曾 馳 朱建裕

(1武漢工業(yè)學(xué)院生物與制藥工程學(xué)院,武漢430023;2中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院,長(zhǎng)沙410083)

微量熱法研究環(huán)境NaCl濃度對(duì)鹽生鹽桿菌生長(zhǎng)代謝的影響

曾 馳1,*朱建裕2,*

(1武漢工業(yè)學(xué)院生物與制藥工程學(xué)院,武漢430023;2中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院,長(zhǎng)沙410083)

采用TAM air微量熱系統(tǒng)和安瓿法測(cè)定了鹽生鹽桿菌在不同NaCl濃度中生長(zhǎng)的生長(zhǎng)產(chǎn)熱曲線,擬合得到鹽生鹽桿菌在不同NaCl濃度中生長(zhǎng)的熱動(dòng)力學(xué)方程和熱動(dòng)力學(xué)參數(shù),并分析了鹽生鹽桿菌生長(zhǎng)的各種熱動(dòng)力學(xué)參數(shù)與環(huán)境NaCl濃度的關(guān)系.由此發(fā)現(xiàn),鹽生鹽桿菌生長(zhǎng)的最適NaCl濃度并不是傳統(tǒng)認(rèn)為的一個(gè)寬泛的范圍——3.5 mol·L-1至約5.2 mol·L-1(NaCl飽和),而是約3.9 mol·L-1.在環(huán)境NaCl濃度由3.9 mol·L-1逐步升高至飽和的過(guò)程中,鹽生鹽桿菌的生長(zhǎng)代謝持續(xù)減弱.進(jìn)一步的透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)在近飽和的NaCl濃度中生長(zhǎng)的鹽生鹽桿菌細(xì)胞發(fā)生了質(zhì)壁分離,較好地解釋了微量熱研究的結(jié)果.由此對(duì)NaCl濃度變化導(dǎo)致嗜鹽古生菌表面結(jié)構(gòu)改變提出了新的解釋.

微量熱;嗜鹽古生菌;環(huán)境NaCl濃度;細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)

1 引言

嗜鹽古生菌是古生菌的主要類群之一,主要生存于各種高鹽環(huán)境中,尤其在一些鹽濃度接近飽和的環(huán)境(例如鹽湖、曬鹽場(chǎng)和鹽腌食品)中以較高密度存在.1嗜鹽古生菌最早被發(fā)現(xiàn)和最顯著的特征是對(duì)高濃度NaCl的絕對(duì)依賴.2嗜鹽古生菌的大多數(shù)種都慣于近飽和的環(huán)境NaCl濃度,在NaCl濃度低于2.5-3 mol·L-1時(shí)無(wú)法生長(zhǎng).1,2以典型的嗜鹽古生菌——鹽生鹽桿菌(Halobacterium halobium,簡(jiǎn)稱為Hbt.halobium)為例,鹽生鹽桿菌在環(huán)境NaCl濃度為3.5 mol·L-1至約5.2 mol·L-1(飽和濃度)時(shí)生長(zhǎng)良好,當(dāng)NaCl濃度低于3 mol·L-1時(shí)不生長(zhǎng).1,2此外,大量研究表明嗜鹽古生菌生長(zhǎng)的“NaCl依賴”是特異性的,NaCl不能被其它的鹽或溶質(zhì)所代替.1,2

從20世紀(jì)60年代至今,很多研究致力于闡明嗜鹽古生菌“NaCl依賴”的細(xì)胞和分子基礎(chǔ).人們觀察到當(dāng)環(huán)境NaCl濃度逐步降低時(shí),菌體形狀先由桿狀變得不規(guī)則,再變?yōu)榍驙?最后裂解.3對(duì)此現(xiàn)象的解釋一度引發(fā)爭(zhēng)論.一種觀點(diǎn)認(rèn)為,細(xì)胞表面有較高電荷密度,一旦去除反荷離子(counterions),細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)即被破壞.另一種觀點(diǎn)認(rèn)為,以細(xì)胞膜半透性為基礎(chǔ)的滲透現(xiàn)象才是菌體形狀改變乃至嗜鹽古生菌停止生長(zhǎng)的主要原因.1,2

后來(lái)發(fā)現(xiàn),菌體由桿狀變?yōu)榍驙钸^(guò)程中,細(xì)菌大小不變.將分離的細(xì)胞壁碎片置于可使整個(gè)細(xì)胞裂解的條件下,細(xì)胞壁碎片會(huì)分裂成更小的部分.1,2人們對(duì)全細(xì)胞和亞細(xì)胞組分進(jìn)行化學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)嗜鹽古生菌(鹽球菌除外)細(xì)胞壁不含肽聚糖,其主要成分為一種高分子量的糖蛋白.這種蛋白中酸性氨基酸(如Glu、Asp)量極高,帶大量負(fù)電荷,只在高濃度的Na+中穩(wěn)定.1,2因此前一種觀點(diǎn)被普遍接受,即嗜鹽古生菌的“NaCl依賴”主要是為了維持其糖蛋白細(xì)胞壁結(jié)構(gòu).嗜鹽古生菌細(xì)胞壁糖蛋白中的酸性氨基酸需與基質(zhì)中的Na+結(jié)合以平衡其電荷.在Na+濃度較低時(shí),電荷相斥,細(xì)胞壁解體,導(dǎo)致細(xì)胞不能維持形狀.1,2這是目前的主流觀點(diǎn).

值得注意的是,已有大量研究1,2探討嗜鹽古生菌的“NaCl依賴”,但是卻沒(méi)有文獻(xiàn)深入研究環(huán)境NaCl濃度“過(guò)高”(例如近飽和)是否會(huì)對(duì)嗜鹽古生菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生理狀態(tài)造成影響.4在人們傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中,高濃度NaCl對(duì)嗜鹽古生菌有益無(wú)害.4最新的微生物學(xué)權(quán)威教材——《Prescott微生物學(xué)》(第8版)中稱“一般微生物在環(huán)境滲透壓過(guò)高時(shí)會(huì)發(fā)生質(zhì)壁分離,但嗜鹽古生菌卻可以很好的適應(yīng)高鹽濃度,而且其生長(zhǎng)還依賴于高鹽濃度”.5迄今僅有本課題組報(bào)道了一株嗜鹽古生菌——鹽沼鹽桿菌(Halobacterium salinarum NRC817)在鹽濃度較高的培養(yǎng)條件下發(fā)生了細(xì)胞脫水的現(xiàn)象.6

微量熱法是熱力學(xué)研究的一種重要方法,目前在生命科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用.7微生物生長(zhǎng)過(guò)程伴隨著產(chǎn)熱.產(chǎn)熱是細(xì)胞代謝的重要生理參數(shù).借助足夠靈敏的微量熱儀,可以研究活細(xì)胞代謝過(guò)程和相關(guān)性質(zhì).8通過(guò)對(duì)微生物生長(zhǎng)的熱效應(yīng)進(jìn)行連續(xù)測(cè)定,可以得到微生物生長(zhǎng)的產(chǎn)熱功率-時(shí)間曲線(細(xì)菌生長(zhǎng)熱譜).獲得細(xì)菌生長(zhǎng)熱譜后,進(jìn)一步根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基本原理對(duì)這些生長(zhǎng)熱譜進(jìn)行剖析,則可獲得細(xì)菌生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)信息.同樣用物理化學(xué)的基本原理對(duì)這些熱譜進(jìn)行處理能得到微生物生長(zhǎng)代謝過(guò)程的有關(guān)熱力學(xué)參數(shù).對(duì)這些動(dòng)力學(xué)信息和熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析,可揭示一些用生物學(xué)方法難以觀察到的現(xiàn)象.8

本工作應(yīng)用微量熱法研究了NaCl濃度對(duì)嗜鹽古生菌的標(biāo)準(zhǔn)菌株——鹽生鹽桿菌(Hbt.halobium R1)生長(zhǎng)的影響,發(fā)現(xiàn)在NaCl濃度近飽和的環(huán)境中鹽生鹽桿菌生長(zhǎng)代謝異常.進(jìn)一步用透射電鏡研究了在不同NaCl濃度中生長(zhǎng)的鹽生鹽桿菌的細(xì)胞形態(tài),發(fā)現(xiàn)在近飽和的NaCl濃度中生長(zhǎng)的鹽生鹽桿菌細(xì)胞發(fā)生了質(zhì)壁分離.由此對(duì)NaCl濃度變化導(dǎo)致嗜鹽古生菌表面結(jié)構(gòu)改變的現(xiàn)象提出了新的解釋.

2 儀器與材料

2.1 儀 器

TAM air八通道等溫?zé)釋?dǎo)式微量熱儀(瑞典Thermometric AB公司).儀器的熱穩(wěn)定性好,溫度變化可穩(wěn)定在±0.02°C,可用于檢測(cè)5-60°C的化學(xué)和生物體系.熱功率最小檢測(cè)極限為2μW.

H-8100透射電子顯微鏡(日本日立公司).

2.2 材 料

菌株:鹽生鹽桿菌(Hbt.halobium R1)由武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院微生物遺傳研究室提供.

培養(yǎng)基:本研究所用的培養(yǎng)基其配方均基于Rodriguez-Valera報(bào)道的嗜鹽菌培養(yǎng)基,9但其中NaCl的濃度有所改變.在本研究所用7種培養(yǎng)基中分別設(shè)置了不同的NaCl濃度.每升培養(yǎng)基含25 g MgSO4·7H2O(分析純),1.3 g CaCl2·6H2O(分析純), 5.0 g KCl(分析純),0.25 g NaHCO3(分析純),0.63 g NaBr(分析純),5.0 g酵母提取物(生化試劑,英國(guó)Oxoid公司產(chǎn))和不等量的NaCl(分析純)(每升培養(yǎng)基中分別溶入129,152,169,187,228,257和292 g NaCl,相應(yīng)培養(yǎng)基中的NaCl濃度分別為2.2,2.6, 2.9,3.2,3.9,4.4和5.0 mol·L-1).配制好的培養(yǎng)基121°C高壓蒸汽滅菌15 min,冷卻備用.

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 鹽生鹽桿菌生長(zhǎng)產(chǎn)熱曲線的測(cè)定

本研究利用安瓿測(cè)量法測(cè)定鹽生鹽桿菌(Hbt. halobium R1)在不同NaCl濃度中生長(zhǎng)的生長(zhǎng)產(chǎn)熱曲線.將活化好的鹽生鹽桿菌等量接種于NaCl濃度不同的培養(yǎng)基中(剛接種的培養(yǎng)基中細(xì)胞數(shù)目為1×106mL-1),注入安瓿(每個(gè)安瓿中加入5 mL已接種的培養(yǎng)基),然后置于量熱計(jì)的各個(gè)測(cè)量筒中,在溫度設(shè)定為37°C的微量熱儀中培養(yǎng).與量熱儀連接的計(jì)算機(jī)自動(dòng)連續(xù)記錄生長(zhǎng)過(guò)程中輸出的產(chǎn)熱功率,從而繪制得到生長(zhǎng)產(chǎn)熱曲線.

3.2 對(duì)鹽生鹽桿菌制樣以進(jìn)行透射電鏡觀察

將培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的鹽生鹽桿菌培養(yǎng)液離心收集細(xì)胞,用鹽水(鹽濃度與培養(yǎng)基鹽濃度相同)多次洗滌并重懸.將菌懸液滴在銅網(wǎng)上,用濾紙從銅網(wǎng)邊緣吸去多余的菌懸液,上電鏡觀察.

4 結(jié)果與討論

4.1 鹽生鹽桿菌在不同NaCl濃度中生長(zhǎng)的生長(zhǎng)產(chǎn)熱曲線

鹽生鹽桿菌(Hbt.halobium R1)在不同NaCl濃度中生長(zhǎng)的產(chǎn)熱功率-時(shí)間曲線見圖1.這些曲線包含細(xì)菌生長(zhǎng)不同時(shí)期(延遲期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、穩(wěn)定期和衰亡期)的典型特征.比較這些曲線可以看出NaCl濃度對(duì)鹽生鹽桿菌生長(zhǎng)代謝有顯著的影響.

4.2 熱動(dòng)力學(xué)方程和參數(shù)

在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,細(xì)胞數(shù)量是呈指數(shù)式增長(zhǎng)的,熱輸出也呈指數(shù)式增長(zhǎng),8如式(1)所示:

圖1 鹽生鹽桿菌在不同NaCl濃度(cNaCl)中生長(zhǎng)的產(chǎn)熱功率(P)-時(shí)間(t)曲線Fig.1 Power(P)-time(t)curves of Hbt.halobium growth in different concentrations of NaCl(cNaCl)

其中Pt是對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期t時(shí)刻的熱輸出功率,P0是起始時(shí)刻的熱輸出功率,k是生長(zhǎng)速率常數(shù),t是實(shí)驗(yàn)時(shí)間.各生長(zhǎng)產(chǎn)熱曲線的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期部分與式(1)有很好的相關(guān)性.因此可從生長(zhǎng)產(chǎn)熱曲線的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期部分取一系列的Pt和t數(shù)據(jù)代入上式進(jìn)行擬合,通過(guò)式(1)求得生長(zhǎng)速率常數(shù)k值和生長(zhǎng)熱動(dòng)力學(xué)方程.根據(jù)tG=ln2/k可以計(jì)算出代時(shí)tG.根據(jù)生長(zhǎng)產(chǎn)熱曲線還可以得到最大熱輸出功率Pm和出峰時(shí)間tm(即最大熱輸出功率所對(duì)應(yīng)的時(shí)間).鹽生鹽桿菌(Hbt.halobium R1)在不同NaCl濃度中生長(zhǎng)的熱動(dòng)力學(xué)方程和參數(shù)分別列于表1和表2中.所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果都有較好的規(guī)律性和重復(fù)性.

4.3 生長(zhǎng)速率常數(shù)、代時(shí)、最大熱輸出功率、出峰時(shí)

間與NaCl濃度之間的關(guān)系

圖2顯示了生長(zhǎng)速率常數(shù)(k)、代時(shí)(tG)和相應(yīng)的NaCl濃度(cNaCl)之間的關(guān)系.可以看出,當(dāng)NaCl濃度低于3.9 mol·L-1(即2.2-3.9 mol·L-1)時(shí),k隨著NaCl濃度升高而升高,tG隨著NaCl濃度升高而縮短.但當(dāng)NaCl濃度超過(guò)3.9 mol·L-1(3.9-5.0 mol·L-1)時(shí)則相反,隨著NaCl濃度升高,k降低,tG延長(zhǎng).

最大熱輸出功率(Pm)和出峰時(shí)間(tm)也是微生物生長(zhǎng)代謝的重要參數(shù).如圖3所示,當(dāng)NaCl濃度低于3.9 mol·L-1(即2.2-3.9 mol·L-1)時(shí),Pm隨著NaCl濃度升高而升高,tm隨著NaCl濃度升高而減小.但當(dāng)NaCl濃度超過(guò)3.9 mol·L-1(3.9-5.0 mol· L-1)時(shí),隨著NaCl濃度升高,Pm降低,tm增大.

表1 鹽生鹽桿菌在不同NaCl濃度中生長(zhǎng)的生長(zhǎng)速率常數(shù)和生長(zhǎng)熱動(dòng)力學(xué)方程Table 1 Growth rate constants and growth thermokinetic equations of Hbt.halobium growth in different concentrations of NaCl

表2 鹽生鹽桿菌在不同NaCl濃度中生長(zhǎng)的熱動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 2 Thermokinetic parameters of Hbt.halobium growth in different concentrations of NaCl

4.4 用透射電鏡觀察在不同NaCl濃度中生長(zhǎng)的鹽

生鹽桿菌的細(xì)胞形態(tài)

圖2 生長(zhǎng)速率常數(shù)(k)、代時(shí)(tG)和NaCl濃度(cNaCl)之間的關(guān)系Fig.2 Plots of k vs cNaCland tGvs cNaCl

圖3 最大熱輸出功率(Pm)及相應(yīng)的出峰時(shí)間(tm)和NaCl濃度(cNaCl)之間的關(guān)系Fig.3 Plot of Pmvs cNaCland tmvs cNaCl

用透射電鏡觀察了在不同NaCl濃度中生長(zhǎng)的鹽生鹽桿菌的細(xì)胞形態(tài).電鏡照片見圖4.不同NaCl濃度中生長(zhǎng)的鹽生鹽桿菌細(xì)胞形態(tài)有很大的差異.在3.9 mol·L-1NaCl中生長(zhǎng)的鹽生鹽桿菌菌體呈規(guī)則的桿狀(圖4(d)).隨著NaCl濃度從3.9 mol·L-1逐步降低到2.6 mol·L-1,桿狀菌體先變得不規(guī)則(圖4 (c)),最后變成球狀(圖4(b)).球狀菌體周圍有屑狀物,推測(cè)是細(xì)胞壁解體形成的碎片(圖4(b)).在含2.2 mol·L-1NaCl的培養(yǎng)物中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)完整的細(xì)胞,只看到一些遠(yuǎn)比細(xì)胞小的顆粒狀物,推測(cè)是原生質(zhì)體解體形成的膜顆粒(圖4(a)).在5.0 mol·L-1NaCl中生長(zhǎng)的鹽生鹽桿菌菌體呈規(guī)則桿狀,但原生質(zhì)體已收縮離壁,質(zhì)膜和細(xì)胞壁之間出現(xiàn)明顯空間(圖4 (e)),表明這些鹽生鹽桿菌細(xì)胞發(fā)生了質(zhì)壁分離.

4.5 討 論

比較鹽生鹽桿菌在不同NaCl濃度(2.2 mol·L-1到近飽和NaCl濃度)中生長(zhǎng)的生長(zhǎng)產(chǎn)熱曲線和熱動(dòng)力學(xué)參數(shù),可以看出當(dāng)環(huán)境NaCl濃度低于3.9 mol· L-1時(shí),鹽生鹽桿菌的生長(zhǎng)代謝隨著NaCl濃度降低而逐步減弱.當(dāng)NaCl濃度降至2.2 mol·L-1時(shí)鹽生鹽桿菌的生長(zhǎng)代謝基本停止.這和以往報(bào)道1,2,10是一致的.但當(dāng)環(huán)境NaCl濃度高于3.9 mol·L-1時(shí),鹽生鹽桿菌的生長(zhǎng)代謝隨著NaCl濃度升高而減弱.這一現(xiàn)象未見報(bào)道.將上述微量熱實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,得到了一致的結(jié)果.

為了解該現(xiàn)象的生物學(xué)原因,用透射電鏡觀察了不同NaCl濃度中生長(zhǎng)的鹽生鹽桿菌的細(xì)胞形態(tài).隨著環(huán)境NaCl濃度從3.9 mol·L-1逐步降低,桿狀菌體先變得不規(guī)則,再變成球狀,最后解體成為一些遠(yuǎn)比細(xì)胞小的膜顆粒.這些觀察結(jié)果和微量熱實(shí)驗(yàn)得到的規(guī)律一致,也和“NaCl維持細(xì)胞壁”理論1,2吻合.另一方面發(fā)現(xiàn)在5.0 mol·L-1NaCl中生長(zhǎng)的鹽生鹽桿菌細(xì)胞發(fā)生了質(zhì)壁分離.該現(xiàn)象不能用“NaCl維持細(xì)胞壁”理論解釋.質(zhì)壁分離是微生物的典型現(xiàn)象之一,在G-和G+細(xì)菌中普遍存在.5微生物發(fā)生質(zhì)壁分離后通常會(huì)代謝受抑和生長(zhǎng)變緩.5微量熱實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與此相符.綜合電鏡觀察結(jié)果和微量熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以確定近飽和NaCl濃度中生長(zhǎng)的鹽生鹽桿菌確實(shí)發(fā)生了質(zhì)壁分離.

圖4 透射電鏡觀察不同NaCl濃度中生長(zhǎng)的鹽生鹽桿菌的細(xì)胞形態(tài)Fig.4 Transmission electron microscopy photographs of Hbt.halobium cells growing in different concentrations of NaClcNaCl/(mol·L-1):(a)2.2,(b)2.6,(c)2.9,(d)3.9,(e)5.0;a salt crystal is also present in Fig.4(e).

質(zhì)壁分離現(xiàn)象的基礎(chǔ)乃是質(zhì)膜的半透性.鹽生鹽桿菌細(xì)胞可視為一個(gè)滲透系統(tǒng).我們推測(cè)在NaCl濃度大于或等于3.9 mol·L-1時(shí),細(xì)胞水勢(shì)等于滲透勢(shì).當(dāng)環(huán)境NaCl濃度為3.9 mol·L-1時(shí),細(xì)胞水勢(shì)為零,無(wú)明顯水移動(dòng).當(dāng)環(huán)境NaCl濃度大于3.9 mol· L-1時(shí),細(xì)胞水勢(shì)為正,胞內(nèi)水外流,細(xì)胞失水.當(dāng)環(huán)境NaCl濃度小于3.9 mol·L-1時(shí),細(xì)胞滲透勢(shì)為負(fù),然而未解體的細(xì)胞壁的剛性阻止了細(xì)胞進(jìn)水和原生質(zhì)體膨脹,即產(chǎn)生了壓力勢(shì).壓力勢(shì)與滲透勢(shì)相平衡.細(xì)胞壁對(duì)原生質(zhì)體產(chǎn)生了壓力勢(shì)的同時(shí)原生質(zhì)體必然對(duì)細(xì)胞壁產(chǎn)生膨壓.11我們認(rèn)為,在NaCl濃度由3.9 mol·L-1逐步降低時(shí),膨壓和胞壁糖蛋白分子間斥力一起對(duì)細(xì)胞壁造成影響,最終引起細(xì)胞變形乃至解體.

光電比濁是測(cè)定微生物生長(zhǎng)的最常用技術(shù).12以往研究中嗜鹽古生菌生長(zhǎng)的測(cè)定一般是使用比濁法完成的.13,14但有一個(gè)問(wèn)題:嗜鹽古生菌普遍產(chǎn)生大量的類胡蘿卜素色素.這些類胡蘿卜素色素的吸收峰和嗜鹽古生菌細(xì)胞的吸收峰相近,因此這些色素會(huì)干擾分光光度測(cè)定.1,13,14而且嗜鹽古生菌細(xì)胞的色素含量受環(huán)境鹽濃度、培養(yǎng)基組分和生長(zhǎng)時(shí)期影響變化較大.1,14這導(dǎo)致以往的嗜鹽古生菌生長(zhǎng)測(cè)定結(jié)果有較大誤差.13,14用微量熱法測(cè)定嗜鹽古生菌生長(zhǎng)則可避免上述問(wèn)題.它只以嗜鹽古生菌生長(zhǎng)的代謝產(chǎn)熱為測(cè)定對(duì)象,不會(huì)被細(xì)胞色素干擾.8它可以連續(xù)測(cè)定嗜鹽古生菌的整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程,而且具有高靈敏度和高精確度的特點(diǎn).8,15-17在本研究中,我們應(yīng)用微量熱技術(shù)測(cè)定鹽生鹽桿菌生長(zhǎng),得到了精確度高、重復(fù)性好的結(jié)果.用微量熱法研究嗜鹽古生菌和其它產(chǎn)色素微生物的生長(zhǎng)具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì).

5 結(jié)論

細(xì)菌生長(zhǎng)產(chǎn)熱曲線完整的描述了細(xì)菌的生長(zhǎng)代謝過(guò)程.在培養(yǎng)條件不變的情況下,每種細(xì)菌的產(chǎn)熱曲線都有獨(dú)有的特征.一旦環(huán)境改變,代謝過(guò)程即受影響,細(xì)菌生長(zhǎng)產(chǎn)熱曲線隨之發(fā)生顯著變化.因此,用微量熱法研究細(xì)菌生長(zhǎng)可能發(fā)現(xiàn)其他方法難以發(fā)現(xiàn)的細(xì)節(jié).在本研究中,通過(guò)比較鹽生鹽桿菌在不同NaCl濃度中生長(zhǎng)的生長(zhǎng)產(chǎn)熱曲線,分析其中包含的熱動(dòng)力學(xué)信息,我們發(fā)現(xiàn)鹽生鹽桿菌生長(zhǎng)的最適NaCl濃度并不是傳統(tǒng)認(rèn)為的一個(gè)寬泛的范圍(3.5 mol·L-1至約5.2 mol·L-1(NaCl飽和)),而是約3.9 mol·L-1.在環(huán)境NaCl濃度由3.9 mol·L-1逐步升高至飽和的過(guò)程中,鹽生鹽桿菌的生長(zhǎng)代謝持續(xù)減弱.該現(xiàn)象很難用傳統(tǒng)的微生物學(xué)技術(shù)(例如比濁法)發(fā)現(xiàn).進(jìn)一步的電鏡觀察發(fā)現(xiàn)在近飽和的NaCl濃度中生長(zhǎng)的鹽生鹽桿菌發(fā)生了質(zhì)壁分離,很好地解釋了微量熱研究提出的問(wèn)題.我們的研究表明微量熱法對(duì)研究微生物生長(zhǎng)是一個(gè)特別有用的工具.和傳統(tǒng)方法相比微量熱法可以發(fā)現(xiàn)微生物生長(zhǎng)代謝的更多細(xì)節(jié),這些細(xì)節(jié)可以幫助我們發(fā)現(xiàn)和理解更多的生命現(xiàn)象.

(1)

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February 16,2011;Revised:April 5,2011;Published on Web:April 29,2011.

Microcalorimetric Study of the Influence of Extracellular NaCl Concentration on the Growth Metabolism of Halobacterium halobium

ZENG Chi1,*ZHU Jian-Yu2,*
(1School of Biology and Pharmaceutical Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,P.R.China;2School of Minerals Processing and Bioengineering,Central South University,Changsha 410083,P.R.China)

Microcalorimetry was used to study the influence of extracellular NaCl concentration on the growth metabolism ofHalobacterium halobium (Hbt.halobium)using a TAM airisothermal microcalorimeter.The metabolic thermogenic curves of Hbt.halobium growth in different concentrations of NaCl were obtained using the ampoule method.The thermokinetic equations and parameters of Hbt. halobium growth were calculated and the relationship between each thermokinetic parameter and the concentration of NaCl was obtained.The results showed that the optimum NaCl concentration for Hbt. halobium growth was not a wide range from 3.5 mol L-1to about 5.2 mol·L-1(NaCl saturation),as is generally acknowledged,but just around 3.9 mol·L-1.For an extracellular NaCl concentration above 3.9 mol·L-1,the growth metabolism of Hbt.halobium decreased constantly with an increase in the NaCl concentration.Further investigation by transmission electron microscopy revealed that the Hbt.halobium cells growing in approaching NaCl saturation underwent plasmolysis,which interpreted the finding of microcalorimetry perfectly.All these results led to a new interpretation of the structural transformations of Hbt.halobium upon NaCl concentration altering.

Microcalorimetry;Haloarchaea;Extracellular NaCl concentration;Cell surface structure

O642

?Corresponding authors.ZENG Chi,Email:zeng_chi@yahoo.com.cn;Tel:+86-27-85443805.ZHU Jian-Yu,Email:csuzhu@yahoo.com.cn;

Tel:+86-731-8836944.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(31000050,30700008)and Research Program of Hubei Provincial Department of Education,China(B20111701).

國(guó)家自然科學(xué)基金(31000050,30700008)和湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(B20111701)資助