菌種重新命名為Sphingomonas paucimobilis，且鑑定其為鞘氨醇單胞菌屬的典型菌種，並描述了該屬的生理生化特性。Takeuchi 等於1993 年對此作了修正。根據16S rRNA 序列比較，鞘氨醇單胞菌屬於變形細菌的4 亞類。該屬的菌株均為革蘭氏陰性菌，無孢子，以單側生極性鞭毛運動，多呈黃色，專性需氧且能產生過氧化氫酶．除開菊粉外，鞘氨醇單胞菌可將戊糖、己糖及二糖轉變成酸。菌體內主要的呼吸鏈為泛醌Q-10，細胞脂中的脂肪酸以18：1和2OH14：0為主．DNA的G+C含量在61．6% -67．8%之間。細胞膜內的糖鞘脂成分是鞘氨醇單胞菌，這是區別於其它典型革蘭氏陰性菌的重要特徵。

由於鞘氨醇單胞菌對芳香化合物有極為廣泛的代謝能力，並且該菌屬某些菌種能夠合成有價值的胞外生物高聚物。因此，鞘氨醇單胞菌近年來成為被關注和研究的熱點。

研究進展

降解特性

鞘氨醇單胞菌在環境中無處不在，河水、根際、地表及深層的地下的沉積物、海洋，甚至極地土壤中都有它們的蹤跡。大量的已經從環境中分離出來。鞘氨醇單胞菌的降解特性型生物質聚合體等的降解都有相關。在多環芳烴(PAHs)及六六六(HCH)異構體的降解方面，鞘氨醇單胞菌有著獨特的優勢。S．yanoikuyaeB1菌株可以降解單環芳烴、聯苯、取代芳香化合物及PAHs，是鞘氨醇單胞菌屬的模式菌株．B1菌株代謝單環芳烴，如二甲苯與甲苯是採取TOL一質粒代謝途徑；苯甲酸則通過meta一斷裂途徑代謝生成乙醛和丙酮酸鹽，如圖1所示。儘管很多微生物都可以降解HCH的異構體—HCH，但是只有S．japonicum UT26對·HCH的降解途徑研究最為詳細。 —HCH降解的最重要的步驟為脫氯反應，如圖2所示：．y—HCH降解成2，5-二氯對苯二酚(2，5-DCHQ)涉及到上游途徑，2，5-二氯對苯二酚的繼續降解屬於下游途徑。此外，鞘氨醇單胞

菌還能夠降解蒽醌染料及其中間體。

分類學研究

隨著微生物群落解析技術的發展，鞘氨醇單胞菌的分類學研究也經歷了3個階段。第一階段是利用傳統的培養分離方法，即通過形態學、培養及生理生化特徵的比較來鑑定分類鞘氨醇單胞菌。但是，由於鞘氨醇單胞菌的表型特徵與其它菌種的相似性，很容易被誤歸屬於其他菌屬，因此該法逐漸被第二階段的生物標記物分類法所取代。生物標記物分類法是通過提取微生物特有的化學成分(即生物標記物)，經定性定量分析來確定微生物歸屬的分類方法。根據鞘氨醇單胞菌的自身特徵，逐漸形成了幾種獨特的生物標記物分類方法，即：顏色分析，呼吸醌系統分析，聚胺模式分析以及極脂和脂肪酸外形分析。

顏色分析

鞘氨醇單胞菌屬的大多數菌株都呈黃色，這種色素用丙酮極易提取，通常在452 nm與480 nm處有特徵吸收峰。S．paucimobilis的黃色色素被鑑定為nostoxan—thin．相比之下，S．yanoikuyae菌株含有更少的色素，RW1與Alcaligenes sp．A175菌株不含色素。近年來，研究者也分離出一些橙色的鞘氨醇單胞菌。因此，黃色不能作為鞘氨醇單胞菌屬特有的特徵，應該與其它分析方法結合使用。

呼吸醌系統分析

呼吸醌是細胞膜中起電子傳遞作用的組成成分，主要有兩類呼吸醌：泛醌(輔醌Q)及甲基萘醌(維生素K)。每一種微生物都含有一種占優勢的醌，對鞘氨醇單胞菌屬物種的呼吸醌系統分析發現：它們均含側鏈上有10個類異戊二烯基團的泛醌Q．10．雖然這個特徵並不局限於鞘

氨醇單胞菌，在變形細菌僅亞綱的大多數菌種中也含有，但是從鞘氨醇單胞菌屬呼吸醌系統的同源性來看，可能所有的鞘屬成員均含有泛醌Q一10 。

聚胺模式及極脂、脂肪酸外形分析

在鞘氨醇單胞菌屬中，已觀察到兩種主要的聚胺模式：一種模式是含有大量的三胺合亞精胺及少量可變的腐胺、亞精胺以及精胺；在第二種模式中主要的聚胺為三胺亞精胺和少量的腐胺與精胺。這兩種模式把鞘氨醇單胞菌屬分成了兩大類，第一種模式只存在於Cluster I及RW1與A175菌株中，第二種模式存在於剩餘的菌株中(圖3)。極脂和脂肪酸外形分析表明：所有的鞘氨醇單胞菌的極脂中均含有磷脂醯乙醇胺(PE)、磷脂醯甘油(PG)、雙磷脂醯甘油(DPG)和神經鞘糖脂(SGL)。細胞脂中的脂肪酸以18：1和20H14：0為主。Busse等研究發現，聚胺模式與醌系統的分析僅適用於鞘屬菌株的初步鑑定，相比之下，極脂和脂肪酸外形的分析對於建立在檢測鞘氨醇糖脂類物質親屬80%水平上的鑑定是一種較好的方法．通常，當這兩類方法結合使用時就可以從物種水平上鑑定鞘氨醇單胞菌。

但是生物標記物分類方法仍然存在一定的局限性，隨著分子生物學的發展，現代分子生物學分類法逐步成熟，鞘氨醇單胞菌的分類學研究進入了第三階段．因此，根據鞘氨醇單胞菌屬及一些一變形細菌物種的16S rRNA序列的比較，鞘氨醇單胞菌屬的物種至少可以分為4個簇。

降解酶與基因的研究

芳香化合物的好氧降解途徑中，芳環羥化雙加氧酶與斷裂雙加氧酶被認為是最關鍵的酶，它們關係到化合物的可降解性與可降解程度。Gibson等副研究認為，雙加氧酶是多組分且依賴於NADH的酶系，由Fe—S黃素蛋白、鐵氧還原蛋白及Rieske型Fe—S氧化酶三部分組成。

對細菌中有關多環芳烴(PAHs)降解的基因，研究最多的是降解萘與菲的假單胞菌的基因。利用萘或菲的不同菌屬及菌種的PAHs降解基因間，常常有較高的同源性，尤其是那些編碼雙加氧酶組分的基因．由於鞘氨醇單胞菌能同時利用高分子量及低分子量的芳香化合物，因此，近年來被認為是一類具有代謝多樣性的微生物資源。對降解PAHs的鞘氨醇單胞菌的遺傳學進行研究，可以更好地解釋鞘氨醇單胞菌能夠在各種芳香化合物中生長的原因。在一些鞘氨醇單胞菌中，與PAHs降解有關的基因的序列明顯的相似，但是這些基因不同於先前描述的假單胞菌中的基因。利用S．yanoikuyaeB1菌株的PAHs缺失突變株協助基因鑑定，發現幾個突變株累積了二氫二醇且脫氫酶基因的表達受到阻礙．兩種類型的間位斷裂雙加氧酶在相反的方向被轉錄，表明一個問位斷裂雙加氧酶是在上游途徑中起作用，而另一個在下游途徑起作用，這與先前報導的假單胞菌屬中萘的上下游途徑的操縱子類似。此外，在B1的染色體中發現了一個類似於假單胞菌TOL的操縱子，雖然這個基因的排列不同於TOL質粒，但是B1與假單胞菌的TOL

基因擁有高度的核酸同源性。S．aromaticivorans F199是從深層地下分離出的鞘氨醇單胞菌的典型代表，其184 kb大小的代謝質粒PNL1的序列已經獲得，大約DNA的一半序列編碼的基因用於芳族的代謝、芳族的轉運及解毒(例如：谷胱甘肽一s一轉移酶)，而另一半編碼用於質粒的複製、接合、轉移與維持 J．F199質粒DNA的基因序列和次序與Bl菌中降解PAHs操縱子上的染色體具有很大的保守性。此外，根據所推測的胺基酸序列，F199中有關芳族轉化的酶已經從假單胞菌中脫離，而且可能部分解釋鞘氨醇單胞菌的代謝多樣性．近來的遺傳學同源性研究發現，從地下土壤分離到的菌株Bl中的聯苯及間二甲苯降解的基因與5個深層地下分離菌株(F199、B0522、B0695、B0478、B0712)的基因很相似。但是，地下菌株的降解基因位於染色體上，而深層地下菌株的降解基因卻是在質粒上．有關降解高分子量PAHs的鞘氨醇單胞菌的基因很少有報導。低分子量的PAHs，如萘，能夠很容易地被細菌降解，但是更頑固的高分子PAHs，其生物降解途徑研究甚少，但是已經證明了它們的初步代謝是由雙加氧酶催化完成的。Sandrine等研究了屈降解菌S．CHY一1中有關PAHs的降解酶，對編碼兩個芳環羥化雙加氧酶(Phn I和Phn lI)的基因測序發現：兩個不同基因座上的共簇代謝基因與F199中相應的基因相似性很高，單一酶Phn I可能與CHY一1代謝PAHs的最初步驟有關。

鞘脂的研究

鞘脂是鞘氨醇與脂肪酸形成的脂，廣泛存在於哺乳動物及某些細菌與真菌的細胞膜內。目前，已經形成一些從菌體中提純鞘脂的較為成熟的方法．鞘氨醇單胞菌含有不同尋常的包膜，即在外膜中不存在其它革蘭氏陰性菌中的脂多糖，而是存在糖脂類物質．研究發現這些糖脂是由二氫鞘氨醇、2一羥基脂肪酸和葡萄糖醛酸組成，鞘氨醇單胞菌也由此而得名。後來通過核磁共振波譜及化學分析最終證明了這種糖脂是一種鞘糖脂，其結構如圖4所示。由於鞘氨醇極易水解的特性加大了其檢測難度，有學者曾通過改進的分析純化方法檢測到了鞘糖脂組分的化學結構，並探明所有的鞘菌屬中鞘糖脂-1(C-SL-1)是外膜結構的主要成分。

此外，Kawahara等研究了少動鞘氨醇單胞菌(s pauci—mobilis)的細胞膜結構及其鞘糖脂的功能．結果發現：由於鞘氨醇單胞菌不同於其它革蘭氏陰性菌的細胞膜的特徵，其形成的疏水表面更益於這些細菌在生態環境中的存活及芳香化物的攝取。更有研究指出，儘管脂多

糖與鞘糖脂在細節上有所不同，但是作為抗原表面結構及外膜結構的組成部分它們的功能基本相似。由於鞘脂的含量在菌屬及菌種之間是不同的，因此該組分也作為生物標記物輔助其它方法用於鑑定和分類鞘氨醇單胞菌。

產生物高聚物的研究

許多細菌細胞表面能產生多糖，它們或者吸附在細胞膜表面作為脂多糖(LPS)的O-抗原，或者在細胞周圍形成莢膜，又或者作為胞外多糖(EPS)完全分泌出去．微生物的EPS是一種長鏈的高分子聚合物，其獨特的物理學和流變學特性以及使用安全性使它在食品和其它工業中倍受青睞。鞘氨醇單胞菌因能產生胞外生物高聚物而被廣泛關注。據報導，有些少動鞘氨醇單胞菌能夠產生結凍膠類胞外多糖。結凍膠憑藉自身的酸穩定性及結構的多樣性可以取代瓊脂並被廣泛套用於食品及生產工業中。目前的研究工作主要集中在如何提高結凍膠的產量並實現工業化生產。研究表明，Xanthomonas campestris菌種能產生另一種重要的胞外聚合物——黃原膠，同時找到了編碼該反應的12個共簇染色體基因。Pollock等利用基因重組技術將這些基因植入鞘氨醇單胞菌體中實現了黃原膠在鞘屬菌內的合成，這些黃原膠在結構及功能上與天然黃原膠並無太大區別。以上研究證明，通過細菌間基因的相互轉移就可以實現胞外聚合物的生產，同時也表明在非宿主中合成黃原膠及其他胞外聚合物的技術可行性。

結論與展望

芳香化合物是環境中的常見污染物，利用生物方法去除這類污染物是較有前景的手段．鞘氨醇單胞菌的廣泛分布、其對複雜結構的難降解芳香化合物的特異作用，以及在生物聚合物的生產方面的優越性使其受到越來越多的關注。但是由於對其認識較晚，目前對鞘氨醇單胞菌的研究多數停留在初級階段，目前主要的報導多集中在該菌屬菌株的分離，降解途經、降解條件最佳化以及降解產物的分析等方面，而芳香化合物降解的酶系及相關基因的涉及仍然較少，尤其是高分子量芳香化合物的降解基因。結合國際相關研究，以下幾個方面仍有待於今後進一步探討。

(1)胞外聚合物的生產中，脫去膠中的蛋白是純化膠類聚合物的技術阻礙，現常用的Sevag法、鹼性蛋白酶法、木瓜蛋白酶與中性蛋白酶法各有一定的局限性．因此，開發高效的脫蛋白方法可確保聚合膠的質量，同時尋找鞘氨醇單胞菌生產聚合膠的功能基因，並表達以實現大規模生產；

(2)作為鞘氨醇單胞菌的重要特徵組成——鞘脂在污染物代謝方面的生理意義有待研究；

(3)鞘氨醇單胞菌在生物降解過程中相關功能基因的克隆、表達，利用生物技術手段構建高效的遺傳工程菌並套用於環境污染的治理。此外，有些少動鞘氨醇單胞菌的會引起布水管道腐蝕及作為感染植物病原體的現象都應引起研究者的關注。隨著對該菌屬生理生態潛能的深入研究，鞘氨醇單胞菌將有著廣闊的套用前景。