好氧不产氧光合异养细菌定量方法研究

好氧不产氧光合异养细菌(AAPB)生态功能的发现, 使人们认识到AAPB可能在全球碳循环中占有重要地位. 本文研究发现, 目前对AAPB定量所用的荧光显微-红外摄像(EFM-IRP)技术, 由于同时将聚球藻计数在内, 造成对AAPB定量的明显误差. 这种误差在我国近海可高达约30%, 而在大洋则更高. 这将影响到基于EFM-IRP的数据对全球AAPB生物量估计及其碳循环中的作用等方面的结论或推论. 本文提出了解决方案.     

光合作用放氧反应

光合作用放氧中心(OEC)是植物光系统II(PSII)中利用太阳能高效、安全地将水氧化,释放出电子、质子和氧气的生物催化剂。OEC的合成、结构和催化机理及其仿生模拟一直是光合领域广受关注的研究热点和难点。近年PSII高分辨率晶体结构研究揭示出OEC是一个特殊的Mn₄CaO₅ 簇合物,这一重要进展使人类可以在原子水平上探讨光合放氧反应的微观机理,同时也为OEC的人工合成提供了重要依据。我们近年来成功合成出结构和理化性能均与生物OEC类似的系列仿生Mn₄CaO₄簇合物,为研究OEC的微观机理提供了理想的化学模型,同时也为发展高效、廉价人工光合作用水裂解催化剂奠定了基础。目前无论是自然光合放氧研究,还是人工光合放氧研究都有大量重要的科学问题亟待深入研究。     

光合细菌

光合作用是地球上最重要、规模最大的生物化学过程,通过这个过程,光合生物把太阳能转化成细胞合成所必需的化学能。除了绿色植物能进行光合作用外,还有许多原核生物也能进行光合作用。在漫长的生物进化过程中,很早就出现了这些能利用太阳光作为能源的原核生物,根据它们在光合作用中能否释放氧,可以把它们分为两个大类。第一类群原核生物在光合作用中不释放氧,光合细菌就属于这一类群。第二类群原核生物与绿色植物相似,在光合作用中能释放氧,蓝绿细菌     

变形菌视紫质—海洋光能生物利用的新途径

海洋环境基因组研究的突破揭示出海洋细菌中存在可利用光能的视紫质――变形菌视紫质(PR). 基因及其蛋白序列分析和激光诱导光解实验等证明PR属于质子泵型视紫质, PR将光能转化成细胞膜内外质子梯度化学势能, 并用于合成ATP. PR的发现揭示了海洋中存在与依赖于叶绿素进行光合作用完全不同的光能生物利用的新途径. 已有研究表明PR细菌是地球上最丰富的生物之一. 表层海水中PR细菌约占总细菌数量的13%, 而每个细胞中PR的平均分子数约为2.5×10⁴个. 显然, PR在海洋能量代谢以及碳循环中的作用不可忽视. 基于对国外研究的认识和我们对中国海PR研究的结果, 提出了海洋生态系统中的包括光合色素途径和非光合色素途径的能流和碳循环模型.     

坛紫菜光合作用对重碳酸盐的利用

为了探讨坛紫菜（Porphyra haitanensis)在海水中进行光合作用时的无机碳源，对其叶状体的碳酸酐酶（CA）和光合放氧特性进行了测定。CA在坛紫菜的细胞外和细胞内都有酶活性。在ph8.2或10.0的海水中，CA抑制剂乙酰唑磺胺（acetazolamide,AZ)或已氧苯并噻唑磺胺（6－ethoxyzolamide,EZ)对坛紫菜光合放氧速率有强烈的抑制作用，且EZ比AZ抑制作用更大。在pH8.2海水中观测的光合放氧速率远大于海水中HCO3^-离子的理论脱水速率。另外，坛紫菜具有很高的pH补偿点（9.9)。这些结果表明，坛紫菜利用HCO3^-作为光合作用时的碳源，其机制主要是胞外CA催化的HCO3^-脱水作用。海水中的无机碳组成能充分地满足坛紫菜的光合作用，其低的Km值及低的无机碳补偿点表明坛紫菜具有浓缩碳的作用。     

海洋蓝细菌与异养细菌相互作用:以原绿球藻为例

蓝细菌(cyanobacteria)是海洋最主要的初级生产者,贡献了海洋净初级生产力的25%.海洋异养细菌具有多种代谢路径,能够吸收和利用蓝细菌的光合作用产物.海洋蓝细菌和异养细菌之间的相互作用关系影响海洋食物网、固碳和储碳,具有重要的生态效应和生物地球化学意义.原绿球藻(Prochlorococcus)作为蓝细菌的典型代表类群,是海洋中体积最小、数量最大的光合自养原核微生物.原绿球藻的基因组高度精简,从而减少了细胞复制中所需的物质和能量,同时减小了细胞体积,因此在寡营养大洋表层环境中具有竞争优势.然而,基因组减小同时使得原绿球藻单个细胞基因多样性下降,从而使其适应环境的潜能降低.因此,相比于其他蓝细菌,原绿球藻更加依赖于海洋环境中其他微生物的协助,以维持自身生存的需求.本文根据国内外近期的相关研究成果,从原绿球藻与异养细菌之间基因的互补关系和生理特性等角度,归纳了两者之间存在的互利共生、偏利共生等多种相互作用关系及其生态效应,并提出了未来的研究重点.     

好氧生物反硝化反应的实验证据

一般认为生物反硝化反应是在严格的厌氧条件下发生的．实验中发现好氧条件下某些细菌能进行反硝化反应,并对其反应机理作出了解释．     

新西兰陶波酸性火山岩氧同位素组成研究

新西兰北岛陶波(Taupo)火山岩带,位于太平洋板块俯冲于印度板块之下的印度板块一侧,是世界上最著名的第四纪酸性火山岩带之一,长约250km,宽约50km,其中95%以上的岩石为SiO_2含量大于70wt.%、含石英和长石斑晶的凝灰岩和流纹岩.该带形成于拉张构造环境,空间上呈北东向与陶波地堑的展布相吻合.由于水-岩作用的结果,表面上看来很新鲜的火山岩,其实测氧同位素组成亦可能大大偏离初始值,因而用全岩样品的实测值解释岩石成因将具有不确定性.本文首次提供了陶波火山岩带酸性火山岩中长石和石英斑晶的氧同位素数据;根据对单矿物氧同位素的研究,恢复了全岩样品的初始氧同位素组成,在此基础上探讨了岩石成因.     

海洋生物碳泵的地质演化:微生物的碳汇作用

包括生物泵(biological pump, BP)和微型生物碳泵(microbial carbon pump, MCP)在内的海洋生物碳泵,是海洋生态系统通过碳循环调节地球环境变化的关键途径之一,对宜居地球起到增氧、减碳和降温等方面的作用.总体上,人们对地质时期海洋生物碳泵了解得很少,基本是粗线条的框架性认识.生物经历了从原核生物到藻类再到多细胞动物的演化,生态系统也经历了从扁平到立体的大革新.生物圈的这些变化导致海洋生物碳泵出现阶段性的演化.总体缺氧的太古宙海洋主要以单细胞微生物为主,合成有机质的微生物个体很难沉降,但能够在海洋里形成大量的惰性溶解有机碳(recalcitrant dissolved organic carbon, RDOC), MCP的贡献比较大,而BP相对较弱.藻类在元古宙起源而加入了生物碳泵,因细胞变大而增强了BP的作用,但MCP的作用也大,在晚新元古代形成大型溶解有机碳(dissolved organic carbon, DOC)库.在整体氧化的显生宙海洋,多细胞动物虽不能固碳但却加强了BP作用.生物的这些演化导致BP的效率不断提高,使得海洋对碳循环的缓冲作...     

用氧自旋探针方法微量测定发菜光合与呼吸的氧变化

光合放氧和呼吸耗氧是光合生物的重要生理指标。藻类的这些氧变化通常可用氧电极来测定。发菜(Nostoc flagelliforme,发状念珠藻)是一种有较高经济价值的陆生蓝藻(蓝细菌)。由于对其生理学研究甚少,至今尚未能作人工养殖。通常研究藻类光合和呼吸作用     

紫色非硫光合细菌细胞色素C_3电子自旋共振(ESR)特性的研究

近十多年来,许多科学工作者仅从少数几个生物体内发现细胞色素C_3的存在,并且只对其中的硫酸还原细菌(Desulfovibrio)细胞色素C_3的生化和生理功能进行过比较深入的研究。我们在研究紫色非硫光合细菌(Rhodopseudomonas capsulata)与生物固氮有关的天然电子传递载体成员时,发现除铁氧还蛋白外,可能还涉及细胞色素C_3,为了确认Rps.capsulata细胞色素C_3的性质与功能,我们采用ESR方法研究了其氧化还原状态的顺磁性,以及变性     

TCA法去除放氧外周蛋白对PSⅡ放氧侧的影响

具有放氧活性的光系统Ⅱ(PSⅡ)膜颗粒主要由反应中心蛋白D1和D2、细胞色素b559、叶绿素结合蛋白CP47和CP43、分子量分别为17,23和33 ku的外周蛋白以及光能转换所必需的辅助因子组成.吸收光能后,放氧机构通过S_0→S_4循环转换氧化还原状态,将水分解形成分子氧.3个外周蛋白在光合氧释放过程中起着重要的作用.最近我们报道了一种新的释放PSⅡ放氧外周蛋白的方法:用不同浓度的三氯乙酸盐(TCA-NaOH)缓冲液处理PS Ⅱ膜颗粒,可以将3个外周蛋白逐一释放,这种处理同其它处理方法不同,不依赖于光照和介质pH,而且PSⅡ膜颗粒依然保持光化学活性,该方法使我们能够有特点地探讨放氧机构,如了解一个外周蛋白的逐次丢失给PSⅡ反应中心的结构带来什么样的改变以及对光能转换机制造成何种影响?本文中,我们利用Fourier变换红外光谱     

细菌视紫红质LB膜光电器件三态光电响应特性的表征与应用

存在于嗜盐菌紫膜中的唯一蛋白质——细菌视紫红质(bacteriorhodopsin,bR)具有奇特的功能:受可见光照射时,能发生光致变色并具有质子泵功能.在生物体外,bR的稳定性极好.可以利用Langmuir-Blodgett制膜技术或其它方法,在透光的载体(如导电玻璃)上形成单层和多层的bR-LB膜或化学增强膜.这种薄膜具有独特的双稳态光色互变特性、非线性光学特性和微分光电响应特性,已被用来研究构造生物分子型的光-光和光-电器件.近年来的研究结果表明,基于bR-LB膜制作的光电器件在信息传感领域有着潜在的应用前景.这方面的研究工作已经引起人们的极大关注.     

钙钛矿的氧同位素分馏

钙钛矿(CaTiO_3)是金伯利岩中的特征副矿物,偶尔可以成为主要组成矿物.它也常以副矿物形式存在于许多碱性岩和某些变质岩中.具有钙钛矿结构的硅酸盐是下地幔的重要组成矿物.因此,理解钙钛矿的氧同位素分馏性质不仅对于含这种矿物的地壳地幔岩石的地质测温和热历史探索,而且对于地幔的化学结构研究具有重要意义.然而,至今尚未有人对钙钛矿的氧同位素分馏进行深入系统的研究.仅加拿大的Gautason等对方解石-钙钛矿之间的氧同位素分馏做了初步实验测定.本文根据作者建立的增量方法,从理论上计算了钙钛矿的氧同位素分馏.     

海洋微藻 顶起地球半边天

正我们每一次的呼吸,其中有一半的氧气来自海洋微藻。植物的光合作用能固定太阳能、合成有机物、释放氧气,是地球上动物和其他生物赖以生存的基础。可以说,光合放氧过程是地球上最重要的化学反应。与陆地上的植物相似,海洋中也生活着一群光合放氧生物,它们就是海洋微藻。微藻的个体微小,一般只有几微米到几十微米,只有借助显微镜才能够看清楚     

氧掺杂引起的T′相铜氧化合物低温磁性反常

采用高压合成的方法对 (Eu1-xYx) 2 CuO4 和Sm2 CuO4 样品进行了氧掺杂 ,并发现了一个位于 2 9K附近新的低温磁性反常 .分析表明该反常也是铜原子磁矩的贡献 ,但有着和T′相化合物弱铁磁不同的形成机理 ,它的出现对应着由掺杂到CuO2 面上的空穴产生的铁磁性团簇 .这一结果还揭示了T′相化合物区别于p型超导材料的一个独特性质 ,即没有顶点氧存在的T′相化合物的CuO2 面只能接受极微量的空穴 ,一旦达到极限 ,不管有多少氧掺杂进物相 ,都不能在CuO2 上引入更多的空穴     

氯乙酸盐对PSII氧化侧电子传递抑制机理的研究

近年来,由于物理、化学及生物多学科间的交叉渗透,人们在本质上加深了对光合作用反应中心结构和功能的了解,同时推动了人工模拟光合作用的研究.尽管人们对绿色植物光系统II反应中心(PSII)的认识已相当深刻,但在反应机制上仍有许多问题有待探索.在关于负离子抑制PSII电子传递的研究中,我们曾发现一卤乙酸盐抑制电子传递的程度与分子的疏水性有关.本文进一步报道氯乙酸盐在PSII氧化侧有一重要抑制位置.它们对PSII电子传递的抑制程度与乙酸分子上氢被氯替代的数目、分子的疏水性及分子几何模型具有相关性.本工作有助于光合放氧机理的进一步研究.     

苜蓿根瘤菌四碳二羧酸运输系统(Dct)的诱导表达与氧浓度相关

研究了苜蓿根瘤菌Dct系统在大肠杆菌内受琥珀酸诱导表达与环境中氧浓度的关系. 将携带Dct系统的大肠杆菌DH5a菌株培养于含0.6%琼脂的M63限制培养基的试管内, 发现报告基因受琥珀酸诱导表达产生的蓝色条带出现在琼脂表面以下某一深度, 而不在琼脂表面, 表明Dct系统的表达在某个特定的氧浓度下有最大值. 随后将该菌株转入一系列不同氧浓度的密闭瓶内测定其受琥珀酸诱导表达的b-半乳糖苷酶活性, 结果表明当氧浓度为2%时, Dct系统的活性较氧浓度为21%的大气中的活性高出约1倍, 由此推测Dct系统不仅能感受四碳二羧酸的信号, 同时还具有感受氧浓度的新的功能.     

CO2稳定的双相混合导体透氧膜材料的研究进展

混合导体透氧膜在高温条件下(特别是温度高于700℃)是一种同时具有氧离子和电子混合传导性能的无机致密陶瓷膜.由于此类膜材料在中高温条件下不仅可以清洁、高效、经济地从空气或者其他含氧气氛中高选择性地分离氧气,同时还具有一定的催化活性,所以这类氧离子和电子混合传导膜在纯氧制备、燃料电池、甲烷部分氧化制合成气、富氧燃烧等方面有着巨大的应用潜力,相关研究也成为材料及化工等领域研究学者关注的焦点.为了找到既具有高透氧性能又具有优异稳定性能的透氧膜材料,研究人员做了大量的工作和努力.本文对近年来CO_2稳定的双相混合导体透氧膜材料的研究进展进行系统的综述,简单介绍了双相混合导体透氧膜的透氧机理,分析了双相透氧膜材料的制备方法、几何形状、烧结温度以及组成成分等对透氧性能及稳定性的影响,介绍了双相混合导体透氧膜膜反应器在甲烷部分氧化制备合成气、耦合反应、水分解及富氧燃烧中的应用.最后分析了目前存在的科学问题,并对CO_2稳定的双相混合导体透氧膜材料未来的发展进行了展望.     

营养盐对泰来草光合无机碳利用方式的影响

海草光合无机碳利用策略的研究有助于揭示其生态适应机理.然而,目前有关营养盐对海草光合无机碳利用策略的影响方式尚不清楚,亟待开展研究.本研究选取两个受不同程度人类活动影响且环境营养盐差异较大的热带典型海草床(海南岛潭门和西沙永兴岛海域),结合氧电极技术、叶绿素荧光技术和非损伤微测技术,对比探讨海草优势种泰来草(Thalassia hemprichii)光合无机碳利用方式的异同.研究发现,在添加碳酸酐酶抑制剂乙酰唑胺(acetazolamide, AZ)和乙氧苯噻唑胺(6-ethoxyzolamide, EZ)后,潭门海域泰来草光合放氧速率显著降低,但AZ和EZ的抑制差异不大,表明其主要通过胞外碳酸酐酶的作用吸收HCO₃^-;同时添加碱性缓冲液三氨基甲烷盐酸盐(hydroxymethyl, Tris),对潭门泰来草光合放氧的抑制率高达100%,且最大相对电子传递速率和H⁺内流速率降低,表明其存在H⁺/HCO₃^-协同转运方式.然而,在添加AZ和EZ后,西沙永兴岛泰...