鞘氨醇單胞菌屬是一類豐富的新型微生物資源，可用于芳香化合物的生物降解。該屬菌株憑借自身的高代謝能力與多功能的生理特性，在環(huán)境保護(hù)及工業(yè)生產(chǎn)方面具有巨大的應(yīng)用潛力。但是由于對(duì)鞘氨醇單胞菌的認(rèn)識(shí)較晚，該菌的生態(tài)價(jià)值及經(jīng)濟(jì)價(jià)值很少被關(guān)注，對(duì)其的研究也停留在初級(jí)階段。
一、基本特征
1990 年日本學(xué)者Yabuuchi 等首次提出鞘氨醇單胞菌屬，將Holmes 等1977 年從醫(yī)院臨床樣本中分離描述的Pseudomonas paucimobilis菌種重新命名為Sphingomonas paucimobilis，且鑒定其為鞘氨醇單胞菌屬的典型菌種，并描述了該屬的生理生化特性。Takeuchi 等于1993 年對(duì)此作了修正。根據(jù)16S rRNA 序列比較，鞘氨醇單胞菌屬于變形細(xì)菌的4 亞類。該屬的菌株均為革蘭氏陰性菌，無(wú)孢子，以單側(cè)生極性鞭毛運(yùn)動(dòng)，多呈黃色，專性需氧且能產(chǎn)生過(guò)氧化氫酶．除開(kāi)菊粉外，鞘氨醇單胞菌可將戊糖、己糖及二糖轉(zhuǎn)變成酸。菌體內(nèi)主要的呼吸鏈為泛醌Q-10，細(xì)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(xì)胞膜內(nèi)的糖鞘脂成分是鞘氨醇單胞菌，這是區(qū)別于其它典型革蘭氏陰性菌的重要特征。
由于鞘氨醇單胞菌對(duì)芳香化合物有極為廣泛的代謝能力，并且該菌屬某些菌種能夠合成有價(jià)值的胞外生物高聚物。因此，鞘氨醇單胞菌近年來(lái)成為被關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。
二、研究進(jìn)展
1、降解特性
鞘氨醇單胞菌在環(huán)境中無(wú)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(jīng)從環(huán)境中分離出來(lái)。鞘氨醇單胞菌的降解特性型生物質(zhì)聚合體等的降解都有相關(guān)。在多環(huán)芳烴(PAHs)及六六六(HCH)異構(gòu)體的降解方面，鞘氨醇單胞菌有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。S．yanoikuyaeB1菌株可以降解單環(huán)芳烴、聯(lián)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(huán)芳烴，如二甲苯與甲苯是采取TOL一質(zhì)粒代謝途徑；苯甲酸則通過(guò)meta一斷裂途徑代謝生成乙醛和丙酮酸鹽，如圖1所示。盡管很多微生物都可以降解HCH的異構(gòu)體—HCH，但是只有S．japonicum UT26對(duì)·HCH的降解途徑研究最為詳細(xì)。 —HCH降解的最重要的步驟為脫氯反應(yīng)，如圖2所示：．y—HCH降解成2，5-二氯對(duì)苯二酚(2，5-DCHQ)涉及到上游途徑，2，5-二氯對(duì)苯二酚的繼續(xù)降解屬于下游途徑。此外，鞘氨醇單胞菌還能夠降解蒽醌染料及其中間體。
2、分類學(xué)研究
隨著微生物群落解析技術(shù)的發(fā)展，鞘氨醇單胞菌的分類學(xué)研究也經(jīng)歷了3個(gè)階段。第一階段是利用傳統(tǒng)的培養(yǎng)分離方法，即通過(guò)形態(tài)學(xué)、培養(yǎng)及生理生化特征的比較來(lái)鑒定分類鞘氨醇單胞菌。但是，由于鞘氨醇單胞菌的表型特征與其它菌種的相似性，很容易被誤歸屬于其他菌屬，因此該法逐漸被第二階段的生物標(biāo)記物分類法所取代。生物標(biāo)記物分類法是通過(guò)提取微生物特有的化學(xué)成分(即生物標(biāo)記物)，經(jīng)定性定量分析來(lái)確定微生物歸屬的分類方法。根據(jù)鞘氨醇單胞菌的自身特征，逐漸形成了幾種獨(dú)特的生物標(biāo)記物分類方法，即：顏色分析，呼吸醌系統(tǒng)分析，聚胺模式分析以及極脂和脂肪酸外形分析。
3、顏色分析
鞘氨醇單胞菌屬的大多數(shù)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處有特征吸收峰。S．paucimobilis的黃色色素被鑒定為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(lái)，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征，應(yīng)該與其它分析方法結(jié)合使用。
4、呼吸醌系統(tǒng)分析
呼吸醌是細(xì)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(yōu)勢(shì)的醌，對(duì)鞘氨醇單胞菌屬物種的呼吸醌系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)：它們均含側(cè)鏈上有10個(gè)類異戊二烯基團(tuán)的泛醌Q．10．雖然這個(gè)特征并不局限于鞘氨醇單胞菌，在變形細(xì)菌僅亞綱的大多數(shù)菌種中也含有，但是從鞘氨醇單胞菌屬呼吸醌系統(tǒng)的同源性來(lái)看，可能所有的鞘屬成員均含有泛醌Q一10 。
5、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，第一種模式只存在于Cluster I及RW1與A175菌株中，第二種模式存在于剩余的菌株中(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酰乙醇胺(PE)、磷脂酰甘油(PG)、雙磷脂酰甘油(DPG)和神經(jīng)鞘糖脂(SGL)。細(xì)胞脂中的脂肪酸以18：1和20H14：0為主。Busse等研究發(fā)現(xiàn)，聚胺模式與醌系統(tǒng)的分析僅適用于鞘屬菌株的初步鑒定，相比之下，極脂和脂肪酸外形的分析對(duì)于建立在檢測(cè)鞘氨醇糖脂類物質(zhì)親屬80%水平上的鑒定是一種較好的方法．通常，當(dāng)這兩類方法結(jié)合使用時(shí)就可以從物種水平上鑒定鞘氨醇單胞菌。
但是生物標(biāo)記物分類方法仍然存在一定的局限性，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)代分子生物學(xué)分類法逐步成熟，鞘氨醇單胞菌的分類學(xué)研究進(jìn)入了第三階段．因此，根據(jù)鞘氨醇單胞菌屬及一些一變形細(xì)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(gè)簇。
6、降解酶與基因的研究
芳香化合物的好氧降解途徑中，芳環(huán)羥化雙加氧酶與斷裂雙加氧酶被認(rèn)為是最關(guān)鍵的酶，它們關(guān)系到化合物的可降解性與可降解程度。Gibson等副研究認(rèn)為，雙加氧酶是多組分且依賴于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(duì)細(xì)菌中有關(guān)多環(huán)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．由于鞘氨醇單胞菌能同時(shí)利用高分子量及低分子量的芳香化合物，因此，近年來(lái)被認(rèn)為是一類具有代謝多樣性的微生物資源。對(duì)降解PAHs的鞘氨醇單胞菌的遺傳學(xué)進(jìn)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(zhǎng)的原因。在一些鞘氨醇單胞菌中，與PAHs降解有關(guān)的基因的序列明顯的相似，但是這些基因不同于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(xié)助基因鑒定，發(fā)現(xiàn)幾個(gè)突變株累積了二氫二醇且脫氫酶基因的表達(dá)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(zhuǎn)錄，表明一個(gè)問(wèn)位斷裂雙加氧酶是在上游途徑中起作用，而另一個(gè)在下游途徑起作用，這與先前報(bào)道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(fā)現(xiàn)了一個(gè)類似于假單胞菌TOL的操縱子，雖然這個(gè)基因的排列不同于TOL質(zhì)粒，但是B1與假單胞菌的TOL基因擁有高度的核酸同源性。S．a(chǎn)romaticivorans 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(zhì)粒PNL1的序列已經(jīng)獲得，大約DNA的一半序列編碼的基因用于芳族的代謝、芳族的轉(zhuǎn)運(yùn)及解毒(例如：谷胱甘肽一s一轉(zhuǎn)移酶)，而另一半編碼用于質(zhì)粒的復(fù)制、接合、轉(zhuǎn)移與維持 J．F199質(zhì)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(jù)所推測(cè)的氨基酸序列，F(xiàn)199中有關(guān)芳族轉(zhuǎn)化的酶已經(jīng)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(lái)的遺傳學(xué)同源性研究發(fā)現(xiàn)，從地下土壤分離到的菌株Bl中的聯(lián)苯及間二甲苯降解的基因與5個(gè)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于染色體上，而深層地下菌株的降解基因卻是在質(zhì)粒上．有關(guān)降解高分子量PAHs的鞘氨醇單胞菌的基因很少有報(bào)道。低分子量的PAHs，如萘，能夠很容易地被細(xì)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(jīng)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(guān)PAHs的降解酶，對(duì)編碼兩個(gè)芳環(huán)羥化雙加氧酶(Phn I和Phn lI)的基因測(cè)序發(fā)現(xiàn)：兩個(gè)不同基因座上的共簇代謝基因與F199中相應(yīng)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(guān)。
7、鞘脂的研究
鞘脂是鞘氨醇與脂肪酸形成的脂，廣泛存在于哺乳動(dòng)物及某些細(xì)菌與真菌的細(xì)胞膜內(nèi)。已經(jīng)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(zhì)．研究發(fā)現(xiàn)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。后來(lái)通過(guò)核磁共振波譜及化學(xué)分析最終證明了這種糖脂是一種鞘糖脂，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于鞘氨醇極易水解的特性加大了其檢測(cè)難度，有學(xué)者曾通過(guò)改進(jìn)的分析純化方法檢測(cè)到了鞘糖脂組分的化學(xué)結(jié)構(gòu)，并探明所有的鞘菌屬中鞘糖脂-1(C-SL-1)是外膜結(jié)構(gòu)的主要成分。
此外，Kawahara等研究了少動(dòng)鞘氨醇單胞菌(s pauci—mobilis)的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)及其鞘糖脂的功能．結(jié)果發(fā)現(xiàn)：由于鞘氨醇單胞菌不同于其它革蘭氏陰性菌的細(xì)胞膜的特征，其形成的疏水表面更益于這些細(xì)菌在生態(tài)環(huán)境中的存活及芳香化物的攝取。更有研究指出，盡管脂多糖與鞘糖脂在細(xì)節(jié)上有所不同，但是作為抗原表面結(jié)構(gòu)及外膜結(jié)構(gòu)的組成部分它們的功能基本相似。由于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(biāo)記物輔助其它方法用于鑒定和分類鞘氨醇單胞菌。
8、產(chǎn)生物高聚物的研究
許多細(xì)菌細(xì)胞表面能產(chǎn)生多糖，它們或者吸附在細(xì)胞膜表面作為脂多糖(LPS)的O-抗原，或者在細(xì)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(zhǎng)鏈的高分子聚合物，其獨(dú)特的物理學(xué)和流變學(xué)特性以及使用安全性使它在食品和其它工業(yè)中倍受青睞。鞘氨醇單胞菌因能產(chǎn)生胞外生物高聚物而被廣泛關(guān)注。據(jù)報(bào)道，有些少動(dòng)鞘氨醇單胞菌能夠產(chǎn)生結(jié)凍膠類胞外多糖。結(jié)凍膠憑借自身的酸穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)的多樣性可以取代瓊脂并被廣泛應(yīng)用于食品及生產(chǎn)工業(yè)中。研究工作主要集中在如何提高結(jié)凍膠的產(chǎn)量并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。研究表明，Xanthomonas campestris菌種能產(chǎn)生另一種重要的胞外聚合物——黃原膠，同時(shí)找到了編碼該反應(yīng)的12個(gè)共簇染色體基因。Pollock等利用基因重組技術(shù)將這些基因植入鞘氨醇單胞菌體中實(shí)現(xiàn)了黃原膠在鞘屬菌內(nèi)的合成，這些黃原膠在結(jié)構(gòu)及功能上與天然黃原膠并無(wú)太大區(qū)別。以上研究證明，通過(guò)細(xì)菌間基因的相互轉(zhuǎn)移就可以實(shí)現(xiàn)胞外聚合物的生產(chǎn)，同時(shí)也表明在非宿主中合成黃原膠及其他胞外聚合物的技術(shù)可行性。
9、結(jié)論與展望
芳香化合物是環(huán)境中的常見(jiàn)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(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(chǎn)方面的優(yōu)越性使其受到越來(lái)越多的關(guān)注。但是由于對(duì)其認(rèn)識(shí)較晚，對(duì)鞘氨醇單胞菌的研究多數(shù)停留在初級(jí)階段，主要的報(bào)道多集中在該菌屬菌株的分離，降解途經(jīng)、降解條件優(yōu)化以及降解產(chǎn)物的分析等方面，而芳香化合物降解的酶系及相關(guān)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(jié)合國(guó)際相關(guān)研究，以下幾個(gè)方面仍有待于今后進(jìn)一步探討。
(1)胞外聚合物的生產(chǎn)中，脫去膠中的蛋白是純化膠類聚合物的技術(shù)阻礙，現(xiàn)常用的Sevag法、堿性蛋白酶法、木瓜蛋白酶與中性蛋白酶法各有一定的局限性．因此，開(kāi)發(fā)高效的脫蛋白方法可確保聚合膠的質(zhì)量，同時(shí)尋找鞘氨醇單胞菌生產(chǎn)聚合膠的功能基因，并表達(dá)以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)；
(2)作為鞘氨醇單胞菌的重要特征組成——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(guò)程中相關(guān)功能基因的克隆、表達(dá)，利用生物技術(shù)手段構(gòu)建高效的遺傳工程菌并應(yīng)用于環(huán)境污染的治理。此外，有些少動(dòng)鞘氨醇單胞菌的會(huì)引起布水管道腐蝕及作為感染植物病原體的現(xiàn)象都應(yīng)引起研究者的關(guān)注。隨著對(duì)該菌屬生理生態(tài)潛能的深入研究，鞘氨醇單胞菌將有著廣闊的應(yīng)用前景。
