发光细菌

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第952页（3362字）

发光细菌是一类非致病普通细菌，在正常的生理条件下能发射出蓝绿色的可见光。

由于发出的光属于冷光，同时这种发光又可以被有毒有害物质所抑制，因而研究发光细菌的发光现象对于仿生学和环境监测都具有重要意义。

1742年，贝克(Baker)第一个提出死鱼发出的光是由活物质引起的。但直到19世纪初，科学家们才真正搞清楚这种发光现象是由细菌引起的。

此后，人们对发光细菌进行过广泛研究。20世纪70年代以来，在分类学方面采用现代科学技术进行分类；在生理学方面，对发光细菌的营养、生长和发光的关系、光反应与呼吸链的关系、萤光酶的合成与抑制等都有了比较清楚的认识；在化学方面，研究了萤光酶的结构和功能、反应机制、反应途径和中间产物；在应用方面，用发光细菌来测定环境中的有毒有害物质、评价环境污染程度。因此，对于发光细菌的研究引起许多学者的极大兴趣。

发光细菌一般呈杆状或弧状，或球杆状。菌体大小为0．5～1×1～3μ。

具鞭毛，能运动。单菌落发光明亮。

一般37℃不再发光。革兰氏染色阴性，兼性厌氧生长，好氧发光。

对盐类和盐浓度显得十分重要，NaC1，MgC1₂和CaCl₂都能促进发光细菌的生长和发光。但NaC1可以代替其它盐类。

一般最适生长盐浓度为2．3%，最适发光盐浓度为3．3%。

能利用糖类、有机酸类、醇类作碳源，多达十几种。

属于“杂食”性细菌，特别是甘油对发光细菌的生长和发光都有利。

环境因子往往影响发光细菌的生长和发光。

一般发光细菌可以在－12～40℃范围内生长和发光，最适温度为20C，30C时往往就不发光，但因种而异。发光细菌的生长和发光都需要一定的H⁺浓度值，最适生长H+浓度3．16×10^－8～10^－7mol／L，而最适发光H⁺浓度1．26×10^－7～3．16×10^－7mol／L。

细菌虽然在厌氧的条件下可以生长，但不能发光。

因为发光细菌的发光过程是绝对需氧的。

因而可以利用这一特点来测定微量氧气。

在早期的发光细菌的分类研究中，一度曾出现非常混乱的现象。

1971年，亨德里(Hendrie)对当时已经分得的发光细菌进行较为详细研究，将其分为5个种。1980年，鲍曼(P．Baumann)等应用分子生物学技术，如DNA／DNA杂交、免疫学试验、数值分析等分类技术，提出一个新的分类系统，并得到多数研究者的支持。

他把已命名的发光细菌定为10个种(Species)，分别属于弧菌属、发光杆菌属、另单孢菌属和异短杆菌属4个属。

大多数为海水型，仅有两个种为淡水型。值得注意的是，1981年杨颐康等从中国沿海水域已分离到6种发光细菌，其中东方弧菌为我国独有的新种。

发光细菌的主要栖息地是海洋环境，少数生活于陆生环境。

根据它们的生活习性，可分为寄生型的、腐生型的、共生型的和自由生活型的。在海洋动物的体表、内脏、发光器官中，海水和海泥中，都可分离到发光细菌。

发光细菌在适当的条件下能发出蓝绿色的光。20世纪50年代就已经知道细菌发光需要萤光酶、还原性黄素单核苷酸、氧分子和八碳以上的长链脂肪醛等参与。

1963年，黑斯廷斯(J．W．Hastings)通过大量研究资料，提出发光细菌发光的反应过程。

从反应历程看，还原型的黄素单核苷酸与萤光酶反应的结果形成萤光酶——FMNH₂复合物——称作中间产物Ⅰ。

这种物质已经被分离获得。中间产物1很快与分子氧反应形成中间产物Ⅱ。

这种物质在低温条件(－20C)下用柱层析的方法已经被提纯和研究。中间产物Ⅱ在有醛存在的条件下连续产生中间产物Ⅲ，处于激发态的产物Ⅳ在一定条件下转变成普通态，于是就产生光。

几种主要类群的发光细菌的萤光酶都已被分离、纯化和研究。萤光酶是一种糖蛋白，在结构上十分相似，是一个二聚体，由两个不同的α亚基和β亚基组成，不含金属辅基。1969年，黑斯廷斯等研究了哈维氏弧菌的萤光酶，它是一个分子量为79000d的杂合分子，其中α亚基为42000d，β亚基为37000d。在5M尿素中用DEAE－Sephadex柱层析可以把两个亚基分离开来，并证明任何单个亚基都没有生物活性。

但在适当的条件下把两个亚基结合起来，又可恢复成有活性的分子，而且萤光酶的催化中心在α亚基上而不是在β亚基上。

1982年，贝拉斯(R．Belas)等采用基因工程的方法分离到费氏弧菌编码萤光酶两个亚基的基因LuxA和LuxB，并在大肠杆菌(E．coli)中得到表达。1983年，恩杰布伦特(J．Engebrecht)等从费氏弧菌的基因组中分离出发光系统的全部基因的DNA片段(16kb)。进一步的研究资料表明，发光细菌的发光系统共受7个基因控制，其中两个基因为萤光酶两个亚基编码，3个基因为发光反应所需长链脂肪醛的酶编码，另有两个基因为调节基因。

以发光细菌萤光酶基因作指示基因，已成功地用于研究真核生物基因的表达。

发光细菌发出的光为蓝绿色的可见光，其频谱范围约在400～650nm之间，最大发射波长(λmax)在480～490nm，而且在体内发光和体外发光基本是一致的。

发光细菌的发光现象是细菌正常新陈代谢的结果，当细菌接触到某些有毒有害物质时，就会影响或干扰细菌的发光能力，使发光强度下降。因此，可以根据发光细菌的发光强度的变化来测定毒物浓度，如测定重金属离子、农药、酚、氰化物等有机化合物或无机化合物；测定空气中的有毒气体；综合评价生活污水和工业废水对环境的污染程度。

在医药卫生方面测定抗生素效价，测定血清的杀菌活性，测定致突变物质。还可以利用发光细菌的无细胞体系测定FMN、RCHO、NADH，测定脱氢酶类以及与葡萄糖、乳糖等代谢有关酶类的活性。

在世界范围内的海域和陆生环境中虽然已分离鉴定了10种发光细菌，但还有许多海域的发光细菌资源并没有作全面深入调查，尤其是陆生环境的细菌，到目前只发现两个种。因此，发光细菌的分类工作仍需进一步研究。发光细菌所发射的光为冷光，这为仿生学研究提供了线索，在这方面深入研究还较少。发光细菌萤光酶的分子生物学和基因工程研究已经取得一定成绩，但如何把萤光酶基因作为指示基因，以发光作指标用于基因工程研究，作为同位素和生物素探针的补充还需进一步做工作。发光细菌已经广泛地用于环境监测，但如何以发光细菌为指示菌建立环境监测的标准，以代替鱼的急性毒性试验．还需做大量的工作。

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【参考文献】：

1 Hendrie，et al．J Gen Microbial．1970，64∶151～169

2 Hastings J W，Nealson K M．Ann Rev Microbial．1977，31∶549～595

3 Belas R，et al．Sctence，1982，218(19)∶791～793

4 杨颐康，等．海洋和湖沼，1984，15(3)∶258～264

5 Roman P Legocki，et al．Proc Natl Acad Sci．USA：1986．83∶9080～9084

6 吴自荣，等．中国环境科学，1987，7(2)∶60～63．

7 吴自荣，等．中国环境科学，1988，8(1)∶59～63

(华东师范大学吴自荣高级工程师撰)