发状念珠藻的固氮作用

4．2　发状念珠藻的固氮作用

发状念珠藻是具异形胞的丝状蓝细菌，具有固氮能力，异形胞是其固氮作用的主要场所。研究表明，异形胞中无光反应系统II（PSII），但具有完整的光反应系统I（PSI），能通过环式光合酸放化产生ATP，因此异形胞的光合作用有别于营养细胞，而是同光合细菌一样，是不放氧的。异形胞较厚的细胞壁又可阻止外界氧气的渗入，因而异形胞内是一个厌氧的环境，适于对氧高度敏感的固氮作用的进行。发状念珠藻固氮作用的直接产物是氨，固定的氨必须立即转化为氨基酸，以保证固氮作用的持续进行。氨的同化主要是在异形胞内进行，这种同化作用是通过谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合成酶（GOGAT）的偶联作用，并借助多种氨基酸转移酶而进行的多种氨基酸的转移，其反应步骤如图4－1。

图4－1　谷氨酰胺合成酶－谷氨酸合成酶（GS－ GOGAT）途径

其中一分子谷氨酸重新参加循环，另一分子谷氨酸通过转氨酶的转氨基作用，与有机酸合成其他氨基酸。研究表明，异形胞只将固氮产物的5%～6%留在异形胞里，其余则迅速以酰胺的形式经过异形胞与营养细胞的微孔输送给营养细胞，而营养细胞也将其固定CO₂的产物以麦芽糖的形式经微孔输送给异形胞，两类细胞互相配合，保证了整个固氮作用的顺利进行。

固氮微生物处于氮底物浓度极低的环境时，固氮酶能够通过将质子还原为H₂来释放积累的还原力和ATP，利用固氮蓝细菌进行光合制氢成为一种具有研究前景的新型能源生产方式，连续培养条件下，发状念珠藻细胞产氢研究的结果表明其在此方面具有潜在的应用价值。

发状念珠藻的固氮作用受到其生长环境，尤其是温度、含水量和光照的显著影响。发状念珠藻固氮酶活性的最适温度是25～28℃，35℃以上时，固氮酶活性迅速下降，45℃下1小时，发状念珠藻会丧失固氮酶活性。但低温对发状念珠藻固氮酶活性基本不产生影响，甚至还具有刺激作用，研究表明，温度低于0℃时，发状念珠藻的固氮酶活性增加30%，在对与发状念珠藻亲缘关系很近的陆生蓝细菌普通念珠藻研究中也得到了类似的结果。

在干燥发状念珠藻中没有观察到固氮酶的活性。干燥的藻体吸收一定的水分后藻体才表现出固氮活性，此后固氮能力逐渐增强。和光合作用一样，固氮作用的最大测定值也出现在水分丧失的过程中，在水分丧失20%～40%时，固氮酶的活性有增加的表现，此后，随水分的减少固氮酶的活性开始下降，但水分完全丧失时依然可以检测到固氮酶的微弱活性，完全失水1．0小时后固氮作用中止。当藻体含水量为600%时，固氮酶的活性最高。

光照是发状念珠藻生长所必需的环境条件之一，发状念珠藻的光合作用和固氮作用均依赖于光能。光强对固氮酶活性也有很大的影响。在黑暗条件下，固氮酶活性仅为光照条件下的7%。光能对固氮作用的影响主要是通过光合作用产生的，发状念珠藻固氮所需的ATP由异形胞通过环式光合磷酸化产生，所需还原剂则由进行非环式光合磷酸化的营养细胞提供。因此，进行正常的光合作用是固氮作用的前提。有研究表明，不同光质下念珠藻的固氮活性存在差异。白色荧光灯下念珠藻固氮酶活性高于白炽灯下，采用单色光时，念珠藻在蓝光下比在红光下表现出更高的固氮活性。

由于发状念珠藻的营养细胞进行的是放氧型光合作用，高强度的光照条件下，光合作用加强的结果是造成藻体内氧浓度的升高，这理应对固氮酶活性产生抑制。但研究结果表明，发状念珠藻固氮酶活性随光照强度的增加而提高，其光饱和点高达150J· m^－2· s^－1 ～200J· m^－2· s^－1，在其他一些蓝细菌中也表现出类似的情况。对此现象的解释是高光强下藻体内异形胞数量增加，从而加强了固氮作用，而异形胞较厚的细胞壁使得外界氧气难以渗入，从而保证了异形胞内固氮作用的正常进行。