王永迪，汪春蕾

(东北林业大学生命科学学院，黑龙江哈尔滨 150040)

沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonaspalustris)属于不产氧的光合细菌，为紫色非硫细菌，属于红螺菌科，红假单胞菌属，是研究光合磷酸化、固氮调节、产氢以及厌氧降解芳香族化合物的模式生物。沼泽红假单胞菌具有多种营养类型，如进行厌氧光能自养、厌氧光能异养和好氧异养生长，它可以适应多种环境条件。沼泽红假单胞菌寄主广泛，目前已知该菌可以定殖在水稻、烟草、大豆等多种植物上。沼泽红假单胞菌能够合成促进植物生长的物质如吲哚乙酸(IAA)、5-氨基乙酰丙酸(5-ALA)，通过固氮作用合成NH4+，在缺铁状态下诱导产生铁载体[1]，并能在胁迫条件下诱导植物合成抗氧化酶，如过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽还原酶和超氧化物歧化酶(SOD)等。

沼泽红假单胞菌对Al3+、Fe3+和Cd2+等重金属离子具有很明显的抗性和去除能力，并且对难降解的污染物有比较好的降解能力[2-3]。该菌能够产生多种化合物，在生物防治、医疗健康、化工生产、环境治理等方面有较为广泛的应用潜力。沼泽红假单胞菌能够利用碳酸氢钠、醋酸钠、葡萄糖和纤维素等多种碳源，进行生长和繁殖，这一性状为科学研究提供了极大的便利。目前，沼泽红假单胞菌仍然是国内外学者重要的研究内容之一，在其与植物互作，固定重金属，生产清洁能源等方面取得显著成果，因此，有必要对现有结果进行整理和总结，为今后研究工作的开展提供参考。

1 农业方面的应用

沼泽红假单胞菌在农业上能够通过生物固氮、磷酸盐溶解[4]、植物激素与生长调节剂合成、抗生物质合成、植物免疫诱导、重金属固定等途径，在植物营养、促生、抗逆、病害防控等方面起重要的作用。

沼泽红假单胞菌是一种紫色非硫光合细菌，它能定殖在水稻、烟草[5]和白菜等植物体内，能够释放IAA和5-ALA等促生物质，促进细胞分裂，抑制病原菌的活性，影响土壤中菌群的组成。在对白菜的研究中发现，沼泽红假单胞菌PS3可以促进硝酸盐的吸收，提高了白菜的产量。在接种了菌株PS3的叶片中，内源IAA和细胞分裂率明显提高，同时发现菌株PS3中IAA合成相关基因mao的表达量没有明显升高，从而推断叶片中IAA含量的升高是由于菌株PS3诱导的[6]。水稻是目前主要的粮食作物之一，NaCl、重金属和病源真菌胁迫等都是水稻减产的关键因素，如何提高水稻产量和水稻抗病性仍然是目前的重点研究内容之一。在水稻的研究中发现，沼泽红假单胞菌和枯草芽孢杆菌共接种对水稻产量有协同效应，接种对土壤细菌群落结构有明显的影响，对丰度低的群落影响更大[7-9]。沼泽红假单胞菌TN110能够释放5-ALA和IAA来促进水稻的生长，并且菌株TN110的接种使稻田中甲烷排放量减少80%以上[10-11]。沼泽红假单胞菌KTSSR54的胞外多聚物(EPS)、脂肽和光色素对3种水稻病原菌(稻曲霉菌NPT0508、新月弯孢霉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]。在沼泽红假单胞菌PSB06培养液中发现的ATP合成酶亚基Atp2蛋白，能够显著抑制稻瘟病菌的附着，从而影响稻瘟病菌对水稻的侵染[13]。沼泽红假单胞菌ISP-1接种花生植株5年后，显著促进花生种子对氮素的吸收，提高了蛋白质的含量，从而使花生总产量提高了12.5%[14]。四溴双酚A(TBBPA)是世界上用量最大、产量最大的溴化阻燃化合物，TBBPA对植物的胁迫会导致活性氧(ROS)的产生，从而损害植物细胞的蛋白质、核酸和色素。沼泽红假单胞菌RP11通过溶磷溶钾并释放IAA和5-ALA来促进大豆幼苗的生长，其根长、类胡萝卜素、可溶性糖和可溶性蛋白的含量都有显著性提高。同时，可溶性蛋白和可溶性糖含量的增加提高了大豆幼苗对TBBPA的抗性[15]。

NaCl胁迫显著降低植物的总叶绿素含量，增加植物体内过氧化氢(H2O2)的浓度。5-ALA施加显著提高了叶片总叶绿素含量，提高了过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APx)、谷胱甘肽还原酶(GR)和超氧化物歧化酶(SOD)的抗氧化活性。沼泽红假单胞菌TN114可以通过分泌EPS，使菌株TN114能够在高浓度的NaCl中存活[16]。另外，菌株TN114可以释放5-ALA，促进盐碱地水稻的生长，其成本可能比商品5-ALA更低[17]。在砷(As)胁迫状态下，沼泽红假单胞菌C1和苯甲酸红假单胞菌C31混合接种水稻，通过释放5-ALA、IAA、EPS和铁载体，来增加水稻中类胡萝卜素、一氧化氮、叶绿素a和叶绿素b的含量，提高SOD、APx、CAT和GR的活性，减轻As对水稻的胁迫，从而促进水稻的生长[18-19]。镉(Cd)在水稻中的积累及其向食物链的转移已成为世界性的重大环境问题。镉污染会导致植物生长缓慢，对活体的毒性高。有效的Cd固定化和减少水稻籽粒对Cd的吸收是将其毒性降到最低的有效策略。在Cd胁迫状态下，沼泽红假单胞菌和枯草芽孢杆菌联合使用，能够影响植株不同部位对Cd的吸收能力，根、茎、叶的转运过程受到抑制，降低了Cd在水稻籽粒中的积累，能够提高土壤中脲酶、过氧化氢酶和碱性磷酸酶活性，提高土壤肥力，促进植株的生长[20-21]。

2 养殖方面的应用

作为光合细菌的一员，沼泽红假单胞菌具有非凡的代谢多功能性，已成为饲料工业中潜在的益生菌之一。沼泽红假单胞菌作为饲料，通过改变动物肠道菌群结构，促进肠道益生菌的生长；通过改善水质来增强水生动物的抗病性，提高养殖动物的产量。在奶牛的养殖过程中，通过在奶牛饲料中添加沼泽红假单胞菌和地衣芽孢杆菌菌剂，显著提高奶牛的生产性状、日采食量、产奶量和饲料的转化率[22]。在奶牛饲料中添加沼泽红假单胞菌菌剂，体外瘤胃培养48 h后，干物质消失、累积产气量和总挥发性脂肪酸(VFAs)都有明显提高。沼泽红假单胞菌的添加可以增加微生物蛋白质合成量和总VFAs产量，改变发酵系统的发酵气体组成，来维持微生物平衡的厌氧环境，有利于厌氧微生物生长和饲料的转化[23]。在对皱纹鲍的研究中，在饲料中添加沼泽红假单胞菌可以通过提高SOD、CAT、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、碱性磷酸酶(AKP)、酸性磷酸酶(ACP)和酚氧化酶(PO)的活性，显著提高幼鲍存活率、壳长生长率、体重生长率、饲料转化效率和蛋白质合成效率[24]。传统饵料和药剂在淡水养殖中的应用加剧了环境污染，导致水生动物疾病频发。用沼泽红假单胞菌处理后的大豆加工废水培养瓦氏黄颡鱼，其乙酸激酶调控基因(ack)、acp、sod和cat表达上调，蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、AKP、ACP、吞噬细胞、SOD和CAT的活性增强，提高了瓦氏黄颡鱼的产量和抗病性[25]。在草鱼饲料中添加沼泽红假单胞菌R-3，提高了草鱼中SOD、CAT活性，降低MDA含量、养殖水体中的氨氮、亚硝酸盐含量来改善养殖水质，提高草鱼免疫能力和成活率，促进草鱼生长[26]。

3 环境修复方面的应用

沼泽红假单胞菌具有较高的氨氮去除能力，并吸附、降解废水中的污染物，包括染料、氯代苯甲酸和1，2，5，6，9，10-六溴环十二烷(HBCD)等污染物。沼泽红假单胞菌51ATA通过吸附废水中的偶氮染料耐晒黑K盐使其脱色[27]。沼泽红假单胞菌PSB1对废水中氨氮的降解率可达99%[28]。氯代苯甲酸(CBAs)是一种由氯化物分解而产生的环境污染物。沼泽红假单胞菌RCB100通过将3-氯苯甲酸(3-CBA)转化为3-氯苯甲酰辅酶A和将其还原脱卤生成苯甲酰辅酶A 2种途径来降解3-CBA[29]。沼泽红假单胞菌ysc3诱导了HBCD降解关键酶卤酸脱卤酶、谷胱甘肽-S-转移酶、细胞色素P450、水解酶和双加氧酶等的表达，通过好氧羟基化和厌氧脱溴的途径，使HBCD降解[30]。

沼泽红假单胞菌对Al3+、Fe3+和Cd2+等重金属离子都具有良好的耐受性。沼泽红假单胞菌TN110对Cd2+和Zn2+的去除率分别为84%和55%[10]。菌株TN110可以通过生物合成CdS纳米颗粒来修复镉污染的土壤[31]。砷(As)是最广泛的环境致癌物之一，目前可以通过生物膜形成，氧化还原，As生物甲基化，合成谷胱甘肽(GSH)、甲钴胺(维生素B12)和S-腺苷甲硫氨酸(SAM)等机制来对土壤中As进行微生物修复[32]。沼泽红假单胞菌CS2具有将As(V)还原为As(III)的能力，而抗砷和解毒的基因表达是由一个Ars操纵子控制的，所以抗砷和解毒的能力往往同时存在[19]。

4 化工方面的应用

能源和环境问题一直是当今世界的热点问题，如何生产更加绿色的能源一直备受关注。沼泽红假单胞菌因其具有利用CO2、有机酸、木质纤维素等多种碳源，合成氢气、聚-β-羟丁酸(PHB)、正丁醇等多种化合物的能力而被广泛应用于此。

4.1 产氢氢作为一种清洁能源已被广泛重视，并普遍作为燃料电池的动力源，然而制取氢气的传统方法成本高，技术复杂。为了可持续生物产氢，需要寻求更广泛的光发酵底物原料。目前研究发现青贮玉米和麦麸[33]的发酵废水是较为良好的光发酵底物之一。木质纤维素产氢是一种很有前途的生产可持续能源的方式，但木质纤维素水解物中的酚类化合物、有机酸和呋喃衍生物[34]可能会抑制氢气的产生。沼泽红假单胞菌CGA009在厌氧光发酵下，能够耐受较高浓度的酚类物质，可以作为木质纤维素产氢的菌株之一[35]。在VFAs混合物多菌光发酵过程中，沼泽红假单胞菌作为产氢和PHB的主要生产者，当乙酸比例高时，就会优先利用其作为合成氢气的还原力，当丙酸和丁酸含量较高时，则会优先利用其作为合成PHB的还原力[36]。沼泽红假单胞菌的聚-β-羟丁酸缺失突变体的产氢能力较野生型有明显提高，这表明PHB和氢气的合成过程存在还原力的竞争[37-38]。但在pH胁迫状态下，合成的PHB对沼泽红假单胞菌WP3-5细胞有保护作用，所以在胁迫状态下PHB的合成有利于产氢[39]。炔雌醇(EE2)是口服避孕药的基本成分，被认为是一种高度顽固的雌激素类微污染物，然而在混合型光辅助微生物燃料电池(h-PMFC)中添加EE2，EE2的降解会为沼泽红假单胞菌产氢提供还原力，产生的氢气用来维持氢燃料电池的运转[40]。

沼泽红假单胞菌产氢与NADH脱氢酶、固氮酶和吸氢酶的表达及其修饰有关。沼泽红假单胞菌在产氢过程中，编码NADH脱氢酶的nuoF表达上调，吸氢酶hupS表达下调[41]。在vnf和anf固氮酶操纵子的上游插入pucBa启动子，使其过表达，可以用于提高工程菌株产氢效率[42]。

4.2 其他角鲨烯是一种具有医疗价值的生物活性化合物，还可以作为燃料的原料。通过同时阻断类胡萝卜素和霍烷途径使沼泽红假单胞菌合成角鲨烯的产量增加57%[43]。PHB是一种由细菌合成的可降解生物塑料，是传统塑料的替代品。沼泽红假单胞菌CGA009在利用木质素分解产物各组分合成PHB时，p-香豆酸盐使PHB的产量显著增加[44]。在PHB合成过程中PHB合成酶相关基因phbC表达上调[39]。在pH胁迫[38]、缺硫[45]等情况下，当光照和有机碳底物存在时，PHB会大量积累在菌体表面。能源问题一直备受关注，正丁醇作为一种车用可替代燃料，又因其能量含量高、挥发性低、亲水性比乙醇低而受到更多的关注，正丁醇的生物合成涉及phaJ、ter、adhE2、phaA和phaB5个基因。Bai等[46]将正丁醇合成的相关基因转化到沼泽红假单胞菌TIE-1中，菌株TIE-1可以利用不同的碳源(有机酸、CO2)、氮源(NH4+、N2)和电子源[H2、Fe(II)、固定电极]合成正丁醇，并且发现固氮途径缺失突变体内还原力强，合成更多的正丁醇。相反，乙酰辅酶A消耗途径缺失突变体内还原力降低，导致正丁醇产量下降。

5 总结和展望

沼泽红假单胞菌作为地球上比较古老的微生物之一，其表现出多样化的生理遗传性和独特的代谢特征。研究至今，沼泽红假单胞菌在水质净化、植物促生、土壤治理、生产清洁能源等方面都能发挥作用。今后对于沼泽红假单胞菌的研究可能集中在以下几个方面：

(1)农业方面。沼泽红假单胞菌可以通过释放生长激素，调节相关酶的活性，来增加植物的产量和对不良环境的抗性。但目前沼泽红假单胞菌产生的促生和抗逆的机制仍不是很明确，应结合组学分析、基因敲除等途径，探究其在植物促生、生物防治过程中可能发挥的作用；关注沼泽红假单胞菌与其他菌的联合作用，通过改变菌剂之间的比例，发挥更大的作用。

(2)环境治理方面。沼泽红假单胞菌具有多种污染物的降解能力，未来的研究应该更集中于这些物质的降解途径，利用液质联用、核磁共振、红外分析等方法来分析降解途径，利用酶活性分析、基因敲除等途径来确定参与的基因。通过基因改造使菌株更加适应环境，尽可能使治理过程更加节能、高效。

(3)化工方面。沼泽红假单胞菌具有多种化合物的生产能力，应该更集中于结合化学分析的方法来探究合成物质的相关基因，利用传统意义上的废料生产新型绿色能源，使其生产方式更加高效低毒。